Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế ngày càng sâu rộng, ngành công nghiệp chế tạo máy tại Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức cạnh tranh khốc liệt. Công nghệ tạo mẫu bằng biến dạng cục bộ liên tục (Incremental Sheet Forming - ISF) nổi lên như một giải pháp đột phá trong lĩnh vực tạo hình kim loại tấm. Theo ước tính, ISF cho phép tạo hình các chi tiết kim loại hoặc phi kim với hình dạng phức tạp mà không cần sử dụng khuôn mẫu truyền thống, giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư và thời gian sản xuất. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu hụt thiết bị chuyên dụng phù hợp với quá trình biến dạng dẻo.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế máy ISF nhằm phát triển một thiết bị CNC có khả năng gia công các sản phẩm kim loại tấm với bề mặt phức tạp, không đối xứng và không cần khuôn. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 7/2012 đến tháng 6/2013 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Mục tiêu chính là xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán lực tạo hình, thiết kế chi tiết máy, lựa chọn thiết bị điều khiển và phát triển phần mềm tự động hóa quá trình thiết kế, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ ISF trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam. Các chỉ số hiệu quả như độ chính xác gia công, khả năng biến dạng vật liệu và năng suất gia công được đặt làm tiêu chí đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: cơ sở biến dạng dẻo kim loại và mô hình lực tạo hình trong công nghệ ISF.

  1. Cơ sở biến dạng dẻo kim loại: Nghiên cứu tập trung vào trạng thái ứng suất và phương trình dẻo, trong đó áp dụng tiêu chuẩn Von Mises và tiêu chuẩn hiệu suất bậc hai của Hill để mô tả tính dị hướng đàn hồi của vật liệu. Các khái niệm chính bao gồm góc biến dạng giới hạn, trạng thái ứng suất chính, và biểu đồ giới hạn biến dạng (Forming Limit Diagram - FLD) dùng để dự đoán khả năng biến dạng của vật liệu trong quá trình gia công.

  2. Mô hình lực tạo hình: Hai mô hình tính lực chính được áp dụng để ước lượng các thành phần lực tác dụng lên dụng cụ tạo hình trong quá trình ISF. Mô hình thứ nhất dựa trên lực kéo và góc tiếp xúc, trong khi mô hình thứ hai phân tích lực dọc trục và lực trong mặt phẳng ngang dựa trên bán kính dụng cụ và giới hạn đàn hồi của vật liệu. Các khái niệm như lực kéo F, góc tiếp xúc, và tính dị hướng đàn hồi R được sử dụng để mô phỏng chính xác lực tạo hình.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: Incremental Sheet Forming (ISF), góc biến dạng giới hạn (max), lực tạo hình (F), biểu đồ giới hạn biến dạng (FLD), và tiêu chuẩn Von Mises.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng và thiết kế thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học quốc tế, báo cáo ngành, và kết quả thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm trọng điểm điều khiển số và kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) của Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm CAD Inventor để mô hình hóa chi tiết máy, phần mềm Abaqus để phân tích ứng suất và biến dạng, đồng thời phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế dựa trên các module tính toán bộ truyền đai, vít me đai ốc, lò xo và mối ghép ren.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thiết kế máy được dựa trên các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của máy CNC 3 trục, lựa chọn động cơ AC servo và bộ truyền động vít me đai ốc bi nhằm đảm bảo độ chính xác và độ cứng vững. Các thông số gia công như bước tiến dao, tốc độ quay trục chính, đường kính dụng cụ được khảo sát để tối ưu hóa thiết kế.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 7/2012 đến tháng 6/2013, bao gồm giai đoạn tổng hợp lý thuyết, thiết kế sơ bộ, tính toán chi tiết, mô phỏng và phát triển phần mềm tự động hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thông số gia công đến khả năng tạo hình: Tốc độ tiến dụng cụ (F) và bước tiến dao dọc (AZ) có ảnh hưởng trực tiếp đến lực tạo hình và chất lượng bề mặt. Tăng F giúp giảm thời gian gia công và tăng góc biến dạng giới hạn, tuy nhiên cần cân bằng để tránh rung động dụng cụ. Bước tiến AZ dưới 1 mm được khuyến cáo để đảm bảo độ nhám bề mặt và độ chính xác.

  2. Lựa chọn đường kính dụng cụ tạo hình: Đường kính nhỏ giúp tăng góc biến dạng và độ chính xác biên dạng nhưng làm tăng độ nhám bề mặt. Ngược lại, đường kính lớn giảm độ nhám nhưng làm giảm khả năng biến dạng và độ chính xác. Việc sử dụng nhiều đường kính dụng cụ cho một sản phẩm được đề xuất để tối ưu hóa.

  3. Thiết kế máy ISF: Phương án bàn máy di chuyển theo một phương được đánh giá cao nhất về độ cứng vững, khả năng chịu lực dọc trục và độ chính xác gia công. Thiết kế này giúp loại bỏ hiện tượng công-xôn của trục Z, nâng cao độ ổn định và hành trình gia công.

  4. Lựa chọn động cơ và bộ truyền động: Động cơ AC servo được chọn do khả năng đáp ứng nhanh, moment lớn, độ chính xác cao và tuổi thọ dài hơn so với động cơ DC servo. Bộ truyền động vít me đai ốc bi được ưu tiên vì độ chính xác cao, hiệu suất truyền động khoảng 99%, ít sinh nhiệt và vận hành êm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tối ưu các thông số gia công và thiết kế máy có thể nâng cao đáng kể hiệu quả công nghệ ISF. So với các nghiên cứu quốc tế, luận văn đã áp dụng thành công các mô hình lực tạo hình và tiêu chuẩn vật liệu để thiết kế máy phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước. Việc phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế giúp giảm thời gian và sai số trong quá trình thiết kế chi tiết máy, tăng tính khả thi và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.

Dữ liệu lực tạo hình và ứng suất được trình bày qua các biểu đồ biến thiên lực theo chiều sâu gia công và ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các yếu tố kỹ thuật và hiệu quả gia công. So sánh các phương án thiết kế máy qua bảng đánh giá đa tiêu chí cũng cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn phương án tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển máy ISF theo phương án bàn máy di chuyển một phương: Tập trung hoàn thiện thiết kế cơ cấu trượt cầu trục và cụm trục Z để đảm bảo độ cứng vững và chính xác gia công, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng tiếp theo, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư cơ khí thực hiện.

  2. Tối ưu hóa thông số gia công: Khuyến nghị sử dụng bước tiến dao AZ dưới 1 mm và tốc độ tiến dụng cụ F ở mức cao nhưng trong giới hạn chịu tải của dụng cụ để tăng năng suất và chất lượng bề mặt, áp dụng trong giai đoạn thử nghiệm sản xuất.

  3. Ứng dụng động cơ AC servo và bộ truyền vít me đai ốc bi: Đảm bảo độ chính xác và độ bền cho máy, đồng thời giảm chi phí bảo trì, thực hiện trong quá trình chế tạo và lắp ráp thiết bị.

  4. Phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế: Mở rộng các module tính toán và tích hợp với hệ thống CAD-CAM để rút ngắn thời gian thiết kế và kiểm tra, dự kiến hoàn thiện trong 6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên ngành công nghệ chế tạo máy: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về công nghệ ISF, mô hình lực tạo hình và thiết kế máy CNC chuyên dụng.

  2. Kỹ sư thiết kế máy công cụ và thiết bị gia công: Áp dụng các phương pháp tính toán lực, lựa chọn thiết bị truyền động và động cơ trong thiết kế máy gia công kim loại tấm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo máy: Tham khảo để phát triển hoặc nâng cấp thiết bị gia công theo công nghệ ISF, giảm chi phí đầu tư và nâng cao năng suất.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành cơ khí: Học tập quy trình nghiên cứu, phương pháp mô phỏng và phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế trong lĩnh vực chế tạo máy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ ISF có ưu điểm gì so với phương pháp tạo hình truyền thống?
    ISF không cần khuôn mẫu phức tạp, cho phép tạo hình các chi tiết phức tạp với chi phí thấp và thời gian nhanh hơn, phù hợp cho sản xuất mẫu nhanh và loạt nhỏ.

  2. Làm thế nào để chọn đường kính dụng cụ tạo hình phù hợp?
    Đường kính nhỏ tăng độ chính xác và góc biến dạng nhưng làm tăng độ nhám bề mặt; đường kính lớn giảm độ nhám nhưng giảm khả năng biến dạng. Nên sử dụng kết hợp nhiều đường kính tùy theo yêu cầu sản phẩm.

  3. Tại sao chọn động cơ AC servo thay vì động cơ DC servo?
    Động cơ AC servo có tuổi thọ cao hơn (trên 20.000 giờ), ít bảo trì, vận hành êm, hiệu suất tốt và khả năng đáp ứng nhanh, phù hợp cho các hệ dẫn động chính xác.

  4. Phần mềm tự động hóa thiết kế có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Phần mềm giúp tự động tính toán và thiết kế các bộ phận máy như bộ truyền đai, vít me đai ốc, giảm sai số và thời gian thiết kế, nâng cao hiệu quả nghiên cứu và ứng dụng.

  5. Phương án bàn máy di chuyển một phương có ưu điểm gì?
    Phương án này nâng cao độ cứng vững, loại bỏ hiện tượng công-xôn, tăng khả năng chịu lực dọc trục và cải thiện độ chính xác gia công, phù hợp với yêu cầu của công nghệ ISF.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán lực tạo hình trong công nghệ ISF, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.
  • Phương án thiết kế máy CNC với bàn máy di chuyển một phương được lựa chọn tối ưu về độ cứng vững và độ chính xác.
  • Lựa chọn động cơ AC servo và bộ truyền vít me đai ốc bi đảm bảo hiệu suất và độ bền thiết bị.
  • Phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu và giảm thời gian thiết kế chi tiết máy.
  • Tiếp tục hoàn thiện thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy ISF trong vòng 12 tháng tới để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế.

Để thúc đẩy phát triển công nghệ ISF tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này, đồng thời phối hợp mở rộng nghiên cứu nhằm nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh trên thị trường quốc tế.