Chương 1. Thiết kế và chế tạo hệ thống uốn tạo hình chi tiết có gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ. Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ khi uốn chi tiết hình chữ V. Ảnh hưởng của nhiệt độ khi gia công 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ Gia công gia nhiệt ngày càng được biết đến và sử dụng rộng rãi như là một phương pháp gia công thay thế, cải thiện tính năng gia công của những kim loại và hợp kim có độ dày và độ cứng cao.
Công nghệ gia công này được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19. Các nghiên cứu đã đưa ra nhận xét: các kim loại có xu hướng dễ biến dạng hơn khi gia nhiệt Hình 1. Do đó nâng cao được tính năng gia công của chúng. Gia công có gia nhiệt cho phôi đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất các sản phẩm kỹ thuật và được giới thiệu đầu tiên vào cuối thế kỷ 20.
Điển hình như các công trình [1],[2],[3] đã đưa ra các phương pháp gia công uốn có gia nhiệt hoặc dùng trực tiếp nguồn nhiệt để gia công kim loại tấm, các công trình cũng chỉ ra hiệu quả rõ ràng của việc gia công có gia nhiệt. Mối quan hệ giữa cơ tính và nhiệt độ của một số loại vật liệu khác nhau [4] Hình 1. Biểu đồ ứng suất – biến dạng của thép AMS 5604 ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau [2] Khi gia công có gia nhiệt đem lại nhiều ưu điểm vượt trội như: 14 • Tuổi thọ dụng cụ gia công tăng lên. • Lực gia công cần thiết giảm đáng kể.
• Tăng năng suất gia công nhờ tăng tốc độ gia công khi gia công có gia nhiệt. • Giảm độ bền và giới hạn chảy của vật liệu gia công khi gia nhiệt, điều này giúp quá trình gia công thực hiện dễ dàng hơn và có độ chính xác cao hơn. • Chất lượng bề mặt chi tiết gia công cao hơn so với phương pháp gia công thông thường. • Khi gia công vật liệu giòn (như gốm, sứ), thì gia công có gia nhiệt là phương pháp dễ dàng và hiệu quả nhất.
Biểu đồ ứng suất – biến dạng của thép kết cấu ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau [5] Tuy nhiên, phương pháp gia công có gia nhiệt vẫn có một số nhược điểm như: Khi thực hiện gia công các sản phẩm khác nhau sẽ cần phải thiết kế một hệ thống gia nhiệt phù hợp với sản phẩm đó. Ngoài ra, do ảnh hưởng của hiện tượng dãn nở vì nhiệt, nên sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước và hình dạng của chi tiết khi gia công.2 Một số phương pháp gia nhiệt phổ biến Gia nhiệt khi gia công có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào từng điều kiện và dạng sản phẩm khác nhau như: gia nhiệt bằng dòng điện, hồ quang, cảm ứng điện từ cao tần, chùm laser, chùm electron và tia plasma v. Tuy nhiên, tất cả các công nghệ này chỉ phù hợp cho một số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả. Việc đưa ra được phương pháp gia nhiệt thích hợp rất quan trọng nếu không quá trình gia nhiệt có thể làm hỏng phôi và không đạt được các kết quả mong muốn [6].
15 Gia nhiệt bằng laser (Laser – Assisted Machining – LAM) là phương pháp gia nhiệt thích hợp cho quá trình cắt gọt và được ứng dụng rộng rãi trong gia công. Phương pháp gia nhiệt này có ưu điểm là có thể dùng cho cả gia công kim loại, phi kim và vật liệu gốm. Tuy vậy, giá thành của một hệ thống gia nhiệt bằng laser khá cao (Một nguồn laser 1,5 kW CO2 có giá hơn 150.000$) và sự tiêu thụ năng lượng lớn làm chậm lại quá trình gia nhiệt bằng laser. 4a là sơ đồ xác định vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt.
4b thể hiện sự biến thiên trong của các thành phần lực cắt theo thời gian trong quá trình gia công có gia nhiệt bằng nguồn laser. Nguồn laser được bật từ giây thứ 9 sau khi quá trình gia công bắt đầu và tắt ở giây thứ 14. Lực cắt theo phương Z (FZ) khi tiện là thành phần lực cắt chính (hay còn gọi là lực vòng) vì nó lớn gấp 3 lần so với hai thành phần còn lại. Kết quả cho thấy lực cắt giảm đáng kể khi có sự trợ giúp của quá trình gia nhiệt bằng laser.
Xác định vị trí tương đối giữa chùm laser, phôi và dụng cụ cắt (a); các thành phần lực cắt biến thiên theo thời gian trong suốt quá trình gia công (b) [7] Gia nhiệt bằng Plasma (Plasma –Enhanced Machining –PEM) là một phương pháp gia nhiệt đã nhận được sự chú ý đáng kể ở Đức. Đã có khá nhiều nghiên cứu được thực hiện trong những năm qua với việc sử dụng nhiệt độ cao làm mềm vật liệu ngay trước khi gia công để cải thiện tính gia công vật liệu khó gia công. PEM là một trong những công nghệ được phát triển bởi nó cung cấp cường độ nhiệt cần thiết làm mềm phôi, đặc biệt đối với phương pháp gia công tiện. Trong phương pháp gia nhiệt bằng Plasma, nguồn nhiệt được cung cấp bởi dòng điện một chiều (DC).
Nhờ các dòng Plasma chuyển động, nên nhiệt được sinh ra. Thiết bị tạo Plasma bao gồm một catot Vonfram mạ Thoria và một vòi phun làm mát. Thông qua vòi phun này là dòng chảy khí Plasma. Vòi phun được coi như là anot khi gia 16 nhiệt phôi không dẫn điện.
Đối với vật liệu dẫn điện, phôi hoạt động như một cực dương Hình 1. Dòng Plasma có khả năng tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn tới 16. Gia nhiệt bằng dòng điện (Electricity – Assisted Machining - EAM) là một kỹ thuật gia công có gia nhiệt mà trong đó phôi được làm nóng bằng dòng điện chạy qua vị trí gia công. Gia nhiệt bằng điện trở kháng của dòng điện có nhiều lợi thế, đó là khu vực được làm nóng bằng dòng điện trùng với vùng biến dạng của quá trình cắt.
Phương pháp gia nhiệt bằng dòng điện có thể áp dụng với các phương pháp gia công khác nhau như tiện, khoan v. mà không có sự gia tăng nhiệt đáng kể của bề mặt gia công. Thiết bị gia nhiệt Plasma (a) [8], gia nhiệt bằng lò nung (b) [9] Gia nhiệt bằng lò nung (Furnace heating – Assisted Machining – FAM) là một phương pháp gia nhiệt này đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và áp dụng. Các nghiên cứu đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng lò nhiệt Hình 1.
5b để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới các tiêu chuẩn khác nhau của vật liệu gia công.Walczyk và Sameer Vittal [9] đã chỉ ra sự ảnh hưởng quá trình gia nhiệt bằng lò nhiệt tới khả năng uốn của hợp kim titan. Họ thấy rằng lượng biến dạng đàn hồi sau quá trình tạo hình và lực uốn giảm đáng kể khi gia nhiệt. Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ là một phương pháp gia nhiệt rất hiệu quả, chi phí thấp và là sự lựa chọn tốt trong trường hợp uốn tấm. Nguyen Duc-Toan và các cộng sự [10] đã sử dụng thiết bị gia nhiệt cảm ứng điện từ để thử kéo và uốn V các chi tiết là từ hợp kim AZ31.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi nhiệt độ càng cao thì góc đàn hồi sau biến dạng tạo hình càng nhỏ. Stachowic và các cộng sự [2] đã sử dụng phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính và góc đàn hồi sau biến dạng tạo hình của thép tấm AMS 5604. Nghiên cứu cũng 17 đã chỉ ra rằng, khi nhiệt độ càng cao thì giới hạn chảy càng giảm, góc đàn hồi sau biến dạng tạo hình cũng giảm theo. Không chỉ ứng dụng trong gia công tạo hình kim loại tấm, gia nhiệt cảm ứng từ còn ứng dụng trong quá trình tôi.
Thời gian gia nhiệt ngắn thực tế dẫn đến hiện tượng không gỉ vật liệu và vì thế sản phẩm không cần mài. Tuy nhiên phương pháp gia nhiệt này không thích hợp cho gia công tiện bởi thiết kế cho quá trình gia nhiệt không phù hợp để thực hiện tất cả các chuyển động khi gia công.3 Ưu và nhược điểm của các phương pháp gia nhiệt Mỗi phương pháp gia nhiệt đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, mỗi phương pháp sẽ phù hợp với một số phương pháp gia công chứ không phải là tất cả (theo Bảng 1. 1 Các ưu và nhược điểm của các phương pháp gia nhiệt [11] Phương pháp gia Ưu điểm Nhược điểm nhiệt Gia nhiệt bằng - Mức độ tập trung nhiệt độ - Chi phí cao laser (LAM) của nguồn nhiệt cao - Tỷ lệ hấp thụ nhiệt trên - Dễ dàng điều chỉnh những vật liệu khác nhau là nguồn laser khác nhau Gia nhiệt bằng - Mức độ tập trung nhiệt độ - Khó kiểm soát và điều Plasma (PEM) của chỉnh nhiệt độ nguồn nhiệt cao Gia nhiệt bằng -Thiết bị đơn giản - Khó kiểm soát và điều dòng điện - Nhiệt độ đồng đều chỉnh nhiệt độ (EAM) Gia nhiệt bằng lò - Thiết bị đơn giản - Khó kiểm soát và điều nhiệt (FAM) chỉnh nhiệt độ - Chỉ áp dụng làm thí nghiệm hoặc các chi tiết có kích thước nhỏ, không yêu cầu độ chính xác cao. Gia nhiệt bằng - Dễ dàng sử dụng - Mức độ tập trung của 18 cảm ứng điện từ - Công suất gia nhiệt cao nguồn nhiệt không cao (IAM) - Sự di chuyển của dụng cụ bị hạn chế Gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ có ưu điểm vượt trội ở hiệu quả gia nhiệt khi uốn thép tấm, chi phí gia nhiệt thấp, ứng dụng rộng rãi cho những kim loại và hợp kim có độ cứng cao và độ dầy lớn khó uốn tạo hình.
Một khó khăn rất đáng quan tâm của gia nhiệt bằng cảm ứng từ là việc ứng dụng vào thực tiễn khi gia nhiệt cho các chi tiết lớn có kích thước khác nhau hoặc hình dạng chi tiết phức tạp. Trong nghiên cứu này sẽ ứng dụng gia công gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ cho nên phương pháp gia nhiệt này được nghiên cứu chi tiết hơn ở phần sau. Gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ 1.1 Nguyên tắc Phương pháp đề xuất để cải thiện khả năng tạo hình, tăng độ chính xác và giảm lực cần thiết khi tạo hình kim loại tấm là thông qua ứng dụng gia nhiệt phôi ngay trước khi tạo hình hoặc trong quá trình tạo hình. Công suất đầu vào của năng lượng nhiệt rất cao do nguồn nhiệt phù hợp.
Giới hạn chảy của vật liệu giảm mạnh khi nhiệt độ gia nhiệt càng cao, phụ thuộc vào cơ tính của từng loại vật liệu khác nhau. Kim loại tấm được mềm hóa và dễ dàng tạo hình.