MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài (tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu) Trong bối cảnh phát triển của ngành công nghệ chế tạo máy hiện nay, nhà sản xuất cần phải thay đổi cách thức, quy trình gia công biến dạng vật liệu tấm, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ ngày càng cao của khách hàng, đồng thời đảm bảo sự cạnh tranh hiệu quả. Trong đó, công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ vật liệu tấm là một trong những đường hướng tạo hình triển vọng góp phần giảm giá thành một cách thông minh nhằm đem lại lợi ích kinh tế hợp lí. Có thể khẳng định rằng, việc sản xuất các sản phẩm có số lượng ít, mẫu mã và kích thước đa dạng là yêu cầu cần thiết trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ, công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ ô tô, y học, đồ dùng gia dụng.
Đây là một thách thức lớn đối với nhà nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà hoạch định chính sách, nhằm đưa lại những ứng dụng công nghệ một cách tốt nhất. Thực tế cho thấy, công nghệ tạo hình truyền thống, công nghệ tạo hình vật liệu dạng tấm đang sử dụng khuôn không mấy phù hợp với sự thay đổi mẫu mã nhanh chóng của khách hàng với số lượng ít. Muốn vậy, nhà nghiên cứu cần phải nổ lực tìm ra một số giải pháp về công nghệ tạo hình vật liệu dạng tấm không dùng khuôn mà vẫn có thể đáp ứng tốt cho việc sản xuất các sản phẩm loạt nhỏ và vừa, mẫu mã thay đổi nhanh chóng, giá thành thấp, chất lượng sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của khách hàng. Đó chính là thế mạnh của công nghệ tạo hình gia tăng đa điểm.
Do tính ưu việt của phương pháp này là tiết kiệm thời gian, chi phí, phù hợp với nhu cầu cần thiết của xã hội khiến tác giả mạnh dạn chọn lựa đề tài “NGHIÊN CỨU TẠO HÌNH KIM LOẠI TẤM BẰNG CÔNG NGHỆ BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐA ĐIỂM (TPIF – Two Point Incremental Forming)”. Chọn đề tài này, luận án mong muốn nghiên cứu khả năng tạo hình tấm nhôm A1050 H14 dày 1,5 mm và chọn chất bôi trơn, phương pháp bôi trơn hợp lý nhằm khẳng định hiệu quả của công nghệ TPIF. Mục tiêu nghiên cứu 1 Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội, việc nghiên cứu tạo hình kim loại tấm bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm góp phần chỉ ra khả năng biến dạng của vật liệu nhôm tấm A 1050 H14 dày 1,5 mm, đồng thời xác định giá trị biến dạng lớn nhất. sau nữa là ứng dụng công nghệ TPIF ở nhiệt độ thường, tạo hình kim loại tấm dẻo bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm (TPIF).
Do đồ gá TPIF cần chuyển động hạ xuống cùng với đầu dụng cụ tạo hình, cho nên việc thiết kế đồ gá tạo hình TPIF phải giải quyết phù hợp với điều kiện máy TPIF hiện có, đảm bảo độ cứng vững, ổn định nhằm gia tăng độ chính xác thực nghiệm và đạt được các kết quả thực nghiệm tốt. Tiếp nữa, luận án khảo sát quá trình bôi trơn (chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn) ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm (độ nhám bề mặt, biên dạng sản phẩm, phân bố độ dày sản phẩm). Qua đó xác định chất bôi trơn phù hợp để đạt được chất lượng sản phẩm tốt. Nghiên cứu nhớt bôi trơn là Gear VG 150 EP, mỡ bôi trơn công nghiệp, bột than chì và hỗn hợp bôi trơn gồm than chì mỡ bôi trơn với tỉ lệ 1:1 và nhớt bôi trơn làm kết dính hỗn hợp lại với nhau, luận án chỉ ra sự tương tác giữa đầu dụng cụ tạo hình và hỗn hợp bôi trơn nhằm tạo ra bề mặt sản phẩm tốt nhất.
Luận án xác định các thông số máy ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của vật liệu tấm. Từ kết quả khảo sát các thông số công nghệ vận tốc dụng cụ Vxy (mm/phút), bước tiến theo phương z của dụng cụ ∆z (mm), đường kính dụng cụ D (mm) và số vòng quay trục chính n (vòng/phút) tác động đến khả năng biến dạng của vật liệu tấm, luận án lập được phương trình hồi quy thông qua phần mềm qui hoạch thực nghiệm Minitab và tìm thông số công nghệ hợp lý từ phương trình hồi qui. Mục đích là xác định được giá trị các tham số làm khả năng biến dạng lớn nhất của vật liệu tấm. Từ thông số công nghệ trên, luận án dự đoán vết nứt xuất hiện bằng phần mềm Abaqus.
Việc dự đoán vết nứt xuất hiện là cần thiết nhằm tránh những lỗi về vết nứt xảy ra khi gia công. Để tính toán vết nứt, luận án sử dụng phương pháp PTHH. Đây 2 là phương pháp số nhằm mô phỏng, giải và dự đoán vết nứt xuất hiện trên kim loại tấm khi gia công. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là khả năng biến dạng của nhôm tấm A 1050 H14 bằng công nghệ TPIF với bốn thông số công nghệ vận tốc dụng cụ Vxy (mm/phút), bước tiến theo phương z của dụng cụ ∆z (mm), đường kính dụng cụ D (mm) và số vòng quay trục chính n (vòng/phút).
Khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm bằng công nghệ tạo hình TPIF thông qua bốn thông số công nghệ vận tốc dụng cụ Vxy (mm/phút), bước tiến theo phương z của dụng cụ ∆z (mm), đường kính dụng cụ D (mm) và số vòng quay trục chính n (vòng/phút). Nhiệm vụ nghiên cứu Nhiệm vụ thứ nhất là, mô phỏng phần tử hữu hạn quá trình biến dạng và dự đoán khả năng phá hủy sản phẩm trong quá trình tạo hình, luận án sử dụng phương pháp số mô phỏng, tính toán dự đoán vết nứt xuất hiện trên bề mặt kim loại tấm khi tiến hành gia công. Nhiệm vụ thứ hai là, nghiên cứu các thông số công nghệ và ảnh hưởng của nó đến khả năng biến dạng của vật liệu nhôm tấm A1050 H14. Dựa trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm, luận án xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến yếu tố đáp ứng, mức độ ảnh hưởng, từ đó xác lập phương trình hồi quy và tìm thông số máy hợp lý để đạt được khả năng biến dạng là lớn nhất.
Nhiệm vụ thứ ba là, thiết kế và chế tạo đồ gá tạo hình gia công biến dạng gia tăng đa điểm là thao tác quyết định sự thành công của thí nghiệm. Kết cấu đồ gá, vật liệu tấm chuyển động hạ xuống cùng với đầu dụng cụ tạo hình, nên việc nghiên cứu và thiết kế đồ gá là cần thiết để đảm bảo cơ hệ cứng vững, ổn định. Đây là thao tác có ý nghĩa quan trọng nhằm đem lại kết quả thí nghiệm chính xác. 3 Nhiệm vụ thứ tư là, dựa trên kết quả thực nghiệm, luận án đánh giá khả năng biến dạng (đến nứt, rách tấm) kim loại tấm dẻo và nghiên cứu các dạng phá hủy của tấm A 1050 H14 trong quá trình tạo hình.
Nhiệm vụ cuối cùng là, khảo sát chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn, luận án lựa chọn tổ hợp chất bôi trơn thích hợp, góp phần làm giảm ma sát giữa đầu dụng cụ tạo hình và bề mặt kim loại tấm. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ tạo hình đa điểm (TPIF) cho tấm kim loại ở nhiệt độ thường. Vật liệu sử dụng để biến dạng là tấm hợp kim nhôm có mã là A 1050 H14 dày 1,5 mm .Thông số công nghệ tạo hình sử dụng trong quá trình bao gồm vận tốc dụng cụ Vxy =300, 900, 1500 (mm/phút), bước tiến theo phương z của dụng cụ ∆z = 0,1; 0,8; 1,5 (mm) , đường kính dụng cụ D=6, 12, 18 (mm) và số vòng quay của trục chính n = 300, 1050, 1800 (vòng/phút). Trong quá trình biến dạng, giả sử bề dày tấm đồng đều và được bôi trơn tốt với hệ số ma sát không đổi.
Dụng cụ tạo hình là dao hình trụ, dao không cạnh cắt, đầu có dạng hình bán cầu. Luận án khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn sử dụng trong quá trình tạo hình. Các chất bôi trơn sử dụng gồm nhớt bôi trơn (Gear VG 150 EP), mỡ bôi trơn công nghiệp, bột than chì, hỗn hợp bôi trơn mỡ bôi trơn và than chì với tỉ lệ 1:1, dầu hướng dương. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tổng quan về công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ và phân tích các nghiên cứu về TPIF trên thế giới và trong nước giúp chúng tôi xác định thực trạng nghiên cứu trước đó, hướng kế thừa và đóng góp của luận án.
Phương pháp phân tích lý thuyết về biến dạng tấm và lý thuyết SPIF đưa lại cho luận án một cái nhìn tổng quan về khả năng biến dạng tấm. Với phương pháp thực nghiệm, luận án dùng phần mềm quy hoạch thực nghiệm Minitab (DOE) thiết kế thí nghiệm và phân tích ANOVA; phân tích ảnh 4 hưởng của các thông số công nghệ tác động lên khả năng biến dạng kim loại tấm. Quá trình đánh giá mức độ tác động của các thông số công nghệ cho biết bản chất, ảnh hưởng của các thông số đó. Các thông số công nghệ có thể tác động độc lập hoặc tác động lẫn nhau quyết định đến đầu ra.
Từ đó, ta có thể kiểm soát các thông số công nghệ nhằm tạo ra sản phẩm như mong đợi. Quá trình thực nghiệm quá trình TPIF gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng của DCSELAB để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số. Phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm ABAQUS nhằm dự báo quá trình TPIF, xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ, ứng suất,… đánh giá kết quả giữa mô phỏng, thực nghiệm và lý thuyết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu công nghệ tạo hình đa điểm tập trung vào việc xác định khả năng tạo hình kim loại tấm, lựa chọn chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn.
Xác định thông số công nghệ hợp lí nhằm hiểu rõ bản chất quá trình biến dạng đa điểm cho TPIF và hướng đến ứng dụng công nghiệp. - Xác định khả năng tạo hình (góc tạo hình) của vật liệu nhôm tấm A 1050 H14, dày 1,5 mm bằng công nghệ TPIF, luận án đưa lại những thông số về khả năng biến dạng lớn nhất của nhôm tấm. - Xây dựng mô hình khảo sát để khảo sát khả năng biến dạng của vật liệu tấm bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm, luận án thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (∆z, Vxy, D, n) với khả năng tạo hình, vật liệu tiêu biểu nhôm tấm A 1050 H14 dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm.