Tổng quan nghiên cứu

Gia công áp lực, đặc biệt là công nghệ dập tấm, đóng vai trò then chốt trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại, góp phần tạo ra các sản phẩm kim loại có độ chính xác cao và năng suất lớn. Tại Công ty TNHH Schindler Việt Nam, sản phẩm Bracket đang gặp phải vấn đề về chiều cao bavia sau khi gia công vượt quá 0.35mm, gây ra chi phí sản xuất tăng cao, thời gian giao hàng kéo dài và nguy cơ tai nạn lao động trong công đoạn mài. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và tối ưu các thông số hình học của hệ thống khuôn ảnh hưởng đến chất lượng lỗ đột trên sản phẩm Bracket, nhằm giảm chiều cao bavia xuống dưới 0.2mm, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong nguyên công đột tạo hình lỗ Oval 17.5 trên vật liệu thép AISI 1015 có độ dày 10mm, thực hiện trên máy dập trục khuỷa 160 tấn với tốc độ dập 200mm/s tại môi trường nhiệt độ 25°C. Mục tiêu cụ thể là xác định ảnh hưởng của khe hở giữa chày và cối, góc cắt của chày, chiều cao lỗ thoát phoi đến chất lượng lỗ đột, từ đó đề xuất bộ thông số hình học tối ưu cho hệ thống khuôn. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc xây dựng mô hình mối quan hệ giữa các thông số hình học và chất lượng sản phẩm, đồng thời mang lại giá trị thực tiễn lớn cho doanh nghiệp trong việc giảm thiểu tai nạn lao động, tiết kiệm chi phí và nâng cao năng suất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, công nghệ dập tấm và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM). Lý thuyết biến dạng dẻo mô tả quá trình kim loại thay đổi hình dạng dưới tác dụng ngoại lực mà không bị phá hủy, bao gồm cơ chế trượt và biến dạng song tinh trong mạng tinh thể đa tinh thể. Các khái niệm chính gồm:

  • Khe hở giữa chày và cối (G): Khoảng cách ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt và chất lượng bavia.
  • Góc cắt (∝𝑠): Góc nghiêng của chày ảnh hưởng đến phân bố lực và hình dạng bavia.
  • Chiều cao lỗ thoát phoi (H): Kích thước lỗ thoát phoi ảnh hưởng đến khả năng tách phoi và chất lượng bề mặt lỗ đột.

Công nghệ dập tấm được áp dụng để tạo hình chi tiết từ vật liệu thép tấm bằng khuôn dập, với ưu điểm năng suất cao, độ chính xác tốt và khả năng tạo hình phức tạp. Mô phỏng FEM với phần mềm DEFORM 3D được sử dụng để phân tích quá trình biến dạng và dự đoán chiều cao bavia dưới các điều kiện khác nhau của thông số hình học khuôn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu thực nghiệm tại Công ty Schindler Việt Nam và kết quả mô phỏng trên phần mềm DEFORM 3D. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm khoảng 20 lần thử với các biến thể của khe hở, góc cắt và chiều cao lỗ thoát phoi được thiết kế theo quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố nhằm đánh giá ảnh hưởng từng thông số và tương tác giữa chúng.

Phương pháp phân tích sử dụng hồi quy đa biến để xây dựng mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các thông số hình học và chiều cao bavia. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, thực nghiệm và tối ưu hóa thông số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng khe hở (G) đến chiều cao bavia (ℎ𝑐): Khi khe hở tăng từ 0.1mm đến 0.3mm, chiều cao bavia tăng trung bình 25%, từ khoảng 0.15mm lên 0.19mm, cho thấy khe hở quá lớn làm giảm chất lượng bavia.

  2. Ảnh hưởng chiều cao lỗ thoát phoi (H): Chiều cao lỗ thoát phoi tăng từ 0.5mm đến 1.5mm làm giảm chiều cao bavia trung bình 18%, do phoi dễ dàng thoát ra hơn, giảm lực cắt không đều.

  3. Ảnh hưởng góc cắt (∝𝑠): Góc cắt tối ưu nằm trong khoảng 5° đến 7°, giúp phân bố lực cắt đều, giảm chiều cao bavia xuống dưới 0.2mm. Góc cắt nhỏ hơn hoặc lớn hơn làm tăng bavia do lực cắt không đồng đều.

  4. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng cao với sai số trung bình dưới 5%, chứng tỏ mô hình FEM và quy hoạch thực nghiệm phù hợp để dự đoán và tối ưu thông số.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng bavia cao là do khe hở giữa chày và cối không phù hợp, gây lực cắt không đồng đều và làm mép lỗ bị biến dạng quá mức. Chiều cao lỗ thoát phoi ảnh hưởng đến khả năng tách phoi, nếu quá nhỏ sẽ gây kẹt phoi, tăng lực cắt và bavia. Góc cắt hợp lý giúp phân bố lực cắt đều, giảm ứng suất tập trung và bavia.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với các khuyến nghị về khe hở và góc cắt của các hãng sản xuất khuôn lớn như Unipunch, Robovent Ice, và Misumi. Việc ứng dụng mô phỏng FEM giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, đồng thời nâng cao độ chính xác trong thiết kế khuôn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chiều cao bavia theo từng thông số G, H, ∝𝑠 và bảng so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm để minh họa tính chính xác của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh khe hở giữa chày và cối: Giảm khe hở xuống khoảng 0.15mm - 0.2mm để giảm chiều cao bavia, thực hiện trong vòng 3 tháng, do bộ phận thiết kế khuôn và sản xuất đảm nhiệm.

  2. Tối ưu chiều cao lỗ thoát phoi: Thiết kế lại lỗ thoát phoi với chiều cao khoảng 1.2mm để đảm bảo phoi thoát dễ dàng, giảm lực cắt không đều, áp dụng trong 6 tháng, phối hợp giữa kỹ thuật thiết kế và sản xuất.

  3. Điều chỉnh góc cắt chày: Thiết lập góc cắt trong khoảng 5° - 7° để phân bố lực cắt đồng đều, giảm bavia, thực hiện trong 4 tháng, do bộ phận thiết kế khuôn chịu trách nhiệm.

  4. Áp dụng mô phỏng FEM trong thiết kế khuôn: Sử dụng phần mềm DEFORM 3D để mô phỏng và dự đoán chất lượng sản phẩm trước khi sản xuất thực tế, giảm chi phí thử nghiệm, triển khai liên tục, do phòng R&D và kỹ thuật thực hiện.

  5. Đào tạo và nâng cao tay nghề công nhân: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật dập và kiểm soát chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành, thực hiện định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự và kỹ thuật phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế khuôn và công nghệ gia công: Nhận được kiến thức về tối ưu thông số hình học khuôn, áp dụng mô phỏng FEM để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  2. Quản lý sản xuất tại các doanh nghiệp cơ khí: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm dập tấm, từ đó điều chỉnh quy trình sản xuất, giảm thiểu tai nạn lao động và tăng hiệu quả kinh tế.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Có tài liệu tham khảo về ứng dụng lý thuyết biến dạng dẻo, công nghệ dập tấm và mô phỏng FEM trong thực tiễn sản xuất.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nâng và thang máy: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm Bracket và các chi tiết tương tự, nâng cao độ bền và tính an toàn của sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chiều cao bavia lại ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm?
    Chiều cao bavia cao gây ra bề mặt không đều, làm giảm tính thẩm mỹ và độ chính xác lắp ráp, đồng thời tăng chi phí gia công lại và nguy cơ tai nạn lao động trong công đoạn mài.

  2. Phần mềm DEFORM 3D có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    DEFORM 3D cho phép mô phỏng quá trình biến dạng dẻo và phân tích lực cắt trong gia công dập, giúp dự đoán chính xác chiều cao bavia và tối ưu thông số khuôn trước khi sản xuất thực tế.

  3. Khe hở giữa chày và cối nên được điều chỉnh như thế nào?
    Khe hở nên được giữ trong khoảng 15-20% độ dày vật liệu, tương đương khoảng 0.15-0.2mm với thép dày 10mm, để đảm bảo lực cắt đồng đều và giảm bavia.

  4. Góc cắt chày ảnh hưởng ra sao đến quá trình đột lỗ?
    Góc cắt hợp lý giúp phân bố lực cắt đều, giảm ứng suất tập trung và bavia. Góc cắt quá nhỏ hoặc quá lớn sẽ làm tăng lực cắt không đều và gây bavia cao.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu tai nạn lao động trong công đoạn mài?
    Bằng cách tối ưu thông số khuôn để giảm chiều cao bavia, giảm thiểu phoi sắc nhọn và bavia lớn, kết hợp đào tạo công nhân và áp dụng quy trình an toàn nghiêm ngặt.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của khe hở, góc cắt và chiều cao lỗ thoát phoi đến chiều cao bavia trên sản phẩm Bracket.
  • Mô hình mô phỏng FEM với DEFORM 3D kết hợp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố cho kết quả dự đoán chính xác, sai số dưới 5%.
  • Bộ thông số hình học tối ưu gồm khe hở 0.15-0.2mm, góc cắt 5°-7°, chiều cao lỗ thoát phoi khoảng 1.2mm giúp giảm chiều cao bavia xuống dưới 0.2mm.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tai nạn lao động tại Công ty Schindler Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai áp dụng mô phỏng FEM trong thiết kế khuôn và đào tạo kỹ thuật viên để duy trì hiệu quả lâu dài.

Khuyến khích các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực gia công áp lực áp dụng kết quả này để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.