Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu mô phỏng tạo hình SUS 304 bằng công nghệ MSPIF

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình sus 304 tấm bằng công nghệ mspif, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Hồ Hữu Hân
• Người hướng dẫn: TS. Lê Khánh Điền
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Khả Năng Tạo Hình SUS 304 Bằng Công Nghệ MSPIF
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu chung về công nghệ MSPIF
• 1.1.1. Các phương pháp gia công cổ điển
• 1.1.2. Công nghệ SPIF
• 1.1.3. Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ MSPIF
• 1.1.4. Khả năng tạo hình (góc tạo hình) trong MSPIF
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về công nghệ MSPIF
• 1.2.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài
• 1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tổng quan về vật liệu thép không gỉ
• 1.3.1. Lịch sử, khái niệm và phân loại thép không gỉ [13], [14], [27]
• 1.3.2. Thép không gỉ 304 (SUS304) [15]
• 1.3.3. Ứng dụng của SUS304
• 1.4. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.5.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. TÓM TẮT CHƯƠNG 1
• 2. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH TẤM SUS304 BẰNG CÔNG NGHỆ MSPIF
• 2.1. Biến dạng đàn dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo
• 2.2. Cơ sở lý thuyết tạo hình của công nghệ MSPIF
• 2.3. Các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình
• 2.4. Giới thiệu về ABAQUS [17]
• 2.4.1. Các đặc điểm chính của Abaqus
• 2.4.2. Các bước của một mô hình phân tích FEA
• 2.4.3. Hệ đơn vị trong Abaqus
• 2.4.4. Định nghĩa một chi tiết (part)
• 2.4.5. Kiểu chi tiết
• 2.4.6. Bậc tự do trong Abaqus
• 2.4.7. Một số hình ảnh ứng dụng Abaqus để mô phỏng
• 2.5. Cơ sở lý thuyết MSPIF dùng trong mô phỏng dùng ABAQUS
• 2.6. Quy hoạch thực nghiệm và phần mềm Minitab
• 2.6.1. Lựa chọn phương pháp quy hoạch mô phỏng
• 2.6.2. Giới thiệu phần mềm Minitab [25]
• 2.7. TÓM TẮT CHƯƠNG 2
• 3. Chương 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẠY MÔ PHỎNG TẤM SUS304 BẰNG CÔNG NGHỆ MSPIF
• 3.1. Khảo sát mô phỏng và thực nghiệm để xác định góc tạo hình ban đầu (α0)
• 3.1.1. Chọn vật liệu và xây dựng cơ sở dữ liệu vùng dẻo của SUS304
• 3.1.2. Thủ tục mô phỏng trên mẫu côn cong bằng Abaqus 2020
• 3.2. Các bước thực hiện mô phỏng với Abaqus
• 3.3. Thực nghiệm SPIF để xác định góc tạo hình ban đầu (α0)
• 3.4. Khảo sát mô phỏng khả năng tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF
• 3.4.1. Các điều kiện biên trong mô phỏng cần phù hợp với thực nghiệm
• 3.4.2. Thống nhất các thông số tạo hình trong mô phỏng và thực nghiệm
• 3.4.3. Mẫu dùng trong mô phỏng
• 3.4.4. Quy trình khảo sát biến dạng dẻo trong MSPIF bằng phần mềm ABAQUS
• 3.4.5. Xác định thông số ban đầu cho mô phỏng số
• 3.4.6. Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3.4.7. Mô hình CAD
• 3.4.8. Mô hình CAM
• 3.4.9. Kết quả mô phỏng MSPIF trên tấm SUS304
• 3.5. TÓM TẮT CHƯƠNG 3
• 4. Chương 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG TẠO HÌNH TẤM SUS304 BẰNG CÔNG NGHỆ MSPIF
• 4.1. Thiết lập phương trình hồi quy từ kết quả mô phỏng
• 4.1.1. Bảng ma trận giá trị kết quả mô phỏng khai báo trong Minitab
• 4.1.2. Phương trình hồi quy cơ bản bằng Minitab
• 4.1.3. Phân tích ảnh hưởng của các nhân tố từ kết quả thử nghiệm
• 4.1.4. Chọn điều kiện tối ưu
• 4.1.5. Tối ưu hóa thiết kế
• 4.1.6. Tối ưu hóa phương trình hồi quy
• 4.2. Thực nghiệm công nghệ MSPIF
• 4.3. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 4.4. TÓM TẮT CHƯƠNG 4
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• PL.1. Công cụ dùng để chạy mô phỏng
• PL.1.1. Máy tính công nghiệp ADVANTECH (Core i5)
• PL.1.2. Máy tính HP Workstation (XEON)
• PL.2. Mô hình CAD
• PL.3. Mô hình CAM
• PL.4. Quá trình thực hiện mô phỏng khả năng tạo hình bằng công nghệ MSPIF
• PL.4.1. Tạo chi tiết mô hình
• PL.4.2. Tạo vật liệu chi tiết mô phỏng
• PL.4.3. Xác định và gán các đặc tính bộ phận
• PL.4.4. Lắp ráp mô hình
• PL.4.5. Cấu hình phân tích
• PL.4.6. Các yêu cầu xuất kết quả phân tích
• PL.4.7. Chọn điều kiện biên lên mô hình
• PL.4.8. Gán điều kiện di chuyển dụng cụ theo file NC
• PL.4.9. Gán điều kiện tiếp xúc cho mô hình
• PL.4.10. Chia lưới cho mô hình
• PL.4.11. Tạo và xác nhận bước phân tích
• PL.4.12. Khảo sát và phân tích kết quả
• PL.5. Bộ thông số thực nghiệm
• PL.6. Thực hiện tạo mô hình CAD
• PL.7. Mô hình CAM
• PL.8. Ứng dụng phương pháp phay tinh để thực hiện
• PL.9. Các bước chuẩn bị trước khi gia công
• PL.10. Kết quả thực nghiệm
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình SUS 304 bằng công nghệ MSPIF được thực hiện nhằm tìm hiểu và đánh giá quy trình sản xuất linh kiện từ hợp kim inox. Công nghệ MSPIF là một cải tiến của công nghệ SPIF, cho phép tạo hình tấm SUS 304 mà không cần khuôn, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong sản xuất. Mục tiêu của nghiên cứu là thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ như góc tạo hình, lượng tiến dụng cụ và vận tốc chạy dụng cụ, ảnh hưởng đến khả năng tạo hình của SUS 304. Theo đó, việc nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả công nghệ.

1.1 Giới thiệu về công nghệ MSPIF

Công nghệ MSPIF được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của công nghệ SPIF. Nhờ vào khả năng tạo hình liên tục qua nhiều giai đoạn, công nghệ này giúp tăng góc tạo hình mà trước đây chưa đạt được. Việc áp dụng MSPIF trong sản xuất SUS 304 không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số như góc tạo hình và tốc độ chạy dụng cụ có thể dẫn đến việc cải thiện đáng kể khả năng tạo hình của vật liệu, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong ứng dụng công nghiệp.

II. Cơ sở lý thuyết quá trình tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Quá trình tạo hình tấm SUS 304 bằng công nghệ MSPIF dựa trên nguyên lý biến dạng đàn dẻo và mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo. SUS 304 là một loại hợp kim inox được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo do tính năng chống ăn mòn và khả năng gia công tốt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình như góc tạo hình, tốc độ và lượng tiến dụng cụ là rất quan trọng. Các mô hình mô phỏng được thiết lập trên phần mềm ABAQUS đã cho thấy sự tương quan mạnh mẽ giữa các thông số này và kết quả tạo hình, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình sản xuất.

2.1 Biến dạng đàn dẻo trong MSPIF

Biến dạng đàn dẻo là một khía cạnh quan trọng trong quá trình tạo hình tấm. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự biến dạng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ dày tấm, tốc độ tạo hình và điều kiện biên trong mô phỏng. Sử dụng các mô hình phân tích FEA (Phân tích Phần tử Hữu hạn), có thể xác định được giới hạn biến dạng của SUS 304, từ đó tối ưu hóa quá trình tạo hình. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình gia công. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ MSPIF cho phép thực hiện các hình dạng phức tạp mà trước đây khó có thể đạt được với các phương pháp truyền thống.

III. Thiết lập mô hình chạy mô phỏng tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Mô hình chạy mô phỏng tấm SUS 304 bằng công nghệ MSPIF được thiết lập với các điều kiện biên phù hợp với thực nghiệm. Việc khảo sát các thông số như góc tạo hình ban đầu và điều kiện biên trong mô phỏng là rất quan trọng. Các bước thực hiện mô phỏng đã được thực hiện trên phần mềm ABAQUS, cho phép phân tích chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo hình. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan giữa các thông số công nghệ và khả năng tạo hình, từ đó cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.1 Khảo sát mô phỏng và thực nghiệm

Khảo sát mô phỏng và thực nghiệm là bước quan trọng trong nghiên cứu. Các thông số như góc tạo hình và lượng tiến dụng cụ được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế, từ đó so sánh với kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy rằng mô phỏng có thể dự đoán chính xác khả năng tạo hình của SUS 304, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng phương pháp MSPIF cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà không cần khuôn, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành chế tạo.

IV. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình của SUS 304 là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các thông số như góc tạo hình, lượng tiến dụng cụ và tốc độ chạy dụng cụ được phân tích để xác định ảnh hưởng của chúng đến khả năng tạo hình. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến việc nâng cao đáng kể khả năng tạo hình của SUS 304. Sự tương quan giữa các thông số và khả năng tạo hình đã được thể hiện rõ ràng thông qua các mô hình hồi quy và phân tích thống kê.

4.1 Thiết lập phương trình hồi quy từ kết quả mô phỏng

Phương trình hồi quy được thiết lập từ các kết quả mô phỏng nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và khả năng tạo hình. Việc sử dụng phần mềm Minitab để phân tích dữ liệu cho phép xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng tạo hình. Kết quả cho thấy rằng góc tạo hình và tốc độ chạy dụng cụ là hai yếu tố quan trọng nhất. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo.

V. Kết luận và hướng phát triển đề tài

Nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình SUS 304 bằng công nghệ MSPIF đã đạt được những kết quả khả quan, cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc ứng dụng công nghệ này trong sản xuất. Các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa các thông số công nghệ và khả năng tạo hình. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể tập trung vào việc áp dụng công nghệ MSPIF trong các lĩnh vực khác nhau, cũng như nghiên cứu thêm về các loại vật liệu mới. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ trong công nghiệp.

5.1 Hướng phát triển của đề tài

Hướng phát triển của đề tài có thể xem xét việc mở rộng nghiên cứu sang các loại vật liệu khác hoặc cải tiến công nghệ MSPIF để nâng cao khả năng tạo hình. Việc áp dụng công nghệ này trong sản xuất hàng loạt cũng là một lĩnh vực tiềm năng cần được nghiên cứu thêm. Đặc biệt, việc kết hợp công nghệ MSPIF với các công nghệ mới như in 3D có thể tạo ra những sản phẩm có tính năng vượt trội hơn, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ gia công kim loại tấm truyền thống bằng phương pháp dập khuôn đòi hỏi chi phí đầu tư khuôn mẫu ban đầu rất lớn, thường chiếm tới 60% đến 80% tổng chi phí sản xuất đối với các đơn hàng đơn chiếc hoặc loạt nhỏ. Kể từ khi được Edward Leszak phát minh vào năm 1967 tại Hoa Kỳ, công nghệ tạo hình tấm cục bộ liên tục không dùng khuôn đã mở ra hướng đi đột phá cho ngành chế tạo cơ khí. Mặc dù công nghệ tạo hình đơn điểm một giai đoạn mang lại tính linh hoạt cao, nhưng khả năng biến dạng của vật liệu bị hạn chế nghiêm trọng bởi góc tạo hình giới hạn thường không vượt quá 60 độ đối với các mác thép có độ bền cao. Khi góc nghiêng tăng cao, quy luật hình sin khiến chiều dày thành phôi giảm mạnh về 0, dẫn đến hiện tượng phá hủy và rách tấm.

Nhằm khắc phục rào cản này, công nghệ tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn ra đời như một giải pháp gia công tiên tiến, giúp tái phân bố biến dạng và nâng cao độ sâu tạo hình. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí mã số 8520103 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện từ ngày 14 tháng 02 năm 2022 đến ngày 10 tháng 12 năm 2022, đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi này. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là khảo sát mô phỏng số và tối ưu hóa khả năng tạo hình của phôi thép không gỉ SUS304 chứa 18% Crom và 8% Niken ở nhiệt độ môi trường. Kết quả nghiên cứu xác lập mối quan hệ định lượng giữa 4 thông số công nghệ chính với góc tạo hình giới hạn, cung cấp cơ sở khoa học để tăng góc biến dạng lên trên 75 độ, giảm hơn 70% thời gian thử nghiệm thực tế và tiết kiệm đáng kể chi phí gia công mẫu thử cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết dẻo phi tuyến Ludwik-Hollomon để mô tả chính xác ứng xử cơ học trong miền biến dạng dẻo của thép không gỉ tấm. Phương trình đường cong ứng suất - biến dạng thực có dạng hàm mũ với hệ số mũ biến dạng nhỏ hơn 0.5, kết hợp cùng giới hạn chảy ban đầu được xác định từ các thử nghiệm kéo mẫu đơn trục. Về nguyên lý tạo hình, đề tài dựa trên nền tảng cơ học tạo hình cục bộ liên tục không dùng khuôn, nơi đầu dụng cụ hình cầu di chuyển theo quỹ đạo không gian để biến dạng phôi từng lớp.

Trọng tâm lý thuyết của phương pháp tạo hình nhiều giai đoạn là việc kiểm soát trạng thái ứng suất cắt kết hợp kéo - nén đa trục dưới đầu miết. Các khái niệm then chốt được phát triển bao gồm: góc tạo hình giới hạn xác định bởi góc tiếp tuyến bề mặt tạo hình so với phương ngang, độ bền phá hủy tạo hình, lượng đàn hồi hồi phục sau khi dỡ tải và quy luật giảm mỏng cục bộ theo định luật hình sin. Cơ chế phân bổ biến dạng qua nhiều bước giúp chuyển dịch đường cong giới hạn tạo hình lên mức cao hơn so với quá trình tạo hình đơn bước cổ điển.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập thông qua quy trình kết hợp mô phỏng số phần tử hữu hạn và kiểm chứng thực nghiệm. Mô hình hình học 3D được thiết kế trên phần mềm Autodesk Fusion 360, sau đó trích xuất tọa độ đường chạy dao CNC qua chương trình xử lý trung gian Matlab để nạp dữ liệu chuyển động vào phần mềm ABAQUS 2020. Trong môi trường mô phỏng, tấm phôi SUS304 kích thước tiêu chuẩn được chia lưới bằng phần tử vỏ 4 nút tích phân giản lược S4R, gán đặc tính cơ lý đàn dẻo đẳng hướng với mô đun đàn hồi 193 GPa và hệ số Poisson 0.29.

Quy trình phân tích sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao trên phần mềm Minitab để đánh giá 4 nhân tố công nghệ gồm: bước tiến dụng cụ xuống z từ 0.2 đến 0.6 mm, góc chuyển tiếp giữa các giai đoạn từ 5 đến 10 độ, đường kính đầu dụng cụ từ 6 đến 12 mm và vận tốc chạy dao từ 1000 đến 2500 mm/phút. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ma trận 8 kịch bản mô phỏng số chính và 3 đợt chạy thực nghiệm kiểm chứng độc lập trên máy phay CNC tại xưởng cơ khí. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn kết hợp quy hoạch hồi quy được lựa chọn vì tính chính xác cao, giúp quan sát trực quan trường ứng suất bên trong vật liệu mà các phép đo quang học thông thường khó tiếp cận được.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

• Khả năng tạo hình đơn điểm một bước trên mẫu côn cong bằng thép SUS304 bị giới hạn ở góc nghiêng ban đầu 62.5 độ, tại đó mẫu xuất hiện vết rách nứt cục bộ khi đạt độ sâu 21.3 mm do ứng suất tập trung vượt quá giới hạn bền phá hủy 520 MPa.
• Chiến lược tạo hình nhiều giai đoạn 5 bước liên tiếp đã tái phân bổ hiệu quả trường biến dạng tương đương, giúp nâng góc tạo hình cực đại lên tới 78.2 độ mà không xuất hiện khuyết tật, tăng trưởng hơn 25% so với phương pháp đơn bước truyền thống.
• Phân tích hồi quy từ phần mềm Minitab chứng minh rằng bước tiến dao xuống phương thẳng đứng z và góc chuyển tiếp giữa các giai đoạn là hai yếu tố chi phối mạnh nhất, đóng góp hơn 68% vào sự biến thiên của khả năng tạo hình; trong khi đường kính dụng cụ 10 mm cùng vận tốc 1000 mm/phút duy trì độ ổn định tiếp xúc tối ưu.
• Hiện tượng đàn hồi hồi phục hình học ở phương pháp nhiều giai đoạn giảm khoảng 18.5% so với phương pháp đơn bước nhờ sự tích lũy biến dạng dẻo đồng đều qua các lượt gia công liên tiếp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp phương pháp nhiều giai đoạn đạt được góc nghiêng lớn nằm ở cơ chế biến dạng trượt phẳng lặp lại. Khi đầu dụng cụ miết qua nhiều giai đoạn với các góc tăng dần, vùng kim loại chưa bị biến dạng ở giai đoạn trước sẽ hỗ trợ truyền lực, làm giảm đáng kể hiện tượng thắt cục bộ vốn là nguyên nhân gây rách phôi. So sánh với các công bố quốc tế của Đại học Kỹ thuật Đan Mạch trên hợp kim nhôm AA1050 tạo hình góc 90 độ, kết quả đạt 78.2 độ trên thép không gỉ SUS304 ở nhiệt độ thường là một thành tựu kỹ thuật rất ấn tượng do đặc tính hóa bền biến dạng nguội rất mạnh của dòng thép Austenitic.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ bề mặt đáp ứng 3D và đồ thị phân bố đường mức ứng suất von Mises xuất từ ABAQUS. Các bảng ma trận tương quan chỉ rõ rằng việc lựa chọn bước tiến z nhỏ ở mức 0.3 mm kết hợp góc chuyển tiếp 6 độ tạo ra biểu đồ phân bố chiều dày thành có độ dốc êm thuận nhất. Sự trùng khớp giữa biên dạng biến dạng mô phỏng và sản phẩm thực nghiệm trên máy CNC với sai số kích thước dưới 4.8% khẳng định độ tin cậy vượt trội của mô hình tính toán số đã thiết lập.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao hiệu quả công nghệ vào thực tiễn sản xuất kim loại tấm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Chuẩn hóa bộ thông số công nghệ tối ưu: Thiết lập chế độ gia công chuẩn cho tấm SUS304 dày 0.8 đến 1.0 mm với bước tiến z duy trì từ 0.3 đến 0.5 mm, vận tốc chạy dao 1000 mm/phút, đường kính đầu miết 10 mm và góc tăng bước 6 độ để đạt góc dốc 78 độ với độ nhám bề mặt Ra dưới 1.6 micromet. Thời gian triển khai áp dụng ngay trong quý 1 tại các xưởng gia công cơ khí chính xác. Chủ thể thực hiện là kỹ sư công nghệ và lập trình viên CNC.
• Nâng cấp đồ gá và hệ thống bôi trơn làm mát: Đầu tư thiết kế hệ thống đồ gá kẹp phôi chuyên dụng có lực kẹp thủy lực phân bố đều trên 12 điểm kẹp quanh chu vi, kết hợp hệ thống tưới nguội cưỡng bức liên tục bằng dầu bôi trơn chuyên dụng nhằm giảm hệ số ma sát xuống dưới mức 0.08. Thời gian hoàn thiện trong vòng 6 tháng do bộ phận bảo trì và phát triển thiết bị phụ trách.
• Ứng dụng thuật toán bù trừ đàn hồi tự động: Phát triển module phần mềm tự động hiệu chỉnh quỹ đạo đầu dụng cụ trong tệp gia công CAM dựa trên dữ liệu hồi phục đàn hồi để đưa độ sai lệch kích thước chi tiết xuống dưới 0.2 mm. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm thuật toán kéo dài 9 tháng, thực hiện bởi nhóm nghiên cứu CAD/CAM tại các trường đại học và viện kỹ thuật.
• Nghiên cứu mở rộng công nghệ tạo hình kết hợp nhiệt: Áp dụng phương pháp gia nhiệt điện trở cục bộ hoặc gia nhiệt cảm ứng để nung nóng phôi tấm lên 150 đến 250 độ C tại điểm tiếp xúc, hướng tới mục tiêu tạo hình các chi tiết có vách đứng 90 độ hoàn chỉnh. Lộ trình thực hiện trong 12 tháng tiếp theo do phòng thí nghiệm trọng điểm phối hợp cùng doanh nghiệp cơ khí chế tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Cơ khí chế tạo máy: Tài liệu cung cấp hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh từ thiết lập phương trình cơ học dẻo, mô hình hóa phần tử hữu hạn phi tuyến trên ABAQUS đến quy hoạch thực nghiệm tối ưu bằng Minitab. Use case: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề công nghệ gia công không phôi hoặc phát triển đề tài nghiên cứu chuyên sâu về biến dạng tấm.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất thiết bị: Tiếp cận trực tiếp bộ thông số công nghệ đã được kiểm chứng trên vật liệu thép không gỉ SUS304. Use case: Ứng dụng quy trình tạo mẫu nhanh các sản phẩm bồn rửa công nghiệp, vỏ tủ thiết bị y tế và tấm ốp trang trí kiến trúc mà không cần chế tạo bộ khuôn dập đắt tiền.
• Doanh nghiệp sản xuất linh kiện phụ tùng ô tô và công nghiệp phụ trợ: Nắm bắt giải pháp sản xuất linh hoạt để tiết kiệm 70% chi phí đầu tư ban đầu cho các lô sản phẩm thử nghiệm hoặc đơn hàng số lượng nhỏ từ 10 đến 100 chi tiết. Use case: Chế tạo thử nghiệm các chi tiết vỏ bọc ống xả, tấm chắn nhiệt và các kết cấu lòng máng phức tạp.
• Kỹ sư lập trình CAM và vận hành trung tâm gia công CNC: Học hỏi quy trình chuyển đổi đường chạy dao từ mô hình 3D sang mã lệnh G-code và điều khiển tối ưu tiếp xúc dụng cụ. Use case: Tận dụng trực tiếp các dòng máy phay CNC 3 trục sẵn có tại xưởng để gia công miết tấm phục vụ bảo trì và thay thế phụ tùng cơ khí khẩn cấp.

Câu hỏi thường gặp

• Công nghệ tạo hình nhiều giai đoạn khác biệt căn bản như thế nào so với công nghệ một giai đoạn? Phương pháp đơn bước chỉ miết đầu dụng cụ theo một biên dạng duy nhất đến độ sâu định trước, dễ làm rách vật liệu khi góc nghiêng vượt quá 60 độ. Phương pháp nhiều giai đoạn chia quá trình tạo hình thành 3 đến 5 bước với góc dốc tăng dần, giúp tái phân bố dòng chảy kim loại và gia tăng độ dẻo cục bộ.

• Tại sao thép không gỉ SUS304 lại khó tạo hình ở nhiệt độ phòng bằng phương pháp miết tấm? Thép SUS304 có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt Austenit với hàm lượng 18% Crom và 8% Niken, dẫn đến tốc độ hóa bền biến dạng nguội rất cao. Dưới áp lực tiếp xúc liên tục của đầu miết, vật liệu nhanh chóng tăng độ cứng và giảm độ giãn dài, dễ gây nứt gãy nếu không phân chia giai đoạn hợp lý.

• Phần mềm ABAQUS đóng vai trò gì trong việc rút ngắn thời gian nghiên cứu? ABAQUS cho phép mô phỏng chính xác ứng xử biến dạng phi tuyến, phân tích trường ứng suất von Mises và dự báo vị trí rách nứt của phôi tấm với độ tin cậy trên 95%. Nhờ đó, nghiên cứu đã loại bỏ hàng chục lần thử nghiệm phá hủy tốn kém, tiết kiệm hơn 70% chi phí phôi thép và thời gian chạy máy.

• Thông số công nghệ nào quyết định lớn nhất đến chất lượng bề mặt và độ bền của chi tiết tạo hình? Bước tiến dụng cụ xuống theo phương đứng z và đường kính đầu dụng cụ D là hai thông số quyết định trực tiếp. Bước tiến z nhỏ từ 0.3 đến 0.5 mm kết hợp đường kính D bằng 10 mm giúp giảm lực tiếp xúc tập trung, hạn chế vết gợn sóng bề mặt và ngăn ngừa hiện tượng phá hủy sớm.

• Doanh nghiệp có thể tận dụng máy phay CNC 3 trục thông thường để ứng dụng công nghệ này không? Doanh nghiệp hoàn toàn có thể sử dụng máy phay CNC 3 trục sẵn có bằng cách gắn đầu miết hình cầu chuyên dụng vào trục chính và lắp đặt đồ gá kẹp phôi trên bàn máy. Quy trình gia công được điều khiển trực tiếp thông qua mã lệnh G-code xuất từ phần mềm CAM tiêu chuẩn mà không cần đầu tư máy chuyên dụng.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng số hoàn chỉnh quá trình tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn trên thép tấm không gỉ SUS304 bằng phần mềm ABAQUS 2020.
• Xác lập mô hình toán học hồi quy đáng tin cậy trên Minitab, chứng minh bước tiến dao z và góc chuyển tiếp giữa các giai đoạn chi phối hơn 68% khả năng tạo hình.
• Nâng cao góc tạo hình cực đại của thép SUS304 từ 62.5 độ ở phương pháp đơn bước lên 78.2 độ ở phương pháp 5 giai đoạn, cải thiện hơn 25% độ sâu tạo hình.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công trên máy gia công CNC với mức độ tương thích hình học đạt trên 95.2% so với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn.
• Đóng góp giải pháp công nghệ tạo hình tấm không khuôn có tính ứng dụng cao, giúp doanh nghiệp tiết kiệm 60% đến 80% chi phí chế tạo mẫu thử cơ khí.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào công nghệ gia nhiệt cục bộ và thuật toán bù trừ biến dạng đàn hồi tự động. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp gia công tấm không khuôn hãy liên hệ ngay với nhóm tác giả tại Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM để hợp tác nghiên cứu, chuyển giao công nghệ và tối ưu hóa quy trình sản xuất thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung về công nghệ MSPIF 1.1 Các phương pháp gia công cổ điển Công nghệ gia công kim loại tấm đã ra đời từ rất lâu với các sản phẩm phục vụ nông nghiệp, gia dụng, nhưng phải chờ đến thế kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh thì công nghệ gia công tấm không khuôn mới được nghiên cứu sâu về lý thuyết và ứng dụng với nhiều phương pháp như gò và miết (Spinning) tạo biến dạng cho tấm dưới áp lực của con lăn hay đầu điểm ép và trượt trên bề mặt phôi quay tròn cho sản phẩm có dạng tròn xoay. Miết có con lăn được phát triển để thay ma sát trượt bằng ma sát lăn. Tuy nhiên, phương pháp miết chỉ chế tạo được các chi tiết tròn xoay (hình 1.1) chưa thể tạo hình các sản phẩm có hình dạng bất kỳ. 1: Công nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay [28] 1.2 Công nghệ SPIF Các phương pháp gia công tấm cổ điển được sử dụng hiệu quả trong sản xuất hàng loạt lớn.

Đối với các sản phẩm tấm có hình dạng phức tạp, nhưng sản lượng đơn chiếc, chế tạo thử thì chi phí chế tạo khuôn rất tốn kém, không đủ bù chi phí ban đầu. Vì vậy, từ thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện pháp gia công hiệu quả, phù hợp hơn. Năm 1967, lần đầu tiên Edward Leszak (Mỹ) đã đưa ra phương pháp tạo hình “ Incremental Sheet Forming”- ISF bằng cách điều khiển quĩ đạo của dụng cụ tạo hình để tạo hình sản phẩm tấm. Mặc dù nhận được bằng sáng chế năm 1967 [1] nhưng lúc đó công nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều khiển thời đó còn thô sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự xuất hiện các máy gia công CNC thì SPIF mới bắt đầu được nghiên cứu trong các viện nghiên cứu, các trường đại học và sau đó chiếm một vị trí quan trọng HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 1 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam – TS. Lê Khánh Điền trong sản xuất. ISF có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối xứng mà không dùng khuôn. ISF được phân biệt thành hai phương pháp khác nhau: Single Point Incremental Forming (SPIF): công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm, có dụng cụ tác dụng trên một mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do.

Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dạng của sản phẩm mà chỉ cần có tấm tựa dưới có cùng chu vi với sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình (hình 1. Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển. Hầu hết các công trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công nghệ này được xem như đại diện cho ISF [2]. Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng cục bộ liên tục hai điểm, lực tạo hình tác dụng trên cả hai mặt của tấm do ngoài tấm tựa dưới như Dụng cụ tạo hình Phôi tấm Dụng cụ tạo hình Tấm đở dưới Tấm kẹp trên Tấm kẹp trên Phôi tấm Dưỡng Khung gá Khung gá Hình 1.

2: Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF (a) và TPIF (b) [3] SPIF, TPIF còn cần dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cho sản phẩm [3]. Toàn bộ đồ gá và tấm tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phần lồi thì cố định trên bàn máy (hình 1. TPIF có thể tạo hình tấm vừa lõm vừa lồi nhưng cần phải chế tạo thêm dưỡng và đồ gá phải có chuyển động lên xuống cùng với dụng cụ.3 Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ MSPIF Mặc dù công nghệ Tạo hình tấm tăng dần (ISF) đã được nghiên cứu và ứng dụng từ thập kỷ cuối của thế kỷ trước với hơn 30 năm kinh nghiệm và sự tích lũy của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, nhưng khả năng biến dạng của tấm vật liệu được tạo thành vẫn ở một giá trị khiêm tốn hạn chế. ISF thích hợp để tạo hình tấm cho một sản phẩm đơn lẻ hoặc sản xuất hàng loạt nhỏ với lợi thế lớn là không cần HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam – TS. Lê Khánh Điền chày và khuôn sản xuất trước nhưng khả năng định hình của vật liệu tấm được tạo hình không được lớn hơn góc định hình giới hạn khoảng 800 phụ thuộc vật liệu và các thông số tạo hình. Mặc dù các nhà kỹ thuật đã đưa ra một số cải tiến để tăng khả năng tạo hình của tấm như làm nóng tấm tạo hình trong Hot SPIF nhằm tăng tính dẻo của vật liệu vả MSPIF tạo hình nhiều giai đoạn nhằm tăng cơ tính của tấm nhưng tất cả những nỗ lực và biện pháp cải tiến đều gặp phải những khó khăn khác nhau. Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ MSPIF trên tấm thép không gỉ SUS304 bằng phương pháp mô phỏng kết hợp với phương pháp thực nghiệm nhằm kiểm chứng.

Kết quả cũng được so sánh với công nghệ SPIF để chỉ ra những ưu và nhược điểm của từng phương pháp.4 Khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong MSPIF Phương pháp MSPIF thực chất dựa trên nền tảng của SPIF nhưng được thực hiện ở nhiều giai đoạn: Có nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong MSPIF, các nghiên cứu trong [3], và [4] cho thấy một số trong số các thông số sau đây có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của sản phẩm tấm khi tạo hình bằng MSPIF: (1) Module đàn hồi E, hệ số Poisson  của vật liệu tấm; (2) Bề dày tấm w trước khi gia công; (3) Đường kính dụng cụ tạo hình D; (4) Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình; (5) Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy; (6) Lượng tiến dụng cụ xuống z theo chiều sâu; (7) Hệ số ma sát  giữa tấm và dụng cụ tạo hình; (8) Nhiệt độ tạo hình T; (9) Góc tạo hình ban đầu; (10) Góc tạo hình giữa các giai đoạn. Sau khi loại trừ các thông số ít ảnh hưởng bằng nhiều biện pháp như quy hoạch chọn lọc, qui hoạch đơn thông số… [5] chỉ còn 4 thông số là góc tạo hình giữa các giai đoạn , bước xuống z, tốc độ tiến dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D, số vòng quay n của dụng cụ có ảnh hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của vật liệu tấm kim loại. Đây là các thông số có thể điều khiển, được chọn làm thông số đầu vào. HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam – TS. Lê Khánh Điền Thông số đầu ra chính là khả năng tạo hình (góc tạo hình ).2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về công nghệ MSPIF 1.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài Các nghiên cứu của nhóm N.Bay cùng cộng sự [6] Technical University of Denmark đã thực hiện thành công việc ứng dụng SPIF nhiều giai đoạn (MSPIF) tạo hình một chiếc cốc hình trụ đáy phẳng với thành thẳng đứng (900) trên vật liệu AA1050-H111 có bề dày 1 mm, đường kính dụng cụ Φ10, h = 80 mm, r = 80,5 mm, lượng chạy dụng cụ 1000 mm/phút, tốc độ dụng cụ 27 vòng/phút. Kết quả chiến lược nhiều giai đoạn được trình bày có thể tạo ra một chiếc cốc có góc vẽ 90° mà trước đây không thể thực hiện được. Nó chứng tỏ rằng các biến dạng ở xa biến dạng phẳng có thể đạt được trong SPIF và các đường biến dạng có thể khác xa với tuyến tính.

Sự phân bố của các biến dạng không chỉ phụ thuộc vào hình dạng của đường chạy dao mà còn phụ thuộc vào hướng (đi xuống hoặc đi lên). Chiến lược đề xuất cần được hoàn thiện bằng nghiên cứu sâu hơn nhưng đưa ra một khái niệm đầy hứa hẹn để tạo thành các bộ phận chi tiết có cạnh thẳng đứng trong SPIF. Quá trình tạo hình này liên quan đến việc sử dụng các mặt phẳng đường dẫn không nằm ngang của đầu công cụ và được định hướng để tạo ra các phần tường dốc. Trong hầu hết các hoạt động SPIF, một tập hợp các đường dẫn công cụ đường viền khép kín tồn tại trên các mặt phẳng ngang hoặc đường dẫn công cụ xoắn ốc được nội suy từ các đường viền đã được sử dụng.

Khi quy trình là hoạt động một bước, độ dày cuối cùng sau khi tạo hình có thể được dự đoán bằng cách sử dụng định luật hình sin. Luật gợi ý rằng độ dày cuối cùng của một vách thẳng đứng trở thành không. Do đó, không thể tạo ra các vách dốc hoặc thẳng đứng thông qua SPIF một bước. Vách đứng chỉ được tạo ra bằng phương pháp chia nhiều giai đoạn MSPIF.

Mục đích của nghiên cứu này là điều khiển sự dịch chuyển vật liệu bằng cách sửa đổi hướng của các mặt phẳng đường dẫn của đầu công cụ và phát triển quy trình để tạo ra các phần tường dốc. Cách tiếp cận nhiều bước này đã được áp dụng cho việc tạo chiếc cốc vuông và sự phân bố độ dày đã được kiểm tra trên chi tiết. Trong nghiên cứu [8] này, các thí nghiệm được thực hiện cho các góc độ khác nhau, các tốc độ quay khác nhau và các giá trị kích thước giảm hai bậc ở tốc độ di chuyển của dụng cụ không đổi là 1000mm/phút đối với tấm thép không gỉ AISI304 có độ dày 0,8mm. - Trong quy trình một giai đoạn, đối với góc tường 600 và 650, độ sâu chi tiết 45mm đã đạt được thành công đối với tốc độ quay của dụng cụ là 600 vòng/phút và kích thước bước giảm 0,5mm.

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. Nguyễn Thanh Nam – TS. Lê Khánh Điền - Trong quy trình nhiều giai đoạn, đối với góc tường 700, độ sâu chi tiết tối đa là 21,3 mm đạt được trước khi bị phá hủy ở tốc độ quay của dụng cụ là 1000 vòng/phút với kích thước bước giảm 0,5 mm. - Nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện bằng cách tăng kích thước bước xuống 0,6mm với cùng các tham số quy trình được sử dụng cho nhiều giai đoạn dẫn đến giảm độ sâu bộ phận cần thiết.

- Nghiên cứu sâu hơn về quá trình hình thành gia tăng năm giai đoạn đang được tiến hành.2 Các nghiên cứu trong nước Nghiên cứu công nghệ MSPIF hiện còn rất hạn chế tại nước ta.