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

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.

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.