Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm gia nhiệt (Hot Single Point Incremental Forming - HOT SPIF) là phương pháp mới nhằm gia công các vật liệu tấm có độ cứng cao ở nhiệt độ cao, đặc biệt là titan – vật liệu có trở lực biến dạng lớn và khó gia công bằng các phương pháp truyền thống ở nhiệt độ thường. Theo ước tính, titan được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không với lượng tiêu thụ lên đến hàng chục tấn cho mỗi loại máy bay hiện đại như Boeing 787 (91 tấn) và Airbus A380 (77 tấn). Việc gia công titan bằng phương pháp dập truyền thống gặp nhiều khó khăn do chi phí khuôn cao và khả năng biến dạng hạn chế.

Nghiên cứu này tập trung mô phỏng quá trình tạo hình vật liệu titan bằng công nghệ HOT SPIF, phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ gồm đường kính dụng cụ D (mm), bước tiến theo phương z Az (mm), tốc độ chạy dụng cụ Vxy (mm/phút) và nhiệt độ T (°C) đến góc tạo hình lớn nhất Omax – chỉ số quan trọng phản ánh khả năng biến dạng của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017, sử dụng phần mềm mô phỏng Abaqus để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) và so sánh với mô hình CAD.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, giúp dự đoán khả năng biến dạng của titan trong quá trình gia công HOT SPIF, từ đó tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và thời gian gia công, đặc biệt phù hợp với sản xuất đơn chiếc hoặc số lượng nhỏ trong các ngành hàng không, y tế và công nghiệp chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cơ chế biến dạng dẻo trong SPIF: Biến dạng dẻo xảy ra do sự trượt và song tinh trong mạng tinh thể kim loại, chịu ảnh hưởng của ứng suất tiếp và nhiệt độ. Biến dạng dẻo trong vật liệu tấm được mô tả qua góc biến dạng ơ, trong đó góc biến dạng lớn nhất ơmax là giới hạn tạo hình trước khi vật liệu bị rách.

  • Mô hình ứng suất khối và tiêu chuẩn rạn nứt: Ứng suất khối (hydrostatic stress) ảnh hưởng quan trọng đến khả năng biến dạng và phá hủy vật liệu. Tiêu chuẩn rạn nứt dựa trên trạng thái ứng suất và biến dạng được sử dụng để dự đoán điểm phá hủy trong quá trình gia công.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình FEM 3D được xây dựng với phần tử hình khối tám nút (C3D8RT) kết hợp phân tích nhiệt đồng thời, sử dụng kỹ thuật chia lưới thích nghi ALE để đảm bảo độ chính xác trong quá trình biến dạng lớn.

  • Mô hình chuyển động dụng cụ và ma sát: Chuyển động dụng cụ tạo hình được mô phỏng theo quỹ đạo phức tạp với bước mịn, đồng thời tính đến ma sát Coulomb giữa dụng cụ và vật liệu, ảnh hưởng đến lực tạo hình và nhiệt sinh ra.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đầu vào gồm các thông số công nghệ (D, Az, Vxy, T) và đặc tính vật liệu titan được thu thập từ các thí nghiệm kéo ở nhiều nhiệt độ khác nhau, đồng thời tham khảo các nghiên cứu trong và ngoài nước về SPIF và HOT SPIF.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Abaqus/Explicit để mô phỏng quá trình tạo hình, áp dụng phương pháp chia tỉ lệ khối lượng (mass scaling) để giảm thời gian tính toán, đồng thời kiểm soát năng lượng động dưới 4% tổng năng lượng hệ thống nhằm đảm bảo độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 6 tháng (từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2017), bao gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và so sánh với dữ liệu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ T đến góc tạo hình Omax: Nhiệt độ gia công có ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng biến dạng của titan. Khi tăng nhiệt độ từ 20°C lên 250°C, góc tạo hình tăng từ khoảng 30° lên đến 60°, tương ứng với chiều sâu tạo hình tăng từ 3mm lên 40mm, cho thấy khả năng biến dạng được cải thiện đáng kể ở nhiệt độ cao.

  2. Ảnh hưởng của bước tiến theo phương z Az: Bước tiến Az có tác động lớn thứ hai đến góc tạo hình. Khi Az tăng từ 0.2mm đến 1mm, góc tạo hình giảm đáng kể, do bước tiến lớn làm giảm độ mịn của quá trình tạo hình, dễ gây khuyết tật như xoăn mép.

  3. Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ D: Đường kính dụng cụ tăng từ 6mm đến 15mm làm tăng góc tạo hình, tuy nhiên ảnh hưởng này không lớn bằng nhiệt độ và bước tiến Az. Đường kính lớn giúp phân bố lực tốt hơn, giảm ứng suất tập trung.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ chạy dụng cụ Vxy: Tốc độ chạy dụng cụ tăng từ 1000mm/phút lên 6000mm/phút làm giảm góc tạo hình do thời gian tiếp xúc ngắn hơn, hạn chế quá trình biến dạng dẻo. Tuy nhiên, tốc độ này cũng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa các thông số công nghệ và khả năng tạo hình của titan trong HOT SPIF. Nhiệt độ cao làm giảm ứng suất tiếp và tăng độ dẻo của vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hợp kim magie và nhôm. Bước tiến Az và tốc độ chạy dụng cụ ảnh hưởng đến độ mịn và chất lượng bề mặt, đồng thời ảnh hưởng đến góc tạo hình tối đa.

So sánh giữa mô hình FEM và mô hình CAD cho thấy sai số góc tạo hình dưới 5%, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ chính xác cao. Biểu đồ Pareto thể hiện mức độ ảnh hưởng của từng thông số, trong đó nhiệt độ chiếm khoảng 45%, bước tiến Az 30%, đường kính dụng cụ 15% và tốc độ chạy dụng cụ 10%.

Các kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ góc tạo hình theo nhiệt độ và bảng tổng hợp các thông số công nghệ với góc tạo hình tương ứng, giúp dễ dàng lựa chọn chế độ gia công tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng nhiệt độ gia công trong khoảng 130°C đến 160°C để đạt góc tạo hình tối ưu, đồng thời kiểm soát nhiệt độ bằng hệ thống điều khiển PID với sai số ±5°C nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  2. Giảm bước tiến Az xuống khoảng 0.2 - 0.5mm để tăng độ mịn bề mặt và khả năng biến dạng, hạn chế khuyết tật xoăn mép, áp dụng trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao.

  3. Sử dụng dụng cụ có đường kính từ 10mm đến 15mm để cân bằng giữa lực tạo hình và độ chính xác, đồng thời giảm mài mòn dụng cụ, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

  4. Điều chỉnh tốc độ chạy dụng cụ Vxy trong khoảng 1000 - 3000mm/phút để đảm bảo thời gian tiếp xúc đủ cho biến dạng dẻo, đồng thời giảm nhiệt sinh ra quá mức gây biến dạng không đều.

  5. Chủ thể thực hiện: Các nhà sản xuất trong ngành hàng không, y tế và công nghiệp chế tạo titan nên áp dụng các khuyến nghị trên trong quy trình gia công HOT SPIF để nâng cao hiệu quả sản xuất.

  6. Timeline thực hiện: Triển khai thử nghiệm trong vòng 3-6 tháng, đánh giá chất lượng sản phẩm và điều chỉnh thông số theo phản hồi thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình mô phỏng FEM chi tiết về quá trình HOT SPIF, giúp phát triển các đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành gia công kim loại tấm: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình gia công titan và các vật liệu khó biến dạng khác, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất trong ngành hàng không và y tế: Áp dụng công nghệ HOT SPIF để sản xuất các chi tiết titan có độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí và thời gian.

  4. Nhà thiết kế sản phẩm và kỹ thuật viên CAM/CNC: Sử dụng kết quả mô phỏng để thiết kế quỹ đạo dụng cụ và lựa chọn thông số công nghệ phù hợp, nâng cao hiệu quả gia công.

Câu hỏi thường gặp

  1. HOT SPIF là gì và ưu điểm so với phương pháp truyền thống?
    HOT SPIF là phương pháp tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm gia nhiệt, cho phép gia công vật liệu tấm cứng như titan ở nhiệt độ cao, giúp tăng khả năng biến dạng và giảm chi phí khuôn. Ưu điểm là linh hoạt, tiết kiệm thời gian và phù hợp với sản xuất đơn chiếc.

  2. Nhiệt độ gia công ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sản phẩm?
    Nhiệt độ cao làm tăng độ dẻo của vật liệu, giảm ứng suất tiếp và tăng góc tạo hình, giúp sản phẩm có độ chính xác và chất lượng bề mặt tốt hơn. Tuy nhiên, cần kiểm soát nhiệt độ để tránh biến dạng không đều.

  3. Các thông số công nghệ nào quan trọng nhất trong HOT SPIF?
    Nhiệt độ, bước tiến theo phương z (Az), đường kính dụng cụ (D) và tốc độ chạy dụng cụ (Vxy) là các thông số chính ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm.

  4. Mô phỏng FEM giúp gì trong nghiên cứu HOT SPIF?
    Mô phỏng FEM giúp dự đoán góc tạo hình, ứng suất và biến dạng trong quá trình gia công, từ đó tối ưu hóa thông số công nghệ mà không cần nhiều thí nghiệm thực tế tốn kém.

  5. HOT SPIF có thể ứng dụng trong ngành nào?
    Phương pháp này phù hợp với ngành hàng không, y tế (chế tạo khớp giả, vỏ sọ), công nghiệp chế tạo titan và các ngành cần sản xuất chi tiết kim loại tấm có độ chính xác cao và số lượng nhỏ.

Kết luận

  • HOT SPIF là công nghệ tiên tiến giúp gia công titan và các vật liệu tấm cứng ở nhiệt độ cao, nâng cao khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm.
  • Nhiệt độ gia công, bước tiến Az và đường kính dụng cụ là các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến góc tạo hình và khả năng biến dạng.
  • Mô phỏng FEM bằng Abaqus cho kết quả chính xác, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình gia công.
  • Đề xuất các thông số công nghệ tối ưu giúp giảm chi phí, tăng hiệu quả sản xuất trong các ngành hàng không, y tế và công nghiệp chế tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện mô hình và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả gia công titan bằng HOT SPIF, đồng thời tiếp tục phát triển các mô hình mô phỏng và thử nghiệm thực tế nhằm mở rộng ứng dụng công nghệ.