Nghiên Cứu Mô Phỏng Quá Trình Tạo Hình Vật Liệu Bằng Công Nghệ HOT SPIF

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu mô phỏng quá trình tạo hình vật liệu bằng công nghệ hot spie, mang lại giải pháp tối ưu cho ngành.

• Tác giả: Trần Trọng Hỷ
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Thanh Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Quá Trình Tạo Hình Vật Liệu Bằng Công Nghệ HOT SPIF
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình cục bộ liên tục (Incremental Sheet Forming - ISF)
• 1.2. Các bước trong quy trình gia công bằng phương pháp ISF
• 1.3. Phân loại ISF
• 1.4. Phân biệt khả năng của SPIF và TPIF
• 1.5. Khả năng biến dạng của SPIF và góc biến dạng
• 1.6. Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng khả năng tạo hình SPIF
• 1.7. Công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao
• 1.8. Tình hình nghiên cứu
• 1.8.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.8.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.9. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.10. Mục đích, đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.11. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
• 1.12. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết biến dạng trong SPIF
• 2.2. Cơ chế biến dạng dẻo
• 2.3. Mô hình rạn nứt kim loại trong quá trình SPIF
• 2.4. Vai trò của ứng suất khối trong phá hủy kỹ thuật
• 2.5. Tiêu chuẩn rạn nứt cho kim loại tấm
• 2.6. Rạn nứt và phá hủy cho kim loại dẻo trong ABAQUS
• 2.7. Vật liệu và nhiệt độ trong ABAQUS
• 2.8. Tổng quan về mô phỏng số
• 2.8.1. Mô phỏng số cho kim loại tấm
• 2.8.2. Mô hình hóa mô phỏng
• 2.8.3. Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTTHH)
• 2.8.4. Phương pháp tích phân tường minh (Explicit)
• 2.8.5. Ổn định của tích phân tường minh
• 2.8.6. Phương pháp tích phân ẩn (Implicit)
• 2.8.7. Ổn định của tích phân ẩn
• 2.8.8. Giới thiệu về ABAQUS
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TITAN
• 3.1. Nguyên tắc thiết lập chế độ tạo hình và điều khiển tính năng cho vật liệu sử dụng trong công nghệ HOT SPIF
• 3.2. Titan và hợp kim của titan
• 3.3. Ứng dụng của titan
• 3.4. Một số đặc tính của titan
• 3.5. Hợp kim TiAl
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SPIF VỚI ABAQUS
• 4.1. Thông số mô phỏng
• 4.2. Mô hình CAD
• 4.3. Chương trình INC
• 4.4. Các bước xuất toolpath trong Creo 3
• 4.5. Xử lý dữ liệu các điểm chạy dao bằng Excel
• 4.6. Mô hình phân tích
• 4.7. Hình dạng chi tiết khảo sát
• 4.8. Mô hình FEMM
• 4.9. Các bước thực hiện mô phỏng với Abaqus
• 4.10. Tạo chi tiết cho mô hình
• 4.11. Xác định và gán các đặc tính bộ phận
• 4.12. Lắp ráp mô hình
• 4.13. Cấu hình phân tích
• 4.14. Đặt điều kiện biên lên mô hình
• 4.15. Gán điều kiện tiếp xúc
• 4.16. Chia lưới cho mô hình
• 4.17. Tạo và xác nhận một bước phân tích
• 4.18. Xem kết quả phân tích
• 4.19. Kết quả mô phỏng
• 4.20. Phân tích kết quả mô phỏng, thiết lập phương trình hồi quy
• 4.21. Mã hóa các thông số ảnh hưởng
• 4.22. Tính toán thiết lập phương trình hồi quy góc tạo hình
• 4.23. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tổng Quan Công Nghệ HOT SPIF Tạo Hình Vật Liệu Kim Loại

Công nghệ HOT SPIF (Single Point Incremental Forming) là một phương pháp tạo hình tiên tiến, cho phép gia công các loại vật liệu kim loại tấm ở nhiệt độ cao. Đặc biệt hữu ích cho các vật liệu có trở lực biến dạng lớn, như Titan, mà các phương pháp gia công nguội gặp nhiều khó khăn. Quá trình này thực hiện biến dạng dẻo cục bộ, sử dụng dụng cụ đơn điểm di chuyển theo quỹ đạo được lập trình sẵn. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng quá trình tạo hình bằng công nghệ HOT SPIF, nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ và nâng cao hiệu quả sản xuất. Ưu điểm chính của HOT SPIF là khả năng tạo hình linh hoạt, không cần khuôn mẫu đắt tiền, phù hợp với sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ. Theo nghiên cứu, HOT SPIF giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và thời gian chuẩn bị so với các phương pháp tạo hình truyền thống.

1.1. Giới thiệu quy trình tạo hình Single Point Incremental Forming

Single Point Incremental Forming (SPIF) là quá trình tạo hình mà một dụng cụ di chuyển theo quỹ đạo xác định trước để tạo hình tấm kim loại. Vật liệu tấm được kẹp chặt, và dụng cụ tác động lực cục bộ để tạo ra hình dạng mong muốn. Quá trình này không cần khuôn mẫu, giúp giảm chi phí và thời gian sản xuất. SPIF phù hợp cho sản xuất hàng loạt nhỏ và tạo mẫu nhanh. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc biến dạng dẻo cục bộ, nơi vật liệu được biến dạng từng bước nhỏ đến khi đạt được hình dạng cuối cùng. Theo nghiên cứu, SPIF cho phép tạo hình các chi tiết phức tạp với độ chính xác tương đối cao.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của công nghệ HOT SPIF

Công nghệ HOT SPIF là sự phát triển của SPIF, được áp dụng để gia công vật liệu ở nhiệt độ cao. Điều này giúp giảm trở lực biến dạng và tăng khả năng tạo hình của vật liệu khó gia công như titan và hợp kim niken. Lịch sử phát triển của HOT SPIF gắn liền với nhu cầu tạo hình các chi tiết chịu nhiệt và chịu lực cao trong ngành hàng không vũ trụ và y tế. Các ứng dụng của HOT SPIF bao gồm sản xuất các bộ phận máy bay, implant y tế và các chi tiết trang trí phức tạp. Theo nghiên cứu, việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình HOT SPIF là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

II. Thách Thức Khi Tạo Hình Vật Liệu Bằng Công Nghệ HOT SPIF

Mặc dù HOT SPIF mang lại nhiều ưu điểm, quá trình này cũng đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là kiểm soát ứng suất dư và biến dạng tới hạn trong vật liệu. Quá trình tạo hình ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự thay đổi tính chất vật liệu, gây khó khăn trong việc dự đoán và kiểm soát độ chính xác của sản phẩm. Ngoài ra, ma sát giữa dụng cụ và vật liệu, cùng với sự thay đổi nhiệt độ, cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và độ bền mỏi của sản phẩm. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số công nghệ, như nhiệt độ tạo hình, tốc độ tạo hình, và hình học dụng cụ, để giải quyết các thách thức này. Bài toán tối ưu hóa này có thể được giải quyết bằng các phương pháp phân tích FEM.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác tạo hình HOT SPIF

Độ chính xác của quá trình HOT SPIF chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm hình học dụng cụ, tốc độ tạo hình, bước tiến, nhiệt độ, và ma sát. Hình học dụng cụ ảnh hưởng đến phân bố ứng suất trong vùng biến dạng. Tốc độ tạo hình và bước tiến ảnh hưởng đến tốc độ biến dạng và độ ổn định của quá trình. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và độ dẻo của vật liệu. Ma sát ảnh hưởng đến lực tạo hình và độ nhám bề mặt. Theo nghiên cứu, việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này là cần thiết để đạt được độ chính xác tạo hình cao.

2.2. Vấn đề kiểm soát ứng suất dư và biến dạng tới hạn

Ứng suất dư và biến dạng tới hạn là hai vấn đề quan trọng trong quá trình HOT SPIF. Ứng suất dư có thể gây ra biến dạng sau gia công và ảnh hưởng đến độ bền mỏi của sản phẩm. Biến dạng tới hạn giới hạn khả năng tạo hình của vật liệu và có thể dẫn đến nứt gãy. Việc kiểm soát ứng suất dư và biến dạng tới hạn đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế biến dạng của vật liệu và sự tương tác giữa các thông số công nghệ. Các phương pháp mô phỏng quá trình tạo hình, như phân tích FEM, có thể giúp dự đoán và giảm thiểu các vấn đề này.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Quá Trình HOT SPIF Bằng Phần Mềm

Để giải quyết các thách thức trên, mô phỏng quá trình tạo hình bằng các phần mềm mô phỏng tạo hình như ABAQUS, DEFORM, và LS-DYNA trở nên vô cùng quan trọng. Các phần mềm mô phỏng tạo hình này cho phép dự đoán và tối ưu hóa các thông số công nghệ trước khi thực hiện gia công thực tế. Phân tích FEM được sử dụng để mô phỏng quá trình biến dạng, phân bố ứng suất, và dự đoán khả năng nứt gãy của vật liệu. Các mô hình vật liệu chính xác, bao gồm cả ảnh hưởng của nhiệt độ tạo hình, là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Nghiên cứu này sử dụng ABAQUS để mô phỏng quá trình tạo hình HOT SPIF trên tấm titan.

3.1. Giới thiệu các phần mềm mô phỏng tạo hình phổ biến ABAQUS DEFORM LS DYNA

ABAQUS, DEFORM, và LS-DYNA là các phần mềm mô phỏng tạo hình phổ biến được sử dụng trong nghiên cứu và công nghiệp. ABAQUS là một phần mềm đa năng, có khả năng mô phỏng nhiều loại bài toán kỹ thuật, bao gồm cả bài toán tạo hình kim loại. DEFORM là một phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng quá trình biến dạng dẻo, với nhiều mô hình vật liệu và thuật toán tối ưu hóa. LS-DYNA là một phần mềm mạnh mẽ trong mô phỏng các bài toán va chạm và biến dạng lớn, thích hợp cho mô phỏng quá trình tạo hình với tốc độ cao. Việc lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp phụ thuộc vào tính chất của bài toán và yêu cầu về độ chính xác.

3.2. Xây dựng mô hình vật liệu và điều kiện biên cho mô phỏng

Xây dựng mô hình vật liệu và điều kiện biên chính xác là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng. Mô hình vật liệu cần mô tả chính xác tính chất vật liệu của vật liệu, bao gồm cả ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ biến dạng, và cấu trúc vi mô. Điều kiện biên cần mô tả chính xác các điều kiện ràng buộc và tải trọng tác dụng lên vật liệu trong quá trình tạo hình. Các điều kiện biên bao gồm ma sát, nhiệt độ, và lực tạo hình. Theo nghiên cứu, việc hiệu chỉnh mô hình vật liệu và điều kiện biên bằng thực nghiệm là cần thiết để tăng độ chính xác của mô phỏng.

IV. Ảnh Hưởng Thông Số Công Nghệ Đến Quá Trình HOT SPIF

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến quá trình HOT SPIF, bao gồm đường kính dụng cụ (D), bước tiến (Az), tốc độ chạy dụng cụ (Vxy), và nhiệt độ (T). Mục tiêu là xác định sự ảnh hưởng của các thông số này đến góc tạo hình tối đa (θmax) có thể đạt được mà không gây ra nứt gãy. Quá trình phân tích sử dụng phân tích FEM trên ABAQUS, so sánh kết quả mô phỏng với mô hình CAD để đánh giá độ chính xác tạo hình. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp các chế độ gia công tối ưu cho quá trình HOT SPIF trên tấm titan.

4.1. Phân tích ảnh hưởng của đường kính dụng cụ và bước tiến

Đường kính dụng cụ (D) và bước tiến (Az) là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác tạo hình và khả năng biến dạng của vật liệu. Đường kính dụng cụ lớn hơn có thể giảm ứng suất tập trung, nhưng cũng có thể làm giảm khả năng tạo hình các chi tiết nhỏ. Bước tiến nhỏ hơn có thể tăng độ chính xác bề mặt, nhưng cũng làm tăng thời gian gia công. Việc lựa chọn đường kính dụng cụ và bước tiến phù hợp đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả sản xuất. Theo nghiên cứu, có sự tương quan tối ưu giữa đường kính dụng cụ và bước tiến để đạt được góc tạo hình lớn nhất.

4.2. Nghiên cứu tác động của tốc độ chạy dụng cụ và nhiệt độ tạo hình

Tốc độ chạy dụng cụ (Vxy) và nhiệt độ tạo hình (T) có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu và quá trình biến dạng. Tốc độ chạy dụng cụ cao có thể làm tăng nhiệt độ cục bộ và ảnh hưởng đến độ bền mỏi. Nhiệt độ tạo hình cao có thể giảm trở lực biến dạng và tăng khả năng tạo hình, nhưng cũng có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của vật liệu. Việc kiểm soát tốc độ chạy dụng cụ và nhiệt độ tạo hình là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm và tránh các vấn đề như nứt gãy và biến dạng không mong muốn.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu HOT SPIF Titan

Kết quả mô phỏng quá trình tạo hình bằng công nghệ HOT SPIF trên tấm titan cung cấp thông tin quan trọng cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Dữ liệu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ giúp lựa chọn chế độ gia công phù hợp, giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả sản xuất. Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, y tế, và sản xuất khuôn mẫu, nơi đòi hỏi các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Việc sử dụng kỹ thuật số hóa và in công nghiệp kết hợp với HOT SPIF mở ra nhiều cơ hội mới cho sản xuất linh hoạt và tùy biến.

5.1. Tối ưu hóa chế độ gia công HOT SPIF dựa trên kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cung cấp các thông tin chi tiết về phân bố ứng suất, biến dạng, và nhiệt độ trong quá trình HOT SPIF. Dựa trên các thông tin này, có thể tối ưu hóa chế độ gia công bằng cách điều chỉnh các thông số như đường kính dụng cụ, bước tiến, tốc độ chạy dụng cụ, và nhiệt độ tạo hình. Mục tiêu là đạt được góc tạo hình lớn nhất, giảm thiểu ứng suất dư, và đảm bảo độ chính xác bề mặt. Theo nghiên cứu, việc sử dụng thuật toán tối ưu hóa kết hợp với mô phỏng có thể giúp tìm ra chế độ gia công tối ưu một cách hiệu quả.

5.2. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và đánh giá độ chính xác

Để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng, cần so sánh chúng với kết quả thực nghiệm. Quá trình so sánh bao gồm việc đo góc tạo hình, ứng suất dư, và độ nhám bề mặt của các mẫu được gia công thực tế và so sánh với kết quả mô phỏng. Sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm có thể do các yếu tố như sai số trong mô hình vật liệu, điều kiện biên không chính xác, và sai số đo lường. Việc hiệu chỉnh mô hình vật liệu và điều kiện biên dựa trên kết quả thực nghiệm là cần thiết để tăng độ chính xác của mô phỏng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu HOT SPIF Vật Liệu

Nghiên cứu về mô phỏng quá trình tạo hình bằng công nghệ HOT SPIF đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về quá trình biến dạng của vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hướng phát triển của nghiên cứu bao gồm việc nghiên cứu các mô hình vật liệu phức tạp hơn, xem xét ảnh hưởng của cấu trúc vi mô, và phát triển các thuật toán điều khiển quá trình HOT SPIF theo thời gian thực. Sự kết hợp giữa mô phỏng, thực nghiệm, và kỹ thuật số hóa sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghệ tạo hình tiên tiến.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và ý nghĩa thực tiễn của HOT SPIF

Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng quá trình HOT SPIF trên tấm titan bằng phần mềm ABAQUS. Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến góc tạo hình và phân bố ứng suất. Các thông tin này có thể được sử dụng để tối ưu hóa chế độ gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu là cung cấp một công cụ hữu ích cho các nhà sản xuất trong việc thiết kế và sản xuất các chi tiết phức tạp bằng công nghệ HOT SPIF.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng phát triển của HOT SPIF

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các mô hình vật liệu phức tạp hơn, xem xét ảnh hưởng của cấu trúc vi mô và hiện tượng biến dạng dẻo ở quy mô nhỏ. Việc phát triển các thuật toán điều khiển quá trình HOT SPIF theo thời gian thực, dựa trên thông tin từ mô phỏng và cảm biến, cũng là một hướng đi tiềm năng. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng dụng HOT SPIF cho các loại vật liệu kim loại khác, như hợp kim nhôm và thép không gỉ, cũng có thể mang lại nhiều kết quả thú vị. Tiềm năng phát triển của HOT SPIF là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh sản xuất linh hoạt và tùy biến ngày càng được ưu tiên.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TONG QUAN CHUNG VE LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về công nghệ tạo hình cục bộ liên tục (Incremental Sheet Forming - ISF) 1. M6 ta ISF là kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu tắm.

ISF sử dụng một dụng cụ dau tròn chạy theo một quỹ đạo xác định được điều khiển bằng chương trình số làm biến dạng tam kim loại được kẹp chặt trên bàn máy hoặc đồ gá để tạo ra hình dáng sản phẩm mong muốn. Vật liệu tâm có thể là kim loại hoặc polymer. Dụng cụ được gan trên máy điều khiển số, có thé là máy ISF chuyên dùng hoặc máy CNC ba trục hoặc cánh tay robot. Từng lớp vật liệu theo phương ngang sẽ biến dạng dẻo cục bộ liên tục trong suốt quá trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối cùng của sản pham[2].

Bề dày của mỗi lớp phụ thuộc vào bước tiến theo phương thăng đứng. Az của quỹ dao dung cụ. Các bước trong quy trình ISF được mô tả trong (Hình 1.1): 1) Phôi được kẹp chặt trên đồ gá. 2) Dụng cụ đi xuống và tiếp xúc với phôi.

3) Dụng cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp đầu tiên. 4) Dụng cụ lặp lại chuyển động để tạo hình các lớp tiếp theo cho đến hết quỹ đạo. [} Dụngcụ Dụng cụ kẹp - _ z2 ⁄2 ⁄ ôi N A1 “ ẤN eX ¬--Š. “vua \N bày ` 3 4 HnhÏl]l Nguym ISF 2 Với kỹ thuật này, một chi tiết kim loại tâm chỉ được gia công trong thời gian ngăn từ mô hình CAD ma không can qua các công đoạn làm khuôn và sửa HVTH: Trần Trọng Hỷ Trang | Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam khuôn vốn phức tap và đắt tiền (Hình 1. Các bước trong quy trình gia công bằng phương pháp ISF Tạo quỹ đạo dụng cụ và PIỆPHBIHHH 3D - CAD xác lập thông sô công ch HN J J “ng tình Chuẩn bị phôi, dd gá +Z / Gia công Kiếm tra Sản phâm Hf nh 1. Quy trình ISF Quy trình ISF được mô tả như (Hình 1. Mô hình 3D của sản phẩm kim loại tam được thiết kế trên các phan mém CAD (AutoCad, Creo, Solidwork hoặc Catia,.), hoặc được xuất ra từ các phan mềm 3D khác theo các chuẩn IGES, STEP.

Từ dữ liệu 3D CAD này, thông qua các ứng dụng CAM (Creo hay Catia, .), quỹ đạo của dụng cụ và các thông số công nghệ (vận tốc vòng của dụng cụ, bước tiễn, chiều sâu.) được thiết lập. Thông tin về quỹ đạo dung cụ va thông số công nghệ chứa trong tập tin mà máy CNC đọc được. Quá trình ga đặt phôi lên máy CNC được thực hiện thông qua đồ ga chuyên dùng, đồng thời tiễn hành đồ chương trình vào máy và gia công. Việc chuẩn bi gia công trong phương pháp ISF mất ít thời gian và linh hoạt vì hầu hết các quá trình hiệu chỉnh và thay đổi thiết kế đều được thực hiện trên phân mém.

Mặc dù năng suất không cao băng phương pháp dập nhưng ISF rất phù hợp trong việc tạo mâu san phâm, trong sản xuât đơn chiéc và sửa chữa. Đặc biệt, HVTH: Trần Trọng Hỷ Trang 2 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. Nguyễn Thanh Nam ISF có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra các mảnh xương nhân tạo băng thép không gỉ vốn cứng, khó gia công và số lượng rất hạn chế. Trong trường hợp nay, ISF được thực hiện kết hợp với gia nhiệt cho chi tiết và công nghệ Scan 3D.

Phân loại ISF Phương pháp ISF được phân biệt thành hai hình thức khác nhau là tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm (Single Point Incremental Forming — SPIF) va tạo hình cục bộ liên tục hai điểm (Two Point Incremental Forming — TPIF) 1. SPIF SPIF được mô tả trên (Hình 1. Day là phương pháp tạo hình cục bộ liên tục dùng dụng cụ tác dụng lực lên một mặt của tắm vật liệu được kẹp chặt xung quanh còn mặt kia để biến dạng tự do. Dụng cụ vừa quay quanh trục của nó vừa tịnh tiễn theo quỹ đạo được lập trình sẵn.

Trong quá trình tạo hình, dụng cụ vả tâm vật liệu chỉ tiếp xúc với nhau theo một điểm và có chất bôi trơn để giảm ma sát. Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dáng của sản phẩm mà chỉ cần tắm đỡ dưới có hình dáng là chu vi của sản phẩm và tam kẹp trên dé có định phôi tắm cần tạo hình. Dụng cụ tạo hình có dạng hình tru, đầu hình bán cầu. Toàn bộ quá trình được thực hiện trên máy điêu khiên sô ba trục.

Dụng cụ N 2 | Wen FS | | WOO Le | LK ⁄ Z J PT Tâm đỡ Ự ị | ⁄ |chi tit OD | Z J | |_~— Thân đồ ga UZ | 2zz22 Hnh 1.4) có lực tạo hình tac dụng trên ca hai mặt cua tam (tương tu công HVTH: Trần Trọng Hy Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. Nguyễn Thanh Nam nghệ miết có khuôn nhưng tam không xoay tròn mà chuyển động của dụng cụ tạo hình sẽ tạo hình bang cách miết lên mặt tam tựa hay dưỡng tạo phân lôi). Dụng >—[ Dưỡng tạo phân lồi iosi aa LY = | hood ee es Sgn Chi tiết— | | | | | Thân đồ ga H nh 1.aq) Trước gia công, b) Dang gia công Phương pháp nay ngoai tam tựa dưới như SPIF còn cần phải dùng thêm dưỡng tạo phan lồi có định. Toàn bộ dé ga va tắm tựa dưới sé di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phan lỗi thì cố định trên ban máy.

Phan biệt kha năng cua SPIF và TPIF. SPIF không dùng khuôn, kêt câu đỗ ga và chuyên động đơn giản, giá thành hạ nhưng bị giới hạn là không thé tao các chi tiết tim vừa lõm vừa có vùng lôi. TPIE phải dùng thêm dưỡng, kết cấu đồ gá cần chuyển động ha xuống, nâng lên cùng với đầu dụng cụ tạo hình, do đó giá thành cao nhưng phạm vi tạo hình rộng hơn có thé tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi. Khả năng biến dạng của SPIF và góc biến dạng Khả năng biên dạng của SPIF được đặc trưng bởi góc biên dạng lớn nhat amax.

Góc biến dang a là góc hợp bởi tiếp tuyến của bề mặt gia công với phương ngang tại điểm đang xét. Góc bién dạng lớn nhất œmax là góc biến dạng tại vị trí chỉ tiết bị rách khi biến dạng[3]. Việc xác định góc biến dạng là yêu cầu quan trọng nhất và cũng là vấn dé chủ yếu trong các nghiên cứu về SPIF nhằm định hướng cho thiết kế và chế tạo chỉ tiết băng phương pháp gia công này (Hình 1. HVTH: Trần Trọng Hỷ Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam | | * * | N Ạ \ + ' — \ | ~ \ N <5 L n \ ý« ` f ¬\ Hình 1. Biên dạng chi tiết khảo sát[3] a arccos| =) = x _T (1-1) 1-1 Với: X= Zạ — Zw (1-2) 1 Bè day của chỉ tiết trên đường sinh cũng không đồng đều mà giảm dan trên đường sinh ứng với sự tăng dần của góc biến dạng ơ. Mối quan hệ giữa bề dày và góc biến dạng được mô tả qua biểu thức[2]: r=uin| Sa] ( 1-3) Trong đó: t (mm) — bề dày tại vị trí khảo sát ứng với góc bién dang ơ tạ (mm) — bé dày ban đầu Nếu góc ơ = 90° thì t =0. Phương pháp SPIF không tạo hình được những vách thăng đứng.

Nó cũng gặp khó khăn đối với các bề mặt bậc. Độ chính xác hình học va chất lượng bé mặt không cao băng phương pháp dập. Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng khả năng tạo hình SPIF Các nghiên cứu cho thấy các thông số sau đây có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình của sản phẩm tâm khi tạo hình bang SPIF: i. Hnhd ngqguP od ngạc (tool path) ii.

Bước ti n theo phương z, Az (mm) iii. Vant cch yd ngc Vxy (mm/phiit) trong m t phang xy iv. S vòng quay n (vong/phit)c atr c chính mang d ngc t ohnh v. Đường kinhd ngc t ohnh D(mm) vi.

Nhit c achiti t trong qudtrnht ohnhT(°C) vii. B dày tam trước khi gia công (mm) HVTH: Tran Trong Hy Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS. Nguyễn Thanh Nam viii.H s masdtf gi a tấm và d ngc t ohnh 1. Công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao Phương pháp SPIF gia công được các vật liệu mềm ở nhiệt độ thường như nhôm, đồng, thép cacbon thấp, nhựa nhiệt dẻo.

Với vật liệu dạng tắm có độ cứng, độ bền cao như: thép không gi, hợp kim nhôm-đồng, nhôm-Magiê, nhôm- Titanium. rất khó biến dạng và định hình ở nhiệt độ thường vì khả năng đàn hồi cao. Để gia công được, các chi tiết dạng tam loại này phải được gia nhiệt đến nhiệt độ phù hợp mà ở đó nó trở nên mềm hơn. Phương pháp tạo hình cục bộ liên tục vật liệu tắm có gia nhiệt gọi là phương pháp tạo hình cục bộ liên tục ở nhiệt độ cao.

Vấn dé quan trọng của SPIF ở nhiệt độ cao là phương pháp gia nhiệt va kiểm soát nhiệt độ của chỉ tiết trong quá trình gia công. Tính chất của vật liệu và khả năng biến dạng của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Một sự tăng nhiệt độ không có kiểm soát ảnh hưởng rat lớn đến chất lượng cũng như độ chính xác của chi tiết. Tình hình nghiên cứu.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1. Onhiét độ thường Nghiên cứu của V.Franzen và cộng su[4] khảo sát biến dạng của tam nhựa PVC. Quỹ đạo dung cụ được dùng là dạng đường xoắn ốc bước 0,5mm. Tác giả phân tích ảnh hưởng đường kính dụng cụ Ø10zØ15mm và bề dày 2+3mm đến góc tao hình.

Lượng chạy dụng cụ 1500mm/ph, bôi trơn bằng soap-emulsion. Kết quả là cả hai thông số trên đều ảnh hưởng đến góc biến dạng. cụ thể đường kính dụng cụ tăng thì góc bién dạng tăng và bề dày tăng góc biến dạng giảm. Nghiên cứu của Lê Văn S¥[2] cho tam Polymer với các thông số Az(0,2+Imm), đường kính dụng cụ D(6rl2mm), lượng chạy dụng cụ Vxy(1000+3000mm/ph) và tốc độ dụng cụ n(200+700 vòng/ph).

Nghiên cứu cho thay ảnh hưởng cua Az là lớn nhất, kế đến là đường kính dụng cụ và lượng chạy dụng cụ. Tốc độ trục chính có ảnh hưởng nhưng không đáng kê. Bước tiến Az va lượng chạy Vxy tăng làm góc bién dạng giảm nhưng đường kính dụng cụ tăng thi biến dạng tăng. HVTH: Trần Trọng Hy Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: GS.

Nguyễn Thanh Nam Crina Radu[5] nghiên cứu ảnh hưởng của bốn thông số đường kính dụng cụ D@-+5mm), bước tiến Az(0,05+0,5mm), lượng chạy dụng cụ Vxy (1500+3000mm/ph) và tốc độ trục chính n(500+1000v/ph) đến chất lượng bề mặt của tam thép cacbon thấp. Bề day tam 0,6mm.