MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài (tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu) Trong bối cảnh phát triển của ngành công nghệ chế tạo máy hiện nay, nhà sản xuất cần phải thay đổi cách thức, quy trình gia công biến dạng vật liệu tấm, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ ngày càng cao của khách hàng, đồng thời đảm bảo sự cạnh tranh hiệu quả. Trong đó, công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ (Incremental Sheet Forming - ISF) tấm vật liệu là một trong những phương pháp tạo hình nhiều triển vọng góp phần giảm giá thành sản phẩm nhằm đem lại lợi ích kinh tế hợp lý. Có thể khẳng định rằng, việc sản xuất các sản phẩm có số lượng ít, mẫu mã và kích thước đa dạng là yêu cầu cần thiết trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ, công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ ô tô, y học, đồ dùng gia dụng.
Đây là một thách thức lớn đối với nhà nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà hoạch định chính sách, nhằm đưa lại những ứng dụng công nghệ một cách tốt nhất. Thực tế cho thấy, công nghệ tạo hình sản phẩm từ tấm kim loại truyền thống (vuốt, dập, dập sâu.vv) mà có sử dụng khuôn không mấy phù hợp với sự thay đổi mẫu mã sản phẩm nhanh chóng và số lượng đơn chiếc của khách hàng. Chính vì lý do này, các nhà chế tạo sản phẩm và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một số giải pháp công nghệ tạo hình sản phẩm từ tấm vật liệu mà không dùng khuôn và có thể đáp ứng tốt cho việc sản xuất các sản phẩm loạt nhỏ và vừa, mẫu mã thay đổi nhanh chóng, giá thành thấp, chất lượng sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của khách hàng. Đó chính là thế mạnh của công nghệ tạo hình gia tăng ISF, trong đó phương pháp tạo hình gia tăng đa điểm (Two points incrematal forming - TPIF) rất có ưu thế.
Do tính ưu việt của phương pháp này là tiết kiệm thời gian, chi phí, phù hợp với nhu cầu cần thiết của nền công nghiệp thiết kế và chế tạo sản phẩm, khiến tác giả mạnh dạn chọn lựa đề tài “Nghiên Cứu Tạo Hình Kim Loại Tấm Bằng Công Nghệ Biến Dạng Gia Tăng Đa Điểm (TPIF)”. Việc chọn lựa hướng nghiên cứu này, tác giả mong muốn nghiên cứu khả năng tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày 1 1,5 mm để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số tạo hình. Đồng thời lựa chọn chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn hợp lý nhằm khẳng định hiệu quả của công nghệ TPIF. Mục tiêu nghiên cứu Luận án này tập trung nghiên cứu khả năng tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày 1,5 mm bằng công nghệ tạo hình gia tăng đa điểm (TPIF) ở nhiệt độ phòng.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt sản phẩm đạt được. Với mục tiêu chung này, luận án triển khai các mục tiêu cụ thể theo các nội dung sau đây: - Thiết kế và chế tạo dụng cụ tạo hình, đồ gá, gối đỡ chuyên dụng để thực hiện tất cả các thí nghiệm với công nghệ tạo hình TPIF. - Xây dựng mô hình côn nón có đường sinh dạng bậc để có khả năng khảo sát các góc tường từ 65o đến 85o trong quá trình tạo hình TPIF nhằm tiết kiệm mẫu thí nghiệm và thực hiện khảo sát hiệu quả hơn. - Nghiên cứu tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14 có độ dày 1,5 mm bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm TPIF.
Khả năng tạo hình được đặc trưng bằng góc tường sản phẩm 𝛼 đạt được và khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ: bước tiến dụng cụ, tốc độ quay trục chính, tốc độ tiến dụng cụ và đường kính dụng cụ. Qua đó, xây dựng phương trình hồi quy thể hiện mối liên hệ giữa thông số công nghệ và góc biến dạng. - Thực hiện mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán vết nứt xuất hiện trong quá trình tạo hình TPIF với các thông số công nghệ tương tự như thực nghiệm bằng phần mềm Abaqus. - Khảo sát ảnh hưởng của chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn thích hợp để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất và khả năng biến dạng lớn nhất của công nghệ TPIF.
Đối tượng nghiên cứu 2 Đối tượng nghiên cứu của luận án này là nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ TPIF để tạo hình sản phẩm từ tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày 1,5 mm qua 4 thông số công nghệ: tốc độ tiến dụng cụ 𝑉 (mm/phút), bước tiến dụng cụ theo phương 𝑧 ∆z (mm), đường kính dụng cụ 𝐷 (mm) và tốc độ quay trục chính 𝑛 (vòng/phút). Khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn cho các loại chất bôi trơn khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm và khả năng tạo hình. Nhiệm vụ nghiên cứu Luận án được thực hiện để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như sau: Nhiệm vụ thứ nhất: thiết kế và chế tạo đồ gá tạo hình gia công biến dạng gia tăng đa điểm TPIF là nhiệm vụ quan trọng quyết định sự thành công của các thí nghiệm trong luận án này. Đồ gá và gối đỡ được thiết kế và chọn lựa kết cấu đảm bảo các chuyển động chính của hệ thống.
Tấm vật liệu được kẹp chặt trên khung cứng, khung có khả chuyển động dọc trục 𝑧 cùng với chuyển động của dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng TPIF. Do đó, đồ gá, gối đỡ phải được tính toán thiết kế để đảm bảo hệ cứng vững, ổn định, chính xác và thuận tiện thao tác. Đây là nhiệm vụ có ý nghĩa quan trọng nhằm đem lại kết quả thí nghiệm chính xác. Nhiệm vụ thứ hai: mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn quá trình biến dạng TPIF cho tấm hợp kim nhôm và dự đoán khả năng phá hủy sản phẩm trong quá trình tạo hình.
Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), dự đoán vết nứt xuất hiện trên bề mặt kim loại tấm khi giới hạn tạo hình đã đạt đến bằng các mô hình dự đoán có sẵn trong phần mềm Abaqus. Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận án đánh giá khả năng biến dạng (đến nứt, rách tấm) kim loại tấm dẻo và nghiên cứu các dạng phá hủy của tấm A1050 H14 trong quá trình tạo hình. Nhiệm vụ thứ ba: nghiên cứu chọn lựa các thông số công nghệ và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt tạo hình và khả năng biến dạng của tấm hợp kim nhôm A1050 H14. Dựa trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE), luận án xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến yếu tố đáp ứng, mức độ ảnh hưởng, từ đó xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ tạo 3 hình và các đáp ứng đầu ra.
Từ đó, tìm thông số máy hợp lý để đạt được khả năng biến dạng là lớn nhất. Nhiệm vụ cuối cùng: khảo sát chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn, luận án lựa chọn tổ hợp chất bôi trơn thích hợp, góp phần làm giảm ma sát giữa đầu dụng cụ tạo hình và bề mặt kim loại tấm. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ tạo hình đa điểm (TPIF) cho tấm kim loại ở nhiệt độ thường. Vật liệu sử dụng để biến dạng là tấm hợp kim nhôm A1050 H14 dày 1,5 mm.
Thông số công nghệ tạo hình sử dụng trong quá trình bao gồm tốc độ tiến dụng cụ Vxy =300, 900, 1500 (mm/phút), bước tiến dụng cụ theo phương z là ∆z = 0,1; 0,8; 1,5 (mm), đường kính dụng cụ D=6, 12, 18 (mm) và tốc độ quay trục chính n = 300, 1050, 1800 (vòng/phút). Dụng cụ tạo hình có đầu là bi được hàn cứng với thân hình trụ để giảm ma sát tiếp xúc, giảm độ mòn dụng cụ trong quá trình tạo hình. Luận án khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn sử dụng trong quá trình tạo hình. Các chất bôi trơn sử dụng gồm dầu nhờn (Gear VG 150 EP), mỡ bôi trơn công nghiệp, bột than chì, hỗn hợp bôi trơn mỡ bôi trơn và than chì với tỉ lệ 1:1, dầu hướng dương.
Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tổng quan về công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ và phân tích các nghiên cứu về TPIF trên thế giới và trong nước giúp tác giả xác định thực trạng nghiên cứu trước đó, hướng kế thừa và đóng góp của luận án. Phương pháp phân tích lý thuyết về biến dạng tấm và lý thuyết SPIF đưa lại cho luận án một cái nhìn tổng quan về khả năng biến dạng tấm. Với phương pháp thực nghiệm, luận án dùng phần mềm quy hoạch thực nghiệm Minitab (DOE) thiết kế thí nghiệm và phân tích ANOVA; phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ tác động lên khả năng biến dạng kim loại tấm. 4 Quá trình đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ cho biết bản chất của những ảnh hưởng từ các thông số đó.
Các thông số công nghệ có thể ảnh hưởng độc lập hoặc ảnh hưởng tác động lẫn nhau quyết định đến đáp ứng của quá trình tạo hình. Từ đó, ta có thể kiểm soát các thông số công nghệ nhằm tạo ra sản phẩm như mong đợi. Quá trình thực nghiệm quá trình TPIF gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng của DCSELAB để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm ABAQUS nhằm dự đoán quá trình phá hủy vật liệu trong tạo hình TPIF.
Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả từ thực nghiệm trong cùng một điều kiện về thông số công nghệ và chất bôi trơn để đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án được đầu tư kết hợp cả phân tích lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn cho quá trình tạo hình TPIF cho tấm hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng nhằm đưa lại các kết quả có ý nghĩa khoa học như sau đây: - Hiểu rõ bản chất ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm đạt được trong quá trình tạo hình TPIF. Khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của công nghệ TPIF ở nhiệt độ phòng đang là vấn đề quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất sản phẩm. Đặc biệt vấn đề bôi trơn và phương pháp bôi trơn sử dụng trong công nghệ ISF còn chưa được nghiên cứu.