Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hội nhập kinh tế toàn cầu mạnh mẽ, ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam đang đối mặt với nhu cầu ngày càng cao về năng suất và chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, việc tìm kiếm các quy trình sản xuất mới nhằm rút ngắn thời gian, giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật là vấn đề cấp thiết. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu, phân tích và thay thế phương pháp gia công dập nóng bằng đúc áp lực trong chế tạo chi tiết cổ xe nữ hợp kim nhôm, một bộ phận quan trọng trong xe đạp dáng nữ.

Nghiên cứu được thực hiện tại công ty TNHH Song Tain Industrial, nơi chi tiết cổ xe nữ hợp kim nhôm A6061 hiện đang được sản xuất bằng phương pháp dập nóng. Tuy nhiên, với nhu cầu sản xuất tăng cao, phương pháp dập nóng hiện tại có năng suất thấp và chi phí sản xuất cao, ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế. Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng quy trình sản xuất hàng loạt chi tiết cổ xe nữ bằng phương pháp đúc áp lực với vật liệu hợp kim nhôm A356, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí và đảm bảo chất lượng sản phẩm theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát, phân tích chi tiết sản phẩm chế tạo bằng hai phương pháp dập nóng và đúc áp lực, thực nghiệm sản xuất và kiểm tra chất lượng tại công ty Song Tain và các trung tâm kiểm định uy tín. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh cho ngành cơ khí chế tạo linh kiện xe đạp tại Việt Nam. Theo kết quả, khi sản xuất trên 25.000 sản phẩm, phương pháp đúc áp lực tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với dập nóng, mở ra hướng phát triển bền vững cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết gia công biến dạng và công nghệ đúc áp lực cao.

  • Lý thuyết gia công biến dạng (dập nóng): Phương pháp này thuộc nhóm gia công biến dạng, trong đó kim loại được biến dạng ở trạng thái nóng dưới tác dụng lực ép trong khuôn kín. Quá trình biến dạng gồm ba giai đoạn: giảm chiều cao phôi, lèn kín cửa ba-via và điền đầy khuôn. Gia công biến dạng giúp cải thiện tính chất cơ lý của kim loại như tăng độ bền, độ cứng và loại bỏ khuyết tật do đúc gây ra. Thiết bị sử dụng gồm máy ép thủy lực, máy ép trục khuỷu, máy búa hơi nước và máy ép ma sát trục vít.

  • Công nghệ đúc áp lực cao: Đây là phương pháp đúc kim loại lỏng vào khuôn dưới áp lực cao (60-100 at), giúp tạo ra chi tiết có độ chính xác cao, thành mỏng và tổ chức vật liệu sít chặt. Quy trình đúc áp lực gồm bốn giai đoạn: cấp liệu, điền đầy khuôn, ép tĩnh và tháo khuôn. Thiết bị đúc áp lực bao gồm máy đúc buồng nóng và buồng nguội với các cơ cấu khóa khuôn và ép thủy lực phức tạp. Lý thuyết tính toán cơ cấu ép và khóa khuôn được áp dụng để đảm bảo áp suất, tốc độ ép và lực khóa khuôn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng là: hợp kim nhôm A6061 và A356, lực khóa khuôn trong đúc áp lực, và quá trình xử lý nhiệt T4, T6 nhằm tăng cường tính chất cơ học của sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp hai phương pháp chính: phân tích lý thuyết và thực nghiệm.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ khảo sát, phân tích chi tiết cổ xe nữ sản xuất bằng dập nóng và đúc áp lực tại công ty TNHH Song Tain Industrial. Các thí nghiệm kiểm tra chất lượng được thực hiện tại công ty, Trung tâm Công nghệ cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật và Trung tâm Kiểm định và Huấn luyện An toàn Lao động TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán kỹ thuật dựa trên lý thuyết gia công biến dạng và công nghệ đúc áp lực cao, bao gồm tính toán lực khóa khuôn, áp suất ép, tốc độ ép và thiết kế khuôn. Phân tích so sánh hiệu quả kinh tế giữa hai phương pháp dựa trên chi phí sản xuất và năng suất.

  • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng 2 năm, từ khảo sát, thiết kế quy trình, chế tạo thực nghiệm đến kiểm tra và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sản phẩm thực nghiệm được chế tạo với số lượng mẫu đủ để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật như khối lượng, độ cứng, độ bền mỏi, khuyết tật bằng siêu âm và quá trình oxy hóa. Mẫu kiểm tra chiếm 2% lô hàng, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả năng áp dụng vào sản xuất hàng loạt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật: Sản phẩm cổ xe nữ hợp kim nhôm A356 chế tạo bằng phương pháp đúc áp lực đạt các tiêu chuẩn về khối lượng (0,1 kg), độ cứng (16-18 HB), không có khuyết tật như rỗ khí, rỗ co, không bị oxy hóa hay biến dạng. Kết quả kiểm tra bằng cân điện tử, kìm Webster Instrument, máy siêu âm và thử nghiệm độ bền mỏi đều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

  2. Năng suất sản xuất tăng đáng kể: Phương pháp đúc áp lực cho phép sản xuất hàng loạt với năng suất cao hơn nhiều so với dập nóng, đặc biệt khi số lượng sản phẩm vượt mức khoảng 25.000 mẫu. Dập nóng chỉ xử lý được một sản phẩm mỗi lần, trong khi đúc áp lực có thể vận hành liên tục, giảm thời gian chu trình sản xuất.

  3. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Khi sản xuất trên 25.000 sản phẩm, chi phí sản xuất bằng đúc áp lực thấp hơn đáng kể so với dập nóng. Biểu đồ chi phí sản xuất so sánh cho thấy chi phí trên mỗi sản phẩm giảm rõ rệt khi áp dụng đúc áp lực, nhờ giảm hao tổn nhân lực, thiết bị và thời gian.

  4. Ưu nhược điểm của hai phương pháp: Dập nóng có ưu điểm về chất lượng sản phẩm đồng đều, chi phí đầu tư khuôn thấp và dễ bảo trì, nhưng nhược điểm là năng suất thấp, chi phí sản xuất cao và nhiều công đoạn phức tạp. Đúc áp lực có ưu điểm về độ chính xác cao, khả năng tạo hình phức tạp, năng suất lớn và tiết kiệm chi phí khi sản xuất số lượng lớn, nhưng chi phí đầu tư khuôn cao và chỉ phù hợp với chi tiết có khối lượng nhỏ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp đúc áp lực vượt trội về năng suất và chi phí là do quy trình đúc áp lực sử dụng áp suất cao (60-100 at) để kim loại lỏng điền đầy khuôn nhanh chóng, giảm thời gian chu trình sản xuất. Thiết bị đúc áp lực hiện đại với cơ cấu khóa khuôn và ép thủy lực chính xác giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều và giảm phế phẩm.

So với các nghiên cứu trong ngành đúc áp lực trên thế giới, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng đúc áp lực trong sản xuất linh kiện hợp kim nhôm cho ngành công nghiệp xe đạp, xe máy và ô tô. Việc áp dụng công nghệ đúc áp lực cao giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm trọng lượng sản phẩm và mở rộng khả năng thiết kế chi tiết phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chi phí sản xuất theo số lượng sản phẩm, bảng tổng hợp kết quả kiểm tra chất lượng và biểu đồ năng suất giữa hai phương pháp, giúp minh họa rõ ràng ưu thế của đúc áp lực trong sản xuất hàng loạt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng quy trình đúc áp lực cho sản xuất hàng loạt: Công ty TNHH Song Tain Industrial nên đầu tư mở rộng dây chuyền đúc áp lực với vật liệu hợp kim nhôm A356, nhằm tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất khi số lượng sản phẩm vượt 25.000 mẫu. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12-18 tháng.

  2. Nâng cao chất lượng khuôn đúc và thiết bị: Đầu tư cải tiến khuôn đúc áp lực với vật liệu chịu nhiệt và áp lực cao, đồng thời nâng cấp máy đúc áp lực hiện đại để giảm phế phẩm và tăng độ chính xác sản phẩm. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật và quản lý sản xuất.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho công nhân vận hành máy đúc áp lực và kỹ thuật viên bảo trì nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả, giảm thời gian dừng máy và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo trong 6 tháng.

  4. Ứng dụng phần mềm CAE trong thiết kế và tối ưu quy trình: Áp dụng công nghệ mô phỏng CAE để thiết kế khuôn đúc và tối ưu quy trình đúc áp lực, giảm thiểu khuyết tật và nâng cao chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  5. Theo dõi và đánh giá liên tục hiệu quả sản xuất: Thiết lập hệ thống giám sát chất lượng và chi phí sản xuất định kỳ để đánh giá hiệu quả của phương pháp đúc áp lực, từ đó điều chỉnh kịp thời các yếu tố kỹ thuật và quản lý. Thời gian đánh giá mỗi quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện hợp kim nhôm: Các công ty trong ngành cơ khí chế tạo, đặc biệt sản xuất linh kiện xe đạp, xe máy, ô tô có thể áp dụng quy trình đúc áp lực để nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm hữu ích cho việc nghiên cứu phát triển công nghệ đúc áp lực và gia công biến dạng.

  3. Chuyên gia kỹ thuật và quản lý sản xuất: Những người làm việc trong lĩnh vực thiết kế khuôn, vận hành máy đúc áp lực và quản lý dây chuyền sản xuất có thể tham khảo để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.

  4. Cơ quan đào tạo và trung tâm kiểm định chất lượng: Các trường đại học, viện nghiên cứu và trung tâm kiểm định có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và đánh giá chất lượng sản phẩm hợp kim nhôm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đúc áp lực có phù hợp với sản xuất chi tiết lớn không?
    Đúc áp lực chủ yếu phù hợp với chi tiết có khối lượng nhỏ đến trung bình do giới hạn về kích thước và áp suất khuôn. Chi tiết lớn thường sử dụng phương pháp khác như đúc trọng lực hoặc dập nóng.

  2. Chi phí đầu tư khuôn đúc áp lực cao có đáng kể không?
    Chi phí khuôn đúc áp lực cao thường lớn do yêu cầu kỹ thuật và vật liệu chịu nhiệt, áp lực. Tuy nhiên, khi sản xuất số lượng lớn, chi phí trên mỗi sản phẩm giảm đáng kể, mang lại hiệu quả kinh tế.

  3. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng sản phẩm đúc áp lực?
    Sản phẩm được kiểm tra bằng cân điện tử, đo độ cứng (kìm Webster Instrument), kiểm tra khuyết tật bằng máy siêu âm, thử nghiệm độ bền mỏi và kiểm tra quá trình oxy hóa để đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.

  4. Phương pháp đúc áp lực có thể thay thế hoàn toàn dập nóng không?
    Không phải lúc nào cũng thay thế hoàn toàn được. Đúc áp lực phù hợp với sản xuất hàng loạt chi tiết nhỏ, phức tạp, còn dập nóng có ưu thế về chất lượng sản phẩm và chi phí đầu tư thấp hơn cho số lượng nhỏ.

  5. Ứng dụng phần mềm CAE trong đúc áp lực có lợi ích gì?
    CAE giúp mô phỏng quá trình đúc, dự đoán khuyết tật, tối ưu thiết kế khuôn và quy trình sản xuất, từ đó giảm phế phẩm, nâng cao chất lượng và tiết kiệm chi phí phát triển sản phẩm mới.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình sản xuất chi tiết cổ xe nữ hợp kim nhôm A356 bằng phương pháp đúc áp lực, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và nâng cao năng suất sản xuất.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy sản phẩm đạt chất lượng cao với độ cứng trung bình 17.4 HB, không có khuyết tật và đảm bảo độ bền mỏi theo tiêu chuẩn.
  • Khi sản xuất trên 25.000 sản phẩm, đúc áp lực tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với dập nóng, giúp doanh nghiệp tăng hiệu quả kinh tế.
  • Đề xuất triển khai áp dụng đúc áp lực trong sản xuất hàng loạt, đồng thời nâng cấp thiết bị, đào tạo nhân lực và ứng dụng công nghệ CAE để tối ưu quy trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô sản xuất, theo dõi đánh giá hiệu quả và nghiên cứu phát triển thêm các chi tiết hợp kim nhôm khác bằng công nghệ đúc áp lực.

Hành động ngay: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong ngành cơ khí chế tạo nên áp dụng và phát triển công nghệ đúc áp lực để nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao.