Tổng quan nghiên cứu

Gia công kim loại bằng áp lực, đặc biệt là công nghệ dập tạo hình kim loại tấm, đóng vai trò then chốt trong ngành kỹ thuật cơ khí hiện đại. Theo ước tính, công nghệ này chiếm khoảng 1/3 tổng số máy gia công cơ khí tại các nước phát triển như Anh, Mỹ, Nga, góp phần quan trọng vào nền kinh tế quốc dân. Ở Việt Nam, từ năm 1995, ngành gia công áp lực đã có những bước tiến đáng kể với việc chế tạo thành công máy uốn thép và máy ép thủy lực cỡ lớn, phục vụ các ngành công nghiệp ô tô, quốc phòng và xây dựng. Tuy nhiên, công nghệ dập liên tục vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ với nhiều thách thức về thiết kế và chế tạo khuôn.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế khuôn dập liên tục để chế tạo chi tiết bản lề dưới, một chi tiết dạng tấm mỏng dày 2mm, sử dụng trong hòm gỗ bảo quản đạn pháo tại nhà máy Z113. Mục tiêu chính là ứng dụng công nghệ dập liên tục nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm giá thành sản xuất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích cơ sở lý thuyết các nguyên công dập tấm, xây dựng quy trình công nghệ, tính toán và thiết kế khuôn dập liên tục phù hợp với vật liệu thép C15 theo tiêu chuẩn TCVN 1766-75.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp thiết kế khuôn dập liên tục có khả năng tự động hóa cao, tiết kiệm nguyên vật liệu và phù hợp với sản xuất hàng loạt, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp phụ trợ trong nước. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ hỗ trợ nhà máy Z113 trong việc sản xuất chi tiết bản lề dưới với chất lượng đồng đều và chi phí hợp lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nhóm lý thuyết chính trong công nghệ dập tạo hình kim loại tấm:

  1. Nguyên công cắt hình và đột lỗ: Quá trình cắt kim loại tấm được mô tả qua các giai đoạn biến dạng dẻo, xuất hiện vết nứt và phá hủy vật liệu tại vùng cắt. Lực cắt được tính toán dựa trên chu vi cắt, chiều dày vật liệu và trở lực cắt của vật liệu, với hệ số điều chỉnh từ 1,1 đến 1,3 để phản ánh các yếu tố ảnh hưởng như khe hở lưỡi cắt và tốc độ biến dạng. Trị số khe hở tối ưu giữa chày và cối được xác định dựa trên chiều dày vật liệu, thường nằm trong khoảng 5-12% chiều dày phôi.

  2. Nguyên công uốn: Uốn là quá trình biến dạng dẻo làm thay đổi hình dạng phôi từ thẳng sang cong, với sự phân bố ứng suất kéo và nén khác nhau trên tiết diện. Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép được xác định dựa trên tính dẻo của vật liệu, chiều dày phôi và phương pháp uốn, nhằm tránh hiện tượng nứt gãy hoặc nhăn nheo. Hiện tượng đàn hồi sau uốn cũng được xem xét để điều chỉnh thiết kế khuôn nhằm đảm bảo kích thước và góc uốn chính xác.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm: lực cắt, khe hở tối ưu, biến dạng dẻo, bán kính uốn nhỏ nhất, lớp trung hòa biến dạng, và hiện tượng đàn hồi sau uốn.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật (TCVN 1766-75), các bài báo khoa học và tài liệu tham khảo trong nước và quốc tế. Dữ liệu thực nghiệm về thành phần hóa học và tính chất cơ lý của thép C15 được sử dụng làm cơ sở vật liệu.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm thiết kế và mô phỏng AutoCAD, NX, Inventor để xử lý số liệu, thiết kế bản vẽ chi tiết và mô hình 3D khuôn dập liên tục. Phân tích lực cắt, lực uốn và các thông số công nghệ dựa trên công thức toán học và mô hình hóa quá trình dập tấm.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào thiết kế khuôn dập liên tục cho chi tiết bản lề dưới với kích thước phôi 2mm, thực hiện trong khoảng thời gian từ đầu năm 2022 đến tháng 4/2023 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội và nhà máy Z113.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, chính xác và khả thi trong ứng dụng thực tế sản xuất hàng loạt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế quy trình công nghệ tối ưu: Luận văn đã xây dựng thành công quy trình công nghệ gồm 6 nguyên công: chuẩn bị phôi, đột lỗ Ø4 và Ø6, cắt hình, uốn lần 1 (góc 90°, bán kính R4,5), uốn lần 2 (góc 296°, bán kính R4,5) và cắt rời. Quy trình này giúp giảm thiểu số lượng khuôn, tăng năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  2. Lựa chọn vật liệu và thông số kỹ thuật: Vật liệu thép C15 với giới hạn chảy 230 MPa và độ bền kéo 380 MPa được xác định phù hợp cho chi tiết bản lề dưới. Trị số khe hở tối ưu khi cắt hình và đột lỗ được chọn trong khoảng 5-12% chiều dày phôi, đảm bảo lực cắt nhỏ nhất và chất lượng mặt cắt tốt.

  3. Thiết kế khuôn dập liên tục: Khuôn liên tục tích hợp nhiều nguyên công trên cùng một hành trình máy dập, sử dụng hệ thống cấp phôi tự động, giúp tăng năng suất lên đến khoảng 30-40% so với phương án khuôn đơn. Thiết kế chi tiết các bộ phận như chày, cối, lò xo, bulong và hệ thống dẫn hướng được tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo độ chính xác và độ bền khuôn.

  4. Hiệu quả sản xuất thực tế: Ứng dụng khuôn dập liên tục cho chi tiết bản lề dưới tại nhà máy Z113 đã cho thấy giảm đáng kể thời gian sản xuất và chi phí nhân công, đồng thời nâng cao độ đồng đều và chất lượng sản phẩm. So với phương án khuôn đơn, năng suất tăng khoảng 35%, chi phí sản xuất giảm khoảng 20%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả trên là do khuôn dập liên tục cho phép thực hiện nhiều nguyên công trên cùng một phôi trong một hành trình, giảm thiểu thao tác thủ công và sai số gá đặt. So với các nghiên cứu trong ngành gia công áp lực, kết quả này phù hợp với xu hướng tự động hóa và cơ khí hóa cao trong sản xuất hàng loạt.

Việc lựa chọn vật liệu thép C15 với thành phần hóa học và tính chất cơ lý phù hợp giúp đảm bảo độ bền và độ dẻo cần thiết cho quá trình dập và uốn, hạn chế hiện tượng nứt gãy và biến dạng không mong muốn. Các thông số kỹ thuật như khe hở cắt và bán kính uốn được xác định dựa trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm, góp phần nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh năng suất và chi phí giữa hai phương án khuôn đơn và khuôn liên tục, cũng như bảng thống kê các thông số kỹ thuật chính của khuôn và vật liệu. Điều này giúp minh họa rõ ràng lợi ích của thiết kế khuôn dập liên tục trong sản xuất công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng khuôn dập liên tục trong sản xuất hàng loạt: Nhà máy Z113 và các đơn vị sản xuất chi tiết kim loại tấm nên ưu tiên sử dụng khuôn dập liên tục để nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất trong vòng 12 tháng tới.

  2. Đào tạo kỹ sư và công nhân vận hành khuôn liên tục: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, vận hành và bảo trì khuôn dập liên tục nhằm nâng cao trình độ kỹ thuật và giảm thiểu sự cố trong quá trình sản xuất, thực hiện trong 6 tháng đầu năm.

  3. Đầu tư hệ thống cấp phôi tự động chính xác: Cải tiến hoặc trang bị hệ thống cấp phôi tự động với độ chính xác cao để đảm bảo phôi được cấp liên tục và chính xác, giảm sai số và tăng chất lượng sản phẩm, hoàn thành trong vòng 9 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ dập liên tục cho các chi tiết khác: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và phát triển thiết kế khuôn dập liên tục cho các chi tiết dập tấm phức tạp khác trong ngành cơ khí, nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng, kế hoạch thực hiện trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế khuôn và công nghệ chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế khuôn dập liên tục, giúp kỹ sư nâng cao năng lực thiết kế và lựa chọn công nghệ phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí: Thông tin về hiệu quả năng suất và chi phí giúp nhà quản lý đưa ra quyết định đầu tư hợp lý vào công nghệ dập liên tục, tối ưu hóa quy trình sản xuất.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí – chế tạo máy: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong lĩnh vực gia công áp lực và dập tấm.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và vật liệu công nghiệp: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và vật liệu sử dụng trong khuôn dập liên tục giúp các nhà cung cấp phát triển sản phẩm phù hợp, nâng cao chất lượng dịch vụ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ dập liên tục khác gì so với khuôn đơn?
    Dập liên tục tích hợp nhiều nguyên công trên cùng một khuôn và hành trình máy dập, giúp tăng năng suất và giảm sai số so với khuôn đơn thực hiện từng nguyên công riêng biệt. Ví dụ, năng suất có thể tăng khoảng 30-40%.

  2. Vật liệu thép C15 có phù hợp cho chi tiết bản lề dưới không?
    Thép C15 với giới hạn chảy 230 MPa và độ bền kéo 380 MPa đáp ứng tốt yêu cầu độ bền và dẻo cho chi tiết dập tấm, đồng thời dễ gia công và có giá thành hợp lý.

  3. Làm thế nào để xác định khe hở tối ưu khi cắt?
    Khe hở tối ưu thường là 5-12% chiều dày phôi, được xác định dựa trên tính chất vật liệu và chiều dày, nhằm giảm lực cắt và đảm bảo chất lượng mặt cắt, tránh bavia.

  4. Hiện tượng đàn hồi sau uốn ảnh hưởng thế nào đến sản phẩm?
    Đàn hồi sau uốn làm chi tiết thay đổi kích thước và góc uốn so với thiết kế khuôn, cần điều chỉnh thiết kế khuôn để bù trừ hiện tượng này, đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.

  5. Khuôn dập liên tục có nhược điểm gì?
    Khuôn liên tục đòi hỏi thiết kế và chế tạo phức tạp, chi phí đầu tư ban đầu cao, cần hệ thống cấp phôi tự động chính xác và đội ngũ kỹ thuật lành nghề để vận hành hiệu quả.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu và thiết kế thành công khuôn dập liên tục cho chi tiết bản lề dưới, phù hợp với vật liệu thép C15 dày 2mm.
  • Quy trình công nghệ gồm 6 nguyên công được tối ưu hóa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
  • Khuôn dập liên tục giúp tăng năng suất khoảng 35% và giảm chi phí sản xuất khoảng 20% so với phương án khuôn đơn.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ dập liên tục tại nhà máy Z113 và mở rộng nghiên cứu cho các chi tiết dập tấm khác.
  • Khuyến khích đào tạo kỹ thuật viên và đầu tư hệ thống cấp phôi tự động để đảm bảo hiệu quả sản xuất.

Next steps: Triển khai thực tế thiết kế khuôn, đào tạo nhân lực và đánh giá hiệu quả sản xuất trong 12 tháng tới.

Call-to-action: Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu trong ngành cơ khí nên áp dụng và phát triển công nghệ dập liên tục để nâng cao năng lực cạnh tranh và giá trị sản phẩm.