Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ miết CNC là một phương pháp gia công kim loại tấm dựa trên biến dạng dẻo cục bộ liên tục, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hàng không, quốc phòng, ô tô và sản xuất hàng tiêu dùng. Theo báo cáo của ngành, các máy miết hiện đại có thể gia công chi tiết với đường kính lên đến 6m và chiều dày vật liệu đến 40mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao về độ bền và độ chính xác. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ này còn hạn chế do thiếu thiết bị chuyên dụng và kiến thức kỹ thuật sâu rộng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế đồ gá cho máy miết CNC nhằm nâng cao độ chính xác và năng suất gia công các chi tiết kim loại dạng tấm, đặc biệt trong công nghệ tạo hình gia tăng (ISF). Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn và tính toán các thông số công nghệ như vận tốc tiến dụng cụ, tốc độ quay trục chính, bước tiến dao, đường kính dụng cụ tạo hình và ảnh hưởng của vật liệu gia công đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2019, với các thí nghiệm trên máy phay CNC 3 trục và các dụng cụ tạo hình có đường kính từ 3 đến 10 mm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm sức lao động, tăng độ chính xác, rút ngắn thời gian gia công và nâng cao năng suất lao động trong sản xuất cơ khí. Đồng thời, kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ miết trong nước, giảm chi phí đầu tư thiết bị nhập khẩu và mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ ISF trong sản xuất đơn chiếc và tạo mẫu nhanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: công nghệ biến dạng kim loại tấm và phương pháp tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming - ISF). Công nghệ biến dạng kim loại tấm tập trung vào biến dạng dẻo cục bộ, ảnh hưởng của các thông số gia công đến khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm. ISF là phương pháp tạo hình không dùng khuôn, sử dụng dụng cụ đầu cầu nhỏ di chuyển theo đường chạy dao được lập trình số, tạo hình từng lớp trên tấm kim loại.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Góc biến dạng giới hạn (Maximum Forming Angle): đặc trưng cho khả năng biến dạng của vật liệu trong quá trình gia công.
  • Đường chạy dao (Tool Path): quỹ đạo di chuyển của dụng cụ tạo hình ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng bề mặt.
  • Biểu đồ giới hạn biến dạng (Forming Limit Diagram - FLD): biểu diễn giới hạn biến dạng của vật liệu, giúp dự đoán khuyết tật trong quá trình tạo hình.
  • Thông số công nghệ: vận tốc tiến dụng cụ (F), tốc độ quay trục chính (n), bước tiến dao theo phương Z (∆Z), đường kính dụng cụ tạo hình (d).
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): được sử dụng để mô phỏng quá trình biến dạng và dự đoán sai lệch hình học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các thí nghiệm thực tế trên máy phay CNC 3 trục, sử dụng các dụng cụ tạo hình có đường kính từ 3 đến 10 mm, vật liệu kim loại tấm như hợp kim nhôm EN AW-1060. Các thông số công nghệ được điều chỉnh và đo lường ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thí nghiệm thực tế để đo lực tạo hình, độ nhám bề mặt, góc biến dạng giới hạn.
  • Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích biến dạng dẻo, ứng suất von Mises và sai lệch hình học.
  • So sánh kết quả thí nghiệm với mô phỏng để xác nhận độ chính xác mô hình.
  • Phân tích ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến hiệu quả gia công.

Cỡ mẫu thí nghiệm khoảng 10-15 lần chạy thử với các biến thể thông số khác nhau, được chọn mẫu ngẫu nhiên trong điều kiện kiểm soát để đảm bảo tính đại diện. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 6 tháng, bao gồm giai đoạn thiết kế, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của vận tốc tiến dụng cụ (F): Khi tăng vận tốc tiến dụng cụ từ mức thấp lên mức cao, lực biến dạng tăng, dẫn đến rung động dụng cụ và máy gia công. Tuy nhiên, vận tốc tiến dụng cụ cao giúp giảm thời gian gia công và tăng góc biến dạng giới hạn. Thí nghiệm cho thấy tăng F có thể giảm thời gian gia công đến 50% mà không làm tăng đáng kể độ nhám bề mặt.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính (n): Tăng tốc độ quay trục chính từ 0 đến 600 vòng/phút làm giảm hệ số ma sát từ 0,19 xuống còn 0,06, đồng thời giảm lực tạo hình từ 460N xuống 390N. Tốc độ quay cao giúp tăng nhiệt độ cục bộ, cải thiện khả năng biến dạng nhưng gây mài mòn dụng cụ nhanh và làm cháy chất bôi trơn.

  3. Ảnh hưởng của bước tiến dao theo phương Z (∆Z): Giảm bước tiến ∆Z làm giảm độ nhám bề mặt nhưng kéo dài thời gian gia công. Tăng ∆Z từ 0,2 mm lên 0,4 mm có thể giảm thời gian gia công đến 50% mà không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng bề mặt. Tuy nhiên, bước tiến quá lớn làm tăng lực biến dạng, có thể gây quá tải máy.

  4. Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ tạo hình (d): Dụng cụ nhỏ (3-5 mm) tăng góc biến dạng giới hạn và độ chính xác biên dạng nhưng làm tăng độ nhám bề mặt. Dụng cụ lớn (8-10 mm) giảm góc biến dạng và độ chính xác nhưng cải thiện độ nhẵn bề mặt và rút ngắn thời gian gia công. Việc sử dụng kết hợp nhiều đường kính dụng cụ cho một sản phẩm được khuyến nghị.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa các thông số công nghệ và hiệu quả gia công trong công nghệ miết CNC. Việc tăng vận tốc tiến dụng cụ và tốc độ quay trục chính giúp nâng cao năng suất và khả năng biến dạng, nhưng cần cân nhắc để tránh gây hư hỏng dụng cụ và giảm chất lượng bề mặt. Bước tiến dao và đường kính dụng cụ tạo hình là các yếu tố quyết định đến độ chính xác và độ nhẵn của sản phẩm.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo về ảnh hưởng của thông số gia công trong ISF, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm tại điều kiện Việt Nam. Việc mô phỏng bằng FEM giúp dự đoán sai lệch hình học do biến dạng đàn hồi, từ đó đề xuất các đường chạy dao tối ưu nhằm cải thiện độ chính xác sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực tạo hình theo vận tốc tiến dụng cụ, biểu đồ hệ số ma sát theo tốc độ quay trục chính, và bảng so sánh độ nhám bề mặt với các bước tiến dao khác nhau. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vận tốc tiến dụng cụ (F): Khuyến nghị chọn vận tốc tiến dụng cụ ở mức cao nhất mà dụng cụ và máy có thể chịu được, nhằm giảm thời gian gia công và tăng góc biến dạng giới hạn. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn lập trình gia công. Chủ thể thực hiện: kỹ sư lập trình CNC.

  2. Điều chỉnh tốc độ quay trục chính (n): Lựa chọn tốc độ quay phù hợp (khoảng 600 vòng/phút) để giảm ma sát và lực tạo hình, đồng thời hạn chế mài mòn dụng cụ. Thời gian áp dụng: trong quá trình vận hành máy. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên vận hành.

  3. Chọn bước tiến dao theo phương Z (∆Z) hợp lý: Ưu tiên bước tiến dao khoảng 0,2-0,4 mm để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và thời gian gia công, tránh bước tiến quá lớn gây quá tải. Thời gian áp dụng: trong thiết kế chương trình gia công. Chủ thể thực hiện: kỹ sư lập trình.

  4. Sử dụng đa dạng đường kính dụng cụ tạo hình: Kết hợp dụng cụ nhỏ để tăng độ chính xác và dụng cụ lớn để nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt. Thời gian áp dụng: trong thiết kế công cụ và lập trình. Chủ thể thực hiện: bộ phận thiết kế và lập trình.

  5. Áp dụng mô phỏng FEM trong thiết kế đường chạy dao: Sử dụng mô phỏng để dự đoán biến dạng đàn hồi và điều chỉnh đường chạy dao nhằm cải thiện độ chính xác hình học. Thời gian áp dụng: giai đoạn thiết kế sản phẩm. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ cơ khí: Nghiên cứu và áp dụng công nghệ miết CNC trong sản xuất chi tiết kim loại tấm, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất và doanh nghiệp cơ khí: Đánh giá khả năng đầu tư thiết bị và áp dụng công nghệ ISF để giảm chi phí, tăng năng suất và mở rộng sản phẩm.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí, công nghệ chế tạo máy: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ miết, thiết kế đồ gá và các thông số công nghệ trong gia công CNC.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Tham khảo phương pháp mô phỏng FEM và các kết quả thực nghiệm để phát triển công nghệ tạo hình kim loại tấm tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ miết CNC là gì và ưu điểm chính của nó?
    Công nghệ miết CNC là phương pháp tạo hình kim loại tấm bằng biến dạng dẻo cục bộ liên tục sử dụng máy CNC điều khiển số. Ưu điểm là không cần khuôn, linh hoạt trong tạo mẫu nhanh, phù hợp sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ, giảm chi phí đầu tư.

  2. Các thông số công nghệ nào ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng sản phẩm?
    Vận tốc tiến dụng cụ, tốc độ quay trục chính, bước tiến dao theo phương Z và đường kính dụng cụ tạo hình là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng biến dạng, độ nhám bề mặt và độ chính xác hình học.

  3. Làm thế nào để giảm sai lệch hình học trong quá trình ISF?
    Sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để dự đoán biến dạng đàn hồi và điều chỉnh đường chạy dao, kết hợp sử dụng nhiều đường kính dụng cụ tạo hình và chọn thông số gia công phù hợp giúp giảm sai lệch.

  4. Tại sao cần sử dụng bôi trơn trong công nghệ miết?
    Bôi trơn giảm ma sát giữa dụng cụ và phôi, cải thiện chất lượng bề mặt và giảm mài mòn dụng cụ. Thiếu bôi trơn gây tăng nhiệt độ cục bộ, mòn dụng cụ nhanh và có thể làm hỏng sản phẩm.

  5. Công nghệ miết CNC có thể áp dụng cho những loại vật liệu nào?
    Phù hợp với nhiều loại vật liệu kim loại tấm như hợp kim nhôm, thép cacbon thấp, thép không gỉ. Khả năng biến dạng và giới hạn biến dạng phụ thuộc vào tính chất cơ học của vật liệu.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công đồ gá cho máy miết CNC, nâng cao độ chính xác và năng suất gia công chi tiết kim loại tấm.
  • Xác định và tối ưu các thông số công nghệ như vận tốc tiến dụng cụ, tốc độ quay trục chính, bước tiến dao và đường kính dụng cụ tạo hình.
  • Mô phỏng FEM giúp dự đoán biến dạng đàn hồi và sai lệch hình học, hỗ trợ thiết kế đường chạy dao hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ miết trong nước, giảm chi phí đầu tư và mở rộng ứng dụng trong sản xuất.
  • Đề xuất các giải pháp áp dụng ngay trong sản xuất và nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện công nghệ ISF tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai áp dụng thiết kế đồ gá và thông số công nghệ đã nghiên cứu vào sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về vật liệu và mô phỏng nâng cao.

Call to action: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí nên phối hợp ứng dụng công nghệ miết CNC để nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.