CHƯƠNG 1: TONG QUAN, MỤC TIỂU VÀ NHIEM VỤ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu về công nghệ biến dạng cục bộ liên tục đơn điểm ở nhiệt độ cao (HOT SPIF) Nam 1967, Leszak [42] phát minh một phương pháp tạo hình kim loại không dùng khuôn băng cách sử dụng chuyển động của dụng cụ được điều khiến số. Phương pháp này sử dụng một dụng cụ đơn giản, biến dạng từ vật liệu kim loại dạng tắm theo từng lớp để đạt được hình dạng của sản phẩm hoàn thiện. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, khả năng áp dụng điều khiển số còn hạn chế, do vậy việc ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn vẫn còn chưa khả thi. Ngày nay, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện toán hỗ trợ quy trình CAD- CAM-CNC, nhiều kỹ thuật tạo mẫu nhanh trên tam đã ra đời.
Các kỹ thuật này có thé áp dụng tốt trong quá trình sản xuất đơn chiếc, nhỏ hay vừa và có thé ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp: ô tô, hàng không, y học. Tuy nhiên, trong hau hết các phương pháp tạo mẫu trên tam đều cần đến khuôn mẫu cho mô hình can gia công. Do đó nhu câu một phương pháp tạo hình đơn giản và ít tốn kém hơn ra đời. Có thé thay răng trong chi phí sản xuất một sản phẩm tam thông thường thì giá trị của khuôn mẫu chiếm tỉ lệ cao.
Do đó, ý tưởng về một công nghệ tạo mẫu nhanh trên tắm không cần dùng khuôn ra đời. Single Point Incremental Forming (SPIF): Tạo hình bằng công nghệ tao hình cục bộ liên tục đơn điểm, lực tác dụng trên một bên mặt của tắm còn mặt kia để biến dang tự do (giống công nghệ miết nhưng không cần khuôn, tam không xoay tron mà dụng cụ tạo hình sẽ chuyển động). Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dáng của sản phẩm mà chi cần có tam tựa dưới có hình dáng don giản thường có dang là chu vi của sản phẩm và tam kẹp trên để giữ cố định phôi tam cân tạo hình (hình 1. SPIF có đồ gá và dung cụ tạo hình đơn giản.
CBHD:TS LÊ KHÁNH DIEN 10 Hình 1.1 Sơ đồ gia công tâm bằng phương pháp SPIF Two Point Incremental Forming TPIF tạo hình bang bién dang cục bộ liên tục hai điểm có lực tạo hình tác dụng trên cả hai mặt của tắm (tương tự công nghệ miết có khuôn nhưng tâm không xoay tròn mà chuyên động của dụng cụ tạo hình sẽ tạo hình bang cách miết lên mặt tam tựa hay dưỡng tạo phân lôi). Tấm kep_ Dụng cụ Dưỡng tạo phân lồi J= | IILe || ea | Chi tiêt— || | | | | | | | | | | | Thân do ga—_ || | Hh Ì SN mi E Ñ ; RÑ ml E Ñ a) b) Hình 1.a) Trước gia công, b) Dang gia công Phương pháp này ngoài tam tựa dưới như SPIF còn cần phải dùng thêm dưỡng tạo phân lồi có định. Toàn bộ đồ gá và tam tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phân lồi thì cố định trên bàn máy. SPIF bị giới hạn là không thé tạo các chi tiết tam vừa lõm vừa có vùng lồi còn TPIF dùng thêm dưỡng, kết cấu đồ gá có thé chuyển động hạ xuống, nâng lên cùng với đầu dụng cụ tạo hình, do đó phạm vi tạo hình rộng hơn có thé tạo hình các chỉ tiết tắm vừa lõm vừa có vùng lôi.
CBHD:TS LÊ KHÁNH DIEN 11 LUẬN VAN THẠC SĨ CHUYEN NGANH KỸ THUẬT CƠ KHÍ.2 222222 HỌC VIÊN:VŨ ĐỨC HIỆP Hai phương pháp này được gọi chung là công nghệ tạo hình cục bộ liên tục chỉ tiết dạng tam không dùng khuôn Incremental Sheet Forming (ISF). Allin one day ! Hình 1.3 Quy trình tạo sản phẩm từ công nghệ ISF Công nghệ này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong vài thập niên trở lại đây [1. Một trong những ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu khuôn đất tiền và thiết bị phức tạp, giảm thời gian chuẩn bị và gá đặt. Công nghệ ISF sử dụng may CNC để tạo hình vật liệu tắm với dụng cụ biến dạng đầu chom cầu không cạnh cắt.
Tam vật liệu được kẹp chắc trên một khung và gá chắc chan trên ban máy CNC. Dụng cụ tạo hình sẽ được lập trình chạy theo biên dạng sản phẩm và biến dang tam theo từng lớp vật liệu cho đến khi hoàn chỉnh hình dạng thực của sản phẩm. Khả năng biến dạng của công nghệ này hơn hắn công nghệ truyền thống nên có thể thực hiện với các mô hình phức tạp và đáp ứng việc tạo mẫu nhanh cho các sản phẩm làm từ vật liệu tắm (kim loại tắm hoặc polymer tắm). Thời gian để tạo hình sản phẩm từ giai đoạn mô hình hóa 3D sản phẩm đến tạo hình bằng công nghệ này có thé chỉ mất một ngày với chi phí gia công rất thấp.
CBHD:TS LÊ KHÁNH DIEN 12 Hình 1.4 Các yếu tô cấu thành nên công nghệ SPIF Chỉ tiết có hình dạng phức tạp có thé được tạo hình bang cách sử dung máy gia công điều khiến số (CNC). Quá trình sử dung dữ liệu CAD chính xác dé miêu ta chỉ tiết tạo hình. Không yêu cầu có nguyên công gia công bang tay đáng ké và vì thế khả năng lặp lại của quá trình rất tốt. Hạn chế của quá trình là thời gian tạo hình tương đối dài.
Vì lý do này, ISF có thể thực hiện được trong tạo mẫu và sản xuất loạt nhỏ. Kỹ thuật tạo hình cục bộ liên tục được phát triển trong khoảng một thập niên gần đây. Không giống những quá trình bién dạng kim loại tam khác, quá trình tao hình tam băng biến dạng cục bộ liên tục không yêu câu bất kỳ chày hay khuôn chuyên dụng nào để tạo ra những hình dạng phức tạp, bởi vậy nó giống như tạo mẫu nhanh. Quá trình sử dụng một dụng cụ đầu dạng cầu (không có lưỡi cắt), tiêu chuẩn, đường kính có thé nhỏ hơn rất nhiều so với chỉ tiết được gia công.
Suốt qua trình biến dang, dụng cụ di chuyển theo một chuỗi các đường cong kín theo hình dạng cuối cùng của chỉ tiết và biến dạng mở rộng dân cho đến hình dạng mong muốn. Sự biến dạng chỉ hạn chế trong vùng xung quanh dụng cụ. Những vùng không tiếp xúc với dụng cụ sẽ không bị biến dạng. Quá trình tạo hình tắm cục bộ liên tục được thực hiện trên nguyên tắc gia công theo lớp, ở đây mô hình được chia nhỏ thành từng lát cắt ngang.
Đường chạy dao được điều khiến số được lập trình sử dụng đường viên của những lát cắt này. Đầu những năm của thập niên 90, có một số nghiên cứu công bố về phương pháp này trong lĩnh vực kim loại tắm [1, 10, 23, 24] nhưng còn nhiều hạn chế trong CBHD:TS LÊ KHÁNH DIEN 13 LUẬN VAN THẠC SĨ CHUYEN NGANH KỸ THUẬT CƠ KHÍ.2 222222 HỌC VIÊN:VŨ ĐỨC HIỆP nghiên cứu. Van đề về độ chính xác của phương pháp này vẫn còn là một thách thức vì thế chúng chưa trở thành một phương pháp có thể ứng dụng đại trà trong công nghiệp. Đến cuối năm 2005, phương pháp đã này trở thành một trong các chủ đề của nhiều hội nghị khoa học trên thế giới, nhiều nghiên cứu khoa học được công bố øiúp từng bước hiểu r mối quan hệ giữa các thông số va quá trình biến dạng của công nghệ tạo hình kim lọai tắm này [1, 2, 3, 14].
Công nghệ SPIF thích hop cho các loạt sản phẩm vừa và nhỏ, giảm giá thành sản phẩm. Trong thời điểm hiện tại, các nghiên cứu đã tập trung vào hau hết các khía cạnh của quá trình gia công như: máy — thiết bi, dụng cụ tạo hình, các thông số ảnh hưởng đến gia công (đường kính dao, chiều dày tâm, vận tốc quay trục chính, điều kiện tiếp xúc, loại vật liệu.), co chế biến dạng [3, 8, 11, 14, 16, 21]. Các nhà nghiên cứu đang cô gắng giải thích đặc trưng biến dạng của tâm xảy ra trong quá trình gia công [17, 19, 21, 30]. Có nhiều giả thiết được đặt ra nhưng chưa có một sự thống nhất giữa các tác giá.
Thêm vào đó là việc dự đoán và giải thích quá trình phá hủy vật liệu cũng chưa được đề cập. Các nghiên cứu trước đây hầu hết được thực hiện ở nhiệt độ phòng với vật liệu nhôm, dong, thép mém. Còn đối với các vật liệu có độ cứng, độ bền cao như: thép không gi, hợp kim nhôm-đồng, nhôm-Magiê, Titanium. rất khó biến dạng và định hình vì khả năng đàn hồi cao.
Tuy nhiên, nếu ta xác định được nhiệt độ phù hợp thì có thé ứng dụng công nghệ SPIF dé gia công các vật liệu này. Khi đó công nghệ HOT SPIF ra đời.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Công nghệ SPIF tại nhiệt độ phòng đã được nhóm tác gia tai Phong thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiến số & Kỹ thuật hệ thống (DCSELAB) thực hiện nghiên cứu vào năm 2009. Các thí nghiệm được thực hiện tại DCSELAB thông qua một số đề cấp trọng điểm Đại học Quốc gia và đề tài cấp Quốc gia do GS. TS Nguyễn Thanh Nam dẫn dau.
Nhóm tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu theo hướng phát triển công nghệ này. Bên cạnh đó, nhóm cố gắng tìm hướng ứng dụng của công nghệ cho phù hợp với điều kiện của Việt nam và gần đây, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu nghiên cứu công nghệ HOT SPIF cho vật liệu INOX, đạt được một số kết quả bước đâu. CBHD:TS LÊ KHÁNH DIEN 14 Hình 1.5 Hệ thống gia công với đồ gá có gia nhiệt Jeswiet et al. [1] đã tong hop các kết quả về sử dụng công nghệ SPIF cho đến năm 2005.
Ké từ thời điểm đó, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành sâu hơn về công nghệ này va ứng dụng cua nó trong công nghiệp. Vi vậy, học viên cao học sẽ phân tích các kết quả nghiên cứu chính của thé giới về khả năng biến dang, phân tích số liệu, mô phỏng và dự đoán khuyết tật trong vòng từ năm 2005 trở lại đây.3 Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng ¢ a các thông số trong quá trình gia công: Các thông số trong quá trình gia công bao gôm tốc độ chạy dụng cụ Vxy(mm/p), chiều sâu tiễn dụng cụ theo phương z A,(mm), tốc độ quay của trục chính, đường kính dụng cụ (D), độ dày của tam, loại vật liệu, vv. nh hưởng của các thông số này thường được nghiên cứu băng các kết quả số liệu thí nghiệm dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm (DOE). Các nghiên cứu đã tiễn hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số này tới khả năng biến dạng của vật liệu [2].
lực biến dạng [3]. điều khiến trực tiếp [4] và độ chính xác kích thước [5].