Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Công nghệ dập kim loại tấm là một trong những phương pháp gia công áp lực tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo ô tô, máy bay, tàu thủy, thiết bị điện và đồ gia dụng dân dụng. Trong đó, nguyên công dập vuốt đóng vai trò cốt lõi nhằm biến đổi phôi phẳng thành các chi tiết rỗng có hình dạng không gian phức tạp. Tuy nhiên, quá trình dập vuốt sâu truyền thống thường gặp phải những trở ngại kỹ thuật nghiêm trọng như hiện tượng nhăn vành phôi do ứng suất nén tiếp tuyến vượt quá giới hạn ổn định, hoặc rách mép, nứt đáy tại tiết diện nguy hiểm do ứng suất kéo cục bộ vượt quá giới hạn bền của vật liệu.

Việc tích hợp sóng siêu âm vào quá trình biến dạng dẻo kim loại (ultrasonic metal forming) đã được các nhà khoa học trên thế giới chứng minh là giải pháp tạo sai lệch mạng tinh thể, thúc đẩy quá trình khuếch tán nguyên tử, làm mềm âm học (acoustic softening), giảm đáng kể ma sát bề mặt tiếp xúc và hạ thấp lực dập cần thiết. Tại Việt Nam, vào thời điểm thực hiện đề tài (năm 2016), các nghiên cứu và ứng dụng thực nghiệm về khuôn dập vuốt có trợ lực siêu âm hầu như chưa được triển khai thực tế. Do đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo khuôn dập vuốt tích hợp siêu âm" được thực hiện nhằm kiểm chứng khả năng ứng dụng siêu âm trong gia công dập vuốt tại Việt Nam.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu nguyên lý siêu âm và cơ chế tác động của sóng siêu âm trong lĩnh vực gia công áp lực kim loại;
  2. Tính toán, thiết kế kết cấu bộ khuôn dập vuốt tích hợp bộ dao động siêu âm;
  3. Gia công chế tạo và lắp ráp hoàn thiện phần cơ khí của bộ khuôn;
  4. Tiến hành thực nghiệm dập vuốt trên các mẫu vật liệu, đánh giá và khắc phục các lỗi phát sinh trên khuôn cũng như sản phẩm dập.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu khuôn dập vuốt cơ khí tích hợp bộ phát sóng siêu âm transducer tần số 20 kHz; quá trình biến dạng dẻo của phôi kim loại tấm dạng tròn xoay/bán cầu.
  • Vật liệu khảo sát: Phôi tấm vật liệu Inox (thép không gỉ) và đồng thau.
  • Thiết bị cốt lõi: Bộ siêu âm Transducer Ultrasonic VISO TB20 (tần số dao động 20.000 Hz), bộ khuếch đại Booster, nguồn phát siêu âm, máy dập thủy lực và thước kẹp đo kiểm.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với sự hỗ trợ gia công cơ khí từ Công ty TNHH Nhất Huy Co.,Ltd; hoàn thành bảo vệ vào tháng 07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình công nghệ

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết chuyên ngành: công nghệ dập nguội kim loại tấm và vật lý sóng siêu âm.

  1. Lý thuyết dập vuốt kim loại tấm:

    • Biến dạng dẻo: Quá trình gia công áp lực dựa trên sự trượt mạng nguyên tử và hiện tượng song tinh trong các đơn tinh thể, cũng như sự trượt tương đối giữa các tinh thể ở vùng ranh giới hạt. Gia công nguội diễn ra dưới nhiệt độ kết tinh lại ($T_{ktl}$), dẫn đến hiện tượng biến cứng làm tăng độ bền nhưng giảm độ dẻo của kim loại.
    • Cơ chế dập vuốt: Dịch chuyển thể tích kim loại từ phần vành khăn phẳng $(D - d)$ thành hình trụ có đường kính $d$ và chiều cao $h$. Thể tích phôi dịch chuyển được xác định theo công thức: $$V_{dc} = \frac{\pi}{4} S (D^2 - d^2)$$ (với $S$ là chiều dày phôi, $D$ là đường kính phôi, $d$ là đường kính chi tiết).
    • Điều kiện bền tại tiết diện nguy hiểm: Tránh nứt rách đáy theo bất đẳng thức $\sigma_K \le (1.2)\sigma_b$ (với $\sigma_K$ là ứng suất kéo tại góc lượn đáy, $\sigma_b$ là giới hạn bền vật liệu).
    • Tính toán phôi: Áp dụng nguyên tắc cân bằng diện tích bề mặt giữa phôi phẳng và chi tiết dập vuốt (đối với nguyên công dập vuốt không làm biến mỏng thành).
    • Thông số kết cấu khuôn: Bán kính góc lượn cối ($R_c$), bán kính lượn chày ($R_{ch}$), khe hở một phía giữa chày và cối ($Z_{min} = (1,0 \div 1,3)S$).

  2. Lý thuyết công nghệ siêu âm:

    • Sóng siêu âm là dao động cơ học đàn hồi có tần số $f > 16\text{ kHz}$.
    • Phương trình vi phân truyền sóng âm trong môi trường không gian 3 chiều: $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 P}{\partial t^2} = \left(\frac{\partial^2 P}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 P}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 P}{\partial z^2}\right)$$ (với $P$ là áp lực siêu âm, $t$ là thời gian truyền sóng, $c$ là tốc độ truyền âm trong chất rắn).
    • Mật độ năng lượng âm $E = \frac{\rho \omega^2 A^2}{2}$ và cường độ âm $I = \frac{P^2}{2\rho c}$ (đo bằng $\text{W/cm}^2$).
    • Cấu tạo cụm phát siêu âm: Bộ chuyển đổi (Transducer) biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học; bộ khuếch đại (Booster) làm thay đổi biên độ dao động trước khi truyền vào khuôn.

  3. Tổng quan các nghiên cứu tiền đề:

    • Lewis Balamuth (1960–1970): Ứng dụng sóng âm 16 kHz truyền vào chày giúp sản phẩm không bị nứt mép và cải thiện hình dạng.
    • U.S. Navy (1963): Báo cáo về khả năng giảm lực dập tấm nhôm khi có trợ lực siêu âm.
    • Langenecker (1964): Sử dụng siêu âm giúp tăng chiều sâu vuốt lên gấp đôi và giảm 60% lực vuốt.
    • Kristoffy (1969): Đặt đầu phát siêu âm trực tiếp vào chày và xung quanh cối để giảm lực ma sát tạo hình.
    • Sansome (1973), Smith và Sansome (1975): Thí nghiệm dập vuốt sâu lon nước, ghi nhận giảm 7% đến 25% lực dập tác dụng lên cối khi tăng số lượng đầu phát siêu âm.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp tính toán giải tích lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm:

  • Phương pháp lý thuyết: Tính toán giải tích kích thước hình học phôi tròn xoay, tính lực dập vuốt, lực chặn phôi, xác định dung sai và khe hở chày - cối, tính toán bán kính góc lượn nhằm giảm ứng suất tập trung. Phân tích động học và truyền sóng để lựa chọn vị trí tích hợp đầu biến tử siêu âm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo thực tế bộ khuôn 6 tấm trên các thiết bị gia công cơ khí (tiện, phay, mài, khoan). Lắp đặt cụm transducer 20 kHz vào hệ thống khuôn và thử nghiệm dập thực tế trên máy dập thủy lực. Tiến hành dập đối chứng (có siêu âm và không có siêu âm) đối với phôi Inox ở độ sâu 9 mm, 10 mm và phôi đồng thau ở độ sâu 5 mm.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu tính toán được tra cứu từ Sổ tay công nghệ dập nguội, các bảng tra thông số công nghệ dập vuốt (hệ số dập vuốt $m$, hệ số ma sát $\mu$, lượng dôi cắt mép $\Delta h$, áp suất chặn $q$), kết hợp dữ liệu thông số kỹ thuật của bộ siêu âm VISO TB20 và các số liệu đo kiểm hình học thu được từ quá trình thực nghiệm dập.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cơ khí của khuôn dập vuốt tích hợp siêu âm được tính toán thiết kế và gia công chế tạo hoàn chỉnh trước khi đưa vào thử nghiệm:

Phân tích giải pháp bố trí bộ siêu âm

Nhóm tác giả đã phân tích 3 phương án lắp đặt bộ biến tử siêu âm vào khuôn:

  1. Đặt siêu âm dưới phần cối: Truyền sóng trực tiếp vào đáy cối, hỗ trợ giảm ma sát tại bề mặt trượt của cối nhưng kết cấu đế khuôn phức tạp.
  2. Đặt siêu âm tiếp xúc ngang phần cối: Dao động truyền theo phương hướng kính, đòi hỏi việc cố định đầu phát qua thành cối phải đảm bảo độ cứng vững.
  3. Đặt bộ siêu âm vào phần chày: Truyền dao động trực tiếp dọc trục chày vào đáy sản phẩm, hỗ trợ kim loại giãn chảy đều theo chiều sâu dập.

Kết cấu và quy trình chế tạo 6 tấm khuôn chính

Bộ khuôn được thiết kế dạng cụm trượt định hướng với 3 đến 4 trụ dẫn hướng để đảm bảo độ đồng tâm giữa chày và cối. Quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí gồm 6 cụm tấm chính:

Ký hiệu tấm khuôn Tên chi tiết Quy trình gia công cơ bản
Tấm số 1 Tấm khuôn trên Phay mặt phẳng, tiện tạo hình vị trí lắp ghép đầu chày và chốt kẹp, khoan lỗ bắt bu-lông.
Tấm số 2 Tấm kẹp Phay khỏa mặt, móc rãnh kẹp cụm chày và dẫn hướng, khoan - doa lỗ lắp trụ dẫn.
Tấm số 3 Tấm chặn trên Phay phẳng hai mặt, gia công lỗ định vị và lỗ thoát chày, tạo mặt ép phẳng chặn phôi.
Tấm số 4 Tấm khuôn dưới (Cối) Tiện lỗ cối dập vuốt, tiện biên dạng góc lượn $R_c$, mài tinh bề mặt miệng cối, khoan lỗ cố định.
Tấm số 5 Tấm chặn dưới Gia công phay phẳng, móc hốc định vị phôi dập, tạo lỗ liên kết với tấm đế.
Tấm số 6 Tấm đế khuôn Phay phẳng chuẩn mặt đáy, phay rãnh bắt bulông chữ T lên bàn máy dập, doa lỗ định vị trụ dẫn hướng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp thiết của đề tài. Tác giả trình bày vai trò của gia công kim loại tấm trong công nghiệp hiện đại, nêu rõ các khuyết tật điển hình trong công nghệ dập vuốt sâu truyền thống. Giới thiệu tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm siêu âm trên thế giới từ những năm 1960 của Balamuth, Langenecker, Kristoffy, Sansome. Xác định mục tiêu chế tạo bộ khuôn tích hợp transducer 20 kHz nhằm giảm lỗi rách mép, giảm lực dập và xác định giới hạn thực nghiệm trên phôi inox, đồng thau.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về công nghệ dập tấm và công nghệ siêu âm

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết giải tích và vật lý kỹ thuật:

  • Lý thuyết dập tấm: Trình bày cơ chế biến dạng dẻo, đồ thị biến dạng phá hủy kim loại (các giai đoạn đàn hồi OA, dẻo AC, phá hủy CD), sự thay đổi tổ chức tế vi (kéo dài hạt theo phương dập, giảm độ dẻo, tăng độ cứng). Phân tích cơ chế tạo nếp nhăn và rách đáy; thiết lập các công thức tính đường kính phôi ($D$), hệ số dập vuốt ($m = d/D$), mức độ dập vuốt ($K = 1/m$). Xác định bán kính lượn mép cối ($R_c$), mép chày ($R_{ch}$), khe hở chày cối ($Z$), bảng tra hệ số ma sát khi có và không có bôi trơn (như bôi trơn dầu khoáng $\mu = 0{,}16$, mỡ graphit $\mu = 0{,}1$).
  • Lý thuyết sóng siêu âm: Phân loại sóng siêu âm (sóng dọc, sóng trượt, sóng phẳng, sóng cầu, sóng trụ); trình bày phương trình truyền sóng vi phân; xác định các đại lượng vật lý đặc trưng gồm chu kỳ ($T$), bước sóng ($\lambda$), tần số ($f$), tốc độ âm trong chất rắn ($c$), áp lực âm ($P$), mật độ năng lượng âm ($E$) và cường độ âm ($I$). Phân tích cấu tạo và chức năng của bộ chuyển đổi Transducer và bộ khuếch đại Booster.

Chương 3: Phương hướng và các giải pháp đặt bộ siêu âm vào khuôn dập vuốt

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán bố trí không gian và truyền dẫn năng lượng sóng siêu âm vào hệ thống dập. Phân tích ưu - nhược điểm của 3 giải pháp truyền rung siêu âm:

  • Giải pháp 1: Truyền dao động vào phần dưới cối dập;
  • Giải pháp 2: Đặt đầu phát tiếp xúc ngang thành cối;
  • Giải pháp 3: Tích hợp bộ phát siêu âm trực tiếp vào cụm chày. Từ các phân tích kết cấu và khả năng truyền sóng vào vùng biến dạng, nhóm tác giả lựa chọn phương án thiết kế tối ưu hóa sự tiếp xúc giữa đầu phát và các chi tiết làm việc của khuôn.

Chương 4: Tính toán, thiết kế cơ khí

Chương 4 trình bày toàn bộ các bước tính toán công nghệ và thiết kế hình học chi tiết của khuôn:

  • Tính toán kích thước hình học của phôi từ sản phẩm tròn xoay mẫu (dạng đầu bịt/bán cầu);
  • Tính toán lực dập vuốt cần thiết ($P_{dv}$) và lực chặn phôi chống nhăn ($Q$);
  • Xác định bán kính góc lượn của cối ($R_c$) và chày ($R_{ch}$) nhằm hạn chế ứng suất tập trung;
  • Xác định khe hở công nghệ giữa chày và cối ($Z$) dựa trên chiều dày phôi ($S$);
  • Thiết kế bản vẽ lắp và các bản vẽ chi tiết cho toàn bộ cụm khuôn dập vuốt.

Chương 5: Chế tạo, thực nghiệm - đánh giá

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình gia công cơ khí thực tế, tổ chức thí nghiệm và so sánh kết quả:

  • Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cho 6 tấm khuôn (tấm đế số 6, tấm chặn dưới số 5, tấm khuôn dưới số 4, tấm khuôn trên số 1, tấm chặn trên số 3, tấm kẹp số 2);
  • Chuẩn bị thiết bị: Lắp ráp khuôn lên máy dập thủy lực, kết nối bộ nguồn phát sóng siêu âm và đầu transducer VISO TB20;
  • Tiến hành các bước thực nghiệm dập vuốt ở các chế độ: dập Inox chiều sâu 9 mm, dập Inox chiều sâu 10 mm, dập đồng thau chiều sâu 5 mm ở cả 2 trạng thái: Không bật siêu âm và Có kích hoạt siêu âm;
  • Phân tích và so sánh đối chứng chất lượng sản phẩm thực tế thu được.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công bộ khuôn dập vuốt và tiến hành dập thực nghiệm đối chứng trên phôi Inox và đồng thau với các thông số cụ thể:

Mẫu vật liệu Chiều sâu dập ($h$) Trạng thái không có siêu âm Trạng thái có tích hợp siêu âm (20 kHz)
Phôi Inox 9 mm Sản phẩm dập được định hình nhưng bề mặt mép xuất hiện nếp nhăn cục bộ, có hiện tượng biến cứng mạnh. Sản phẩm tạo hình hoàn chỉnh, thành cốc trơn đều, không rách mép, mức độ nhăn vành giảm rõ rệt.
Phôi Inox 10 mm Phôi bị nứt rách nghiêm trọng tại góc lượn đáy (tiết diện nguy hiểm) do ứng suất kéo vượt giới hạn bền khi vuốt sâu. Chi tiết dập đạt chiều sâu 10 mm thành công, mép không bị xé rách, phôi biến dạng êm hơn.
Phôi Đồng thau 5 mm Chi tiết tạo hình được nhưng bề mặt có vết cào xước nhẹ và độ bóng vành chưa đồng đều. Bề mặt chi tiết nhẵn bóng, độ đồng đều thành chi tiết cao, không xuất hiện gợn sóng hay khuyết tật mép.

Đóng góp của đề tài

  • Chế tạo thành công bộ khuôn dập vuốt hoàn chỉnh có khả năng tích hợp và truyền dẫn sóng siêu âm tần số 20 kHz từ bộ transducer VISO TB20 vào kết cấu làm việc.
  • Thực nghiệm chứng minh tác dụng của sóng siêu âm trong việc giảm hiện tượng nứt rách mép phôi Inox ở chiều sâu dập tới hạn 10 mm – mức chiều sâu mà quá trình dập nguội thông thường trên cùng bộ khuôn làm rách phôi.
  • Đóng góp tài liệu thực nghiệm bước đầu về công nghệ gia công áp lực có trợ lực siêu âm tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Thực nghiệm mới chỉ khảo sát trên một tần số dao động cố định (20 kHz) do đặc tính định mức của đầu biến tử VISO TB20 sẵn có.
  • Phạm vi chiều sâu dập vuốt thực nghiệm còn hẹp (mới khảo sát ở 9 mm, 10 mm đối với Inox và 5 mm đối với đồng thau trên sản phẩm dạng bán cầu kích thước nhỏ).
  • Chưa trang bị hệ thống cảm biến đo lực đa kênh chuyên dụng (load cell) để đo lường và vẽ biểu đồ suy giảm lực dập tức thời theo thời gian thực một cách liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thử nghiệm dập vuốt trên các dải công suất nguồn và tần số siêu âm khác nhau nhằm tìm ra tần số cộng hưởng tối ưu cho từng loại vật liệu.
  • Mở rộng nghiên cứu trên các vật liệu tấm khác như hợp kim nhôm, titan hoặc thép hợp kim có độ bền cao.
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động siêu âm dài hạn đến độ mòn, độ bền mỏi của chày và cối dập.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật: Làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho đồ án môn học Thiết kế khuôn mẫu, đồ án Dập nguội, hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành gia công áp lực.
  • Kỹ sư thiết kế khuôn mẫu: Tham khảo các bảng quy trình công nghệ gia công 6 tấm khuôn dập, phương pháp xác định khe hở chày - cối ($Z$), tính toán bán kính lượn ($R_c, R_{ch}$) và giải pháp kết cấu tích hợp cụm phát dao động siêu âm vào đế/chày khuôn.
  • Cán bộ nghiên cứu công nghệ gia công tiên tiến: Tham khảo phương pháp tổ chức thực nghiệm dập vuốt hỗ trợ siêu âm đối chứng trên phôi tấm mỏng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ biến tử siêu âm được sử dụng trong đồ án có thông số kỹ thuật ra sao?

Đồ án sử dụng bộ biến tử siêu âm mã hiệu Transducer Ultrasonic VISO TB20, hoạt động ở tần số dao động định mức 20.000 Hz (20 kHz), kết hợp với bộ khuếch đại Booster để truyền dao động cơ học vào cụm khuôn.

2. Ba phương án bố trí bộ siêu âm vào khuôn dập vuốt được nhóm tác giả phân tích là gì?

Nhóm tác giả đã phân tích 3 phương án:

  • Đặt bộ siêu âm tiếp xúc phía dưới phần cối;
  • Đặt bộ siêu âm tiếp xúc ngang thành cối;
  • Đặt bộ siêu âm tiếp xúc trực tiếp vào phần chày.

3. Kết quả thực nghiệm dập vuốt phôi Inox ở chiều sâu 10 mm khi có và không có siêu âm khác nhau như thế nào?

Ở chiều sâu 10 mm, khi dập thông thường không có siêu âm, phôi Inox bị nứt rách tại góc lượn đáy do ứng suất kéo vượt quá giới hạn bền. Khi kích hoạt sóng siêu âm 20 kHz, sản phẩm dập thành công đạt chiều sâu 10 mm mà không bị rách mép, phôi kim loại biến dạng dẻo thuận lợi hơn.

4. Quy trình chế tạo phần cơ khí của bộ khuôn bao gồm những chi tiết tấm chính nào?

Phần cơ khí của bộ khuôn được lập quy trình gia công chi tiết qua 6 tấm chính: Tấm khuôn trên (tấm 1), Tấm kẹp (tấm 2), Tấm chặn trên (tấm 3), Tấm khuôn dưới/cối (tấm 4), Tấm chặn dưới (tấm 5) và Tấm đế khuôn (tấm 6), cùng hệ thống trụ dẫn hướng và chốt định vị.

5. Vai trò của bộ khuếch đại Booster trong cụm siêu âm là gì?

Booster đóng vai trò là cơ cấu trung gian nằm giữa bộ biến tử (Transducer) và bộ khuôn, có chức năng điều chỉnh và khuếch đại biên độ dao động sóng siêu âm theo các hệ số định sẵn (được phân biệt theo mã màu) trước khi truyền sóng cơ học vào chày hoặc cối dập.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo khuôn dập vuốt tích hợp siêu âm" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế và gia công thực tế bộ khuôn dập nguội tích hợp bộ siêu âm 20 kHz. Các kết quả thực nghiệm dập trên phôi Inox và đồng thau đã chứng minh tính hiệu quả của sóng siêu âm trong việc ngăn ngừa nứt rách ở chiều sâu dập 10 mm và nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm. Đây là công trình thực nghiệm kỹ thuật cơ khí có giá trị ứng dụng rõ ràng, đặt nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ gia công áp lực có trợ lực siêu âm trong nước.