Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành cơ khí chế tạo máy, công nghệ dập kim loại tấm ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao. Theo ước tính, các sản phẩm dập tấm chiếm tỷ trọng lớn trong các ngành công nghiệp như ô tô, điện tử và thiết bị gia dụng. Tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo bộ khuôn dập phức hợp vẫn còn nhiều thách thức do yêu cầu về độ bền, độ chính xác và chi phí sản xuất. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế, phân tích và chế tạo bộ khuôn dập phức hợp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là gia công và lắp ráp hoàn chỉnh bộ khuôn dập phức hợp, đồng thời dập ra sản phẩm tay nắm cửa dành cho văn phòng với độ chính xác cao và tiết kiệm vật liệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khuôn dập sản phẩm dạng tấm, thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2014 tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc ứng dụng phần mềm mô phỏng CAE trong thiết kế khuôn, giúp rút ngắn thời gian gia công, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo cho đào tạo ngành cơ khí chế tạo máy và công nghệ tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong công nghệ dập tấm, bao gồm:

  • Khái niệm dập tấm: Quá trình biến dạng dẻo kim loại tấm nhằm tạo ra chi tiết có hình dạng và kích thước cần thiết với sự thay đổi không đáng kể về chiều dày vật liệu.
  • Phân loại nguyên công dập tấm: Bao gồm nguyên công cắt vật liệu (cắt hình, đột lỗ, cắt trích) và nguyên công biến dạng dẻo (dập vuốt, uốn, tạo hình).
  • Tính toán thiết kế khuôn dập: Xác định kích thước làm việc của chày và cối, lực cắt, khe hở giữa chày và cối, đảm bảo độ bền và độ chính xác của khuôn.
  • Lý thuyết CAE trong mô phỏng: Sử dụng phần mềm eta/Dynaform 5.6 dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình biến dạng kim loại tấm, dự đoán ứng suất, biến dạng và các sai hỏng có thể xảy ra.

Các khái niệm chính bao gồm biến dạng chính và phụ của kim loại tấm, biểu đồ biến dạng giới hạn (FLD), lực cắt và lực chặn phôi trong quá trình dập, cũng như các tiêu chuẩn vật liệu và độ cứng của chi tiết khuôn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ tài liệu chuyên ngành, sách, internet và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến công nghệ dập tấm. Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Thiết kế chi tiết và bộ khuôn trên phần mềm Pro/Engineer 5.
  • Phân tích và mô phỏng quá trình dập vuốt nguyên công 1 bằng phần mềm Dynaform 5.6.
  • Gia công và lắp ráp bộ khuôn dập phức hợp.
  • Thử nghiệm dập sản phẩm tay nắm cửa dành cho văn phòng trên máy ép thủy lực 40 tấn.

Cỡ mẫu nghiên cứu là bộ khuôn dập phức hợp cho sản phẩm tay nắm cửa với chiều dày vật liệu 0.5 mm, kích thước chi tiết 70x80 mm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên sản phẩm thực tế có tính ứng dụng cao trong ngành cơ khí chế tạo máy. Phân tích dữ liệu tập trung vào các thông số lực dập, lực chặn phôi, biến dạng vật liệu và tuổi thọ khuôn. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo bộ khuôn dập phức hợp hoàn chỉnh: Bộ khuôn gồm 12 chi tiết chính, sử dụng vật liệu SKD11 cho các chi tiết chịu lực chính và C45 cho các chi tiết phụ trợ. Độ cứng vật liệu đạt 56-62 HRC, đảm bảo độ bền cao với tuổi thọ lý thuyết khoảng 58.577 chi tiết trước khi mài lại.

  2. Lực dập và lực chặn phôi trong quá trình dập vuốt: Lực dập lớn nhất đạt khoảng 6 tấn, lực chặn phôi ổn định ở mức 1 tấn. Khảo sát lực chặn phôi cho thấy lực chặn 1.7 tấn là tối ưu, giúp tránh hiện tượng nhăn ở vùng vành ngoài chi tiết, đồng thời không gây rách vật liệu ở vùng chịu kéo.

  3. Biến dạng và thay đổi chiều dày vật liệu: Mô phỏng cho thấy biến dạng chính lớn nhất tập trung ở vùng vành elip, với bề dày thay đổi trong phạm vi 0.44 mm đến 0.56 mm, không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng sản phẩm. Sản phẩm không xuất hiện vùng nguy hiểm có nguy cơ rách hay vật liệu quá mỏng.

  4. Tính toán giá thành sản phẩm: Giá thành xuất xưởng một sản phẩm tay nắm cửa được xác định khoảng 2.855 đồng, trong đó chi phí vật liệu chiếm 1.124 đồng, chi phí nhân công 759 đồng, chi phí khấu hao khuôn 600 đồng và chi phí máy móc 372 đồng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc ứng dụng phần mềm CAE trong thiết kế khuôn dập phức hợp giúp dự đoán chính xác các vùng biến dạng và lực tác động, từ đó tối ưu hóa thiết kế khuôn và quy trình gia công. Lực chặn phôi đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hiện tượng nhăn và rách vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cho thấy lực chặn cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính vật liệu và hình dạng chi tiết.

So sánh với các nghiên cứu khác, việc sử dụng vật liệu SKD11 nhiệt luyện cho chi tiết khuôn đã nâng cao tuổi thọ khuôn lên gấp nhiều lần so với thép thông thường, đồng thời giảm chi phí bảo trì và thay thế. Việc tính toán lực dập và khe hở giữa chày và cối theo công thức kinh nghiệm đã được xác nhận qua mô phỏng và thực tế, đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt cấp chính xác IT13.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực dập và lực chặn phôi theo thời gian, biểu đồ biến dạng chính trên bề mặt chi tiết, cũng như bảng tổng hợp chi phí sản xuất và tuổi thọ khuôn, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng phần mềm mô phỏng CAE trong thiết kế khuôn: Động viên các đơn vị sản xuất áp dụng phần mềm eta/Dynaform hoặc tương tự để giảm thiểu sai sót, rút ngắn thời gian thiết kế và thử nghiệm khuôn. Mục tiêu giảm 20% thời gian thiết kế trong vòng 1 năm, chủ thể thực hiện là các phòng kỹ thuật và nghiên cứu phát triển.

  2. Sử dụng vật liệu hợp kim cứng nhiệt luyện cho chi tiết khuôn chịu lực chính: Ưu tiên vật liệu SKD11 hoặc tương đương để nâng cao tuổi thọ khuôn, giảm chi phí bảo trì. Mục tiêu tăng tuổi thọ khuôn lên ít nhất 50% trong 2 năm, chủ thể thực hiện là bộ phận vật liệu và sản xuất.

  3. Tối ưu hóa lực chặn phôi và khe hở giữa chày và cối: Thiết lập quy trình điều chỉnh lực chặn phôi phù hợp với từng loại vật liệu và chi tiết nhằm hạn chế nhăn và rách vật liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm. Mục tiêu giảm tỷ lệ lỗi sản phẩm dưới 2% trong 6 tháng, chủ thể thực hiện là kỹ sư quy trình và vận hành máy.

  4. Đào tạo nâng cao kỹ năng cho công nhân vận hành máy dập: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ dập tấm, sử dụng phần mềm mô phỏng và kỹ thuật vận hành máy ép thủy lực. Mục tiêu nâng cao năng suất lao động 15% trong 1 năm, chủ thể thực hiện là phòng nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế khuôn dập và công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế, tính toán và mô phỏng khuôn dập phức hợp, giúp cải tiến quy trình thiết kế và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Sinh viên và giảng viên ngành cơ khí chế tạo máy: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và học tập về công nghệ dập tấm, mô phỏng biến dạng kim loại và thiết kế khuôn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo khuôn mẫu: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất các sản phẩm kim loại tấm.

  4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động hóa: Tham khảo phương pháp tích hợp phần mềm mô phỏng CAE trong thiết kế và sản xuất, góp phần phát triển công nghệ tự động hóa trong ngành cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng phần mềm mô phỏng CAE trong thiết kế khuôn dập?
    Phần mềm CAE giúp dự đoán ứng suất, biến dạng và các sai hỏng có thể xảy ra trong quá trình dập, từ đó tối ưu thiết kế khuôn, giảm thời gian thử nghiệm và chi phí sản xuất. Ví dụ, mô phỏng dập vuốt nguyên công 1 cho thấy không có vùng rách hay vật liệu quá mỏng, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  2. Vật liệu nào phù hợp để chế tạo chi tiết khuôn chịu lực chính?
    Vật liệu SKD11 nhiệt luyện với độ cứng 56-62 HRC được khuyến nghị do có độ bền cao, tuổi thọ khuôn có thể đạt đến hàng chục nghìn chi tiết trước khi mài lại, giúp giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả sản xuất.

  3. Lực chặn phôi ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng sản phẩm?
    Lực chặn phôi kiểm soát hiện tượng nhăn và rách vật liệu. Khảo sát mô phỏng cho thấy lực chặn 1.7 tấn là tối ưu, giúp sản phẩm không bị nhăn ở vùng vành ngoài và không rách ở vùng chịu kéo, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Khe hở giữa chày và cối được xác định như thế nào?
    Khe hở được tính dựa trên chiều dày vật liệu và đặc tính vật liệu, thường chiếm khoảng 4-8% chiều dày phôi. Khe hở hợp lý giúp đảm bảo chất lượng bề mặt cắt và độ bền khuôn, tránh mài mòn nhanh.

  5. Làm thế nào để tính toán giá thành sản phẩm dập tấm?
    Giá thành được tính tổng hợp từ chi phí vật liệu, nhân công, khấu hao khuôn và máy móc. Ví dụ, sản phẩm tay nắm cửa có giá thành khoảng 2.855 đồng, trong đó chi phí vật liệu chiếm 39%, nhân công 27%, khấu hao khuôn 21% và máy móc 13%.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công bộ khuôn dập phức hợp cho sản phẩm tay nắm cửa với độ chính xác IT10, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và sản xuất.
  • Ứng dụng phần mềm mô phỏng eta/Dynaform 5.6 giúp dự đoán chính xác biến dạng và lực dập, tối ưu hóa thiết kế khuôn.
  • Vật liệu SKD11 nhiệt luyện được lựa chọn cho chi tiết chịu lực chính, đảm bảo tuổi thọ khuôn trên 58.000 chi tiết trước khi mài lại.
  • Lực chặn phôi và khe hở giữa chày và cối được điều chỉnh hợp lý, nâng cao chất lượng sản phẩm và độ bền khuôn.
  • Giá thành sản phẩm được tính toán chi tiết, hỗ trợ doanh nghiệp trong việc quản lý chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Next steps: Triển khai áp dụng quy trình thiết kế và gia công khuôn dập phức hợp trong sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng mô phỏng CAE cho các sản phẩm kim loại tấm khác.

Call to action: Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu trong ngành cơ khí chế tạo máy nên tích cực ứng dụng công nghệ mô phỏng và vật liệu hợp kim cứng để nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất.