Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Công nghệ gia công kim loại bằng áp lực là một lĩnh vực cơ bản của ngành cơ khí chế tạo máy, cho phép sản xuất hàng loạt các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp với năng suất cao, tiết kiệm vật liệu và giá thành cạnh tranh. Trong đó, công nghệ dập tạo hình kim loại tấm (đặc biệt là dập nguội đối với phôi có chiều dày $S \le 4\text{ mm}$) đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng sản xuất thuộc các ngành công nghiệp ô tô, hàng không, quân sự và dân dụng tại các quốc gia công nghiệp phát triển. Tại Việt Nam, năng lực chế tạo và thiết kế khuôn dập nguội phục vụ công nghiệp phụ trợ nhìn chung còn ở quy mô vừa và nhỏ, nhiều trang thiết bị kỹ thuật chính xác vẫn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Việc ứng dụng công nghệ dập đơn lẻ truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, tốn nhiều nhân lực gá đặt và tăng chi phí sản xuất, đòi hỏi sự dịch chuyển sang các kết cấu khuôn dập liên hoàn có độ chính xác cao.
Từ bối cảnh thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp mã số 22223DT82 với đề tài "Thiết kế và chế tạo khuôn dập nguội" (tên nhiệm vụ: "Thiết kế và chế tạo khuôn dập cơ bản") được thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu hướng đến việc giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể nhằm tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh thông qua việc tính toán, mô phỏng phần tử hữu hạn và dập thử nghiệm thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 3 nội dung chính:
- Áp dụng công nghệ tạo hình kim loại tấm để sản xuất các bộ phận máy móc có độ chính xác cao, chất lượng cao.
- Nghiên cứu và đánh giá các đặc tính và độ chính xác của công nghệ dập khuôn thông qua các bài toán mô phỏng số và thực hiện các điều chỉnh có ý nghĩa đối với quy trình gia công thực tế.
- Sử dụng phần mềm Deform 3D để mô phỏng quá trình thiết kế để đưa ra phương án chế tạo khuôn hợp lý và chính xác nhằm tạo ra sản phẩm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Quy trình công nghệ gia công áp lực, trọng tâm là công nghệ dập tạo hình kim loại tấm (nguyên công dập nổi và dập cắt biên dạng).
- Các phần mềm hỗ trợ kỹ thuật máy tính (CAD/CAE) phục vụ thiết kế và phân tích số liệu: AutoCAD, SolidWorks, Deform 3D.
- Máy ép thủy lực khung chữ C Profi Press và hệ thống điều khiển đóng mở ly hợp bằng van điện từ tại xưởng thực hành cơ khí.
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các khâu kỹ thuật:
- Khảo sát các dạng kết cấu khuôn dập trên thị trường, tính toán lực dập, khe hở chày cối, độ bền và lựa chọn vật liệu khuôn.
- Xây dựng mô hình hình học 3D của bộ khuôn và sản phẩm logo đại diện (logo UTE).
- Mô phỏng ứng suất, biến dạng và sự hình thành ba via theo các tỷ lệ khe hở chày cối trên phần mềm Deform 3D.
- Lập quy trình công nghệ gia công, lắp ráp khuôn dập liên hoàn và bảo trì thiết bị máy ép dập tại xưởng.
- Chế tạo thực tế bộ khuôn dập, tiến hành dập thử phôi nhôm 1050 chiều dày $2\text{ mm}$, kiểm tra kích thước hình học, độ bền, độ ồn và khả năng vận hành của hệ thống.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và cơ học biến dạng vật liệu. Khi ngoại lực tác dụng lên phôi kim loại, vật liệu trải qua ba giai đoạn biến dạng liên tiếp: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy. Quá trình biến dạng kéo dọc trục được mô tả qua các trạng thái: đàn hồi (Elastic) $\rightarrow$ chảy dẻo (Yield) $\rightarrow$ biến dạng dẻo phi tuyến (Nonlinear Plastic) $\rightarrow$ co thắt cục bộ (Necking) $\rightarrow$ phá hủy hoàn toàn (Fracture). Độ biến dạng kỹ thuật ($e$) và ứng suất kỹ thuật ($\sigma$) được xác định theo kích thước ban đầu ($l_0, A_0$), trong khi ứng suất thực ($\sigma_{true} = P/A$) và biến dạng thực ($\varepsilon = \ln(l/l_0) = \ln(e + 1)$) phản ánh chính xác trạng thái cơ học liên tục của phôi. Mối quan hệ ứng suất - biến dạng thực được khảo sát thông qua các phương trình cấu tạo kinh điển:
- Phương trình Hollomon: $\sigma = K \varepsilon^n$ (với $K$ là hệ số độ bền, $n$ là chỉ số biến cứng).
- Phương trình Ludwik (1909): $\sigma = \sigma_Y + H \varepsilon^n$.
- Phương trình Voce (1948): $\sigma = \sigma_Y + (\sigma_s - \sigma_Y)(1 - e^{-n \varepsilon})$.
- Phương trình Swift (1947): $\sigma = H(\varepsilon_s + \varepsilon)^n$.
- Phương trình Prager (1938): $\sigma = Y \tanh(E \varepsilon / Y)$.
- Phương trình Ramberg - Osgood (1943): $\varepsilon = \sigma / E + H(\sigma / E)^n$.
Trong công nghệ dập nguội kim loại tấm, các nguyên công cơ bản được chia làm hai nhóm chính:
- Nhóm biến dạng cắt vật liệu: làm phá hủy và tách rời phôi dọc theo đường bao kín hoặc không khép kín (như cắt hình, đột lỗ, cắt mép).
- Nhóm biến dạng dẻo vật liệu: làm thay đổi hình dáng hình học phôi dựa trên sự phân bố lại kim loại mà chiều dày phôi thay đổi không đáng kể (như dập nổi, uốn, vuốt).
Để chuẩn hóa thiết kế bộ khuôn, tác giả đã khảo sát hệ thống hóa các dạng kết cấu cơ bản theo tài liệu chuyên ngành:
- 14 kiểu làm việc của cối cắt: cối mép hình trụ (kiểu 1), cối côn (kiểu 2), cối lăng trụ (kiểu 3), cối lăng trụ mở rộng (kiểu 4), cối lắp ghép ép (kiểu 5), cối ghép b (kiểu 6), cối tròn thay thế nhanh giữ bằng bi vít (kiểu 7), cối tròn thay thế nhanh dùng lò xo (kiểu 8), cối tròn vít hãm (kiểu 9), cối tròn cắt phôi dày đến 10 mm (kiểu 10), cối chữ nhật nguyên khối (kiểu 11), cối chữ nhật rời (kiểu 12), cối ghép nhiều mảnh (kiểu 13), cối bản mỏng cho sản xuất nhỏ (kiểu 14).
- 10 kiểu kết cấu tấm gạt phôi: tấm gạt phôi cứng hở (kiểu 1), tấm gạt phôi cứng kín có dẫn hướng chày (kiểu 2), tấm gạt di động có lò xo bố trí phía trên (kiểu 3), tấm gạt di động có lò xo hoặc đệm cao su phía dưới (kiểu 4), tấm gạt di động có cao su phía trên (kiểu 5), tấm gạt di động dùng đệm khí nén (kiểu 6), tấm gạt di động dẫn hướng A dùng chày ngắn (kiểu 7), tấm gạt di động dẫn hướng B cho chày mảnh dài (kiểu 8), tấm gạt phôi kiểu hút nâng (kiểu 9), tấm gạt kiểu vòng ghép đàn hồi cho chi tiết dập vuốt rơi lọt cối (kiểu 10).
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phương pháp phân tích lý thuyết và tính toán cơ học: Tính toán chu vi cắt, diện tích tạo hình, lực cắt đứt, lực dập nổi, lực giữ phôi và xác định tọa độ tâm áp lực nhằm cân bằng lực cho bộ khuôn.
- Phương pháp mô phỏng số (CAE): Ứng dụng phần mềm Deform 3D để mô phỏng tương tác dẻo giữa chày, cối và phôi tấm; khảo sát trường ứng suất, biến dạng và sự phát triển của vết nứt cắt.
- Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Tra cứu tiêu chuẩn vật liệu theo Hiệp hội Nhôm (The Aluminum Association), tra cứu linh kiện khuôn tiêu chuẩn của hãng Misumi (lò xo SWH, đệm cao su Urethane, trụ dẫn hướng).
- Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí, lắp ráp khuôn mẫu, bảo trì hệ thống máy ép thủy lực Profi Press và tiến hành dập thử nghiệm thực tế.
Nguồn dữ liệu tham chiếu bao gồm 15 công trình nghiên cứu quốc tế (liên quan đến tối ưu hóa cấu trúc liên kết SIMP, phân tích phần tử hữu hạn FEM, tối ưu thông số chày bằng Taguchi/ANOVA, thuật toán AI và nhận diện lỗi khuôn thời gian thực qua LabVIEW) cùng 2 công trình trong nước về khuôn dập ngói composite và mô phỏng dập nắp capo ô tô.
Thiết kế kỹ thuật và mô phỏng hệ thống khuôn
So sánh và lựa chọn phương án công nghệ
Nhóm tác giả tiến hành đánh giá 3 phương án công nghệ tạo hình để lựa chọn giải pháp tối ưu cho sản phẩm logo:
| Tiêu chí đánh giá |
Phương án 1: Khuôn đơn |
Phương án 2: Khuôn liên hoàn 2 lòng khuôn |
Phương án 3: Khuôn liên hoàn 3 lòng khuôn |
| Mô tả công nghệ |
Thực hiện riêng lẻ từng nguyên công trên từng bộ khuôn độc lập. |
Tích hợp hai nguyên công (dập nổi và dập cắt hình) trên cùng một bộ khuôn. |
Kết hợp ba nguyên công trên một bộ khuôn liên tục. |
| Ưu điểm |
Kết cấu đơn giản, chi phí thấp, dễ chế tạo, lắp ráp và bảo trì; độ bền ổn định. |
Năng suất cao, thời gian sản xuất ngắn, giảm diện tích mặt bằng, lực dập phân bố hợp lý. |
Năng suất gia công rất cao, quy trình dập tạo hình khép kín. |
| Nhược điểm |
Năng suất thấp, tốn nhiều nhân công gá đặt phôi, thời gian gia công kéo dài, hao tổn vật liệu. |
Đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo; kích thước khuôn dài hơn khuôn đơn. |
Kích thước khuôn rất lớn, chi phí vật liệu làm khuôn cao, chế tạo phức tạp, khó đảm bảo đồng tâm. |
Dựa trên bảng phân tích kỹ thuật, phương án 2 (Khuôn dập liên hoàn 2 lòng khuôn gồm bước 1: dập nổi hoa văn và bước 2: dập cắt biên dạng) được lựa chọn nhằm tối ưu hóa năng suất và độ tin cậy vận hành.
Thông số kỹ thuật sản phẩm và vật liệu
Sản phẩm được chế tạo là logo nhận diện thương hiệu UTE với hoa văn dập nổi ở mặt trước và biên dạng ngoài được cắt định hình. Vật liệu chế tạo sản phẩm là hợp kim Nhôm 1050 có chiều dày tấm $S = 2\text{ mm}$.
Thành phần hóa học của Nhôm 1050 theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Nhôm:
- Silic (Si): 0,25%
- Sắt (Fe): 0,40%
- Đồng (Cu): 0,05%
- Mangan (Mn): 0,05%
- Magie (Mg): 0,05%
- Crom (Cr): 0,01%
- Kẽm (Zn): 0,05%
- Titan (Ti): 0,03%
- Nhôm (Al): Phần còn lại
Các chỉ tiêu cơ tính của vật liệu Nhôm 1050:
- Áp suất để làm phẳng: $q = 10 - 20\text{ kG/mm}^2$
- Ứng suất cắt danh định: $\tau_c = 70 - 150\text{ N/mm}^2$
- Độ cứng bề mặt: 98 HB (ở trạng thái chưa tôi cao tần)
Thiết kế kết cấu bộ khuôn dập liên hoàn
Bộ khuôn dập liên hoàn được cấu tạo thành hai cụm chính:
- Cụm khuôn dưới: Bao gồm tấm đế dưới, hai tấm chân khuôn tạo khoang thoát sản phẩm, và tấm cối. Cối cắt biên dạng được chọn theo kết cấu Kiểu 11 (cối chữ nhật nguyên khối gia công trên thép hợp kim dụng cụ). Góc thoát phôi của cối được thiết kế dạng có phần trụ làm việc (die land) với chiều cao phần trụ $h = 5\text{ mm}$ và góc vát thoát phôi $\theta = 4^\circ$, cho phép mài lại cối khi mòn mà vẫn đảm bảo kích thước lòng cối.
- Cụm khuôn trên: Gồm tấm đế trên, tấm gá chày, chày dập nổi, chày cắt hình biên dạng và tấm gạt phôi. Tấm gạt phôi sử dụng kết cấu di động kết hợp đệm đàn hồi cao su Urethane và hệ thống lò xo khuôn màu xanh lá SWH theo tiêu chuẩn linh kiện Misumi.
- Hệ thống dẫn hướng: Trụ dẫn hướng và bạc dẫn hướng lắp ghép chính xác để triệt tiêu độ lệch tâm giữa chày và cối trong suốt hành trình ép. Bố trí dải phôi theo phương pháp xếp hình một hàng thẳng.
Phân tích lực và mô phỏng số bằng Deform 3D
Nhóm tác giả sử dụng các lệnh đo kiểm trong phần mềm AutoCAD để trích xuất chính xác chu vi mép cắt ($L$), diện tích vùng dập cắt và diện tích vùng dập nổi ($F$). Từ đó, tọa độ tâm áp lực được xác định nhằm bố trí cuống khuôn trùng với tâm lực của máy dập, tránh hiện tượng sinh mô-men lệch tâm gây nghiêng lệch chày.
Quá trình dập cắt và dập nổi được mô phỏng số bằng phần mềm Deform 3D:
- Khảo sát ảnh hưởng của khe hở chày cối ($z/S$): Mô hình hóa 5 trường hợp khe hở tương đối giữa chày và cối gồm 3%, 4%, 6%, 10% và 20% chiều dày phôi ($S = 2\text{ mm}$).
- Kết quả trường biến dạng (Strain) và ứng suất (Stress): Ở các mức khe hở nhỏ (3%, 4% và 6%), các vết nứt tế vi khởi sinh từ mép cắt của chày và mép cắt của cối phát triển nhanh chóng và gặp nhau trên một mặt trượt xiên, giúp phôi bị đứt dứt khoát, bề mặt vết cắt phẳng, chiều cao ba via xuất hiện ở mức tối thiểu. Ngược lại, khi tăng khe hở lên 10% và 20%, kim loại tại vùng biến dạng bị kéo dãn uốn cong đáng kể, vết nứt không gặp nhau trực diện khiến phôi bị xé rách không hoàn toàn, làm xuất hiện gờ ba via lớn và gây biến dạng mép sản phẩm.
- Phân tích dập nổi: Mô phỏng phân bố ứng suất tương đương tại 3 điểm đặc trưng (P1, P2, P3) trên bề mặt logo UTE. Kết quả cho thấy vật liệu điền đầy tốt vào các hốc của chày dập nổi dưới áp lực dập mà không vượt quá giới hạn bền phá hủy của nhôm 1050.
Thông số máy ép dập và hệ thống điều khiển
Bộ khuôn được thiết kế tương thích với máy ép thủy lực khung chữ C Profi Press sẵn có tại xưởng thực hành:
- Lực ép định mức: 50 tấn
- Công suất động cơ điện: 4 kW
- Tốc độ làm việc của piston: 6,3 mm/s
- Áp suất dầu thủy lực cực đại: 320 bar
- Chiều dài hành trình piston: 250 mm
- Kích thước bàn máy trên: 550 x 300 mm
- Kích thước bàn máy dưới: 700 x 450 mm
- Chiều cao khoảng mở làm việc: 850 mm
- Kích thước phủ bì máy: 1290 x 1160 x 2085 mm; trọng lượng: 1750 kg
- Tính năng an toàn và điều khiển: Bàn ép cơ khí có rãnh chữ T, công tắc cữ hành trình cạnh thân máy, hệ thống điều khiển đóng mở ly hợp bằng van điện từ, mạch vận hành hai tay với mô-đun an toàn cấp IV (Category IV) và hai màn chắn bảo vệ cố định.
Nội dung chính theo từng chương của đồ án
Chương 1: Giới thiệu
Chương này thiết lập nền tảng đề tài qua việc phân tích tính cấp thiết của công nghệ gia công kim loại tấm trong sản xuất công nghiệp và thực trạng ngành khuôn mẫu tại Việt Nam. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học trong việc dự đoán biến dạng và loại trừ khuyết tật, cùng ý nghĩa thực tiễn khi chuyển giao kết quả thiết kế vào sản xuất chi tiết cơ khí. Chương 1 công bố chi tiết 3 mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng (công nghệ dập tấm, phần mềm SolidWorks, Deform 3D, máy ép dập Profi Press), phạm vi thực hiện (tính toán, mô phỏng, bảo trì thiết bị và thực nghiệm dập logo) cùng phương pháp luận nghiên cứu và kết cấu tổng thể của đồ án tốt nghiệp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày có hệ thống các quy luật cơ học biến dạng dẻo của kim loại, định nghĩa các chỉ tiêu cơ tính (độ giãn dài, độ co thắt, mô đun phục hồi, độ dẻo dai) và thiết lập các phương trình đường cong ứng suất - biến dạng thực (Hollomon, Ludwik, Voce, Swift, Prager, Ramberg - Osgood). Chương này phân loại chi tiết công nghệ dập tấm, so sánh đặc điểm kỹ thuật giữa khuôn dập đơn và khuôn dập liên hoàn. Tác giả tổng hợp danh mục 14 kiểu làm việc của cối cắt, 10 dạng kết cấu tấm gạt phôi, giới thiệu thông số máy ép thủy lực khung chữ C Profi Press 50 tấn và tiến hành tổng quan 15 công trình nghiên cứu ngoài nước cùng 2 đề tài trong nước liên quan đến tối ưu hóa khuôn dập.
Chương 3: Thiết kế, tính toán và mô phỏng
Nội dung chương 3 tập trung vào việc so sánh lựa chọn phương án công nghệ (chọn khuôn liên hoàn 2 lòng khuôn), xác lập thông số hình học logo UTE 3D và phân tích thành phần hóa học, cơ tính của phôi Nhôm 1050. Tác giả trình bày chi tiết kết cấu cụm khuôn dưới (cối chữ nhật nguyên khối, góc thoát phôi $4^\circ$, land $5\text{ mm}$), cụm khuôn trên (chày cắt, chày nổi, tấm gá chày, tấm gạt phôi cao su Urethane) và các chi tiết tiêu chuẩn Misumi. Chương này trình bày quy trình tính lực trên AutoCAD và triển khai bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn bằng Deform 3D nhằm đánh giá sự phân bố ứng suất, biến dạng và chiều cao ba via dưới các mức khe hở chày cối (3%, 4%, 6%, 10%, 20%).
Chương 4: Chế tạo, thực nghiệm và đánh giá
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình chế tạo cơ khí các chi tiết của bộ khuôn, xác lập yêu cầu kỹ thuật và trình tự lắp ráp cụm khuôn trên, cụm khuôn dưới đảm bảo độ song song và vuông góc. Tác giả trình bày các bước bảo dưỡng, kiểm tra hệ thống thủy lực, van điện từ và cơ cấu ly hợp của máy dập Profi Press. Bộ khuôn hoàn thiện được gá đặt trực tiếp lên bàn máy để dập thử nghiệm tạo hình logo UTE từ dải phôi nhôm 1050. Chương này ghi nhận quy trình đo kiểm kích thước hình học, độ nổi hoa văn và chất lượng đường cắt thực tế của sản phẩm sau dập.
Chương 5: Kết luận – Đề nghị
Chương cuối tóm tắt các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài: làm chủ quy trình tính toán thiết kế khuôn liên hoàn, ứng dụng thành công phần mềm Deform 3D để tối ưu thông số khe hở và chế tạo sản phẩm logo đạt yêu cầu trên máy ép dập đã bảo trì. Đồng thời, tác giả đưa ra các đề xuất về việc mở rộng dải vật liệu nghiên cứu, tự động hóa cấp phôi và ứng dụng cảm biến kiểm soát mài mòn khuôn trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể từ tính toán lý thuyết, mô phỏng số đến thực nghiệm chế tạo:
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một bộ khuôn dập liên hoàn 2 công đoạn (dập nổi logo và cắt hình biên dạng) hoạt động ổn định trên máy ép thủy lực Profi Press 50 tấn.
- Xác định được phạm vi khe hở cắt hợp lý qua mô phỏng Deform 3D: Ở mức khe hở $z/S$ từ 3% đến 6% chiều dày phôi ($S = 2\text{ mm}$), phôi nhôm 1050 đứt gãy gọn gàng, ứng suất tập trung đồng đều và chiều cao ba via nằm trong giới hạn cho phép. Khi khe hở tăng lên 10% - 20%, hiện tượng trượt biến dạng dẻo kéo dài làm phôi bị uốn cong, không đứt dứt điểm và ba via tăng vọt.
- Thông qua kiểm tra thực nghiệm dập thử trên phôi nhôm 1050 (độ cứng 98 HB), sản phẩm logo UTE dập ra có độ điền đầy hoa văn sắc nét, kích thước biên dạng hình học khớp với bản vẽ thiết kế, bề mặt cắt ít bavia và không bị nứt rách mép.
- Hoàn thành công tác bảo trì, cân chỉnh hệ thống thủy lực, công tắc hành trình và tích hợp mạch điều khiển van điện từ với nút ấn an toàn hai tay trên máy ép Profi Press, đảm bảo tiêu chuẩn an toàn cấp IV khi vận hành dập liên tục.
Về mặt giải pháp và đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chuyển đổi thành công quy trình dập thủ công từng bước sang quy trình dập liên hoàn, giúp loại bỏ thời gian tháo lắp và định vị lại phôi giữa các nguyên công. Nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc tích hợp phần mềm mô phỏng biến dạng dẻo Deform 3D vào chu trình thiết kế cơ khí, cho phép dự đoán chính xác khuyết tật và tối ưu hóa hình học chày cối trước khi gia công thực tế trên thép SKD11, C45 và SKS93. Toàn bộ bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp và thông số vận hành cung cấp một quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh có thể ứng dụng trong chế tạo khuôn mẫu tại các xưởng cơ khí vừa và nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài:
- Quy mô nghiên cứu mới dừng lại ở kết cấu khuôn dập liên hoàn 2 lòng khuôn phục vụ một dạng hình học sản phẩm cụ thể (logo UTE) trên vật liệu Nhôm 1050 mỏng $2\text{ mm}$; chưa khảo sát trên các mác thép có độ bền cao hoặc phôi có chiều dày lớn hơn.
- Quá trình cấp phôi trong thực nghiệm dập thử vẫn thực hiện thủ công theo dải phôi rời, chưa tích hợp được hệ thống cấp phôi cuộn tự động (feeder) đồng bộ với hành trình máy dập.
- Chưa tiến hành thử nghiệm độ bền mỏi và đo lường mài mòn chày cối qua chu kỳ dập số lượng lớn (hàng chục nghìn sản phẩm) để đánh giá toàn diện tuổi thọ của bộ khuôn.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:
- Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết (Topology Optimization - SIMP) như các nghiên cứu quốc tế đã đề xuất nhằm giảm trọng lượng thân khuôn và tấm đế từ 20% đến 28% mà vẫn giữ nguyên độ cứng vững.
- Tích hợp thêm nguyên công đột lỗ độc lập hoặc uốn tạo hình để mở rộng khả năng chế tạo các chi tiết kim loại tấm phức tạp hơn trên cùng một chuỗi liên hoàn.
- Lắp đặt hệ thống cảm biến lực và đo dịch chuyển thời gian thực kết nối với bộ thu thập dữ liệu (DAQ) để kiểm soát mài mòn, phát hiện sự cố gãy chày hoặc kẹt phôi trực tiếp trong quá trình ép dập.
- Nghiên cứu cơ cấu cấp phôi tự động dùng động cơ servo để chuyển đổi hoàn toàn sang quy trình dập hàng loạt tự động hóa cao.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy và Thiết kế Khuôn mẫu. Nội dung tài liệu cung cấp nguồn dẫn liệu thực tế cho các đề tài nghiên cứu về công nghệ gia công kim loại bằng áp lực và tạo hình kim loại tấm.
Các phần có giá trị kỹ thuật cao đáng tham khảo bao gồm:
- Bảng tổng hợp và phân loại chi tiết 14 kết cấu cối cắt và 10 kết cấu tấm gạt phôi, phục vụ trực tiếp cho việc tra cứu lựa chọn kết cấu khuôn dập nguội.
- Phương pháp bóc tách tọa độ tâm áp lực, chu vi và diện tích dập trên phần mềm AutoCAD kết hợp công thức xác định lực cắt và lực dập nổi cho hợp kim nhôm.
- Quy trình thiết lập bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Deform 3D, từ bước gán đặc tính vật liệu biến cứng, chia lưới phôi, đặt điều kiện biên tiếp xúc chày cối đến bước trích xuất biểu đồ ứng suất - biến dạng và phân tích ba via.
- Bộ thông số vận hành thực tế của máy ép thủy lực khung chữ C 50 tấn và quy trình lắp ráp, bảo dưỡng hệ thống điều khiển ly hợp điện từ an toàn trong xưởng cơ khí.
Câu hỏi thường gặp
1. Sản phẩm chế tạo trong đồ án là gì và sử dụng loại vật liệu nào?
Sản phẩm chế tạo là logo nhận diện thương hiệu UTE được tạo hình kết hợp giữa dập nổi bề mặt và dập cắt biên dạng hình học ngoài. Vật liệu được lựa chọn là dải hợp kim Nhôm 1050 chiều dày $2\text{ mm}$, có độ cứng 98 HB (chưa tôi cao tần), ứng suất cắt danh định $\tau_c = 70 - 150\text{ N/mm}^2$ và áp suất làm phẳng $q = 10 - 20\text{ kG/mm}^2$.
2. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn phương án khuôn dập liên hoàn 2 lòng khuôn thay vì khuôn đơn hoặc khuôn 3 lòng khuôn?
Nhóm tác giả chọn khuôn dập liên hoàn 2 lòng khuôn vì phương án này kết hợp được hai nguyên công (dập nổi và cắt hình) trên cùng một lần gá, giúp rút ngắn thời gian sản xuất và tăng năng suất đáng kể so với khuôn đơn. So với khuôn 3 lòng khuôn, khuôn 2 lòng khuôn có kích thước nhỏ gọn hơn, tiết kiệm chi phí vật liệu làm khuôn, kết cấu gia công ít phức tạp hơn và hạn chế được sai số tích lũy về độ đồng tâm giữa các trạm dập.
3. Phần mềm Deform 3D đã chỉ ra ảnh hưởng của khe hở chày cối đến chất lượng mép cắt như thế nào?
Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn trên Deform 3D đối với 5 mức khe hở (3%, 4%, 6%, 10%, 20% chiều dày phôi) cho thấy: ở mức khe hở nhỏ (3% - 6%), vết nứt sinh ra từ hai mép cắt của chày và cối phát triển trùng khít, phôi đứt dứt điểm và chiều cao ba via là nhỏ nhất. Khi khe hở vượt lên 10% và 20%, kim loại bị kéo giãn uốn cong trước khi nứt, khiến mép cắt bị xé rách dở dang và tạo ra gờ ba via rất cao.
4. Kết cấu cối và góc thoát phôi trong bộ khuôn dập được thiết kế theo dạng nào?
Tấm cối được thiết kế theo Kiểu 11 (cối chữ nhật nguyên khối). Góc thoát phôi của cối thuộc dạng có phần trụ làm việc (die land) với chiều cao phần trụ $h = 5\text{ mm}$ và góc nghiêng thoát phôi $\theta = 4^\circ$, giúp phế liệu và chi tiết dễ dàng rơi lọt xuống dưới mà vẫn cho phép mài lại mặt phẳng cối nhiều lần trong quá trình bảo dưỡng.
5. Máy ép thủy lực sử dụng để dập thử nghiệm có những thông số vận hành và tính năng an toàn nào?
Thiết bị dập thực nghiệm là máy ép thủy lực khung chữ C Profi Press có lực ép 50 tấn, công suất động cơ 4 kW, áp suất cực đại 320 bar, tốc độ làm việc 6,3 mm/s và hành trình piston 250 mm. Máy được trang bị hệ thống van điện từ điều khiển ly hợp, công tắc hành trình, màn chắn bảo vệ cố định và cơ chế bấm nút bằng hai tay kết nối mô-đun an toàn cấp IV nhằm ngăn ngừa tai nạn dập tay người thao tác.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo khuôn dập nguội" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo, thiết kế cơ khí đến chế tạo và thực nghiệm dập sản phẩm logo UTE bằng nhôm 1050. Việc kết hợp tính toán truyền thống với mô phỏng số trên Deform 3D đã xác lập được dải khe hở chày cối tối ưu (3% - 6%), giúp kiểm soát hiệu quả ba via và chất lượng bề mặt chi tiết trước khi gia công thực tế. Công trình không chỉ cung cấp một bộ hồ sơ thiết kế khuôn dập liên hoàn có độ chuẩn xác cao mà còn trực tiếp bảo dưỡng, tích hợp hệ thống điều khiển an toàn trên máy ép thủy lực 50 tấn, đóng góp giá trị thực tiễn rõ rệt cho công tác đào tạo và sản xuất cơ khí tạo hình kim loại tấm.