Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Chế Tạo Khuôn Dập Sản Phẩm Charging Port Support Tại Công Ty VPIC

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ khí thiết kế chế tạo khuôn dập tạo sản phẩm charging port support, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Nguyễn Thành Được
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhựt Phi Long
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Khuôn Dập Tạo Sản Phẩm Charging Port Support Tại Công Ty VPIC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.6.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.7. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 1.8. Vật liệu làm khuôn dập tấm
• 1.8.1. Vật liệu chế tạo khuôn dập nóng, khuôn dập đúc áp lực
• 1.8.2. Chọn vật liệu làm khuôn
• 1.8.3. Nhiệt luyện các chi tiết khuôn dập tạo hình
• 1.9. Giới thiệu chung về khuôn dập
• 1.9.1. Phân loại khuôn dập tấm
• 1.9.2. Các kết cấu khuôn dập tấm điển hình
• 1.9.3. Các bộ phận chủ yếu của khuôn dập tấm
• 1.9.4. Cụm các chi tiết làm việc chủ yếu của khuôn
• 1.9.5. Cụm các chi tiết chặn, đẩy và tháo gỡ sản phẩm hoặc phế liệu
• 1.9.6. Cụm các chi tiết định vị và dẫn hướng phôi
• 1.9.7. Cụm các cơ cấu cấp phôi, gạt phôi
• 1.9.8. Lò xo cho khuôn dập
• 1.9.9. Tiêu chuẩn hóa các chi tiết khuôn
• 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN
• 2.1. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.1.1. Dữ liệu ban đầu
• 2.1.2. Phân tích và lựa chọn phương án trãi mẫu
• 2.1.3. Phân tích các phương án thiết kế
• 2.1.4. Chọn phương án thiết kế
• 2.1.5. Lưu trình chế tạo sản phẩm
• 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUÔN DẬP
• 3.1. Triển khai hình
• 3.2. Tính toán thiết kế khuôn cắt
• 3.3. Tính toán tâm dập cắt cho khuôn
• 3.4. Tính toán lực cắt và chọn máy dập
• 3.5. Thiết kế bộ khuôn cắt – đột
• 3.6. Tính toán và thiết kế khuôn dập công đoạn 2 và công đoạn 3
• 3.7. Xác định lực và công biến dạng khi uốn
• 3.8. Thiết kế chày, cối và tấm chạy của khuôn lận công đoạn 2
• 3.9. Thiết kế chày, cối và tấm chạy của khuôn lận công đoạn 3
• 3.10. Thiết kế kết cấu 2 khuôn lận chung một lòng khuôn
• 3.11. Mô phỏng quá trình dập tạo hình cho chi tiết
• 4. CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP KHUÔN
• 4.1. Chế tạo khuôn cắt
• 4.2. Chế tạo khuôn dập vuốt
• 4.3. Yêu cầu kỹ thuật lắp ráp khuôn
• 4.4. Trình tự lắp ráp khuôn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Khuôn Dập Sản Phẩm Charging Port Support

Thiết kế và chế tạo khuôn dập là một phần quan trọng trong quy trình sản xuất các sản phẩm cơ khí. Đặc biệt, sản phẩm charging port support tại Công ty VPIC yêu cầu một quy trình thiết kế tỉ mỉ để đảm bảo chất lượng và hiệu suất. Khuôn dập không chỉ giúp tạo ra sản phẩm với độ chính xác cao mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu chi phí và thời gian. Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong thiết kế khuôn dập sẽ mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp.

1.1. Ý Nghĩa Của Khuôn Dập Trong Ngành Cơ Khí

Khuôn dập đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất hàng loạt các linh kiện cơ khí. Nó giúp đảm bảo tính đồng nhất và chính xác cho từng sản phẩm, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.2. Các Loại Khuôn Dập Thường Gặp

Có nhiều loại khuôn dập khác nhau như khuôn dập nguội, khuôn dập nóng và khuôn dập áp lực. Mỗi loại khuôn có những ưu điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với từng loại sản phẩm cụ thể.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Khuôn Dập Sản Phẩm Charging Port Support

Trong quá trình thiết kế khuôn dập cho sản phẩm charging port support, nhiều thách thức đã được đặt ra. Các yếu tố như vật liệu, độ bền và khả năng chịu lực của khuôn là những vấn đề cần được giải quyết. Đặc biệt, việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho khuôn dập là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của khuôn.

2.1. Vấn Đề Về Vật Liệu Khuôn

Việc lựa chọn vật liệu cho khuôn dập cần phải cân nhắc kỹ lưỡng. Vật liệu phải có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và dễ gia công để đảm bảo khuôn hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.

2.2. Khó Khăn Trong Quy Trình Sản Xuất

Quy trình sản xuất khuôn dập thường gặp nhiều khó khăn như sai sót trong thiết kế, lỗi trong gia công và lắp ráp. Những vấn đề này có thể dẫn đến việc sản phẩm không đạt yêu cầu chất lượng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Khuôn Dập Hiệu Quả Tại Công Ty VPIC

Công ty VPIC đã áp dụng nhiều phương pháp thiết kế hiện đại để tối ưu hóa quy trình chế tạo khuôn dập. Việc sử dụng phần mềm CAD/CAM giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu thời gian thiết kế. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ mô phỏng cũng giúp dự đoán và khắc phục các vấn đề trước khi sản xuất thực tế.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm CAD CAM Trong Thiết Kế

Phần mềm CAD/CAM cho phép thiết kế khuôn dập với độ chính xác cao, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Việc mô phỏng quá trình dập cũng giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế.

3.2. Công Nghệ Mô Phỏng Trong Thiết Kế Khuôn

Công nghệ mô phỏng giúp đánh giá hiệu suất của khuôn trước khi sản xuất. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Khuôn Dập Sản Phẩm Charging Port Support

Sản phẩm charging port support được sản xuất từ khuôn dập không chỉ đáp ứng nhu cầu thị trường mà còn góp phần nâng cao năng suất sản xuất. Việc áp dụng khuôn dập trong sản xuất giúp giảm thiểu chi phí và thời gian, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm. Công ty VPIC đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất nhờ vào việc sử dụng khuôn dập.

4.1. Tăng Năng Suất Sản Xuất

Việc sử dụng khuôn dập giúp tăng năng suất sản xuất lên đáng kể. Sản phẩm được sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất.

4.2. Đảm Bảo Chất Lượng Sản Phẩm

Khuôn dập giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất, từ đó nâng cao uy tín của công ty trên thị trường. Sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Khuôn Dập Tại Công Ty VPIC

Thiết kế và chế tạo khuôn dập cho sản phẩm charging port support tại Công ty VPIC đã mang lại nhiều lợi ích. Qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, có thể thấy rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại trong thiết kế khuôn dập không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tương lai, công ty sẽ tiếp tục cải tiến và phát triển thêm nhiều sản phẩm mới.

5.1. Hướng Đi Tương Lai Của Công Ty

Công ty VPIC sẽ tiếp tục đầu tư vào công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Điều này sẽ giúp công ty duy trì vị thế cạnh tranh trên thị trường.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Và Phát Triển

Nghiên cứu và phát triển là yếu tố quan trọng giúp công ty không ngừng đổi mới và cải tiến sản phẩm. Việc đầu tư vào R&D sẽ giúp công ty phát triển bền vững trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam giữ vai trò nền tảng trong sản xuất công nghiệp, với thị trường chế tạo khuôn mẫu và cơ khí chính xác đạt quy mô hơn 1 tỷ USD mỗi năm và tốc độ tăng trưởng bình quân khoảng 18%/năm. Trong cơ cấu thị trường này, khuôn dập chiếm tỷ trọng áp đảo, trong khi khuôn ép chỉ chiếm khoảng 8%. Dù nhu cầu về linh kiện dập tấm cho các ngành sản xuất ô tô, xe máy và thiết bị điện tử gia tăng nhanh chóng, ngành sản xuất cơ khí trong nước vẫn đối mặt với nhiều thách thức lớn: năng lực cạnh tranh chưa cao so với khu vực, thiếu hụt đội ngũ kỹ thuật lành nghề và mức độ đầu tư công nghệ sản xuất khuôn mẫu chính xác còn hạn chế.

Xuất phát từ yêu cầu sản xuất hàng loạt các chi tiết phụ tùng ô tô, xe máy tại Công ty Cổ phần Công nghiệp Chính xác Việt Nam (VPIC), đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung vào nhiệm vụ thiết kế và chế tạo bộ khuôn dập nguội hoàn chỉnh cho chi tiết giá đỡ cổng sạc (Charging Port Support). Đồ án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Đề xuất các phương án chế tạo khuôn dập nguội.
2. Tính toán thiết kế khuôn dập nguội.
3. Chế tạo, chạy thử khuôn dập nguội.
4. Vận hành thực tế và cải tiến khuôn.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống khuôn dập nguội tạo hình kim loại tấm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ chu trình kỹ thuật: tính toán thiết kế hình học và kết cấu khuôn dập, tổ chức gia công chế tạo các cụm chi tiết chày cối, tiến hành dập thử nghiệm thực tế và đo kiểm đánh giá sai số hình học sản phẩm tại nhà xưởng Công ty VPIC trong niên khóa 2020 – 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý gia công biến dạng dẻo và phá hủy kim loại tấm. Quá trình cắt đột phôi phẳng được xác lập trên cơ chế trượt cắt vật liệu khi ứng suất cắt vượt quá giới hạn bền, với việc tính toán khe hở một bên $u$ và khe hở hai bên $z = 2u$ giữa chày và cối. Kích thước danh nghĩa khi cắt hình được lấy theo cối ($L_{\text{chày}} = l - z$), trong khi kích thước danh nghĩa khi đột lỗ được lấy theo chày ($D_{\text{cối}} = d + 2u$). Khoảng cách mạch nối giữa các chi tiết $e$ và mạch nối biên $a$ tuân theo tỷ lệ $a = (1,15 \div 1,3)e$. Trong nguyên công uốn và lận định hình, lý thuyết tính toán lượng đàn hồi được xác định qua hệ số $k_R$, góc uốn danh nghĩa $\alpha_1 = \alpha_2 / k_R$, lượng biến dạng bù trừ khi trải phôi $l = a + b + \Delta l$, cùng công thức xác định lực uốn và công biến dạng khi uốn trên khuôn chữ V và khuôn chữ U có hoặc không có lực chặn đối áp.

Về mặt vật liệu và công nghệ nhiệt luyện, đồ án tổng hợp các mác thép hợp kim làm việc nguội (SKD11, DC53, DCII, GO5, YK30, SLD-MAGIC) và thép kết cấu cho đế khuôn, tấm gá (S50C, S45C, CT38). Quy trình nhiệt luyện được phân tích dựa trên công nghệ tôi trong lò chân không và ram trong môi trường khí bảo vệ nitơ ($N_2$) ở áp suất 1,5 bar khi nung dưới 850°C và duy trì áp suất 7 mbar khi nung cao tần, tôi bằng khí nén 3–6 bar nhằm ngăn ngừa hiện tượng thoát cacbon và oxy hóa bề mặt.

Nhóm vật liệu	Mác thép tiêu biểu	Đặc tính kỹ thuật chính	Ứng dụng trong kết cấu khuôn
Thép làm việc nguội	DC53 (SKD11 cải tiến)	Độ cứng cao, chịu mài mòn, độ bền va đập tốt, khả năng gia công cắt dây và mài tối ưu	Chế tạo chày, cối cắt hình, chốt đột lỗ, chi tiết chày/cối uốn định hình
Thép làm việc nguội	GO5 / YK30	Tính tôi cao, biến dạng sau nhiệt luyện thấp, dễ xử lý nhiệt tôi dầu	Tấm insert, lòng khuôn cắt, đồ gá định vị gia công
Thép kết cấu cacbon	S50C / S45C	Độ bền cơ học trung bình, độ cứng vững tốt, chịu tải trọng uốn nén ổn định	Tấm đế khuôn trên, tấm đế khuôn dưới, tấm đệm chày, tấm áo khuôn
Thép kết cấu thông thường	CT38	Tính hàn tốt, độ dẻo cao, gia công cắt gọt dễ dàng	Tấm kẹp gá, bệ đỡ phụ trợ, các chi tiết định vị không chịu mài mòn

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kỹ thuật số và thực nghiệm công nghệ:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập và kế thừa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về dập vuốt sâu, hydroforming, tối ưu hóa Taguchi (ANOVA), mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA/Abaqus), và các giải pháp tham số hóa khuôn trên phần mềm Unigraphics NX.
• Phương pháp tính toán giải tích và đồ họa số: Sử dụng phần mềm AutoCAD để trải hình phôi phẳng, đo chu vi và diện tích các biên dạng phức tạp, từ đó xác định chính xác tọa độ trọng tâm lực dập (tâm dập) để bố trí trục máy ép dập cân bằng.
• Phương pháp công nghệ chế tạo: Áp dụng các quy trình gia công cơ khí chính xác gồm phay CNC, khoan cơ và gia công phóng điện cắt dây (Wire-cut EDM) cho các cụm chi tiết làm việc.
• Phương pháp đo kiểm thực nghiệm: Sử dụng máy quét tọa độ không gian 3D Quantum Max FaroArm để số hóa bề mặt chi tiết dập thử nghiệm, so sánh sai lệch kích thước với dữ liệu thiết kế CAD ban đầu.

Nguồn dữ liệu của đồ án bao gồm: tập bản vẽ kỹ thuật chi tiết Charging Port Support do khách hàng cung cấp; tiêu chuẩn kết cấu khuôn và vật liệu của Công ty VPIC; hệ thống tiêu chuẩn chi tiết khuôn mẫu công nghiệp JIS và tiêu chuẩn chi tiết phụ trợ của hãng MISUMI (tra cứu thông số lực đàn hồi của lò xo cao su vàng).

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Chi tiết Charging Port Support là linh kiện dập tấm có kết cấu không đối xứng với nhiều góc uốn lượn liên tiếp. Dựa trên phân tích hình học, nhóm nghiên cứu đã triển khai phương án công nghệ dập qua 3 công đoạn chính:

• Công đoạn 1 (Khuôn cắt - đột): Cắt tách biên dạng ngoài của phôi từ dải tole và đột đồng thời các lỗ kỹ thuật.
• Công đoạn 2 và 3 (Khuôn lận uốn định hình): Thực hiện uốn các góc cánh chi tiết theo từng bước liên hoàn nhằm hạn chế hiện tượng rách mép và biến mỏng cục bộ.

Trong thiết kế khuôn cắt - đột, tọa độ tâm dập được trích xuất trực tiếp từ mô hình AutoCAD nhằm đảm bảo hợp lực của các lực cắt và lực đột đi qua tâm đầu trượt máy dập, tránh hiện tượng lệch tâm gây mòn kẹt dẫn hướng. Cụm dẫn hướng sử dụng hệ thống trụ và bạc dẫn hướng tiêu chuẩn, kết hợp tấm chặn phôi động dẫn động bằng đệm cao su vàng MISUMI để kẹp chặt tấm phôi phẳng trước khi chày tiếp xúc cắt, hạn chế ba-via trên bề mặt sản phẩm.

Hạng mục triển khai	Chi tiết kết cấu và giải pháp kỹ thuật	Thiết bị và công nghệ thực hiện
Bộ khuôn cắt – đột (Công đoạn 1)	Tấm đế trên, tấm đế dưới, tấm giữ chày, tấm cối cắt hình, cụm chốt đột lỗ, tấm dẫn hướng và đệm cao su ép MISUMI	Gia công phay CNC tấm cối; cắt dây EDM biên dạng chày, cối; khoan cơ lỗ bu lông
Bộ khuôn lận uốn (Công đoạn 2 & 3)	Kết cấu tích hợp hai công đoạn lận uốn trên cùng một lòng khuôn; bố trí các tấm chày lận, cối lận và tấm chạy chịu lực có bù trừ góc đàn hồi	Phay CNC rãnh và lỗ bậc; gia công cắt dây các tấm insert tạo hình; phay bậc 10 mm ($25 \times 185$ mm, bo R10)
Quy chuẩn đế khuôn	Đồng bộ hóa theo tiêu chuẩn kết cấu đế khuôn trên và đế khuôn dưới của Công ty VPIC	Gia công cơ khí chính xác, nhiệt luyện đạt độ cứng kỹ thuật
Kiểm tra và đánh giá sản phẩm	Quét tọa độ 3D toàn bộ các bề mặt, góc lận và lỗ đột của sản phẩm sau dập thử	Máy đo tọa độ không gian 3D Quantum Max FaroArm

Điểm cải tiến kết cấu trong công đoạn tạo hình là việc bố trí hai bước lận uốn (công đoạn 2 và công đoạn 3) tích hợp trên cùng một khối vỏ khuôn. Giải pháp này giúp giảm số lượng bộ đế khuôn cần chế tạo, tối ưu hóa không gian mặt bàn máy dập và rút ngắn thời gian chuyển đổi nguyên công trong dây chuyền sản xuất tại xưởng VPIC.

Quá trình chế tạo thực tế trải qua các bước: gia công thô tấm cối với bước phay bậc 10 mm biên dạng $25 \times 185$ mm bo góc R10, phay CNC các hốc lắp insert và lỗ bậc cho chốt đột; gia công tinh các bề mặt định vị; nhiệt luyện tôi và ram các chi tiết làm việc bằng thép DC53/SKD11; gia công cắt dây EDM các biên dạng làm việc chính xác cao; lắp ráp các cụm chày, cối, tấm chạy, lò xo và tiến hành rà khớp khe hở trên bàn máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này tổng quan về lịch sử phát triển ngành cơ khí Việt Nam từ thời kỳ Nhà máy Cơ khí Trần Hưng Đạo (1958) đến bối cảnh cạnh tranh công nghiệp phụ trợ hiện nay. Nhóm tác giả tổng hợp 10 công trình nghiên cứu tiêu biểu của nước ngoài về dập vuốt sâu, công nghệ hydroforming tấm mỏng nhôm AA5083, tối ưu hóa thông số Taguchi trên phần mềm Abaqus, và lớp phủ nanocompozit gelatin-TiO2-Al2O3 gia tăng tuổi thọ cho thép SKD11. Đồng thời, chương 1 phân tích 8 công trình nghiên cứu trong nước liên quan đến xử lý lạnh sâu thép SKD11, thiết kế tham số khuôn trên NX 10, dập vuốt chi tiết nắp ca-pô và khung xương nệm ghế ngồi xe tải. Trên cơ sở đó, đồ án xác lập tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cơ sở phương pháp luận của đề tài tại Công ty VPIC.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày hệ thống lý thuyết về vật liệu chế tạo khuôn dập tấm và khuôn dập nóng theo tiêu chuẩn JIS (SKD11, DC53, DCII, GO5, SKD61...), phân tích các chế độ xử lý nhiệt tôi và ram trong lò chân không nhằm ngăn thoát cacbon bề mặt. Chương 2 phân loại các kết cấu khuôn dập tấm điển hình (cắt hình, đột lỗ, cắt hình chính xác, uốn V, uốn U, uốn góc tự lựa), cung cấp các công thức tính toán khe hở chày cối, xác định kích thước mạch nối tole, tính toán góc uốn bù trừ đàn hồi $\alpha_1$, công thức xác định chiều dài phôi ban đầu $l$ và xác định lực uốn, công uốn trên các sơ đồ khuôn uốn chữ V và chữ U có đối áp. Chương này cũng giới thiệu các cụm cơ cấu chặn phôi, đẩy phôi, tiêu chuẩn đệm cao su và lò xo dập.

Chương 3: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Chương 3 tập trung vào việc tiếp nhận dữ liệu kỹ thuật từ bản vẽ chi tiết Charging Port Support của khách hàng. Tác giả tiến hành phân tích các phương án trải mẫu phôi phẳng, phân tích 6 góc uốn lận cần hình thành trên chi tiết. Dựa trên các tiêu chí so sánh về năng suất, độ phức tạp của kết cấu khuôn, chi phí chế tạo và độ ổn định khi gá đặt, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án phân tách quy trình công nghệ thành: nguyên công 1 thực hiện cắt hình đột lỗ phôi phẳng; nguyên công 2 và 3 thực hiện uốn lận tạo hình định hình các góc cánh trên cùng một kết cấu lòng khuôn chung. Chương này khép lại bằng việc thiết lập lưu trình chế tạo chi tiết hoàn chỉnh.

Chương 4: Tính toán thiết kế khuôn dập

Chương này chứa toàn bộ các nội dung tính toán thiết kế giải tích và mô hình hóa 3D:

• Triển khai hình phôi phẳng và xác định lượng giãn dài tại các góc uốn.
• Ứng dụng phần mềm AutoCAD để tính chu vi các đường bao cắt, diện tích phôi và xác lập tọa độ tâm dập nhằm bố trí cân bằng lực.
• Tính toán lực cắt, lực đột lỗ, lực ép tấm chặn phôi bằng cao su MISUMI và lựa chọn tải trọng máy dập phù hợp.
• Thiết kế chi tiết cụm khuôn cắt đột: kết cấu chày cắt, chốt đột, tấm chày, tấm cối, tấm gạt phôi và các tấm đế theo tiêu chuẩn VPIC.
• Tính toán lực uốn, công biến dạng uốn cho khuôn lận công đoạn 2 và công đoạn 3; thiết kế kích thước chày lận, cối lận, tấm chạy và kết cấu tích hợp hai công đoạn trên cùng một cụm đế khuôn.
• Trình bày kết quả mô phỏng các giai đoạn dập tạo hình chi tiết (chuẩn bị lận, dập nửa hành trình, kết thúc hành trình dập).

Chương 5: Chế tạo và lắp ráp khuôn

Chương 5 mô tả quy trình chế tạo thực tế các chi tiết khuôn tại xưởng gia công:

• Lập bản vẽ công nghệ và gia công cơ khí các chi tiết chày, cối, chốt đột, tấm cối khuôn cắt (phay bậc 10 mm kích thước $25 \times 185$ mm bo góc R10).
• Lập trình phay CNC rãnh, lỗ bậc và các tấm insert khuôn lận M2 và M3; tiến hành khoan cơ các hệ lỗ thông thường.
• Gia công cắt dây EDM cho các chi tiết chày cối đã qua nhiệt luyện nhằm đạt độ chính xác lắp ghép và khe hở dập cắt danh nghĩa.
• Thiết lập quy trình công nghệ và trình tự lắp ráp hoàn chỉnh các bộ khuôn theo yêu cầu kỹ thuật.
• Thực hiện dập thử nghiệm tạo mẫu chi tiết Charging Port Support, sau đó sử dụng máy đo tọa độ không gian 3D Quantum Max FaroArm quét kiểm tra kích thước thực tế tại các điểm đo và đánh giá độ chính xác so với bản vẽ thiết kế ban đầu.

Chương 6: Kết luận

Chương kết luận tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế, tính toán giải tích, mức độ đáp ứng của quy trình công nghệ chế tạo khuôn thực tế và sự phù hợp của sản phẩm dập thử nghiệm so với tiêu chuẩn kỹ thuật của Công ty VPIC.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ chuỗi nhiệm vụ từ nghiên cứu lý thuyết đến chế tạo thực nghiệm và kiểm tra sản phẩm với các kết quả cụ thể:

• Về mặt tính toán và thiết kế: Đã xác lập đầy đủ bảng tính lực cắt, lực đột, lực uốn và xác định chính xác tọa độ tâm dập bằng công cụ AutoCAD; hoàn thiện bộ hồ sơ bản vẽ thiết kế 2D và mô hình 3D cho bộ khuôn cắt đột và bộ khuôn lận uốn công đoạn 2 – 3 theo đúng tiêu chuẩn công nghiệp của Công ty VPIC.
• Về mặt chế tạo khuôn: Đã gia công hoàn chỉnh các cụm chi tiết chày, cối, insert, tấm dẫn hướng và đế khuôn thông qua sự kết hợp giữa các phương pháp phay CNC, khoan cơ và gia công cắt dây tia lửa điện (Wire-cut EDM); xử lý nhiệt luyện các chi tiết làm việc bằng thép DC53/SKD11 đạt yêu cầu độ cứng và độ chống mài mòn.
• Về mặt sản phẩm và kiểm định: Đã dập thử nghiệm thành công sản phẩm Charging Port Support trên máy dập tại xưởng VPIC; kết quả đo quét hình học số bằng máy đo 3D Quantum Max FaroArm ghi nhận các điểm đo kích thước biên dạng và góc uốn đều nằm trong giới hạn dung sai cho phép của bản vẽ khách hàng.
• Đóng góp thực tiễn: Đề xuất thành công giải pháp kết cấu tích hợp 2 công đoạn uốn lận trên một bộ đế khuôn duy nhất, giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí vật liệu làm đế khuôn, giảm diện tích chiếm chỗ của khuôn trong kho xưởng và tối ưu hóa năng suất vận hành máy dập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Quá trình khảo nghiệm dập mẫu mới dừng lại ở quy mô thử nghiệm đơn chiếc và sản xuất thử nghiệm lô nhỏ tại phân xưởng, chưa có đủ dữ liệu theo dõi thống kê về độ mòn cơ học của chày cối và độ ổn định kích thước sản phẩm trong chu kỳ dập hàng loạt lớn (trên 100.000 shot).
• Đồ án chưa triển khai phân tích mô phỏng số phần tử hữu hạn nâng cao (CAE) trên các phần mềm chuyên dụng như Abaqus hoặc Dynaform để dự báo trường ứng suất dư, nguy cơ nhăn cục bộ và độ mỏng thành vật liệu trong quá trình dập lận, mà chủ yếu dựa trên công thức giải tích kinh nghiệm kết hợp thử nghiệm thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Ứng dụng các công cụ mô phỏng số phần tử hữu hạn 3D phi tuyến để tối ưu hóa chính xác hơn các thông số công nghệ (bán kính góc lượn cối, lực kẹp của tấm chạy, hệ số ma sát) trước khi chế tạo khuôn.
• Nghiên cứu áp dụng các công nghệ xử lý bề mặt tiên tiến (như phủ lớp màng mỏng PVD, thấm nitơ sâu hoặc ứng dụng vật liệu phủ nanocompozit) cho các bề mặt làm việc của chày và cối thép SKD11/DC53 nhằm nâng cao tuổi thọ khuôn trong điều kiện sản xuất công nghiệp liên tục.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử khi thực hiện các đồ án chuyên ngành và đồ án tốt nghiệp về thiết kế khuôn dập kim loại tấm. Công trình cũng cung cấp nguồn tư liệu hữu ích cho các kỹ sư thiết kế và kỹ thuật viên công nghệ tại các doanh nghiệp gia công dập tấm và sản xuất phụ tùng cơ khí chính xác.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

• Phương pháp kết hợp phần mềm AutoCAD để trải hình phôi phẳng và xác định chính xác tọa độ tâm dập cho các chi tiết dập cắt có biên dạng phức tạp, không đối xứng.
• Bản vẽ kết cấu và giải pháp tích hợp nhiều bước uốn lận trên cùng một hệ thống chày cối và tấm chạy trong một bộ khuôn dập nguội.
• Quy trình công nghệ gia công chi tiết khuôn (phay bậc CNC, gia công cắt dây EDM cho thép đã tôi) và quy trình kiểm tra chất lượng sản phẩm dập tấm bằng thiết bị quét quang học 3D cầm tay Quantum Max FaroArm.

Câu hỏi thường gặp

1. Sản phẩm Charging Port Support được tạo hình qua những công đoạn dập nào trong đồ án?
Sản phẩm được gia công qua 3 công đoạn chính: công đoạn 1 sử dụng khuôn cắt – đột liên hợp để tạo phôi phẳng và đột các lỗ chức năng; công đoạn 2 và công đoạn 3 là các bước lận uốn định hình các góc cánh của chi tiết, được tích hợp thực hiện trên cùng một bộ khuôn lận.

2. Nhóm tác giả đã lựa chọn vật liệu nào để chế tạo các chi tiết làm việc chính (chày, cối) của khuôn?
Nhóm nghiên cứu ưu tiên sử dụng thép hợp kim làm việc nguội chất lượng cao gồm DC53 (phiên bản cải tiến của SKD11) và SKD11 nhờ đặc tính độ cứng cao sau nhiệt luyện, tính chống mài mòn vượt trội, ít biến dạng kích thước và khả năng gia công cắt dây EDM tốt. Đối với đế khuôn và các tấm đệm, thép cacbon kết cấu S45C và S50C được sử dụng để đảm bảo độ cứng vững và tối ưu chi phí.

3. Tọa độ tâm dập của khuôn cắt đột được xác định bằng phương pháp nào?
Tọa độ tâm dập được xác định bằng phương pháp đồ họa số trên phần mềm AutoCAD. Tác giả đưa biên dạng phôi vào hệ trục tọa độ, sử dụng các công cụ đo chu vi và diện tích từng đường bao cắt/đột để tính toán trọng tâm lực cắt, giúp bố trí tâm khuôn trùng với tâm đầu trượt máy dập, triệt tiêu mô-men lệch tâm trong quá trình dập.

4. Thiết bị nào được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của sản phẩm sau khi dập thử?
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng máy đo tọa độ không gian 3D Quantum Max FaroArm để quét toàn bộ biên dạng và bề mặt của chi tiết Charging Port Support sau khi dập thử, từ đó trích xuất sai lệch hình học tại các điểm đo thực tế so với mô hình thiết kế CAD.

5. Lợi ích kỹ thuật của việc thiết kế khuôn lận tích hợp công đoạn 2 và công đoạn 3 trên cùng một lòng khuôn là gì?
Giải pháp này giúp giảm bớt một bộ vỏ khuôn riêng biệt, tiết kiệm chi phí phôi thép làm đế khuôn trên và đế khuôn dưới, rút ngắn hành trình và diện tích gá đặt trên bàn máy dập, đồng thời giảm số lần thao tác chuyển phôi giữa các máy trong dây chuyền sản xuất tại Công ty VPIC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo khuôn dập tạo sản phẩm CHARGING PORT SUPPORT tại Công ty VPIC" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn quy trình kỹ thuật chế tạo chi tiết kim loại tấm trong sản xuất công nghiệp. Bằng việc kết hợp tính toán giải tích, thiết kế trên CAD, ứng dụng giải pháp khuôn uốn tích hợp và công nghệ gia công CNC/EDM, nhóm tác giả đã chế tạo thành công bộ khuôn dập nguội đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt của nhà máy. Kết quả kiểm tra bằng máy quét 3D FaroArm khẳng định độ chính xác của sản phẩm dập thử nghiệm, đóng góp một mô hình tham khảo chuẩn mực cho quá trình liên kết đào tạo kỹ thuật với thực tiễn sản xuất tại doanh nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Ngoài nước Các quốc gia hàng đầu như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc đã tiên phong trong việc áp dụng những thành tựu công nghệ vào nhiều ngành, đặc biệt là trong sản xuất khuôn mẫu. Họ đã xây dựng các cơ sở sản xuất hiện đại với các dịch vụ như thiết kế và sản xuất khuôn dập nóng, khuôn dập lạnh, khuôn đúc chịu lực và khuôn tự động hóa.

Các công ty này cũng cung cấp dịch vụ nhiệt luyện cho các nhà sản xuất khuôn khác và phát triển các bộ phận tiêu chuẩn như khối khuôn, thanh dẫn hướng, trụ dẫn hướng, cao su ép và bộ phận đế khuôn, tất cả đều tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng và độ chính xác cao. Hơn nữa, họ còn triển khai các phần mềm chuyên biệt như CAE, CAD và CAM để tối ưu hóa quy trình sản xuất, áp dụng máy CNC để cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm, từ đó có thể xuất khẩu ra toàn cầu. ❖ Một số mô hình nghiên cứu của nước ngoài: - Nghiên cứu ảnh hưởng của góc xiên của bề mặt khuôn đến chất lượng sản phẩm của khuôn dập vuốt sâu [1]: Nghiên cứu trên thực hiên mô phỏng quá trình dập vuốt chi tiết để khảo sát ảnh hưởng từ các góc nghiêng khác nhau của tấm cối so với lực kẹp của tấm chạy, với các góc độ khảo sát lần lượt là 0o , 5o , 10o , 15o. Kết quả thu được lực giữ phôi của tấm chạy giảm từ 3000N xuống 600N khi góc nghiêng của bề mặt cối tăng từ 0 o lên 15o.

Lực giữ phôi là một hằng số khi góc nghiêng lớn hơn hoặc bằng 5o. Với góc nghiêng là 0 o thì độ dày của chi tiết ít biến đổi nhất, tuy nhiên, khả năng dẻo và chất lượng bề mặt của sản phẩm mô phỏng kém và lực kẹp phôi lớn nhất là 3000N. Do đó, góc xiên của bề mặt khuôn 15o là trường hợp phù hợp nhất để sử dụng cho bản vẽ khuôn lận vuốt kim loại tấm. - Sản xuất khuôn mẫu [2]: Bài báo trên đã nêu lên tầm quan trọng và công dụng của khuôn trong việc sản xuất các linh kiện chính xác.

Các công nghệ ngày nay được áp dụng trong việc thiết kế, chế tạo khuôn mẫu. Trong đó có các công nghệ nổi bật như in 3D, phay tốc độ cao, cắt dây EDM, gia công cơ,…Tiêu chuẩn hóa các quy trình trong thiết kế và chế tạo khuôn để giảm thời gian và chi phí. Từ các yếu tố trên ngành thiết kế và chế tạo khuôn mẫu có thể đứng vững trên thị trường. - Khảo sát độ dày tấm và lực đột trong phương pháp dập vuốt sâu thủy cơ góc cạnh bề mặt khuôn [3]: 1 Trong nghiên cứu này, quy trình thiết kế khuôn lận vuốt của vật liệu kim loại tấm DIN EN 10130 – 1999 dày 0,9 mm được thực hiện bằng phương pháp dập vuốt sâu thủy cơ góc cạnh bề mặt khuôn.

Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng mảng trực giao L18 trong thiết kế thí nghiệm Taguchi. Các thông số góc bề mặt khuôn, bán kính góc bo tấm chày, bán kính góc bo tấm cối, áp suất khi dập và điều khiển lực giữ phôi của tấm chạy được sử dụng làm tham số quy trình. Trong các kết quả phân tích thực nghiệm và số học, ảnh hưởng của các thông số quy trình đến lực dập của tấm chạy và kết quả thay đổi độ dày kim loại tấm đã được kiểm tra. Ngoài ra, các mức tham số quy trình tối ưu được xác định bằng cách tính đến tỷ lệ S/N và kết quả phân tích phương sai ANOVA để xác định độ dày thành danh nghĩa của thành tấm kim loại tấm và lực đục lỗ tối thiểu.

Đánh giá chung của nghiên cứu: + Độ mỏng tối đa của giá trị độ dày kim loại tấm là 15% và độ dày tối đa là 10%. + Với việc tăng tham số góc bề mặt khuôn lên tới 12,5 o , độ mỏng của chi tiết cũng tăng lên. Tuy nhiên, với mức tăng sau 12,5 o , độ dày chi tiết tăng lên. + Các góc bề mặt khuôn nằm giữa 12,5 o và 15 o độ dày của chi tiết là một giá trị danh nghĩa.

+ Với sự gia tăng bán kính cối, sự thay đổi độ dày chi tiết là một giá trị danh nghĩa. + Khi giá trị bán kính chày tăng lên tới 8 mm, độ dày chi tiết sẽ đạt đến giá trị danh nghĩa. Tuy nhiên, trong trường hợp bán kính mũi đột vượt quá 8 mm, giá trị danh nghĩa sẽ bị chuyển đi. + Áp suất khi dập đạt gần giá trị danh định ở mức 8 MPa.

+ Mức tối ưu cho tham số lực giữ phôi của tấm chạy là FBH = 5882,78 N. + Lực dập tăng khi góc bề mặt khuôn tăng. + Lực đột giảm cho đến khi bán kính cối tăng đến 8 mm, sau đó tăng lên khi bán kính cối lớn hơn 8. + Khi bán kính chày tăng thì lực dập cũng tăng.

+ Lực dập tăng cho đến khi áp suất đạt 8 MPa, nhưng giảm khi áp suất tăng trên giá trị 8 MPa. - Tỷ lệ kéo giới hạn trong phương pháp dập vuốt sâu thủy cơ góc cạnh khuôn [4]: Trong nghiên cứu này, họ đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trên chày cối đến tỉ lệ kéo giới hạn trong phương pháp dập vuốt sâu thủy cơ góc cạnh bề mặt khuôn. Ảnh hưởng của góc, bán kính góc bo của chày cối, lực 2 giữ phôi của tấm chạy và áp suất khuôn lên tỷ lệ kéo giới hạn (β) đã được phân tích bằng thực nghiệm và bằng số. Các kết quả chung rút ra từ nghiên cứu trên là: + Khi góc khuôn tăng lên tới 12,5o , xác định được tỷ lệ kéo giới hạn tăng lên tới β = 2,6 và giảm sau giá trị này.

+ Tỉ lệ kéo giới hạn tăng khi bán kính chày tăng. + Khi bán kính khuôn được tăng lên đến R8 mm, người ta quan sát thấy tỷ lệ kéo giới hạn tăng lên và sau giá trị này, tỷ lệ này giảm xuống. + Thông số áp suất khi dập cho tỷ số vẽ giới hạn tốt nhất ở mức 8 MPa. + Tỉ lệ kéo giới hạn tăng khi lực giữ phôi của tấm chạy tăng lên đến một giá trị nhất định nhưng giảm ở giá trị cao hơn.

Người ta nhận thấy rằng giá trị ảnh hưởng lớn nhất của thông số này lên giới hạn kéo là 5882,72 N. + Theo kết quả phân tích thực nghiệm và số, người ta xác định rằng phương pháp dập vuốt sâu thủy cơ góc khuôn được sử dụng trong nghiên cứu này có hiệu quả trên tỷ lệ kéo giới hạn và khi chọn được các thông số tối ưu thì giá trị này có thể tăng lên đến 2,6. - Mô hình FE phi tuyến 3D và tối ưu hóa quy trình hydroforming [5]: Nghiên cứu này đi sâu vào quy trình hydroforming (CDSHF) cho hợp kim nhôm AA5083 cán nguội có độ bền cao, tập trung vào hai câu hỏi nghiên cứu chính. Đầu tiên, họ khám phá việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 3D (Finite Element) tính để hiểu tác động của nó đến độ chính xác về chiều của các thành phần được tạo hình bằng hydro trong quy trình CDSHF.

Cụ thể, họ đã nghiên cứu cách đánh giá định lượng việc giảm áp suất chất lỏng và tăng thời gian duy trì áp suất chất lỏng cực đại. Thứ hai, họ đi sâu vào việc tối ưu hóa các thông số quy trình-áp suất chất lỏng (FP), lực giữ phôi của tấm chạy (BHF), hệ số ma sát (CoF) và bán kính mặt bích (FR)để đạt được độ chính xác về kích thước trong lòng chi tiết định hình hydro thông qua quy trình CDSHF. Họ có những phát hiện mới chẳng hạn như giảm áp suất chất lỏng tối đa xuống 22 MPa, thực hiện thời gian giữ 30 giây và sử dụng đường dẫn dỡ tải, đã nâng cao chất lượng thành phần. Họ đã chứng minh điều này bằng chi tiết lận vuốt sâu hình vuông 35 mm có bán kính góc 16,1 mm và giảm độ mỏng của vật liệu xuống 5,5%.

Tận dụng mô hình 3D FE phi tuyến tinh vi kết hợp với phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) và các kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu, Nghiên cứu đã xác định một cách có hệ thống các cấu hình quy trình tối ưu, tính đến các tương tác tham số. Kết quả của họ nhấn mạnh hiệu quả định lượng của các chiến lược tối ưu hóa này, vì mô hình RSM được tối ưu hóa rất phù hợp với kết 3 quả mô phỏng phần tử hữu hạn (FE), dự đoán tỷ lệ mỏng là 5,27 và bán kính góc là 18,64 mm. Nhìn chung, nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết sâu sắc có giá trị về việc nâng cao độ chính xác về chiều và tối ưu hóa quy trình trong CDSHF, với ý nghĩa sâu rộng trong việc thúc đẩy các công nghệ tạo hình kim loại. - Tối ưu hóa thực nghiệm và số hóa các thông số quy trình dập vuốt sâu cho thiết kế hộp đựng y tế hình vuông bằng phương pháp Taguchi [6]: Nghiên cứu này đã xác định các yếu tố thiết kế của hộp đựng y tế hình vuông và kiểm chứng bằng thực nghiệm quá trình dạp vuốt sâu được mô hình hóa trên phần mềm Abaqus/Explicit phần tử hữu hạn (FE).

Phương pháp thống kê Taguchi được sử dụng để giảm số lượng thí nghiệm. Lực giữ phôi của tấm chạy (BHF), bán kính chày (RP), bán kính cối (RD), hệ số ma sát giữa cối và phôi (µDB), hệ số ma sát giữa chày và phôi (µPB), hệ số ma sát giữa chày và phôi (µHB) ) làm hệ số thay đổi trong khi chọn mức giảm độ dày (TR) và lực dập tối đa (PF) được chọn làm tham số đầu ra. Ảnh hưởng của các yếu tố thay đổi đến các thông số đầu ra được xác định bằng phân tích ANOVA. Kết quả của các cuộc kiểm tra đã xác định rằng TR và PF tăng khi các giá trị BHF, µDB và µHB tăng, trong khi chúng giảm khi RP và RD tăng.

Mặt khác, người ta đã xác định rằng TR giảm và PF tăng khi µPB tăng. Ngoài ra, các góc của tấm được vát với nhiều kích cỡ khác nhau để ngăn ngừa sự hình thành các tai trong hộp đựng. Cuối cùng, kích thước mặt vát thích hợp được xác định bằng cách kiểm tra độ dày của tấm.