Thiết Kế Công Nghệ và Chế Tạo Khuôn Dập Tạo Hình

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Đề tài: Thiết Kế và Chế Tạo Khuôn Dập Tạo Hình Tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH TẤM
• 1.1. Tổng quan về công nghệ tạo hình tấm
• 1.2. Phân loại
• 1.3. Các sản phẩm công nghệ điển hình
• 1.4. Khuôn và thiết bị dập kim loại tấm
• 1.5. Sản phẩm điển hình của công nghệ dập tấm
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT
• 2.1. Chọn phương án công nghệ tối ưu
• 2.2. Khai triển phôi, lựa chọn phôi đầu vào, xếp hình sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
• 3.1. Tính toán các nguyên công
• 3.2. Lựa chọn thiết bị
• 3.3. Mô phỏng quá trình dập tạo hình
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KHUÔN
• 4.1. Chọn vật liệu làm khuôn
• 4.2. Thiết kế các bộ phận chính của khuôn
• 4.2.1. Trị số khe hở tối ưu
• 4.2.2. Kích thước làm việc của chày cối cắt hình, đột lỗ
• 4.2.3. Chọn chiều cao mép cối
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khám phá quy trình thiết kế khuôn dập tại Bách Khoa Hà Nội

Thiết kế và chế tạo khuôn dập tạo hình là một lĩnh vực cốt lõi trong ngành cơ khí, đóng vai trò then chốt trong sản xuất hàng loạt. Tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST), đây không chỉ là một môn học mà còn là một lĩnh vực nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt tại Viện Cơ khí. Quy trình đào tạo và nghiên cứu tại đây kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết nền tảng và ứng dụng thực tiễn, đảm bảo sinh viên và kỹ sư có đủ năng lực để giải quyết các bài toán công nghệ phức tạp. Công nghệ tạo hình kim loại tấm được xem là phương pháp sản xuất hiệu quả, có khả năng tự động hóa cao, tiết kiệm vật liệu và nâng cao cơ tính sản phẩm. Các đồ án tốt nghiệp khuôn dập tại BKHN thường tập trung vào việc giải quyết các vấn đề thực tế từ doanh nghiệp, từ thiết kế khuôn dập liên hoàn cho các chi tiết phức tạp đến khuôn dập vuốt cho các sản phẩm có chiều sâu lớn. Nền tảng kiến thức được xây dựng vững chắc, giúp sinh viên làm chủ từ khâu phân tích sản phẩm, lựa chọn công nghệ đến việc hoàn thiện một bộ khuôn dập hoàn chỉnh.

1.1. Vai trò của công nghệ dập tạo hình trong sản xuất

Công nghệ dập tạo hình là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, không tạo phoi, dựa trên tính biến dạng dẻo của vật liệu. Phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội: năng suất cao, độ chính xác đồng đều, hệ số sử dụng vật liệu có thể đạt 80-90%. Đặc biệt, quá trình biến dạng dẻo nguội giúp tăng cường cơ tính của sản phẩm. Các sản phẩm từ công nghệ tạo hình kim loại tấm hiện diện trong mọi lĩnh vực, từ vỏ ô tô, xe máy, linh kiện điện tử đến đồ gia dụng. Chính vì vậy, việc làm chủ thiết kế khuôn mẫu và công nghệ dập là yêu cầu sống còn đối với nền công nghiệp hiện đại.

1.2. Năng lực đào tạo chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy HUST

Viện Cơ khí Bách Khoa Hà Nội là đơn vị hàng đầu cả nước về đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí. Chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy tại đây trang bị cho sinh viên kiến thức toàn diện về quy trình công nghệ chế tạo khuôn, vật liệu, và các thiết bị hiện đại. Sinh viên được tiếp cận với các phòng thí nghiệm CAD/CAM/CNC tiên tiến, nơi thực hành gia công khuôn dập trên các máy móc thực tế. Các đồ án và công trình nghiên cứu khoa học sinh viên BKHN luôn được khuyến khích, tạo ra một môi trường học thuật năng động và gắn liền với thực tiễn sản xuất.

II. Top 5 thách thức trong chế tạo khuôn dập kim loại tấm

Quá trình chế tạo khuôn dập tạo hình, dù mang lại hiệu quả kinh tế cao, vẫn tồn tại nhiều thách thức kỹ thuật đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kinh nghiệm. Thách thức lớn nhất nằm ở việc đảm bảo độ chính xác và tuổi thọ của khuôn. Một sai sót nhỏ trong thiết kế hoặc gia công cơ khí chính xác có thể dẫn đến sản phẩm lỗi hàng loạt, gây thiệt hại lớn về kinh tế. Việc lựa chọn vật liệu làm khuôn dập phù hợp với từng ứng dụng cụ thể cũng là một bài toán khó, cần cân bằng giữa chi phí, độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền nhiệt. Hơn nữa, việc tính toán các thông số công nghệ như lực dập, lực chặn, khe hở giữa chày và cối đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối. Cuối cùng, việc bảo trì và sửa chữa khuôn dập cũng là một yếu tố quan trọng nhưng thường bị xem nhẹ, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và vòng đời của khuôn.

2.1. Vấn đề lựa chọn vật liệu làm khuôn dập tối ưu

Việc chọn vật liệu làm khuôn dập quyết định trực tiếp đến tuổi thọ và chất lượng sản phẩm. Theo tài liệu nghiên cứu tại BKHN, các chi tiết làm việc chính như chày, cối thường sử dụng thép hợp kim dụng cụ như SKD11 (dập nguội) hoặc SKD61 (dập nóng) theo tiêu chuẩn JIS, yêu cầu nhiệt luyện đạt độ cứng 60-62 HRC. Trong khi đó, các chi tiết phụ như áo khuôn, tấm chặn có thể dùng thép cacbon S45C để tối ưu chi phí. Việc lựa chọn sai vật liệu có thể gây mài mòn nhanh, nứt vỡ khuôn hoặc làm giảm chất lượng bề mặt sản phẩm.

2.2. Phức tạp trong tính toán thông số công nghệ

Tính toán chính xác các thông số công nghệ là nền tảng của một bộ khuôn thành công. Các yếu tố như lực cắt, lực dập vuốt, lực chặn phôi phải được xác định dựa trên chiều dày, loại vật liệu và hình dạng chi tiết. Ví dụ, trong đồ án được phân tích, lực dập vuốt được tính toán dựa trên công thức P = π.d.S.σk. Sai sót trong tính toán có thể dẫn đến việc chọn sai thiết bị (máy ép không đủ lực), hoặc gây ra các khuyết tật trên sản phẩm như nhăn, rách hoặc biến mỏng không đều.

III. Hướng dẫn thiết kế khuôn dập tạo hình theo chuẩn BKHN

Quy trình thiết kế khuôn dập tạo hình tại Bách Khoa Hà Nội được chuẩn hóa và tuân theo một trình tự logic chặt chẽ, từ phân tích chi tiết đến hoàn thiện bản vẽ chế tạo. Bước đầu tiên và quan trọng nhất là phân tích bản vẽ sản phẩm, xác định các yêu cầu kỹ thuật và đưa ra các phương án công nghệ khả thi. Sau khi chọn được phương án tối ưu, quá trình khai triển phôi được thực hiện để xác định hình dạng và kích thước phôi ban đầu. Tiếp theo, các thông số công nghệ được tính toán chi tiết. Giai đoạn thiết kế 3D bắt đầu bằng việc sử dụng các phần mềm thiết kế khuôn (CATIA, NX, SolidWorks) để dựng mô hình chi tiết của khuôn, bao gồm chày, cối, tấm dẫn hướng, và các cơ cấu phụ trợ. Toàn bộ quy trình này đảm bảo tối ưu hóa thiết kế khuôn về cả chức năng và khả năng chế tạo.

3.1. Phân tích và lựa chọn phương án công nghệ chế tạo

Trước khi thiết kế, việc đưa ra nhiều phương án công nghệ và lựa chọn phương án tối ưu là bắt buộc. Ví dụ, với chi tiết nắp vỏ động cơ trong tài liệu, phương án 3 (Cắt phôi phối hợp dập vuốt -> Phối hợp đột lỗ -> Cắt vành và dập gân) được chọn vì rút gọn được số nguyên công và giảm số lượng khuôn cần chế tạo. Việc lựa chọn này dựa trên kinh nghiệm và phân tích kỹ thuật, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất và chi phí đầu tư.

3.2. Quy trình công nghệ chế tạo khuôn dập liên hoàn

Với sản xuất hàng loạt lớn, khuôn dập liên hoàn là giải pháp hàng đầu. Thiết kế loại khuôn này đòi hỏi phải tính toán và bố trí các nguyên công (cắt, uốn, dập vuốt, đột lỗ) một cách hợp lý trên cùng một đế khuôn. Phôi dạng dải sẽ được di chuyển qua từng trạm để thực hiện tuần tự các bước tạo hình. Điều này yêu cầu kỹ sư phải có kiến thức sâu về cả thiết kế khuôn mẫu và động học máy, đảm bảo sự đồng bộ và chính xác trong toàn bộ quá trình.

IV. Bí quyết tối ưu hóa thiết kế khuôn dập bằng mô phỏng

Công nghệ mô phỏng số (CAE) đã cách mạng hóa ngành thiết kế khuôn mẫu. Thay vì phải chế tạo thử và sửa chữa tốn kém, các kỹ sư tại Bách Khoa Hà Nội sử dụng các phần mềm chuyên dụng để dự đoán và khắc phục các vấn đề tiềm ẩn ngay trên máy tính. Mô phỏng quá trình dập tấm cho phép phân tích các hiện tượng phức tạp như biến mỏng, nhăn, rách vật liệu, và sự đàn hồi của sản phẩm sau khi dập. Dựa trên kết quả mô phỏng, các thông số thiết kế như bán kính góc lượn, lực chặn, hay hình dạng phôi có thể được điều chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất. Việc này không chỉ giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mà còn nâng cao đáng kể chất lượng và độ tin cậy của khuôn, là bước không thể thiếu trong quy trình công nghệ chế tạo khuôn hiện đại.

4.1. Ứng dụng mô phỏng quá trình dập tấm AutoForm Dynaform

Các phần mềm như AutoForm hay Dynaform là công cụ đắc lực. Trong tài liệu tham khảo, phần mềm Dynaform được sử dụng để mô phỏng nguyên công dập vuốt. Kết quả cho thấy lực ép tối đa là 35 tấn và phát hiện xu hướng nhăn nhẹ ở phần thành. Trích dẫn từ đồ án: "Nhận xét: Phần thành có xu hướng nhăn nhẹ, cuối quá trình tạo hình nên bố trí nguyên công cắt thành chi tiết.". Thông tin này cực kỳ giá trị, giúp kỹ sư đưa ra quyết định cải tiến quy trình công nghệ trước khi chế tạo khuôn thật.

4.2. Phân tích biến dạng và biến mỏng vật liệu qua CAE

Mô phỏng cho phép hiển thị trực quan mức độ biến mỏng của phôi. Đồ thị phân bố cho thấy vùng biến mỏng rõ nhất nằm tại bán kính góc lượn, với mức độ 7.5% (hệ số 0,925). Dữ liệu này giúp xác định các vùng có nguy cơ bị rách và từ đó có thể tối ưu hóa thiết kế khuôn, chẳng hạn như tăng bán kính lượn của chày hoặc điều chỉnh lực chặn để vật liệu chảy vào lòng cối một cách đồng đều hơn, đảm bảo chất lượng và độ bền cho sản phẩm cuối cùng.

V. Case study Chế tạo khuôn dập từ đồ án tốt nghiệp BKHN

Lý thuyết và thực hành luôn song hành tại Viện Cơ khí Bách Khoa Hà Nội. Các đồ án tốt nghiệp khuôn dập không chỉ dừng lại ở bản vẽ thiết kế mà còn được hiện thực hóa thông qua quá trình gia công khuôn dập thực tế. Sinh viên được trực tiếp tham gia vào việc lập trình và vận hành các máy gia công hiện đại tại phòng thí nghiệm CAD/CAM/CNC. Từ một khối thép thô, các chi tiết khuôn như chày, cối được tạo hình với độ chính xác cao. Quá trình này giúp sinh viên hiểu rõ những khó khăn thực tế trong gia công cơ khí chính xác, từ việc chọn dao, thiết lập chế độ cắt đến các vấn đề về dung sai và độ nhám bề mặt. Sau khi chế tạo, khuôn được lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định và tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu kỹ thuật.

5.1. Quy trình gia công khuôn dập tại phòng thí nghiệm

Quá trình gia công khuôn dập bắt đầu từ việc chuẩn bị phôi, sau đó tiến hành gia công thô và tinh trên các máy phay, tiện CNC. Các bề mặt chức năng và lòng khuôn yêu cầu độ chính xác cao thường được gia công bằng các phương pháp tiên tiến như gia công tia lửa điện (EDM) hoặc cắt dây. Sau khi gia công, các chi tiết được nhiệt luyện để đạt độ cứng yêu cầu, rồi được mài phẳng và lắp ráp. Mỗi bước đều được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng cuối cùng của bộ khuôn.

5.2. Kỹ thuật bảo trì và sửa chữa khuôn dập hiệu quả

Tuổi thọ của khuôn không chỉ phụ thuộc vào thiết kế và vật liệu mà còn vào quá trình sử dụng và bảo dưỡng. Bảo trì và sửa chữa khuôn dập là một phần quan trọng của quy trình. Việc làm sạch khuôn sau mỗi ca làm việc, kiểm tra định kỳ các chi tiết dẫn hướng, lò xo, và mài lại các bề mặt cắt khi bị mòn là những công việc cần thiết. Hiểu biết về bảo trì giúp kéo dài tuổi thọ khuôn, duy trì sự ổn định của quá trình sản xuất và giảm thiểu chi phí thay thế.

VI. Tương lai ngành thiết kế và chế tạo khuôn mẫu Việt Nam

Ngành thiết kế và chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam, với sự đóng góp to lớn từ các trung tâm đào tạo hàng đầu như Đại học Bách Khoa Hà Nội, đang có những bước phát triển mạnh mẽ. Tương lai của ngành gắn liền với tự động hóa, ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào việc tối ưu hóa thiết kế khuôn, và phát triển các loại vật liệu mới có độ bền cao hơn. Sinh viên tốt nghiệp từ chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy HUST với nền tảng kiến thức vững chắc về công nghệ dập tạo hình và kỹ năng sử dụng các phần mềm hiện đại đang có cơ hội nghề nghiệp rộng mở. Sự hợp tác chặt chẽ giữa nhà trường và doanh nghiệp sẽ tiếp tục là động lực thúc đẩy sự phát triển của ngành, góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của nền công nghiệp sản xuất Việt Nam trên trường quốc tế.

6.1. Xu hướng tự động hóa và công nghệ 4.0 trong ngành

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang tác động sâu sắc đến ngành khuôn mẫu. Các hệ thống CAD/CAM/CNC ngày càng thông minh hơn, tích hợp các thuật toán tối ưu hóa tự động. Việc sử dụng robot để cấp phôi và lấy sản phẩm, kết hợp với các hệ thống kiểm tra chất lượng bằng hình ảnh (vision inspection) đang dần trở thành tiêu chuẩn. Xu hướng này đòi hỏi các kỹ sư tương lai không chỉ giỏi về cơ khí mà còn phải có kiến thức về lập trình, tự động hóa và phân tích dữ liệu.

6.2. Cơ hội việc làm cho sinh viên Viện Cơ khí BKHN

Sinh viên tốt nghiệp từ Viện Cơ khí Bách Khoa Hà Nội luôn được các doanh nghiệp trong và ngoài nước săn đón, đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế khuôn mẫu. Với khả năng làm chủ các phần mềm thiết kế khuôn, kiến thức về quy trình công nghệ chế tạo khuôn và kinh nghiệm thực hành, họ có thể đảm nhận nhiều vị trí như kỹ sư thiết kế, kỹ sư R&D, kỹ sư lập trình CAM, hay quản lý sản xuất. Nhu cầu nhân lực chất lượng cao trong ngành này vẫn rất lớn, mở ra một con đường sự nghiệp đầy hứa hẹn.