Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình SUS 304 tấm bằng công nghệ MSPIF

TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Giới thiệu chung về công nghệ MSPIF

1.1.1 Các phương pháp gia công cổ điển

Công nghệ gia công kim loại tấm đã ra đời từ rất lâu với các sản phẩm phục vụ nông nghiệp, gia dụng, nhưng phải chờ đến thế kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh thì công nghệ gia công tấm không khuôn mới được nghiên cứu sâu về lý thuyết và ứng dụng với nhiều phương pháp như gò và miết (Spinning) tạo biến dạng cho tấm dưới áp lực của con lăn hay đầu điểm ép và trượt trên bề mặt phôi quay tròn cho sản phẩm có dạng tròn xoay Miết có con lăn được phát triển để thay ma sát trượt bằng ma sát lăn Tuy nhiên, phương pháp miết chỉ chế tạo được các chi tiết tròn xoay (hình 1.1) chưa thể tạo hình các sản phẩm có hình dạng bất kỳ

Các phương pháp gia công tấm cổ điển được sử dụng hiệu quả trong sản xuất hàng loạt lớn Đối với các sản phẩm tấm có hình dạng phức tạp, nhưng sản lượng đơn chiếc, chế tạo thử thì chi phí chế tạo khuôn rất tốn kém, không đủ bù chi phí ban đầu

Vì vậy, từ thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện pháp gia công hiệu quả, phù hợp hơn Năm 1967, lần đầu tiên Edward Leszak (Mỹ) đã đưa ra phương pháp tạo hình “ Incremental Sheet Forming”- ISF bằng cách điều khiển quĩ đạo của dụng cụ tạo hình để tạo hình sản phẩm tấm Mặc dù nhận được bằng sáng chế năm 1967 [1] nhưng lúc đó công nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều khiển thời đó còn thô sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự xuất hiện các máy gia công CNC thì SPIF mới bắt đầu được nghiên cứu trong các viện nghiên cứu, các trường đại học và sau đó chiếm một vị trí quan trọng

Hình 1 1: Công nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay [28]

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 2 trong sản xuất ISF có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối xứng mà không dùng khuôn ISF được phân biệt thành hai phương pháp khác nhau:

Single Point Incremental Forming (SPIF): công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm, có dụng cụ tác dụng trên một mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dạng của sản phẩm mà chỉ cần có tấm tựa dưới có cùng chu vi với sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình (hình 1.2a) Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển Hầu hết các công trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công nghệ này được xem như đại diện cho ISF [2]

Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng cục bộ liên tục hai điểm, lực tạo hình tác dụng trên cả hai mặt của tấm do ngoài tấm tựa dưới như

SPIF, TPIF còn cần dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cho sản phẩm [3] Toàn bộ đồ gá và tấm tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phần lồi thì cố định trên bàn máy (hình 1.2b) TPIF có thể tạo hình tấm vừa lõm vừa lồi nhưng cần phải chế tạo thêm dưỡng và đồ gá phải có chuyển động lên xuống cùng với dụng cụ

1.1.3 Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ MSPIF

Mặc dù công nghệ Tạo hình tấm tăng dần (ISF) đã được nghiên cứu và ứng dụng từ thập kỷ cuối của thế kỷ trước với hơn 30 năm kinh nghiệm và sự tích lũy của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này, nhưng khả năng biến dạng của tấm vật liệu được tạo thành vẫn ở một giá trị khiêm tốn hạn chế ISF thích hợp để tạo hình tấm cho một sản phẩm đơn lẻ hoặc sản xuất hàng loạt nhỏ với lợi thế lớn là không cần

Dưỡng Tấm kẹp trên Phôi tấm

Dụng cụ tạo hình Dụng cụ tạo hình

Hình 1 2: Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF (a) và TPIF (b) [3]

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 3 chày và khuôn sản xuất trước nhưng khả năng định hình của vật liệu tấm được tạo hình không được lớn hơn góc định hình giới hạn khoảng 80 0 phụ thuộc vật liệu và các thông số tạo hình Mặc dù các nhà kỹ thuật đã đưa ra một số cải tiến để tăng khả năng tạo hình của tấm như làm nóng tấm tạo hình trong Hot SPIF nhằm tăng tính dẻo của vật liệu vả MSPIF tạo hình nhiều giai đoạn nhằm tăng cơ tính của tấm nhưng tất cả những nỗ lực và biện pháp cải tiến đều gặp phải những khó khăn khác nhau Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ MSPIF trên tấm thép không gỉ SUS304 bằng phương pháp mô phỏng kết hợp với phương pháp thực nghiệm nhằm kiểm chứng Kết quả cũng được so sánh với công nghệ SPIF để chỉ ra những ưu và nhược điểm của từng phương pháp

1.1.4 Khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong MSPIF

Phương pháp MSPIF thực chất dựa trên nền tảng của SPIF nhưng được thực hiện ở nhiều giai đoạn:

Có nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong MSPIF, các nghiên cứu trong [3], và [4] cho thấy một số trong số các thông số sau đây có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của sản phẩm tấm khi tạo hình bằng MSPIF:

(1) Module đàn hồi E, hệ số Poisson  của vật liệu tấm;

(2) Bề dày tấm w trước khi gia công;

(3) Đường kính dụng cụ tạo hình D;

(4) Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình;

(5) Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy;

(6) Lượng tiến dụng cụ xuống z theo chiều sâu;

(7) Hệ số ma sát  giữa tấm và dụng cụ tạo hình;

(9) Góc tạo hình ban đầu;

(10) Góc tạo hình giữa các giai đoạn

Sau khi loại trừ các thông số ít ảnh hưởng bằng nhiều biện pháp như quy hoạch chọn lọc, qui hoạch đơn thông số… [5] chỉ còn 4 thông số là góc tạo hình giữa các giai đoạn , bước xuống z, tốc độ tiến dụng cụ V xy , đường kính dụng cụ D, số vòng quay n của dụng cụ có ảnh hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của vật liệu tấm kim loại Đây là các thông số có thể điều khiển, được chọn làm thông số đầu vào

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 4

Thông số đầu ra chính là khả năng tạo hình (góc tạo hình ).

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về công nghệ MSPIF

Các nghiên cứu của nhóm N.Bay cùng cộng sự [6] Technical University of Denmark đã thực hiện thành công việc ứng dụng SPIF nhiều giai đoạn (MSPIF) tạo hình một chiếc cốc hình trụ đáy phẳng với thành thẳng đứng (90 0 ) trên vật liệu AA1050-H111 có bề dày 1 mm, đường kính dụng cụ Φ10, h = 80 mm, r = 80,5 mm, lượng chạy dụng cụ 1000 mm/phút, tốc độ dụng cụ 27 vòng/phút Kết quả chiến lược nhiều giai đoạn được trình bày có thể tạo ra một chiếc cốc có góc vẽ 90° mà trước đây không thể thực hiện được Nó chứng tỏ rằng các biến dạng ở xa biến dạng phẳng có thể đạt được trong SPIF và các đường biến dạng có thể khác xa với tuyến tính Sự phân bố của các biến dạng không chỉ phụ thuộc vào hình dạng của đường chạy dao mà còn phụ thuộc vào hướng (đi xuống hoặc đi lên) Chiến lược đề xuất cần được hoàn thiện bằng nghiên cứu sâu hơn nhưng đưa ra một khái niệm đầy hứa hẹn để tạo thành các bộ phận chi tiết có cạnh thẳng đứng trong SPIF

Trong bài báo [7], tác giả đã trình bày một chiến lược mới cho việc tạo hình tấm bằng công nghệ (SPIF) Quá trình tạo hình này liên quan đến việc sử dụng các mặt phẳng đường dẫn không nằm ngang của đầu công cụ và được định hướng để tạo ra các phần tường dốc Trong hầu hết các hoạt động SPIF, một tập hợp các đường dẫn công cụ đường viền khép kín tồn tại trên các mặt phẳng ngang hoặc đường dẫn công cụ xoắn ốc được nội suy từ các đường viền đã được sử dụng Khi quy trình là hoạt động một bước, độ dày cuối cùng sau khi tạo hình có thể được dự đoán bằng cách sử dụng định luật hình sin Luật gợi ý rằng độ dày cuối cùng của một vách thẳng đứng trở thành không Do đó, không thể tạo ra các vách dốc hoặc thẳng đứng thông qua SPIF một bước Vách đứng chỉ được tạo ra bằng phương pháp chia nhiều giai đoạn MSPIF Mục đích của nghiên cứu này là điều khiển sự dịch chuyển vật liệu bằng cách sửa đổi hướng của các mặt phẳng đường dẫn của đầu công cụ và phát triển quy trình để tạo ra các phần tường dốc Cách tiếp cận nhiều bước này đã được áp dụng cho việc tạo chiếc cốc vuông và sự phân bố độ dày đã được kiểm tra trên chi tiết

Trong nghiên cứu [8] này, các thí nghiệm được thực hiện cho các góc độ khác nhau, các tốc độ quay khác nhau và các giá trị kích thước giảm hai bậc ở tốc độ di chuyển của dụng cụ không đổi là 1000mm/phút đối với tấm thép không gỉ AISI304 có độ dày 0,8mm

- Trong quy trình một giai đoạn, đối với góc tường 60 0 và 65 0 , độ sâu chi tiết 45mm đã đạt được thành công đối với tốc độ quay của dụng cụ là 600 vòng/phút và kích thước bước giảm 0,5mm

- Trong quy trình nhiều giai đoạn, đối với góc tường 70 0 , độ sâu chi tiết tối đa là 21,3 mm đạt được trước khi bị phá hủy ở tốc độ quay của dụng cụ là 1000 vòng/phút với kích thước bước giảm 0,5 mm

- Nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện bằng cách tăng kích thước bước xuống 0,6mm với cùng các tham số quy trình được sử dụng cho nhiều giai đoạn dẫn đến giảm độ sâu bộ phận cần thiết

- Nghiên cứu sâu hơn về quá trình hình thành gia tăng năm giai đoạn đang được tiến hành

1.2.2 Các nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu công nghệ MSPIF hiện còn rất hạn chế tại nước ta Phần lớn các nghiên cứu tạo hình tấm không dùng khuôn đã được thực hiện trên công nghệ SPIF và hot SPIF Các nghiên cứu tạo hình tấm đã thực hiện trên vật liệu: thép, hợp kim nhôm, thép không gỉ SUS304, Hợp kim Titan, PVC, Composite, … điển hình như:

Từ năm 2008, nhóm nghiên cứu công nghệ SPIF tại PTN Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống, ĐHQG TP.HCM đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm trên máy phay CNC Bridgeport với vật liệu hợp kim nhôm A1050-H14 và thép tấm SS330

Từ năm 2010 đến năm 2012, nhóm đã thiết kế và chế tạo được 3 máy chuyên dùng SPIF sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm và sản xuất Đã công bố một số nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng để xác định khả năng tạo hình (góc tạo hình ), độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt dưới ảnh hưởng của các chế độ tạo hình trên vật liệu hợp kim nhôm A1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS304 với các mẫu thí nghiệm có dạng côn cung tròn và côn thẳng thông qua các công bố trong và ngoài nước:

Trong những năm 2014, 2016 nhóm cũng đã công bố vài bài báo trên tạp chí quốc tế và tham gia các hội nghị quốc tế để trình bày các nghiên cứu chuyên biệt của mình

Các tác giả trong [9], đã dùng một biện pháp tối ưu hóa các thông số công nghệ để cải thiện khả năng định hình của tấm thép không gỉ SUS 304 bằng công nghệ SPIF Sau khi tối ưu phương trình hồi quy góc biến dạng của inox SUS304 để đạt được bộ thông số tạo hình tối ưu, ta có thể rút ra kết luận: Đối với thép không gỉ SUS304, cần chọn giá trị nhỏ nhất của tất cả các thông số tạo hình để có được góc biến dạng lớn nhất Do đó, bước tiến thẳng đứng ∆z sau mỗi chu kỳ, đường kính dao D, tốc độ chạy dao vxy và số vòng quay của dao hoặc trục chính n phải càng nhỏ càng tốt Như vậy năng suất khả năng biến dạng cực đại của inox SUS304 sẽ thấp nhất Mặt khác, năng lượng tạo hình cũng thấp và tuổi thọ của máy SPIF sẽ kéo dài

Trong [10], các tác giả đã ứng dụng Hot Single Point Incremental Forming (HOT SPIF) là công nghệ mới tạo hình tấm kim loại ở nhiệt độ cao, đặc biệt đối với các vật liệu cứng, độ bền cao khó thực hiện ở nhiệt độ thường như Titanium và các vật liệu khác Bài báo trình bày ứng dụng phương pháp mô phỏng xác định khả năng biến dạng của tấm Titan thông qua góc biến dạng αmax của biên dạng bên của mô hình dưới tác dụng của đường kính dao D (mm), bước dao theo phương z VZ (mm), vận tốc chạy dao Vxy (mm/phút), nhiệt độ T( 0 C) Nội dung của bài báo này bao gồm phân tích ảnh hưởng của 4 tham số trên bằng cách xây dựng mô hình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để xác định khả năng biến dạng hoặc góc tạo hình bên lớn nhất và so sánh độ chính xác của mô hình FEM với mô hình của mô hình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính (CAD) Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của 4 thông số đến khả năng tạo hình của tấm Titanium bằng HOT SPIF Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy đường kính D của dụng cụ và nhiệt độ T của tấm Titan có mối tương quan thuận với khả năng biến dạng (góc ) trong khi đó Độ sâu bước Vz và Tốc độ nạp Vxy của là âm đối với góc Trong thực tế, với mục đích tăng khả năng biến dạng , ta nên sử dụng dao lớn hơn ở nhiệt độ cao nhưng đường kính D của dao không thể tùy ý tăng lên vì kéo theo đó là tăng lực tạo hình và công nghệ SPIF không thể thực hiện bán kính nhỏ của sản phẩm Sự gia tăng nhiệt độ T của tấm bị ảnh hưởng bởi các tính chất cơ học của dụng cụ và nó phải được giới hạn Việc giảm tốc độ nạp và độ sâu bước sẽ dẫn đến giảm năng suất của quy trình Trong tương lai có thể thực hiện mô phỏng trước khi gia công sẽ tiết kiệm chi phí kiểm tra, tiết kiệm thời gian và chi phí gia công

Các tác giả trong [11], đã thực hiện nghiên cứu khả năng định hình của tấm PVC trong công nghệ tạo hình gia tăng điểm đơn (SPIF) Kết luận một điểm cơ bản: Khả năng định hình của tấm PVC tỷ lệ thuận với cả 4 thông số ảnh hưởng đã chọn như bước tiến Δz củng dụng cụ, đường kính của dụng cụ d, vận tốc của dụng cụ v và nhiệt độ T của phôi PVC, do đó để tăng khả năng định hình của tấm PVC ta phải tăng tất cả các thông số này (Δz=1.2mm; dmm; v%00mm/min; T` 0 C) và 60 0 C là nhiệt độ tối đa mà ta có thể chọn

Trong [12], Các nghiên cứu về lý thuyết và mô phỏng đối với vật liệu composite chưa xây dựng được mô hình phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tạo hình của các loại vật liệu Bài báo tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của thông số nhiệt độ đến khả năng tạo hình tấm composite trong phương pháp tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm, xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, phân tích với mô hình giả lập, xác định góc biến dạng giới hạn tạo hình theo các nhiệt độ và xây dựng được biểu đồ giới hạn tạo hình vật liệu composite nền nhựa polypropylen (PP) sợi thủy tinh loại E Trong khoảng nhiệt độ 140 đến 160 0 C, góc tạo hình giới hạn khá tốt (maxu độ)

Vì vậy, kết quả có thể được sử dụng để thực hiện quá trình SPIF cho tấm composite trong khoảng nhiệt độ đó

Tóm lại, qua phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét sau:

− Tuy có nhiều công trình nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và độ nhám bề mặt sản phẩm dạng tấm trong gia công tạo hình MSPIF nhưng các nghiên cứu đều mang tính đơn lẻ, chưa có các nghiên cứu tổng thể cho các nhóm vật liệu

Tổng quan về vật liệu thép không gỉ

1.3.1 Lịch sử, khái niệm và phân loại thép không gỉ [13], [14], [27]

Thép không gỉ gắn liền với tên tuổi của một chuyên gia ngành thép người Anh là ông Harry Brearley Khi vào năm 1913, ông đã sáng chế ra một loại thép đặc biệt có khả năng chịu mài mòn cao, bằng việc giảm hàm lượng Carbon xuống và cho Chrom vào trong thành phần thép (0.24% C và 12.8% Cr)

Sau đó hãng thép ThyssenKrupp ở Đức tiếp tục cải tiến loại thép này bằng việc cho thêm nguyên tố Niken vào thép để tăng khả năng chống ăn mòn acid và làm mềm hơn để dễ gia công Trên cơ sở hai phát minh này mà hai loại mác thép 400 và 300 ra đời ngay trước Chiến tranh thế giới lần thứ nhất Sau chiến tranh, những năm 20 của thế kỷ 20, một chuyên gia ngành thép người Anh là ông W H Hatfield tiếp tục nghiên cứu, phát triển các ý tưởng về thép không gỉ Bằng việc kết hợp các tỉ lệ khác nhau giữa ni ken và crôm trong thành phần thép, ông đã cho ra đời một loại thép không gỉ mới 18/8 với tỉ lệ 8% Ni và 18%

Cr, chính là mác thép 304 quen thuộc ngày nay Ông cũng là người phát minh

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 8 ra loại thép 321 bằng cách cho thêm thành phần Titanium vào thép có tỉ lệ 18/8 nói trên

Trải qua gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau

Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ (inox) được dùng để chỉ một dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% Chrom Tên gọi là "thép không gỉ" nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt không bị biến màu hay bị ăn mòn dễ dàng như là các loại thép thông thường khác Vật liệu này cũng có thể gọi là thép chống ăn mòn Thông thường, có nhiều cách khác nhau để ứng dụng inox cho những bề mặt khác nhau để tăng tuổi thọ của vật dụng Trong đời sống, chúng xuất hiện ở khắp nơi như những lưỡi dao cắt hoặc dây đeo đồng hồ

Thép không gỉ có khả năng chống sự oxy hóa và ăn mòn rất cao, tuy nhiên sự lựa chọn đúng chủng loại và các thông số kỹ thuật của chúng để phù hợp vào từng trường hợp cụ thể là rất quan trọng

Khả năng chống lại oxy hóa từ không khí xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ có được nhờ vào tỷ lệ Chrom có trong hợp kim (nhỏ nhất là 13% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường làm việc khắc nghiệt) Trạng thái bị oxy hóa của crôm thường là Chrom oxide(III) Khi crôm trong hợp kim thép tiếp xúc với không khí thì một lớp chrom III oxide rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu; lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, có nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng Tuy nhiên, chúng lại hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ được lớp thép bên dưới Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu Có thể thấy hiện tượng này đối với một số kim loại khác như ở nhôm và kẽm

Khi những vật thể làm bằng thép không gỉ được liên kết lại với nhau với lực tác dụng như bu lông và đinh tán thì lớp oxide của chúng có thể bị bay mất ngay tại các vị trí mà chúng liên kết với nhau Khi tháo rời chúng ra thì có thể thấy các vị trí đó bị ăn mòn

Niken cũng như mô-lip-đen và vanadi cũng có tính năng oxy hóa chống gỉ tương tự nhưng không được sử dụng rộng rãi

Bên cạnh crôm, niken cũng như mô-lip-đen và ni tơ cũng có tính năng oxi hoá chống gỉ tương tự

Niken (Ni) là thành phần thông dụng để tăng cường độ dẻo, dễ uốn, tính tạo hình của thép không gỉ Mô-lip-đen (Mo) làm cho thép không gỉ có khả năng chịu ăn mòn cao trong môi trường acid Ni tơ (N) tạo ra sự ổn định cho thép không gỉ ở nhiệt độ âm (môi trường lạnh)

Sự tham gia khác nhau của các thành phần crôm, niken, mô-lip-đen, ni tơ dẫn đến các cấu trúc tinh thể khác nhau tạo ra tính chất cơ lý khác nhau của thép không gỉ

▪ Khái niệm về thép không gỉ

Thép không gỉ hay còn gọi là inox (inert oxidized steel-không bị oxy hóa) là loại thép có chứa tối thiểu khoảng 10,5% Crom và các nguyên tố hợp kim khác như: Ni, Mo, Mn, Si… Thép không gỉ có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường axit đặc, chịu mài mòn, độ bền cao, chịu nhiệt tốt, không gỉ sét trong nước biển, và không bị oxy hóa ở nhiệt độ cao

▪ Phân loại thép không gỉ

Có bốn loại thép không gỉ chính: Austenitic, Ferritic, Austenitic-Ferritic (Duplex) và Martensitic

Austenitic là loại thép không gỉ thông dụng nhất Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 301, 304, 304L, 316, 316L, 321, 310s… Loại này có chứa tối thiểu 7% ni ken, 16% crôm, carbon (C) 0.08% max Thành phần như vậy tạo ra cho loại thép này có khả năng chịu ăn mòn cao trong phạm vi nhiệt độ khá rộng, không bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn, dễ hàn Loại thép này được sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, các công trình xây dựng khác…

Thép có kiểu mạng lập phương tâm mặt nên thép có tính dẻo cao, có khả năng hóa bền biến dạng mạnh Tuy dẻo nhưng lại khó biến dạng nguội (uốn, gò) song lại làm tăng mạnh độ bền, độ cứng cho sản phẩm Thép này có tổ chức một pha nên không thể hóa bền bằng nhiệt luyện Để nâng cao tính chống mài mòn phải làm cho thép có một pha austenit đồng nhất Khi nung lên đến một nhiệt độ nhất định thép này có thể tiết cacbit crom ở biên giới hạt làm tăng nguy

Hình 1 3: Lập phương tâm mặt Austenitic [27]

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 10 cơ ăn mòn biên giới hạt Để khắc phục hiện tượng này có thể cho thêm một số nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti hay Nb

Ferritic là loại thép không gỉ có tính chất cơ lý tương tự thép mềm, nhưng có khả năng chịu ăn mòn cao hơn thép mềm (thép carbon thấp) Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 430, 410, 409 Loại này có chứa khoảng 12% - 17% crôm Loại này, với 12%Cr thường được ứng dụng nhiều trong kiến trúc Loại có chứa khoảng 17%Cr được sử dụng để làm đồ gia dụng, nồi hơi, máy giặt, các kiến trúc trong nhà

Austenitic-Ferritic (Duplex) Đây là loại thép có tính chất "ở giữa" loại

Ferritic và Austenitic có tên gọi chung là DUPLEX Thuộc dòng này có thể kể ra LDX 2101, SAF 2304, 2205, 253MA Loại thép duplex có chứa thành phần

Ni ít hơn nhiều so với loại Austenitic DUPLEX có đặc tính tiêu biểu là độ bền chịu lực cao và độ mềm dẻo được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp hoá dầu, sản xuất giấy, bột giấy, chế tạo tàu biển Trong tình hình giá thép không gỉ leo thang do ni ken khan hiếm thì dòng DUPLEX đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn để thay thế cho một số mác thép thuộc dòng thép Austenitic như SUS 304, 304L, 316, 316L, 310s…

Hình 1 4: Lập phương tâm khối Ferritic [27]

Tính cấp thiết của đề tài

Tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn Multistage Single Point Incremental Forming (MSPIF) là một quy trình sản xuất hiện đại cho phép sản xuất số lượng nhỏ các bộ phận dạng tấm phức tạp không dùng khuôn Luận văn này tập trung vào khảo sát khả năng tạo hình của công nghệ MSPIF trên thép tấm không gỉ SUS304 bao gồm phân tích và đánh giá một cách khách quan về nguyên lý tạo hình MSPIF bằng phương pháp mô phỏng, quy hoạch kết quả mô phỏng và chọn bộ thông số ảnh hưởng lớn nhất để chạy thực nghiệm nhằm đối chứng kết quả chạy trên mô phỏng Các yếu tố đầu ra là khả năng tạo hình (góc tạo hình ).

Nhiệm vụ nghiên cứu

Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ tạo hình biến dạng cục bộ liên tục bằng MSPIF với khả năng tạo hình (góc tạo hình ) tạo hình trên thép không gỉ SUS304 bằng phương pháp mô phỏng số và thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là khả năng tạo hình của MSPIF theo các thông số công nghệ như:  giữa các giai đoạn, bước xuống  z , tốc độ tiến dụng cụ V xy , đường kính dụng cụ D, số vòng quay n của dụng cụ Sau đó chạy thực nghiệm với cùng thông số để kiểm chứng kết quả

Sử dụng phương pháp mô phỏng số với phần mềm ABAQUS xác định góc tạo hình ban đầu 0 bằng công nghệ SPIF trên mẫu côn cong Sau đó xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ như:  giữa các giai đoạn, bước xuống  z , tốc độ tiến dụng cụ V xy , đường kính dụng cụ D, số vòng quay n của dụng cụ làm thông số đầu vào cho công nghệ tạo hình biến dạng cục bộ liên tục nhiều giai đoạn MSPIF để xác định khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trên vật liệu tấm SUS304

Qui hoạch các kết quả mô phỏng số, thiết lập phương trình hồi quy, xác định các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 18 muốn, từ đó rút ra kết luận về việc chọn bộ thông số công nghệ tạo hình MSPIF tối ưu cho vật liệu tấm SUS304 đồng thời so sánh kết quả với SPIF cổ điển trong cùng điều kiện tạo hình

Chạy thực nghiệm với bộ thông số ảnh hưởng lớn để kiểm chứng kết quả chạy mô phỏng

1.5.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của thép không gỉ SUS304 bằng mô phỏng trên phần mềm ABAQUS, sau đó chạy thực nghiệm trên thép không gỉ SUS304 thông dụng có trên thị trường

Giới hạn phạm vi nghiên cứu: đầu dụng cụ hình cầu, vật liệu tấm được kéo theo 3 phương để lấy giá trị trung bình, bề dầy tấm, hệ số ma sát được xem như đồng đều và được bôi trơn tốt (do dụng cụ luôn ở vị trí thấp nhất nơi tồn đọng chất bôi trơn), nhiệt độ trong phạm vi cho phép (ảnh hưởng không đáng kể lên các thông số đầu ra).

Phương pháp nghiên cứu

▪ Lý thuyết dẻo Ludwik [16] được dùng làm cơ sở cho biến dạng SPIF và cơ sở lý thuyết SPIF [4], [19]

▪ Sử dụng phầm mềm CAD-CAM chuyên dùng để thiết kế mô hình và xuất mã G-code và sử dụng phần mềm Matlab để xuất ra mã G-code làm dữ liệu đầu vào cho phần mềm Abacus trước khi mô phỏng

▪ Phần mềm ABAQUS được sử dụng để thực hiện mô phỏng số quá trình tạo hình SPIF, xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong MSPIF

▪ Quy hoạch các kết quả mô phỏng số bằng tính toán và bằng phần mềm Minitab để thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là khả năng tạo hình và thời gian tạo hình

Trong chương đầu tiên luận văn đã trình bày:

▪ Công nghệ tạo hình tấm không dùng khuôn ISF

▪ Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ MSPIF

▪ Tình hình nghiên cứu MSPIF trên thế giới và trong nước

Sau khi khảo sát các công trình nghiên cứu MSPIF trên nền tảng công nghệ SPIF đã thực hiện trong những năm gần đây, luận văn tập trung nghiên cứu lựa chọn, điều khiển một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến hàm mục tiêu góc tạo hình α (là góc hợp bởi tiếp tuyến của bề mặt tạo hình và phương ngang)

Sau cùng, việc chọn vật liệu trong tạo hình mẫu bằng công nghệ MSPIF, mà luận văn sử dụng trong mô phỏng cũng như thực nghiệm được lựa chọn dựa vào vật liệu tấm hiện được dùng phổ biến trong kỹ nghệ trong nước cũng như quốc tế:

▪ Tổng quan về thép không gỉ, đại diện là thép SUS304 (tiêu chuẩn JIS) đại diện cho các loại thép không gỉ rất phổ biến trong sản xuất: dụng cụ gia đình, vỏ cabin thang máy, vỏ máy, thiết bị thực phẩm… hiện nay do tính dẻo, dể biến dạng và không bị oxy hóa

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH TẤM SUS304 BẰNG CÔNG NGHỆ MSPIF

Biến dạng đàn dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo

Biến dạng đàn dẻo là hiện tượng biến dạng có đàn hồi với lượng phục hồi rất bé, do đó định luật Hooke không còn phù hợp như đối với miền đàn hồi nữa Biến dạng đàn dẻo cần phải được nghiên cứu trong bài toán SPIF vì đây một quá trình biến dạng dẻo phức tạp có cả hiện tượng hồi phục sau tạo hình làm giảm độ chính xác về kích thước cũng như hình dạng sản phẩm Hình 2.1 trình bày các mô hình dẻo lý thuyết và thực nghiệm

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo đã được nghiên cứu thực nghiệm cách đây hơn một thế kỷ, Ludwik [16] Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển Hầu hết các công trì đã đưa ra phương trình đường Đường cong dẻo lý thuyết [26] và thực nghiệm của thép không gỉ

 Hình 2 1: Mô hình biến dạng dẻo được chọn do phù hợp với lý thuyết và kết quả kéo thép không gỉ SUS304 tại PTN Công Nghệ Vật Liệu

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 21 cong ứng suất và biến dạng thực cho phép ta xác định chính xác giá trị ứng suất cần thiết để tạo biến dạng chảy dẻo của vật liệu Phương trình Ludwik-Hollomon là phương trình hàm mũ có dạng: σ = σ 0 + kε n (2.1) k: hệ số đặc trưng của vật liệu dẻo; n: hệ số mũ biến dạng n Create để tạo mô hình mới

- Trong hộp thoại Create Part, ta có thể xác định tên của mô hình, kích thước bao, loại và đặc tính cơ bản Ta có thể thay đổi tên của mô hình sau này nhưng các thông số khác sẽ không thay đổi được

- Chi tiết được đặt tên là Sheet Chi tiết được tạo trong môi trường 3D, kiểu biến dạng được (deformation), loại khối (Solid)

- Nhấp nút Continue để thoát ra Lúc này ABAQUS tự động hiện ra khung để ta vẽ phác thảo biên dạng 2D trước khi tạo khối 3D Hộp công cụ vẽ phác thảo xuất hiện ở góc trái của màn hình chính, đồng thời các khung lưới cũng xuất hiện trong khung nhìn Hộp công cụ vẽ phác bao gồm các công cụ cơ bản cho phép ta phác thảo biên dạng hai chiều của chi tiết ABAQUS/CAE tự động chuyển sang chế độ vẽ phác mỗi khi tạo hay chỉnh sửa một chi tiết Để kết thúc một thao tác trong khi vẽ phác, ta bấm chuột phải vào vùng lưới và chọn Cancel

Procedure Để kết thúc một thao tác trong khi vẽ phác, ta bấm chuột phải vào vùng lưới và chọn Cancel Procedure

- Nhấp nút Continue để thoát ra Lúc này ABAQUS tự động hiện ra khung để ta vẽ phác thảo biên dạng 2D trước khi tạo khối 3D Hộp công cụ vẽ phác thảo xuất hiện ở góc trái của màn hình chính, đồng thời các khung lưới cũng xuất hiện trong khung nhìn

- Hộp công cụ vẽ phác bao gồm các công cụ cơ bản cho phép ta phác thảo biên dạng hai chiều của chi tiết ABAQUS/CAE tự động chuyển sang chế độ vẽ phác mỗi khi tạo hay chỉnh sửa một chi tiết Để kết thúc một thao tác trong khi vẽ phác, ta bấm chuột phải vào vùng lưới và chọn Cancel Procedure Để kết thúc một thao tác trong khi vẽ phác, ta bấm chuột phải vào vùng lưới và chọn Cancel Procedure

Hình 3 12: Hộp thoại Create Part

- Để tạo biên dạng của vật liệu tấm, ta cần vẽ một hình chữ nhật Ta chọn biểu tượng hình chữ nhật trên thanh công cụ vẽ phác

- Trong khung nhìn, vẽ một hình vuông như hình 3.14, ở đây cúng ta dung phối hợp các lệnh để vẽ và cân chỉnh hình: create line: Rectangle, Creat construction, Add constraint (chọn Fixed), Add dimention, …

- Nhấp nút Done ở vùng gõ lệnh prompt ở góc dưới bên trái màn hình phác thảo để hoàn thành biên dạng 2D

Hình 3 14: Hình vuông đã được vẽ Hình 3 13: Vùng khung lưới là vùng vẽ phát

- Vì ta tạo một khối đùn (extrude) nên sau khi thoát ra khỏi màn hình vẽ phác, ABAQUS sẽ yêu cầu nhập vào thông số bề dày của khối đùn

Ta nhập vào đó giá trị 0.4 và bấm Enter Kết quả như hình 3.15

- Trước khi qua bước tiếp theo ta tiến hành lưu lại chi tiết Chọn File >

Save, hộp thoại Save As hiện ra, ta đặt tên, chọn thư mục lưu và bấm

- Tương tự các bước ta tạo dụng cụ và tấm đế Dụng cụ và tấm đế được định nghĩa cứng tuyệt đối (Analytical rigid)

Hình 3 15: Hình dạng 3D của tấm cần mô phỏng

Hình 3 16: Hình Hộp thoại khai báo cho dụng cụ và tấm đế

- Mặt Sketch của dụng cụ R = 2.5mm như hình 3.17:

- Dụng cụ sau khi tạo hình có kết quả như hình 3.18

- Chọn điểm tham chiếu (Reference Point) để gán điều kiện biên và di chuyển dụng cụ Vào thanh công cụ phía trên chọn Tool > Reference Point và nhập tạo độ điểm tham chiếu vào ô phía dưới xuất hiện sau đó là X,Y,Z (0,0,0)

Hình 3 17: Sketch của dụng cụ R2.5

Hình 3 18: Hình dạng 3D dụng cụ và điểm tham chiếu

- Mặt Sketch của tấm đế như hình 3.19:

- Tấm đế sau khi tạo hình như hình 3.20:

3) Tạo vật liệu chi tiết mô phỏng

Ta dùng mô-đun Property để tạo vật liệu và xác định các đặc tính của nó Để tạo vật liệu cho chi tiết ta tiến hành các bước:

- Trong danh sách Module trên thanh công cụ chọn Property để vào mô-đun Property

- Từ thanh menu chính, chọn Material > Create để tạo vật liệu, hộp thoại Create Material xuất hiện hình 3.21

Hình 3 19: Sketch của tấm đế

Hình 3 20: Hình dạng 3D của tấm đế và điểm tham chiếu

- Trong hộp thoại này ta đặt tên vật liệu là SUS304 và chọn nút

Continue , trong khung Description ta có thể nhập các miêu tả về loại vật liệu

- Gán các đặc tính định tính của vật liệu: o Khối lượng riêng: General/Density/gán giá trị: 7.9E-09 o Mô đun đàn hồi: General/Mechanical/Elasticity/Elastic: Young’s Modulus: 130 000; Poisson’s Ratio: 0.3 o Ứng suất chảy dẻo và hệ số giãn dài bảng 3.4

- Sau khi nhập các giá trị ta nhấp chọn OK để chấp nhận và thoát ra

4) Xác định và gán các đặc tính bộ phận

Sau khi thiết lập các thông số vật liệu, nhiệm vụ tiếp theo là tạo một bộ phận có đặc tính của vật liệu đó Các bộ phận này được tạo ra để gán cho mô hình 3D đã vẽ trước đó ABAQUS sẽ hiểu mô hình mà ta nhìn thấy dưới dạng ghép nối các bộ phận với các thiết lập vật liệu đã gán cho bộ phận đó Để tạo một bộ phận ta phải xác định bộ phận đó thuộc dạng gì (khối đặc, tấm, xà, …)

Xác định một bộ phận khối đồng nhất

Hình 3 21: Hộp thoại Create Material

- Từ thanh menu chính, chọn Section > Create Hộp thoại Create Section xuất hiện

- Trong hộp thoại này, ta đặt tên cho bộ phận sắp tạo là Section-1 Chọn các tùy chọn Solid và Homogeneous (khối đặc và đồng nhất) Sau đó nhấp chọn Continue… Hộp thoại Edit Section xuất hiện

- Trong hộp thoại Edit Section : a Gán vật liệu là SUS304 cho phần section này b Chọn giá trị bề dày là 0.4 c Chọn OK để chấp nhận

5) Gán bộ phận vừa tạo cho tấm

Ta dùng menu Assign trên mô-đun Property để gán bộ phận Section -1vừa tạo cho dầm

- Trên thanh menu chọn Assign > Section

- Chọn bất kỳ nơi nào trên tấm để chọn vùng sẽ đƣợc gắn kết với bộ phận Section-1 Do ta chọn đặc tính của bộ phận Section-1 là khối đặc đồng nhất nên ABAQUS sẽ đánh dấu cả tấm

- Nhấp chọn Done trong vùng gợi ý để chấp nhận khối hình học được chọn Hộp thoại Assign Section xuất hiện bao gồm tất cả các bộ phận hiện có

- Chọn gán bộ phận Section-1 vào khối hình học dầm và nhấp OK

Hình 3 22: Hộp thoại Create Section

Mỗi chi tiết tạo ra được định hướng trên hệ trục tọa độ của chính nó và độc lập với các chi tiết khác trong mô hình Ta dùng mô-đun Assembly để xác định hình dạng hoàn thành của mô hình (hình dạng đã được lắp ráp) Để thực hiện điều này, ta tạo các đối tượng trên mỗi chi tiết và sau đó định hướng các đối tượng này tương đối với nhau trên hệ trục tọa độ chung Để lắp ráp mô hình (hình 3.23):

- Trên danh sách mô-đun, chọn Assembly

- Trên thanh công cụ chọn Instance > Create Hộp thoại Create Instance xuất hiện Trong hộp thoại hiện ra, chọn Sheet, Tool, Support và bấm

- Sử dụng các chức năng công cụ Instance và Constrain trên menu ba bên trái để lắp ráp vị trí của tấm và dụng cụ theo toạ độ ban đầu trong file NC

- Để dễ đặt điều kiện biên và không bị lỗi khi mô phỏng ta phải tạo các Sets và mặt (Sets và Surface) để gán điều kiện biên ở các bước sau

- Trên danh sách mô-đun, chọn Assembly > Sets > Create

- Trong hộp thoại hiện ra ta đặt tên mặt Nhấp Continue và chọn mặt phẳng cần thiết lập Riêng đối với dụng cụ và tấm đế do quy về một điểm tham chiếu nên chỉ cần chọn điểm tham chiếu Nhấp Done để hoàn thành\ Tương tự ta tạo các mặt (Surface) để gán điều kiện tương tác giữa các mặt

Hình 3 23: Lắp ráp vị trí của tấm và dụng cụ tại vị trí như hình

Tạo một bước phân tích Để tạo một bước phân tích tĩnh tổng quát:

- Chọn mô-đun Step trên danh sách mô-đun

Thực nghiệm SPIF để xác định góc tạo hình ban đầu (0)

Mục tiêu thực nghiệm để so sánh với kết quả mô phỏng Để tiến hành thưc nghiệm, tác giả đã sử dụng máy CNC 5 trục hiệu MORI SEIKI và thực hiện tại Xưởng cơ khí – Trường Đại học Công nghệ Sài Gòn

Hình 3 51: Đồ gá mẫu chuyên dụng SPIF

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 88 Đồ gá SPIF dùng kẹp tấm mẫu (hình 3.51) được kiểm tra độ cứng vững bằng cách đo chuyển vị và mô phỏng chuyển vị khi chịu lực lúc tạo hình Ngoài ra việc tính toán độ cứng vững của đồ gá và dụng cụ còn được khảo sát trong [4]

Dụng cụ tạo hình (hình 3.52) có hình trụ đầu bán cầu được chế tạo từ thanh trụ thép kéo HSS đã nhiệt luyện Đầu bán cầu được mài thô sau đó mài tinh trên một đồ gá mài đặc biệt bảo đảm độ nhám đầu bán cầu đạt Ra1.25 và có độ chính xác cao về hình học và kích thước Thân dụng cụ được kẹp vào lỗ côn trục chính bằng kẹp rút nhằm bảo đảm độ đồng tâm

3 Bộ thông số chạy thực nghiệm SPIF theo bảng 3.5

Hình 3 52: Dụng cụ tạo hình và kẹp rút sử dụng trong thực nghiệm tại Xưởng

Bảng 3 9: Xác định thông số α0 để tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

Chọn góc tạo hình ban đầu α0 ( 0 ) 67

Bảng 3 7 Chọn thông số tạo hình phù hợp cho từng loại vật liệuBảng 3.6 Xác định thông số α0 để tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Kết quả mô phỏng Kết quả thực nghiệm

Chọn góc tạo hình ban đầu α0 ( 0 ) 67

4 Thực hiện trên máy phay CNC

5 Kết quả sản phẩm sau khi chạy SPIF trên máy phay CNC

Dựa vào công thức (3.4), với z0 = -17.5 mm (hình 3.54), R = 30 mm ta tính được góc biến dạng:

K ẾT LUẬN: Sau khi thự hiện chạy mô phỏng và chạy thực nghiệm SPIF trên vật liệu tấm SUS304, mẫu côn cong Kết quả góc tạo hình giữa hai phương pháp khác nhau như bảng 3.9:

(a) Đồ gá tấm gia công (b) Máy CNC

Hình 3 53: Chạy SPIF trên máy CNC

Hình 3 54: Mẫu sản phẩm côn cong sau khi chạy SPIF

Khảo sát mô phỏng khả năng tạo hình tấm SUS304 bằng công nghệ MSPIF

Công nghệ MSPIF dựa trên nền tảng của công nghệ SPIF thực hiện tạo hình vật liệu tấm không dùng khuôn qua nhiều giai đoạn bằng công nghệ SPIF

Sử dụng phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm ABAQUS để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ như góc α giữa các giai đoạn, bước xuống z, tốc độ tiến dụng cụ V xy , đường kính dụng cụ D của dụng cụ cho vật liệu thép không gỉ SUS304 với ứng suất và biến dạng trong tấm Thông qua giới hạn phá hủy của vật liệu đã biết trước từ dữ liệu của vật liệu, khai báo cho ABAQUS, giá trị ứng suất thực và biến dạng nhận được trên mẫu mô phỏng dùng để xác định góc giới hạn tạo hình tại vị trí mẫu rách trong mô phỏng do tại đó ứng suất vượt quá giá trị giới hạn

3.4.1 Các điều kiện biên trong mô phỏng cần phù hợp với thực nghiệm Đồ gá kẹp tấm được đo độ cứng vững trước và trong lúc tạo hình bằng thực nghiệm cùng với mô phỏng biến dạng của đồ gá cho thấy trong cả 2 trường hợp mô phỏng và thực nghiệm đồ gá xem như cứng vững tuyệt đối do độ lún và biến dạng không đáng kể

3.4.2 Thống nhất các thông số tạo hình trong mô phỏng và thực nghiệm

Như đã trình bày trong chương 2 phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố từng phần được chọn cùng các giá trị với quy hoạch kết quả mô phỏng để số lượng thí nghiệm tối thiểu và dễ dàng so sánh kết quả

Mô phỏng, thực nghiệm tạo hình, phương pháp nào cũng tốn nhiều thời gian và công sức nên trước khi thực hiện cần chọn phương pháp quy hoạch nào hiệu quả nhất, ít mẫu thử nhất mà vẫn có thể đạt được kết quả tốt nhất như đã trình bày ở chương trước

3.4.3 Mẫu dùng trong mô phỏng

Mẫu mô phỏng có cùng hình dạng và kích thước như mẫu thực nghiệm ở mục 3.1 để tiện so sánh kết quả và tính góc tạo hình tại vị trí mẫu rách khi ứng suất trên mẫu lớn hơn ứng suất giới hạn của vật liệu như hình 3.4

3.4.4 Quy trình khảo sát biến dạng dẻo trong MSPIF bằng phần mềm ABAQUS

Các thông số mục tiêu (thông số đầu ra)

Thông số mục tiêu cũng được chọn như khảo sát mô phỏng và thực nghiệm ở mục 3.1, thông số mục tiêu cần khảo sát khi tạo hình tấm bằng công nghệ MSPIF là:

▪ Góc biến dạng lớn nhất αmax đại diện cho khả năng biến dạng

HVTH: Hồ Hữu Hân Trang 92 Đây là thông số mục tiêu của phương pháp mô phỏng và thực nghiệm trên bộ thông số sau khi đã chọn lọc để kiểm chứng

Thông số ảnh hưởng tạo hình SPIF (thông số đầu vào)

Các thông số tạo hình SPIF dưới đây được khảo sát do có ảnh hưởng lớn đến hàm mục tiêu là các thông số đầu ra: a Góc tạo hình giữa các giai đoạn α, b Bước tiến dụng cụ z (mm), c Đường kính dụng cụ tạo hình D (mm), d Vận tốc tiến dụng cụ Vxy (mm/ph), e Số vòng quay trục chính n (vg/ph), Đây cũng chính là các thông số có thể điều khiển được và có ảnh hưởng trực tiếp đến thông số đầu ra Trong phạm vi giới hạn của phần mềm ABAQUS, mô phỏng số chỉ được dùng để xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình (góc tạo hình )

3.4.5 Xác định thông số ban đầu cho mô phỏng số

Cơ tính của vật liệu được chọn theo bảng 3.1, Do mô phỏng không tạo ra sản phẩm thực nên không thể đo độ nhám bề mặt của kết quả mô phỏng và thời gian mô mỏng phụ thuộc tốc độ máy tính nên chỉ có thông số đầu ra là khả năng tạo hình (góc tạo hình ) được thực hiện Kết hợp với điều kiện thực nghiệm thực tế, cơ tính vật liệu, hệ thống công nghệ và máy tạo hình có thể chọn chế độ tạo hình phù hợp

3.4.6 Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm:

Theo mục 2.6.1, phương pháp quy hoạch thực nghiệm riêng phần được sử dụng trong luận văn này

Bảng 3 10: Chọn thông số tạo hình phù hợp với loại vật liệu

Vật liệu Các thông số ban đầu

Mô hình sử dụng Côn thẳng Độ dày tấm t 0.4 mm

PPQHTN PPQHTN từng phần, 4 nhân tố

Phần mềm mô phỏng ABAQUS/CAE 2020

Góc tạo hình ban đầu

Góc tạo hình giữa các giai đoạn Mức thấp : 5 0 , Mức cao : 10 0

Mức thấp: 0.5 mm, Mức cao: 1 mm Đường kính dụng cụ D Mức thấp: 5 mm, Mức cao: 10 mm

Vận tốc tiến dụng cụ,

Mức thấp: 600 mm/ph, Mức cao: 1200 mm/ph

Vận tốc quay trục chính n Lăn không trượt

Bảng 3 7 Chọn thông số tạo hình phù hợp cho từng loại vật liệu

Vật liệu Các thông số ban đầu

Mô hình sử dụng Côn thẳng Độ dày tấm t 0.4mm

PPQHTN PPQHTN từng phần, 4 nhân tố

Phần mềm mô phỏng ABAQUS/CAE 2020 Góc tạo hình ban đầu 67 0

Góc tạo hình giữa các giai đoạn Mức thấp : 5 0 , Mức cao : 10 0

Mức thấp: 0.5mm, Mức cao: 1mm Đường kính dụng cụ D Mức thấp: 5mm, Mức cao: 10mm

Vận tốc tiến dụng cụ,

Mức thấp: 600 mm/ph, Mức cao: 1200 mm/ph

Bảng 3 11: Mức của các nhân tố

TT Nhân tố Kí hiệu Đơn vị Mức thấp Mức cao

1 Góc tạo hình giữa các giai đoạn α ( 0 ) 5 10

2 Bước tiến dụng cụ theo phương z z mm 0,5 1

3 Dường kính dụng cụ D mm 5 10

4 Tốc độ dụng cụ Vxy mm/vòng 600 1200

Bảng 3.8 Mức của các nhân tố

TT Nhân tố Kí hiệu Đơn vị Mức thấp Mức cao

Thuộc tính các thông số đó được trình bày trong bảng 3.10:

Kết hợp tất cả giá trị có thể của các mức này giữa các nhân tố: khi đó đối với 4 nhân tố thì số thực nghiệm trong TNR là 2 4-1 = 8 Ma trận quy hoạch thực nghiêm cho 4 nhân tố cho trong bảng 3.12:

▪ Số vòng quay n của dụng cụ (vòng/phút): quay lăn không trượt

▪ Góc tạo hình ban đầu sau khi chạy mầu côn cong SPIF α0: 67 0

Khả năng tạo hình tấm thép không gỉ SUS304 (góc biến dạng α ( 0 )) là thông số đáp ứng, không được đo trực tiếp mà suy ra từ các giai đọan gia công

Bảng 3 12: Bảng ma trận thực hiện mô phỏng

Bước xuống dụng cụ Đường kính dụng cụ D

Tốc độ tiến dụng cụ Vxy

Góc gia công giữa các giai đoạn SPIF (MSPIF)

Góc tạo hình MSPIF lớn nhất

1 Góc giữa các giai đoạn gia công MSPIF

Bảng 3.9 Bảng ma trận thực hiện mô phỏng

Bước xuống dụng cụ Đường kính dụng cụ D

Tốc độ tiến dụng cụ Vxy

Góc gia công giữa các giai đoạn SPIF (MSPIF)

Trong đó: H1 = 30, H2 = 30 – 2 = 28, …Hn = H1 – (n-1)*2 α1, α2, … αn theo bảng 3.12

Với mô hình này, kích thước phôi là tấm vuông 130x130x0,4 (mm) Lý do chọn tấm phôi với kích thước này mã vẫn đáp ứng các yêu cầu, nhằm rút ngắn thời gian gia công α n α 1 α 2

Hình 3 55: Kích thước của mô hình CAD

1 Quỹ đạo chạy dao được thiết lập từ phần mềm Matlab:

Hình 3 56: Quỹ đạo chạy dụng cụ MSPIF theo tọa độ xy

Quỹ đạo chạy dụng cụ

Trụ c X Quỹ đạo dụng cụ chạy 5 giai đoạn

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4 Giai đoạn 5

Hình 3 57: Quỹ đạo chạy dụng cụ thực hiện trên 5 giai đoạn

2 Xử lý dữ liệu chạy dao bằng Excel

Bằng các thủ thuật trong Excel, ta nhập các dữ liệu đường chạy dao từ kết quả của phần phấn mềm Matlab Dụng cụ cho phép di chuyển theo phương x, phương y, phương z theo quỹ đạo dụng cụ (từ dữ liệu đường chạy xoắn ốc) theo bước thời gian t Các toạ độ x, y, z này sẽ được gán vào đầu dụng cụ trong mô hình Abaqus Nói cách khác file Excel cho ta bảng liệt kê toạ độ của đầu dụng cụ theo thời gian

Bảng 3 13: Xử lý lọc tọa đọ theo thời gian

Bảng 3.10-1 Xử lý lọc tọa đọ theo thời gian

3.4.9 Kết quả mô phỏng MSPIF trên tấm SUS304

Quá trình thực hiện mô phỏng trình bày chi tiết phụ lục 1

Trong mô phỏng MSPIF, dấu hiệu nhận biết phá huỷ vật liệu được xác định dựa trên việc so sánh ứng suất trên tấm với ứng suất phá huỷ của vật liệu gán cho tấm Khi đến giai đoạn tạo hình tương ứng với αn của MSPIF mà ứng suất trên tấm đạt đến giá trị ứng suất phá huỷ thì tấm bị xem như rách tại vị trí đó, góc αmax cũng được xác định tại giai đoạn xuất hiện vết rách tương tự như trong thực nghiệm

Từ thanh menu chính chọn Result > Field Output để xem các biến có thể hiển thị

▪ Chọn biến cần hiển thị

Trong tab Elements/Nodes Chọn phần tử tại vị trí của tấm bị rách,

▪ Chọn Plot > Save để xem kết quả

Hình 3 58: Chọn giá trị biến cần hiển thị

Hình 3 59: Vị trí tấm bị rách trường hợp 1

Theo biểu đồ ứng suất (hình 3.60) và thí nghiệm 1 (bảng 3.12), trường hợp đang phân tích thì ứng suất vượt quá độ bền kéo là 721MPa (hình 3.4) Tương ứng với giai đoạn

4 của MSPIF có góc tạo hình α4 = 67 0

Hình 3 60: Biểu đồ ứng suất xác định vị trí tấm bị rách trường hợp 1

Bảng 3 14: Giá trị mô phỏng trường hơp 1

STT Yếu tố Kí hiệu Đơn vị Giá trị

1 Góc giữa các giai đoạn α ( 0 ) 5

2 Bước xuống dụng cụ z mm 0.5

3 Đường kính dụng cụ D mm 5

4 Tốc độ tiến dụng cụ Vxy mm/phút 600

Bảng 3.10 Giá trị mô phỏng trường hơp 1

STT Yếu tố Kí hiệu Đơn vị Giá trị

1 Góc giữa các giai đoạn α ( 0 ) 5

2 Bước xuống dụng cụ z mm 0.5

Hình 3 61: Vị trí tấm bị rách trường hợp 2

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG TẠO HÌNH TẤM SUS304 BẰNG CÔNG NGHỆ MSPIF

Thiết lập phương trình hồi qui từ kế quả mô phỏng

4.1.1 Bảng ma trận giá trị kết quả mô phỏng khai báo trong Minitab

4.1.2 Phương trình hồi quy cơ bản bằng Minitab

Bảng 4 1: Bảng ma trận giá trị kết quả mô phỏng

Góc giữa các giai đoạn tạo hình

Bước xuống dụng cụ Đường kính dụng cụ

Tốc độ tiến dụng cụ

Bảng 4.1 Bảng ma trận giá trị kết quả mô phỏng

Hình 4.1: Lập phương án thực nghiệm trên Minitab

▪ Mở phần mềm Minitab (tác giả sử dụng Minitab 18)> tạo thiết kế mới như hình 4.1:

▪ Theo mục 2.6.1 trang 39 và bảng 4.1 ta thực hiện như hình 4.2:

▪ Kết quả sau khai báo thiết kế thực nghiệm trên mô phỏng như hình 4.3

Hình 4 2: Khai báo thiết kế

Hình 4 3: Tóm tắt thiết kế

▪ Chọn hiển thị thiết kế: Stat>DOE>Display Design như hình 4.3

Hình 4 4: Ma trận tự nhiên

Hình 4 5: Ma trận mã hóa

▪ Chọn hiển thị mã hóa thông số thiết kế: Stat>DOE>Display Design như hình 4.5

▪ Nhập các thông số từ bảng kết quả (bảng 4.1) đã chạy thực nghiệm trên mô phỏng vào phần mềm Minitab ta thu được như bảng 4.2

▪ Phân tích thiết kế: Stat>DOE>Factorial>Analyze Factorial Design>Xuất hiện hộp thoại và chọn như hình 4.6

Bảng 4 2: Nhập kết quả góc tạo hình vào Minitab

Góc giữa các giai đoạn

Bước tiến dụng cụ Đường kính dụng cụ

Vận tốc tiến dụng cụ

Bảng 4.4 Nhập kết quả góc tạo hình vào Minitab

Hình 4.6: Khai báo phân tích kết quả trên Minitab

▪ Kết quả chạy trên Minitab, thu được phương trình hồi quy như sau:

2 Phương trình hồi quy dạng tự nhiên:

3 Dựa vào Model Summary (hình 4.7) của Minitab thỏa mãn điều kiện để phân tích các ảnh hưởng, thiết lập phương trình hồi quy và có thể sử dụng mô hình để thiết kế tối ưu

4.1.3 Phân tích ảnh hưởng của các nhân tố từ kết quả thử nghiệm

1 Ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào và hai nhân tố (tương tác đôi) tới góc tạo hình α trên vật liệu tấm SUS304:

Dựa vào biểu đồ Pareto (hình 4.8) và Normal plot (hình 4.9), nhận thấy các nhân tố đầu vào ảnh hưởng lớn đến nhân tố đầu ra góc tạo hình α là:

▪ Nhân tố góc giữa các giai đoạn tạo hình α ảnh hưởng lớn nhất,

Hình 4 8: Biểu đồ Pareto Hình 4 7: Kết quả mô hình phân tích

▪ Ảnh hưởng thứ hai đến góc tạo hình α là nhân tố đường kính dụng cụ

▪ Nhân tố thứ ba là bước tiến dụng cụ z,

▪ kế tiếp ảnh hưởng tương tác giữa 2 nhân tố α và z

▪ Phần mềm Minitab tự loại bỏ nhân tố tốc độ tiến dụng cụ Vxy, vó nó ít ảnh hưởng đến khả năng tạo hình α

▪ Kết quả sau khi lọc các nhân tố, các nhân tố tương tác ít ảnh hưởng và thu được phương trình hồi quy rút gọn (4.1)

Hình 4 9: Biểu đồ cho biết mức quan hệ tỷ lệ

Hình 4 10: Hộp thoại Cube Plot

4.1.4 Chọn điều kiện tối ưu Điều kiện tối ưu của thử nghiệm: ít lỗi nhất, lọc các nhân tố ảnh hưởng đầu ra tốt nhất:

▪ Stat>DOE>Factorial>Cube Plot>Hộp thoại Cube Plot (hình 4.11):

Hình 4 11: Biểu đồ Cube Plot

▪ Dựa vào Cube Plot, tốc độ tiến dụng cụ gần như không ảnh hưởng nhiều đến khả năng tạo hình nên Minitab bỏ qua

▪ Nhân tố góc giữa các giai đoạn α khi gia công MSPIF giảm sẽ làm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình α),

▪ Nhân tố đầu vào đường kính dụng cụ D tăng sẽ làm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình α),

▪ Nhân tố bước tiến dụng cụ Vxy ảnh hưởng không lớn đến khả năng tạo hình MSPIF

Vậy các biến cần kiểm soát: góc giữa các giai đoạn gia công MSPIF và đường kính dụng cụ

4.1.5 Tối ưu hóa thiết kế Để tối ưu hóa thiết kế, có thể sử dụng các mô hình dự đoán (Predictor) mà Minitab đã thiết lập (4.1) theo phương pháp này tiến hành thay đổi các giá trị biến số (theo mức độ tác động) và ước lượng giá trị kết quả theo yêu cầu

Sử dụng Minitab để tối ưu hóa thiết kế:

▪ Stat>DOE>Factorial>Response Optimazer> hộp thoại như hình 4.12:

Hình 4 12: Khai báo Response Optimizer

Kết quả tối ưu hóa thiết kế trên phần mềm Minitab

Hình 4 13: Kết quả phân tích tối ưu hóa thiết kế

Dựa vào phân tích kết quả tối ưu bằng phần mềm Minitab: góc tạo hình nhỏ nhất

47 0 và góc tạo hình lớn nhất 77 0 , kết quá tối ưu các thông số ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng tạo hình:

- Góc tạo hình giữa các giai đoạn α: 5 0

- Bước tiến dụng cụ z: 1 mm

- Đường kính dụng cụ D: 10 mm

=> Khả năng tạo hình bằng mô phỏng trên vật liệu thép không gỉ SUS304 là: góc tạo hình α: 76,37 0

4.1.6 Tối ưu hóa phương trình hồi quy

1 Kết quả tối ưu hóa phương trình hồi quy trên Minitab

2 Phương trình hồi quy dạng tự nhiên:

Dựa vào kết quả phân tích tối ưu hóa thiết kế trên phần mềm Minitab (hình 4.7), xác định được bộ thông số tối ưu thiết kế (bảng 4.5) khả năng tạo hình (góc tạo hình α) trên sản phẩm SUS304 tấm bằng công nghệ MSPIF

Như vậy, quá trình nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình SUS304 tấm bằng công nghệ MSPIF đã xác định được các thông số công nghệ tối ưu để có được góc biến dạng lớn nhất

Bảng 4 3: Bộ thông số công nghệ thiết kế tối ưu khả năng tạo hình tấm SUS304

Bảng 4.5 Bộ thông số công nghệ thiết kế tối ưu khả năng tạo hình SUS304 tấm

Thực nghiệm cộng nghệ MSPIF

Thực nghiệm công nghệ MSPIF trên vật liệu thép tấm không gỉ SUS304 với bộ thông số (bảng 4.4) đã được tối ưu thiết kế ảnh hưởng tốt nhất đến khả năng tạo hình (góc tạo hình α)

1 Bộ thông số chạy thực nghiệm

2 Kết quả chạy thực nghiệm Để đánh giá kết quả khách quan, thực nghiệm MSPIF trên sản phẩm đựơc thực hiện lặp 3 lần, quá trình thực nghiệm được trình bày phụ lục 2:

Bảng 4 4: Bộ thông số công nghệ chạy thực nghiệm

Bảng 4.5 Bộ thông số công nghệ chạy thực nghiệm

Thép không gỉ SUS304 Dày 0,4 mmm

Bảng 4.5 Bộ thông số công nghệ chạy thực nghiệm

Thép không gỉ SUS304 Dày 0,4 mmm

Góc giữa các giai Bước xuống Đường kính Tốc độ tiến

Hình 4 14: Thực nghiệm MSPIF lần 1

Từ kết quả thực hiện gia công như hình 4.14 và tra bảng 3.21 ở thí nghiệm

7 cho kết quả thực nghiệm lần 1 tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn (MSPIF), sản phẩm không bị rách ở giai đoạn 5 và thu được góc tạo hình α = 77 0

Từ hình 4.15 và tra bảng 3.21 tại thí nghiệm 7, kết quả thực nghiệm lần 2 tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn (MSPIF), sản phẩm không bị rách ở giai đoạn 4 và thu được góc tạo hình α = 72 0

Hình 4 16: Thực nghiệm MSPIF lần 3 Hình 4 15: Thực nghiệm MSPIF lần 2

▪ Từ hình 4.16 và tra bảng 3.21 tại thí nghiệm 7, kết quả thực nghiệm lần 3 tạo hình cục bộ liên tục nhiều giai đoạn (MSPIF), sản phẩm không bị rách ở giai đoạn 4 và thu được góc tạo hình α = 72 0

▪ Thực hiện thực nghiệm với 3 lần tạo hình biến dạng liên tục nhiều gian đoạn (MSPIF) với cùng bộ thông số công nghệ, cùng máy CNC, thu được kết quả kết khác nhau

=> Điều này xảy ra, do dụng cụ bị mòn khi gia công MSPIF lần 1, tính không đồng nhất của vật liệu mẫu gia công, yếu tố môi trường.

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Tiến hành so sánh kết quả khả năng tạo hình bằng công nghệ MSPIF trên vật liệu thép tấm không gỉ SUS304 với bộ thông số tối ưu như bảng 4.6

▪ Cùng bộ thông số công nghệ, cùng vật liệu tấm, khi mô phỏng và thực nghiệm bằng công nghê MSPIF nhận thấy có sai lệch về góc tạo hình Tuy nhiên sai số tương đối đều bé hơn 5% Nên sai số này có thể chấp nhận được mô hình mô phỏng gần với thực nghiệm

▪ Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả đầu ra tương đối tương đồng

Bảng 4 5: Kết quả thực nghiệm khả năng tạo hình tấm SUS304

Bảng 4.5 Kết quả thực nghiệm khả năng tạo hình SUS304 tấm

Bảng 4 6: Tổng kết kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Bảng 4.6 Tổng kết kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Dựa trên kết quả giá trị khả năng tạo hình (góc tạo hình α) của từng trường hợp đã phân tích mô phỏng công nghệ MSPIF của chương 3 để xác định phương trình hồi qui bằng phần mềm Minitab theo trình tự như sau:

▪ Thiết lập ma trân giá trị kết quả mô phỏng,

▪ Dùng phần mềm Minitab quy hoạch thực nghiệm riêng phần từ kết quả chay đã thực hiện chạy mô phỏng

▪ Thu được phương trình hồi quy

▪ Phân tích ảnh hưởng của các nhân tố từ kết quả mô phỏng,

▪ Chọn điều kiện tối ưu,

▪ Tối ưu hóa thiết kế,

▪ Tối ưu hóa phương trình hồi quy,

Thực nghiệm MSPIF với bộ thông số ảnh hưởng lớn nhất, sau đó so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng với cùng bộ thông số đã được quy hoạch tối ưu

Tiêu đề	Nghiên cứu mô phỏng khả năng tạo hình SUS 304 tấm bằng công nghệ MSPIF
Tác giả	Hồ Hữu Hân
Người hướng dẫn	TS. Lê Khánh Điền, GS. TS. Nguyễn Thanh Nam
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	175
Dung lượng	8,6 MB