NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF) (SINGLE POINT INCREMENT FORMING)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH VĂN ĐỨC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF) (SINGLE POINT INCREMENT FORMING) @&? Chuyên ngành: Chế tạo máy Mã số ngành: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HCM, tháng 12 năm 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đặng Văn Nghìn Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày…….tháng…….năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. 2. 3. 4. 5. Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV và trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Đinh Văn Đức Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 01/04/1987 Nơi sinh : Xuân Bắc, Xuân Lộc, Đồng Nai Chuyên ngành : Chế tạo máy Khoá (Năm trúng tuyển) : 2011 1- TÊN ĐỀ TÀI: Tính Toán Thiết Kế Lực Kế Vòng Tám Cạnh Trong Tạo Hình Gia Tăng Đơn Điểm 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tổng Quan về phương pháp tạp hình gia tăng đơn điểm (SPIF). - Một số nhân tố liên quan tới độ chính xác và khả năng tạo hình của SPIF. - Đường lối tính toán thiết kế lực kế vòng tám cạnh và chế tạo. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2012 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS Đặng Văn Nghìn Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) PGS. TS Đặng Văn Nghìn LỜI CẢM ƠN Những kiến thức chuyên môn quý báu, tri thức làm người và kinh nghiệm thực tế để làm hành trang quý giá cho sự nghiệp sau này mà em tích lũy được trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này chính là nhờ sự giúp đỡ của các thầy cô Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Với tấm lòng biết ơn và trân trọng, em xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô. Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Đặng Văn Nghìn, người đã định hướng, tận tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và luôn động viên chúng em có thêm tự tin để hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cám ơn cô Thái Thị Thu Hà đã tạo điều kiện cơ sở vật chất để em có không gian thực hiện luận văn, thầy Lê Đình Tuân đã nhiệt tình truyền đạt, hướng dẫn em những kiến thức chuyên ngành hết sức mới mẻ, bổ ích giúp chúng em hiểu rõ hơn và phát hiện những sai sót, cho em những lời khuyên để hoàn thành luận văn này trong điều kiện tốt nhất. Em xin cám ơn thầy Trần Đại Nguyên, thầy Nguyễn Thanh Nam đã tạo điều kiện cơ sở sở vật chất giúp em thuận lợi hơn trong việc thí nghiệm, cùng anh Bình và anh Phước đã nhiệt tình hướng dẫn em sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm. Cuối cùng chúng em xin cảm ơn bố, mẹ, anh, chị và những người thân đã tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa tinh thần vũng chắc cho em trong suốt thời gian học tập, tìm hiểu, thực hiện và hoàn tất luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 11 năm 2012 Học Viên Đinh Văn Đức TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Nghiên cứu thiết kế lực kế trong gia công tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)” được trình bảy trong 4 chương (single point increment forming): Chương I: Là phần giới thiệu tổng quan về phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm, tình hình thực tế và sự cấp thiết của đề tài. Từ đó đặt ra mục tiêu cụ thể của luận văn. Chương II: Tìm hiểu các nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng tạo hình trong SPIF. Chương III: Giới thiệu một số loại lực kế và trình tự tính toán thiết kế lực kế vòng tám cạnh cho gia công SPIF. Chương IV: Cải tiến dụng cụ SPIF nâng cao chất lượng sản phẩm Chương V: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn HVTH: Đinh Văn Đức Trang 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 ABSTRACT 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF) 7 1.1 Các công nghệ tạo hình tấm 7 1.1.1 Gò 7 1.1.2 Nong ép 7 1.1.3 Phƣơng pháp miết 8 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF) 9 1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng 9 1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm 10 1.2.3.1 Nguyên lý 10 1.2.3.2 Thiết bị 12 1.2.3.3 Dụng cụ 13 1.2.3.4 Đồ gá kẹp tấm kim loại 18 1.2.3.5 Thông số công nghệ 19 1.3 Khả năng ứng dụng của phƣơng pháp SPIF 22 1.4 Tình hình nghiên cứu 23 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 23 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 29 1.4.3 Nhận xét 33 1.4.4 Một số vấn đề cần giải quyết 34 1.5 Tính cấp thiết của đề tài 34 CHƢƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG TẠO HÌNH TRONG SPIF 35 2.1 Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ chính xác và chất lƣợng của chi tiết gia công bằng SPIF 35 2.1.1 Góc nghiêng thành chi tiết 37 2.1.2 Tính đàn hồi của vật liệu 37 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn HVTH: Đinh Văn Đức Trang 2 2.1.3 Các bề mặt có bán kính cong lớn 38 2.1.4 Khe hở giữa dụng cụ và vật đỡ 38 2.2 Lực trong SPIF 38 2.2.1 Lực 38 2.2.2 Ma sát 40 2.2.2.1 Ma sát tiếp tuyến 40 2.2.2.2 Ma sát xoắn 40 2.2.2.3 Ma sát tổng 41 2.3 Biểu đồ đƣờng cong giới hạn tạo hình 41 2.3.1 Ảnh hƣởng của góc thành sản phẩm 41 2.3.2 Ảnh hƣởng của tốc độ quay 43 2.3.3 Ảnh hƣởng độ lớn của bƣớc 44 2.3.4 Ảnh hƣởng của đƣờng kính dụng cụ 44 2.3.5 Ảnh hƣởng của chất bôi trơn 45 2.4 Mối liên hệ giữa lực và khả năng tạo hình 47 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ LỰC KẾ 48 3.1 Tổng quan về lực kế 48 3.1.1 Các yêu cầu của lực kế 48 3.1.3.1 Cảm biến vòng tám cạnh 49 3.1.3.2 Cảm biến sử dụng strain gauges khác 52 3.1.3.2 Cảm biến áp điện 56 3.1.3.3 Lực kế điện dung 59 3.1.3.4 Không trực tiếp 60 3.2 Xem xét lựa chọn phƣơng án thiết kế 61 3.3 Thiết kế lực kế và chế tạo lực kế 62 3.3.1 Một số nghiên cứu về cảm biến vòng tám cạnh 62 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý 62 3.3.3 Xác định kích thƣớc của vòng tám cạnh 63 3.3.4 Đặc tính động học của lực kế 65 3.3.5 Định hƣớng của màng biến dạng và vòng trên lực kế 66 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn HVTH: Đinh Văn Đức Trang 3 3.3.6 Thiết lập mạch cầu Wheatstone sử dụng trong lực kế 67 3.3.6.1 Loại strain gages và cách bố trí 70 3.3.6.2 Phƣơng pháp dán 71 3.3.7 Thiết kế mạch khuyếch đại cho lực kế 74 3.4 Kết quả 75 3.5 Qui đổi lực ra thành phần lực tiếp tuyến 75 3.6 Calip 78 3.6.1 Trình tự calip 78 3.6.1.1 Thiết bị 78 3.6.1.2 Calip thành phần lực theo phƣơng z 80 3.6.1.3 Calip thành phần lực theo phƣơng x 83 3.6.1.4 Calip thành phần lực theo phƣơng y 86 CHƢƠNG 4: CẢI TIẾN KẾT CẤU DỤNG CỤ SPIF NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG SẢN PHẨM 89 4. Gia công thử nghiệm 89 4.1 Thiết bị 89 4.2. Dụng cụ 89 4.3 Thiết lập thực nghiệm 89 4.4 Kết quả thử nghiệm 90 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93 5.1 Những vấn đề đã thực hiện 94 5.2 Hƣớng phát triển đề tài 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 99 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn HVTH: Đinh Văn Đức Trang 4 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kỹ thuật đã đạt đƣợc những thành tựu to lớn. Sản phẩm đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu dùng rất nhanh và tính cạnh tranh trong thị trƣờng cũng ngày càng khốc liệt hơn. Sản phẩm không chỉ đơn thuần đáp ứng về độ bền mà mẫu mã của nó phải đẹp và bắt mắt hơn, thời gian đáp ứng cũng phải nhanh hơn nữa. Trong bối cảnh đó, nhiều doanh nghiệp đã thành lập những đội ngũ nghiên cứu và thiết kế ra các loại máy móc thiết bị nhằm sản xuất ra những sản phẩm đáp ứng nhanh các nhu cầu trên. Nhƣng với bối cảnh nƣớc ta, trình độ kỹ thuật còn chƣa cao, kinh phí dành cho nghiên cứu thiết kế lại chƣa nhiều, nên chúng ta cũng chọn con đƣờng đi tắt, giải mã công nghệ tiên tiến, để từ đó thiết kế ra những thiết bị theo khả năng của mình. Single point incremental forming (SPIF) là một công nghệ mới để tạo hình kim loại tấm. Kỹ thuật tạo hình gia tăng đã đƣợc phát triển trong thập kỷ vừa qua. SPIF là một quá trình rất linh hoạt - thiết lập sản xuất của chi tiết mới chỉ trong vài giờ chứ không phải là vài ngày nhƣ một số phƣơng pháp hình thành truyền thống. Quá trình sử dụng dữ liệu chính xác CAD đại diện cho một phần sản xuất. Công việc thủ công coi nhƣ không cần thiết, và nhƣ vậy, tính lặp lại của quá trình này là rất tốt. Hạn chế của quy trình là thời gian tạo hình tƣơng đối dài. Vì lý do đó, SPIF rất khả thi trong tạo mẫu nhanh và sản xuất loạt nhỏ. Trƣớc hết, đề tài tìm hiểu về các thông số ảnh hƣởng đến độ chính xác của sản phẩm gia công bằng SPIF, chủ yếu tập trung vào đƣờng kính dụng cụ, bƣớc tiến dụng cụ, và cuối cùng xác định đƣợc bƣớc tiến của dụng cụ và đƣờng kính dụng cụ có liên quan đến lực dụng cụ tác dụng lên chi tiết gia công. Từ đó thiết kế lực kế để đo lực trong gia công nhằm điều khiển đƣợc đƣờng kính và bƣớc tiến dụng cụ để cải thiện khả năng tạo hình khi gia công. Đề tài “ Nghiên Cứu Thiết Kế Lực Kế Trong Gia Công Biến Dạng Gia Tăng Đơn Điểm SPIF” nhằm mục đích nghiên cứu và thiết kế một loại lực kế để đo lực Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn HVTH: Đinh Văn Đức Trang 5 trong gia công bằng SPIF, từ đó giám sát lực làm tăng khả năng tạo hình của chi tiết gia công. Tp. HCM, tháng 12 năm 2012 Đinh Văn Đức [...]... chi tiết đƣợc tạo hình thành đã đƣợc đề xuất Các tác giả [7] đã thiết kế hệ thống đo biến dạng và lực tạo hình cho gia công bằng phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm Phƣơng pháp tạo hình kim loại tấm gia tăng đƣợc thực hiện trên các máy phay điều khiển CNC Moiri Seiki với hệ thống điều khiển FANUC MSC-521 Các lực tạo hình đo bằng cách sử dụng hệ thống đo lực đƣợc thiết kế đặc biệt kết nối với máy... dụng cụ trong giai đoạn thiết kế chu trình Trong bài báo nghiên cứu “Những vấn đề về khả năng chế tạo của tấm bằng phƣơng pháp tạo hình gia tăng [13], mô hình hóa quá trình tạo hình tấm gia tăng (SPIF) đƣợc nghiên cứu Tập trung chính phân tích hạn chế Trong quá trình thực tế SPIF hai loại rủi ro có thể đƣợc xem xét: hƣ hỏng vật liệu và hƣ hỏng công cụ có liên quan đến lực tạo hình Từ quan điểm nhìn... nghiệm về khả năng đo lực trong phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm đƣợc mô tả và một số phép đo lƣờng lực trong tạo hình gia tăng đƣợc báo cáo [43] Sử dụng một lực kế bàn Kisler lắp phía trên đồ gá, ba thành phần lực đƣợc đo xuyên suốt quá trình tạo hình Chƣơng trình kiểm tra thực nghiệm báo cáo tập trung chính vào ảnh hƣởng của bốn thông số gia công khác nhau lên lực tạo hình: cỡ bƣớc tiến giữa... phƣơng pháp gia công Vì đây là nghiên cứu thiết kế đầu tiên về thiết bị này thiết kế này chƣa đƣợc hoàn chỉnh Tìm hiểu cơ sở lý thuyết đang đƣợc nghiên cứu trên thế giới của công nghệ tạo hình gia tăng đơn điểm Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí, sử dụng khoảng 70% chi tiết cơ khí chuẩn trong thƣ viện Misumi Mô hình hoá bằng phần mềm Inventor Professional 2008 Tuy luận văn đã đạt một số kết quả nhất... ràng buộc hình dạng chi tiết đạt đựơc phải liên quan và yêu cầu công nghệ và khuôn chuyên dùng [18] 1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm 1.2.3.1 Nguyên lý Tạo hình bằng phƣơng pháp gia tăng đơn điểm là một phƣơng pháp mới trong tạo hình tấm, có thể gia công hình dạng phức tạp mà không cần có khuôn riêng Chi tiết gia công đƣợc gá cố định trên đồ gá và đồ gá đƣợc cố định trên bàn máy của máy nhƣ trên hình 1.5... biến dạng và lực chi tiết của tạo hình gia tăng kim loại tấm cho sự kết hợp một số các thông số quá trình sử dụng ban đầu Các tác giả [8] thiết lập công thức thực hành cho phép dự đoán lực xuất hiện trong quá trình tạo hình gia tăng đơn điểm Nghiên cứu này một mặt đã dựa trên một tập hợp lớn các thí nghiệm có hệ thống và mặt khác là kết của mô phỏng bằng phần tử hữu hạn, đo lực bằng lực kế ba thành... số công nghệ trong phƣơng pháp tạo hình kim loại tấm gia tăng đơn điểm (SPIF) trên vật liệu nhôm A1050-H14 Một phần quan trọng của luận văn là các đồ thị có thể áp dụng để tham khảo trong quá trình thiết kế sản phẩm dùng công nghệ SPIF Vì đây là nghiên cứu thực nghiệm mang tính phát triển các nghiên cứu lý thuyết trên SPIF nên các kết quả thí nghiệm trong luận văn có tham khảo các kết quả nghiên cứu. .. trong bài báo: “Khả năng tạo hình của hợp kim magie trong phƣơng pháp tạo hình gia tăng nóng” [11] cho rằng Nâng cao khả năng tạo hình là một trong những nhân tố chính của thành công và vì lý do này nó đƣợc khảo sát, còn trên các vật liệu nhẹ, sử dụng gia nhiệt sơ bộ đƣợc yêu cầu Trong bài báo khả năng tạo hình, vật liệu Magnesium AZ31 đƣợc khảo sát bằng tạo hình gia tăng nóng Đồ gá cho quá trình tạo. .. đủ hoàn vốn cho chi phí chế tạo khuôn, chày thƣờng phức tạp và tốn kém [15] Hình 1.3 đơn HVTH: Đinh Văn Đức y Trang 8 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS TS Đặng Văn Nghìn có Hình 1.4 Phương pháp miết sử dụng con lăn 1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF) 1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng Ý tƣởng ban đầu về tạo hình gia tăng không đối xứng đã đƣợc hình thành cách đây hơn 40 năm,... Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Trong nƣớc thì mới trong giai đoạn bắt đầu tìm hiểu Tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Khoa Cơ Khí, PGS TS Nguyễn Thanh Nam đã thực hiện đề tài Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tạo hình bằng phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm (24/08/2010), đề tài [14] đã thực hiện đƣợc: 1 Tổng hợp lý thuyết và qui trình công . QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH VĂN ĐỨC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF) (SINGLE POINT INCREMENT FORMING). TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài Nghiên cứu thiết kế lực kế trong gia công tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF) được trình bảy trong 4 chương (single point increment forming): Chương I: Là phần giới. tiết gia công. Từ đó thiết kế lực kế để đo lực trong gia công nhằm điều khiển đƣợc đƣờng kính và bƣớc tiến dụng cụ để cải thiện khả năng tạo hình khi gia công. Đề tài “ Nghiên Cứu Thiết Kế Lực