HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu khả biến dạng nhựa nhiệt dẻo PVC gia công phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm (SPIF) Studying the formation potential of thermoplastic PVC sheets in single point incremental forming (SPIF) method Phạm Văn Trung Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Phạm Văn Đồng Email: phamvantrung@pdu.edu.vn Mobile: 0984705677 Tóm tắt Từ khóa: Biến dạng gia tăng đơn điểm; PVC Hầu hết cơng trình nghiên cứu trước xử lý nhựa nhiệt dẻo dựa công nghệ ép khn kín q trình nén ép phun Tuy nhiên công nghệ không phù hợp sản xuất nhỏ chi phí đầu tư cao Ngày người ta bắt đầu nghiên cứu tạo hình cho nhựa nhiệt dẻo phương pháp SPIF sử dụng máy CNC để gia công Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trước vật liệu nhựa nhiệt dẻo chưa xây dựng mơ hình phân tích ảnh hưởng nhiệt độ đến khả tạo hình loại vật liệu Trong báo này, tơi xây dựng mơ hình thực nghiệm để xét ảnh hưởng nhiệt độ thông số cơng nghệ đến khả tạo hình PVC gia công phương pháp SPIF Abstract Keywords: Single Point Incremental Forming (SPIF); PVC Most of the previous and the current research regarding thermoplastic treatment focus on closed-mold technologies, such as compression and injection molding However, these processes are not suitable for small production, since they require high tooling investment Recently, Single Point Incremental Forming has been used for thermoplastic sheet forming by using CNC machine The previous theoretic and experimental studies for thermoplastic materials have not yet established models for analyzing the influence of temperature on the formation potential of these materials In this article, the author established an experimental model to consider the influence of temperature and technological parameters to the PVC sheet’s formation potential when processed by SPIF Ngày nhận bài: 23/7/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (Single Point Incremental Forming - SPIF) phương pháp gia công biến dạng kim loại, nhựa nhiệt dẻo, composite, tiên tiến HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Quá trình tạo hình gia tăng dựa nguyên tắc gia công theo lớp, mơ hình chia nhỏ thành lát cắt ngang Đường chạy dụng cụ điều khiển số lập trình sử dụng đường viền lát cắt Trong trình, dụng cụ tạo hình dạng bán cầu đơn di chuyển dọc theo đường chạy dao điều khiển NC sau: dụng cụ di chuyển xuống, tiếp xúc tấm, vẽ đường viền mặt phẳng ngang, sau thực bước xuống, vẽ đường viền kế tiếp, tiếp tục ngun cơng hồn tất (Hình 1) Q trình thực máy phay CNC 3, trục robot cơng nghiệp Hình Cơng nghệ tạo hình biến dạng gia tăng đơn điểm (SPIF) Trong nghiên cứu trước đây, lý thuyết biến dạng dẻo kết hợp với thực nghiệm thường tập trung nghiên cứu vật liệu thép, nhôm vài nghiên cứu vật liệu thủy tinh, vật liệu composite, polyme,… cịn Chỉ dừng lại mức “Preliminary Studies on SPIF for Thermoplastic Materials (Nghiên cứu sơ SPIF nhựa nhiệt dẻo)” [1], “Single point incremental forming of PVC (Tạo hình biến dạng cục liên tục đơn điểm vật liệu PVC’)” [2], “SPIF in processing polymer materials (SPIF gia công vật liệu polymes)” [3], Trong [1] tác giả nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ kích thước dụng cụ lượng tiến dao theo chiều sâu đáng kể, nhiên chưa quan tâm đến nhiệt độ, nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến khả tạo hình polymes, composite Trong [2] tác giả nghiên cứu ảnh hưởng đường kính dụng cụ chiều dày tấm, nhiên tác giả chưa nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ chạy dao, bước xuống dụng cụ, tốc độ trục chính, nhiệt độ Trong báo tơi xây dựng mơ hình thực nghiệm tiến hành thực nghiệm để tìm ảnh hưởng nhân tố: lượng tiến dao (∆z), đường kính dụng cụ (d), tốc độ dụng cụ (f) nhiệt độ (T) đến khả góc tạo hình (α) nhựa nhiệt dẻo PVC XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Trong báo này, để nghiên cứu khả biến dạng góc tạo hình α gia cơng SPIF tơi sử dụng mơ hình cone cong có đường kính Φ = 200mm Hình dáng hình học chi tiết thiết kế để nghiên cứu tất góc thành từ đến 900, chọn bán kính góc lượn R = 60mm, chiều sâu h = 60mm Khi chiều dày chi tiết thay đổi theo qui tắc cosine độ dốc chi tiết gia tăng theo Hình Các góc kéo α HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 chiều sâu, vùng phân tích giới hạn đến góc nhỏ 900 Nó mơ tả góc α , (Hình 2) Trong suốt trình tạo hình vật liệu hư hỏng vát mỏng Trong trình tiến hành thực nghiệm, polymer dân dụng với độ dày đồng t = 2mm sử dụng Việc khảo sát thực nghiệm tiến hành máy CNC chuyên dụng bao gồm thành phần theo sau: 1/ kẹp giữ với đỡ phía sau kẹp trên, 2/ dụng cụ tạo hình đơn điểm, 3/ đồ gá có sử dụng hệ thống gia nhiệt, (Hình 3) Hình Các thành phần qui trình ISF để tạo hình nhựa PVC Trong báo này, ảnh hưởng thông số k cần khảo sát bước xuống dụng cụ Δz (mm), tốc độ tiến dụng cụ f (lượng chạy dao - mm/phút), nhiệt độ tạo hình T (0C), đường kính dụng cụ d (mm) Do đó, số lượng thí nghiệm cần thiết N qui hoạch theo nhân tố riêng phần TNR là: N = 2k-p = 24-1 = 8, với k = p = (nhân tố x4 thay cho tương tác x1x2 x3) Để tính tốn sai số lặp thí nghiệm, trường hợp thí nghiệm lặp lại lần (m = 3) Như vậy, có tổng cộng 24 số lần thí nghiệm tiến hành Các nhân tố chọn để khảo sát chúng ảnh hưởng lớn đến khả biến dạng nhựa PVC với đặc điểm sau: * Bước xuống dụng cụ Δz (mm): Ảnh hưởng đến thời gian tạo hình sản phẩm nên có ảnh hưởng đến suất Vì Δz lớn tốn thời gian gia cơng suất nâng cao Ngồi bước xuống dụng cụ cịn ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Khi Δz nhỏ bán kính cong hình thành bề mặt dụng cụ tỳ xuống sau vịng tạo hình nhỏ nên độ nhẵn bề mặt nhỏ so với bước Δz lớn Điều có nghĩa giá trị Δz nhỏ chất lượng bề mặt tốt trị số Δz lớn Tuy nhiên, Δz khơng q bé chi tiết sớm bị rách bề dày sau tạo hình mỏng dụng cụ kéo dãn phôi Kết hợp yếu tố ảnh hưởng với công suất cho phép máy CNC, giá trị Δz chọn từ 0,4 - 1,2 mm * Đường kính dụng cụ d (mm): Đường kính dụng cụ d có liên quan đến lực tạo hình ứng suất gây nứt rách Dụng cụ có đường kính nhỏ tập trung vết nứt vùng biến dạng phơi tấm, dụng cụ có đường kính lớn phân phối vết nứt vùng mở rộng Khi đường kính dụng cụ tăng lên, q trình giống với dập truyền thống, giảm giới hạn tạo hình Tuy nhiên, dùng dụng cụ có bán kính nhỏ, dễ dàng đâm thủng vào gây tượng bong tróc Vì khả tạo hình giảm đáng kể bán kính dụng cụ tạo hình nhỏ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ngồi ra, kích cỡ đường kính dụng cụ cịn chịu chi phối công suất máy Cùng với đại lượng Δz, f, phải thỏa mãn yêu cầu máy hoạt êm, khơng bị rung động q trình tạo hình Với thơng số đường kính d dụng cụ ta chọn giá trị d1 = mm d2 = 12 mm để thực báo (Hình 4) Hình Các dụng cụ * Tốc độ tiến dụng cụ f (mm/phút): Thông số chủ yếu ảnh hưởng đến suất độ co rút (springback) Tương tự bước xuống dao Δz, tùy theo giá trị f lớn hay bé cho suất cao hay thấp Khi tốc độ tiến dụng cụ f nhỏ khả đàn hồi trở lại phôi kém, dụng cụ bị rung động nên sinh nhiệt độ springback nhỏ, chi tiết thu có độ xác cao Ngược lại, giá trị f lớn nhiệt sinh ma sát lớn, springback lớn độ xác chi tiết Trong qui trình tạo hình SPIF vật liệu nhựa nhiệt dẻo, mài mòn dụng cụ ma sát với vật liệu khơng đáng kể tính mềm dẻo nhựa Đây ưu điểm trội công nghệ góp phần làm giảm chi phí so sánh với ứng dụng vật liệu kim loại Để đảm bảo q trình vận hành khơng vượt q cơng suất máy, tính đến suất gia cơng, giá trị f dùng nghiên cứu thực nghiệm nằm khoảng 1000 - 2500 mm/phút * Nhiệt độ tạo hình T (0C): Nhiệt độ làm thay đổi tính vật liệu PVC (làm mềm hay cứng lại), nên ảnh hưởng lớn đến biến dạng PVC, nhiệt độ ảnh hưởng đến độ co rút (springback) Để xác định khoảng nhiệt độ tối ưu cho khả biến dạng phôi lớn nhất, cần tiến hành chạy thí nghiệm nhiều mức nhiệt độ khác Đầu tiên tiến hành tạo hình nhiệt độ phòng (khoảng 300C), tăng dần nhiệt độ lần chạy nhiệt độ nóng chảy PVC 700C Kết khả biến dạng lớn thu khoảng nhiệt độ (30 50 0C) xem phù hợp để khảo sát thực nghiệm Để gia nhiệt cho PVC ta sử dụng gia nhiệt treo phía dưới, dụng cụ xuống gia nhiệt di chuyển theo Như có tất 04 nhân tố cần khảo sát Giới hạn thông số thay đổi cho Bảng Bảng Bảng thông số biểu diễn dạng tự nhiên mã hóa Nhân tố Tên Bước xuống dụng cụ, mm Đường kính dụng cụ, mm Tốc độ tiến dụng cụ, mm/phút Nhiệt độ tạo hình, 0C Ký hiệu Tự nhiên Mã hóa Δz x1 d x2 f x3 T x4 Mức nhân tố Cao 1,2 12 2500 50 Thấp 0,4 1000 30 Cơ sở 0,8 1750 40 Khoảng thay đổi 0,4 750 10 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Quan hệ nhân tố mã hóa tự nhiên có dạng: x1 = (Δz – 0,8)/0,4 x2 = (d – 9)/3 x3 = (f – 1750)/750 x4 = (T – 40)/10 KẾT QUẢ Bảng Bảng ma trận qui hoạch tiến hành thí nghiệm với lần lặp lại (với y1, y2 , y3 kết lần thực thứ nhất, thứ hai, thứ ba Khi xác định phương trình hồi qui ta lấy giá trị ytb để tính) N0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Δz(mm) 0,4 0,4 0,4 1,2 1,2 1,2 0,4 0,4 0,4 1,2 1,2 1,2 0,4 0,4 0,4 1,2 1,2 1,2 0,4 0,4 0,4 1,2 1,2 1,2 Thông số đầu vào d (mm) f (mm/ph) 1000 6 6 6 12 12 12 12 12 12 6 6 6 12 12 12 12 12 12 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 T ( 0C ) 30 30 30 50 50 50 50 50 50 30 30 30 50 50 50 30 30 30 30 30 30 50 50 50 y1 50 Kết αmax y2 y3 53 53 65 63 63 65 65 66 60 63 60 65 65 65 65 62 62 55 57 57 65 Hình Các chi tiết chế độ gia công khác 68 66 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Q trình lặp lại thí nghiệm cho trường hợp cho thấy giá trị góc tạo hình không thay đổi nhiều Tuy nhiên, chế độ chạy khác giá trị chúng có chênh lệch rõ rệt Phương trình hồi qui để xét ảnh hưởng thông số khảo sát đến góc biến dạng lớn viết dạng mã hóa: y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1 x2 + b13x1 x3 + b23 x2 x3 + b123x1x2x3 Với việc chọn nhân tố x4 thay cho tương tác x1.x2.x3 (x4 = x1.x2.x3) gọi biểu thức sinh, mơ hình có dạng: y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1 x2 + b13x1 x3 + b23 x2 x3 + b4 x4 Kết tính tốn phương trình hồi quy xác định mối quan hệ thông số công nghệ góc tạo hình lớn mơ hình chóp cụt có dạng sau: y = 61,5825 + 1,9175x1 + 0,665x2 + 1,0825x3 - 2x2x3 + 3,5x1x2 x3 Thay tương tác x1, x2, x3, x4 vào ta được: y = 25,2367 + 4,7938 Δz + 1,7773 d + 0,0224 f - 0,0008df + 0,35T (độ) Để đánh giá mối quan hệ thông số đến khả biến dạng lớn tấm, ta sử dụng phần mềm Minitab để vẽ đồ thị Contour dựa phương trình hồi qui nhận dạng tự nhiên * Trong 04 thông số khảo sát, cố định hai thông số mức xác định, hai thông số cịn lại thay đổi Trong báo này, thơng số cố đinh mức thấp (mức sở mức cao thực tương tự) Hình đồ thị minh họa ảnh hưởng T f góc biến dạng α cố định Δz, d Hình Ảnh hưởng T f góc biến dạng α Dựa vào đồ thị thấy khả tạo hình gia tăng tăng tốc độ tiến dụng cụ f nhiệt độ tạo hình T Khi T = 50, f = 2500 giá trị αmax > 64 (trong thực nghiệm αmax = 65 0) Trong T ảnh hưởng lớn nhất, f ảnh hưởng nhỏ Tiến hành vẽ biểu đồ tương tự mối quan hệ thông số cho trường hợp lại, với nhận xét tương ứng, đưa nhận xét chung sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Các thông số ảnh hưởng chủ yếu đến khả tạo hình α vật liệu PVC qui trình ISF nhiệt độ tạo hình T, đường kính d bước xuống dụng cụ Δz Còn tốc độ tiến dụng cụ f có ảnh hưởng khơng đáng kể Để tăng khả tạo hình cho nhựa PVC cần thiết phải tăng nhiệt độ tạo hình bước xuống dụng cụ Tuy nhiên, lưu ý giá trị nhiệt độ tăng không vượt nhiệt độ chảy nhựa PVC (750C) Khả biến dạng nhựa PVC dày 2mm đạt tới 680 thực với chế độ gia công bảng với điều kiện bôi trơn ổn định KẾT LUẬN Trong báo nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ T, bước xuống dụng cụ Δz, tốc độ tiến dụng cụ f đường kính dụng cụ d đến khả tạo hình nhựa nhiệt dẻo PVC phương pháp SPIF Sau tiến nghiên cứu thực nghiệm báo đưa phương trình hồi qui xác định ảnh hưởng thông số đã đưa nhận xét ảnh hưởng thông số khả tạo hình vật liệu PVC Theo kết thực báo thơng số nhiệt độ tạo hình T, đường kính d bước dụng cụ Δz có ảnh hưởng lớn đến góc tạo hình α vật liệu PVC, cịn tốc độ f có ảnh hưởng khơng đáng kể Để tăng khả tạo hình PVC gia công phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm cần chọn chế độ gia công hợp lý bảng với điều kiện bôi trơn ổn định TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V S Le, A Ghiotti, G Lucchetta., 2008 Preliminary Studies on SPIF for Thermoplastic Materials In: International Jurnal of material [2] V Franzen, L Kwiatkowski, P A F Martins, A E Tekkaya., 2009 Single point incremental forming of PVC Journal of materials processing technology, Volume 209 [3] P.A.F Martins, L Kwiatkowski, V Franzen, A.E Tekkaya and M Kleiner., 2009 SPIF in processing polymer material Journal: CIRP Annals – Manufacturing Technology, Volume 58, Issue [4] Pham Van Trung, Vo Van Cuong, Nguyen Thanh Nam., 2011 Deformation Ability Of Singel Point Incremental Forming For Thermo-Plastic Composite Materials Tạp chí Phát Triển KH&CN, tập 14, số K2 [5] Nguyễn Quốc Bảo, Pham Văn Trung., 2014 Nghiên cứu khả biến dạng composite PE cốt sợi thủy tinh gia công phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm Tạp chí trường ĐH Phạm Văn Đồng [6] Marcelo Pinto Pradella, Luis Fernando Folle., 2016 Study of incremental sheet forming process of PVC Matéria (Rio J.) vol.21 no.4 Rio de Janeiro Oct./Dec 2016 [7] Sridhar R, Rajenthirakumar D., 2016 Incremental Forming of Polymer-Numerical and Experimental Investigation Polymers & Polymer Composites, Vol 24, No 7, 2016 [8] G Medina-Sánchez, E Torres-Jimenez, R Lopez-Garcia, R Dorado-Vicente*, R Cazalla-Moral., 2017 Temperature influence on Single Point Incremental Forming of PVC parts Manufacturing Engineering Society International Conference 2017, MESIC 2017, 28-30 June 2017, Vigo (Pontevedra), Spain [9] Isabel Bagudanch, Marc Sabater & Maria Luisa Garcia-Romeu., 2017 Single Point versus Two Point Incremental Forming of thermoplastic materials Journal Advances in Materials and Processing Technologies, Volume 3, 2017