Nét đặc trưng của công nghệ tạo hình cục bộ liên tục là sự đơn giản của trang thiết bị, tuy nhiên kết quả dẫn tới là sự thiếu chính xác của thành phẩm. Trong công nghệ ISF thì các phần của vật liệu không bị biến dạng đồng đều trong quá trình gia công và do đó hình dạng hình học cuối cùng có thể rất khác biệt với mô hình CAD mong muốn. Trong tài liệu, nhóm của Ambrogio tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình lên mô hình thực nghiệm dạng kim tự tháp cụt. Việc đo đạc được thực hiện trên nhiều mặt cát, kết quả đã chỉ ra sự khác biệt giữa mô hình CAD và sản phẩm thực C h iề u sâu [mm ] 10 0 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 -20 -30 Lý A-O B-O
So sánh giữa mô hình lý thuyết và biên dạng thực đo theo các mặt cắt O và B-O [18]
Trong công trình nghiên cứu ở tài liệu chỉ ra rằng độ chính xác hình học của sản phẩm chủ yếu thuộc vào bước tiến dụng cụ và đường kính dụng cụ. Khi ta tăng bước tiến dụng cụ thì hiện tượng trượt sẽ xảy ra mạnh hơn và sự vát mỏng cũng xảy ra mạnh hơn, hai điều kiện này gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng bề mặt của sản phẩm
Ngoài ra, còn có sai lệch kích thước hình học trên phương biến dạng phụ do đặc tính co giãn của tấm
43
Hình 13: Hiệu ứng biến dạng ngược (springback) và hiệu ứng gối (pillow) cùng các thông số đầu ra K1 VÀ K2 để đo đạc hai hiệu ứng
Trong trường hợp này, ta có thể nhận ra rằng trong suốt quá trình thực hiện biến dạng gia tăng, biến dạng xảy ra trên đường di chuyển liên tục ba chiều của dụng cụ tạo hình và đường này thường là tiếp tuyến với các mặt CAD thiết kế. Chính vì vậy mà ngoài biến dạng đàn hồi ngược (springback) thông thường sau khi ta dở dụng cụ tạo hình ra khỏi chi tiết sẽ còn xuất hiện các hiệu ứng “gối” (pillow- effect) có thể được quan trên vùng biến dạng phụ. Quan sát trong hình 1.15 ta thấy được ảnh hưởng của hai hiệu ứng khi cắt ngang mô hình côn thẳng với đường màu đỏ là hình dạng sau gia công. Hiệu ứng springback làm cho đáy hình côn thẳng không thể đạt được độ cao như mong muốn (thông số K), còn hiệu ứng gối thì làm cho đáy hình côn bị vênh với cao độ thấp nhất ở tâm của đáy (thông số K2) Sai số do biến dạng ngược (K1) chịu ảnh hưởng chủ yếu là do độ dày của tấm kim loại và chiều sâu gia công.
44
CHƯƠNG IV: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG BẰNG ISF I. Nguyên lý biến dạng tấm khi gia công bằng công nghệ ISF
1. Cơ chế biến dạng trong các phương pháp gia công tấm truyền thống
Các phương pháp gia công trên tấm truyền thống đã được giới thiệu sơ lược. Các phương pháp này có một điểm chung là quá trình biến dạng kim loại xảy ra ở vùng dẻo, hay nói cách khác là kim loại có trạng thái biến dạng dẻo trong quá trình tạo hình. Trạng thái của kim loại đã vượt qua vùng đàn hồi nhưng chưa đến ngưỡng phá hủy.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại
Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào hàng loạt nhân tố khác nhau: thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất chính, ứng suất dư, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng, …
3. Khả năng biến dạng của vật liệu tấm trong phương pháp ISF
Biến dạng dẻo kim loại là một quá trình chuyển dịch song song tương đối, không đồng thời giữa 2 phần (lớp) rất nhỏ của mạng tinh thể. Qúa trình trượt xảy ra theo một mặt và phương nhất định ưu tiên cho những mặt và phương có gốc định hướng với ngoại lực thuận lợi, sao cho ứng suất tiếp lớn nhất trên mặt và phương đó lớn hơn một giá trị giới hạn.
Bảng 3: Bảng vật liệu và đặc tính dùng để thử nghiệm sự liên hệ giữa khả năng biến dạng với tạo hình biến dạng đối xứng [19]
Material K [ Mpa] n Rn UTS [Mpa] A%
Copper 390 0.16 0.85 300 26 Brass 1437 0.34 0.88 510 8 DDQ 545 0.27 2.01 290 50 HSS 628 0.25 2.01 350 40 AA1050-O 255 0.18 0.6 76 39 AA6114T4 540 0.22 0.69 310 23
45
Một phân tích tổng quan đã được tiến hành để tìm hiểu mối quan hệ giữa khả năng tạo hình kim loại và những đặc tính vật liệu khác. Thực nghiệm được tiến hành trên nhiều loại vật liệu khác nhau, các kết quả tạo hình được thể hiện qua các giá trị FLDo. Hình 2.2 là FLD của tất cả các vật liệu trong bảng 2.1
Năm biến số (K, n, Rn, UTS, A%) là các thông số đầu vào và đầu ra là các FLDo, tương ứng cho mỗi nhóm năm giá trị cố định đó, với K là hệ số biến cứng, n là hệ số hóa bền biến dạng, Rn là hệ số dị hướng, UTS là giới hạn bền, A% là độ giãn dài. Mong muốn của việc phân tích nào là để xác định mỗi biến đầu vào ảnh hưởng lên các thông số đầu ra như thế nào. Phân tích thống kê cho ta một phương trình 6 chiều
FLDo= 8.64 – 36.2n – 0.00798K + 0.373Rn – 0.104A% + 0.0301 K.n + 0.607nA%
4. Tính toán các thành phần lực và ứng suất
Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo
Giả sử vật hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể chịu 3 ứng suất chính sau: Ứng suất đường: τmax= σ1/2;
Ứng suất mặt τmax= (σ1 - σ2)/2 Ứng suất khối: τmax= (σmax – σmin)/2;
Nếu σ1 = σ2 = σ3 thì τ = 0 không có biến dạng, ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo là giới hạn chảy σch.
Điều kiện biến dạng dẻo: 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
46
- Khi kim loại chịu ứng suất đường: |σ1| = σch hay σmax = σ𝑐ℎ 2 - Khi kim loại chịu ứng suất mặt: |σ1− σ2| = σch
- Khi kim loại chịu ứng suất khối: |σ𝑚𝑎𝑥− σ𝑚𝑖𝑛| = σch
Phương trình dẻo
Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau biến dạng đàn hồi. Thế năng của biến dạng đàn hồi:
A = Ao+ Ah
Trong đó:
Ao – Thế năng để thay đổi thể tích vật thể;
Ah – thế năng để thay đổi hình dáng vật thể
Trong trạng thái ứng suất khối, thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Hooke được xác định:
A = σ1𝜀1+ σ2𝜀2+σ3𝜀3 2
Biến dạng tương đối theo định luật Hooke:
ε1= 1 𝐸[σ1- μ(σ2 + σ3)] ε2= 1 𝐸[σ2- μ(σ1 + σ3)] ε3= 1 𝐸[σ3- μ(σ2 + σ1)]
Theo thế năng của toàn bộ biến dạng được biểu diễn:
A= 1
2𝐸[σ12+σ22+σ32 - 2μ(σ1σ2+ σ2σ3+ σ3σ1)
Để tính toán đàn hồi không đẳng hướng, tiêu chuẩn hiệu suất bậc hai và cao hơn của Hill Fx và Fz được cho như sau:
Fx >Ft (1- cosα) Fz> Ftsinλ
Ở đây Ft và λ biểu diễn lực kéo và góc tiếp xúc. Giải thích hình học của góc tiếp xúc λ được cho trên hình 2.2, ở đây:
47
λ= 90o – α
Chúng ta tập trung vào tính toán lực kéo Fz vì nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu bao gồm tính đàn hồi không đẳng hướng. Sự kéo giãn đều của tấm kim loại dưới điều kiện biến dạng phẳng được thừa nhận, bỏ qua ứng suất uốn và lực ma sát. Lực kéo được tính
toán xấp xỉ bằng: Ft= 2RK(1+𝑅𝑎 √1+𝑅𝑎) 𝑛+1 to𝑒−𝜀𝑥𝜀𝑥𝑛 R: bán kính dụng cụ tạo hình (mm) K: hệ số bền
Ra: thông số dị hướng của vật liệu, với vật liệu đẳng hướng Ra=1
n: số mũ
to: chiều dày tấm ban đầu(mm)
εx=ln( 1
cos 𝛼) là biến dạng thực.
αmax là góc biến dạng lớn nhất trong gia công tấm (độ). Ft: lực kéo làm biến dạng (N).
Fz: thành phần tải trọng dọc trục dụng cụ.(N)
Fx: thành phần lực vuông góc nằm trong mặt phẳng ngang (N).
5. Gia công tạo hình ISF
Gia công biến dạng cục bộ liên tục ISF khác với gia công cắt gọt về độ lớn các thành phần lực tác dụng lên dụng cụ. Trong khi gia công cắt gọt có lực theo phương ăn dao là bé hơn so với các thành phần lực cắt theo phương x và y thì gia công ISF lại có lực nhấn theo phương z là lớn nhất. Sự khác biệt này là do bản chất khác nhau của 2 quá trình là biến dạng dẻo và cắt gọt kim loại.
Trong phần này đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm gia công một mẫu chi tiết hình côn bằng công nghệ ISF đẻ thử nghiệm khả năng của máy trong việc ứng dụng công nghệ này. Đây cũng là đặc điểm thiết kế riêng của máy khác với các máy CNC cắt gọt thông thường, khi mà độ cứng vững của hệ thống theo phương nhấn dụng cụ phương z) được chú ý tăng độ bền và ổn định trong quá trình thiết kế.
48
6. Mô hình gia công ISF
Mô hình gia công ISF là một mô hình côn cong được mô tả như bản vẽ hình 8.33
Hình 8.33
Một số đặc điểm của mô hình:
- Đây là mô hình dùng thí nghiệm tìm ra góc biến dạng lớn nhất của công nghệ ISF. Do đó, đây là mô hình cơ bản nhất của công nghệ ISF.
- Góc biến dạng của biên dạng hình côn thẳng với góc biến dạng lớn nhất của thép C45 là 65o
- Gia công trên vật liệu tấm thép C45, độ dày 1mm.
7. Lập trình gia công và chế độ gia công ISF
Sử dụng phần mềm Creo để tạo tập tin GCODE đầu vào cho máy ISF. Các thông số sử dụng cho quá trình gia công trên vật liệu thép tấm C45 được sử dụng trong các tài liệu của nhóm
Thông số gia công tối ưu sử dụng cho gia công ISF như sau:
- Vận tốc tiến dụng cụ Fxy= 600 vòng/ phút - Vận tốc quay trục chính: n = 900 vòng/ phút - Bước xuống dụng cụ tạo hình: Δz= 0.3mm - Đường kính dụng cụ tạo hình D= 10 mm
Hình 7: Mô phỏng đường chạy dụng cụ côn cong
8. Đánh giá sản phẩm
Sau khi thực hiện hoàn tất các bước gá đặt và gia công, sản phẩm được tạo hinhfh thành công trên máy ISF, hình ảnh của sản phẩm sau khi gia công:
49
Hình 8: Sản phẩm tạo hình bằng ISF trên máy ISF Một số nhận xét về sản phẩm ISF:
- Sản phẩm tạo thành công trên máy ISF, chứng tỏ về phương diện lực máy có thể đáp ứng được cho công nghệ ISF. Vật liệu tấm thếp C45 là một vật liệu khó gia công bằng ISF với góc biến dạng thấp hơn so với các vật liệu khác và lực tạo hình cũng lớn hơn.
- Trong quá trình gia công máy chạy ổn định và êm, không có rung động lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm
- Vết dụng cụ tạo hình để lại trên bề mặt sản phẩm rất đều và ổn dịnh chứng tỏ dụng cụ tạo hình được định vị tốt trên trục chính, giảm tối đa hiện tượng đảo khi quay.
9. Gia công tạo hình TPIF
Công nghệ gia công biến dạng cục bộ liên tục ISF được phân ra biến dạng cục bộ liên tục đơn điểm SPIF và biến dạng cục bộ liên tục hai điểm TPIF. Trong đó sự khác biệt rõ ràng nhất giữa SPIF và TPIF là sự có mặt của dưỡng đỡ trong TPIF. Trong công nghệ TPIF, đường chạy dụng cụ đi trở lại theo biên dạng của dưỡng đỡ và cách dưỡng đỡ đúng bằng chiều dày tấm kim loại. Như vậy để có thể gia công TPIF được hiệu quả thì đòi hỏi sự nội suy của phần điều khiển và độ chính xác của các cơ cấu cơ khí cao. Trong phần này đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm về khả năng gia công các chi tiết tấm bằng phương pháp TPIF. Cụ thể sẽ tạo hình các chi tiết: biên dạng bửng hông xe tải, mui xe và sản phẩm mặt người.
50
10. Sản phẩm bửng hông xe tải
Đặc điểm sản phẩm
o Mẫu sản phẩm thuộc nhóm sản phẩm công nghiệp ô tô. o Có biên dạng đối xứng, góc biến dạng vừa (65-70o) o Tạo hình sản phẩm trên tấm thép C45 dày 1mm
Yêu cầu sản phẩm
o Yêu cầu sản phẩm có độ bóng đẹp, biên dạng đối xứng và cong đều đặn. Các vị trí lắp nối phải đều và đúng kích thước lắp ráp.
o Sản phẩm sau khi tạo hình không có hiện tượng xoắn, rách.
Mô hình CAD của sản phẩm
o Bản vẽ biên dạng bửng hông
Hình 10: Mô hình 2D bửng hông
o Mô hình bửng hông dạng 3D được mô phỏng bằng phần mềm thiết kế Inventor
Mô hình CAM để mô phỏng đường chạy dụng cụ tạo hình trong nguyên công TPIF của bửng hông bằng phần mềm Creo
Từ mô hình CAM của phần mềm Creo, một tập tin GCODE sẽ được tạo ra và sao lưu vào bộ điều khiển của máy ISF thông qua USB. Các bước thực hiện quá trình này tương tự như các bước đã thực hiện ở phần gia công cắt gọt. Có tổng cộng ba bước để tạo ra sản phẩm:
Phay dưỡng tạo hình 2 điểm TPIF:
- Phay thô:
- Tốc độ tiến dụng cụ Fxy= 600 mm/ph - Chiều sâu cắt Fz= 0.1 mm
51 - Tốc độ trục chính n= 600 vg/phút - Phay thô: - Tốc độ tiến dụng cụ Fxy= 800 mm/ph - Chiều sâu cắt Fz= 0.1 mm - Dụng cụ cắt: Dao phay ngón Ø10 - Tốc độ trục chính n= 600 vg/phút Tạo hình sản phẩm
Mô hình bửng hông có góc biến dạng α lớn nhất đạt 60o. Dựa vào các thí nghiệm trên vật liệu C45 đã thực hiện, đề tài chọn chế độ gia công cho quá trình TPIF như sau:
- Tốc độ tiến dụng cụ Fxy= 800 mm/ph - Chiều sâu cắt Fz= 0.3 mm
- Dụng cụ cắt: Dao phay ngón Ø10 - Tốc độ trục chính n= 600 vg/phút
- Sử dụng dung dịch trơn nguội theo tỉ lệ 2 nhớt: 1 mỡ bò.
Chuẩn bị gia công: - Thép tấm C45: 250x200x1 - Phôi nhôm 1050: 250x200x1
- Gá đặt phôi nhôm 1050 lên bàn máy ISF
- Offset trục x, y về điểm 0 tại tâm phôi nhựa. Offset cao độ z về 0 khi dao tiếp xúc với bề mặt phôi. Nhập tọa độ trong khung Machine Coordinate trên màn hình điều khiển máy vào tọa độ OFFSET
- Tiến hành gia công tạo dưỡng phôi nhôm
- Lắp tấm C45 lên phía trên dưỡng nhựa bằng bu-lông, offset lại các gốc tọa độ z về 0 khi dụng cụ tiếp xúc với tấm thép.
52
CHƯƠNG V: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ ISF
Do công nghệ ISF có thể thực hiện trên các máy phay CNC, các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành đồng thời với quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy ISF. Chương trình này sẽ trình bày các nghiên cứu thực nghiệm công nghệ ISF trên các loại vật liệu khác nhau, bao gồm: Thiết lập mô hình thực nghiệm các thông số công nghệ đến biến dạng và chất lượng bề mặt tấm trong ISF; Gia công mẫu thực nghiệm trên tấm nhôm, inox, thép mềm; Tính toán qui hoạch thực nghiệm mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo mẫu sản phẩm; Phân tích và đánh giá kết quả; Xây dụng phần mềm tra cứu chế độ gia công phù hợp yêu cầu kỹ thuật của công nghệ. Nội dung chi tiết của chủ đề được trình bày chi tiết trong chuyên đề
I. Mô hình thực nghiệm các thông số công nghệ đến biến dạng và chất lượng bề mặt tấm trong ISF dạng và chất lượng bề mặt tấm trong ISF
Để thực hiện các nội dung nghiên cứu thực nghiệm, cần phải có các thiết bị và dụng cụ phù hợp sử dụng trong các thí nghiệm và đo lường kết quả. Ngoài ra, việc xác định phương pháp thực nghiệm hợp lý cũng là một vấn đề quan trọng, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm mà vẫn giữ được mức độ tin cậy của kêt quả đầu ra. Sau đây