Ưu điểm
Chi tiết có thể được tạo hình, sửa chữa trực tiếp từ phần mềm CAD với công cụ ít nhất. Điều này có thể tiến hành tạo mẫu nhanh hay sản xuất loạt nhỏ.
Quá trình biến dạng không cần khuôn. Tuy nhiên nó cần có tấm đỡ phía dưới để tạo sự chuyển góc rõ ràng tại mặt tấm kim loại.
Thay đổi kích thước chi tiết nhanh chóng và dễ dàng, tạo khả năng linh hoạt cao. Tạo mẫu nhanh dễ dàng
Vùng biến dạng dẻo nhỏ và sự gia tăng của quá trình góp phần làm tăng khả năng biến dạng, giúp tấm kim loại dễ tạo hình hơn
Máy phay CNC truyền thống có thể thực hiện được quá trình này. Chất lượng bề mặt có thể thay đổi được theo yêu cầu
Quá trình biến dạng không gây tiếng ồn
Giới hạn biến dạng cao hơn các phương pháp biến dạng dùng khuôn khác vì khi biến dạng, vật liệu dưới tấm không bị đùn lại trong lòng khuôn.
Nhược điểm
Hạn chế chính là thời gian tạo hình dài hơn nhiều so với những phương pháp tương đương như dập sâu.
Kích thước chi tiết bị giới hạn bởi kích thước máy CNC Giới hạn trong sản xuất nhỏ, đơn chiếc
Quá trình tạo hình phải trải qua nhiều bước Xuất hiện biến dạng đàn hồi
33
Chất lượng bề mặt không cao, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Không biến dạng được các chi tiết có dạng côn ngược
Đường biểu diễn giới hạn biến dạng truyền thống không thể sử dụng để dự đoán các khuyết tật cũng như phá hủy chi tiết cho công nghệ này. Một đường biểu diễn khác cần được xây dựng để dự đoán các khuyết tật riêng cho phương pháp này
Khả năng biến dạng cao nhưng góc giới hạn biến dạng lại thấp (tùy thuộc vào vật liệu tấm, bước tiến Z, đường kính dụng cụ, số vòng quay…)
Độ chính xác của biên dạng chưa cao
Trong quá trình biến dạng đòi hỏi phải có một lượng lớn chất bôi trơn để làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra.
34
CHƯƠNG III: TỔNG QUAN THIẾT BỊ GIA CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ ISF
I. Máy thực hiện quá trình biến dạng tấm
Để có thể thực hiện được quỹ đạo di chuyển của dụng cụ tạo hình nhằm tạo hình sản phẩm mong muốn bằng phương pháp ISF ta cần phải có thiết bị gia công. Nhìn chung, tất cả máy CNC 3 trục đều thích hợp để thực hiện. Tốc độ cao, không gian làm việc lớn và đủ độ cứng vững là những yêu cầu cần thiết. Sau đây là những máy có thể dùng cho quá trình gia công ISF, trong hầu hết các trường hợp chúng có thể dùng các quá trình gia công khác, nghĩa là máy vạn năng:
- Máy phay CNC - Máy chuyên dụng - Robots
- Robots song song (stewart platform và hexapods)
1. Dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng tấm
35
Vật liệu làm dụng cụ tạo hình càng cứng càng tốt để tranh mòn và biến dạng dụng cụ.Do đó tùy khả năng có thể chế tạo dụng cụ để chọn vật liệu làm dụng cụ tạo hình phù hợp. Đầu dụng cụ tạo hình được chế tạo bằng hợp kim carbide, hoặc phủ một lớp chống ma sát như TiN, CrN, DLC để có thể đạt độ cứng và chống mài mòn tốt khi biến dạng các vật liệu cứng như thép hoặc inox. Ngoài ra có thể dùng vật liệu thép gió hoặc thép cứng (vật liệu Vanadisr23) Vanadisr23 được sản xuất bởi Uddeholm [UDDEL]. Vanadisr23 là hợp kim tốc độ cao được sử dụng làm công cụ cắt hoặc để làm dụng cụ tạo hình. Để giảm tối đa lực ma sát giữa bề mặt sản phẩm với dụng cụ tạo hình có thể chế tạo đầu dụng cụ tạo hình là một khớp cầu trong đó viên bi lăn tròn và tiếp xúc với bề mặt sản phẩm. Ma sát trượt lúc này đã được biến đổi thành ma sát lăn.
Chọn đường kính và chiều dài của dụng cụ tạo hình bao nhiêu thì tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của sản phẩm. Tuy nhiên đường kính dụng cụ lớn thì thời gian gia công nhanh, độ bóng đạt cao hơn tuy nhiên góc giới hạn biến dạng của tấm sẽ giảm xuống, độ chính xác về hình dáng cũng giảm đi. Dụng cụ tạo hình nhỏ nhất nên có đường kính 6mm, bán kính tối thiểu là 3 mm. Tuy nhiên, qua thực nghiệm người ta khuyến cáo rằng bán kính nhỏ nhất được sử dụng nên là 5 mm.
Trong nội dung báo cáo, thí nghiệm và thực nghiệm trên sản phẩm bằng công nghệ ISF sử dụng các dụng cụ khác nhau với đường kính từ 3-10 mm. Vật liệu làm là thép dụng cụ sau khi đã được tôi và đánh bóng. Các dụng cụ này được tiện trên máy tiện và sử dụng đồ gá chuyên biệt để đảm bảo biên dạng hình cầu của đầu dụng cụ. Yêu cầu độ cứng đạt được của dụng cụ là 65HRC.
Ngoài ra khi thiết kế để chế tạo dụng cụ tạo hình cần chú ý hai cỡ của dụng cụ là 10 và 16 mm. Do đó với các dụng cụ tạo hình có kích thước đường kính nhỏ hơn 10 hay từ 10-16 mm thì cần có độ côn từ cán đến đầu dụng cụ. Góc này từ 10-15o để đảm bảo khi gia công dụng cụ không chạm vào bề mặt dốc của sản phẩm khi gia công.
36
Hình 1.2: Các dụng cụ miết
2. Đồ gá kẹp tấm kim loại
Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp biến dạng ISF đơn giản, chi phí chế tạo thấp và dễ dàng thay đổi cho phù hợp với sản phẩm. Yêu cầu kỹ thuật của gá:
- Kích thước bao của đồ gá tùy thuộc vào kích thước giới hạn làm việc của trục máy CNC.
- Đồ gá không yêu cầu độ chính xác cao, chỉ cần đảm bảo độ cứng vững và can bằng khi gá lắp lên bàn máy CNC
- Để tiện cho việc lắp và tháo đồ gá ra khỏi máy CNC dễ dàng, các bộ phận của đồ gá được nối ghép với nhau bằng mối ghép bu lông – đai ốc.
- Tấm đỡ có thể dễ dàng thay đổi tùy theo biên dạng của sản phẩm
3. Ảnh hưởng của thông số gia công lên khả năng tạo hình – chất lượng bề mặt và độ chính xác
Khả năng tạo hình trong công nghệ ISF được đặc trưng bởi góc biến dạng giới hạn lớn nhất α. Độ chính xác về mặt kích thước hình học và chất lượng bề mặt là các yếu tố quan trọng đóng góp vào chất lượng của sản phẩm sau cùng.
37
4. Ảnh hưởng của vận tốc tiến dụng cụ F đến khả năng biến dạng và chất lượng sản phẩm lượng sản phẩm
Khi tốc độ tiến dụng cụ tăng thì các ứng suất kéo sẽ tăng lên ảnh hưởng đến khả năng biến dạng khi gia công.
Nếu F quá lớn thì lực biến dạng sẽ tăng lên làm rung động dụng cụ tạo hình. Máy gia công bị rung động, giật cục nếu gặp biên dạng phức tạp làm tăng độ nhám và giảm góc giới hạn.
Như vậy nên chọn F ở mức cao trong điều kiện dụng cụ tạo hình có thể chịu được để giảm độ nhám và tăng góc giới hạn. Tăng F cũng có nghĩa là giảm thời gian gia công, tăng năng suất biến dạng tạo hình.
Thực tế tăng giá trị F ở mức cao cũng rất khó khan vì máy phay CNC 3 trục bình thường và lập trình với phần mềm CAM thông dụng thì máy chỉ chạy đúng giá trị F đối với quỹ đạo thẳng, đường cong. Đối với biên dạng phức tạp, gấp khúc, để đảm bảo độ chính xác, máy Phay CNC phải giảm tốc độ thấp mới có thể chuyển hướng di chuyển. Vì thế trong quá trình thiết kế sản phẩm cần chú ý đến điều này và hạn chế bằng cách tránh thiết kế nhiều đường gấp khúc, nếu được nên bo tròn các cạnh gấp khúc bằng một cung lớn hơn bán kính dụng cụ tạo hình.
5. Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính n lên khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt lượng bề mặt
Khi ta tăng n sẽ xảy ra sự tỏa nhiệt cục bộ tại vị trí gia công làm tăng khả năng biến dạng, do đó sẽ làm tăng khả năng gia công. Tuy nhiên, nếu làm như vậy thì dụng cụ sẽ bị mài mòn rất nhanh và chất bôi trơn dễ bị đốt cháy. Điều này ảnh hưởng đến an toàn khi gia công.
Trong thí nghiệm của nhóm tác giả M. Durante, A. Formisano, A. Langella, F. Memola Capece Minutolo đã cung cấp những đánh giá ban đầu về hệ số ma sát . Khi dụng cụ không quay, hệ số ma sát là 0.19; dụng cụ quay với tốc độ 200 hoặc 400 vòng/ phút thì hệ số ma sát là 0,11; dụng cụ quay với tốc độ là 600 hoặc 800 vòng/ phút thì hệ số ma sát là 0,06. Thông số n còn ảnh hưởng đến lực tạo hình là 460, 440, 390N ứng với tốc độ trục chính lần lượt là 0 vòng/ phút, 600 vòng/phút theo chiều kim đồng hồ, và 600 vòng/ phút ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy có thể tính được tổng lực từ việc suy ra
38
lực biến dạng theo phương dọc từ những luận trên. Thông số n còn ảnh hưởng đến nhiệt độ. Nhiệt độ sẽ tăng lên khi số quay tăng.
Như vậy, số vòng quay trục chính có ảnh hưởng lên nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng biến dạng trong quá trình gia công SPIF. Ta cần chộn số vòng quay thích hợp để có được khả năng biến dạng tốt nhất, mang lại độ chính xác cho sản phẩm gia công.
6. Ảnh hưởng của bước tiến dao dọc Δz đến khả năng biến dạng chất lượng bề mặt bề mặt
Bước tiến ΔZ là bước tiến của dụng cụ tạo hình theo phương Z của CNC, để lại các vết trên bề mặt được hình thành sau mỗi vòng chạy. Để đạt được nhám bề mặt theo yêu cầu và cải thiện góc giới hạn biến dạng thì cần lưu ý lựa chọn ΔZ và ảnh hưởng của các lựa chọn đó như sau:
+ Nếu vẫn giữ nguyên các thông số khác, giảm bước tiến ΔZ nhỏ xuống độ nhám giảm xuống nhưng sẽ dẫn đến thời gian biến dạng tạo hình lâu hơn.
+ Tăng bước tiến ΔZ thì thời gian gia công giảm đi rõ rệt (có thể giảm hoặc hơn nữa) và góc giới hạn biến dạng cũng tăng lên vì bề mặt tấm không bị mòn, nhưng độ nhám lại tăng không đáng kể (nếu thay bước tiếng ΔZ từ 0.1 lên 0.2, thời gian gia công sẽ giảm đii một nửa mà không làm ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt).
+ Tuy nhiên tăng bước tiến lớn hơn thì lực biến dạng cũng lớn hơn, do đó cần chú ý đến độ cứng của tấm, bề dày tấm, khả năng chịu quá tải của trục chính và của dụng cụ tạo hình mà chọn bước tiến ΔZ. Tránh tình trạng quá tải làm ảnh hưởng đến trục vít me hoặc gãy dụng cụ tạo hình. Thường chọn ΔZ<1mm.
7. Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ tạo hình d đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt và chất lượng bề mặt
Đường kính dụng cụ tạo hình cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm. Vì thế, đây cũng là một thông số quan trọng cần phải tính toán kỹ trước khi lựa chọn
Theo [10], đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm dựa trên sự thay đổi đường kính dụng cụ tạo hình trong trường hợp giữ nguyên các thông số công nghệ khác thì:
39
- Đường kính dụng cụ nhỏ -> tăng góc giới hạn, tăng độ chính xác biên dạng và hình dáng sản phẩm, tăng độ nhám bề mặt.
- Đường kính dụng cụ lớn -> giảm góc giới hạn, giảm độ chính xác biên dạng, giảm độ nhám bề mặt.
Do đó tùy theo kích thước và hình dáng của từng sản phẩm mà ta chọn giá trị kích thước của đầu dụng cụ tạo hình sao cho thỏa mãn tương đối hai yếu tố trên. Để khắc phục ta có thể sử dụng nhiều đường kính dụng cụ tạo hình cho một sản phẩm.
8. Ảnh hưởng của loại vật liệu gia công đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt lượng bề mặt
Đối với một loại vật liệu, nếu khi gia công ta biết được góc biến dạng giới hạn αmax, ta có thể xác định được quy trình gia công hợp lý cho chi tiết trong quá trình thiết kế. Điều này giúp quá trình gia công đảm bảo đạt yêu cầu, không xảy ra hiện tượng rách trên chi tiết.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các biểu đồ giới hạn biến dạng (FLD) ứng với các vật liệu khác nhau. Các yếu tố đầu vào trong biểu đồ FLD là tất cả các yếu tố ảnh hưởng lên khả năng biến dạng tấm kim loại trong quá trình gia công ISF. Các yếu tố này được đưa ra dựa các cơ sở của quá trình biến dạng như ứng suất, giới hạn chảy của vật liệu và lực tạo hình và bao gồm tốc độ quay trục chính n, tốc độ tiến theo phương xy của dụng cụ tạo hình vf, bước xuống dụng cụ z và đường kính dụng cụ d.
9. Ảnh hưởng của bôi trơn đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt
Bôi trơn xuất hiện là một nhân tố quan trọng trong tạo hình kim loại tấm. Nó có tác dụng giảm ma sát tại mặt tiếp xúc giữa dụng cụ chi tiết và cải thiện chất lượng bề mặt. Qúa trình bôi trơn khác nhau tùy thuộc vào vật liệu tấm và quá trình tạo hình khác nhau (ASM, 2006). Thí nghiệm đã cho thấy: nếu dầu bôi trơn có đặc tính thấp thì vật liệu sẽ bị cào xước và những hạt nhỏ kim loại bị chùi. Nó có thể để lại những vết hằn trên bề mặt. Vì vậy, bôi trơn trong ISF khá quan trọng. Tuy nhiên, cần chọn lựa thành phần dầu bôi trơn cho những loại vật liệu khác nhau cần nghiên cứu thêm.
Nếu quá trình gia công không đủ chất bôi trơn, nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc trên dụng cụ tạo hình và phôi sẽ tăng cao cục bộ làm tăng khả năng biến dạng, tăng khả năng tạo hình
40
nhưng sẽ gây mòn dụng cụ rất nhanh, chất bôi trơn có khuynh hướng bị đốt cháy, gây ảnh hưởng đến môi trường và tốn kém chi phí cho quá trình gia công.
10. Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ lên độ nhám bề mặt
Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được mô tả trên hình 1.8. Tất cả các hệ thống CAM 3 trục hiện đại đều có khả năng tạo được đường chạy dụng cụ này
Hình 10.1: Biên dạng dịch chuyển của dao
a) Đường thẳng
b) Đường xoắn ốc
Cách đơn giản nhất là dịch chuyển theo một đường thẳng. Ở đây dụng cụ di chuyển đến vị trí của phân đoạn tiếp theo mà không tiến xuống (giống tiến theo trục z) và sau đó thực hiện bước xuống dụng cụ. Cả hai cách trên đều gây ra đường xuống dụng cụ có thể nhìn thấy được, làm xấu chất lượng của chi tiết đáng kể.
Để tránh hoặc giảm ảnh hưởng của đường xuống dụng cụ, đường chạy dụng cụ xoắn ốc được sử dụng. Một vài kiểu đường chạy dụng cụ xoắn ốc được thể hiện trên hình. Trong hình là phương pháp ở đó bước xuống dụng cụ được phân tán trong diện tích lớn hơn. Ở đây, đường xuống dụng cụ dọc là một đường xoắn ốc, vì thế nó không nhận thấy.
41
Hình 10.2: Đường xuống dụng cụ hình xoắn ốc
11. Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ tới năng suất gia công
Đường chạy dụng cụ trong công nghệ ISF có ảnh hưởng rất rõ đến năng suất gia công, với cùng một biên dạng tạo hình mỗi một đường chạy dụng cụ sẽ có một thời gian khác nhau.
Hình 11: Tốc độ xuống dao ảnh hưởng năng suất
Rõ ràng với chiến lược chạy dụng cụ như hình bên phải thì thời gian gia công sẽ ngắn hơn rất nhiều so với chiến lược như hình bên trái. Nhưng có một vấn đề đặt ra là thời gian nhanh hơn nhưng với chiến lược bên trái thì độ nhám bề mặt lại tăng rất là nhiều. Do vậy tùy vào yêu cầu của sản phẩm đặt ra mà chúng ta lựa chọn chiến lược chạy dụng cụ cho phù hợp
12. Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF