1.2. Lịch sử các phương pháp tạo hình kim loại tấm và công nghệ ISF
1.2.3. Lịch sử phát triển của phương pháp ISF
Năm 1967, Leszak phát minh một phương pháp tạo hình kim loại không dùng khuôn bằng cách sử dụng chuyển động của dụng cụ được điều khiển số. Phương pháp này sử dụng một dụng cụ đơn giản, biến dạng từ từ vật liệu kim loại dạng tấm theo từng lớp
để đạt được hình dạng của sản phẩm hoàn thiện. Trong thời điểm đó, khả năng áp dụng điều khiển số còn hạn chế, do vậy việc ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn vẫn còn chưa khả thi.
14
Đầu những năm của thập niên 90, có một số nghiên cứu công bố về phương pháp này trong lĩnh vực kim loại tấm (Powell và Andrew, 1992: Iseki, 1992; Kitazawa, 1993: Matsubara, 1994) nhưng vẫn còn hạn chế trong nghiên cứu. Vấn đề về độ chính xác của phương pháp này vẫn còn là một thách thức vì thế chúng chưa trở thành một phương pháp có thể ứng dụng đại trà trong công nghiệp.
Đến cuối năm 2005, phương pháp đã này trở thành một trong các chủ đề của nhiều hội nghị khoa học trên thế giới, nhiều nghiên cứu khoa học được công bố giúp tăng bước hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số và quá trình biến dạng của cộng nghệ tạo hình kim loại tấm này (Felice và Micari 2006, Hirt, Young, Jeswiet 2006). Không giống những quá trình biến dạng kim loại tấm khác, quá trình tạo hình tấm bằng biến dạng cục
bộ liên tục không yêu cầu bất kỳ chày hay khuôn chuyên dụng nào để tạo ra những hình dạng phức tạp, bởi vậy nó giống như tạo mẫu nhanh. Quá trình sử dụng một dụng cụ đầu cầu, tiêu chuẩn, đường kính có thể nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết được gia công. Suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển theo một chiều theo một chuỗi các đường cong kín theo hình dạng cuối cùng của chi tiết và biến dạng mở rộng dần cho đến hình dạng mong muốn. Một ví dụ về đường chạy dao được chỉ ra như hình 1.4.
Hình 1.4 Quá trình miết trên máy CNC
Sự biến dạng chỉ hạn chế trong vùng xung quanh dụng cụ. Những vùng không tiếp xúc với dụng cụ sẽ không bị biến dạng.
15
Mô tả quá trình
ISF là kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu tấm. ISF sử dụng một dụng
cụ đầu tròn chạy theo một quỹ đạo xác định được điều khiển bằng chương trình số làm biến dạng tấm kim loại đƣợc kẹp chặt trên bàn máy hoặc đồ gá để tạo ra hình dáng sản phẩm mong muốn. Vật liệu tấm có thể là kim loại hoặc polymer. Dụng cụ được gắn trên máy điều khiển số, có thể là máy ISF chuyên dùng hoặc máy CNC ba trục hoặc cánh tay robot. Từng lớp vật liệu theo phương ngang sẽ biến dạng dẻo cục
bộ liên tục trong suốt quá trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối cùng của sản phẩm [2]. Bề dày của mỗi lớp phụ thuộc vào bước tiến theo phương thẳng đứng
∆z của quỹ đạo dụng cụ.
1) Phôi được kẹp chặt trên đồ gá.
2) Dụng cụ đi xuống và tiếp xúc với phôi.
3) Dụng cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp đầu tiên.
4) Dụng cụ lặp lại chuyển động để tạo hình các lớp tiếp theo cho đến hết quỹ đạo.
Hình 1.5 Các bước trong quy trình ISF
Với kỹ thuật này, một chi tiết kim loại tấm chỉ được gia công trong thời gian ngắn từ
mô hình CAD mà không cần qua các công đoạn làm khuôn và sửa khuôn vốn phức tạp
và đắt tiền.
16
Hình 1.6 Quy trình ISF
Quy trình ISF được mô tả như. Mô hình 3D của sản phẩm kim loại tấm được thiết kế trên các phần mềm CAD (AutoCad, Creo, Solidwork hoặc Catia,…), hoặc được xuất ra
từ các phần mềm 3D khác theo các chuẩn IGES, STEP. Từ dữ liệu 3D CAD này, thông qua các ứng dụng CAM (Creo hay Catia,…), quỹ đạo của dụng cụ và các thông số công nghệ (vận tốc vòng của dụng cụ, bước tiến, chiều sâu,…) được thiết lập. Thông tin về quỹ đạo dụng cụ và thông số công nghệ chứa trong tập tin mà máy CNC đọc được. Quá trình gá đặt phôi lên máy CNC được thực hiện thông qua đồ gá chuyên dùng, đồng thời tiến hành đổ chương trình vào máy và gia công. Việc chuẩn bị gia công trong phương pháp ISF mất ít thời gian và linh hoạt vì hầu hết các quá trình hiệu chỉnh và thay đổi thiết
kế đều được thực hiện trên phần mềm. Mặc dù năng suất không cao bằng phương pháp dập nhưng ISF rất phù hợptrong việc tạo mẫu sản phẩm, trong sản xuất đơn chiếc và sửa chữa. Đặc biệt, ISF có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra các mãnh xương nhân tạo bằng thép không gỉ vốn cứng, khó gia công và số lượng rất hạn chế. Trong trường hợp này, ISF được thực hiện kết hợp với gia nhiệt cho chi tiết và công nghệ Scan 3D.
17
Ưu nhược điểm của phương pháp ISF:
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
Chất lượng bề mặt không cao, phụ thuộc vào nhiều yếu tố
Không biến dạng được các chi tiết có dạng côn ngược
18
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.