4. Gia công thử nghiệm
5.2 Hƣớng phát triển đề tài
Trong các nghiên cứu tiếp theo, các hƣớng nghiên cứu sau đây sẽ đƣợc tiến hành:
- Theo dõi tiến trình hình thành vết nứt khi tiến hành đo lực và tập trung nghiên cứu mối liên hệ giữa vết nứt với đƣờng cong lực.
- Tìm đƣợc mối quan hệ giữa các các thông số gia công SPIF với giá trị K (K là giá trị gradient đƣờng cong lực tổng) và giá trị tới hạn K* của vật liệu nhôm A1050-H14.
- Xây dựng thuật toán điều khiển để điều khiển các thông số công nghệ quá trình.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] G. Hussain , L. Gao, A Novel Method to Test The Thinning Limits of Sheet
Metals in Negative Incremental Forming, International Journal of Machine
Tools & M anufacture 47 (2007) 419 – 435.
[2] G.A. Oosthuizen, H. Nortjé, E.J. Herselman, G. Akdogan and N. Sacks, The Development of Experimental Machines in Order to Understand The Demands
of Incremental Sheet Forming of Titanium, ISEM 2011 Proceedings, September
21-23, Stellenbosch, South Africa © 2011 ISEM.
[3] Hongyu Wei, Wenliang Chen, and Lin Gao, Springback Investigation on Sheet
Metal Incremental Formed Parts, World Academy of Science, Engineering and
Technology 79 2011.
[4] Chungchoo Ch., Formability in Single Point Incremental Forming of Dome
Geometry, AIJSTPME (2009) 2(4): 57-63.
[5] I. Cerro, E. Maidagan, J. Arana,A.Rivero, P.P. Rodr´ıguez, Theoretical and
Experimental Analysis of The Dieless Incremental Sheet Forming Process,
Journal of Materials Processing Technology 177 (2006) 404–408.
[6] G. Hussain, N. Hayat, L. Gao, An Experimental Study on The Effect of Thinning
Band on The Sheet Formability in Negative Incremental Forming, International
Journal of Machine Tools & Manufacture 48 (2008) 1170 – 1178.
[7] A. Petek, K. Kuzman, J. Kopaè, Deformations and Forces Analysis of Single
Point Incremental Sheet Metal Forming, Archives of Materials Science and
Engineering, Volume 35, Issue 2, February 2009, Pages 107-116.
[8] R. Aeren s & P. Eyck ens & A. Van Bae l & J. R. Duflou, Force Prediction for Single Point Incremental Forming Deduced from Experimenta L And FEM
Observations, Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-009-2160-2.
[9] V. S. Le, A. Ghiotti, G. Lucchetta, Preliminary Studies on Single Point
Incremental Forming for Thermoplastic Materials, University of Padova - Via
Venezia.
[10] First A. Nguyen Duc Toan, Second B. Park Jingee, Third C. Kim Youngsuk,
Analytical and Numer Ical Approach to Predict The Fracture and Optimiz E The
Press Formabil Ity of Incremental Sheet Forming For Complex Shape, 7TH
EUROMECH Solid Mechanics Conference, J. Ambrósio et.al. (eds.), Lisbon, Portugal, September 7-11, 2009.
[11] G. Ambrogio, S. Bruschi, A. Ghiotti, L. Filice, Formability Of Az31 Magnesium
Alloy in Warm Incremental Forming Process, DipMec University of Calabria,
Rende (CS) – Italy.
[12] F. Capece Minutolo, M. Durante, A. Formisano, A. Langella, Forces Analysis in Sheet Incremental Forming and Comparison of Experimental and Simulation
Results, Dept. of Materials and Production Engineering, University of Naples
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 96 [13] Pohlak, M., Majak, J. & Kyttner, R., Manufacturability Issues in Incremental
Sheet Forming, 5th International DAAAM Baltic Conference "Industrial
Engineering – Adding Innovation Capacity Of Labour Force And Entrepreneurs", 20–22 April 2006, Tallinn, Estonia.
[14] PGS. TS. Nguyễn Thanh Nam, “Nghiên Cứu Công Nghệ Tạo Hình Kim Loại
Tấm Không Dùng Khuôn”, PTN trọng điểm quốc gia, đại học Bách Khoa TP.Hồ
Chí Minh, 24/08/2010.
[15] Nguyễn Minh Khôi, Khảo Sát ảnh Hưởng Của Các Thông Số Công Nghệ Đến Khả Năng Biến Dạng Dẻo Và Chất Lượng Bề Mặt Của Vật Liệu Tấm Khi Gia Công Bằng Phương Pháp Biến Dạng Gia Tăng Đơn Điểm SPIF ( Single Point
Incremental Forming), Luận văn thạc sĩ, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa
TP.HCM, 11/2009.
[16] Phan Đình Tuấn, Nghiên Cứu Thiết Kế Thiết Bị Gia Công Kim Loại Tấm Không
Dùng Khuôn, Luận Văn Tốt Nghiệp, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa
TP.HCM, 31/12/2008.
[17] Nguyễn Thiên Bình, Nghiên Cứu ảnh Hưởng Của Các Thông Số Công Nghệ
Lên Góc Biến Dạng Và Hiệu ứng Springback Trong SPIF, Luận văn tốt nghiệp,
Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa TP.HCM, 12/2009.
[18] Phạm Văn Trung, Nghiên Cứu Một Phương Pháp Gia Công Mới Đối Với Vật
Liệu Composite Nền Nhựa Nhiệt Dẻo, Luận văn thạc sỹ, Khoa Cơ Khí, Đại học
Bách Khoa TP.HCM, 16/06/2010.
[19] Nguyễn Thanh Nam, Lê Khánh Điền, Lê Văn Sỹ, Nghiên Cứu Tính Toán Công
Suất Tiêu Thụ Trong Tạo Hình Kim Loại Tấm Bằng Phương Pháp SPIF, Tạp
Chí Phát Triển Khoa Học Và Công Nghệ, tập 12, số 4-2009.
[20] Pohlak, M., Majak, J. & Kyttner, R., Manufacturability Issues in Incremental
Sheet Forming, 5th International DAAAM Baltic Conference "Industrial
Engineering – Adding Innovation Capacity of Labour Force And Entrepreneurs", 20–22 April 2006, Tallinn, Estonia.
[21] Kelvin Allan Samuel Hamilton, Friction and External Surface Roughness in
Single Point Incremental Forming, A study of surface friction, contact area and
the „orange peel‟ effect, A thesis submitted to the Department of Mechanical and Materials Engineering In conformity with the requirements for the degree of Masters of Applied Science, Queen‟s University, January, 2010.
[22] M B Silva, M Skjoedt, A G Atkins, N Bay, and P A F Martins, Single-Point
Incremental Forming and Formability–Failure Diagrams, Department Of
Engineering, University Of Reading, Reading, UK, 21 September 2007.
[23] AUDY J., An Appraisal of Techniques and Equipment for Cutting Force
Measurement, Journal of Zhejiang University SCIENCE A , Audy/J Zhejiang
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 97 [21] Kelvin Allan Samuel Hamilton, Friction and External Surface Roughness in
Single Point Incremental Forming, A Study of Surface Friction, Contact Area
and The „Orange Peel‟ Effect, A thesis submitted to the Department of
Mechanical and Materials Engineering In conformity with the requirements for the degree of Masters of Applied Science, Queen‟s University, January, 2010. [24] TS.Thái Thị Thu Hà, Th.S Hồ Minh Đạo, Thiết Kế Hệ Thống Đo Lực Cắt Quá
Trình Phay, Khoa Cơ Khí - Trƣờng Đại học bách Khoa - Đại học Quốc Gia
Thành phố Hồ Chí Minh.
[25] Alessandro Ba´u, Dynamometer for Cutting Force Measurement in Micro
Milling, Department of Manufacturing Engineering, Technical University of
Denmark, March 30th 2007.
[26] Cutting Force Measurement, www.kistler.com.
[27] Joost Duflou, Yasemin Tunckol, Alex Szekeres, Paul Vanherck, A Force
Measuring Based Strategy for Failure Prevention in Incremental Forming,
Journal of Materials Processing Technology 177 (2006) 413–416, 6 April 2006. [28] Süleyman Yaldıza, Faruk Ünsaçara, Design, Development and Testing of A
Turning Dynamometer for Cutting Force Measurement, Technical Science
College, Selçuk University, 42031, Konya, Turkey.
[29] R. Aerens & P. Eyckens & A. Van Bael & J. R. Duflou, Force Prediction for Single Point Incremental Forming Deduced from Experimental and FEM
Observations, Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-009-2160-2, 4
June 2009.
[30] Karl Hoffmann, An Introduction to Measurements using Strain Gages, Publisher: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt, 1989.
[31] Electrical Resistance Straingages Circuits.
[32] www.micro-measurements.com, Optimizing Excitation Levels, revision: 01- Nov-2010.
[33] National Instrument, Strain Gages Measurement System - A Tutorial, Application Note 078, 1998.
[34] E. O. Doebelin, Measurement Systems: Application and design, 5th ed., McGraw Hill, 2003.
[35] Charles Kitchin and Lew Counts, A Designer‟s Guide to Instrumentation Amplifiers, 2nd Edition, 2.
[36] R. Aerens & P. Eyckens & A. Van Bael & J. R. Duflou, Force Prediction for Single Point Incremental Forming Deduced from Experimental and FEM
Observations, Int J Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-009-2160-2, 4
June 2009.
[37] J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou, J. Allwood, Asymmetric
Single Point Incremental Forming of Sheet Metal, Queen‟s University,
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 98 [38] A. Petek, K. Kuzman, J. Kopaè, Deformations and Forces Analysis of Single
Point Incremental Sheet Metal Forming, International Scientific Journal
published monthly by the World Academy of Materials and Manufacturing Engineering, 2009.
[39] Elisabetta Ceretti, Claudio Giardini, Aldo Attanasio, Experimental and
simulative results in sheet incremental forming on CNC machines, Journal of
Materials Processing Technology 152 (2004) 176–184.
[40] G. Hussain, L.Gao , N.U. Dar, An Experimental Study on Some Formability
Evaluation Methods in Negative Incremental Forming, Journal of Materials
Processing Technology 186 (2007) 45–53.
[41] Nguyen Thanh Nam, Phan Dinh Tuan, Vo Van Cuong, Le Khanh Dien,Nguyen Thien Binh, Le Trung Hieu, Research on The Forming Angle of A1050-H14 Aluminum Material Processed by Using Single Point Incremental Forming
Technology (SPIF), Science & Technology Development, Vol 12, No.16 – 2009.
[42] A. Formisano, M. Durante, A. Langella, F. Capece Minutolo, Manufacture of A Component with Concave-Convex Shape by Backdrawing Incremental Forming
Process, Department of Materials and Production Engineering, University of
Naples Federico II, P.le Tecchio 80, 80125 Naples, Italy.
[43] Joost Duflou Yasemin Tunc kol, Alex Szekeres, Paul Vanherck, Experimental study on force measurements for single point incremental forming, Journal of Materials Processing Technology 189 (2007) 65–7.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 99
PHỤ LỤC
Phần phụ lục gồm các bài báo đã nộp và phản biện và đƣợc duyệt là: phụ lục 1 (Kỷ yếu viện), phụ lục 2 (Hội nghị cơ điện tử 2012), phụ lục 3 (Hội nghị cơ học toàn quốc 2012). Trong đó hai bài báo đã bảo vệ tại Hội nghị cơ điện tử và Hội nghị cơ học toàn quốc 2012.
Họ và tên : Đinh Văn Đức
Giới tính : Nam
Ngày tháng năm sinh : 01/04/1987
Nơi sinh : Xuân Bắc, Xuân Lộc, Đồng Nai
Địa chỉ liên lạc : 39/A-215 Chung cư Huỳnh Văn Chính 2 nhà A4, P. Phú
Trung, Q. Tân Phú, TP.HCM
Điện thoại : 01674587571
Mail : dinhvanduc06@gmail.com
Quá trình đào tạo
- 2006-2011: Sinh viên khoa Cơ Khí, ngành chế tạo máy đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
- 2011-2012: Học viên cao học ngành chế tạo máy trường đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.
PHỤ LỤC 1
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỰC KẾ VÒNG TÁM CẠNH TRONG GIA CÔNG SPIF
KS Đinh Văn Đức 1
, PGS. TS Đặng Văn Nghìn 2, ThS Trần Đại Nguyên2
1Đại Học Bách Khoa TP.HCM
Email: dinhvanduc06@gmail.com
2
Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng TP.HCM, Việt Nam
Website: http://www.iami.ac.vn
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu nguyên lý và các thông số công nghệ của phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF), trình bày đường lối tính toán thiết kế lực kế cảm biến vòng tám cạnh sử dụng màng biến dạng (strain gage) cho quá trình gia công này.
Từ khóa: Dynamometer, Strain gauge, Data acquisition.
1. GIỚI THIỆU
Tạo hình bằng phương pháp gia tăng đơn điểm là một phương pháp mới trong tạo hình tấm, có thể gia công hình dạng phức tạp mà không cần có khuôn riêng. Chi tiết gia công được gá cố định trên đồ gá và đồ gá được cố định trên bàn máy của máy như trên Hình 1. Khi dụng cụ nhấn xuống sẽ tiếp xúc với tấm, tác dụng lên tấm một lực gây ra hiện tượng biến dạng cục bộ với một lượng rất nhỏ. Dụng cụ di chuyển theo quỹ đạo đã được xác định trước đó nhờ các phần mềm CAD/CAM và tạo hình liên tục kim loại tấm bằng một chuỗi tăng các bước cho đến khi đạt được chiều sâu h cuối cùng của chi tiết. Dụng cụ tạo hình là một đầu bán cầu bóng được kẹp trên trục chính của máy, được làm từ thép gió hoặc thép hợp kim cứng. Các thông số công nghệ trong SPIF (Hình 2) gồm: độ dày của tấm s, tốc độ quay trục chính n, đường kính dụng cụ d, bước tiến dụng cụ theo phương đứng Δz, tốc độ di chuyển dụng cụ f, góc nghiêng thành chi tiết α.
Khi dụng cụ tiếp xúc với tấm kim loại sẽ tác dụng lên tấm ba thành phần lực theo 3 phương Fx, Fy
và Fz.
Hai thông số quan trọng trong gia công SPIF là đường kính dụng cụ d và bước tiến dụng cụ Δz, khi tăng hai thông số này thì lực gia công tăng tuyến tính và ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của chi tiết [1]. Do đó cần thiết phải đo lực.
Để đo ba thành phần lực theo ba phương, có thể sử dụng một số loại lực kế: màng biến dạng (strain gage), áp điện, điện dung, nên ta cũng có thể thiết kế dựa vào những loại lực kế này.
Lực kế áp điện có giá thành rất đắt. Lực kế điện dung đòi hỏi kết cấu phức tạp và độ nhạy không cao nên nhóm nghiên cứu chọn lực kế vòng 8 cạnh dựa trên màng biến dạng để thiết kế.
2. THIẾT KẾ LỰC KẾ 2.1 Sơ đồ nguyên lý
Qua tham khảo một số tài liệu [1, 4], thành phần lực lớn nhất trong SPIF là Fz có giá trị là 2700 N. Để an toàn chọn lực lớn nhất sinh ra trong quá trình gia công là 3500N. Dựa vào yêu cầu ta có sơ đồ nguyên lý của lực kế như sau (Hình 3):
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý lực kế SPIF
Những yêu cầu đối với lực kế: độ nhạy, độ cứng vững, độ đàn hồi, độ chính xác, dễ hiệu chuẩn (calip), giá thành và độ tin cậy trong môi trường gia công. Kích thước, hình dáng và vật liệu của lực kế được xem xét là những nhân tố hiệu quả cho đặc tính động của lực kế.
Lực kế được thiết kế gồm bốn vòng đàn hồi tám cạnh, trên đó màng biến dạng được gắn lên và những kết nối cần thiết để hình thành nên mạch cầu Wheatstone đo lường.
Lực kế về bản chất bao gồm các phần tử vòng. Độ cứng, tần số tự nhiên cao, chống ăn mòn và hệ số dẫn nhiệt cao được xem xét khi lựa chọn vật liệu của vòng. Tương tự, biến dạng khi chịu tải trọng nên thích hợp với biến dạng của màng biến dạng.
Trong nghiên cứu này, thép AISI 4140 phù hợp với các yêu cầu ở trên được chọn làm vật liệu vòng. Đặc tính của vật liệu này được cho trong bảng 1.
Bảng 1: Đặc tính của thép AISI 4140
Ứng suất bền Mô đun đàn hồi Hệ số Poisson Độ cứng
550-900 N/mm2 210000 N/mm2 0.3 247 HB
2.2 Xác định kích thước của vòng tám cạnh
Chiều dày t, bán kính r, và độ rộng b của vòng tròn biến dạng là ba thông số cơ bản ảnh hưởng lên độ cứng và độ nhạy của lực kế, bmin có thể lấy là 20 mm để thiết lập cho vòng an toàn.
Biến dạng của vòng tròn dưới ảnh hưởng của lực vuông góc theo phương thẳng đứng Fz và lực hướng kính Fy riêng rẽ được thể hiện lần lượt trên Hình 4b và Hình 4c. Tại A và B mỗi màng biến dạng được lắp cố định lên vòng (Hình 6) nằm trong phạm vi giới hạn đàn hồi của vật liệu vòng, độ
dãn và biến dạng do lực lớn nhất nên được xem xét cho mục đích thiết kế vòng để tối ưu hóa độ nhạy (εy/Fy) và độ cứng (Fy/δy) [2, 5].
Hình 4 Biến dạng của vòng biến dạng tròn: (4a) hai lực kết hợp, (4b) lực dọc trục Fz, (4c) lực hướng kính Fy.
Màng biến dạng nên được đặt tại nơi có tập trung biến dạng lớn nhất [2]. Một số thực nghiệm cho thấy kết quả tốt nhất đạt được cho vòng tám cạnh khi góc nghiêng của màng ở điểm 39.60 từ phương đứng thay vì 450
được yêu cầu theo lý thuyết vòng tròn. Biến dạng tương đối trên biến dạng có thể được thể hiện dưới dạng [2, 3]:
1 09 0 61 1 8 z y . t t . ( / r ) . r r (1)
Trong đó δy là độ võng theo hướng bán kính và εz là biến dạng do lực dọc trục Fz. Độ nhạy lớn nhất và độ cứng εz/δznên lớn nhất có thể [2]. Điều này đòi hỏi r nhỏ nhất có thể và t lớn nhất có thể. Nhưng r nhỏ gây ra một số khó khăn trong việc gắn các màng biến dạng bên trong vòng được chính xác. Do đó, độ lớn của r, b và t phải đủ lớn để thỏa mãn với yêu cầu về độ nhạy. Ti lệ t/r (4/16=0.25) tạo ra một độ nhạy thích hợp với tỉ số độ cứng ε/(δ/r) cho vòng tám cạnh.
Ta tiến hành phân tích biến dạng, ứng suất của vòng 8 cạnh: theo yêu cầu thiết kế, lực theo mỗi hướng tối đa là 3500 N. Chọn các kích thước của vòng 8 cạnh như trên Hình 5 (b=20 mm, r=16 mm, t=4 mm), biến dạng đàn hồi εA và εB do lực Fz và lực Fy được tính theo lý thuyết vòng khi sử dụng công thức sau [2, 3]: Hình 5 Kích thước lực kế vòng tám cạnh 4 2 1 09 9 1 10 z A . F r . Ebt (2) 3 2 2 18 1 82 10 y B . F r . Ebt (3)
Ứng suất xuất hiện trên vòng do lực dọc trục và hướng kính có thể được tính bằng tỉ số giá trị biến dạng đàn hồi thay thế trong công thức (4, 5) như sau:
2 190 8 z E A . N / mm (4) 2 381 5 y E B . N / mm (5)
Thép AISI 4140 được sử dụng để chế tạo vòng có giới hạn chảy là 550-900 N/mm2
, giá trị ứng suất tính toán (ζz và ζy) xuất hiện trên vòng nằm trong giới hạn an toàn đối với vật liệu này.
2.3 Đặc tính động học của lực kế
Tần số rung động của máy gia công nên phù hợp với tần số tự nhiên của lực kế. Tần số tự nhiên của lực kế bằng ít nhất 4 lần tần số rung động của máy công cụ.