LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF)

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.. 4

ABSTRACT.. 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF)  7

1.1 Các công nghệ tạo hình tấm.. 7

1.1.1 Gò. 7

1.1.2 Nong ép. 7

1.1.3 Phương pháp miết8

1.2 Giới thiệu về phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF). 9

1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng. 9

1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm.. 10

1.2.3.1 Nguyên lý. 10

1.2.3.2 Thiết bị12

1.2.3.3 Dụng cụ. 13

1.2.3.4  Đồ gá kẹp tấm kim loại18

1.2.3.5  Thông số công nghệ. 19

1.3 Khả năng ứng dụng của phương pháp SPIF. 22

1.4 Tình hình nghiên cứu. 23

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới23

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước. 29

1.4.3 Nhận xét33

1.4.4 Một số vấn đề cần giải quyết34

1.5 Tính cấp thiết của đề tài34

CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG TẠO HÌNH TRONG SPIF. 35

2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng của chi tiết gia công bằng SPIF  35

2.1.1  Góc nghiêng thành chi tiết37

2.1.2 Tính đàn hồi của vật liệu. 37

2.1.3 Các bề mặt có bán kính cong lớn. 38

2.1.4 Khe hở giữa dụng cụ và vật đỡ. 38

2.2 Lực trong SPIF. 38

2.2.1 Lực. 38

2.2.2 Ma sát40

2.2.2.1 Ma sát tiếp tuyến. 40

2.2.2.2 Ma sát xoắn. 40

2.2.2.3  Ma sát tổng. 41

2.3 Biểu đồ đường cong giới hạn tạo hình. 41

2.3.1 Ảnh hưởng của góc thành sản phẩm.. 41

2.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay. 43

2.3.3 Ảnh hưởng độ lớn của bước. 44

2.3.4 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ. 44

2.3.5 Ảnh hưởng của chất bôi trơn. 45

2.4 Mối liên hệ giữa lực và khả năng tạo hình. 47

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LỰC KẾ.. 48

3.1 Tổng quan về lực kế. 48

3.1.1 Các yêu cầu của lực kế. 48

3.1.3.1 Cảm biến vòng tám cạnh. 49

3.1.3.2 Cảm biến sử dụng strain gauges khác. 52

3.1.3.2 Cảm biến áp điện. 56

3.1.3.3 Lực kế điện dung. 59

3.1.3.4 Không trực tiếp. 60

3.2 Xem xét lựa chọn phương án thiết kế. 61

3.3 Thiết kế lực kế và chế tạo lực kế. 62

3.3.1 Một số nghiên cứu về cảm biến vòng tám cạnh. 62

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý. 62

3.3.3 Xác định kích thước của vòng tám cạnh. 63

3.3.4  Đặc tính động học của lực kế. 65

3.3.5  Định hướng của màng biến dạng và vòng trên lực kế. 66

3.3.6 Thiết lập mạch cầu Wheatstone sử dụng trong lực kế. 67

3.3.6.1 Loại strain gages và cách bố trí70

3.3.6.2 Phương pháp dán. 71

3.3.7 Thiết kế mạch khuyếch đại cho lực kế. 74

3.4  Kết quả. 75

3.5  Qui đổi lực ra thành phần lực tiếp tuyến. 75

3.6  Calip. 78

3.6.1 Trình tự calip. 78

3.6.1.1 Thiết bị78

3.6.1.2 Calip thành phần lực theo phương z. 80

3.6.1.3 Calip thành phần lực theo phương x. 83

3.6.1.4 Calip thành phần lực theo phương y. 86

CHƯƠNG 4: CẢI TIẾN KẾT CẤU DỤNG CỤ SPIF NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM    89

4. Gia công thử nghiệm.. 89

4.1 Thiết bị89

4.2. Dụng cụ. 89

4.3 Thiết lập thực nghiệm.. 89

4.4 Kết quả thử nghiệm.. 90

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI95

5.1 Những vấn đề đã thực hiện. 95

5.2 Hướng phát triển đề tài95

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 95

PHỤ LỤC.. 100

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật đã đạt được những thành tựu to lớn. Sản phẩm đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng rất nhanh và tính cạnh tranh trong thị trường cũng ngày càng khốc liệt hơn. Sản phẩm không chỉ đơn thuần đáp ứng về độ bền mà mẫu mã của nó phải đẹp và bắt mắt hơn, thời gian đáp ứng cũng phải nhanh hơn nữa. Trong bối cảnh đó, nhiều doanh nghiệp đã thành lập những đội ngũ nghiên cứu và thiết kế ra các loại máy móc thiết bị nhằm sản xuất ra những sản phẩm đáp ứng nhanh các nhu cầu trên. Nhưng với bối cảnh nước ta, trình độ kỹ thuật còn chưa cao, kinh phí dành cho nghiên cứu thiết kế lại chưa nhiều, nên chúng ta cũng chọn con đường đi tắt, giải mã công nghệ tiên tiến, để từ đó thiết kế ra những thiết bị theo khả năng của mình.

            Single point incremental forming (SPIF)là một công nghệmới đểtạo hìnhkim loại tấm. Kỹ thuậttạo hìnhgia tăngđãđượcphát triểntrongthập kỷ vừa qua. SPIFlàmột quá trình rấtlinhhoạt-thiết lậpsản xuấtcủa chi tiết mớichỉ trong vài giờchứ không phải làvài ngàynhư một sốphươngpháphình thànhtruyềnthống. Quá trìnhsử dụngdữliệuchính xácCADđại diện chomột phầnsản xuất. Công việc thủ công coi như không cần thiết,vànhư vậy,tính lặplạicủa quá trình nàylà rất tốt. Hạn chếcủa quy trình làthờigiantạo hìnhtương đốidài. Vì lý do đó, SPIFrất khả thitrong tạo mẫu nhanhvàsản xuất loạtnhỏ.           

            Trước hết, đề tài tìm hiểu về các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm gia công bằng SPIF, chủ yếu tập trung vào đường kính dụng cụ, bước tiến dụng cụ, và cuối cùng xác định được bước tiến của dụng cụ và đường kính dụng cụ có liên quan đến lực dụng cụ tác dụng lên chi tiết gia công. Từ đó thiết kế lực kế để đo lực trong gia công nhằm điều khiển được đường kính và bước tiến dụng cụ để cải thiện khả năng tạo hình khi gia công.

Đề tài “ Nghiên Cứu Thiết Kế Lực Kế Trong Gia Công Biến Dạng Gia Tăng Đơn Điểm SPIF” nhằm mục đích nghiên cứu và thiết kế một loại lực kế để đo lực trong gia công bằng SPIF, từ đó giám sát lực làm tăng khả năng tạo hình của chi tiết gia công.

ABSTRACT

Today, science and technology has made great achievements. Products to meet the needs of consumers very fast and competitive in the market and more and more intense. Products not only meet about the durability of its design must be beautiful and more eye-catching, response time is also faster. In this context, many companies have established research and design team of machinery and equipment to produce these products for quick response on demand. But with the country context, the technical level is not high, funding for research design is not much, so we chose to go off, advanced decoding technology, so that the design the equipment according to your ability.

Single point incremental forming (SPIF) is a new technology for sheet metal forming. Added visual techniques have been developed in the past decade. SPIF is a very flexible process - set up production of new details in a matter of hours rather than days as a traditional method of formation. Process data using accurate CAD represents a production. Manual work as unnecessary, and as a result, the repetition of this process is very good. The drawback of the process is relatively long shaping time. For this reason, SPIF is very feasible in the rapid prototyping and small batch production.

First of all, subjects learn about the parameters affecting the accuracy of the processed products by SPIF, mainly focusing on the diameter tools, step tools, and finally determine the progress of diameter tools and equipment related to power tools acting on information processing. Since then force designed to measure the force in the design process, can control the diameter and step tool to improve the forming process.

Project "Research Design and force Processing deformation of SPIF Unit Growth Point" for the purpose of research and design a capacity to measure the force in outsourcing by SPIF designed to increase the formability of component.

Ho Chi Minh City, December 2012

Dinh Van Duc

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF)

1.1 Các công nghệ tạo hình tấm

Trải qua một thời gian phát triển lâu dài, ngành công nghệ kim loại được các nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết, phân loại dựa trên các đặc điểm về gia công tạo hình. Sau đây là một số phương pháp gia công tấm cổ điển có khuôn và không cần khuôn.

1.1.1 Gò

Tạo hình sản phẩm tấm bằng cách gây áp lực nhỏ gần như điểm của búa, đe. Thông thường, gò được thực hiện thủ công, nguội ở nhiệt độ thường, dùng cho sửa chữa (vỏ xe ôtô, đường ống khí thải, thùng, máng xối…), nói chung, gò thủ công thường không cần dùng khuôn có hình dáng chính xác giống thành phẩm mà chỉ cần dùng cách gá, tấm tựa có hình dáng đơn giản. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi tay nghề người thợ cao và gặp khó khăn đối với các sản phẩm có hình dáng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao về hình dáng và kích thước [15].

                                  Hình 1.1 Sản phẩm tạo ra từ phương pháp gò

1.1.2 Nong ép

Dùng chày ép vật liệu vào lòng khuôn với tốc độ đủ để tấm kim loại (có thể nguội hoặc nung nóng) biến dạng từ từ và có hình dáng của khuôn [15]. Có nhiều công nghệ ép khác nhau: ép sâu, ép lại, ép vách…

Hình 1.2 Phương pháp ép sâu

1.1.3 Phương pháp miết

            Các phương pháp gia công định hình kim lọai tấm truyền thống được sử dụng trong nhiều thập niên qua như dập nóng, dập nguội, vuốt sâu, kéo, uốn – gấp, vuốt sâu kết hợp áp lực thủy lực đều cần phải có khuôn và chày hoặc máy chuyên dùng. Các phương pháp này cho năng suất cao nhưng chỉ phù hợp với sản xuất với số lượng lớn mới có thể đủ hoàn vốn cho chi phí chế tạo khuôn, chày thường phức tạp và tốn kém. 

            Vào đầu thập niên 60, một phương pháp biến dạng kim loại tấm bằng dụng cụ đơn giản kết hợp với khuôn quay được phát triển và ứng dụng. Trong phương pháp này, kim loại tấm được ép bằng một dụng cụ dạng cần. Dụng cụ được điều khiển bằng thủy lực, nó sẽ ép tấm kim loại vào bề mặt khuôn. Khuôn được gắn trên một trục quay[15].

Hình 1.3 Phương pháp biến dạng kim loại tấm bằng dụng cụ

đơngiản kết hợp trục quay

          Khoảng giữa thập niên 60, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số, kỹ thuật tạo hình kim loại tấm bằng con lăn quay điều khiển bởi hệ NC đã được phát triển. Đây là một phương pháp hiện đại, con lăn được điều khiển bởi hệ thống điều khiển số, lăn không trượt và ép tấm kim loại vào bề mặt của khuôn có hìnhdạng sản phẩm. Khuôn này được gắn chặt trên một trục quay đều. Cả hai phương pháp này chỉ áp dụng cho những sản phẩm có tính đối xứng.

Hình 1.4 Phương pháp miết sử dụng con lăn

1.2 Giới thiệu về phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)

1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng

Ý tưởng ban đầu về tạo hình gia tăng không đối xứng đã được hình thành cách đây hơn 40 năm, được đăng ký phát minh bởi Leszak (năm 1967) nhưng không thể đưa vào ứng dụng cho đến những năm gần đây, một trong những nguyên nhân là sự phát triển của máy CNC chưa cao. Công nghệ này lần đầu tiên xuất hiện trong những tài liệu khoa học vào đầu những năm 90. Quá trình này được phát triển nhằm đáp ứng sự thiếu hụt khả năng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực biến dạng kim loại tấm.

Các ý tưởng về quá trình mới thường được phát hiện từ những phương pháp truyền thống. Những quá trình này bị ràng buộc hình dạng chi tiết đạt đựơc phải liên quan và yêu cầu công nghệ và khuôn chuyên dùng [18].

1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm

1.2.3.1 Nguyên lý

       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 1.5. 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.

Hình 1.5 Tạo hình bằng phương pháp gia tăng đơn điểm

                Hình 1.6 cho thấy hai cách xuống dụng cụ trong SPIF. Kiểu đường xoắn ốc cho chất lượng chi tiết tốt hơn và ít xảy ra rách nứt chi tiết hơn.

Hình 1.6 Đường chạy dao của SPIF

       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 1.7) 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 F_x, F_y và F_z.

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 [27]. Do đó cần thiết phải đo lực.

Hình 1.7 Bước trong tạo hình SPIF

1.2.3.2 Thiết bị

Hình 1.8 Máy CIELLE CNC dùng cho phương pháp SPIF

Hình 1.9 Cánh tay rôbôt dùng cho phương pháp SPIF

            Có thể dùng máy Phay CNC 3, 4, 5, 6 trục hoặc tay máy rôbôt. Tuy nhiên cần chú ý đến kích thước giới hạn không gian làm việc của máy phay CNC và lực dọc trục Z của máy phay CNC khi muốn biến dạng các tấm có bề dày và kích thước lớn. Còn đối với tay máy rôbôt, ưu điểm so với miết truyền thống là sự linh hoạt và khả năng liên kết các giai đoạn của quá trình gia công như cố định tấm, tạo hình, cắt, xử lý bề mặt. Hạn chế chủ yếu của cánh tay rôbôt là không đủ cứng vững như máy phay dẫn đến giảm độ chính xác đặc biệt khi chịu tải lớn.         

            Ngoài máy phay CNC thông thường, người ta còn thiết kế một loại máy tương tự như máy phay CNC. Đây là một loại máy chuyên dùng để biến dạng vì thế trục Z có thể cung cấp được lực biến dạng hơn 13 KN, ít có máy phay CNC nào có thể đáp ứng được thông số này.

Hinh 1.10 Máy Allwood’s SPIF

1.2.3.3 Dụng cụ

Từ nguyên lý của quá trình SPIF, ta có các yêu cầu đối với dụng cụ như sau:

-         Vật liệu làm dụng cụ tạo hình phải đạt độ cứng cao để tránh mòn và biến dạng dụng cụ.

-         Đường kính và chiều dài của dụng cụ tạo hình được lựa chọn tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của sản phẩm. Khi đường kính dụng cụ lớn thì thời gian gia công nhanh, độ bóng đạt cao hơn, nhưng góc giới hạn biến dạng của tấm sẽ giảm, độ chính xác về hình dáng cũng giảm đi. Dụng cụ tạo hình nhỏ và dài sẽ gây rung động lớn, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt tấm và khiến cho dụng cụ dễ biến dạng. Dụng cụ tạo hình ngắn sẽ tạo cứng vững nhưng chiều sâu biến dạng bị giới hạn. Với dụng cụ tạo hình có góc chắn ở đầu nhỏ thì góc nghiêng tạo hình chi tiết bị giới hạn. Dụng cụ tạo hình nhỏ nhất nên có đường kính 6 mm, bán kính tối thiểu là 3 mm. Đa số các thực nghiệm cho thấy rằng bán kính nhỏ nhất hay được sử dụng nên là 5 mm.

-         Đầu dụng cụ tạo hình phải đạt bóng độ nhám lên đến 1,25 µm và không được để bị mòn vì sẽ khiến chất lượng bề mặt giảm và làm hỏng sản phẩm.

-         Độ chính xác dụng cụ: Do gia công bằng tiện bề mặt ngoài nên độ chính xác dụng cụ có thể đạt được cấp 8.

1.2.3.3.1 Một số dụng cụ hiện có

1.2.3.3.1.1 Vật liệu

Tùy khả năng có thể chế tạo được dụng cụ mà ta chọn vật liệu dụng cụ tạo hình cho phù hợp. Đầu của dụng cụ tạo hình được chế tạo bằng carbide xementit [37], mạ carbide xementit [38], phủ một lớp chống ma sát như TiN, CrN, DLC, hoặc mạ teflon [39] để có thể đạt độ cứng và chống mài mòn tốt khi tạo hình các vật liệu cứng như thép hoặc inox. Ngoài ra có thể dùng vật liệu thép gió [40, 41] hoặc thép cứng, được gọi là Vanadisr23, sản xuất bởi Uddeholm (UDDEL). Vanadisr 23 là hợp kim tốc độ cao được sử dụng làm công cụ cắt hoặc để làm dụng cụ tạo hình.

1.2.3.3.1.2 Phân loại

Dụng cụ trong SPIF có thể chịu nhiều ma sát hoặc ít ma sát. Do đó tác giả phân loại dụng cụ thành hai loại như sau:

a) Dụng cụ có thể quay tự do quanh trục của nó

Để giảm tối đa lực ma sát giữa bề mặt sản phẩm với dụng cụ tạo hình, người ta chế tạo đầu dụng cụ tạo hình là một khớp quay, trong đó đầu dụng cụ lăn tròn và tiếp xúc với bề mặt sản phẩm, tạo nên ma sát lăn dụng cụ, có hình dạng như sau:

Hình 1.11 Dụng cụ tạo hình Allwood's có đầu lăn tự do

Dụng cụ tạo hình đặc biệt do tác giả Julian Allwood [37] và trợ lý Kathryn Jackson ở trường ĐH Cambridge chế tạo. Đây là loại dụng cụ tạo hình có các yêu cầu kỹ thuật như các loại dụng cụ kể trên nhưng có thêm đặc tính là chịu được lực phản hồi và đầu dụng cụ có thể quay tự do. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không biến dạng được những sản phẩm có góc giới hạn lớn, thời gian chế tạo rất lâu, không phù hợp với điều kiện tạo mẫu nhanh.

Hình 1.12 Mặt cắt của dụng cụ tạo hình Allwood's

1. Đầu dụng cụ; 2.Trục đỡ; 3. Bạc chặn ổ lăn; 4. Ổ lăn; 5. Bộ phận hấp thu phản lực; 6. Giá đỡ đầu dụng cụ; 7. Bulon siết

Các tác giả Elisabetta Ceretti, Claudio Giardini, Aldo Attanasio [39] đã sử dụng một dụng cụ có thể quay hoặc không quay quanh trục chính. Trường hợp dụng cụ có thể quay quanh trục chính nhằm làm biến ma sát trượt thành ma sát lăn để có thể đạt được bề mặt tốt hơn. Kết cấu của dụng cụ này như sau:

Hình 1.13 Dụng cụ đã sử dụng 

Cũng có thể sử dụng hệ thống điều khiển dụng cụ cho lực tác dụng để đảm bảo an toàn cho máy và vật liệu. Hệ thống này cho phép dụng cụ di chuyển ngược lại khi tải làm việc quá cao. Sự di chuyển này có được là nhờ một lò xo được thiết kế có độ cứng thích hợp và tải trọng đặt trước như hình 1.14. Điều này là quan trọng để đảm bảo cho nguyên công được an toàn khi dụng cụ tác dụng tải cần thiết để biến dạng vật liệu.

Hình 1.14 Hệ thống thu về của dụng cụ

b) Dụng cụ trong gia công SPIF không thể quay tự do quanh trục của nó

Đầu dụng cụ trong các bài báo có thể hình bán cầu, hình cầu liền cán, hoặc hình bo.

Các tác giả G. Hussain, L.Gao , N.U. Dar [40] đã sử dụng thép gió (HSS) để chế tạo dụng cụ có đầu hình bán cầu đường kính 8 mm để tạo hình cho chi tiết hình côn thẳng, côn cong và kim tự tháp cụt bằng nhôm có chiều dày 0,91 mm, với lượng chạy dụng cụ là 2500 mm/ph và chiều sâu bước tiến là 0,15 mm.

Các tác giả Nguyễn Thanh Nam, Phan Đình Tuấn, Võ Văn Cương, Lê Khánh Điền, Nguyễn Thiên Bình, Lê Trung Hiếu [41] trong Phòng Thí Nghiệm Điều Khiển Số Và Kỹ Thuật Hệ Thống trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chính Minh đã chế tạo dụng cụ bằng thép gió để tạo hình cho chi tiết bằng nhôm A1050-H14. Đầu dụng cụ có hình bán cầu, có đường kính là 5 và 10 mm, độ nhám bề mặt là 1,25 µm. Dụng cụ sau khi gia công tiện được nhiệt luyện trong dầu nóng từ 50⁰-80⁰. Thép gió được sử dụng là loại thép dụng cụ hợp kim cao, được dùng làm dụng cụ cắt có năng suất cao, tính cứng nóng đạt 560⁰-600⁰C, sau khi nhiệt luyện có thể đạt độ cứng tới 60 HRC.

            a)                                      b)

Hình 1.15 Dụng cụ làm bằng thép gió trong PTN điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đại học Bách Khoa TPHCM

Dụng cụ giống như hình 1.15 a) được chế tạo khi đường kính đầu dụng cụ đủ lớn, khoảng trên 8 mm. Khi đường kính đầu dụng cụ nhỏ như hình 1.15 b) thì phần cán của dụng cụ phải đủ lớn để tránh ảnh hưởng uốn, rung của dụng cụ đến chất lượng chi tiết gia công.

Nhược điểm của dụng cụ làm bằng thép gió này là thời gian chế tạo và nhiệt luyện dụng cụ rất lâu.

A. Formisano, M. Durante, A. Langella, F. Capece Minutolo [42] đã sử dụng dụng cụ đầu hình bán cầu và hình bo để khảo sát ảnh hưởng của bước tạo hình, đánh giá tầm quan trọng của các thông số đến hình dáng hình học chi tiết nhất định.

Hình 1.16 Dụng cụ

a) Đầu hình bán cầu và b) Đầu hình bo

1.2.3.4  Đồ gá kẹp tấm kim loại

Hình 1.17 Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp SPIF

            Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp biến dạng SPIF đơn giản, chi phí chế tạo thấp và dễ dàng thay đổi cho phù hợp với sản phẩm [2].

            Yêu cầu kỹ thuật của đồ gá:

-        Kích thước bao của đồ gá tùy thuộc vào kích thước giới hạn làm việc của 3 trục máy CNC.

-        Đồ gá không yêu cầu độ chính xác cao, chỉ cần đảm bảo độ cứng vững và cân bằng khi gá lắp lên bàn máy phay 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 bulông - đai ốc

-        Tấm đỡ có thể dễ dàng thay đổi tùy theo biên dạng của sản phẩm.

Hình 1.18 Đồ gá được lắp trên máy phay đứng

Đối với máy Phay CNC ngang, đồ gá được chế tạo như hình dưới đây:

Hình 1.19 Vị trí tương quan của đồ gá với dụng cụ tạo hình trên máy phay ngang

            Do lực biến dạng có xu hướng lật đổ đồ gá chứ không ép xuống như ở máy CNC có trục đứng vì thế đồ gá yêu cầu phải chế tạo vuông góc với mặt bàn của máy và có độ cứng vững cao hơn.

1.2.3.5  Thông số công nghệ

1.2.3.5.1  Độ dày của tấm

            Bề dày tấm kim loại ảnh hưởng lên góc xuống dao lớn nhất. Theo định lý Sin [1]:

Hình 1.20 Minh họa chiều dày chi tiết

                                                                        (1.1)   

(t₁: bề dày tấm sau khi biến dạng, t_o: bề dày tấm lúc ban đầu, α góc giới hạn biến dạng) chiều dày tấm càng lớn thì góc α càng lớn, làm tăng khả năng tạo hình.

1.2.3.5.2 Tốc độ quay trục chính n

            Theo lý thuyết thì tăng tốc độ quay trục chính (vòng/phút) có thể tăng khả năng tạo hình. Khả năng tạo hình tăng lên là do toả nhiệt cục bộ làm kim loại dễ biến dạng hơn. Tuy nhiên có một khía cạnh tiêu cực, đó là dụng cụ sẽ bị mòn nhanh và phải tăng thêm số lượng chất bôi trơn, từ đó nảy sinh các vấn đề về an toàn và môi trường.

Tốc độ quay của dụng cụ được tính theo công thức [4]:

                                                                                (1.2)

Trong đó

     : Tốc độ hiệu dụng

     : Tốc độ dụng cụ

       : Lượng chạy dụng cụ         

            Tốc độ quay trục chính (n) theo lượng chạy dụng cụ (f), bán kính dụng cụ (r) và góc nghiêng thành chi tiết (α) liên hệ nhau theo công thức [2]:       

                                                                    (1.3)   

1.2.3.5.3 Bước tiến của dụng cụ theo phương Z

            Kích thước xuống dao Δz có ảnh hưởng rõ ràng đến khả năng tạo hình và độ nhám bề mặt. Cũng giống như khi cắt gọt kim loại, bước tiến Z lớn thì lực biến dạng lớn và độ nhám bề mặt cũng tăng lên, khả năng tạo hình cũng tăng lên.

Hình 1.21 Bước tiến dụng cụ

1.2.3.5.4 Tốc độ di chuyển dụng cụ f

            Thông số này cũng ảnh hưởng đến quá trình biến dạng và chất lượng bề mặt. Khi bước tiến F nhỏ thì lực biến dạng sẽ nhỏ, dụng cụ ít bị rung động tuy nhiên nhiệt sinh ra lớn tại điểm tiếp xúc do ma sát giữa dụng cụ và vật liệu tấm làm dụng cụ và bề mặt tấm bị bào mòn nhanh [4].

            Lượng chạy dụng cụ được tính theo công thức:

                                                                                            (1.4)   

1.2.3.5.5 Đường kính dụng cụ D

            Một yếu tố quan trọng khác là đường kính dụng cụ. Trong khi dụng cụ có đường kính nhỏ tập trung các vết nứt tại vùng biến dạng trên tấm dưới dụng cụ thì dụng cụ có đường kính lớn phân phối các vết nứt trên một vùng mở rộng hơn. Khi đường kính dụng cụ tăng lên, quá trình càng giống với dập truyền thống, do đó giảm giới hạn tạo hình.

Trong một khảo sát về hiệu ứng đàn hồi ngược (springback), các tác giả Hongyu Wei, Wenliang Chen, and Lin Gao [3]đã đề xuất mộtmột lượng bù lượng chạy dao:

                                                                                    (1.5)

Trong đó:        là giá trị đàn hồi ngược

                         là lượng bù dụng cụ thực

                         là giá trị lượng bù phân tích.

Và bán kính dao lúc này được tính theo công thức (1.6):

                                                                                        (1.6)

Trong đó:        là bán kính của mô hình bù

 là bán kính của mô hình lý thuyết

                         là là giá trị lượng bù phân tích.

1.2.3.5.6 Thông số vật liệu

            Mỗi vật liệu có khả năng biến dạng khác nhau và các vật liệu khác nhau có các góc biến dạng giới hạn khác nhau.

1.3 Khả năng ứng dụng của phương pháp SPIF

Công nghệ này hoàn toàn có thể sử dụng trong các công ty sản xuất các sản phẩm từ kim loại tấm, composite tấm. Nó đặc biệt hữu dụng cho các phòng phát triển sản phẩm muốn tạo thử sản phẩm mẫu nhanh. Lợi thế lớn nhất của công nghệ này là thời gian gia công sản phẩm ngắn, từ lúc hình thành bản vẽ CAD đến hoàn thành mẫu trên máy CNC là chỉ độ trung bình vài giờ tùy thuộc vào mức độ phức tạp hình học và yêu cầu chất lượng bề mặt sản phẩm sau khi tạo hình (nếu so với vài ngày như các phương pháp tạo mẫu tấm khác). Nó càng trở nên đặc biệt hữu ích nếu như kết hợp với máy quét mẫu (được ứng dụng trong y học).

Hình 1.22 Khay đựng thịt xay (bên trái), tấm lót sàn (bên phải)

1.4 Tình hình nghiên cứu

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Chungchoo Ch. [4] cho rằng tốc độ quay dụng cụ và lượng chạy dụng cụ đóng một vai trò quantrọng trongkhả năng tạo hìnhcủamột quá trình tạo hìnhgia tăngđơn điểm. Dòng nguyên liệugiánđoạncủa quá trìnhđócho phépthànhcủa chi tiếtmỏng hơn so vớidòng liêntụccủa một quátrìnhtạo hìnhthôngthường. Đối tượngnghiên cứulànghiêncứuhiệu quả tốc độ quay, ảnh hưởng đếnkhả năng tạo hìnhthép DIN1,0037(thép St 37-2). Các dụng cụkhácnhaucó tốc độ quay100v/ph và1000 v/ph,và lượng chạy dụng cụ là300mm/ph và3000mm/ph,tốc độ khác nhauđã được lựa chọnnhưcác thông sốquátrìnhtạo hìnhnửahình cầu100mmhoặcvỏmái vòmbằngđầu cầu10 mm. Kết quảchothấy, tốc độquay dụng cụvàlượng chạy dụng cụ ảnh hưởngkhả năng tạo hìnhSPIFcủakim loại tấm, tốc độquaydụngcụcótác dụngnhiềuhơnđếnkhả năng tạo hình, tăng tốcđộquay dụng cụ, giảmkhả năng tạo hìnhcónghĩa làtăngđộ nhám vàmòndụng cụ. Lượngchạydụng cụcó ảnh hưởng rất nhỏđếnkhả năngtạo hình.

Tập thể các tác giả I. Cerro, E. Maidagan, J. Arana,A.Rivero, P.P. Rodr´ıguez [5] phân tíchdựatrên các kiểm trathử nghiệmvà môhình hóayêu cầuphân tíchảnh hưởng củacác thông sốquá trình là cải tiến tốc độ dụng cụ, lực tạo hình và chiến lược tạo hìnhlêncác đặc tính củaphầntạo hìnhgia tăngvàđi sâu hơnvào sự hiểu biếtcủa quá trình đó. Vìvậy, bàibáo nàycho thấykết quảsơthuvới các kiểm trathử nghiệmvàmột mô hìnhFEMđơn giảnmà cho phépdự đoán chính xácmột số đặc điểm củacác chi tiết được tạo hình, vã cũng cho thấy rằng việc bôi trơn cũng là một lý do chính yếu để đạt được một bề mặt chất lượng tốt, chiến lược tạo hình ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.

Các tác giả [1] tập trung vào trình bày một phương pháp sáng tạovà khả thi để kiểm tranhững giới hạn mỏng của kim loại tấm tạo hình gia tăng âm cùng vớixác minh quy luật phân bố độ dày của Côsin. Quy luật Côsin được xác minhbằng cách so sánh độ dày đo bằng thực nghiệm của các chi tiếttạo hình gia tăng vớinhững quy luật đó. Để kiểm tra giới hạn của một tấm kim loại mỏng, ýtưởng được dựa trên tạo hình của một chi tiết đối xứng trục với những độ dốc khác nhau và với những chiều dày khác nhau. Một vòng cung của một vòng tròn đã được chọn làđường sinh một mặt mô hình hóa chi tiết đối xứng trục. Căn cứ vào quy luật Côsin, biểu thức toán học được phân tích để dự đoán sự phân bố độ dày theo độ sâu của chi tiết và giới hạn mỏng của kim loại tấm. Các tấm kim loại nhôm đã được sử dụng làm vật liệu thí nghiệm. Để kiểm tra giới hạn mỏng của nó, chi tiết đối xứng trục, được mô hình hóa bằng một vòng cung đường, được tạo hình từng bước cho đến khi nó bị nứt.Độ dày của chi tiết bị nứt được đo tại các điểm khác nhau dọc theo chiều sâu của nóvà so sánh với quy luật dự đoán Côsin. Mỏng tối đatại một điểm, mà tại đó độ dàytheo quy luật Côsin, được gọi là giới hạn mỏng kim loại tấm. Để có đượckết quả chính xác, bốn chi tiết như vậy có cùng một thiết kế đường sinh được tạo hình. Dựa trên những kết quả này, một số chi tiết đối xứng trục vàcác chi tiết bất đối xứng đãđược tạo hìnhcùng một góc nghiêng. Việc này đã phát hiện ra rằng các giới hạn mỏng thu đượctừ các chi tiết được tạo hình cùng góc nghiêng cố định là thấp hơn chút ít so với những chi tiết thuđược từ các chi tiết theo mô hình với cùng một thiết kế đường sinh. Theo kếtluận, một chiến lược để kiểm tra giới hạn thấp nhấtcó thể kim loại tấm mỏng đã được đềxuất. Các phương pháp được đề xuất là khả năng để kiểm tra giới hạn mỏng kim loại tấmgiảm thời gian xử lý và chi phí. Những công việc trong tương lai là sẽ khảo ảnh hưởng của bán kính đường sinh và khảo sát lại các thông số thử nghiệm xem chúng có ảnh hưởng đến kết quả như thế nào.

Cùng với hai tác giả [6] đã nhận định. Trong tạo hình gia tăng âm, một dảiđộ mỏngđặc trưngxuất hiện trêncác chi tiết, khigóc của thành sản phẩm tiếp cậngiá trị tối đa. Ảnh hưởng củadải độ mỏnglên sự xuất hiện vết nứttrên chi tiếtđã được nghiên cứutrong các kiểm trahiệntại.Người ta tìm thấysự xuất hiệncủa một dải độ mỏngkhithử nghiệmmẫu của một kiểm tra khả năng biến dạngkhông có nghĩa làảnh hưởng đếnkết quả kiểm tra. Sự giảm khả năng tạo hìnhdosự xuất hiệncủa dải độ mỏngchỉ xảy ra nếumẫu bị nứt ởkhu vựcmặtbích. Đểđánhgiágiới hạntạo hình thựcsựcủa mộttấm kim loại,điều kiện liên quan đếnsự xuất hiện củavết nứt chi tiếtđược đề xuất.

Các tác giả [3] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng springback. Tạo hìnhgia tăng là mộtquá trình tạo hìnhphức tạpdiễn raliên tục dosự tích lũybiếndạngcục bộtrong quá trìnhcủa nó, vàspringback (phục hồi lại hình dạng khi bị biến dạng),chất lượngtạo hìnhbị ảnh hưởng bởi hiệu ứng này sẽ xảy ra.Phương pháp đánhgiáspringbackdựa trênsự bùsai sốtạo hìnhđã được đề xuất, nó có thể đượcđịnh nghĩalàsự khácbiệtgiữa lý thuyết vàthực tếmột lượngbùtheo hướng đo. Theo phương pháp đánh giá bùsai sốtạohình, thử nghiệm đã đượcthiếtkếvàtriển khai thực hiện. Vàtừkếtquảthu được, có thểcho thấy,độlớncủaspringbacktrung bình(δE) của các chi tiết tạo hìnhrất nhỏ,và độ chính xáctạo hìnhcó thểđượccải thiện đáng kểbằngcách áp dụngphương phápbù. Căn cứ vàotrạng tháiứng suất kéođôitrong cácbiến dạng chính của vùng, một giả thuyếtrằng córất ítspringbackđượcphát sinh bởi  hành viuốncủa chi tiếtđượctạo hìnhthànhđã được đề xuất.

Các tác giả [7] đã thiết kế hệ thống đo biến dạng và lực tạo hình cho gia công bằng phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm. Phương pháp tạo hình kim loại tấm gia tăng đượcthực hiện trên các máy phay điều khiển CNC Moiri Seiki với hệ thống điều khiển FANUCMSC-521. Các lực tạo hình đo bằng cách sử dụng hệ thống đolực được thiết kế đặc biệt kết nối với máy phay. Trái với đo lực, biến dạngcủa mẫu được đo bằng cách sử dụng phân tích graphometricdựa trên kiểm tra kích thước và hướng của biến dạng dài chính của các tấm kim loại cụ thể.Bên cạnh các kết quả phân tíchtác động của các góc thành sản phẩm, tốc độ quay dụng cụ, kích thước bước theo phương thẳng đứng, đường kính dụng cụ và bôi trơn lên độ lớn của lực tạo hình và độ giãn dài tương đối của nhựa dẻo được trình bày.Kết quả cho thấy rằng các lực tạo hình là rất nhỏ so với quátrình dập sâu và nókhông phụ thuộc vào kích thước sản phẩm. Đó là lý do tại sao việc sảnxuất các sản phẩm rất lớn là hoàn toàn phù hợp cho việc tạo hình. Bên cạnh điều này, biến dạngvà lực phân bố chủ yếu là phụ thuộc vào kích thước của góc thành sản phẩm, của đường kính dụng cụ tạo hình, và kích thước bước theo chiều dọc của dụng cụ. Nhưng phân tích sự biến dạng và lực được nghiên cứu chỉ chothépDC05 có độ dày1 mm.Kết quả phân tích sẽ giúp cải thiện sự lựa chọn các thiết bị thíchhợp vàđể thiết lập các thông số tối ưu trên quá trình phân phối ứng suất và kích cỡ của lực tạo hình cần thiết. Bằng cách này,thời gian sản xuất của sản phẩm có thể được giảm, nếu không quá trình này rất lâu.Một phân tích biến dạng và lực chi tiết của tạo hình gia tăng kimloại tấm cho sự kết hợp một số các thông số quá trình sử dụng ban đầu.

            Các tác giả [8]thiết lập công thức thực hànhcho phépdự đoánlựcxuất hiệntrongquá trình tạo hìnhgia tăng đơn điểm. Nghiên cứu nàymột mặtđã dựa trên một tập hợp lớncác thí nghiệmcó hệ thốngvàmặt khác làkếtcủamô phỏngbằngphần tửhữu hạn, đo lực bằng lực kế ba thành phần Kistler loại 9265 B.Và tiến hànhphân tíchcông thức tính toán cho ba thành phần chínhcủa lựccho nămloại vật liệu là: hợp kim nhôm mềm: AA3003, hợp kim Al-Mg: AA5754, thép dập sâu: DC01, thép không rỉ: AISI 304 và thép lò xo: 65Cr2 được chọn theochức năngcủađiều kiện làm việc(độ dày tấm, góc thành, đường kínhdụng cụ, và bướcxuống dụng cụ)với một độ chính xáctốt. Hơn nữa,một mô hình tổng quátđãđượcsuy ra dựa vào quy hoạch thực nghiệm và mô phỏng FEM, cho phéptính toángiá trịgần đúngcủalực đối vớivật liệu bất kỳ, chỉ dựatrên kiến ​​thức sức bền củađộ bền kéo.

            Các tác giả [9]tiến hànhmộtkhảo sátsơ bộ vềứng dụng củakỹ thuậttạo hìnhgia tăngđơn điểm (SPIF) với các vật liệunhựa nhiệt dẻo. 2^4-1 phân đoạnthiết kế thử nghiệmvới balần lập lạiđược thực hiện đểkhảo sátnhững ảnh hưởngcủa các thông số tạo hình lên khả năng tạo hình củavật liệu.Nghiên cứu khả năng tạo hìnhcủa các tấmnhựa nhiệt dẻo polypropylen, một phần hìnhnónvớiđường sinh là một mặttròn vớigócthành vàđộ sâu khác nhauđượcxem xét. Khả năng tạo hình củaSPIFđối với các tấmnhựa nhiệt dẻođược định nghĩalàgócthànhtối đađạt được màtấm chưa ráchvà/hoặchư hỏng. Góc nàyđượcđo tạivị trínơixảyhư hỏngcơ khícủatấmbiến dạngchẳng hạn nhưnếp nhăn, nứtvàrách. Trong nghiên cứu này cũng rút ra được rằng bán kính dụng cụ cũng ảnh hưởng đến khả năng tạo hình của vật liệu. Có thể kết luậnrằngkiến thứchiện cóvàtấm kim loạitrongquá trìnhSPIF có thểđược áp dụng chotấm nhựanhiệt dẻolà cólợiích tiềm năngvà tínhưu việt.

            Các tác giả trong bài báo “Tiếp cận phân tích và số hóa để dự đoán vết nứt và tối ưu hóa khả năng tạo hình nhấn cho những hình dạng phức tạp trong tạo hình gia tăng đơn điểm” [10] dự đoánvết nứttạo hìnhgia tăngtấmchonhững hình dạngphức tạpvídụ như khuôn mặtcủa người, một sự kết hợpgiữaCAMvà mô phỏngFEMđược thực hiệnvàđánh giá giá trịvết nứtuốn(I) bằngphân tíchphần tử hữu hạn.Ở đây, đêtạovết nứtuốn, gia công đượctiến hành trên vật liệuVUMAT, sử dụngphần mềm ABAQUS/ExplicitCode phần tử hữu hạn. Mô phỏngCAMlần đầu tiênđể tạo radữ liệuCL(dữliệu cắtvị trí).Dữ liệu này sau đó tính toán, sửa đổi vàxuất sangcácđịnh dạngtập tin đầu vàocho ABAQUSthông qua lập trình MATLAB.Cuối cùng, dự đoánvà tối ưu hóacác giá trịvếtnứtuốnđược thực hiện chotạo hìnhtấm gia tăngâmđể xác địnhảnh hưởngcủamột số thông sốvídụ nhưbướcxuống dụng cụ, bán kính dụng cụ, độ dày củaphôivà sau đókiểm trabằng thực nghiệm.

            Các tác giả trong bài báo: “Khả năng tạo hình của hợp kim magie trong phương pháp tạo hình gia tăng nóng”[11] cho rằng. Nâng caokhả năng tạo hìnhlàmột trongnhữngnhân tố chínhcủathànhcôngvàvì lý do nàynóđượckhảo sát,còntrên các vật liệunhẹ, sử dụnggianhiệtsơ bộđượcyêu cầu.Trong bài báo khả năng tạo hình,vật liệu MagnesiumAZ31đượckhảo sátbằngtạo hình gia tăngnóng. Đồ gá cho quá trình tạo hình có hệ thống gia nhiệt và làm nguội, tập trungvàocáccông cụ hiện có đểmôtả khả năng tạo hình củavật liệu. Cuối cùng trình bày đượcđường cong giới hạnhư hỏng tạo hìnhở những nhiệt độ khác nhau chomục tiêu nghiên cứuvết nứt.

            Các tác giả [12] đã kết luận rằng “Các công cụ mô phỏng số được đặc trưng bởichi phíthấp”.Trong công trình này, rãnhtrên tấmđã được thực hiệnbằngcông nghệtạo hìnhgia tăng.Mục đích của nghiên cứu nàylàphân tíchcác lựcliên quan đếnđường chạy daodụng cụvà đường kínhcủa nó.Mô phỏng FEMđãđượcthựcvới mục đíchthực hiệnmột so sánhgiữacácgiá trị lựcthực nghiệmđã chỉ ravàbởiFEM.Phân tích FEMbên cạnhviệccho phép sựriêng lẻtrong những điểmnơi điều kiệnhư hỏng diễn rabằng những đánh giáđơn giản các giá trịứng suấtđạt được.Vì vậy, phương phápFEMcóthể được sử dụng đểxác địnhđường chạy dao củadụng cụtronggiai đoạn thiết kếchu trình.

            Trong bài báo nghiên cứu “Những vấn đề về khả năng chế tạo của tấm bằng phương pháp tạo hình gia tăng” [13], mô hình hóa quá trìnhtạo hìnhtấmgia tăng(SPIF) được nghiên cứu.Tập trung chínhphân tíchhạn chế. Trongquá trìnhthực tếSPIFhailoại rủi rocó thểđược xem xét:hư hỏng vật liệuvàhư hỏngcông cụ có liên quan đến lực tạo hình. Từquan điểmnhìnnhậncủa sản xuấtantoàn, tất cả rủi rođược giảm thiểu.Mụctiêucủanghiên cứu nàylàđể dự đoánhư hỏng vật liệuvàhư hỏng dụng cụ. Nghiên cứu thực nghiệm, sốvàlýthuyếtđược thực hiệnđểxác địnhkhả năng tạo hìnhvật liệuvàcácthànhphầntải trọnghình thành. Tạo hìnhgia tăngtấmchiến lượcđểxácđịnhsơ đồgiới hạntạo hình(FLD) (forming limit diagram) đượcchỉ ra. Kết quảthử nghiệmthu được đãđược tìm thấy làmột trong những sự phù hợptốt vớixem xétlý thuyết.

Một thử nghiệm về khả năng đo lực trong phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm được mô tả và một số phép đo lường lực trong tạo hình gia tăng được báo cáo [43]. Sử dụng một lực kế bàn Kisler lắp phía trên đồ gá, ba thành phần lực được đo xuyên suốt quá trình tạo hình. Chương trình kiểm tra thực nghiệm báo cáo tập trung chính vào ảnh hưởng của bốn thông số gia công khác nhau lên lực tạo hình: cỡ bước tiến giữa hai biên dạng liên tiếp, đường kính của dụng cụ, độ dốc của thành chi tiết và chiều dày của tấm được tạo hình. Ảnh hưởng của sự bôi trơn và hình học của chi tiết kiểm tra trong tạo hình gia tăng đã được khảo sát bằng loạt thử nghiệm ban đầu. Việc ngăn chặn hư hỏng chi tiết dựa vào hình dáng của đường cong lực được giải thích. Đối với việc kiểm tra hư hỏng vật liệu, kết quả phân tích chứng minh mối quan hệ giữa các thông số gia công và lực được trình bày trong bài báo này.

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước thì mới trong giai đoạn bắt đầu tìm hiểu. Tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Khoa Cơ Khí, PGS. TS. Nguyễn Thanh Nam đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của tạo hình bằng phương pháp biến dạng gia tăng đơn điểm” (24/08/2010), đề tài [14] đã thực hiện được:

1. Tổng hợp lý thuyết và qui trình công nghệ phương pháp gia công ISF.
2. Xây dựng thí nghiệm. Thiết kế và chế tạo các đồ gá phục vụ cho thí nghiệm phương pháp tạo hình gia tăng kim loại tấm:

-         Thiết kế đồ gá SPIF và TPIF, dụng cụ biến dạng đầu bán cầu (Ø5 và Ø10mm).

-         Thiết kế mô hình 3D, xuất chương trình NC để điều khiển dụng cụ tạo hình.

3. Tiến hành thí nghiệm theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ (bước xuống z, tốc độ chạy dụng cụ v_xy, tốc độ trục chính n, đường kính dụng cụ tạo hình d) lên khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của chi tiết được gia công bởi phương pháp tạo hình cục bộ liên tục trên 3 loại vật liệu:

-         Nhôm 1050A-H14

-         Tôn lạnh ZACS

-         Inox 304 

4. Xây dựng các phương trình hồi qui từ các số liệu thực nghiệm dự đoán góc biến dạng lớn nhất và chất lượng bề mặt sản phẩm của 3 loại vật liệu trên khi biết được 4 thông số đầu vào. Kết quả có thể dùng để xác định chế độ tạo hình phù hợp nhằm thỏa mãn yêu cầu về độ nhám và dạng hình học của sản phẩm.
5. Ứng dụng tạo hình những sản phẩm bằng phương pháp SPIF và TPIF.
6. Lập bảng biểu các chế độ gia công tối ưu đối với 3 loại vật liệu.
7. Xây dựng phần mềm dùng cho việc tra cứu chế độ gia công của một số vật liệu (nhôm, thép mềm, inox) phục vụ cho việc tạo hình sản phẩm ứng dụng thực tế. Phần mềm có cơ sở dữ liệu mở, có thể cập nhập đối với nhiều loại vật liệu khác nhau.

Một số luận văn tốt nghiệp đại học và cao học đã được thực hiện liên quan đến SPIF.

1 - Đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế thiết bị gia công kim loại tấm không dùng khuôn”[16]của tác giả Phan Đình Tuấn (31/12/2008), thiết kế một thiết bị có khả năng gia công kim loại tấm 2,5D. Các chuyển động được điều khiển là tịnh tiến theo 3 trục X, Y, Z bằng bộ truyền vít me – đai ốc bi, dẫn động bằng động cơ servo. Một phần quan trọng của luận văn là cơ sở lý thuyết của phương pháp gia công. Vì đây là nghiên cứu thiết kế đầu tiên về thiết bị này thiết kế này chưa được hoàn chỉnh.

• Tìm hiểu cơ sở lý thuyết đang được nghiên cứu trên thế giới của công nghệ tạo hình gia tăng đơn điểm.
• Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí, sử dụng khoảng 70% chi tiết cơ khí chuẩn trong thư viện Misumi.
•  Mô hình hoá bằng phần mềm Inventor Professional 2008.

Tuy luận văn đã đạt một số kết quả nhất định nhưng vẫn chưa giải quyết được một số vấn đề sau đây:

• Chưa thiết kế được chương trình điều khiển của động cơ.
• Chưa chế tạo được mô hình thực tế.

2 - Đề tài “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) ” [15] do tác giả Nguyễn Minh Khôi thực hiện (11/2009) nhằm mục đích nghiên cứu và phát triển công nghệ tạo hình kim loại tấm không dùng khuôn (theo phương pháp SPIF), đề tài tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm trên 3 loại vật liệu tấm: nhôm, thép mềm, inox.

Trước hết đề tài tìm hiểu về quy trình công nghệ của phương pháp này. Từ đó tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ của phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm lên khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt của sản phẩm. Đề tài tập trung khảo sát 4 thông số công nghệ là bước xuống dụng cụ (z), tốc độ tiến (F_xy), tốc độ quay (n) và đường kính dụng cụ (D). Kết quả đã đưa ra phương trình hồi quy thực nghiệm thể hiện ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt của sản phẩm trên một số loại vật liệu tấm. Dựa vào đó có thể tối ưu hoá các thông số công nghệ để đạt được chất lượng sản phẩm theo yêu cầu kỹ  thuật.

Xây dựng được 6 phương trình hồi qui từ các số liệu thực nghiệm để có thể dự đoán được góc biến dạng lớn nhất và chất lượng bề mặt sản phẩm đối với 3 vật liệu nhôm A1050-H14, tôn lạnh ZACS, inox 304. Từ đó đã tối ưu các thông số công nghệ và đề xuất một số chế độ gia công thích hợp với từng ứng dụng cụ thể (công nghiệp, y học…). Kết quả đạt được tương đối đáng tin cậy, có thể dùng để tra cứu trong những ứng dụng thực tế khi gia công tấm bằng phương pháp SPIF. Tuy nhiên vẫn còn chưa xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng springback, chưa quan tâm đến vấn đề nhiệt trong phương pháp gia công SPIF, và vật liệu sử dụng trong thực nghiệm không đồng nhất.

3 - Đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên góc biến dạng và hiệu ứng springback trong SPIF”[17] do tác giả Nguyễn Thiên Bình thực hiện (12/2009), mục đích là xác định đồ thị liên quan giữa góc biến dạng lớn nhất vàhiệu ứng đàn hồi ngược spring-back đối với các thông số công nghệ trong phương pháp tạo hình kim loại tấm gia tăng đơn điểm (SPIF) trên vật liệu nhôm A1050-H14. Một phần quan trọng của luận văn là các đồ thị có thể áp dụng để tham khảo trong quá trình thiết kế sản phẩm dùng công nghệ SPIF. Vì đây là nghiên cứu thực nghiệm mang tính phát triển các nghiên cứu lý thuyết trên SPIF nên các kết quả thí nghiệm trong luận văn có tham khảo các kết quả nghiên cứu khác trên thế giới. Một số kết quả mà đề tài đã thực hiện được:

• Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của công nghệ biến dạng gia tăng đơn điểm (SPIF) trên phương diện góc biến dạng lớn nhất và ảnh hưởng của hiệu ứng springback.
• Tiến hành các thí nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE) và xử lý kết quả thí nghiệm bằng phần mềm MiniTab

• Đưa ra được công thức liên quan giữa chế độ gia công với các thông số đầu ra là góc biến dạng lớn nhất và hiệu ứng spring back (Nhôm có mác A1050-H14).
• Xây dựng đồ thị dựa trên các công thức có được. Các đồ thị này có thể được sử dụng trong quá trình thiết kế để dự đoán các phản ứng của vật liệu đối với các chế độ gia công khác nhau trên vật liệu nhôm A1050-H14.
• Ứng dụng kết quả đạt được trên công nghệ SPIF để thực nghiệm gia công mẫu thực tế.

Tuy nhiênluận văn chưa giải quyết được khả năng biến dạng của các vật liệu khác ngoài nhôm A1050-H14, việc thực hiện đo springback mới chỉ xét đến trường hợp giữ nguyên chi tiết trên đồ gá. Khi tháo chi tiết ra sẽ tiếp tục có các biến dạng phụ thêm.

4 - Dựa trên những thành tựu của ngành khoa học phát triển công nghệ vật liệu composit, các nhà công nghệ vật liệu có thể tạo ra những coposite mới thỏa mãn mọi nhu cầu đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai. Chính vì vậy người ta thường nói: nền văn minh thế kỷ 21 là nền văn minh của thời kì vật liệu composite. Cũng nằm trong quy luật đó, vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo đã có nhiều phát triển và ngày càng được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, như ứng dụng trong công nghiệp ôtô, hàng không, tàu thuyền, ống dẫn hóa chất, bồn chứa…

Trong sự phát triển của ngành vật liệu composite có sự đóng góp rất lớn của lĩnh vực tạo hình cho vật liệu composite. Tác giả Phạm Văn Trung đã thực hiện luận văn thạc sĩ (16/06/2010) với đề tài “Nghiên cứu một phương pháp gia công mới đối với vật liệu composite nền nhựa nhiệt dẻo” [18]. Đó là phương pháp gia tăng biến dạng đơn điểm nhằm tránh tốn kém chi phí gia công khuôn ép nhựa và rút ngắn thời gian chuẩn bị khi gia công các sản phẩm đơn chiếc, các sản phẩm mẫu hay sản xuất với số lượng bé. Đề tài khảo sát mô hình côn cong bằng vật liệu composit bằng phần mềm Pro/E và mô phỏng khả năng biến dạng bằng phần mềm ABAQUS khảo sát khả năng biến dạng của vậ liệu composit với các góc giới hạn tạo hình khác nhau và ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả phân tích ở trên ta thấy góc giới hạn tạo hình thay đổi đáng kể khi nhiệt độ từ 130⁰ đến 165⁰. Trong khoảng nhiệt độ từ 20⁰ đến 60⁰ góc tạo hình hầu như không thay đổi, chuyển vị tải vị trí bị rách tại 60⁰ (4,35 mm) nhỏ hơn chuyển vị tại 20⁰ (4,36 mm)là do ta chọn bước tiến z quá lớn (Δz = 0,5 mm), do đó có sự sai lệch này.Từ nhiệt độ 135⁰ đến 160⁰ góc giới hạn tạo hình khá tốt, do đó tốt nhất ta nên thực hiện quá trình SPIF trong khoảng nhiệt độ này.

Tuy nhiên đề tài chỉ khảo sát được khả năng biến dạng với các góc tạo hình và ở những nhiệt độ khác nhau bằng phần mềm ABAQUS mà chưa thực nghiệm được để so sánh kết quả giữa gia công thực tế bằng SPIF và mô hình mô phỏng.

5 – Trong bài báo “Nghiên Cứu Tính Toán Công Suất Tiêu Thụ Trong Tạo Hình Kim Loại Tấm Bằng Phương Pháp SPIF” của các tác giả Nguyễn Thanh Nam, Lê Khánh Điền, Lê Văn Sỹ [19], trình bày một trường hợp tính công suất tiêu thụ của trục chính máy phay CNC khi tạo hình tấm kim loại dạng màng bằng phương pháp SPIF (Single Point Incremental Forming), là phương pháp tạo hình tấm mới nghiên cứu trên thế giới trong những năm gần đây bằng cách điều khiển miết một đầu chày hình cầu không lưỡi cắt lên tấm kim loại được kẹp trên đồ gá. Hai trường hợp được tính toán công suất dựa trên ứng suất tiếp cực đại trong cấu trúc vi mô tinh thể của vật liệu tấm: đó là giai đoạn đầu tiên khi chày nén thẳng xuống bề mặt tấm và giai đoạn đang gia công khi chạy dao vòng. Giá trị cụ thể của công suất tiêu thụ cho gia công tấm nhôm A1050-H14 với đầu chày thép gió có đường kính 10 mm được áp dụng từ công thức kết luận trong bài viết cho thấy sự phù hợp của công thức lý thuyết với công suất tiêu thụ chỉ thị trên máy khi gia công thử nghiệm 24 nhóm mẫu nhôm A1050-H14 dày 1 mm trên máy phay CNC Bridge Port VMC500 của phòng thí nghiệm CAD&CAM, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Tp HCM.

1.4.3 Nhận xét

            Các công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tim hiểu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên khả năng tạo hình, cụ thể là đường kính dụng cụ và chiều sâu bước tiến liên quan nhiều nhất đến khả năng tạo hình cho kim loại tấm bằng phương tạo hình gia tăng đơn điểm, quyết định đến chất lượng sản phẩm. Do đó việc lựa chọn dụng cụ và chiều sâu bước tiến để gia công bằng phương pháp SPIF là rất quan trọng.

1.4.4 Một số vấn đề cần giải quyết

            Việc tăng khả năng tạo hình chủ yếu vẫn được tiến hành bằng các thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình, một số nghiên cứu sử dụng FEM để nghiên cứu hư hỏng xuất hiện trên tấm. Tuy nhiên công việc thực nghiệm đòi hỏi tốn một lượng thời gian rất lớn vì số thực nghiệm phải lớn. Đòi hỏi phải có một cách giải quyết khác tốt hơn, nhanh hơn.

1.5 Tính cấp thiết của đề tài

            Có thể nói rằng đa số các nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao khả năng tạo hình cho chi tiết chưa tập trung nhiều vào việc theo dõi khi nào chi tiết có dấu hiệu hư hỏng và có thể dự đoán, giám sát được dấu hiệu đó hay không. Giám sát lực khi gia công sẽ giải quyết được những vấn đề trên. Do vậy việc thiết kế một lực kế để đo lực là một công việc cần thiết.

CHƯƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG TẠO HÌNH TRONG SPIF

2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng của chi tiết gia công bằng SPIF

            Vài thông số trong quá trình tạo hình gia tăng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết. Chúng ta nên phân biệt giữa các thông số gia công (đường kính dụng cụ, chiều sâu bước giữa 2 vòng liên tiếp, tốc độ quay dụng cụ, sử dụng chất bôi trơn), các thông số vật liệu (biến dạng-độ cứng, tính dị hướng, mô đun đàn hồi) và các thông số liên quan đến chi tiết được thiết kế (chiều dày phôi, hình học, độ dốc của bề mặt chi tiết). Người thiết kế quy trình có thể lựa chọn tự do các thông số gia công, trong khi vật liệu và hình học chi tiết thường không thể chỉnh sửa được [14].

Hình 2.1 Ảnh hưởng của bước xuống dụng cụ và đường kính dụng cụ

lên độ nhám bề mặt

            Khi quan tâm tới chi tiết tạo hình, phải đảm bảo khả năng tạo hình cần thiết cũng như đảm bảo độ chính xác của sản phẩm, độ nhám bề mặt có thể chấp nhận được và thời gian quy trình cho phép. Chẳng hạn như chiều sâu bước nhỏ hơn làm giảm độ nhám bề mặt, thì đòi hỏi một số lượng lớn số vòng lặp mà dụng cụ hoàn thành quy trình và do đó làm tăng thời gian gia công, làm giảm tính cạnh tranh trong công nghiệp. Cũng như đường kính dụng cụ lớn hơn cải thiện chất lượng bề mặt nhưng làm giảm khả năng tạo hình của vật liệu, vì tiếp xúc bề mặt lớn hơn. Kết quả là, việc lựa chọn các thông số gia công tìm được từ những sự cân bằng tốt nhất giữa một số ràng buộc khác nhau và một số ràng buộc nghịch nhau [14].

            Bên cạnh thời gian gia công lâu, những mối lo về SPIF hiện nay đó là sự giới hạn những hiểu biết để làm cho SPIF có thể ứng dụng cụ thể trong công nghiệp, thỏa mãn mạnh mẽ nhu cầu. Chỉ việc phát triển những hướng dẫn cụ thể, có thể ấn định một cách cẩn thận sự liên kết giữa các thông số gia công và kết quả phù hợp (khả năng tạo hình, độ nhám, độ chính xác,…) sẽ cải thiện khả năng phù hợp của SPIF.

            Thật đáng chỉ ra rằng một số nghiên cứu đã có quan tâm chủ yếu khả năng tạo hình của vật liệu và độ nhám bề mặt và sự phụ thuộc của chúng vào các thông số gia công. Chỉ một vài nghiên cứu thảo luận về độ chính xác. Khảo sát thử nghiệm được tiến hành bởi Ref: thử nghiệm đã nêu bật ra sự cải thiện quan trọng độ chính xác của kích thước khi đường kính dụng cụ nhỏ và chiều sâu bước dụng cụ thấp hơn được ứng dụng.

            Mặc dù chiều dày phôi không được xem là thông số của quá trình gia công, một loạt các thử nghiệm đã được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của nó lên độ chính xác. Hình dạng côn cụt đơn giản được tạo hình mà không có bất kì một tấm lưng nào. Hình 2.2 thể hiện các phần đo được: sai số hình học giảm khi tăng chiều dày phôi. Hơn nữa các kiểm tra chứng minh rằng độ chính xác phụ thuộc không chỉ vào chiều dày mà còn phụ thuộc chủ yếu vào tỉ số đường kính dụng cụ với chiều dày phôi [14].

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của độ chính xác vào chiều sâu

            Một số cân nhắc quan trọng khác quan tâm đến cơ cấu kẹp và hình học của chính chi tiết được tạo hình. Khá rõ ràng là độ chính xác phụ thuộc vào vị trí của vùng tạo hình bằng việc xem trọng hệ thống kẹp. Khoảng cách giữa vùng tạo hình và khung kẹp phải được nhỏ nhất, để giảm thiểu ảnh hưởng uốn trên phôi khi tạo hình của dụng cụ. Cân nhắc này là có lợi với sự cần thiết của tấm lưng, được thiết kế như là một phương tiện để đi theo profile bên ngoài của hình dạng đạt được. Việc kẹp làm tăng độ cứng của tấm và giảm được sự di chuyển tự do không cần thiết của phôi.

            Kết luận tương tự cũng được tìm thấy khi xem xét ảnh hưởng của hình dáng hình học lên chất lượng của chi tiết cuối cùng. Với sự tồn tại của các góc, các đường đôi, nói chung các chi tiết không liên tục giới hạn sự di chuyển không cần thiết của phôi và làm tăng độ chính xác quá trình.

2.1.1  Góc nghiêng thành chi tiết

            Trong SPIF chiều dày cuối cùng của thành phụ thuộc trực tiếp vào góc vát của thành (được ký hiệu là α trong hình 2.3). Nếu α đạt đến 0 độ, trạng thái biến dạng nằm trên đường cong giới hạn tạo hình (xem hình 2.3) và vật liệu sẽ bị hỏng. Nói chung, khi dùng vật liệu nhôm mềm, thành có góc α >30⁰ có thể gia công được mà không làm hư hỏng vật liệu. Mặc dù một số nhà nghiên cứu báo cáo rằng đạt được góc α = 0⁰. Điều này vẫn còn quá khó để ứng dụng trong thực tế công nghiệp hàng ngày. Do đó, đây là giới hạn quan trọng của SPIF, sẽ loại trừ một vài ứng dụng có thể.

Hình 2.3 Tạo hình âm chi tiết

2.1.2 Tính đàn hồi của vật liệu

            Vấn đềđộ chính xácthấp tăng lên nghiêm trọng trong trường hợp gia công vật liệu đàn hồi, ví dụ như thép không gỉ. Hiệu ứng đàn hồi ngược (springback) có thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng là nếu khoảng cách giữa dụng cụ và vật đỡđể dư lớn hoặc tạo hình được thực hiện mà không có vật đỡ. Điều này sẽ xuất hiện sau khi nguyên công cắt bỏ phần thừa, khi cạnh lớn tương đối cứng bị loại bỏ. Trong trường hợp của các chi tiết lớn, độ lệch sẽ tích lũy và gây ra sai số hình họccỡ vài mmhoặc hơn nữa. Như vậy, xử lý nhiệt để loại bỏứng suấtdư được yêu cầu trước khitiến hành các nguyên công làm sạch [20].

2.1.3 Các bề mặt có bán kính cong lớn

            Như đã nói ở trên, có một số vấn đề với những chi tiết thành đứng, nhưng dường như có một số vấn đề về độ chính xácđối với các bề mặt nông và bán kính cong lớn. Điều này gâyra bởihiệu ứng springback, đã thảoluận trong phần trước. Ngoài ra, bước dụng cụ theo phương đứng nhỏ hơn cần được sử dụng để tránh đường vết tạo hình có thể nhìn thấy trên bề mặt của chi tiết. Tất cả những điều này nên được giả sử trong khi lập kế hoạch sản xuất bằng quá trình SPIF [20].

2.1.4 Khe hở giữa dụng cụ và vật đỡ      

            Một câu hỏithực tếlàkhoảng cáchgiữadụng cụtạo hình vàvật đỡnên đểbao nhiêu là đủ. Nếunóquá lớn,độ lệchsẽ quá lớn,nếu nó quánhỏ, tấmbịép giữadụng cụ vàvật đỡ, gâyhiệu ứngủi(xuất hiện hiện tượng làm mỏng). Khi vật liệu chưa tạo hình tương đốicứng, vật liệubị éptừvùng tiếp xúcdụng cụ- vật đỡ di chuyểnvànângcác bề mặtđược tạo hìnhtrước đókhỏi vật đỡ. Điều này,như các tác giảđã phát hiện ra, có thể gây rađộ lệchhình dángtrong phạm vimột vàimm[20].

2.2 Lực trong SPIF

Mô hình lý thuyết đơn giản để xác định các thành phần lực tạo hình trong SPIF được đề xuất bởi Iseki (hình 2.4).

2.2.1 Lực

            Trong [21], từ cảm biến gắn trên dụng cụ tạo hình, hai thành phần lực uốn là B₁ và B₂ và tải trọng dọc trục thu được theo tải trọng xoắn T. Tại bề mặt tiếp xúc dụng cụ và tấm, bằng một thời gian không đổi, lực được thể hiện trên sơ đồ hình 2.4 trình bày các điểm tiếp xúc giữa tấm và dụng cụ. Các lực sinh ra bởi dụng cụ truyền trực tiếp tới tấm thông qua các điểm tiếp xúc ở bề mặt giao nhau.

Hình 2.4 Sơ đồ lực tức thời.

            Trong hình trên, F_t là lực tiếp tuyến theo hướng chạy dụng cụ và F_r là lực hướng kính vuông góc với lực tiếp tuyến và vuông góc với bề mặt tấm. Lực vuông góc F_z theo phương thẳng đứng xuống và F_R là căn bậc hai của tổng bình phương của hai lực trên. Tải trọng xoắn xuất hiện tại bề mặt tiếp xúc do sự quay dụng cụ là T. Khi dụng cụ quay, phân bố của B₁ và B₂ thay đổi theo vị trí góc của dụng cụ và do đó các cảm biến trên nó tương ứng với điểm tiếp xúc trên tấm. Góc vị trí đến từ dữ liệu của bộ mã hóa quang quay. Dùng dữ liệu vị trí góc và hai lực uốn thành phần, tải trọng tiếp tuyến và tải trọng hướng kính tại bất kì vị trí vuông góc nào cũng có thể được xác định bằng cách sử dụng lần lượt các công thức (2.5) và (2.6).

                                                              (2.5)

                                                                (2.6)

Thành phần tổng F_b của hai thành phần lực này trong mặt phẳng xy là sự kết hợp thể hiện trong công thức (2.7).

                                                                                  (2.7)

Lực tổng F_R trong hình 2.6 có thể được xác định bằng sự kết hợp trong công thức (2.8).

                                                                                 (2.8)

2.2.2 Ma sát

Sử dụng những lực này, các lực ma sát ở tâm của điểm tiếp xúc có thể được xác định. Như đã thảo luận, lực ma sát trong SPIF bị ảnh hưởng bởi ba thành phần: vuông góc, tiếp tuyến và lực xoắn [21].

2.2.2.1 Ma sát tiếp tuyến

Ma sát tiếp tuyến liên quan trực tiếp đến lực trượt vì vận tốc chạy dụng cụ. Độ lớn của lực này bằng với lực tiếp tuyến được xác định trong công thức (2.5) ở trên nhưng có hướng ngược lại về bản chất khi nó đang chuyển động, cụ thể là F_f =-F_t. Giả sử là ma sát Coulomb có mặt trong trường hợp này. Hệ số của ma sát trượt này có thể được xác định bằng công thức (2.9). Công thức này liên hệ lực tiếp tuyến với lực vuông góc thông qua hệ số không thứ nguyên µ_sl [21].

                                                                                            (2.9)

2.2.2.2 Ma sát xoắn

Khi dụng cụ quay theo chiều kim đồng hồ đối với tất cả các chi tiết được tạo hình có một lực xoắn được tạo ra. Mômen đó hẳn phải ngược với hướng của lực xoắn. Mô men xoắn này được gọi là lực ma sát xoắn F_T sau đây: F_T=-T. Ma sát xoắn này tiếp tuyến với điểm tiếp xúc của dụng cụ với tấm. Để xác định hệ số ma sát do ảnh hưởng của ma sát xoắn, sử dụng công thức (2.10).

                                                                                          (2.10)

Trong đó r_t là cánh tay đòn từ hiệu chuẩn mômen xoắn.

2.2.2.3  Ma sát tổng

Do ma sát tiếp tuyến và ma sát xoắn có cùng phương nhưng ngược hướng chuyển động của dụng cụ, ảnh hưởng của chúng được kết hợp sinh ra hệ số ma sát tổng trong công thức (2.11).

                                                                                      (2.11)

Hệ số ma sát này đại diện cho ma sát tại tâm của vùng tiếp xúc tại vùng tiếp xúc dụng cụ - tấm.

2.3 Biểu đồ đường cong giới hạn tạo hình

            Các thực nghiệm được tiến hành trong [22] để xác định giới hạn tạo hình của của thép DC05.

Hình 2.5 Logarit biến dạng φ₁ với chiều sâu tạo hình

2.3.1 Ảnh hưởng của góc thành sản phẩm

            Những phân tích được tiến hành ở các góc thành lần lượt là 40⁰, 50⁰, 55⁰, 60⁰, 65⁰, 70⁰, và 71⁰. Đối với mỗi tham số logarit biến dạng được đo tới hết chiều sâu mẫu. Ngoại trừ trường hợp góc thành, các thông số gia công tuơng ứng với giá trị tham khảo cho trong bảng 2.3. Hình 2.5 cho thấy độ lớn của logarit biến dạng dẻo (φ₁) phụ thuộc vào chiều sâu biến dạng, sự thay đổi của góc thành α.

Bảng 2.3 Các thông số gia công trong thử nghiệm [22]

Vào lúc bắt đầu tạo hình, đường cong biến dạng tạo hình tăng lên tới giá trị max của biến dạng. Điều này xuất hiện trong hầu hết các trường hợp vào lúc chiều sâu tạo hình khoảng 10-20 mm. Đối với góc thành của những chi tiết sâu hơn biến dạng đỉnh trở nên cao hơn, trong khi ở những góc thành nhỏ hơn (dưới 50⁰) biến dạng đỉnh không thể nhìn thấy. Điều này cũng có thể giải thích sự thật là những mẫu có góc thành nhỏ hơn thì biến dạng lớn hơn ở kim loại tấm. Góc thành tối đa đạt được bằng tạo hình cho chi tiết hình côn trước khi có sự xuất hiện vết nứt là 70⁰. Tại những góc thành là 71⁰ vết nứt xuất hiện khi chiều sâu tạo hình là 18,5 mm (xem hình 2.5). Để tránh bất kỳ sự trùng hợp kết quả nào cho những thay đổi nhỏ của góc thành (1⁰) tất cả các kiểm tra quan trọng được lặp lại ba lần và kết quả đạt được luôn là như vậy. Do đó, có thể kết luận là phương pháp có tính lặp lại cao.

             So sánh độ lớn của logarit biến dạng dẻo chính (φ₁) được thực hiện để tìm ra chiều sâu tạo hình ảnh hưởng như thế nào tới phân bố biến dạng của mẫu. Đo lường được tiến hành ở chiều sâu 42 mm và tại chiều sâu lớn nhất có thể đạt được mà không sử dụng khuôn. Trong trường hợp góc thành là 65⁰, chiều sâu cuối cùng đạt được là 60mm.

            Tăng chiều sâu tạo hình lên tới giá trị tối đa không có ảnh hưởng nghiêm trọng nào đến kích cỡ biến dạng tối đa có thể đạt được trong tạo hình chiều sâu lên đến 42 mm được trình bày trong hình 2.6.

Hình 2.6 Ảnh hưởng của chiều sâu tạo hình lên phân bố và độ lớn của biến dạng tối đa φ₁

            Có thể kết luận rằng phương pháp tạo hình gia tăng kim loại tấm SPIF chỉ biến dạng cục bộ và không ảnh hưởng đến những phần đã biến dạng của phôi.

2.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay

            Thử nghiệm được tiến hành bằng dụng cụ với cùng đường kính, dụng cụ quay tự do quanh trục và dụng cụ cố định quanh trục quay với tốc độc 40 v/ph. Các thông số gia công khác được cố định tương ứng với giá trị tham khảo trong bảng 2.3. Tốc độ quay dụng cụ của trục quay tự do được thiết lập, dụng cụ quay khoảng 60 v/ph. Hình 2.7 cho thấy ảnh hưởng của dụng cụ quay khi tạo hình đặt ở má kẹp trục chính, kích thước và phân bố 2 logarit biến dạng chính,  (φ₁, φ₂).

Hình 2.7 Ảnh hưởng của tốc độ quay dụng cụ đến logarit biến dạng chính tối đa

(φ₁ và φ₂).

            Mặc dù có thể bỏ qua ảnh hưởng của tốc độ quay dụng cụ lên biến dạng khi quan sát mẫu cho thấy vết dụng cụ lớn hơn trong trường hợp trục quay cố định. Đó là kết quả của ma sát gây ra bởi sự trượt dọc theo bề mặt mẫu. Trong hai trường hợp còn lại xuất hiện ma sát lăn giữa dụng cụ và mẫu, kết quả là chất lượng bề mặt được cải thiện.

2.3.3 Ảnh hưởng độ lớn của bước

            Thông số ảnh hưởng lớn thứ hai có tác động lên thời gian sản xuất là bước xuống của dụng cụ tạo hình. Có 4 độ lớn bước xuống dụng cụ là ∆z = 0,1; 0,5; 1 và 3 được sử dụng để xác định tác động của dịch chuyển theo phương đứng lên logarit biến dạng chính.

Hình 2.8 Ảnh hưởng của bước xuống lên biến dạng cơ bản tối đa

            Rõ ràng là từ biểu đồ với độ lớn bước là 0,1; 0,5 và 1 có thể thấy logarit biến dạng tối đa có cùng giá trị. Trong trường hợp độ lớn của bước xuống dụng cụ là 3 mm vượt quá biến dạng tới hạn ba chiều được quan sát trên tấm kim loại (hình 2.8). Trong lúc này vết nứt trên mẫu đã xuất hiện ở chiều sâu tạo hình 12 mm. Nó xuất hiện khi kéo dài vật liệu ra vì dịch chuyển theo phương đứng của dụng cụ tạo hình.

2.3.4 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ

            Hai dụng cụ 10 mm và 16 mm được sử dụng để tiến hành thử nghiệm. Hình 2.9 cho thấy biểu đồ logarit biến dạng chính tối đa tương ứng với đường kính dụng cụ.

Hình 2.9 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ lên

logarit biến dạng chính tối đa, φ₁ và φ₂

            Rõ ràng là ở cùng chiều sâu tạo hình, giá trị lớn hơn của logarit biến dạng chính φ₁ được chấp nhận nếu đường kính dụng cụ lớn hơn được sử dụng. Có nghĩa là bề mặt của mẫu ít bị biến dạng cục bộ trong trường hợp đường kính dụng cụ lớn hơn. Kết quả là, muốn đạt được chiều sâu tạo hình lớn hơn thì phải sử dụng dụng cụ có đường kính nhỏ hơn.

2.3.5 Ảnh hưởng của chất bôi trơn

            Ảnh hưởng của chất bôi trơn mẫu lên độ lớn của biến dạng được phân tích. Thử nghiệm được thực hiện dưới ba điều kiện: Chất bôi trơn và dụng cụ quay với tốc độ 40 v/ph, không có bôi trơn và dụng cụ quay với tốc độ 40 v/ph và không có bôi trơn và dụng cụ quay tự do trong trường hợp thứ 3. Các thông số gia công khác được trình bày trong bảng 2.3. Kết quả được thể hiện trong hình 2.10.

Hình 2.10 Sự đa dạng về bôi trơn của mẫu

            Trong trường hợp tạo hình mà không có bôi trơn và dụng cụ quay với tốc độ 40 v/ph vết nứt xuất hiện trên mẫu ở độ sâu 39 mm. Vì dụng cụ bị quay cưỡng bức nên giá trị của ma sát rất lớn xuất hiện giữa vùng tiếp xúc của dụng cụ và mẫu, làm cho nhiệt độ dụng cụ tăng lên và cũng nhào trộn vật liệu nền (hình 2.11).

Hình 2.11 Mặt côn được tạo hình bằng tốc độ quay dụng cụ 40 v/ph và ma sát khô

            Trong trường hợp này biến dạng tối đa không xuất hiện trong vùng nứt gãy. Vết nứt xuất hiện ở chiều sâu 39 mm, khi biến dạng tối đa xuất hiện ở chiều sâu 15 mm. Đây là vùng tới hạn trong đó vết nứt xuất hiện vì vượt quá giới hạn biến dạng dẻo.

            Trong trường hợp bôi trơn khô và dụng cụ quay tự do, tốc độ quay của nó là 65 v/ph, vết nứt trên mẫu không xuất hiện khi chưa đạt được hoàn toàn chiều sâu tạo hình. Độ lớn của biến dạng tối đa xấp xỉ như tạo hình có bôi trơn và dụng cụ quay ở tốc độ 40 v/ph. Ngược với quay cưỡng bức (40 v/ph), dụng cụ quay tự do trong trường hợp này, ma sát xuất hiện giữa mẫu và dụng cụ tạo hình nhỏ hơn, không gây nên nhào trộn và làm tăng nhiệt độ dụng cụ. Chất lượng bề mặt tốt hơn trong trường hợp này, nhưng chưa đủ để so sánh với mẫu được bôi trơn.

2.4 Mối liên hệ giữa lực và khả năng tạo hình

Trong [43], các tác giả đã rút ra được kết luận. Dự đoán hư hỏng chi tiết có thể được hỗ trợ bằng việc hiện tượng giảm lực nhanh và do đó độ dốc của đường cong lực có thể được sử dụng như là một nhân tố dự đoán thông báo hư hỏng. Độ dốc càng cao, trạng thái biến dạng càng gần hơn vết nứt cuối cùng của chi tiết. Độ dốc tính toán cho nhôm Al 3003-O chiều dày 1.2 mm khoảng 28 N/mm đối với côn 72⁰, và 25 N/mm đối với côn 71⁰ và côn 70⁰, côn 60⁰ là 14 N/mm.

Hình 2.12 Đường cong lực của chi tiết có góc thành 60⁰, 70⁰, 71⁰, 72⁰ và 73⁰_.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LỰC KẾ

3.1 Tổng quan về lực kế

3.1.1 Các yêu cầu của lực kế

            Việc biếtđược các lực cầnthiếtcho quá trìnhtạo hìnhđượcthànhcông luôn luôn quan trọng, chủ yếu đểlựa chọn thiết bịthích hợp, để dự đoán vàtránh hư hỏngdụng cụtạo hình,hư hỏng chi tiết gia công, cáclực cần thiết đểtạo hìnhgia tăngnênđượcxácđịnh.Trong mộtsốtài liệu kỹthuật đo lực còn để đềphòngquá tảidụng cụ.Một số tài liệu có ghi, mộtcán dao đặc biệtcó thể bù khi tảiquá cao. Điều nàyđặcbiệtquan trọng nếuvật đỡ (support) làm từ kim loại cứngđược sử dụng, vàkhoảngcáchgiữa dụngcụvà vật đỡlànhỏ[23].

            Quá trình gia công kim loạiđược đặc trưngchủ yếu là bởi những thay đổinhanh chóng củacác yếu tốđịnh lượng. Những thay đổi riêng lẻ này không xảyratrong sự cô lậpvà chúngảnh hưởng lẫn nhau. Việc phân tíchnhững thay đổi nàyđòi hỏiphảinghiên cứucác hệ thốngphức tạp theotình hình thực tế của chúng. Nghiên cứucác quá trìnhcắtnhư tiệnvà doacác khía cạnhđộng lực học là rất quan trọng. Xu hướngđo lườnglực cắttronggia côngdẫnđếnnhiềulý thuyếtvà cácvấn đềthực tế.Vấn đề lý thuyết kết hợp chủ yếuvới sự lựa chọnmột kỹ thuậtphùhợpđể đo lường, vàcác phương phápthống kê đểphântíchcác thành phần của lực cắtđược xác địnhtrong thời gian thực[23].

            Mối quan hệ đặc trưng giữa lực cắt hoặc lực gia công trong SPIF của dụng cụ tác dụng lên chi tiết tại một điểm theo 3 phương được xác định theo công thức:     

                                                                      (3.1)

            Các nhà nghiên cứu quen thuộctronglĩnh vực nàybiếtlà không thểđotrực tiếpcác lực cắtvà biên độcủa chúngtại thời điểm chúng xuất hiện. Thiết bị đo đạcđược chọn cho các thí nghiệmđể đo các lực độc lậpvà liênquanđến dịch chuyển tại thờiđiểm tácdụng[23].