LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM ĐH Bách Khoa
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM
1.1 Giới thiệu về tranh đồng. 1
1.1.1 Công nghệ tạo tác sản phẩm thủ công mỹ nghệ. 1
1.1.2 Quy trình chạm thúc tranh đồng mỹ nghệ. 3
1.1.3 Mục tiêu của đề tài4
1.2 Các ràng buộc và giả sử. 5
1.3 Các ý tưởng thiết kế. 5
1.4 Nhiệm vụ đề tài7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM. 10
2.1 Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo. 10
2.1.1 Lý thuyết biến dạng dẻo. 10
2.1.2 Cơ chế biến dạng dẻo. 10
2.1.3 Các định đề trong biến dạng dẻo. 12
2.1.4 Sự biến đổi độ dày tấm sau gia công. 13
2.1.5 Khả năng biến dạng của vật liệu. 15
2.1.6 Ứng suất sinh ra khi gia công. 20
2.1.7 Ứng suất giới hạn của vật liệu. 21
2.2 Các công nghệ liên quan. 26
2.2.1 Công nghệ dập. 26
2.2.2 Phương pháp tạo hình tấm biến dạng cục bộ liên tục 26
CHƯƠNG 3. PHÂN CỤM CHỨC NĂNG MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM.. 30
3.1 Phân tích cụm chức năng. 30
3.2 Phân tích chức năng cấu trúc. 31
3.3 Dụng cụ tạo hình. 32
3.3.1 Hình dạng dụng cụ tạo hình. 32
3.3.2 Kích thước dụng cụ tạo hình. 32
3.4 Phương án thiết kế búa. 35
3.5 Chọn phương án và vẽ sơ đồ động. 40
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO MÁY.. 42
4.1 Tính toán lực cản kỹ thuật42
4.2 Tính toán động học cho bàn máy. 44
4.3 Tính toán động lực học cho búa. 47
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM49
5.1 Tính toán thiết kế bộ truyền vít – đai ốc bi49
5.1.1 Vít – đai ốc bi trục X, Y.. 49
5.1.2 Vít – đai ốc bi trục Z. 51
5.2 Ray trượt dẫn hướng. 52
5.2.1 Trục X, Y.. 52
5.2.2 Trục Z. 55
5.3 Chọn động cơ. 56
5.3.1 Động cơ trục X, Y.. 56
5.3.2 Động cơ trục Z. 57
5.3.3 Động cơ trục chính. 58
5.1 Khớp nối58
5.1.1 Trục X, Y.. 58
5.1.2 Trục Z. 58
5.1.3 Trục chính. 59
5.2 Tính toán trục cho trục chính. 59
5.3 Chọn ổ lăn cho trục chính. 61
CHƯƠNG 6. CHƯƠNG TRÌNH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM 64
6.1 Giao thức CAD/CAM.. 64
6.2 Lập mô hình CAD và xuất chương trình gia công biến dạng cục bộ liên tục với CREO PARAMETRIC. 64
6.2.1 Chuẩn bị mô hình. 64
6.2.2 Tạo chiến lược chạy dao. 66
6.3 Chọn mạch điều khiển CNC. 70
6.3.1 Mạch đệm CNC MACH3. 71
6.3.2 Phần mềm Mach3 Mill71
6.4 Chọn Driver động cơ Servo. 76
6.4.1 Động cơ trục X, Y,Z. 77
6.5 Chọn Driver động cơ trục chính. 77
CHƯƠNG 7. KẾT QUẢ.. 79
7.1 Cấu tạo máy. 79
7.2 Phân tích biến dạng của vật liệu sau một lần chạm búa 80
7.3 Phân tích bền của chân đế máy. 81
7.4 Phân tích bền của khung đỡ cụm trục Z. 84
KẾT LUẬN 86
8.1 Nhận xét 86
8.2 Hướng phát triển. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 87
DANH MỤC HÌNH ẢNH MÁY THÚC CHẠM TRANH ĐỒNG NHÔM
Hình 1‑1. Tranh đồng – sản phẩm của công nghệ gò truyền thống. 1
Hình 1‑2 Tranh chữ có hình dạng vuông. 2
Hình 1‑3 Mâm đồng dày hình tròn có chạm khắc. 3
Hình 1‑4 Quá trình chạm tranh đồng. 4
Hình 1‑5 Cánh tay robot5
Hình 1‑6 Máy CNC 3 trục. 6
Hình 1‑7 Cơ cấu robot song song. 7
Hình 1‑8 Lược đồ máy chạm thúc tranh đồng trên bàn máy CNC. 8
Hình 1‑9 Sản phẩm mong đợi của máy. 9
Hình 2‑1. Cơ chế trượt11
Hình 2‑2. Sự thay đổi bề dày sau khi gia công. 14
Hình 2‑3. Ví dụ về đường trung bình và độ dày trung bình. 14
Hình 2‑4 Sơ đồ dập. 26
Hình 2‑5 ISF bằng cánh tay robot28
Hình 2‑6 Tạo hình bằng bàn máy CNC. 28
Hình 3‑1 Phân tích chức năng cho máy chạm tranh. 30
Hình 3‑2 Sơ đồ liên hệ chức năng với cấu trúc. 31
Hình 3‑3 Độ nhám khi đường kính nhỏ. 33
Hình 3‑4 Độ nhám khi đường kính lớn. 33
Hình 3‑5 Sản phẩm là tổ hợp các chỏm cầu. 34
Hình 3‑6. Hình ảnh mô hình phương án 1. 35
Hình 3‑7 Sơ đồ nguyên lý phương án 1. 36
Hình 3‑8. Hình ảnh mô hình phương án 2. 37
Hình 3‑9 Sơ đồ nguyên lí phương án 2. 37
Hình 3‑10 Sơ đồ nguyên lí phương án 3. 38
Hình 3‑11 Sơ đồ nguyên lí cho phương án 4. 39
Hình 3‑12 Sơ đồ nguyên lý phương án 5. 40
Hình 3‑13 Sơ đồ động của hệ thống chạm tranh đồng. 41
Hình 4‑1 Độ nhấp nhô bề mặt khi dụng cụ di chuyển. 44
Hình 4‑2 Hai lần búa kề nhau. 46
Hình 4‑3 Phân tích lực khi hai mặt cam tiếp xúc nhau. 48
Hình 4‑4 Phân tích lực cơ cấu. 48
Hình 5‑1 Các thông số vít – đai ốc bi của Hiwin. 50
Hình 5‑2 Các thông số của vít-đai ốc bi của Hiwin. 51
Hình 5‑3 Sơ đồ lực tác dụng lên con trượt53
Hình 5‑4 Thông số con trượt trục X.. 54
Hình 5‑5 Sơ đồ lực tác dụng lên con trượt55
Hình 5‑6 Thông số ray trượt trục Z. 56
Hình 5‑7 Biểu đồ momen trục chính. 61
Hình 6‑1 Giao thức CAD/CAM cơ bản. 64
Hình 6‑2 Revolve tạo bông hoa. 65
Hình 6‑3 Nhập phôi65
Hình 6‑4 Phôi66
Hình 6‑5 Khai báo dụng cụ tạo hình. 66
Hình 6‑6 Khai báo thông số gia công. 67
Hình 6‑7 Đường chạy dao dụng cụ. 67
Hình 6‑8 Xem thời gian gia công. 68
Hình 6‑9 Mô phỏng đường chạy dao bằng CIMCO Edit v7.0. 69
Hình 6‑10 Giao diện của phần mềm Mach3 Mill72
Hình 6‑11 Các chức năng MDI của Mach3. 73
Hình 6‑12 Cài đặt chân điều khiển cho mạch. 74
Hình 6‑13 Cài đặt thông số cho động cơ. 75
Hình 6‑14 Giao diện của tính năng theo dõi đường chạy dao khi máy chạy. 76
Hình 6‑15 Hướng dẫn chọn driver động cơ Yaskawa. 77
Hình 6‑16 Cách chọn driver động cơ trục chính. 78
Hình 7‑1 Cấu trúc máy trên phần mềm Solidworks79
Hình 7‑2 Hình ảnh cụm búa được mô hình trên Solidworks79
Hình 7‑3 Ứng suất trong tấm kim loại80
Hình 7‑4 Chuyển vị của tấm kim loại81
Hình 7‑5 Đặt tải và cố định bàn máy. 82
Hình7‑6 Ứng suất trong chân đế. 83
Hình 7‑7 Chuyển vị của chân đế. 83
Hình7‑8 Đơn vị84
Hình 7‑9 Đặt tải và cố định khung. 84
Hình 7‑10 Ứng suất trong khung máy. 85
Hình 7‑11 Chuyển vị của khung máy. 85
danh MỤC bảng biểu
Bảng 1. Thành phần hóa học và kí hiệu của nhôm nguyên chất (theo ΓOCT 11069-74 Liên Xô cũ).15
Bảng 2. Chế độ và công nghệ sản xuất nhôm tấm 0,5 x 480 mm từ phôi tấm 5 x 1020 mm.. 16
Bảng 3 Quy chuẩn nhôm tấm thương mại tại Việt Nam.. 17
Bảng 4. Các kích thước cơ bản cán đồng tấm và hợp kim đồng tấm.. 19
Bảng 5. Chế độ ép khi cán nguội đồng thau tấm (Л62, Л63, Л68)20
Bảng 6. Kích thước dụng cụ tạo hình tương ứng với chi tiết gia công. 34
Bảng 7 Kích thước tạo hình thích hợp cho mỗi loại đầu búa. 46
Bảng 8 Thông số Vít-đai ốc bi được chọn. Đơn vị (mm)50
Bảng 9 Thông số Vít-đai ốc bi được chọn. Đơn vị (mm)52
Bảng 10 Các thông số của ổ đũa côn. 62
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về tranh đồng
1.1.1 Công nghệ tạo tác sản phẩm thủ công mỹ nghệ
Tranh đồng mỹ nghệ là một trong những sản phẩm trang trí thuộc dòng nội thất cao cấp rất được ưa chuộng tại nước ta. Một trong những nơi sản xuất tranh đồng nổi tiếng ở nước ta là làng nghề Đại Bái, Bắc Ninh, chuyên chế tác dòng tranh đồng cao cấp với những họa tiết tinh xảo và sáng tạo, có giá trị nghệ thuật cao.
Xét về mặt kỹ thuật, tranh đồng là một nhánh ứng dụng của công nghệ gia công kim loại tấm. Công nghệ gia công kim loại tấm được hình thành và phát triển rất sớm trong lĩnh vực tạo tác kim loại. Do tính linh hoạt của kim loại tấm, công nghệ gia công kim loại tấm được sử dụng đa dạng, và một trong những sản phẩm thường thấy của công nghệ này là sản phẩm thủ công mỹ nghệ - tranh đồng.
Hình 1‑1. Tranh đồng – sản phẩm của công nghệ gò truyền thống
Để tạo tác ra một sản phẩm mỹ nghệ, cần nhiều bước để hoàn thành, quan trọng nhất là bước gây biến dạng trên tấm kim loại. Trong kỹ thuật truyền thống, họa tiết trên tranh được chạm thủ công bằng các công nghệ truyền thống. Người thợ gò sử dụng búa và các động tác gõ liên tục tạo ra từng nét của sản phẩm. Quy trình này đòi hỏi tay nghề cao của người thợ gò, thời gian gia công lâu từ đó đẩy giá thành sản phẩm lên rất cao.
Thông thường một bức tranh đồng cỡ trung (400 x 600 mm) trên thị trường có giá khoảng 1 – 5 triệu đồng tùy vào độ phức tạp của họa tiết.
Theo xu hướng, ngoài những bức tranh được chạm nổi trên tấm, người dùng ngày càng ưa thích những mâm đồng được chạm thúc tinh xảo. Đối với mâm đồng, chi tiết có phần dày hơn. Do vậy cần người nghệ nhân có tay nghề và bỏ nhiều công sức hơn.
Sau đây là một số mẫu tranh đồng trên thị trường cùng với một số thông số liên quan (thông tin tham khảo từ một số cơ sở chạm tranh đồng ở Tp.HCM):
Tranh chữ hình vuông:
- Kích thước: vuông, 400 x 400 mm (chưa bao khung), dày 0,5 mm.
- Chất liệu: Đồng nguyên chất
- Thời gian hoàn thiện: 10 ngày (thợ lành nghề)
- Giá thành: 2.500.000 – 3.500.000 VNĐ
Hình 1‑2 Tranh chữ có hình dạng vuông
Mâm tròn:
- Kích thước: tròn, đường kính 500 mm, dày 1mm
- Chất liệu: Đồng thau
- Thời gian hoàn thành: ước tính 10 ngày (thợ lành nghề)
- Giá thành: 800.000 – 1.200.000 VNĐ
Hình 1‑3 Mâm đồng dày hình tròn có chạm khắc
1.1.2 Quy trình chạm thúc tranh đồng mỹ nghệ
- Vẽ mẫu: Mẫu được tưởng tượng và vẽ bởi người nghệ nhân, hoặc vẽ theo chủ đề được yêu cầu bởi khách hàng. Trước đây chủ yếu là vẽ tay, ngày nay mẫu được vẽ trên máy tính, thậm chí được vẽ 3D để tinh chỉnh trước cho người thợ dễ dàng thực hiện.
- Chuẩn bị khuông (có thể có hoặc không tùy loại họa tiết và số lượng tranh phải làm): được làm bằng thạch cao hoặc composite. Khuôn được khắc thủ công trên tấm thạch cao.
- Chuẩn bị phôi: Phôi được làm bằng đồng thanh, đồng thau hoặc đồng nguyên chất. Một số cơ sở sử dụng nhôm tấm sau đó mạ đồng, vàng hay bạc. Tấm kim loại phải được chọn kỹ lưỡng, dẻo, mỏng để việc chạm trổ dễ dàng.
- Chạm thô: tấm tranh được chạm ra hình dạng cơ bản ban đầu với những đường nét thô. Giai đoạn này tốn hơn nửa thời gian, tuy nhiên chỉ yêu cầu công nhân có tay nghề bình thường. Sản phẩm sau giai đoạn này chưa đạt độ nhám theo yêu cầu.
- Chạm tinh: sản phẩm sau chạm thô được người nghệ nhân gò chạm lại để đạt được những họa tiết tinh tế. Giai đoạn này yêu cầu người nghệ nhân lành nghề và óc thẩm mĩ cao. Do sản xuất nhỏ lẻ nên thường công đoạn chạm thô và chạm tinh do cùng một người nghệ nhân thực hiện.
Hình 1‑4 Quá trình chạm tranh đồng
Do vậy, mỗi bức tranh đồng cỡ trung cần nửa tháng đến hàng tháng để hoàn thiện. Quan trọng hơn công nghệ này cần những người thợ có kinh nghiệm. Điều đó làm giá tranh đồng trở nên rất cao và khó tiếp cận với người dùng phổ thông.
1.1.3 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là chế tạo một công cụ có thể thay thế phần chạm thô của quá trình chạm thúc tranh đồng, nhằm:
- Giảm thời gian sản xuất một tác phẩm tranh đồng.
- Nâng cao năng suất sản xuất.
- Hạ giá thành, nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
- Cho khả năng sao chép nhiều bản tranh đồng từ một bản vẽ.
- Đưa sản phẩm tiếp cận với người dùng phổ thông.
- Đưa ra một quy trình mới, ứng dụng công nghệ gia công hiện đại vào tiểu thủ công nghiệp mỹ nghệ truyền thống.
- Từ một file thiết kế có thể gia công nhiều sản phẩm giống hệt nhau mà không cần thêm công sức.
- Chất lượng sản phẩm ổn định, ít phụ thuộc vào tay nghề của thợ chạm
1.2 CÁC RÀNG BUỘC VÀ GIẢ SỬ
Không một máy công cụ nào có thể thay thế được độ tinh xảo và thẩm mỹ của người nghệ nhân. Do vậy máy chỉ thay thế phần chạm thô, phần chạm tinh sẽ được người thợ tinh chỉnh lại.
Không thể đảm bảo chính xác tuyệt đối giữa mô hình tranh và sản phẩm. Trong phạm vi luận văn sẽ bỏ qua sự ảnh hưởng của hiện tượng biến cứng và hiện tượng biến dạng hồi phục của tấm kim loại.
1.3 CÁC Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
Phương án 1: Cánh tay robot
Hình 1‑5 Cánh tay robot
Phương án này sử dụng cánh tay robot để tạo hình cho tấm kim loại, cánh tay robot được lập trình để chuyển động tạo hình thông qua máy tính. Ưu điểm của cánh tay robot là có nhiều bậc tự do từ đó có thể tạo được các biên dạng phức tạp. Nhược điểm là khó điều khiển, chi phí cao.
Phương án 2: Bàn máy CNC 3 trục
Hình 1‑6 Máy CNC 3 trục
Phương án này sử dụng bàn máy CNC 3 trục để tạo hình cho tấm kim loại. Ưu điểm của phương án này là có thể tạo được nhiều hình dạng không quá phức tạp được lập trình và điều khiển thông qua các phần mềm kĩ thuật như CAD, CAM, CNC, chi phí không quá cao. Nhược điểm của là vùng gia công bị giới hạn theo kích thước khung máy.
Phương án 3: Robot song song
Những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp đi lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Tay máy song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau. Do hình thành từ những chuỗi động kín (close loop mechanism) gồm nhiều chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng nối với khu chấp hành (plaform) và nền (base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của khâu chấp hành cuối trên tay máy. Hơn thế nữa, có thể đặt tất cả các cơ cấu chấp hành lên giá nếu cần, nhằm làm các di chuyển của cơ cấu gọn nhẹ, nhờ đó tận dụng được phần lớn năng lượng trực tiếp từ trục động cơ đồng thời giảm được sai số vị trí của cơ cấu tác động cuối (end – effector). Một số ứng dụng trong sản xuất công nghiệp tiêu biểu có thể kể đến là các robot phẫu thuật, robot gắp đặt (pick and place) và dạng máy phay 5 trục ảo điều khiển theo chương trình số CNC.
Ưu điểm của phương án là tính linh hoạt trong gia công, có thể tương đương với hệ thống CNC 5 trục. Tuy nhiên vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu, và những lợi thế không cần thiết trong quá trình chế tác tranh đồng. Tương tự cánh tay robot, phương án này cần người có chuyên môn kỹ thuật để vận hành máy.
Hình 1‑7 Cơ cấu robot song song
1.4 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
Trong đề tài luận văn tốt nghiệp lần này, nhóm em sẽ áp dụng công nghệ ISF vào việc tạo ra sản phẩm mỹ nghệ bằng đồng, nhôm, thay cho công đoạn tạo khuôn và chạm tranh trong công nghệ tạo tác truyền thống.
- Nghiên cứu quá trình thúc chạm thủ công trong chế tác tranh đồng, nhôm
- Nghiên cứu phương án thiết kế và phân cụm hệ thống
- Nghiên cứu phương án điều khiển bằng máy tính
- Tính toán thiết kế kết cấu máy
- Kết luận
Mục đích của đề tài là hướng đến công nghệ tự động hóa cho những sản phẩm thủ công mỹ nghệ, giảm thời gian hoàn thành một bức tranh, giúp nâng cao năng suất và độ đồng đều của sản phẩm, từ đó hạ giá thành sản phẩm.
Mẫu được thiết kế trên phần mềm 3D CAD, hoặc quét từ sản phẩm đã có. File 3D CAD sẽ được xử lý, tách lớp và xuất đường chạy dao theo biên dạng của mẫu dưới dạng G – Code, sau đó đưa vào máy gia công.
Máy gia công được thiết kế chế tạo, sử dụng dụng cụ tạo hình tịnh tiến được gắn lên bàn máy 3 trục. Trục Z của bàn máy mang búa di chuyển tịnh tiến lên xuống. Bàn gá được gia công, dịch chuyển theo 2 trục phẳng XY. Phôi kim loại tấm được đặt lên bàn và trên một lớp đệm như cao su dẻo hoặc đất sét để hạn chế biến dạng không cục bộ.
Hình 1‑8 Lược đồ máy chạm thúc tranh đồng trên bàn máy CNC
Sản phẩm mong đợi của đề tài sẽ là thiết kế máy chạm thúc tranh đồng, nhôm, xuất đường chạy dao và điều khiển máy để tạo hình tấm kim loại mỏng thành một số hình dạng đơn giản như hoa, lá hoặc logo, chữ.
Kích thước sản phẩm tạo hình được giới hạn trong khoản tấm kim loại dài x rộng x dày là dưới 600 x 600 x 0,5 mm, bằng kim loại dẻo như đồng, nhôm và các hợp kim của chúng. Chiều sâu tối đa của mẫu là 20mm, lõm theo một chiều. Mẫu được tạo hình bởi tập hợp nhiều lõm nhỏ hình chỏm cầu trên mỗi lớp. Đường kính mỗi chỏm cầu nằm trong khoản 2 – 10 mm, sâu 0,5mm. Các rãnh nhỏ của sản phẩm sâu không quá 3mm, bề rộng lớn hơn 3mm. Góc lượn sâu tối đa cho mẫu thiết kế là 60o để đảm bảo mẫu không rách.
Hình 1‑9 Sản phẩm mong đợi của máy
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG DẺO
2.1.1 Lý thuyết biến dạng dẻo
Dưới tác dụng của ngoại lực làm thay đổi thế năng của nguyên tử, các ion trong mạng tinh thể kim loại bị tách ra khỏi vị trí cân bằng. Lực càng lớn, thế năng thay đổi càng tăng. Khi năng lượng vượt qua một giá trị nhất định, hoặc nói cách khác, là biến dạng trong mạng tinh thể đi qua một giới hạn nào đó, sau thi thôi tác dụng lực, các nguyên tử chuyển sang một vị trí mới, ổn định hơn. Tổng sự dịch chuyển của các nguyên tử đến vị trí mới tạo ra sự biến dạng dư, hay thay đổi hình dạng, kích thước của vật thể ban đầu. Hiện tượng đó gọi là biến dạng dẻo.
2.1.2 Cơ chế biến dạng dẻo
a) Trượt
Khái niệm: Trượt là một quá trình dịch chuyển tương đối giữa hai phần tinh thể. Trượt chỉ xảy ra trên một số mặt và phương tinh thể nhất định. Trên phương và mặt tinh thể này thường có mật độ nguyên tử dày đặt nhất hay trên đó lực liên kết giữa các nguyên tử là lớn nhất, so với mặt và phương khác. Trượt phải khắc phục được lực tương hỗ giữa các mặt tinh thể (Giữa các nguyên tử trên hai mặt nguyên tử). Phương trượt là phương có khoảng cách giữa các nguyên tử là nhỏ nhất. [1]
Trượt xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp, sao cho dãy nguyên tử đó vẫn giữ được mối liên kết để biến dạng dẻo không dẫn đến phá hủy.
Người ta đánh giá khả năng biến dạng dẻo của vật liệu thông qua hệ số trượt. Các vật liệu có dạng lập phương thể tâm và lập phương diện tâm có cùng hệ số trượt nhưng mật độ mạng của lập phương thể tâm ít hơn nên kém dẻo hơn (Fe) so với mạng lập phương diện tâm (Fe,Cu,Ni,Al,Au,Al,..)[2].
Trượt chỉ xảy ra khi giá trị của ứng suất tiếp lớn hơn giá trị tới hạn [2]
Hình 2‑1. Cơ chế trượt
Trong mạng tinh thể thực tế, do sự tồn tại của các lệch mạng, biến dạng dẻo được thực hiện nhờ chuyển động của lệch mạng [2].
b) Song tinh (đối tinh)
Theo tài liệu [2] Biến dạng còn có thể thực hiện được nhờ song tinh. Đó là sự xê dịch một phần mạng tinh thể qua một mặt phẳng cố định (mặt phẳng song tinh), sao cho các nguyên tử ở vào vị trí đối xứng gương qua mặt phẳng song tinh đó.
Đặc điểm của song tinh:
- Mức độ biến dạng dẻo do song tinh thường nhỏ hơn nhiều so với trượt.
- Song tinh cũng xảy ra trên các mặt và phương tinh thể xác định giống như trượt khi tốc độ biến dạng lớn và đột ngột. Nó xảy ra khi quá trình trượt bị hạn chế Song tinh xảy ra lúc đầu vsới ứng suất rất lớn, nhưng sau đó có thể phát triển với ứng suất bé.
- Khi song tinh xảy ra, nó làm dễ dàng cho quá trình trượt, do đó làm thay đổi phương mạng của những mặt trượt có định hướng bất lợi trước đó. Nếu trượt và song tinh cùng xảy ra thì khả năng biến dạng dẻo của vật liệu sẽ tăng lên.
-
1.1.1 Các định đề trong biến dạng dẻo
Định luật bảo toàn thể tích
Trong quá trình biến dạng dẻo nguội, do không có sự bù đắp hay tách vật liệu, và do nhiệt độ thay đổi không quá lớn, nên khi biến dạng dẻo, vật liệu chỉ biến đổi hình dạng nhưng luôn bảo toàn thể tích trong suốt quá trình biến dạng.
Nguyên tắc trở lực biến dạng nhỏ nhất
Nếu các chất điểm của vật thể biến dạng có thể dịch chuyển theo những phương khác nhau thì bao giờ chúng cũng dịch chuyển theo phương nào có trở lực nhỏ nhất.
Điều kiện để xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo
a) Điều kiện Treska – Saint – Vnant hay điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất
“Trạng thái dẻo bắt đầu và được duy trì nếu một tổng 2 ứng suất pháp chính bằng giới hạn chảy và không phụ thuộc vào giá trị của ứng suất pháp kia.”
Trong điều kiện trạng thái ứng suất phức tạp, tenxo ứng suất pháp
Ứng suất tiếp lớn nhất theo các hướng có giá trị:
Nếu một trong ba giá trị ứng suất lớn nhất lớn hơn giới hạn chảy τch của vật liệu thì vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái chảy dẻo, nói cách khác vật liệu sẽ chịu biến dạng dẻo.
Gọi
Vật liệu được kết luận là ở trạng thái chảy dẻo khi , trong đó σ0 là ứng suất chảy trong thí nghiệm kéo nén đơn trục của vật liệu.
b) Điều kiện Von Misses hay điều kiện năng lượng không đổi
“Bất kì phân tử kim loại nào đều có thể chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo khi cường độ ứng suất đạt đến 1 giá trị bằng giới hạn chảy σs, trong trạng thái ứng suất kéo đơn, tương ứng với điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng và mức độ biến dạng”, có nghĩa là khi chuyển sang trạng thái dẻo, cường độ ứng suất bằng giới hạng chảy.
1.1.2 Sự biến đổi độ dày tấm sau gia công
Theo định luật bảo toàn thể tích, sau khi tạo hình do vật liệu bị biến dạng dẻo nên chiều dày vật liệu bị thay đổi. Ta có thể xác định bề dày vật liệu sau khi gia công theo cách sau:
Với:
V1, V2:thể tích của hình dạng phần vật liệu được gia công
S1, S2: Diện tích bề mặt vật liệu trước và sau gia công
,: Bề dày vật liệu trước và sau khi gia công.
Ví dụ: Ta gia công theo chu vi của một đường tròn có diện tích S1. Sau khi gia công ta có diện tích mặt chỏm cầu là S2 = , S1 =
Khi mẫu có bề mặt phức tạp hơn, ta chia mẫu nhỏ thành từng phân tố đơn giản. Diện tích của mẫu bằng tổng diện tích các phần tử được chia.
Hình 2‑2. Sự thay đổi bề dày sau khi gia công
Cần lưu ý, bề dày được nhắc tới là bề dày trung bình, do sau khi gia công bề dày sẽ không đồng đều trên toàn bộ sản phẩm. Tùy theo hình dạng sau khi gia công mà chiều dày vật liệu sẽ thay đổi ở các vùng gia công khác nhau.
Ví dụ hình nón cụt sau khi tạo hình.
Hình 2‑3. Ví dụ về đường trung bình và độ dày trung bình
Do đó, ta sẽ xác định chiều dày vật liệu sau khi tạo hình bằng cách xác định chiều dày trung bình của hình dạng đó. Khi đó bề dày sau khi gia công lúc này là
Cách tính này cũng có thể áp dụng đối với các bề mặt sản phẩm phức tạp, bằng cách chia nhỏ bề mặt ra thành các bề mặt giản đơn.
1.1.3 Khả năng biến dạng của vật liệu
Từ bề dày đã được xác định ở trên, ta có thể xác định được mẫu thiết kế có thể gia công hay không. Mỗi vật liệu có một khả năng thay đổi độ dày riêng, và lượng biến dạng của mẫu thiết kế không được vượt quá trị số đó
Khả năng thay đổi độ dày của vật liệu được đặc trưng bởi độ co lún của vật khi bị biến dạng:
Quan hệ giữa lượng ép tương đối và hệ số kéo dài. [3]
: Lượng ép tương đối
: Hệ số kéo dài với > 1
Lượng ép của kim loại là có giới hạn, nếu kim loại biến dạng qua ngưỡng đó sẽ xé rách vật liệu. Mỗi kim loại hay hợp kim có một lượng ép tối đa khác nhau, tùy thuộc vào thành phần và tương đương với lượng ép tối đa trong quá trình cán, cụ thể:
1.1.3.1 Nhôm tấm và hợp kim nhôm tấm
Các sản phẩm nhôm tấm dùng trong đời sống hằng ngày thường có chiều dày từ 0,1 ÷ 5mm
Cán tấm hợp kim nhôm, sau khi cán nóng xong được đưa vào cán ở trạng thái nguội. Lượng ép tổng cộng khi cán nguội từ 6070% .Các tấm được cán trên máy cán hai trục hoặc bốn trục đảo chiều có tốc độ cán lớn nhất từ 710 m/s. Phải ủ trung gian nếu lượng ép tổng đã quá giới hạn quy định, nhiệt độ ủ từ 400450 oC.
Bảng 1. Thành phần hóa học và kí hiệu của nhôm nguyên chất (theo ΓOCT 11069-74 Liên Xô cũ).
-
1.1.1.1 Đồng và hợp kim đồng
Đồng: là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 3,6A0 có các tính chất như sau:
– Khối lượng riêng lớn (g = 8,94g/cm3) lớn gấp 3 lần nhôm.
– Tính chống ăn mòn tốt.
– Nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (10830C)
– Độ bền không cao (σb = 16Kg/mm2, HB = 40) nhưng tăng mạnh khi biến dạng nguội (σb = 45Kg/mm2, HB = 125).
– Tính công nghệ tốt, dễ dát mỏng, kéo sợi tuy nhiên tính gia công cắt kém.
– Theo TCVN đồng được ký hiệu bằng chữ Cu và theo sau nó là số chỉ hàm lượng %Cu (Cu99,99; Cu99,97; Cu99,95; Cu99,90)
Hợp kim của đồng:
Có nhiều cách phân loại hợp kim của đồng nhưng phổ biến nhất là phân loại theo thành phần hóa học. Theo phương pháp này người ta chia hợp kim của đồng ra làm hai loại:
- Đồng thau (còn gọi là đồng vàng): là hợp kim của đồng mà hai nguyên tố chủ yếu là đồng và kẽm. Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Pb, Ni, Sn…
- Đồng thanh: Là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác ngoại trừ Zn. Đồng thanh được ký hiệu bằng chữ B, tên gọi của brông được phân biệt theo nguyên tố hợp kim chính. Người ta phân biệt các loại đồng thanh khác nhau tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim chủ yếu đưa vào: ví dụ như Cu-Sn gọi là đồng thanh thiếc; Cu – Al gọi là đồng thanh nhôm.
Khi bị biến dạng ở trạng thái nguội thì giới hạn bền và giới hạn chảy tăng lên, độ giãn dài tương đối giảm. Do đó độ cứng cũng tăng lên và bề mặt kim loại bị biến cứng mạnh. Sau khi ép được 80% () nên ủ rồi mới tiếp tục gia công.
Hợp kim đồng ở dạng tấm được sử dụng rộng rãi đặc biệt là đồng thau Л62, Л63, Л68, Л70 và Л90. Việc cán nguội các hợp kim đồng cũng tiến hành giống như cán đồng.
Bảng 4. Các kích thước cơ bản cán đồng tấm và hợp kim đồng tấm
Tên gọi
Rộng, mm
Dày, mm
Dài, m
Đồng M1 ; M2 ; M3 ; M4
10600
0,050,5
0,551,0
1,102,0
20
10
7
Niken
10300
0,05
0,2
7
3
Đồng thau :Л62, Л63, Л68, Л70, Л90
10
20
10
7
Đồng bạch : noizinbo, momen
6300
3
Hợp kim cônstantan (58,6% Cu ; 30%Ni ; 15%Al)
6300
20
15
12
10
Đồng berili : ЬрЬ2
6300
1,5
Hợp kim : Cu-P ;Cu-Sn-Zn
10300
2,0
Số lần cán
Chiều dày, mm
Lượng ép
Lượng ép tổng cộng
Trước cán
Sau cán
, mm
%
1
2
3
4
5
6
7
10,0
8,0
5,5
3,5
2,5
1,8
1,3
8,0
5,5
3,5
2,5
1,8
1,3
1,1
2,0
2,5
2,0
1,0
0,7
0,5
0,2
20,0
31,3
36,4
28,6
28,0
27,7
15,7
20
45
65
75
82
87
89
Bảng 5. Chế độ ép khi cán nguội đồng thau tấm (Л62, Л63, Л68)
KẾT LUẬN
1.1 nhận xÉt
- Luận văn đã hoàn thành được các nhiệm vụ:
- Tìm hiểu quy trình thúc chạm tranh đồng, nhôm
- Lựa chọn phương án thiết kế
- Tính toán xác định được các thông số như lực tạo hình, tốc độ dịch chuyển dụng cụ mà không làm phá hủy phôi tấm.
- Thiết kế nguyên lý máy và lựa chọn phương án cho cụm tạo hình
- Thiết kế kết cấu máy và tính chọn các bộ phận truyền động
- Tìm hiểu, lựa chọn mạch điều khiển, chương trình điều khiển. Ứng dụng phần mềm và mạch điều khiển Mach3 vào quy trình thúc chạm tranh đồng.
- Thiết kế mẫu và xuất G-code bằng phần mềm CREO PARAMETIC.
- Tuy nhiên vẫn còn một vài hạn chế như:
- Cơ cấu khung máy chưa thật tối ưu. Do đó kích thước tấm tranh bị hạn chế
- Tủ điện và mạch điện vẫn chưa hoàn chỉnh, do thiếu kinh nghiệm thực tế.
- Chưa có phần mềm chuyên dụng để thiết kế biên dạng tranh nên việc thiết kế biên dạng tranh thực tế trên phần mềm CREO có giới hạn.
1.2 Hướng phát triển
Do đã dự trù kích thước và công suất lúc thiết kế, có thể mở rộng ứng dụng của máy vào các kim loại có cơ tính cao hơn, kích thước lên đến 600x600 mm, vào các ứng dụng khác như chữ quảng cáo hay mục đích khác.
