Khả năng tạo hình kim loại SUS 304 không dùng khuôn ở nhiệt độ cao

Nội dung text: Khả năng tạo hình kim loại SUS 304 không dùng khuôn ở nhiệt độ cao

1. KHẢ NĂNG TẠO HÌNH KIM LOẠI SUS 304 KHƠNG DÙNG KHUƠN Ở NHIỆT ĐỘ CAO FORMABILITY OF METAL SHEET SUS 304 BY USING DIELESS METHOD AT ELEVATED TEMPARATURE TS. Lê Văn Sỹ(1), ThS. Bùi Anh Phi(2) (1) Đại học Dầu khí Việt Nam, Email: sylv@pvu.edu.vn (2) Cơng ty TNHH Phần mềm FPT, Email: phiba@fsoft.com.vn Tĩm tắt Tạo hình kim loại khơng dùng khuơn hay cịn gọi là phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (single point incemental forming – SPIF) làphương pháp gia cơng cơng mới, linh hoạt, giá thành thấp trong chế tạo mẫu hoặc sản xuất đơn chiếc vật liệu tấm. Phương pháp này gia cơng bằng cách miết một dụng cụ đầu trịn khơng lưỡi cắt đầu bán cầu trên một tấm kim loại được kẹp chặt. Khả năng tạo hình của tấm được đánh giá qua gĩc biến 0 dạng lớn nhất αmax ( ) mà ở đĩ vật liệu khơng bị rách. Đối với những vật liệu cứng và khĩ biến dạng (inox SUS 304, hợp kim titan, hợp kim magie AZ31, việc áp dụng phương pháp SPIF rất khĩ khăn, thậm chí khơng áp dụng được. Khi tăng nhiệt độ, các vật liệu này trở nên mềm và dễ biến dạng, phù hợp để gia cơng bằng SPIF. Bài báo này trình bày khả năng biến dạng ở nhiệt độ cao bằng cơng nghệ SPIF cho tấm inox SUS 304 mà sử dụng rất nhiều trong ngành thiết bị y tế và hĩa thực phẩm. Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của thơng số cơng nghệ đối với khả năng biến dạng của SUS 304. Các thí nghiệm tiến hành theo ma trận thực nghiệm Taguchi, gĩc tường lớn nhất là đáp ứng cho đầu vào của phân tích ANOVA.Kết quả phân tích cho thấy hai thơng số cơng nghệ ảnh hưởng lớn đến gĩc biến dạng là tốc độ chạy dụng cụ và nhiệt độ. 1
2. Từ khĩa: SPIF, ISF, tạo hình gia tăng đơn điểm, SUS 304 Abstract Single Point Incremental Forming technology (SPIF) is an innovative, dieless prototype process to form the product from sheet materials with low cost and short time of manufacturing. This process used a ball-end forming tool to deform metal sheet which is clamped firmly on a simple frame. The formability is measured by maximum wall angle which archived from deformation without any mechanical failures. For hard forming materials such as SUS 304, Titanluim alloy, magnesium alloy), they showed low formability at room temperature for convenient process. However, they became softer at elevated temperature and to be able to deform metal sheet with SPIF process. This paper presents the formability of inox SUS 304 which is used populary in medicine and food equipments by carried out SPIF process at elevated temperature.The main target of this study is focus on the influence of maching parameters on the formability of SUS 304. Pratical experiments are performed following Design of Experiment (Taguchi approach) which maximum wall angle is considered as response of ANOVA analysis. The results showed that tool speed and forming temperature are main effects on the formability of SUS 304. Keyword: SPIF, ISF, Single point incremental forming. 1. Giới thiệu Các sản phẩm dạng tấm bằng SUS 304 cĩ nhiều ứng dụng trong cơng nghiệp và đời sống bởi tính bền vững trước mơi trường của nĩ.Trước đây, các phương pháp truyền thống như dập nguội hoặc dập nĩng tạo hình SUS 304cần dùng khuơn dập với chày hoặc cối hoặc cả chày và cối. Kết cấu khuơn dập phức tạp, giá thành cao và chỉ được áp dụng trong sản xuất loạt lớn. Ngày nay, ngành cơng nghiệp sản xuất sản phẩm từ kim loại tấm địi 2
3. hỏi nhiều mẫu mã, linh hoạt trong sản xuất, rút ngắn thời gian chuẩn bị cơng nghệ, giảm giá thành và đưa sản phẩm ra thị trường càng nhanh càng tốt. Phương pháp tạo hình gia tăng (SPIF) đã đáp ứng được yêu cầu này, đặc biệt trong khâu chế tạo mẫu và sản xuất đơn chiếc hoặc loạt vừa. Ở nhiệt độ thường, vật liệu SUS 304 cĩ điểm chảy dẻo và giới hạn bền cao (σc≥ 220MPa và σb ≥ 690MPa) nên rất khĩ biến dạng vì khả năng hồi phục 0 lớn. Ở nhiệt độ trên 100 C, các giá trị này giảm xuống cịn lần lượt là σc ≤ 155MPa và σb≤ 470MPa [1] cho nên cĩ thể áp dụng phương pháp SPIF để gia cơng. Phương pháp SPIF được đề xuất năm 1967 bởi Leszak. Từ đĩ đến nay, cĩ rất nhiều cơng trình nghiên cứu cả ở nhiệt độ thường lẫn nhiệt độ cao. Những nghiên cứu ở nhiệt độ cao cĩ thể kể đến như: nghiên cứu của G.Ambrogio [2]thực hiện nghiên cứu SPIF ở nhiệt độ cao.Tác giả dùng vịng điện trở để gia nhiệt tấmhợp kim Magie AZ31 và thấy rằng khả năng tạo hình tăng đáng kể. Hai thơng số ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình là nhiệt độ T và bước tiến ∆z, trong khi ảnh hưởng của đường kính dụng cụ là khơng đáng kể [3]. Ji, Y.H., Park, J.J. [4]nghiên cứu khả năng biến dạng của hợp kim magie AZ31 ở các nhiệt độ 200C, 1000C, 1500C, 2000C và 2500C. Chi tiết khảo sát dạng cơn với gĩc cơn phụ thuộc vào giới hạn tạo hình ở các mức nhiệt độ đĩ. Tác giả kết luận rằng khả năng tạo hình tăng khi nhiệt độ tăng và lớn nhất ở 2500C [3]. David Adams [5] gia nhiệt bằng cách dùng hai điện cực gắn vào dụng cụ vàtấm kim loại. Phương pháp này cĩ nhược điểm là nhiệt độ phân bố khơng đều trên tấm, tại vị trí tiếp xúc, tấm kim loại nĩng nhất và dễ rách nhất. Lê Văn Sỹ [6,7] xét ảnh hưởng của nhiệt độ, bước tiến theo phương zvà tốc độ chạy dụng cụđến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của tấm hợp kim nhơm A1010 và hợp kim magie AZ31. Kết quả cho thấy nhiệt 3
4. độ ảnh hưởng lớn nhất đến gĩc tạo hình của hợp kim nhơm và hợp kim magie trong khi ảnh hưởng của bước tiến ∆z đến độ nhám là lớn nhất. Thiết bị gia nhiệt được sử dụng dựa vào hiệu ứng June-Lenze. Phương pháp này cĩ thời gian gia nhiệt nhanh, kiểm sốt nhiệt độ khá chính xác nhưng chỉ gia cơng được vật liệu dẫn điện. Nhiệt sinh ra phụ thuộc vào điện trở suất của chi tiết nên đối với những vật liệu dẫn điện tốt cần nguồn cĩ cường độ rất cao. Fan và cộng sự [8] sử dụng phương pháp gia nhiệt như của David Adams [5] để nghiên cứu khả năng tạo hình của tấm hợp kim magie AZ31 và hợp kim titan TiA2Mn1,5. Tác giả nhận thấy rằng phương pháp này dễ điều khiển và các thơng số cơng nghệ cĩ ảnh hưởng đến khả năng tạo hình. Cụ thể là khi tăng dịng điện thì khả năng tạo hình tăng trong khi tăng tốc độ chạy dụng cụ, đường kính dụng cụ và bước tiến ∆z thì khả năng tạo hình giảm [3]. Đối với nghiên cứu SPIF của Duflou ở nhiệt độ cao cho vật liệu 65Cr2 [9] [3],ơng dùng tia lazer tạo ra một vùng nhiệt di động lân cận vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết. Kết quả là ở nhiệt độ cao, khả năng biến dạng lớn hơn và độ chính xác hình học cũng gần với biên dạng thiết kế. Nghiên cứu của L. Galdos và các tác giả [10] về khả năng biến dạng của hợp kim Magie ở nhiệt độ cao dùng dịng chất lỏng nĩng làm nĩng chi tiết theo nguyên lí truyền nhiệt. Kết quả gĩc biến dạng lớn nhất đạt được là 600 ở 2500C trong khi chỉ 440 ở 1500C. Các nghiên cứu SPIF nêu trên sử dụng những phương pháp gia nhiệt khác nhau và đều biến dạng thành cơng các vật liệu được sử dụng. Nghiên cứu này cũng thực hiện ở nhiệt độ cao nhưngđề xuất phương pháp gia nhiệt khác đơn giản hơn và ứng dụng được trong thực tế sản xuất. Vật liệu được dùng là tấm SUS 304. Thí nghiệm được tiến hành theo ma trận Taguchi và phân tích ANOVA. 4
5. 2. Thiết bị thí nghiệm 1) Termino 2) Can nhiệt sứ 3) Thân (lị) 4) Dây điện trở 5) Tấm đế 6) Chi tiết 7) Tấm kẹp 8) Bulơng kẹp Hình1. Cấu tạo bộ gia nhiệt Để thực hiện các thí nghiệm biến dạng sản phẩm từ tấm SUS 304 ở nhiệt độ cao thì phần quan trọng nhất là bộ gia nhiệt. Trong nghiên cứu này, bộ phận gia nhiệt gián tiếp đốt bằng điện trở nhiệt lị xo và được điều khiển giá trị nhiệt thơng qua thay đổi thời gian cấp điện. Bộ phận này được thiết kế tích hợp trong bộ đồ gá thì nghiệm như Hình 1. Hệ thống gia nhiệt kiêm đồ gá vừa cĩ tác dụng gia nhiệt vừa định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá trình gia cơng. Nguồn điện AC 220V được đấu vào termino (1) cấp điện cho dây điện trở (4) để đốt nĩng buồng lị. Nhiệt độ của chi tiết (6) tăng lên thơng qua trao đổi nhiệt (truyền nhiệt hỗn hợp) với buồng lị. Nhiệt độ của buồng lị được kiểm sốt bằng bộ điều khiển PID với tín hiệu hồi tiếp từ cảm biến nhiệt K (2). Nhiệt độ cài đặt của lị (nhiệt độ lị – TL) sao cho chi tiết (6) đạt giá trị nhiệt độ yêu cầu (TCT) được xác định bằng thực nghiệm. Tồn bộ hệ thống thí nghiệm được bố trí như Hình 2. Nhiệt độ TCT được đo bằng đầu dị (4) hiển thị kết quả là trị số (3). Nhiệt độ TL được đo bằng cảm biến nhiệt K hiển thị kết quả là trị số (1). Trị số (2) là giá trị nhiệt độ cài đặt cho lị. Quan hệ nhiệt độ lị và nhiệt độ chi tiết là quan hệ của hai trị số (2) và (3) khi đáp ứng của lị đã ổn định. 5
6. Hình 2. Bố trí thí nghiệm xác định quan hệ nhiệt độ lị và chi tiết 750 700 600 600 C) 0 450 500 C) 0 ( L 300 T 400 Nhiệt Nhiệt độ ( 150 300 0 200 0 20 40 60 80 100 100 150 200 250 300 350 400 Thời gian t (phút) T (0C) CT Hình 3. Đáp ứng nhiệt độ - thời gian Hình 4. Quan hệ nhiệt độ lị và chi tiết Kết quả đáp ứng nhiệt độ - thời gian của hệ thống gia nhiệt trình bày trên Hình 3. Thời gian để đạt được nhiệt độ 600oC là khoảng 25 phút trong điều kiện bắt đầu gia nhiệt từ nhiệt độ phịng. Thời gian đáp ứng này tương đối dài so với các phương pháp gia nhiệt trực tiếp vì trong thí nghiệm này bố trí một điện trở nhiệt. Tuy nhiên, khi tồn bộ buồng đốt cĩ nhiệt độ cao nhất định thì thời gian đáp ứng tương đối nhanh như thấy ở đoạn thứ 2 trên Hình 3. Nhiệt độ truyền từ buồng đốt và mặt trên của tấm SUS 304 được quan sát rất kỹ bởi vì giá trị này quan trọng cho khả năng tạo hình tấm. Nhiệt độ của tấm thường nhỏ hơn nhiệt độ của buồng lị đốt do khả năng truyền nhiệt của vật liệu tấm. Để đạt được nhiệt độ tại mặt trên của tấm khoảng 1000C và 4000C thì nhiệt độ của buồng lị phải cần 2280C và 6300C. Quan hệ nhiệt độ lị và chi tiết (Hình 4) gần như tuyến tính. 6
7. Hình 5. Mơ hình gia cơng Để nghiên cứu khả năng tạo hình của tấm SUS 304, mơ hình nĩn cụt cĩ đường sinh cong cĩ đặc điểm gĩc nghiêng của biên dạng nĩn cụt thay đổi theo chiều cao của nĩ (Hình 5). Khả năng tạo hình lớn nhất của phương pháp tạo hình điểm đơn đo bằng gĩc nghiên tường cơn lớn nhất đạt được. Trong thí nghiệm này, mơ hình gia cơng là hình nĩn cụt với đường sinh cong cĩ gĩc tạo hình ban đầu 29,50để giảm thời gian gia cơng phần gĩc tạo hình nhỏ hơn (Hình 5). Theo đĩ thì kích thước phơi tấm ban đầu là vuơng 200x200x1 mm. Thí nghiệm thực hiện trên máy điều khiển số ba trục SPIF (X = 800, Y = 500, Z = 300 mm). Dụng cụ tạo hình làm bằng thép giĩ, hình trụ trịn, đầu bán cầu. 3. Phương pháp thí nghiệm Để nghiên cứu khả năng tạo hình, các thí nghiệm sẽ được thiết kế theo ma trận quy hoạch thực nghiệm (Phương pháp Taguchi) với 05 thơng số cơng nghệ: nhiệt độ chi tiết T(0C), bước tiến theo phương trục chính ∆z(mm), tốc độ dụng cụ Vxy(mm/phút), đường kính dụng cụ D(mm) và tốc độ trục chính n(vịng/phút). Các tham Hình 6. Hệ thống thí nghiệm số này được chọn dựa trên thí nghiệm sơ bộ với SUS 304 và các nghiên cứu của các tác giả trước đây [1-7]. Các thí 7
8. nghiệm lần lượt được thực hiện để đo gĩc tạo hình lớn nhấtα(0) của mơ hình. Đường chạy dao được thiết kế dạng đường xoắn ốc để giảm ảnh hưởng của điểm tiếp xúc ban đầu xảy ra trong đường chạy dao truyền thống của hệ CAM. a) b) Hình 6. Đo chiều sâu vết rách Chất lượng bề mặt và khả năng tạo hình ảnh hưởng đáng kể bởi điều kiện tiếp xúc giữa dụng cụ tạo hình và bề mặt tấm kim loại. Đặc biệt ở nhiệt độ cao, các chất bơi trơn thơng thường khơng thể sử dụng. Trong các thí nghiệm, bột than chì được sử dụng để giảm ma sát trong điều kiện nhiệt độ cao. Tồn bộ hệ thống thí nghiệm được bố trí như Hình 6. Mơ hình sản phẩm được gia cơng đến khi xuất hiện vết nứt hoặc bất cứ khuyết tật nào. Sau khi hồn tất, sản phẩm sẽ được đo chiều sâu tạo hình zM1(Hình 6b) được đo bằng thước đo cao (Hình 6a). Gĩc biến dạng αsẽ được tính theo chiều sâu tạo hình thơng qua cơng thức (1). 풙 휶 = 풓 풐풔⁡ (1) 푹 풙 = 풛 − 풛푴 (2) Ma trận thực nghiệm Taguchi với 05 yếu tố đầu vào là ma trận L8 (Bảng 1) với tổng số thí nghiệm bằng 8. Mỗi mơ hình sẽ được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ chính xác của mỗi phép đo. Gĩc α cĩ giá trị càng lớn càng tốt nên tỉ số S/N được tính theo cơng thức: 1 1 푆/ = −10. 푙표 ⁡( ) (3) 10 푌2 8
9. Trong đĩ: N – tổng số thí nghiệm Y – đáp ứng Bảng 1. Ma trận thực nghiệm TN A: T B: ∆z C: Vxy D: D E: n 1 100 0,2 500 6 500 2 100 0,2 500 12 1000 3 100 0,5 1500 6 500 4 100 0,5 1500 12 1000 5 400 0,2 1500 6 1000 6 400 0,2 1500 12 500 7 400 0,5 500 6 1000 8 400 0,5 500 12 500 4. Kết quả và thảo luận 4.1 Kết quả thí nghiệm Các thí nghiệm được cho chạy đến khi phát hiện các khuyết tật trên sản phẩm thì dừng lại. Khả năng tạo hình của SUS 304 được đo thơng qua chiều cao cơn đạt được. Thơng số này được xác định bằng phương pháp đo trực tiếp và cĩ thể đọc thơng qua tọa độ của máy CNC. Trong quá trình thí nghiệm với vật liệu SUS 304, các khuyết tật dạng tách lớp vật liệu xảy ra phổ biến. Vết phá hủy sản phẩm SUS 304 bằng phẳngtheo mặt cắt ngang cơn và khơng cĩ dạng zigzac như trong trường hợp của hợp kim Nhơm- Magie hay Titan (Hình 7). Đây được coi là đặc điểm khác biệt của hợp kim Crơm-Niken do tính đàn hồi lớn của SUS 304 cho dù được gia nhiệt ở nhiệt độ cao. Hợp kim Titan Hợp kim Nhơm-Magie SUS 304 Hình 7. Hình dạng vết rách của các vật liệu 9
10. Do ma sát lớn giữa dụng cụ và tấm kim loại lớn nên bề mặt trong sản phẩm cĩ hiện tượng đùn đẩy vật liệu, kim loại một phần sắp xếp theo vảy như mối hàn, một phần bị bong khỏi bề mặt. Ảnh hưởng này càng tăng cường khi tốc độ chạy dụng cụ Vxy càng lớn thì bước của vảy càng lớn, tốc độ trục chính càng lớn thì vảy càng rõ rệt. Hiện tượng này cần phải được khắc phục vì ảnh hưởng đến khả năng biến dạng và tính thẩm mỹ của sản phẩm tạo ra. a) b) Hình 8. Vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết a)Vxy = 500 b)Vxy=1500 Ở nhiệt độ cao, việc chọn chất bơi trơn là tương đối khĩ do khả năng bơi trơn giảm rất lớn. Nhiều loại mỡ bơi trơn chịu nhiệt được thử nghiệm nhưng chất lượng bề mặt khá thấp. Hình 9 cho thấy kết quả khi bơi trơn bằng mỡ chịu nhiệt. Mỡ bốc hơi mãnh liệt để lại lớp xỉ trên bề mặt, dụng cụ nĩng đỏ và mịn rất nhanh.Các thí nghiệm sử dụng bột than chì để giảm ma sát cho chất lượng bề mặt khá tốt nhưng ảnh hưởng của bột than chì đến sức khỏe và mơi trường tương đối lớn. Để khắc phục hiện tượng này, theotài liệu [6] nên chọn tốc độ trục chính sao cho dụng cụ lăn khơng trượt trên chi tiết. Cơng thức tính tốc độ trục chính trong trường hợp này là: 푛 = 1 (1 − 표푠2훼) Hình 9. Mẫu thử bơi trơn bằng 2 mỡ chịu nhiệt Với:rlà bán kính dụng cụ. 10
11. Ngồi ra, V.Fanzen [11] đã chế tạo dụng cụ tạo hình lắp trên ổ bi tự lăn trên chi tiết trong quá trình gia cơng ở nhiệt độ phịng. Nĩ cũng giảm đáng kể ma sát giữa dụng cụ tạo hình và bề mặt sản phẩm gia cơng. 4.2 Phân tích kết quả quy hoạch thực nghiệm Các thí nghiệm nghiên cứu khả năng biến dạng tấm SUS 304 lần lượt được thực hiện theo các tham số chạy máy được trình bày trong dạng ma trận trực giao Taguchi (Bảng 1). Trong nghiên cứu này sẽ phân tích ảnh hưởng của các thơng số chạy máy đến khả năng tạo hình sử dụng phương pháp quy hoạc thực nghiệm Taguchi. Taguchi là phương pháp thiết kế thí nghiệm bằng việc lựa chọn hoặc thiết kế mảng trực giao phù hợp nhất. Ưu điểm của phương pháp này là giảm đáng kể số lượng thí nghiệm nhưng vẫn bảo đảm tính chất tổng quát của quá trình xử lý, tiết kiệm thời gian và kinh phí. Mỗi bộ tham số chạy máy cho một mơ hình sẽ được lặp lại ba lần. Giá trị trung bình của chiều sâu đạt được của mỗi lần chạy máy sẽ là giá trị đáp ứng của quá trình phân tích quy hoạch thực nghiệm. Quá trình phân tích quy hoạch thực nghiệm được thực hiện trên phần mềm Design Expert 7.0. Dựa vào kết quả thí nghiệm, phân tích ANOVA được tiến hành để nhận dạng các thơng số ảnh hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình của tấm SUS 304. Thơng số phân tích ANOVA được trình bày trên Bảng 2. Dựa trên bảng này, chỉ các thơng số chạy máy cĩ giá trị F ≥ 3 sẽ cĩ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tạo hình và được giữ lại để phân tích tiếp theo. Các thơng số bao gồm: nhiệt độ chi tiết, bước tiến ∆z, tốc độ chạy của dụng cụ tạo hình, đường kính dụng cụ và tốc độ trục chính. Mức độ ảnh hưởng của thơng số chạy máy trình bày trên biểu đồ Prato (Hình 10). Tốc độ tiến dao ngang Vxy cĩ ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng tạo hình chiếm 47,92%, ảnh hưởng của nhiệt độ là 23,96%. Điều đặc biệt ở đây là ảnh hưởng của đường kính dụng cụ đến khả năng tạo hình cũng khá lớn, chiếm 12,53%. 11
12. Hình 10. Mức độ ảnh hưởng của các tham số chạy máy Bảng 2. % ảnh hưởng của các thơng số STT Thơng số % ảnh hưởng 1 Nhiệt độ T 23,96 2 Bước tiến ∆z 7,07 3 Tốc độ chạy dụng cụ Vxy 47,92 4 Đường kính dụng cụ D 12,53 5 Tốc độ trục chính 3,71 6 ∆z.n 1,2 7 ∆z.D 3,61 Kết quả phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy độ chính xác của phép phân tích là tương đối lớn thơng qua hai hệ số xác định bội (R2) và hệ số xác định bội điều chỉnh (R2adj). Nghĩa là phương trình tuyến tính (mơ tả tương quan giữa đáp ứng và yếu tố ảnh hưởng) giải thích khoảng 88% các khác biệt về thơng số đáp ứng với các yếu tố ảnh hưởng. Trị số R2 cĩ giá trị từ 0 đến 100% (hay 1). Giá trị R2 càng cao là một dấu hiệu cho thấy mối liên hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và đáp ứng càng chặt chẽ. Hệ số điều 12
13. chỉnh xác định bội (R2adj) mơ tả mức độ cải tiến của phương sai phần dư do yếu tố ảnh hưởng cĩ mặt trong mơ hình tuyến tính. Nĩi chung, hệ số này khơng khác mấy so với hệ số xác định bội, và cũng khơng cần chú tâm quá mức. Ảnh hưởng chủ yếu của các thơng số chạy máy đến khả năng tạo hình tấm SUS 304 được thể hiện trên biểu đồ (Hình 11) theo tỉ số S/N. Vì thí nghiệm khơng xét đến nhiễu nên tỉ số S/N và giá trị trung bình đồng dạng với nhau. Khả năng biến dạng tỉ lệ thuận với nhiệt độ chi tiết, bước tiến ∆z, tốc độ chạy của dụng cụ tạo hình, tốc độ trục chính và tỉ lệ nghịch đường kính dụng cụ. Mức độ ảnh hưởng của Vxy cĩ ảnh hưởng lớn nhất (47,92%), kế đến là T (23,96%). Tốc độ trục chính và bước tiến ∆z ảnh hưởng khơng đáng kể. Hình 11. Ảnh hưởng của các thơng số đến gĩc α theo tỉ số S/N Kết quả cho thấy, ở nhiệt độ cao, khả năng tạo hình của SUS 304 lớn hơn khi gia cơng bằng phương pháp SPIF.Ngồi ra, ảnh hưởng kết hợp của bước xuống dao ∆z và đường kính dụng cụ đến khả năng tạo hình chiếm 3,61%. Ảnh hưởng này cho thấy việc chọn bán kính dao hợp lý với bước tiến dao sẽ gĩp phần nâng cao khả năng tạo hình sản phẩm. Phương trình mơ tả mối liên quan giữa các biến quá trình (thơng số gia cơng) và đáp ứng (khả năng tạo hình) được rút từ phân tích hồi quy tuyến tính: 훼 = 67,48 + 2,24 + 1,22∆ + 3,17 − 1,62 + 0,88푛 − 0,87∆ . (4) 13
14. Bước tiếp theo là tìm điều kiện chạy máy tối ưu nhất đến khả năng tạo hình sản phẩm từ tấm SUS 304. Cĩ bài tốn tối ưu cĩ thể lựa chọn từ phần mềm được chia thành các dạng: Nhỏ hơn – Tốt hơn, Trung bình – Tốt nhất, Lớn nhất – Tốt nhất. Để chọn bài tốn thích hợp ta dựa vào tỷ số S/N, tỷ số này được xem là mục tiêu cho thiết kế các thơng số chạy máy. Ở nghiên cứu này, giá trị gĩc tạo hình càng lớn càng tốt, cho nên bài tốn Lớn nhất – Tốt nhất là phù hợp với yêu cầu. Tỷ số S/N được tính bằng cơng thức (3) với mục tiêu tối ưu của bài tốn Lớn nhất – Tốt nhất là chọn giá trị S/N nhỏ nhất cho mỗi thơng số chạy máy. Giá trị của tỷ số S/N dưới điều kiện tối ưu được tính theo cơng thức theo tổng các giá trị trung bình (m) và giá trị tỷ số S/N dưới điều kiện tối ưu cho thơng số thứ i (mi): 푆/ 표 푡 = + ( 푖 − ) Bộ giá trị tối ưu chạy máy để tạo hình sản phẩm được cho trong bảng 3. Giá trị gĩc tạo hình lớn nhất với các thơng số đầu vào tối ưu là 77,47o. Bảng 3: Bộ giá trị tối ưu 0 O T ( C) ∆z (mm) Vxy (mm/ph) D (mm) n (v/ph) α ( ) ZM1 (mm) 400 0,5 1500 6 1000 77,4713 52,6 4.2 Kiểm tra thực nghiệm 70 60 50 40 Thực nghiệm 30 z (mm) z CAD 20 10 0 0 10 20 30 40 50 x (mm) Hình 12. So sánh biên dạng CAD với biên dạng thực nghiệm 14
15. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm là cho sản phẩm cĩ sai số hình học. Nhiều tác giả đã tập trung nghiên cứu cải thiện độ chính xác hình học của sản phẩm. Sai số này là do bản chất của quá trình tạo hình mà biên dạng được biến dạng tự do khơng cĩ khuơn hoặc thiết bị hỗ trợ. Đặc biệt đối với các kim loại khĩ biến dạng cĩ độ đàn hồi lớn như trong trường hợp của tấm SUS 304. Để xác định sai số hình học của sản phẩm với biên dạng chính xác từ mơ hình CAD, mỗi sản phẩm sau khi biến dạng sẽ được đo biên dạng bằng máy đo tọa độ CMM theo đường sinh của sản phẩm tại mỗi cung phần tư. Hình 12 mơ tả so sánh biên dạng thực của sản phẩm và biên dạng CAD từ một mơ hình cĩ sai số lớn nhất trong loạt thí nghiệm. Càng xa vùng kẹp của tấm kim loại thì sai số giữa hai biên dạng càng lớn. Điều này dễ dàng nhận thấy do tấm được biến dạng tự do và tấm kim loại trở nên mềm và mất ổn định khi sản phẩm cĩ chiều cao lớn. Biên dạng của sản phẩm luơn nhỏ hơn biên dạng CAD bởi vì sự đàn hồi của vật liệu. Mặc dù dụng cụ đi theo biên dạng CAD làm biến dạng tấm nhưng khi rời đi, kim loại bị đàn hồi ngược trở lại. Để khắc phục hiện tượng này, cần xác định lượng đàn hồi là bao nhiêu để bù vào đường chạy dao lúc gia cơng. Lượng bù dao sẽ tùy thuộc vào loại vật liệu sử dụng và các yếu tố cơng nghệ chạy máy. 5. Kết luận Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế hệ thống gia nhiệt gián tiếp và khảo sát ảnh hưởng của thơng số cơng nghệ đến khả năng tạo hình sản phẩm từ tấm SUS 304. Hệ thống gia nhiệt đã thiết kế đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn yêu cầu để tạo hình kim loại tấm khĩ biến dạng như SUS 304ở nhiệt độ cao. Hệ thống gia nhiệt cho phân bố nhiệt đồng đều nhưng thời gian đáp ứng nhiệt lâu hơn so với phương pháp gia nhiệt trực tiếp. Ưu điểm của nĩ là dễ chế tạo, sửa chữa, chi phí thiết kế thấp. Khả năng tạo hình sản phẩm từ tấm SUS 304tăng đáng kể, khắc phục được giới hạn tạo hình đang 15
16. gặp phải ở nhiệt độ phịng. Gĩc tường lớn nhất đạt được trong thí nghiệm của nghiên cứu này rất cao, khoảng 77,46o tại nhiệt độ 400oC. Kết quả phân tích hồi quy cho thấy bước tiến dao ngang và nhiệt độ là một tham số chính để nâng cao khả năng tạo hình kim loại khĩ biến dạng bằng cơng nghệ SPIF. Bước tiến dao sâu và đường kính dụng cụ cũng là thơng số ảnh hưởng chính đến khả năng tạo hình của sản phẩm. Tài liệu tham khảo [1] T.S. Byun, N. Hashimoto, K. Farrell, Temperature dependence of strain hardening and plastic instability behaviors in austenitic stainless steels.: Elsevier, 2004. [2] G. Ambrogio, S. Bruschi, A. Ghiotti, L. Filice, Formability of AZ31 magnesium alloy in warm incremental forming process., 2009. [3] Radu Crina, New configuration of the SPIF process - a review.: Journal of Engineering Studies and Research – Volume 16, No. 4, 2010. [4] Ji, Y.H., Park, J.J., Formability of magnesium AZ31 sheet in the incremental forming at warm temperature.: Journal of Materials Processing Technology, 201 (1-3), p. 354-358, 2008. [5] David Adams, Electrically Assisted Single Point Incremental Forming.: Department of Mechanical and Materials Engineering, Queen's University, Kingston, Canada. [6] Le Van Sy, modeling of single point incremental forming process for metal and polymeric sheet.: University of Padua, Department of innovation in Mechanics and Management, 2009. [7] Le Van Sy, Nguyen Thanh Nam, Hot Incremental Forming Of Magnesium And Aluminum Alloy Sheets By Using Direct Heating System.: Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers, Part 16
17. B: Journal of Engineering Manufactur, 2013. [8] Fan, G., Gao, L., Hussain, G., Zhaoli, Wu, Electric hot incremental forming: a novel technique.: International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48 (15), p. 1688-1692, 2008. [9] J.R. Duflou, B. Callebaut, J. Verbert, H. De Baerdemaeker, Improved SPIF performance through dynamic local heating.: Elsevier,International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2008. [10] L. Galdos, E. Sáenz de Argandođa, I. Ulacia, G. Arruebarrena, Warm incremental forming of magnesium alloys using hot fluid as heating media.: Key Engineering Materials Vols. 504-506, 2012. [11] V.Franzen, L. Kwiatkowski, P.A.F. Martins, A.E. Tekkaya, Single point incremental forming of PVC.: Elsevier, journal, 2008. [12] Zhang, Q., Guo, H., Xiao, F., Gao, L., Bondarev, A.B., Weidong, H., Influence of anisotropy of the magnesium alloy AZ31 sheets on warm negative incremental forming.: Journal of Materials Processing Technology 209, p. 5514–5520, 2009. 17
18. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.