Phụ lục luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số SPIF tạo hình kim loại

SPIF hoạt động dựa trên biến dạng dẻo cục bộ. Đầu dao hình cầu tác động lên bề mặt tấm kim loại. Lực tác động tạo vùng biến dạng nhỏ tại điểm tiếp xúc. Đầu dao di chuyển theo quỹ đạo CAD-CAM được lập trình. Quá trình lặp lại nhiều lần tạo hình dạng cuối cùng. Tấm kim loại được kẹp chặt trên đồ gá. Hệ thống CNC điều khiển chuyển động chính xác. Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất vượt giới hạn chảy. Vật liệu không thuận nghịch sau khi tháo lực. Hiện tượng hồi phục đàn hồi luôn tồn tại. Cần tính toán bù trừ lượng phục hồi này.

Không cần khuôn dập đắt tiền là ưu điểm lớn nhất. Chi phí thiết bị đầu tư giảm 70-80% so với dập. Thời gian chuẩn bị sản xuất rút ngắn đáng kể. Thay đổi thiết kế dễ dàng chỉ bằng lập trình lại. Phù hợp sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ. Tạo được góc thành lớn hơn dập truyền thống. Khả năng tạo hình phức tạp cao. Tiết kiệm nguyên vật liệu đầu vào. Thân thiện môi trường hơn các phương pháp khác.

Ngành hàng không sử dụng SPIF tạo chi tiết nhôm. Công nghiệp ô tô áp dụng cho sản xuất mẫu. Y tế dùng tạo implant và thiết bị cá nhân hóa. Kiến trúc ứng dụng cho tấm ốp trang trí. Nghệ thuật tạo tác phẩm điêu khắc kim loại. Điện tử sản xuất vỏ máy thiết kế đặc biệt. Nghiên cứu khoa học thử nghiệm vật liệu mới.

Góc thành là góc giữa thành sản phẩm và mặt phẳng gốc. Đo bằng độ từ 0° đến 90°. Góc 0° là tấm phẳng không biến dạng. Góc 90° là thành đứng vuông góc hoàn toàn. Thực tế góc tối đa đạt 60-75° tùy vật liệu. Đo góc thành bằng thước đo góc chuyên dụng. Máy quét 3D cho kết quả chính xác hơn. Phần mềm CAD so sánh mô hình thực tế với thiết kế. Sai lệch góc thành chỉ ra lượng phục hồi đàn hồi.

Góc thành lớn tạo biến dạng dẻo mạnh. Ứng suất kéo tăng cao ở vùng thành dốc. Vật liệu mỏng dần do hiện tượng kéo dãn. Độ mỏng vượt giới hạn gây rách vật liệu. Biến dạng dẻo tuân theo công thức Ludwik. Phương trình Hollomon bổ sung thành phần đàn hồi. Hệ số vật liệu K và số mũ n đặc trưng cho từng loại. Mô phỏng ABAQUS sử dụng dữ liệu dạng bảng. Tuyến tính hóa từng đoạn đường cong ứng suất-biến dạng.

Nhôm A1050-H14 đạt góc thành tối đa 70-75°. Thép mềm giới hạn ở mức 60-65°. Thép không gỉ 304 đạt 55-60°. Đồng nguyên chất cho phép 65-70°. Hợp kim nhôm 6061 giới hạn 60-65°. Titan có tính dẻo kém hơn nhôm. Vật liệu ủ mềm tăng góc thành 5-10°. Độ dày tấm ảnh hưởng đến giới hạn góc. Tấm mỏng dễ đạt góc lớn hơn tấm dày.

Bước tiến dao là khoảng cách giữa hai vòng quay liên tiếp. Đo bằng milimét theo phương trục Z. Giá trị điển hình từ 0.1mm đến 1.0mm. Bước nhỏ tạo nhiều lớp gia công chồng lên nhau. Bước lớn giảm số lượng đường chạy dao. Ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian gia công. Quyết định độ nhám bề mặt sản phẩm. Tác động đến phân bố ứng suất trong vật liệu. Là thông số quan trọng thứ hai sau góc thành.

Bước tiến nhỏ cho bề mặt mịn hơn rõ rệt. Độ nhám Ra giảm khi giảm bước tiến. Quan hệ gần như tuyến tính trong khoảng 0.2-0.8mm. Bước 0.3mm cho Ra khoảng 1.5-2.0μm với nhôm. Bước 0.7mm tăng Ra lên 4.0-5.0μm. Đầu dao lớn giúp giảm độ nhám phần nào. Vận tốc cao có thể cải thiện độ nhám. Chất bôi trơn giảm ma sát và độ nhám. Đo độ nhám bằng máy đo profiler chuyên dụng.

Bước tiến lớn tăng năng suất đáng kể. Giảm bước từ 0.7mm xuống 0.3mm tăng thời gian gấp đôi. Năng suất tỷ lệ nghịch với bước tiến. Cần tối ưu hóa đa mục tiêu: chất lượng và thời gian. Sản xuất hàng loạt ưu tiên bước lớn. Sản phẩm cao cấp yêu cầu bước nhỏ. Phần mềm CAM tự động tính thời gian gia công. Tối ưu hóa quỹ đạo giảm thời gian chạy không.

Đầu dao hình cầu là loại phổ biến nhất. Tiếp xúc điểm tạo biến dạng tập trung. Đầu dao bán cầu có đáy phẳng nhỏ. Tạo vùng tiếp xúc lớn hơn một chút. Đầu dao roller có thể lăn giảm ma sát. Chế tạo phức tạp hơn đầu dao tĩnh. Vật liệu thép gió HSS giá thành thấp. Carbide WC-Co cứng và bền nhưng đắt. Phủ TiN hoặc TiAlN tăng tuổi thọ. Độ bóng bề mặt đầu dao ảnh hưởng độ nhám.

Đường kính lớn tăng góc thành tối đa 5-10°. Đầu dao 15mm cho góc thành cao hơn đầu 8mm. Vùng tiếp xúc rộng giảm ứng suất cục bộ. Phân bố biến dạng đều hơn trên vật liệu. Giảm nguy cơ rách tại vùng biến dạng lớn. Tuy nhiên không tăng vô hạn được. Đường kính quá lớn giảm độ chi tiết. Không tạo được bán kính cong nhỏ. Cần chọn đường kính phù hợp với sản phẩm.

Sản phẩm đơn giản dùng đầu dao 12-15mm. Chi tiết phức tạp cần đầu dao 6-8mm. Bán kính cong nhỏ nhất quyết định đường kính tối đa. Đường kính đầu dao không vượt quá bán kính cong. Vật liệu mềm cho phép đầu dao lớn hơn. Vật liệu cứng nên dùng đầu dao trung bình. Thực nghiệm xác định đường kính tối ưu cho từng trường hợp. Phần mềm CAM kiểm tra va chạm quỹ đạo.

Phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán cơ học. Rời rạc hóa miền liên tục phức tạp. Chia thành các phần tử hình học đơn giản. Tứ diện, lục diện, kim tự tháp phổ biến. Hàm xấp xỉ trên mỗi phần tử. Liên tục tại biên chung giữa các phần tử. Phương pháp biến phân tìm nghiệm gần đúng. Ma trận độ cứng toàn cục được lắp ghép. Giải hệ phương trình đại số tuyến tính hoặc phi tuyến.

Bước 1: Tạo mô hình hình học tấm và đầu dao. Bước 2: Định nghĩa tính chất vật liệu từ dữ liệu thực nghiệm. Bước 3: Chia lưới phần tử với kích thước phù hợp. Bước 4: Thiết lập điều kiện biên và lực kẹp. Bước 5: Định nghĩa tiếp xúc giữa đầu dao và tấm. Bước 6: Nhập quỹ đạo chuyển động đầu dao. Bước 7: Chọn bước thời gian và phương pháp giải. Bước 8: Chạy mô phỏng và kiểm tra hội tụ. Bước 9: Phân tích kết quả ứng suất, biến dạng. Bước 10: So sánh với thực nghiệm để hiệu chỉnh.

Tiết kiệm chi phí vật liệu và thiết bị. Rút ngắn thời gian nghiên cứu đáng kể. Khảo sát nhiều phương án trong thời gian ngắn. Dự đoán kết quả trước khi gia công thực tế. Quan sát được phân bố ứng suất bên trong. Xác định vùng nguy hiểm dễ phá hủy. Tối ưu hóa thông số trước sản xuất. Hiểu rõ cơ chế biến dạng phức tạp. Hỗ trợ đắc lực cho thiết kế sản phẩm.

Quy hoạch thực nghiệm giảm số thí nghiệm cần thiết. Phương pháp toán học thiết kế ma trận thí nghiệm. Box-Behnken dùng cho 3 yếu tố trở lên. Taguchi tập trung vào độ bền vững quy trình. Trực giao đầy đủ cho kết quả chính xác nhất. Mỗi yếu tố khảo sát 3-5 mức giá trị. Số thí nghiệm giảm từ hàng trăm xuống vài chục. Phân tích ANOVA xác định yếu tố có ý nghĩa. Xây dựng mô hình hồi quy dự đoán kết quả.

Máy CNC 3 trục hoặc chuyên dụng SPIF. Đồ gá kẹp chặt tấm kim loại chắc chắn. Hệ thống bôi trơn cung cấp dầu liên tục. Cảm biến lực đo lực tạo hình 3 phương. Phần mềm CAM tạo quỹ đạo từ mô hình CAD. Máy quét 3D đo hình dạng sản phẩm. Máy đo độ nhám bề mặt chuyên dụng. Thước đo góc kiểm tra góc thành. Ghi nhận đầy đủ dữ liệu mỗi thí nghiệm.

Tối ưu hóa cân bằng nhiều mục tiêu xung đột. Góc thành lớn thường đi kèm độ nhám cao. Năng suất cao làm giảm chất lượng bề mặt. Thuật toán di truyền tìm tập nghiệm Pareto. Người dùng chọn phương án phù hợp từ tập này. Hàm mục tiêu tổng hợp có trọng số. Trọng số phản ánh mức độ quan trọng mỗi chỉ tiêu. Phần mềm tối ưu hóa tự động hóa quá trình. Kết quả là bộ thông số công nghệ tối ưu. Ứng dụng trực tiếp vào sản xuất thực tế.