KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGH Ệ T Ạ O HÌNH V Ậ T LI Ệ U
Đặc điểm của phương pháp tạo hình bằng áp lực (gia công áp lực)
Gia công kim loại bằng áp lực, hay còn gọi là gia công áp lực, là một phương pháp gia công không phoi, dựa trên nguyên lý biến dạng dẻo của kim loại Trong quá trình này, kim loại sẽ được thay đổi hình dạng liên tục để đạt được kích thước và hình dạng mong muốn mà không làm phá hủy liên kết và vẫn bảo toàn thể tích Phương pháp này sử dụng ngoại lực tác dụng lên kim loại ở cả trạng thái nóng và nguội, nhằm chế tạo các sản phẩm dựa vào tính dẻo của vật liệu.
* Đặc điểm của phương pháp gia công áp lực
Kim loại gia công ở thể rắn là quá trình làm thay đổi hình dáng và tính chất cơ, lý, hóa của kim loại Qua quá trình này, kim loại trở nên có hạt mịn và chặt hơn, đồng thời tổ chức hạt chuyển biến thành thớ, giúp khử các khuyết tật như rỗ và nứt.
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong gia công áp lực, vì nhiệt độ cao giúp tăng tính dẻo của vật liệu và giảm trở lực biến dạng Dựa vào nhiệt độ gia công, quá trình này được chia thành hai loại chính: gia công nóng và gia công nguội.
Gia công nóng là quá trình gia công thực hiện trên nhiệt độ kết tinh lại
Gia công nguội là quá trình gia công thực hiện dưới nhiệt độ kết tinh lại
Phương pháp gia công này mang lại năng suất cao, giúp chế tạo hoàn thiện sản phẩm một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu thời gian gia công và lượng dư cắt gọt.
Sản phẩm gia công thường có dạng thớ, mang lại độ bền cao hơn và khả năng chịu lực tốt hơn so với các sản phẩm đúc Ngoài ra, quy trình gia công cũng giúp tăng cường độ chính xác và độ nhẵn của bề mặt sản phẩm.
- Giảm được hao phí kim loại so với một sốphương pháp chế tạo phôi khác
- Vật liệu dùng trong gia công áp lực là loại vật liệu có tính dẻo cao như thép cacbon thấp, thép hợp kim, kim loại màu
- Yêu cầu thiết bị phức tạp, đắt tiền
Gia công áp lực đóng vai trò quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo, với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như chế tạo ô tô, xe máy, máy công cụ và sản phẩm phục vụ đời sống hàng ngày.
Các phương pháp gia công áp lực
Gia công áp lực được chia thành nhiều dạng khác nhau như: cán, kéo sợi, ép kim loại, rèn tự do, dập thể tích, dập tấm
Dập tấm là một phương pháp gia công kim loại tiên tiến, sử dụng áp lực để chế tạo sản phẩm từ vật liệu tấm, thép bản hoặc dải cuộn.
Dập tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng nhưng phần lớn ở trạng thái nguội vì vậy còn gọi là “dập nguội”
Dập tấm hiện nay là phương pháp gia công kim loại tiên tiến, được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất rèn dập và cơ khí Tại các quốc gia có nền công nghiệp phát triển, quá trình dập tấm đã được tự động hóa và cơ khí hóa cao, với nhiều thiết bị mới sở hữu tính năng kỹ thuật đặc biệt được thiết kế và chế tạo.
Dập tấm là một công nghệ quan trọng được áp dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, điện và chế tạo máy móc Công nghệ này được sử dụng để sản xuất các dụng cụ, thiết bị chính xác phục vụ cho các lĩnh vực như kỹ thuật điện, chế tạo ô tô, máy bay và các sản phẩm tiêu dùng.
Sản xuất dập tấm ngày càng phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp gia công kim loại khác Phương pháp này mang lại độ chính xác cao, chất lượng sản phẩm tốt, khả năng lắp lẫn tốt, cùng với độ bền và độ bóng của sản phẩm rất ấn tượng.
- Năng suất lao động cao do dễ cơ khí hoá và tự động hoá
- Chuyển động của thiết bị đơn giản, công nhân không cần trình độ cao nhưng vẫn chế tạo được các sản phẩm phức tạp và đẹp
- Có hao phí kim loại thừa nhất là khi xếp hình không hợp lý
- Chi phí cho khuôn cối cao
- Thích hợp cho sản xuất loạt lớn, giá thành sẽ cạnh tranh
Một số hình ảnh về sản phẩm dập tấm của ngành gia công áp lực
Hình 1.1 Các sản phẩm dập tấm ngành gia công áp lực
1.2.2 Phương pháp dập thể tích (dập khối)
Dập thể tích, hay còn gọi là dập khối hoặc rèn khuôn, là một phương pháp gia công áp lực hiệu quả, trong đó kim loại được biến dạng trong một khuôn hạn chế Phương pháp này giúp tạo ra các sản phẩm kim loại có hình dạng chính xác và độ bền cao.
Công nghệ tạo hình khối là một lĩnh vực quan trọng trong gia công kim loại bằng áp lực, sử dụng tính dẻo của kim loại để biến dạng phôi Quá trình này có thể bao gồm việc điền đầy kim loại vào khuôn hoặc làm kim loại chảy qua lỗ thoát của cối hoặc chày, từ đó tạo ra các chi tiết với hình dạng và kích thước theo yêu cầu.
+ Độ chính xác và chất lượng vật dập thể tích cao hơn rèn tự do
+ Có khả năng chế tạo được những chi tiết phức tạp
Quá trình dập tạo hình khối trong cơ khí hoá giúp nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm Trong quá trình này, cấu trúc tinh thể kim loại sẽ bị biến đổi, thường dẫn đến việc giảm độ hạt và tạo ra hướng thớ kim loại phù hợp, từ đó tăng cường độ bền và độ cứng của chi tiết.
Quá trình dập tạo hình khối giúp tiết kiệm kim loại, đặc biệt trong sản xuất hàng loạt lớn, từ đó giảm giá thành sản phẩm.
Do tăng được độ bền và độ cứng nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tết sẽ gọn nhẹ hơn.
Năng suất lao động cao do có thể cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất
Thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao do đó giảm chi phí sản xuất
Có thể tạo được các chi tiết kích thước từ rất nhỏ đến những chi tiết có kích thước vô cùng lớn
Hầu hết các quá trình tạo hình diễn ra khi phôi ở trạng thái nóng, dẫn đến chất lượng bề mặt chi tiết không cao và độ chính xác thấp Điều này gây khó khăn cho việc cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất.
Công nhân làm việc với phôi nóng trong môi trường ô nhiễm và đầy khói bụi, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của họ Ngoài ra, tiếng ồn lớn từ các thiết bị cũng là một yếu tố gây hại cho sức khỏe người lao động.
Phương pháp dập tạo hình khối với phôi nguội hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhờ vào độ nhẵn bóng bề mặt và độ chính xác cao của chi tiết, mà không cần qua gia công cơ khí Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp với những chi tiết có kích thước nhỏ và trung bình do yêu cầu lực công nghệ lớn.
Phương pháp dập tạo hình khối không thể tạo được những chi tiết có hình dạng và kết cấu phức tạp như đối với công nghệ đúc
Dập tạo hình khối thường yêu cầu thiết bị lớn và đắt tiền, vì vậy phương pháp này chỉ phù hợp cho sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, do cần đầu tư ban đầu cao.
Phương pháp dập tạo hình (dập thể tích) sản xuất ra nhiều loại sản phẩm đa dạng với hình dạng, kích thước, khối lượng và vật liệu phong phú.
Một số hình ảnh về sản phẩm công nghệ dập khối
Hình 1.2 Các sản phẩm dập khối điển hình
Các lo ạ i s ả n ph ẩ m c ủ a công ngh ệ d ậ p n ổ i
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường gặp nhiều sản phẩm công nghệ có bề mặt biến dạng, như tiền xu, tiền vàng, huy chương, huy hiệu, ảnh nghệ thuật và logo Những sản phẩm này không chỉ mang giá trị vật chất mà còn thể hiện nghệ thuật và kỹ thuật chế tác tinh xảo.
Các loại tiền xu và tiền vàng:
Hình 1.3 Các loại tiền vàng Châu Âu
Hình 1.4: Các loại tiền vàng Châu Á
Các loại logo và huy hiệu của các hãng sản xuất hoặc các doanh nghiệp: mỗi một doanh nghiệp đều có một logo riêng để tạo thương hiệu
Hình 1.6: logo và huy hiệu
Các loại sản phẩm biến dạng trên trục lăn:
Hình 1.7: sản phẩm biến dạng trên trục lăn
Ngoài những sản phẩm có kích thước vừa và lớn thì còn có những sản phẩm có kích thước rất nhỏ từ vài mm đến àm:
Hình 1.8: chi tiết điện tử
Công ngh ệ t ạ o hình b ề m ặ t
1.4.1 Công nghệ cán hình trên trục lăn
Quá trình biến dạng bề mặt kim loại trên trục lăn chính là kỹ thuật cán hình kim loại, trong đó kim loại được làm biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau Khe hở giữa các trục cán nhỏ hơn chiều cao của phôi, giúp tạo ra hình dạng mong muốn cho sản phẩm kim loại.
Hình 1.9: nguyên lý biến dạng bề mặt trên trục lăn
Quá trình cán có thể diễn ra dưới hai hình thức là cán nguội hoặc cán nóng, tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm và loại vật liệu, có thể là tấm hoặc khối Sau khi trải qua quá trình cán trên trục cán, sản phẩm sẽ có những đặc điểm riêng biệt.
Cán không chỉ thay đổi hình dạng và kích thước của phôi mà còn cải thiện chất lượng kim loại Quá trình này giúp phá hủy cấu trúc đúc cũ, tạo ra một tổ chức mới với độ bền cao và hạt kim loại nhỏ mịn.
- Năng suất cao, dễ cơ khí hoá và tự động hoá
- Sản phẩm cán nguội có độ nhẵn và độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu lực cán lớn và làm khuôn chóng mòn
- Trục cán tạo hoa văn trên thanh thép:
Hình 1.10: trục cán hoa văn
- Ngoài ra còn có rất nhiều các loại trục cán khác Ta chỉ việc thây đổi trục cán trên máy cán thì sẽ có sản phẩm tương ứng
Hình 1.11: các loại trục cán hoa văn
• Vật liệu sử dụng làm trục cán:
• Thiết bị cán: sử dụng là các loại máy cán chuyên dụng:
1.4.2 Công nghệ dập nổi bằng khuôn
Dập nổi là quá trình thay đổi hình dạng bề mặt sản phẩm thông qua các phần lồi và lõm của khuôn Nguyên lý dập nổi dựa trên sự tương tác giữa các bộ phận khuôn để tạo ra hình dạng mong muốn cho sản phẩm.
Hình 1.13: Nguyên lý dập nổi
Trong hầu hết các trường hợp, quá trình dập nổi diễn ra trong khuôn kín, không cho phép kim loại thoát ra ngoài khoang làm việc Ngược lại, khuôn hở chỉ được sử dụng cho việc dập nổi các sản phẩm có kích thước lớn.
Hình dập cần được khắc lên bề mặt của chày hoặc cối, hoặc cả hai nếu dập nổi hình hai phía Khi thực hiện quá trình dập, hình ảnh sẽ được chuyển giao lên bề mặt của phôi.
Khi đó lực dập nổi cần có ,P: k k k
- q k : lực riêng để dập nổi (N/mm 2 )
- F k : di ện tích hình chiếu cần dập nổi trên mặt phẳng vuông góc với hướng tác động lực dập nổi (mm 2 )
• Khuôn dập nổi: Có rất nhiều dạng khuôn dập nổi khác nhau nhưng được phân làm các loại chính là:
- Chày cứng-cối cứng: loại sử dụng phổ biến nhất
- Chày cứng-cối mềm(cao su)
- Chày mềm(cao su)-cối cứng
Hình 1.14: khuôn dập nổi chày cứng- cối cứng
Một số mặt khuôn dập nổi chữ ,logo và hình trang trí:
Hình 1.15: Một số mặt khuôn dập nổi chữ ,logo và hình trang trí
Trong quá trình chế tạo khuôn, có thể áp dụng các phương pháp gia công cắt gọt tinh vi với độ chính xác cao, như gia công bằng máy tiện hoặc gia công tia lửa điện (EDM).
• Mức độ biến dạng: Vì là biến dạng bề mặt nên mức độ biến dạng rất ít chỉ 1÷2 mm hoặc cú thể là vài àm
• Lực : Tuy mức độ biến dạng rất ít xong lực để làm biến dạng thì lại rất lớn
• Tạo hình: Việc tạo hình rất chính xác
Đúc là một phương pháp cổ xưa dùng để tạo hình bề mặt kim loại, trong đó công nghệ đúc cho phép chế tạo sản phẩm bằng cách rót vật liệu vào khuôn.
Có 17 dạng chảy lỏng được sử dụng để đúc sản phẩm theo khuôn mẫu, chủ yếu với vật liệu kim loại Công nghệ đúc thường áp dụng khuôn cát, tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này không cao.
Hình 1.16: Các loại huy chương
Hiện nay, phương pháp đúc trong khuôn kim loại đang được ưa chuộng, với vật đúc đông đặc dưới tác dụng của trọng trường mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Phương pháp này trở nên phổ biến nhờ vào những đặc điểm vượt trội của nó.
• Khuôn được sử dụng nhiều lần;
• Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kể Điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí;
• Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ bền ở lớp bề mặt tiếp giáp với khuôn kim loại
• Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích thước đậu ngót và phế phẩm đúc.
• Nâng cao năng suất lao động.
• Tiết kiệm diện tích nhà xưởng do không cần chế tạo hỗn hợp làm khuôn và quá trình làm khuôn
• Giảm giá thành sản phẩm.
• Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, phương pháp đúc kim loại cũng tồn tại một số nhược điểm đáng lưu ý Đầu tiên, việc chế tạo khuôn kim loại thường phức tạp và tốn kém Thứ hai, độ bền của khuôn hạn chế khi đúc thép, dẫn đến khó khăn trong việc tạo ra các sản phẩm mỏng và có hình dáng phức tạp Thêm vào đó, vật đúc có thể chịu ứng suất lớn do khuôn kim loại cản trở quá trình co lại Đặc biệt, vật đúc gang có nguy cơ biến trắng, và quy trình đúc cần phải được thực hiện một cách chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Việc đúc các vật liệu quý như vàng và đồng tiêu tốn nhiều nguyên liệu do hao hụt trong quá trình sản xuất Bên cạnh đó, năng suất đúc thường thấp hơn so với phương pháp dập, điều này ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất.
1.4.4 Các phương pháp thủ công
Ngoài việc sử dụng các thiết bị hiện đại, còn có phương pháp thủ công như gò bằng tay để biến dạng bề mặt Tuy nhiên, phương pháp này thường cho năng suất và chất lượng sản phẩm thấp, vì vậy hiện nay ít được áp dụng.
Hình 1.17: Trống đồng gò bằng tay
1.5 Công nghệ tạo hình các chi tiết Micro
Trong những năm gần đây, nhu cầu về các sản phẩm nhỏ nhẹ, tiện lợi và đa chức năng đã thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ trong thiết kế và chế tạo chi tiết nhỏ, ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như ô tô, điện tử, y tế và quốc phòng Quy trình sản xuất các chi tiết có kích thước nhỏ yêu cầu chuyển đổi từ kỹ thuật thông thường sang công nghệ phức tạp hơn, dẫn đến sự ra đời của Microforming – Tạo hình siêu nhỏ, định nghĩa là sản xuất các bộ phận có kích thước từ vài milimét đến vài micromét Sự khác biệt giữa công nghệ chế tạo chi tiết thông thường và chi tiết micromét đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu trên toàn cầu.
Các ví dụ về chi tiết có kích thước micro là các pin chân chip điện tử, pin nối, tấm tản nhiệt linh kiện điện tử, kim y tế…
Hình 1.18 Các chi tiết Micro ứng dụng trong y tế mà một số lĩnh vực
Hình 1.19 Một số linh kiện và chi tiết micro trong thiết bị điện tử
Trong công nghệ Microforming, quá trình nghiên cứu và sản xuất được phân chia thành nhiều phương pháp khác nhau như uốn, cắt, đột, ép chảy và dập nổi, nhằm nâng cao hiệu quả và tiện lợi trong chế tạo.
LÝ THUYẾ T VÀ CÔNG NGH Ệ T Ạ O HÌNH CÁC CHI TI Ế T
V ậ t Li ệ u
Các chi tiết micro là những thành phần có kích thước rất nhỏ, thường được đo bằng đơn vị dưới milimét, và có thể có kích thước hai chiều hoặc ba chiều.
Trong kỹ thuật, nhiều loại vật liệu được sử dụng để chế tạo chi tiết cho các mục đích khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực điện và điện tử, nơi chủ yếu sử dụng đồng (Cu), nhôm (Al), magie (Mg) và titan (Ti) Thực tế, đồng nguyên chất ít được sử dụng, thay vào đó là hợp kim đồng, được chia thành hai nhóm chính: latông và brông Latông, hay còn gọi là đồng thau, là hợp kim của đồng với kẽm, và được chia thành latông đơn giản (chỉ có đồng và kẽm) và latông phức tạp (có thêm các nguyên tố khác) Brông, hay đồng thanh, là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác không bao gồm kẽm.
Là hợp kim gồm 2 hoặc nhiều nguyên trên cơ sở 2 nguyên tố chủ yếu là Cu và Zn Nếu chỉ có Cu và Zn: Đồng thau đơn giản
Nếu chỉ có các nguyên tố khác : Đồng thau phức tạp (Mn, Ni, Al, Fe, Sn)
+Al : Nâng cao độ bền, tăng khả năng chống oxy hoá, tính chống gỉ
+Mn, Sn: Tăng độ bền, tăng khả năng chống gỉ
+Ni, Fe: Tăng độ bền và độ dẻo
VD: LCuZn30: Latông có 70%Cu và 30%Zn
L CuZn40Pb2 là một loại latông với thành phần gồm 40% kẽm (Zn), 2% chì (Pb) và phần còn lại là đồng Trong thực tế, latông thường có hàm lượng kẽm thấp hơn 45%, dẫn đến cấu trúc chỉ bao gồm dung dịch rắn α và pha điện tử β Cấu trúc α là dung dịch rắn của kẽm trong đồng, có mạng lập phương tâm mặt với tỷ lệ kẽm đạt 39%.
Latông có tính chất chủ yếu được quyết định bởi pha 454 o C, trong đó kẽm hòa tan vào đồng giúp tăng độ bền mà không làm giảm độ dẻo của hợp kim Độ dẻo cao nhất đạt được khi tỷ lệ kẽm là 30% Pha β với công thức CuZn (N=3/2) là pha cứng và giòn hóa bền, do đó không nên sử dụng latông có hàm lượng kẽm vượt quá 45% vì sẽ dẫn đến tình trạng giòn do tổ chức chỉ toàn β Trong thực tế, latông thường được sử dụng có hàm lượng kẽm dưới 40%, bao gồm hai loại latông 1 pha và latông 2 pha.
Latông 1 pha: Thường chứa ít hơn 35% Zn có tính dẻo cao, được cán nguội thành bán thành phẩm làm chi tiết máy qua dập sâu Latông với lượng kẽm nhỏ từ 5-12%
Kẽm (Zn) có màu đỏ nhạt và thường được sử dụng để sản xuất tiền xu, huy hiệu, khuy quần áo và dây kéo Latông, hợp kim chứa 20% kẽm, có màu vàng tương tự như vàng, nên thường được dùng để chế tác đồ trang sức.
23 khoảng 30% Zn có độ dẻo cao được dung làm vỏ đạn các loại… Latông 1 pha thường được pha theem0,4-3% Pb để dễ cắt gọt
Latông 2 pha: thường chứa đến 40% Zn tổ chức 2 pha (α+β) có pha thêm chì để tăng tính gia công cắt gọt Latông 2 pha cứng, bền và ít dẻo hơn với loại 1 pha được cung cấp dưới dạng băng, ống, tấm để làm chi tiết máy đòi hỏi độ bền cao
Latông phức tạp là hợp kim có chứa Cu, Zn và thêm các nguyên tố như Pb để cải thiện khả năng gia công cắt gọt, và Sn để tăng cường tính chống ăn mòn trong môi trường nước biển Loại latông này được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu độ bền cao, đặc biệt là trong môi trường nước biển Dưới đây là ký hiệu của một số loại latông thường gặp.
Tên Ký hiệu Thành phần %
La tông hải quân LCuZn29Sn1 464 29Zn-1Sn
La tông LCuZn38AlFe - 38Zn1AlFe
La tông LCuZn29Sn1Pb3 - 29Zn1Sn3Pb
May so LCuZn27Ni18 770 27Zn18Ni
Ký hiệu một số La tông
Ghi chú: TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
Một số vấn đề quan trọng về sự tham gia của nguyên tố Zn trong hợp kim của đồng
Ta xét sự ảnh hưởng của kẽm trong hợp kim đồng:
- Kẽm rẻhơn đồng nên kết hợp với đồng làm tăng hiệu quả kinh tế
- Kẽm có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn đồng nên dễ hòa tan vào trong dung dịch khi kết hợp với đồng
- Kẽm làm tăng độ bền kéo
- Kẽm làm tăng hệ số hóa bền biến dạng
- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu đồng có dạng δ=L.ε n
Với L: hệ số phụ thuộc vật liệu đồng
N dao động từ 0,4 đối với đồng nguyên chất đến 0,6 với hợp kim đồng 35% Zn, n cũng phụ thuộc vào kích thước hạt.
Ảnh hưở ng c ủa kích thướ c h ạ t
2.2.1 Các phương pháp làm nhỏ hạt:
Phần lớn kim loại được chế tạo qua quá trình nấu chảy lỏng và sau đó được đúc thành sản phẩm hoặc bán thành phẩm Chất lượng của sản phẩm đúc chịu ảnh hưởng lớn từ quy trình này.
24 lớn vào quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, sau đó là quá trình kết tinh
Quá trình kết tinh bao gồm việc hình thành các mầm và sự phát triển của chúng trong kim loại lỏng Khi các mầm đầu tiên phát triển, kim loại lỏng vẫn tiếp tục tạo ra các mầm mới cho đến khi quá trình kết tinh hoàn tất Kích thước của các hạt kết tinh không đồng đều; các hạt hình thành sớm thường lớn hơn do điều kiện phát triển thuận lợi, trong khi các hạt hình thành sau sẽ nhỏ hơn vì điều kiện phát triển hạn chế.
Kích thước hạt kim loại là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng kim loại, đặc biệt là cơ tính Trong kỹ thuật đúc khuôn, xu hướng là làm nhỏ hạt kim loại, vì kích thước hạt nhỏ hơn giúp cải thiện cơ tính và giảm độ giòn Các phương pháp thực tế để làm nhỏ hạt kim loại đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất.
Để tăng độ nguội khi kết tinh, cần chú ý rằng độ nguội tỷ lệ thuận với tốc độ nguội; tốc độ nguội càng cao thì độ nguội càng lớn Do đó, việc làm nguội nhanh chóng là rất quan trọng Một trong những biện pháp hiệu quả để tăng tốc độ nguội là sử dụng khuôn kim loại có tính dẫn nhiệt cao thay vì khuôn cát Ngoài ra, có thể sử dụng nước lạnh để làm nguội bề mặt bên ngoài của khuôn kim loại.
Để tăng cường số lượng tâm mầm không tự sinh trong quá trình sản xuất thép, người ta thường thêm vào các kim loại lỏng những chất đặc biệt Chẳng hạn, trước khi rót thép, một lượng nhỏ nhôm được đưa vào thùng thép lỏng Nhôm sẽ phản ứng với ôxy và nitơ hòa tan trong thép, tạo ra các phân tử Al2O3 và AlN nhỏ hơn và mịn hơn, từ đó cải thiện chất lượng của sản phẩm thép.
Để hạn chế tốc độ phát triển của mầm trong quá trình đúc, người ta thường thêm một chất đặc biệt vào kim loại lỏng Chất này hòa tan và hấp thụ bề mặt của mầm, ngăn cản sự phát triển dài của chúng Chẳng hạn, khi đúc hợp kim nhôm - silic, người ta sử dụng một hỗn hợp muối natri để làm giảm kích thước tinh thể silic, từ đó tạo ra các hạt nhỏ hơn.
2.2.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt
Sự kết tinh của vật liệu bắt đầu từ các mầm và tạo ra các hạt, trong đó sự tích tụ sai lệch tại biên giới hạt tạo ra lực đẩy giữa các sai lệch Khi kích thước hạt giảm, tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên, dẫn đến việc tích tụ thêm sai lệch tại biên giới hạt Do cần nhiều năng lượng để dịch chuyển các sai lệch, chúng tụ tập tại các đường biên, làm tăng ứng suất chảy dẻo của vật liệu Hiện tượng này được gọi là tăng bền Hall-Petch, đặc trưng bởi công thức của Định luật Hall – Petch.
Trong đó: δo là ứng suất cần thiết để dịch chuyển sai lệch khi d ∞ tức trong đơn tinh thể, k là hằng số mạng và d là kích thước (đường kính) hạt
Một số hằng số của Hall – Petch
Hình 2.1 Sơ đồ ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền kéo mà Hall-Petch đã làm thí nghiệm
Nghiên cứu của Hall – Petch cho thấy rằng khi thực hiện thí nghiệm kéo với mẫu Latông CuZn30, kích thước hạt kim loại giảm xuống còn 0,02mm, dẫn đến sự gia tăng độ bền kéo (δ k) Điều này chỉ ra rằng hạt kim loại nhỏ hơn sẽ làm cho kim loại khó bị biến dạng hơn.
Trong bài toán dập siêu nhỏ, việc so sánh kích thước hạt với đường kính và chiều dày của phôi là rất quan trọng Điều này giúp xác định sự tương quan giữa hạt và các kích thước của phôi, từ đó làm cho bài toán có ý nghĩa hơn.
Trong quá trình đúc hoặc tạo hình vật liệu kim loại, lớp bề mặt thường có kích thước hạt nhỏ hơn, dẫn đến hiện tượng hóa Điều này ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và độ bền của vật liệu.
26 bền bề mặt do sai lệnh mạng tinh thể làm cho ứng suất chảy tăng và vật liệu khó biến dạng hơn
Kích thước hạt có ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất chảy của vật liệu Cụ thể, khi kích thước hạt giảm, độ bền của kim loại tăng lên do tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích của hạt tăng, dẫn đến việc tích tụ nhiều sai lệch tại biên giới hạt Sự tích tụ này làm tăng ứng suất chảy dẻo của vật liệu, vì cần nhiều năng lượng để di chuyển các sai lệch tới hạt khác.
Để nghiên cứu tác động của kích thước hạt đến quá trình dập nổi vi mô, chúng tôi sẽ thực hiện mô phỏng số và so sánh ảnh hưởng của việc thay đổi kích thước hạt đến các thông số công nghệ trong chương 3.
2.2.3 Ảnh hưởng của ma sát
Trong quá trình biến dạng dẻo, sự tiếp xúc giữa vật liệu, phôi và dụng cụ gia công là điều không thể thiếu Tuy nhiên, ma sát tiếp xúc trong quá trình tạo hình vi mô có những đặc điểm khác biệt so với tạo hình vĩ mô.
Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát gồm: Độ nhám bề mặt tiếp xúc
Vật liệu Áp suất tiếp xúc Điều kiện bôi trơn
Ta có công thức ma sát: Fms=μ.P=μ.σ n Stx
Trong đó: μ: Hệ số ma sát σ n : Áp suất tiếp xúc
Trong quá trình dập micro, diện tích tiếp xúc thực tế giữa dụng cụ và phôi nhỏ hơn nhiều so với dập macro, dẫn đến ma sát giảm đáng kể nhờ vào bôi trơn Điều này cho thấy áp lực pháp tuyến trong dập micro lớn hơn so với dập macro, mặc dù tiếp xúc chỉ xảy ra trên đỉnh nhấp nhô Khi có bôi trơn, diện tích tiếp xúc bề mặt tăng lên, giúp giảm áp lực pháp tuyến một cách hiệu quả.
27 đó, lực ma sát tạo ra giữa bền mặt dụng cụ và phôi cũng giảm theo.
Hình 2.2 Sơ đồ minh họa tiếp xúc Macro và Micro trong dập kim loại
2.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ
Theo tài liệu: Size effects on material behaviour in microforming
C Barbier1, S Thibaud1, P Picart1 - Institute FEMTO-ST, Applied Mechanics
Laboratory 24 chemin de l’Epitaphe, 25000 Besanon, France đã kiểm tra lực tác động lên xy lanh nén để kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ nén với vật liệu CuZn10 ở nhiệt độ thường không có bôi trơn
Hình 2.3 Đồ thị lực với các vận tốc khác nhau
Thiết bị và khuôn dập micro
2.3.1 Giới thiệu về thiết bị
Thiết bị cho micro và macro có sự tương đồng, chỉ khác nhau về kích thước Máy dập micro thường sử dụng hệ thống khí nén do lực biến dạng trong micro nhỏ, nhưng tỷ lệ kích thước khiến lực biến dạng trong micro lớn hơn nhiều so với macro.
Kích thước thiết bị micro nhỏ hơn rất nhiều so với thiết bị dập trong macro, có những máy ép chỉ nhỏ bằng lòng bàn tay hoặc nhỏ hơn.
Cần có hệ thống cấp phôi tự động bởi chi tiết rất nhỏ và chính xác
Tốc độ dập của máy dập trong micro lớn hơn rất nhiều so với dập trong macro, tốc độ có thể đạt 20.000 nhát/phút
Đối với quá trình dập micro, thiết bị chủ yếu được sử dụng là các máy dập tự động, hoạt động bằng điện hoặc khí nén, thay vì các loại máy dập truyền thống như máy búa hay máy ép thủy lực.
Quá trình lắp ráp khuôn là một nhiệm vụ phức tạp, đặc biệt khi kích thước của khuôn rất nhỏ Để hỗ trợ lắp ráp, chúng ta sử dụng hệ thống camera, đồng thời theo dõi quá trình biến dạng của vật liệu một cách hiệu quả.
2.3.2 Thiết bị và khuôn nguyên công dập
Trong công nghệ chế tạo siêu nhỏ, các thiết bị có kích thước nhỏ nhưng độ chính xác cao được sử dụng để tạo hình tấm Những thiết bị này thường có cơ cấu dẫn hướng đầu thanh trượt kèm theo trụ và bạc dẫn hướng nhằm nâng cao độ chính xác cho dụng cụ gia công Để đảm bảo hiệu quả, dụng cụ gia công cũng cần được chế tạo với độ chính xác cao và quá trình lắp ráp phải được thực hiện cẩn thận để duy trì độ chính xác.
Hình 2.4 Máy ép micro Đặc biệt máy có khảnăng gia công cùng lúc với nhiều cặp chày – cối
Hình 2.5 Máy và khuôn cắt – uốn liên tục
Máy hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển động quay của trục khuỷu, được truyền từ động cơ qua bộ truyền đai mà không cần hộp giảm tốc hay bộ truyền bánh răng Khi trục khuỷu quay, thanh truyền thực hiện chuyển động song phẳng, tạo ra chuyển động tịnh tiến cho đầu trượt.
Khác với các máy ép trục khuỷu thông thường, máy này không sử dụng bánh đa mà lấy năng lượng trực tiếp từ động cơ, giúp tăng tốc độ và số lần dập của đầu trượt Lực công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ chỉ khoảng vài kN, yêu cầu sản xuất hàng loạt với hiệu suất cao Máy được thiết kế với hai khủy, tạo chuyển động nhịp nhàng cho hai đầu trượt, đồng thời có gá bộ khuôn cắt liên tục, cho phép phôi được cấp liên tục từ bên ngoài vào.
Hình 2.6 Một số hình ảnh của khuôn dập siêu nhỏ
Khuôn cắt trong công nghệmicro thường là khuôn liên tục cà cấp phôi tự động
Hình 2.7 Máy ép micro sử dụng tay gạt
Những máy này có kết cấu và hoạt động tương đối đơn giản, khi gạt tay gạt xuống
(lên), Lực tác động từ tay được truyền qua hệ thống khớp khâu làm đầu trượt đi lên hay đi xuống và thực hiện quá trình ép
Hình 2.8 Máy dập siêu nhỏ của công ty Masmicro Đặc tính kỹ thuật của máy như sau:
Công suất động cơ: 28kW
Lực ép danh nghĩa: 9 kN
Động cơ tuyến tính có tần số làm việc tối đa lên đến 500 lần/phút và được làm mát bằng dầu để giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động với tần số cao.
Máy được điều khiển theo chương trình
Máy có lắp các cảm biến bảo vệ, khi có sự cố ngắn mạch hoặc quá tải
2.3.3 Thiết bị và khuôn trong nguyên công dập nổi
Nguyên công dập nổi trong tạo hình micro chỉ làm biến dạng cục bộ một phần vật liệu trên bề mặt, nhằm tạo ra hòa văn rất nhỏ và tinh xảo Các chi tiết nhỏ đến mức khó quan sát bằng mắt thường, do đó yêu cầu độ chính xác cực cao trong quá trình thực hiện.
Hình 2.9 Khuôn và thiết bị dập nổi
Dập nổi thường được thực hiện ở trạng thái nửa nóng hoặc nóng, với phôi được nung đến nhiệt độ tạo hình trực tiếp trên khuôn thông qua dòng cảm ứng Do đó, cần có thiết bị nung riêng đặt trực tiếp lên khuôn Thiết bị dập tạo hình thường có kích thước nhỏ, với đầu trượt được dẫn động bởi động cơ tuyến tính lắp đặt ở phía trên.
Các phương pháp gia công khuôn micro
Công nghệ sản xuất gia công micro là quy trình chế tạo chi tiết và hệ thống có kích thước gia công ở cấp độ micromet hoặc nanomet, với dụng cụ gia công nhỏ hơn 1mm Thuộc nhóm công nghệ không truyền thống, gia công micro cho phép sản xuất các chi tiết có độ chính xác cao và cấu trúc 3D ở cấp độ vi mô Những kích thước này vượt quá khả năng của các công nghệ gia công truyền thống, bao gồm lò phản ứng vi hóa, thiết bị trộn, vi van, kỹ thuật quang học và in thạch bản tia X sâu.
Một số công nghệ điển hình:
2.4.1 Công nghệ gia công tia lửa điện Micro EDM:
Micro-EDM (Micro Electro Dis-Charge Machining) có khả năng sản xuất các cấu trúc vi mô rỗng từ vật liệu và silicon được quét sơn Độ chính xác của chi tiết được xác định bởi hình dạng điện cực, quỹ đạo di chuyển và khoảng cách phóng giữa điện cực và chi tiết gia công EDM là quá trình gia công cơ – nhiệt – điện, cho phép sử dụng khả năng sói mòn thông qua sự phóng điện giữa điện cực dụng cụ.
Công nghệ Micro-EDM cho phép gia công các đối tượng 2D và 3D với hình dáng phức tạp, có khả năng tạo ra lỗ với đường kính từ 15-300μm và dung sai nhỏ hơn ±1μm Nhờ vào hệ thống CAD/CAM, Micro-EDM còn có thể sản xuất các bề mặt nhỏ phức tạp Tốc độ cắt của quá trình này đạt khoảng 25 triệu μm³/s, mang lại hiệu quả cao trong việc bóc đi vật liệu chi tiết.
Hình 2.10 Hình ảnh khuôn micro
Trong công nghệ Micro-EDM, mục tiêu là giảm thiểu năng lượng phóng điện nhằm chế tạo các chi tiết vi mô với bề mặt có độ chính xác cao Năng lượng mỗi lần phóng điện chỉ từ 10 -6 J đến 10 -7 J, trong khi tần số phóng điện được tăng cường Dưới điều kiện này, quá trình có thể đạt được bề mặt bóng mịn với Rmax=0,01mm nhờ vào năng lượng điện cực tiểu Micro-EDM cho phép sản xuất nhiều chi tiết kim loại nhỏ hơn so với các phương pháp truyền thống như khoan hay phay.
Quá trình gia công chính xác cao không cần lực ép, cho phép gia công các bề mặt cong, nghiêng và tấm mỏng Công nghệ Micro-EDM có khả năng tạo ra lỗ sâu gấp 15-20 lần đường kính của chúng.
2.4.2 Công nghệvi cơ điện tử MEMS
Hệ thống vi cơ điện MEMS (micro electro mechanical systems) tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên nền silicon, cho phép chế tạo các thiết bị nhỏ gọn MEMS đã phát triển những sợi dây điện nhỏ hơn cả đường kính sợi tóc Các cổng điện tử được sản xuất thông qua các quy trình mạch tích hợp như CMOS, Bipolar, hoặc BICMOS Vi mạch được hình thành bằng cách bóc tách hoặc thêm lớp trên tấm silicon mỏng, tạo ra các thiết bị cơ khí và cơ - điện.
Hình 2.11 Bánh răng gia công bằng micro EDM
Công nghệ MEMS đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghệ sinh học, công nghệ thông tin và thiết bị gia tốc kế Nó không chỉ được sử dụng trong các thiết bị gia đình mà còn trong các đồ trang trí cho xe ô tô, cho thấy tính linh hoạt và ứng dụng đa dạng của công nghệ này.
Công nghệ phay micro là một phiên bản thu nhỏ của công nghệ phay thông thường, sử dụng dụng cụ cắt nhỏ hơn và cứng hơn với tốc độ cao trên máy nhiều trục Với khả năng gia công ở tốc độ quay trục chính lên đến 100.000 vòng/phút, như máy phay vi mô Kern có lưỡi cắt đường kính 100μm, độ chính xác đạt được có thể từ 2 đến 4μm Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt độ phân tán nhanh chóng trên bề mặt vật liệu, dụng cụ và cả trên phoi.
Hình 2.12 Mũi khoan micro có đường kính 0.25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to
Phay vi mô tiếp tục được phát triển như một quy trình chế tạo vi mô, mang lại tiềm năng lớn trong việc sản xuất các chi tiết theo lô với kích thước vi mô Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn đảm bảo thời gian quay vòng vốn nhanh hơn so với các quy trình gia công truyền thống.
Công nghệ khoan micro yêu cầu mũ khoan nhỏ và phương pháp chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan, cùng với chu kỳ khoan rất đặc biệt.
35 đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét, điều này giúp cho quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng
Mũi khoan micro nhỏ hơn 50μm là loại dao không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho việc thoát phoi từ lỗ khoan trở nên khó khăn Mũi khoan có đường kính 50μm hoặc nhỏ hơn có thể được chế tạo dưới dạng mũi khoan xoắn Đặc điểm quan trọng của mũi khoan micro là phần lưỡi cắt, được gọi là lưỡi đục, thay vì một điểm mũi Lưỡi đục tạo ra hai mặt phẳng giao nhau, xác định hai lưỡi cắt chính của mũi khoan Quá trình cắt diễn ra ở lưỡi đục với năng lượng cắt lớn hơn so với lưỡi cắt chính Thiếu điểm mũi khiến mũi khoan dễ trượt và có nguy cơ gãy, đồng thời có thể tạo ra lỗ khoan nghiêng Hơn nữa, lưỡi đục thường dài hơn so với đường kính mũi khoan, dẫn đến lực đẩy dọc trục lớn.
Mũi khoan vi mô được chế tạo chủ yếu từ thép cobalt hoặc carbide tungsten, với mũi khoan thép có chi phí thấp hơn và dễ mài lại nhưng không bền bằng mũi khoan tungsten Góc ở đỉnh mũi khoan thường là 118 độ, nhưng có thể lên đến 135 độ cho các vật liệu cứng Mũi khoan vi mô nên được sử dụng trong chu kỳ khoét, nơi mũi khoan di chuyển ra vào nhiều lần để làm sạch phoi bên trong lỗ khoan Dung dịch làm mát cũng hỗ trợ trong việc làm sạch phoi, với dạng phun sương hiệu quả hơn so với dạng ứ đọng.
Khi khoan kim loại, tốc độ trục chính thường dao động từ 2.000 đến 4.000 vòng/phút với lượng chạy dao 1μm cho mỗi vòng quay Hiện nay, các máy khoan micro CNC, như máy của hãng Datron (Mỹ), có khả năng đạt tốc độ trục chính lên đến 65.000 vòng/phút, cho phép khoan các lỗ có đường kính chỉ 0,1mm.
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH MICRO CHI TIẾT
Trong ngành công nghiệp điện tử, việc nghiên cứu công nghệ dập nổi tạo hình micro là rất quan trọng để chế tạo các chi tiết Chúng tôi thực hiện mô phỏng số và tính toán các thông số, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình tạo hình chi tiết Đặc biệt, chi tiết rãnh dẫn micro, dùng để dẫn chất làm mát cho linh kiện điện tử, sẽ là đối tượng chính trong nghiên cứu công nghệ dập nổi micro này.
Khái niệm Mô phỏng số
Ngày nay, mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và phát triển như cơ khí, khoa học vật liệu, vật lý thiên văn, hàng không, và cả trong ngân hàng và tài chính Công nghệ này giúp tăng tốc độ và chất lượng công việc, đồng thời giảm chi phí sản xuất Mô phỏng số mang lại nhiều lợi ích vượt trội, giúp các ngành khoa học như nhân khẩu học và xã hội học áp dụng hiệu quả hơn trong nghiên cứu của mình.
Như vậy ta có thể định nghĩa:
Mô phỏng số là phương pháp sử dụng máy tính để biểu diễn các điều kiện biên, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thực tế và dự đoán các hiện tượng Quy trình này cho phép chạy các chương trình máy tính nhằm mô phỏng các hiện tượng vật lý một cách chính xác.
Mô phỏng số trong quá trình tạo hình dập nổi chi tiết micro trong ngành điện tử là phương pháp nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các thông số công nghệ và vật liệu Phương pháp này giúp phân tích các thay đổi của quá trình dập nổi micro và đưa ra các giải pháp tối ưu cho sản xuất chi tiết, dựa trên các tính toán lý thuyết được mô phỏng trong môi trường thực tế ảo.
Phần mềm mô phỏng số
Hiện tại trên thế giới có rất nhiều phần mềm mô phỏng như Master Cam,
Cimatron, Moldflow, Ansys và Deform 3D là những phần mềm mô phỏng quan trọng, được ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu và sản xuất, giúp tối ưu hóa quy trình gia công, lập trình CNC và mô phỏng quá trình biến dạng.
Giới thiệu phần mềm mô phỏng Deform:
DEFORM là phần mềm mô phỏng quá trình gia công vật liệu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nổi tiếng của hãng Scientific Forming, Mỹ Phần mềm này có ba phiên bản chính: Deform 3D, Deform 2D và Deform HT, cùng với hai phiên bản bổ sung F2 và F3 Deform 3D và Deform 2D chủ yếu mô phỏng các quá trình gia công áp lực như cán, kéo, dập, ép và cũng có khả năng mô phỏng gia công cắt Trong khi đó, Deform HT được thiết kế đặc biệt để mô phỏng quá trình nhiệt luyện và đang trong giai đoạn hoàn thiện.
Deform cho phép nhập dạng thức hình học của các vật thểdưới dạng file
STL là định dạng tệp được tạo ra bởi các phần mềm như Solidworks Mô hình Deform có thể được xây dựng trực tiếp từ Solidworks hoặc chuyển đổi từ AutoCad Việc định vị các phần tử trong mô hình Deform có thể thực hiện ngay trên giao diện của chương trình hoặc thông qua phần mềm trung gian Hypermesh của Altair.
Giao diện thân thiện và chức năng phong phú của phần mềm Deform, bao gồm khả năng xem mặt cắt, ứng suất, biến dạng, và quá trình phá hủy, giúp mô phỏng sát với thực tế Điều này đã khiến Deform trở thành một trong những phần mềm mô phỏng phổ biến nhất trong ngành vật liệu Ngoài ra, Deform còn tích hợp thư viện mô hình vật liệu theo chuẩn AISI, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu Các mô đun như biến dạng phá hủy và phân tích cấu trúc hạt cũng đang được liên tục bổ sung và hoàn thiện.
Các bước để tiến hành:
- Bước 1: xây dựng mô hình hình học từ sản phẩm hoặc nhập một mô hình có sẵn đã dựng từ một phần mềm chuyên dụng khác
- Bước 2: chia lưới phần tử cho phôi(trong nhiều trường hợp chia cho cả chày và cối)
- Bước 3: thêm điều kiện biên như các tiếp xúc,ma sát,vận tốc,tải…gán vật liệu
- Bước 4: tính toán(solve) và cập nhật lưới(remeshing)
- Bước 5: phân tích và kết xuất kết quả
- Bưới 6: tối ưu hóa các thông số công nghệ
Hình 3.1: giao diện phần mềm Deform
Việc áp dụng Deform trong nghiên cứu thăm dò không chỉ giúp định hướng chế tạo khuôn mẫu một cách hiệu quả, mà còn cho phép dự đoán và giải thích các nguyên nhân gây sai hỏng sản phẩm, từ đó tiết kiệm chi phí sản xuất.
Một số hình ành về hoạt động và kết quả thực hiên của Deform :
Hình 3.2 Các mô hình tính toán và hoạt động của Deform
Mô ph ỏ ng quá trình d ậ p n ổ i micro
Ngày nay, phần mềm mô phỏng đã trở thành công cụ thiết yếu trong nghiên cứu và thăm dò, giúp định hướng chế tạo khuôn mẫu hiệu quả và tiết kiệm chi phí thử nghiệm sản xuất Trong ngành gia công áp lực, Deform, phần mềm mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) của Scientific Forming (Mỹ), nổi bật với khả năng mô phỏng các quá trình biến dạng như cán, kéo, dập, và ép, cũng như quá trình cắt và nhiệt luyện Vì vậy, tôi lựa chọn sử dụng Deform để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dập nổi.
Các phương pháp mô phỏng nhằm nghiên cứu và phân tích các quá trình tạo hình sản phẩm, giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về công nghệ và tìm ra giải pháp tối ưu cho sản xuất Hiện nay, hai phương pháp mô phỏng hiệu quả trong ngành gia công áp lực là mô phỏng vật lý và mô phỏng số.
Mô phỏng số, khác với mô phỏng vật lý, sử dụng nhiều phương pháp tính toán như Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn (PTHH), sai phân hữu hạn, biến phân và phần tử biên Trong số đó, PTHH là phương pháp phổ biến nhất để khảo sát các bài toán cơ học và biến dạng do khả năng thích ứng với miền xác định phức tạp và điều kiện biên đa dạng Việc áp dụng PTHH trong mô phỏng số cho phép phân tích toàn bộ quá trình tạo hình một cách hiệu quả trên máy tính.
Khi thực hiện mô phỏng số, các giai đoạn thiết kế và hiệu chỉnh được tiến hành trên máy tính, bắt đầu từ ý tưởng hoặc sản phẩm mẫu Mô hình sản phẩm được dựng trên máy tính, và việc hiệu chỉnh công nghệ diễn ra qua giao diện người – máy, giúp tối ưu hóa công nghệ, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí cho chế thử và hiệu chỉnh Hơn nữa, mô phỏng số còn nâng cao chất lượng sản phẩm và cho phép ứng dụng với các vật liệu mới.
Theo phương pháp truyền thống, quá trình chế tạo sản phẩm thường phải trải qua nhiều lần sản xuất thử sau khi thiết kế, dẫn đến tốn kém thời gian và chi phí Ngược lại, phương pháp mô phỏng số cho phép thực hiện toàn bộ quy trình từ thiết kế đến tối ưu hóa trên máy tính, giúp xây dựng mô hình sản phẩm từ ý tưởng mẫu và tìm ra các thông số công nghệ tối ưu Nhờ đó, mô phỏng số không chỉ giảm thiểu thời gian thiết kế và chi phí thử nghiệm mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm Để xây dựng mô hình giải bài toán trên phần mềm DEFORM, có nhiều phương pháp khác nhau có thể áp dụng.
+ Xây dựng trực tiếp trên phần mềm Deform
Xây dựng bằng cách định nghĩa các điểm, các đường, các mặt sau đấy ta có thể Extrude mô hình
+ Xây dựng trên các phần mềm khác rồi chuyển sang Deform.
Mô hình S ả n ph ẩm để th ự c hi ệ n Mô ph ỏ ng s ố
Sản phẩm nghiên cứu trong quá trình dập nổi chi tiết micro trong ngành điện tử là các sản phẩm khối rãnh dẫn với kích thước micro, có khả năng ứng dụng đa dạng trong nhiều công việc khác nhau.
• Khối liên kết làm mát cho linh kiện điện tử:
Hình 3.3 Ứng dụng làm mát linh kiện điện tử của khối rãnh dẫn
• Hoặc có thể làm rãnh dẫn phản ứng, ứng dụng trong các thiết bị điện tử y sinh
Hình ảnh 3 chiều của sản phẩm
Hình 3.4 Các kích thước cơ bản của rãnh dẫn và các khoảng cách khác
Kích thước profile rãnh dẫn
Hình 3.5 Các kích thước cơ bản của profile rãnh dẫn.
Phương án công nghệ
Gia công tia lửa điện micro EDM -Electric discharge machining
Dựa vào những phương án đã đưa ra trên đây ta thấy:
Phương án 1 và 2: Chỉ thực hiện đơn chiếc trong những thí nghiệm, thời gian gia công lâu và tính công nghệ cũng như năng suất không cao
Phương án 3: Khả năng tự động hóa cao, đạt kích thước yêu cầu Ởđây ta chọn phương án công nghệ thứ 3 để chế tạo chi tiết rãnh dẫn micro.
Tính toán phôi
Sử dụng phần mềm Solidworks trong thiết kế sản phẩm giúp tính toán thể tích phôi chính xác Sản phẩm được tạo hình là rãnh dẫn micro bằng đồng ở nhiệt độ thường, và quá trình tạo hình này cho phép xác định thể tích sản phẩm tương đương với thể tích phôi.
Sử dụng phầm mềm Solidworks đểtính ta thu được kết quả:
Thể tích phôi là: 900x10 -9 m 3 hay 9x10 -7 m 3
Mô hình hình học mô phỏng quá trình dập nổi như sau:
Với mẫu chi tiết rãnh dẫn đã lựa chọn thì ta có mô hình hình học sau:
+ Về vật liệu: Lựa chọn vật liệu đồng Brass CDA 110 trong thư viện vật liệu của Deform
Thông số ban đầu của vật liệu
Phôi Đồng nguyên chất CDA 110, 99,99% Độ cứng, Rockwell F 40 Độ bền kéo tới hạn, [MPa] 220
Giới hạn chảy, [MPa] 69 Độ giãn dài, [%] 50 Độ bền cắt, [MPa] 150
Hệ số ma sát trượt với khuôn sắt, không bôi trơn
Hệ số ma sát tĩnh với khuôn sắt, không bôi trơn
Nhiệt độ làm việc nóng, [ o C] 750-875
Nhiệt độ kết tinh lại, [ o C] 430
Nhập vật liệu và các thông số vật liệu
49 Đường cong chảy tại 20 o C – Thông số mặc định của vật liệu CDA 110 trong thư viện Deform 3D
Chia lưới phần tử là cần thiết do mức độ biến dạng của chi tiết chỉ xảy ra trên bề mặt và rất nhỏ Việc chia chi tiết thành nhiều phần tử giúp tăng độ chính xác trong quá trình phân tích.
Việc sử dụng 50 mô phỏng có thể mang lại hiệu quả cao, nhưng nếu chia quá nhiều sẽ làm chậm quá trình xử lý và tiêu tốn nhiều thời gian tính toán của phần mềm Do đó, nên chia lưới chi tiết trong khoảng từ 200.000 đến 300.000 phần tử để tối ưu hóa hiệu suất.
+ Mô hình hình học biểu diễn quá trình dập nổi với khuôn trên – chi tiết – khuôn dưới
Hình 3.6: Hình ảnh Khuôn trên và vị trí ban đầu của quá trình dập
Biến dạng trong quá trình dập thường xảy ra ở bề mặt chi tiết và chịu ứng suất lớn, vì vậy cần kiểm soát chính xác hành trình để tránh quá tải.
Kết quả mô phỏng theo các bước từ phôi ban đầu đến chi tiết sau khi dập
Hình 3.7 Biến dạng của chi tiết theo các giai đoạn
3.7 So sánh ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ
Do đồng là vật liệu mềm, chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu dập ở nhiệt độ phòng (20 °C) và nhiệt độ nửa nóng (215 °C), không thực hiện nghiên cứu ở nhiệt độ cao.
• TH1 – Dập nguội tại nhiệt độ phòng [ 20 o C]:
Sau khi chạy chương trình với các thông số:
Tốc độ thực hiện: 0,5 mm/s
Chia lưới 300.000 phần tử, ta được kết quả như sau:
Hình 3.8 Trạng thái phá hủy tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.9 Mức độ biến dạng tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.10 Các vùng phân bố biến dạng tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.11 Phân bố ứng suất tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.12 Phân bố ứng suất chính tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.13 Vận tốc chảy vật liệu tại nhiệt độ 20 o C
Hình 3.14 Kết quả thực hiện mô phỏng tại nhiệt độ 20 o C
Kết quả mô phỏng với nhiệt độ dập 20 o C, lực dập lớn nhất đạt 5,01 tấn
• TH2: Dập nửa nóng bằng 1/2 nhiệt độ kết tinh lại (!5 o C)
Sau khi chạy chương trình với các thông số:
Tốc độ thực hiện: 0,5mm/s
Chia lưới 300.000 phần tử, ta được kết quả như sau:
Hình 3.15 Trạng thái phá hủy tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.16 Mức độ biến dạng tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.17 Các vùng phân bố biến dạng tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.18 Phân bố ứng suất tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.19 Phân bố ứng suất chính tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.20 Vận tốc chảy vật liệu tại nhiệt độ 215 o C
Hình 3.21 Kết quả mô phỏng tại nhiệt độ 215 o C
Kết quả mô phỏng dập tại nhiệt độ T o !5 o C, lực dập lớn nhất đạt 4,22 tấn
So sánh thông s ố ảnh hưởng khi thay đổ i nhi ệt độ phôi
Mô phỏng với ba trường hợp nhiệt độ khác nhau, ta có được bảng so sánh sau:
Mức độ biến dạng 4.06 5.09 Ứng suất 535 336
Qua bảng so sánh phần mô phỏng số quá trình tạo hình ta nhận thấy:
Khi nhiệt độ tăng, tính dẻo của kim loại cũng gia tăng, dẫn đến mức độ phá hủy giảm Điều này giúp khả năng biến dạng dẻo của kim loại tăng lên, đồng thời lực thực hiện cần thiết để biến dạng cũng giảm.
- Do chi tiết kim loại ở trên khi dập chỉ biến dạng trên bề mặt, trong thực tế người ta chỉ tiến hành dập tại nhiệt độ thường.
So sánh thông s ố ảnh hưởng khi thay đổ i t ốc độ d ậ p
Ta thực hiện mô phỏng cho trường hợp các thông số:
Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ phòng: 20 o C
Chia lưới phần tử: 300.000 phần tử
Về vật liệu: Lựa chọn vật liệu đồng Brass CDA 110 trong thư viện vật liệu của Deform
Tốc độ thay đổi các giá trị: 0.5 mm/s; 3mm/s; 5mm/s và nhận được kết quả sau: Trường hợp 3mm/s ta thu được kết quả:
Hình 3.22 Mức độ phá hủy khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.23 Mức độ biến dạng khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.24 Phân bố các vùng biến dạng khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.25 Trạng thái ứng suất khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.26 Phân bố ứng suất chính khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.27 Vận tốc dòng chảy vật liệu khi dập với tốc độ 3 mm/s
Hình 3.28 Biểu đồ lực thực hiện khi dập với tốc độ 3 mm/s
Với vận tốc 5mm/s ta có:
Hình 3.29 Mức độ phá hủy khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.30 Mức độ biến dạng khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.31 Phân bố biến dạng khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.32 Phân bố ứng suất khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.33 Phân bố ứng suất chính khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.34 Vận tốc dòng chảy khi dập với tốc độ 5 mm/s
Hình 3.35 Biểu đồ lực thực hiện khi dập với tốc độ 5 mm/s
So sánh kết quả nhận được
Lực tạitừng vị trí khảo sát (mm)
Hình 3.36 Đồ thị quan hệ lực-vận tốc-tại các vị trí khảo sát
Dựa vào đồ thị, ta thấy các đường đồ thị gần như trùng khít tại hầu hết các điểm, điều này cho thấy vận tốc thực hiện không có ảnh hưởng đáng kể đến lực trong quá trình biến dạng.
LỰ C (Tấ n) ĐỒ THỊ QUAN HỆ LỰC -VẬN TỐC DẬP TẠI CÁC VỊ TRÍ
Vận tốc 0,5MM/SVận tốc 3MM/SVận tốc 5MM/S
Như vậy, để tăng năng suất ta có thể tăng tốc độ dập lên nhưng chú ý cần đảm bảo tính công nghệ.
So sánh thông số ảnh hưởng khi thay đổi kích thước hạt
Việc thay đổi kích thước hạt theo định luật Hall – Petch ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của vật liệu, từ đó tác động đến các thông số công nghệ trong quá trình dập Để nghiên cứu tác động của kích thước hạt đến công nghệ dập nổi micro chi tiết rãnh dẫn, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng số bằng phần mềm Deform 3D, áp dụng phương pháp thay đổi các mức chia lưới phần tử hữu hạn với các mức 200.000, 300.000 và 500.000 phần tử.
Vật liệu: Đồng nguyên chất CDA 110
Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 200.000 phần tử
Hình 3.77 Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 200.000 phần tử
Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 300.000 phần tử
Hình 3.38 Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 300.000 phần tử
Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 500.000 phần tử
Hình 3.39 Kết quả mô phỏng số sau khi tiến hành chia lưới 500.000 phần tử
Nhận xét: Ta thấy rằng, khi mức chia lưới tăng lên tức là kích thước hạt giảm đi đã làm tăng đáng kể lực dập thực hiện
Khi thực hiện tính toán với yêu cầu về kích thước hạt nhỏ, việc chia lưới phần tử quá nhiều có thể dẫn đến quá tải chương trình và không thể hoàn thành tính toán Việc thay đổi kích thước hạt ảnh hưởng đến đặc tính đường cong chảy và ứng suất chảy của vật liệu Bằng cách áp dụng công thức Hall – Petch để điều chỉnh các thông số ứng suất, ta có thể duy trì việc chia lưới hợp lý trong khi vẫn xác định được ảnh hưởng của kích thước hạt Để đánh giá các thông số công nghệ liên quan đến ứng suất chảy, chúng tôi đã tiến hành tính toán và mô phỏng cho các kích thước hạt 0,02 mm, 0,04 mm và 0,08 mm.
TH1 Thay đổi kích thước hạt đến 0,02 mm
Ta tiến hành thực hiện với các thông sốđầu vào:
Phôi: Đồng nguyên chất CDA 110
Tính toán điều chỉnh các thông số ứng suất theo công thức Hall – Petch
Các thông số được xác định như sau:
+ δ o theo mặc định của thư viện vật liệu
+ K là hằng số Hall-Petch có giá trị 0,11 [Mpa.m 1/2 ]
+ d là kích thước hạt có giá trị 0,02 mm
Theo công thức Hall-Petch Ứng suất mới: δ y = δ o + 𝐾𝐾
√0 ,02 = δ o + 25 MPa Tương ứng ta thay đổi các thông số:
Hình 3.40 Thay đổi thông số khi kich thước hạt là 0,02 mm
Tiến hành mô phỏng và ta thu được kết quả như sau:
Hình 3.41 Kết quả sau khi mô phỏng với kích thước hạt 0,02 mm
TH2 Thay đổi kích thước hạt đến 0,04 mm
Ta tiến hành thực hiện với các thông số đầu vào:
Phôi: Đồng nguyên chất CDA 110
Tính toán điều chỉnh các thông sốứng suất theo công thức Hall – Petch
Các thông số được xác định như sau:
+ δ o theo mặc định của thư viện vật liệu
+ K là hằng số Hall-Petch có giá trị 0,11 [Mpa.m 1/2 ]
+ d là kích thước hạt có giá trị 0,04 mm
Theo công thức Hall-Petch Ứng suất mới: δ y = δ o + 𝐾𝐾
√0 ,04 = δ o + 17 MPa Tương ứng ta thay đổi các thông số:
Hình 3.42 Thay đổi thông số khi kich thước hạt là 0,04 mm
Tiến hành mô phỏng và ta thu được kết quả như sau:
Hình 3.43 Kết quả sau khi mô phỏng với kích thước hạt 0,04 mm
TH3 Thay đổi kích thước hạt đến 0,08 mm
Ta tiến hành thực hiện với các thông số đầu vào:
Phôi: Đồng nguyên chất CDA 110
Tính toán điều chỉnh các thông số ứng suất theo công thức Hall – Petch
Các thông số được xác định như sau:
+ δ o theo mặc định của thư viện vật liệu
+ K là hằng số Hall-Petch có giá trị 0,11 [Mpa.m 1/2 ] + d là kích thước hạt có giá trị 0,08 mm
Theo công thức Hall-Petch
√0 ,08 = δ o + 12 MPa Tương ứng ta thay đổi các thông số:
Hình 3.45 Thay đổi thông số khi kich thước hạt là 0,08 mm
Tiến hành mô phỏng và ta thu được kết quả như sau:
Hình 3.46 Kết quả sau khi mô phỏng với kích thước hạt 0,08 mm
Việc làm nhỏ hạt ở kích thước 0,02 mm tạo ra lực dập đạt 5,18 tấn, trong khi kích thước 0,04 mm chỉ đạt 4,62 tấn và kích thước 0,08 mm giảm xuống còn 4,42 tấn Điều này cho thấy kích thước hạt có ảnh hưởng rõ rệt đến lực dập trong công nghệ, phù hợp với định luật Hall – Petch.
So sánh thông số ảnh hưởng khi thay đổi ma sát giữa khuôn – phôi
Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của ma sát đến lực công nghệ bằng cách giữ nguyên các giá trị khác và thay đổi hệ số ma sát giữa khuôn và phôi ở các mức 0.12 và 0.4, nhằm đánh giá tác động của hệ số ma sát đến lực dập.
Ta tiến hành thực hiện với các thông sốđầu vào:
Phôi: Đồng nguyên chất CDA 110
Với hệ số ma sát 0.12 ta tiến hành mô phỏng trên phần mềm Deform 3D và thu được kết quả sau:
Hình 3.47 Kết quả mô phỏng khi ma sát là 0,12
Với hệ số ma sát 0.4 ta thu được kết quả:
Hình 3.48 Kết quả mô phỏng khi ma sát là 0,4
So sánh các kết quả thu được:
Vị trí khảo sát (mm)
Bảng 3.49 Lực dập tại các vị trí (tấn)
Hình 3.50 Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của ma sát đến lực dập Đồ thị quan hệ Lực – Ma sát tại các vị trí khác nhau
Ở giai đoạn đầu, do kim loại chưa tiếp xúc nhiều với thành khuôn, lực dập chưa có sự khác biệt lớn Tuy nhiên, lực dập sẽ biến thiên mạnh hơn khi quá trình tiếp xúc gia tăng.
0.5mm thì lực dập biến thiên mạnh nhất, phân bố trong khoảng từ 5,02 đến 5,7 tấn Ở giai đoạn điền đầy các hốc khuôn, lực dập tăng lên tạo ra sự khác biệt tại hệ số ma sát 0.12 (5,02 tấn) và hệ số ma sát 0.4 (5,7 tấn) Ta có thể nhận thấy sự thay đổi lực dập không nhiều khi hệ số ma sát đã tăng ~4 lần, nguyên nhân là do chi tiết nhỏ, biến dạng chỉ xảy ra trên bề mặt chi tiết nên ảnh hưởng ít tới lực dập
Lự c d ập tạ i cá c v ị t rí - (Tấ n) ĐỒ THỊ QUAN HỆ LỰC -HỆ SỐ MA SÁT PHÔI-KHUÔN TẠI CÁC VỊ
Sau khi làm việc tích cực dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS TS Nguyễn Đắc Trung, tôi đã hoàn thành luận văn mang tên “Nghiên cứu công nghệ dập nổi micro để chế tạo các chi tiết trong công nghiệp điện tử” Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ dập nổi micro trong sản xuất linh kiện điện tử, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu suất trong ngành công nghiệp điện tử.
Công nghệ vật liệu và sự phát triển của ngành điện – điện tử đang diễn ra mạnh mẽ cả ở Việt Nam và trên thế giới Công nghệ micro đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử tiêu dùng đến y tế và công nghiệp Việc ứng dụng công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất và độ chính xác mà còn thúc đẩy sự đổi mới sáng tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế toàn cầu.
Khảo sát công nghệ dập nổi micro tập trung vào các yếu tố lý thuyết và ảnh hưởng trong quá trình tạo hình chi tiết micro, bao gồm vật liệu, ma sát, vận tốc và nhiệt độ Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Mô phỏng số quá trình tạo hình micro với mẫu rãnh dẫn micro nhằm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dập nổi.
Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng DEFORM trong quá trình rèn dập nóng giúp các nhà thiết kế quy trình công nghệ và khuôn dập có được thông tin quý giá, từ đó dễ dàng lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình Phần mềm này cho phép xác định hình dạng và kích thước hợp lý của phôi và khuôn, nhằm giảm thiểu lực và năng lượng tiêu thụ khi dập Hơn nữa, việc quan sát quá trình mô phỏng biến dạng nóng trong khuôn còn giúp người thiết kế tránh được các khuyết tật, nâng cao chất lượng sản phẩm dập.
Kết quả mô phỏng cho quá trình dập nổi micro rãnh cho phép lựa chọn các thông số tối ưu, bao gồm hệ số ma sát khuôn-phôi bằng cách sử dụng khuôn có độ bóng cao và bôi trơn Ngoài ra, việc chọn nhiệt độ sấy khuôn phù hợp giúp cung cấp lượng nhiệt cần thiết cho phôi, từ đó giảm lực và năng lượng dập, nâng cao khả năng điền đầy kim loại và ngăn ngừa khuyết tật trong chi tiết sau khi dập.
Công nghệ micro hiện vẫn là một lĩnh vực mới mẻ tại Việt Nam, nhưng đã phát triển mạnh mẽ và trở thành một phần quan trọng trên thế giới Để tận dụng tiềm năng của công nghệ này, cần tiến hành nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp và yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng trong quá trình sản xuất chi tiết micro Việc xác định rõ các yếu tố liên quan sẽ giúp chúng ta làm chủ công nghệ và áp dụng hiệu quả vào sản xuất thực tế trong nước.
