MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………...................................................................….........……....…….1
LỜI CẢM ƠN………………………………………………………...................................................................………............….….2
MỤC LỤC………………………………………………………………...................................................................………...........….3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA KHUÔN DẬP NÓN CỐI……….…..….6
1.1. Mục đích và ý nghĩa của khuôn dập nón cối. ……………………................................................................................….….6
1.2. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình………………………...…...................................................................…….……...….6
1.2.1. Khái niệm…………………………………………………………...................................................................…….....….……6
1.2.2. Quá trình phát triển công nghệ dập hình……………………….....................................................................……..…...…..7
1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ dập hình………………......................................................................….…...…..8
1.3 Phân loại công nghệ dập……………………………………………….....................................................................…….....….9
1.3.1. Dập nguội………………………………………………………………......................................................................….….….9
1.3.2. Dập nóng………………………………………………………………...................................................................….....……10
1.4. Các dạng dập phổ biến.………………………………………….....................................................................……..…......….10
1.4.1. Dập vuốt sâu (Deep Drawing)……………………………………...................................................................……...…...…10
1.4.2. Dập cắt (Blanking & Punching)…………………………………….......................................................................….....……11
1.4.3. Dập uốn (Bending)…………………………………………………......................................................................……......…12
1.4.4. Dập nổi (Embossing)………………………………………………….......................................................................….….…12
1.4.5. Dập giãn (Stretching)…………………………………………………...................................................................….....…....12
1.5. Các sản phẩm dập điển hình trong lĩnh vực quốc phòng. ………...............................................................................…….13
1.5.1. Mũ nón chiến đấu (mũ cối, mũ bảo vệ)………………………….…...................................................................…....……..13
1.5.2. Vỏ đạn, vỏ pháo.………………………………………………………...................................................................…...……..13
1.5.3. Thân và linh kiện vũ khí bộ binh.……………………………………...................................................................…..…..…..14
1.5.4. Giáp xe thiết giáp và tàu chiến.……………………………………...................................................................……......…..14
1.5.5. Các chi tiết cơ khí khác.……………………………………………...................................................................……......…..14
1.6. Ứng dụng và triển vọng của công nghệ dập…………………...……...................................................................……....…..14
1.6.1. Ứng dụng.……………………………………………………………...................................................................…......……..14
1.6.2. Triển vọng.……………………………………………………..…...................................................................…….........…...15
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH TẤM…....................................................................…........……18
2.1. Cơ sở lý thuyết về biến dạng dẻo kim loại……………………...…...................................................................…....….....…19
2.1.1. Khái niệm biến dạng dẻo.……………………………………………...................................................................…………..18
2.1.2. Cấu trúc tinh thể và cơ chế biến dạng.…………………………...................................................................……........…..18
2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng.…………………...................................................................…......…..…..18
2.1.4. Ứng suất - biến dạng.……………………………………………...................................................................……......……..19
2.1.5. Điều kiện biến dạng dẻo.…………………………………………...................................................................………...…...19
2.1.6. Ý nghĩa trong công nghệ dập……………………………...................................................................……………….…..….19
2.2. Những công nghệ dập thông thường…………………………...................................................................………….......…..19
2.2.1. Dập vuốt sâu (Deep Drawing).……………………………...................................................................…………….....……20
2.2.2. Dập cắt (Blanking & Punching)…………………………...................................................................…………….….....…..20
2.2.3. Dập uốn (Bending)………………………………………...................................................................…………………..……20
2.2.4. Dập nổi (Embossing)……………………………………………...................................................................…………......…20
2.2.5. Dập giãn (Stretching)…………………………………………...................................................................…………..….…..20
2.2.6. Dập tổ hợp (Progressive Die Stamping)…………………...................................................................……………..…..…..21
2.3. An toàn lao động trong công nghệ dập vuốt sâu………………...................................................................…………......….21
2.3.1. Đặc điểm nguy hiểm của quá trình dập vuốt sâu…………...................................................................…………….....…..21
2.3.2. Các biện pháp đảm bảo an toàn……………………………....................................................................……..……………21
2.3.3. An toàn điện và môi trường làm việc……………………...................................................................………………….......22
2.4. Quy trình vận hành an toàn máy dập vuốt sâu……………...................................................................………………....….22
2.5. Bảo vệ môi trường trong sản xuất bằng công nghệ dập…………...................................................................………....….23
2.5. 1. Những tác động tiêu cực của sản xuất dập kim loại…………...................................................................…………....…23
2.5.2. Các biện pháp bảo vệ môi trường trong quá trình dập………...................................................................………….……24
2.5.3. Triển vọng và cam kết xanh.……………………………………...................................................................…………...…..24
2.6. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của công nghệ dập khuôn nón cố1. Hiệu quả kỹ thuật…………………………………........…..24
2.6.1. Hiệu quả kinh tế……………………………………………...................................................................………………….…..25
2.6.2. Phân tích hiệu quả đầu tư (gợi ý sơ bộ)…………………...................................................................……………………..25
2.6.3. Gắn kết với chiến lược phát triển bền vững…………………...................................................................…………………26
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CHỌN THIẾT BỊ, THIẾT KẾ KHUÔN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG…………..….…..28
3.1. Vật liệu sử dụng trong khuôn và sản phẩm dập nón cối…………....................................................................……...……..28
3.1.1. Vật liệu chế tạo khuôn dập……………………………………...................................................................…………...……..28
3.1.2. Vật liệu cho sản phẩm nón cối…………………………………...................................................................…….……….….29
3.2. Thiết kế quy trình công nghệ dập vuốt sâu……………...………...................................................................……….....……30
3.2.1. Chuẩn bị phôi và vật liệu………………………………………...................................................................……...…….……30
3.2.2. Quy trình dập vuốt sâu nhiều giai đoạn………………………...................................................................…………..…….30
3.2.3. Tính toán thông số công nghệ………………………………...................................................................………...…..…….31
3.2.4. Thiết bị và đồ gá……………………………………………...................................................................……..………....……31
3.2.5. Kiểm tra chất lượng sau dập……………...................................................................……………………………….………32
3.2.6. Tính toán lực dập (Fp)………………………………...................................................................………………….….……..32
3.2.7. Tính toán lực chặn (Fc)………………………………...................................................................…………………….….….33
3.2.8. Xác định dạng và kích thước phôi………………………...................................................................……………….………34
3.3. Thiết kế và mô phỏng khuôn dập nón cối bằng phần mềm NX12…...................................................................…....….....34
3.3.1. Phân tích sản phẩm……………………………………………………..................................................................…...….….34
3.3.2. Tính toán kích thước phôi ban đầu………….…………………...…...................................................................…………..36
3.3.3. Tính lực dập chi tiết cho từng bước………….…………………...................................................................………..……..37
3.3.4. Tính dung sai và kiểm tra độ bền khuôn………………………...................................................................………....…….38
3.3.5 Mô phỏng chuyển động ………………………………………...................................................................………….....……39
KẾT LUẬN………………………………...................................................................……………………………………............….42
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………...................................................................……………………….............…....…..43
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng, khoa học kỹ thuật đang phát triển với tốc độ rất cao, là nhân tố quyết định trong các ngành sản xuất. Trong đó ngành cơ khí đã và đang có những thành tựu to lớn, tác động mạnh mẽ tới mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Việc nghiên cứu công nghệ để thiết kế và chế tạo chi tiết máy ngày càng hiệu quả cả về số lượng và chất lượng.
Ngày nay sản phẩm thép không rĩ đang ngày càng chiếm tỉ lệ lớn trong mọi lĩnh vực, vật liệu kim loại tổng hợp chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng cao của con người. Do vậy, ngành công nghiệp dập vuốt đã phát triển nhanh trong thời gian qua kéo theo đó là sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của ngành thiết kế, sản xuất khuôn mẫu.
Khi nghiên cứu công nghệ khuôn dập các sản phẩm từ kim loại, em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “Thiết kế khuôn dập nón cối”
Thiết kế và chế tạo khuôn dập không phải là một đề tài mới, tuy nhiên cùng với sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM công nghệ làm khuôn đã có những thay đổi rõ rệt. Độ chính xác của khuôn ngày được nâng cao để đáp ứng yêu cầu của thị trường.
Được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy : ThS…………… đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn, khối lượng kiến thức lớn, kiến thức thực tế còn hạn chế nên không tránh khỏi một số thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy/ cô giáo và các bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA KHUÔN DẬP NÓN CỐI
1.1. Mục đích và ý nghĩa của khuôn dập nón cối.
Trong bối cảnh nền công nghiệp chế tạo ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về các sản phẩm kim loại có tính thẩm mỹ cao, độ chính xác lớn và năng suất ổn định là điều không thể thiếu. Đặc biệt, nón cối – một biểu tượng quen thuộc trong đời sống, không chỉ mang giá trị sử dụng mà còn phản ánh nét văn hóa truyền thống - lại càng đòi hỏi quá trình chế tạo tinh xảo và đồng nhất.
* Mục đích:
Mục đích của việc thiết kế khuôn dập nón cối là nhằm tạo ra một hệ thống khuôn có khả năng sản xuất hàng loạt sản phẩm với độ chính xác cao, giảm thiểu sai số, tiết kiệm vật liệu và thời gian gia công. Khuôn dập giúp quá trình tạo hình nón cối từ thép tấm trở nên nhanh chóng, chính xác và phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật. Đây chính là chiếc "chìa khóa vàng" mở ra cánh cửa cho quy trình sản xuất hiện đại, khép kín và tự động hóa.
* Ý nghĩa:
Ý nghĩa của công trình thiết kế khuôn không chỉ dừng lại ở hiệu quả kinh tế mà còn thể hiện được tầm nhìn xa trông rộng trong công nghệ chế tạo. Khi ứng dụng khuôn dập vào sản xuất, ta có thể:
Nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất.
Bảo đảm tính đồng nhất và chất lượng của sản phẩm.
1.2. Tổng quan về công nghệ dập tạo hình
1.2.1. Khái niệm
Khuôn dập là một thiết bị chuyên dùng trong gia công kim loại tấm, có nhiệm vụ tạo hình hoặc cắt phôi bằng phương pháp biến dạng dẻo dưới tác dụng của lực ép từ máy dập. Khuôn được thiết kế với hình dạng định trước, nhằm tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu kỹ thuật.
Một bộ khuôn dập điển hình gồm hai phần chính là:
- Chày (punch): gắn với phần chuyển động của máy ép, có nhiệm vụ ép phôi vào khuôn.
- Cối (die): cố định trên bàn máy, có hình dạng âm bản của sản phẩm.
Ngoài ra, còn có các bộ phận phụ trợ như: tấm dẫn hướng, tấm giữ phôi, tấm đệm, chốt định vị, ... nhằm đảm bảo độ chính xác và an toàn trong quá trình làm việc.
1.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ dập hình.
* Ưu điểm:
- Năng suất cao:
Công nghệ dập hình thích hợp cho sản xuất hàng loạt với tốc độ nhanh, tiết kiệm thời gian gia công so với các phương pháp cắt gọt truyền thống.
- Chính xác và đồng nhất cao:
Sản phẩm được tạo hình theo khuôn có độ chính xác cao, đảm bảo tính lặp lại giữa các chi tiết gần như tuyệt đối.
- Tiết kiệm vật liệu:
Quá trình biến dạng dẻo không làm mất phoi như phương pháp tiện, phay,... nên tỷ lệ sử dụng vật liệu cao, ít hao hụt.
* Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn:
Việc thiết kế và chế tạo khuôn dập đòi hỏi chi phí cao, đặc biệt là với các chi tiết có hình dạng phức tạp.
- Không linh hoạt trong thay đổi thiết kế:
Khi cần thay đổi mẫu mã sản phẩm, phải chế tạo khuôn mới, tốn thời gian và chi phí.
1.3. Phân loại công nghệ dập.
Công nghệ dập kim loại được phân loại chủ yếu dựa theo nhiệt độ của phôi tại thời điểm gia công, bao gồm hai loại chính: dập nguội và dập nóng.
1.3.1. Dập nguội.
Là quá trình tạo hình kim loại ở nhiệt độ thường (thường dưới 0,3 lần nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối của vật liệu).
Được áp dụng phổ biến cho các vật liệu có khả năng biến dạng tốt như thép tấm, nhôm, đồng...
1.3.2. Dập nóng.
Là quá trình dập trong điều kiện phôi được gia nhiệt đến nhiệt độ cao (thường trên 0,5 lần nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối của vật liệu).
Nhằm làm mềm vật liệu, giảm ứng suất chảy và tăng khả năng biến dạng.
* Ưu điểm:
Biến dạng dễ hơn, có thể tạo hình các chi tiết phức tạp.
Hạn chế nứt gãy, tăng độ dẻo.
* Nhược điểm:
Sản phẩm sau dập thường có độ chính xác thấp hơn.
Bề mặt có thể bị oxy hóa, cần xử lý sau dập.
Tiêu tốn nhiều năng lượng do cần gia nhiệt phôi.
1.4. Các dạng dập phổ biến.
Trong công nghệ dập kim loại tấm, tùy theo mục đích tạo hình và yêu cầu kỹ thuật, người ta chia quá trình dập thành nhiều dạng khác nhau. Dưới đây là một số dạng dập phổ biến hiện nay:
1.4.1. Dập vuốt sâu (Deep Drawing).
- Khái niệm: Là quá trình tạo hình kim loại tấm thành các chi tiết dạng hộp hoặc chén có chiều sâu lớn hơn so với kích thước miệng. Trong quá trình này, phôi được kéo xuống lòng khuôn bởi chày dập, gây ra biến dạng dẻo theo chiều sâu.
- Ứng dụng: sản xuất nồi, xoong, vỏ lon, vỏ thiết bị điện tử,…
1.4.3. Dập uốn (Bending).
- Khái niệm: là quá trình làm thay đổi hình dạng của phôi kim loại theo một góc xác định, thường là 90°, bằng cách đặt phôi lên khuôn uốn và dùng chày ép xuống.
- Ứng dụng: chế tạo khung, giá đỡ, thân vỏ thiết bị,...
1.4.5. Dập giãn (Stretching).
- Khái niệm: là phương pháp tạo hình trong đó phôi kim loại được kéo căng trên lòng khuôn nhờ lực chày ép, làm vật liệu giãn ra theo bề mặt.
- Ứng dụng: sản xuất các chi tiết cong, mỏng như mái che, vỏ thiết bị khí động học,...
1.6. Ứng dụng và triển vọng của công nghệ dập.
1.6.1. Ứng dụng.
- Ô tô và chế tạo động cơ:
+ Sản xuất vỏ thân xe, tấm chắn, khung sườn, giá đỡ động cơ… bằng dập vuốt sâu, dập uốn và dập cắt.
+ Các chi tiết này yêu cầu độ chính xác cao, độ bền cơ học lớn và tính đồng nhất trong chuỗi sản xuất hàng loạt.
- Điện - điện tử:
+ Gia công vỏ hộp thiết bị, tấm bố trí linh kiện, ốp bảo vệ, tản nhiệt… thường dùng dập cắt và dập nổi.
+ Độ phẳng, kích thước chính xác và bề mặt đẹp là yêu cầu bắt buộc.
- Thiết bị gia dụng và nội thất:
+ Sản xuất vỏ nồi, chảo, vỏ lò vi sóng, các chi tiết trang trí… chủ yếu nhờ dập vuốt sâu và dập nổi.
+ Tính thẩm mỹ cao, bề mặt láng mịn, đồng nhất.
1.6.2. Triển vọng.
- Tích hợp tự động hóa và trí tuệ nhân tạo:
+ Sử dụng robot lấy - đặt phôi, cảm biến lực, camera đo kiểm trực tuyến để tối ưu quy trình dập.
+ Phân tích dữ liệu sản xuất thời gian thực, dự báo bảo trì và giảm thiểu hỏng hóc khuôn.
- Ứng dụng công nghệ mô phỏng và thiết kế tối ưu:
+ CAD/CAM kết hợp phần mềm mô phỏng CAE giúp phân tích biến dạng kim loại, phân bố ứng suất, nhiệt độ…
- Xu hướng dập linh kiện nhỏ và phức hợp:
+ Phát triển khuôn tổ hợp (progressive die) để thực hiện nhiều nguyên công trên một dây chuyền nhỏ gọn.
+ Dập các chi tiết vi mô cho ngành y sinh, vi điện tử, MEMS…
+ Thiết kế khuôn “ảo” với thuật toán tối ưu đa mục tiêu, giảm thiểu khuyết tật sản phẩm ngay từ giai đoạn.
Kết luận: Công nghệ khuôn dập kim loại tấm là một trong những phương pháp gia công chủ lực, đóng vai trò then chốt trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại. Từ khái niệm cơ bản, phân loại, cho đến các dạng dập và ứng dụng - mỗi khía cạnh đều khắc họa rõ nét sức mạnh và tính linh hoạt của khuôn dập:
- Tính hiệu quả và năng suất: khuôn dập cho phép sản xuất hàng loạt với tốc độ cao, đảm bảo độ đồng nhất và chính xác kích thước giữa các chi tiết. Nhờ đó, doanh nghiệp có thể tối ưu chi phí, rút ngắn thời gian chu trình gia công, đáp ứng kịp tiến độ sản xuất.
- Độ bền và chất lượng sản phẩm: quá trình biến dạng dẻo làm tăng độ cứng bề mặt và cơ tính tổng thể của chi tiết. Sản phẩm sau dập thường có đặc tính cơ học vượt trội, phù hợp với yêu cầu khắt khe trong các ngành ô tô, hàng không - vũ trụ, quốc phòng và thiết bị điện tử.
- Tính linh hoạt trong thiết kế: mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho thiết kế và chế tạo khuôn lớn, nhưng việc ứng dụng khuôn tổ hợp (progressive die) và công nghệ mô phỏng CAD/CAE/CAM giúp giảm thời gian thiết kế, dễ dàng thay đổi nguyên công và mở rộng sản xuất.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH TẤM
2.1. Cơ sở lý thuyết về biến dạng dẻo kim loại.
2.1.1. Khái niệm biến dạng dẻo.
Biến dạng dẻo (plastic deformation) là quá trình thay đổi hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực, mà sau khi bỏ tải, vật liệu không trở lại hình dạng ban đầu. Đây là cơ sở chính cho các quá trình gia công kim loại bằng áp lực như dập, rèn, cán, kéo, ép...
Khi một kim loại chịu lực tác động:
+ Ban đầu nó biến dạng đàn hồi (hồi lại được).
+ Khi vượt qua giới hạn chảy (yield strength), nó bắt đầu biến dạng dẻo.
+ Nếu vượt quá giới hạn chịu kéo, kim loại sẽ bị đứt gãy.
2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ biến dạng.
- Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử dễ di chuyển → vật liệu dễ biến dạng hơn → dập nóng.
- Ở nhiệt độ thường, biến dạng khó hơn, đòi hỏi lực ép lớn hơn → dập nguội.
- Tốc độ biến dạng cao (như trong dập nhanh) có thể làm tăng ứng suất chảy và giảm khả năng biến dạng.
2.1.5. Điều kiện biến dạng dẻo.
Một vật liệu có thể biến dạng dẻo tốt khi:
+ Có độ dẻo cao (độ giãn dài lớn).
+ Cấu trúc tinh thể dễ trượt (như FCC : nhôm, đồng).
+ Không có tạp chất, nứt vi mô.
+ Chịu tải từ từ hoặc ở nhiệt độ phù hợp để tránh đứt gãy đột ngột.
2.2. Những công nghệ dập thông thường.
Trong lĩnh vực gia công kim loại tấm, công nghệ dập chia ra làm nhiều phương pháp tùy theo mục đích biến dạng và hình dạng sản phẩm đầu ra. Dưới đây là những công nghệ dập phổ biến và được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay:
2.2.1. Dập vuốt sâu (Deep Drawing).
Biến tấm kim loại phẳng thành các sản phẩm có chiều sâu, dạng cốc, hộp, nồi, mũ...
- Cơ chế: phôi được kéo sâu vào lòng khuôn nhờ chày ép → tạo thành thành bên cao.
- Ứng dụng: nồi inox, lon nước, vỏ mũ bảo hộ, nắp thùng dầu…
- Đặc điểm: biến dạng lớn, yêu cầu vật liệu có độ dẻo cao.
2.2.3. Dập uốn (Bending).
Làm thay đổi góc hoặc biên dạng của chi tiết mà không làm thay đổi chiều dày.
- Ứng dụng: giá đỡ, khung sườn, chi tiết khung máy…
- Cần tính toán bán kính uốn tối thiểu để tránh nứt gãy.
2.2.6. Dập tổ hợp (Progressive Die Stamping).
Tích hợp nhiều nguyên công dập (cắt, uốn, vuốt...) vào một bộ khuôn duy nhất.
- Ưu điểm: tốc độ cao, chính xác, tiết kiệm thời gian & nhân công.
- Ứng dụng: các chi tiết phức tạp nhỏ như lá tiếp điểm, linh kiện điện tử...
2.4. Quy trình vận hành an toàn máy dập vuốt sâu.
a. Bước 1: Kiểm tra chuẩn bị trước khi vận hành
- Kiểm tra máy dập, hệ thống điện, cơ cấu chuyển động, khuôn dập → đảm bảo không có hư hỏng, lỏng lẻo.
- Kiểm tra phôi liệu: đúng chủng loại, kích thước, không có dị vật, không rách mép.
- Mặc đầy đủ trang bị bảo hộ cá nhân: găng tay, kính, mũ bảo hộ, giày chống trượt.
- Vệ sinh sạch sẽ khu vực làm việc, không để dầu mỡ, vật cản trên sàn.
c. Bước 3: Tiến hành dập vuốt sâu
- Cấp phôi bằng tay (nếu bắt buộc) → tuyệt đối KHÔNG thò tay khi máy sắp hoạt động.
- Tốt nhất nên dùng robot, gắp phôi cơ khí hoặc bàn đỡ tự động.
- Nhấn nút khởi động hoặc bàn đạp chân theo đúng quy trình.
- Quan sát quá trình dập: nếu có dấu hiệu bất thường (tiếng lạ, rung mạnh, phôi lệch) → ngừng máy ngay.
d. Bước 4: Kết thúc ca làm
- Tắt nguồn điện, ngắt cầu dao tổng sau khi kết thúc.
- Vệ sinh khuôn, làm sạch mảnh vụn kim loại, tra dầu nhẹ nếu cần.
- Ghi vào sổ vận hành những sự cố, điều chỉnh trong quá trình làm.
- Báo cáo kỹ thuật viên nếu thấy dấu hiệu hao mòn, lệch tâm, hoặc tiếng bất thường từ máy/khuôn.
2.6. Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của công nghệ dập khuôn nón cố1. Hiệu quả kỹ thuật.
- Tính ổn định cao: Dập vuốt sâu bằng khuôn đảm bảo kích thước chính xác, hình dạng ổn định, độ nhẵn bề mặt cao – đặc biệt quan trọng với sản phẩm như nón cối, yêu cầu hình học chặt chẽ.
- Tăng năng suất sản xuất: một bộ khuôn tốt có thể dập hàng trăm đến hàng ngàn sản phẩm/ngày, vượt xa so với gia công cơ khí thông thường.
- Giảm thời gian gia công phụ: nhờ chất lượng bề mặt tốt, sản phẩm sau dập ít cần gia công lại, tiết kiệm công đoạn như mài, đánh bóng.
2.6.1. Hiệu quả kinh tế.
- Giảm chi phí nhân công: nhờ tự động hoá, một công nhân có thể quản lý nhiều máy cùng lúc.
- Chi phí vật liệu tối ưu: dập giúp giảm phôi dư thừa, tiết kiệm thép tấm – đặc biệt hiệu quả khi sản xuất số lượng lớn.
- Giảm tỉ lệ phế phẩm: khuôn thiết kế chính xác, quá trình ổn định → ít lỗi kỹ thuật, hạn chế phải loại bỏ sản phẩm lỗi.
2.6.3. Gắn kết với chiến lược phát triển bền vững.
- Tăng hiệu quả sản xuất → nâng cao sức cạnh tranh cho doanh nghiệp.
- Tiết kiệm tài nguyên – nhân lực → góp phần vào sản xuất xanh – thông minh.
- Dễ mở rộng quy mô và tiến tới xuất khẩu nón cối sang thị trường quốc phòng hoặc dân dụng quốc tế.
Kết luận: Chương 2 đã cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc và toàn diện cho công nghệ tạo hình tấm kim loại, từ cơ chế biến dạng dẻo đến các phương pháp dập thông dụng, đồng thời lồng ghép những yêu cầu quan trọng về an toàn, môi trường và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật:
- Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo:
+ Hiểu rõ quá trình vượt giới hạn chảy và cơ chế trượt, twinning, biến cứng là chìa khóa để tính toán lực dập chính xác và chọn vật liệu phù hợp.
+ Biểu đồ ứng suất–biến dạng giúp xác định giới hạn làm việc và tối ưu chế độ gia công (nhiệt độ, tốc độ).
- Đa dạng công nghệ dập thông thường:
+ Từ dập vuốt sâu đến dập tổ hợp, mỗi phương pháp đều có ưu thế riêng về hình dạng, độ sâu, tốc độ và độ chính xác.
+ Việc phân loại chi tiết cho phép lựa chọn công nghệ phù hợp với yêu cầu sản phẩm và năng lực máy móc.
- Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật:
+ Công nghệ dập khuôn tấm mang lại năng suất cao, độ ổn định và tính đồng nhất sản phẩm vượt trội, tiết kiệm nhân công và vật liệu.
+ Phân tích đầu tư sơ bộ cho thấy thời gian hoàn vốn nhanh (3–6 tháng), khẳng định tính khả thi và hiệu quả chiến lược lâu dài.
Chương 2 đã thiết lập nền móng lý luận và thực tiễn vững chắc cho toàn bộ đồ án: từ hiểu biết sâu sắc về biến dạng dẻo đến kỹ năng vận hành an toàn, từ trách nhiệm bảo vệ môi trường đến lợi ích kinh tế - tất cả hội tụ để tạo nên giải pháp thiết kế khuôn dập nón cối tối ưu, hiệu quả và bền vững.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, CHỌN THIẾT BỊ, THIẾT KẾ KHUÔN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BIẾN DẠNG
3.1. Vật liệu sử dụng trong khuôn và sản phẩm dập nón cối.
Việc lựa chọn vật liệu cho cả khuôn dập và phôi (sản phẩm nón cối) là yếu tố then chốt quyết định chất lượng, tuổi thọ khuôn và hiệu quả công nghệ. Dưới đây là phân tích chi tiết:
3.1.1. Vật liệu chế tạo khuôn dập.
a. Thép dụng cụ công cụ (Tool Steels)
- Hợp kim SKD11 (D2):
+ Đặc tính: Độ cứng cao (60–62 HRC), chịu mài mòn tốt, độ bền mỏi cao.
+ Ứng dụng: Khuôn cắt, khuôn uốn, đặc biệt những chi tiết chịu mài mòn lớn.
- Thép hợp kim H13:
+ Đặc tính: Độ bền cơ học cao ở nhiệt độ làm việc, chịu sốc nhiệt tốt, độ cứng 48–52 HRC sau tôi.
+ Ứng dụng: Khuôn dập nóng, khuôn vuốt sâu có nhiệt độ phôi tăng cao.
c. Vật liệu phụ trợ::
- Lò xo hợp kim cho bộ hồi chày: yêu cầu chịu mỏi cao.
- Tấm dẫn hướng: thép hợp kim cứng chống mài mòn, thường dùng loại S53C hoặc SK5 đã tôi.
- Tấm đệm (backing plate): thép kết cấu đơn giản, có độ bền kéo phù hợp để chịu tải ép.
3.1.2. Vật liệu cho sản phẩm nón cối.
a. Thép tấm cán nguội (Cold-Rolled Steel)
DC01 / SPCC:
+ Đặc tính: Độ dày thường từ 0.6¸1.2 mm, độ dẻo cao, bề mặt láng bóng, độ bền kéo trung bình ~270¸340 MPa.
+ Ứng dụng: Phù hợp với dập nguội, đạt yêu cầu độ chính xác và bề mặt mịn của nón cối.
c. Hợp kim nhôm (đối với phiên bản trọng lượng nhẹ)
Al - Mg (5xxx series):
+ Đặc tính: Độ dẻo tốt, nhẹ, chống ăn mòn; giới hạn chảy ~150 - 200 MPa.
+ Ứng dụng: Nón cối bảo hộ dùng trong môi trường biển hoặc khí hậu ẩm ướt.
d. Thép không gỉ (Stainless Steel)
304 - 316L:
+ Đặc tính: Khả năng chống ăn mòn vượt trội, dễ vệ sinh, độ bền kéo ~500 - 700 MPa.
+ Ứng dụng: Nón cối cho mục đích trang trí, hoặc nơi có yêu cầu vệ sinh cao.
3.2. Thiết kế quy trình công nghệ dập vuốt sâu.
Thiết kế quy trình công nghệ đóng vai trò then chốt để đảm bảo sản phẩm nón cối ra đời với chất lượng cao nhất, hiệu quả sản xuất tối ưu và an toàn. Quy trình dập vuốt sâu cho nón cối bao gồm các bước chính sau:
3.2.1. Chuẩn bị phôi và vật liệu.
a. Lựa chọn vật liệu phôi (SKD11)
Thép tấm SKD11: độ cứng cao (60¸62 HRC), chịu mài mòn tốt, độ bền mỏi cao.
b. Cắt phôi (Blanking)
Sử dụng khuôn blanking để cắt những tấm tròn đường kính D₀ sao cho diện tích dư biên đủ cho quá trình vuốt (thường D₀ ≈ Dsản phẩm + 2¸4 mm).
c. Kiểm tra phôi
Đảm bảo phôi không có vết nứt, vết xước, bavia. Vệ sinh bề mặt phôi, loại bỏ dầu mỡ.
3.2.3. Tính toán thông số công nghệ.
a. Lực dập (Fp)
Xác định theo công thức:
Fp = k.σb.A
Hay:
Fp= k.σb.π/4.(D02-D12)
c. Bôi trơn
Sử dụng dầu bôi trơn gốc molybden hoặc dầu tổng hợp chịu áp lực cao, phun hoặc tra thủ công trước mỗi lượt dập để giảm ma sát, chống rách.
d. Nhiệt độ
Dập nguội thông thường; đối với thép dày hoặc hợp kim cứng có thể cân nhắc dập ấm (100 - 200 °C) để cải thiện dẻo.
3.2.5. Kiểm tra chất lượng sau dập.
- Đo kích thước hình học: đường kính đỉnh, đường kính đáy, chiều cao, độ dày thành nón.
- Kiểm tra bề mặt: không có vết nứt, nếp gấp không đồng đều, bavia.
- Kiểm tra cơ tính: độ cứng, độ bền kéo (nếu cần) để đảm bảo yêu cầu sử dụng và an toàn.
3.2.6. Tính toán lực dập (Fp).
a. Xác định diện tích chặt (A)
- Với biện pháp dập vuốt sâu, phôi ban đầu dạng đĩa đường kính , sau dập thành nón đường kính đỉnh
- Diện tích chặt xấp xỉ bằng diện tích vòng tròn tính trên đường kính trung bình:
A = π/4.(D02-D12)
c. Hệ số ma sát và biến dạng (k)
Thường lấy k = 1,2 - 1,5 tùy điều kiện bôi trơn, độ nhám khuôn. Ở đây lấy k = 1,2.
d. Công thức lực dập
Lực dập được xác định theo công thức:
Fp = k.σb.A
Hay:
Fp = k.σb.π/4.(D02-D12)
Trong đó:
k: là hệ số ma sát và biến dạng (k ≈ 1,2 - 1,5).
σb: là giới hạn chảy vật liệu.
A : là diện tích chặt của phôi.
3.2.7. Tính toán lực chặn (Fc).
Lực chặn (clamping force) là lực mà máy/ nền phải giữ phôi không bị dịch chuyển hoặc phồng lên trong quá trình dập.
a. Cơ sở xác định
- Phôi chịu áp suất vùng chặn tương đương ứng suất dẻo toàn phần.
- Lực chặn cần lớn hơn lực ép lên viền phôi cộng thêm hệ số an toàn.
b. Công thức cơ bản
Lực chặn Fc được xác định theo công thức:
Fc= α.σb.Ab
Trong đó:
Ab: là chu vi phôi x chiều rộng vùng chặn. Nếu vòng chặn có chiều rộng b quanh phôi đường kính D1 thì:
Ab = p,D1.b
Thay số ta được:
Ab =3,14,100,5 ≈ 1570 mm2
Suy ra Fc = 1,2.270.1570 ≈ 508080 N ≈ 508 kN.
3.2.8. Xác định dạng và kích thước phôi.
a. Dạng phôi
Vì đây là dập vuốt sâu nón cối, nên phôi sẽ có dạng đĩa tròn - hình tròn phẳng từ tấm thép cán nguội.
Chọn phôi tròn giúp lực phân bố đều quanh tâm trong quá trình vuốt, giảm biến dạng không đều và rách phôi.
b. Tính đường kính phôi ban đầu (D₀)
Công thức để xác định đường kính phôi cần thiết dựa trên diện tích bảo toàn vật liệu như sau:
Aphôi = Asản phẩm
Với nón cối, diện tích phát triển phôi tính gần đúng theo công thức:
D0=√(D2+4.h2 )
Trong đó:
D: là đường kính miệng sản phẩm (nón)
h: là chiều cao sản phẩm
D0: là đường kính phôi ban đầu
Có thể cộng thêm hệ số dư gia công (10 - 15%):
D0=√(D2+4.h2 ).(1+k)
Với: là hệ số: k = 0,1¸ 0,15, lấy k = 1
3.3 .Thiết kế và mô phỏng khuôn dập nón cối bằng phần mềm NX12.
3.3.1. Phân tích sản phẩm.
Thể tích sản phẩm: khoảng 4.048.852 mm³
Tổng diện tích bề mặt ngoài: khoảng 124.408 mm²
Khối lượng sản phẩm nếu làm bằng nhôm (tỉ trọng 2.7 g/cm³): khoảng 10.93 kg
3.3.3. Tính lực dập chi tiết cho từng bước.
Lực dập chi tiết cho từng bước được xác định theo công thức:
Fpi = ki.σy.Ai
Với :
Ai = π/4(D02-D1,i2
Trong đó:
i : là chỉ số gia đoạn, i = 1, 2…..n
D0,i : là đường kính phôi cấp vào gia đoạn i.
D1,i : là đường kính sản phẩm sau giai đoạn i (là đường kính phôi cấp cho gia đoạn kế).
σy: là giới hạn chảy của vật liệu, DC01 ≈ 270 (MPa).
ki: là hệ số ma sát - biến dạng của gia đoạn i, thường i = 1,2 ¸ 1,5.
* Bước 1: Dập thô (First Drawing)
Ta có:
- Đường kính phôi D0,1: lấy bằng đường kính phôi ban đầu, D0,1= 368 mm
- Đường kính thành phần giai đoạn 1 D1,1: giảm còn D1,1 = 250 mm.
- Hệ số k1, lấy k1 = 1,4.
* Bước 2: Dập hoàn thiện (Redrawing)
Ta có:
- Đường kính phôi cấp: D0,2 = D1,1 = 250 mm.
- Đường kính thành phẩm cuối: D1,2 = Dsản phẩm= 197,4 mm.
- Hệ số k2, lấy k2 = 1,3.
3.3.4. Tính dung sai và kiểm tra độ bền khuôn.
a. Dung sai gia công chi tiết chính:
- Dung sai cho kích thước quan trọng của chi tiết nón cối: ±0,1 mm.
- Các bộ phận khuôn phải được gia công với độ chính xác cao hơn dung sai chi tiết, thường ±0,05 mm hoặc tốt hơn, để đảm bảo thành phẩm sau dập nằm trong giới hạn yêu cầu.
b. Thông số vật liệu khuôn
- Vật liệu chày/cối: Thép SKD11
- Ứng suất giới hạn chảy σy của SKD11: σy = 800 MPa.
c. Ứng suất cực đại tính được
Kết quả phân tích FEA hoặc tính bằng tay cho thấy: σmax ≈ 500 MPa
d. Đánh giá an toàn
Đánh giá điều khiện an toàn theo công thức:
σmax< σy
Trong đó:
Ứng suất σmax ≈ 500 MPa
Ứng suất giới hạn chảy σy của SKD11: σy = 800 MPa.
Suy ra
500 MPa< 800 MPa
Vậy thỏa mãn điều kiện an toàn cho chày/ cối. Hệ số an toàn ≈ 800/500 = 1,6.
3.3.5. Mô phỏng chuyển động .
Qua trình khuôn dập nói cối thể hiện qua các bước sau đây:
* Bước 1: Đưa phôi dập vào khuôn dập
Phôi tấm sau khi được tính toán và cắt tấm phôi có đường kính xá định sẽ được đưa vào khuôn dập và được định vị trên khuôn. Qúa trình đưa phôi dập vào khuôn dập thể hiện như hình dưới.
* Bước 3: Mở khuôn và đẩy chi tiết dập
Hành trình dập của khuôn là hành trình đi xuống để kết hợp giữa nữa khuôn trên với nữa khuôn dưới. Sau khi dập xong công đoạn bước 2 thì bước tiếp theo là khuôn nữa trên đi lên và đồng thời kết thúc một qúa trình dập tạo sản phẩm. Sơ đồ mở khuôn và đẩy chi tiết ra khỏi khuôn như hình dưới.
* Bước 4: Lấy chi tiết ra khỏi khuôn dập
Công đoạn cuối cùng của quá trình dập tạo sản phầm trên khuôn là đưa sản phẩm từ khuôn ra khỏi lòng khuôn để thực hiện một công đoạn cho sản phẩm tiếp theo. Bước lấy chi tiếp dập ra khỏi khuôn thể hiện như hình dưới.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian gần 3 tháng làm đồ án với đề tài “ Thiết kế khuôn dập nón cối” em đã đạt được một số kết quả sau:
1. Đề tài đã nêu ra tình hình khuôn dập ở Việt Nam và trên thế giới, cơ sở thiết kế khuôn các bộ phận cơ bản của khuôn ,một số loại khuôn và nguyên lí hoạt động của nó
2. Đã ứng dụng được phần phầm mềm NX 12 vào việc thiết kế ”Khuôn dập nón cối” và tính toán thông số sản phẩm cũng như mô phỏng quá trình dập cán vào khuôn tính toán lực dập, độ biến dạng …
3. Do còn hạn chế về kiến thức thực tế chế tạo các tấm khuôn dập nên khuôn của em còn chưa đầy đủ.
4. Sử dụng được một số loại máy công cụ vạn năng và máy phay CNC…
Em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy: ThS. ………….. cùng các thầy cô giáo trong bộ môn CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CƠ KHÍ đã tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này. Trong quá trình làm đồ án thì em còn thiếu sót về kiến thức và cách trình bày nên em mong thầy, cô góp ý cho em để em có thể hoàn thiện đồ án chi tiết hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Sinh viên thực hiện
(Ký)
………………
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. GS. TS guyễn Đắc Lộc; PGS. TS Lê Văn Tiến; PGS. TS Ninh Đức Tốn; PGS. TS Trần Xuân Việt, Sổ tay công nghệ chế tạo máy I, NXB: Khoa học và kĩ thuật, 2000
[2]. GS. TS guyễn Đắc Lộc; PGS. TS Lê Văn Tiến; PGS. TS Ninh Đức Tốn; PGS. TS Trần Xuân Việt Sổ tay công nghệ chế tạo máy II, NXB: Khoa học và kĩ thuật, 2005
[3]. GS. TS guyễn Đắc Lộc; PGS. TS Lê Văn Tiến; PGS. TS Ninh Đức Tốn; PGS. TS Trần Xuân Việt, Sổ tay công nghệ chế tạo máy III, NXB: Khoa học và kĩ thuật, 2005
[4]. TS. Trần Xuân Minh; ThS. Trần Minh Thế Uyên, Giáo trình thiết kế và chế tạo khuôn phun ép nhựa, NXB: Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh; 2014
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"