Tạo khuôn nhanh trên cơ sở tấm ghép là công nghệ sản xuất khuôn trực tiếp trên cơ sở gia công theo lớp của rapid prototyping (RP), được các nước công nghiệp tiến tiến như Anh, Đức, Mỹ... quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây. Phương pháp làm khuôn này giải quyết được các vấn đề: thời gian gia công nhanh, kích cỡ phôi lớn, hình dáng hình học phức tạp và đặc biệt kinh tế đối với khuôn tạm thời dùng cho loạt sản xuất nhỏ. Đây là những vấn đề mà bất cứ nền công nghiệp nào cũng đều mong muốn có giải pháp thích hợp...

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả minh hoạ giải pháp làm khuôn nhanh trên cơ sở công nghệ ghép tấm phát triển trong những điều kiện vật chất kỹ thuật nhất định của Viện IMI. Việc xây dựng phần mềm cắt lớp cho các máy cắt CNC (cắt bằng tia laser và tia nước áp cao) có ý nghĩa trong việc phát triển giải pháp gia công lai: cắt tấm - đắp lớp mà nhóm đề tài sẽ còn tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tiếp theo.

1. MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh “thế giới phẳng” tất cả các nền kinh tế đều phải chịu sự cạnh tranh gay gắt, kinh tế công nghiệp không nằm ngoại lệ. Nhu cầu cung cấp nhanh đến người tiêu dùng sản phẩm mới đòi hỏi ngành công nghiệp phải có những giải pháp công nghệ mới. Đó cũng là lí do mà công nghệ tạo mẫu nhanh (RP) (rapid protptyping) ngày càng được quan tâm và phát triển ứng dụng. Kể từ khi các phương pháp RP được phát triển (giữa những năm 80) và những thiết bị đầu tiên về tạo mẫu nhanh được đưa ra thị trường, nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất đã nghĩ đến các phương pháp phát triển tạo khuôn nhanh sản xuất theo loạt.

Trên nguyên lí tạo mẫu nhanh, các khuôn nhanh bằng phương pháp Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Object Manufacturing (LOM) vv... đã được nghiên cứu chế tạo. Tuy nhiên do đặc điểm của vật liệu nên những khuôn này chủ yếu là khuôn gián tiếp (mộc mẫu). Cuối thế kỷ 20 một số nghiên cứu đề cập đến các giải pháp khắc phục nhược điểm của RP để chế tạo khuôn trực tiếp đã được công bố. Những giải pháp cũng như phân tích để cải thiện phương pháp thường tập trung vào các vấn đề: hệ thống gia công [1, 3÷6], sai số và bù sai số [7÷11], đắp và ghép lớp [8÷9], vật liệu [1,2 ]. Làm khuôn nhanh bằng kim loại tấm là một trong các giải pháp khắc phục nhược điểm về vật liệu của RT.

2. PHÁT TRIỂN KHUÔN NHANH TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GHÉP TẤM

Trên cơ sở nghiên cứu công nghệ tạo mẫu nhanh, gia công cắt bằng tia laser, kỹ thuật ghép nối, Viện Máy và dụng cụ công nghiệp đã phát triển phương pháp tạo khuôn nhanh trong khuôn khổ lựa chọn thiết bị có sẵn để có thể thực hiện phần thực nghiệm. Làm khuôn nhanh từ ghép tấm được thực hiện trong nghiên cứu này bởi cách tiếp cận, thực hiện tuần tự trên tổ hợp thiết bị chứ không phải trên một thiết bị tổ hợp. Lợi thế của giải pháp này là giảm giá thành đầu tư ban đầu. Tuy nhiên khó khăn của giải pháp là quá trình diễn biến trên chuỗi thiết bị nên khó giám sát phương pháp tạo khuôn nhanh trong khuôn khổ lựa chọn thiết bị có sẵn để có thể thực hiện phần thực nghiệm. Làm khuôn nhanh từ ghép tấm được thực hiện trong nghiên cứu này bởi cách tiếp cận, thực hiện tuần tự trên tổ hợp thiết bị chứ không phải trên một thiết bị tổ hợp. Lợi thế của giải pháp này là giảm giá thành đầu tư ban đầu. Tuy nhiên khó khăn của giải pháp là quá trình diễn biến trên chuỗi thiết bị nên khó giám sát phương pháp tạo khuôn nhanh trong khuôn khổ lựa chọn thiết bị có sẵn để có thể thực hiện phần thực nghiệm. Làm khuôn nhanh từ ghép tấm được thực hiện trong nghiên cứu này bởi cách tiếp cận, thực hiện tuần tự trên tổ hợp thiết bị chứ không phải trên một thiết bị tổ hợp. Lợi thế của giải pháp này là giảm giá thành đầu tư ban đầu. Tuy nhiên khó khăn của giải pháp là quá trình diễn biến trên chuỗi thiết bị nên khó giám sát các tham số quá trình. Giải pháp này bao gồm các công đoạn: thiết kế CAD-3D; cắt tấm/ lớp; xếp chồng, gắn kết; gia công lại (nếu cần) như hình 1.


Hình 1: Phát triển làm khuôn nhanh bằng tấm ghép.

Theo nguyên lí tạo khuôn nhanh, hình dáng vật lí của khuôn được xây dựng từ dữ liệu CAD - 3D, thực hiện phân lớp ảo và gia công trong môi trường CAD/ CAM, trực tiếp trên kim loại tấm bằng máy cắt laser CO2 CNC của phòng thí nghiệm đặc biệt IMI. Đây là công đoạn đáng chú ý do tính tích hợp của công nghệ. Trên thực tế, máy CNC laser không có tính năng phân và cắt lớp ảo như máy tạo mẫu nhanh nên đây là phần việc được thực hiện bởi phần mềm “cắt lớp” off line -slicing IMI1 xây dựng bởi nhóm tác giả của đề tài. Lưu đồ thuật toán của phần mềm (hình 2) thể hiện hình khối 3D vật thể được tái tạo, phân lớp và sắp xếp hợp lí lên tấm trước khi được chuyển thành chương trình NC gia công. Chất lượng gia công thép tấm bằng tia laser phụ thuộc vào các tham số công nghệ gia công nên một nghiên cứu thực nghiệm tìm mô hình toán học độ rộng mạch cắt trên cơ sở hàm vật liệu, chiều dày vật liệu, công suất laser, đường kính đầu phun và áp khí thổi, bổ sung vào cơ sở dữ liệu điều khiển công suất laser - tốc độ cắt, một nội dung đã được nghiên cứu lồng ghép từ nhiều năm nay ở trung tâm các công nghệ đặc biệt IMI để làm cơ sở bù sai số mạch cắt cho kích thước hình học gia công theo nguyên lí bù của các bộ CNC thương mại.




Như vậy, sau khi chọn các chế độ công nghệ cắt laser, độ rộng mạch cắt được tự động tính và link vào giá trị (hình 4), để bù tự động đường chạy tia. Các file dữ liệu “cắt lớp”dạng chương trình NC được truyền vào bộ điều khiển CNC của máy cắt laser để thực hiện gia công các lớp thứ tự hoặc tuỳ chọn, một lớp, nhiều lớp hoặc tất cả các lớp theo yêu cầu của người thiết kế.Các tấm cắt có thể được ghép bởi các công nghệ khác nhau [10,11].


Hình 4: Truy cập bù rộng mạch cắt khi nhập các tham số gia công

Trong nghiên cứu này, khuôn lựa chọn là khuôn dập uốn và vuốt nên ghép nối bằng chốt định vị và bu lông, đai ốc là một giải pháp đơn giản, có thể có tính hiệu quả cao. Trong trường hợp này, các tấm cắt được xếp chồng theo thứ tự lớp và được ép sơ bộ bởi các bu lông thiết kế sẵn để khử “khoảng không” giữa các lớp. Sau khi ép chặt, các bu lông của khuôn được nới lỏng để đưa chốt định vị- lắp trung gian vào vị trí thiết kế sẵn. Sau đó các bu lông được xiết dần đều cho đến khi xiết chặt. Việc xiết và ép chặt này được thực hiện nhằm tối thiểu khoảng không giữa các tấm, tạo khối đồng nhất như có thể. Các khuôn nhanh (hình 5), kết quả của đề tài là chày và cối khuôn uốn U, V 90o, cối khuôn vuốt trụ, côn và một khuôn côn tiện lại để so sánh kết quả. Các khuôn ghép đuợc đưa lên máy ép 25 tấn để kiểm nghiệm thông qua ép thử chi tiết (hình 6). Kiểm tra các chi tiết dập cho thấy, các kích thước hình học và các bề mặt chi tiết có tiếp xúc với khuôn (chày hoặc cối) không có vết xước, đảm bảo chất lượng gia công bán thành phẩm.


Hình 5: Các khuôn gia côn áp lực theo nguyên lý khuôn nhanh ghép tấm
Hình 6: Chi tiết gia công trên máy dập 25 tấn

3. CHẤT LƯỢNG THỰC NGHIỆM CỦA KHUÔN GIA CÔNG NHANH TỪ TẤM GHÉP KIỂM TRA CÁC KÍCH THƯỚC TẠO BỀ MẶT CÔNG TÁC CỦA KHUÔN:

Để khảo sát chất lượng gia công bằng tia laser- Bước gia công của “lớp” chặt chẽ nhất. Trong báo cáo này nêu ví dụ đối với cối vuốt trụ. Tại một lớp, hình 4.8 thì: - a1, a2: kích thước lòng cối, tạo nên đường kính ngoài của chi tiết vuốt, đuợc thiết kế với kích thước danh nghĩa là 50 b2. - f11, f12, f14, f24: đường kính lỗ chốt ( 8) và f15: kích thước nội suy khoảng cách giữa hai chốt định vị ( 95);các kích thước này quyết định đến độ chính xác của khuôn thông qua định vị lắp ghép tấm. b1,b2: đường kính ngoài của tấm ghép ( 110), quyết định đến kích thước lắp ghép vào thân cối cơ sở.Biểu đồ dao động kích thước hình học của các lớp thuộc cối vuốt trụ được hiển thị ở hình 8.Khảo sát f - kích thước lỗ chốt 8, là kích thước bé nhất của dãy kích thước đồng thời yêu cầu miền dung sai đối lớn nên thiết kế chọn dung sai lắp ráp Js8/h7. Với dung sai này, kích thước lỗ cắt để lắp chốt có dung sai ±0,011 [28]. Từ bảng kết quả đo của cối vuốt trụ có thể nhận thấy độ dao động lớn nhất của các kích thước f11 là: 18,014,08+-; f12 là:18,012,08+- f14 là: 18,016,08+- và f24 là: 14,018,08+-, kết quả này cho thấy độ dao động gia công kích thước lỗ chốt ở các tấm vượt quá yêu cầu thiết kế dù là không lớn. Nếu áp vào miền dung sai hệ lỗ lắp ghép trung gian tương đương với độ chính xác gia công cấp 10÷12, là các 120.4.


Hình 8: Biểu đồ phân bổ dao động các kích thước của lớp tạo côi trụ.


 KẾT LUẬN

Để thực hiện việc đo kiểm kích thước hình học chính xác như có thể, 5 khuôn đập nguội hình học đơn giản: khuôn V, U, vuốt trụ, côn và côn nhanh tiện lại đã được gia công thực nghiệm nhằm minh hoạ cho giải pháp pháp triển làm khuôn nhanh trên cơ sở tấm ghép của nhóm nghiên cứu Viện IMI. Giải pháp làm khuôn nhanh theo phương pháp này có thể các bước như sau:

• Thiết kế khuôn dạng CAD-3D solid.

• Lựa chọn thiết bị cắt 2D CNC, gia công “lớp” với sự trợ giúp của phần mềm cắt lớp.

• Tuyển chọn và thực hiện phương pháp ghép lớp, tạo khuôn vật lí có hình dáng hình học tựa khuôn liền khối.

• Gia công tinh lại bề mặt công tác khi có yêu cầu về dung sai kích thước khắt khe.

• Thử nghiệm / sử dụng khuôn gia công chi tiết.

Các khuôn này đã được sử dụng để dập hàng nghìn chi tiết. Qua thử nghiệm có thể kết luận, khuôn nhanh dạng này rất phù hợp cho gia công bán thành phẩm. Mặc dù còn có những hạn chế nhất định như cần thực hiện thí nghiệm với lô lớn hơn, thử nghiệm thêm các phương pháp ghép tấm khác và đặc biệt cần sử dụng những phương tiện đo kiểm tối tân hơn để có thể có những kết quả mang tính định lượng. Nhưng những kết quả trong nghiên cứu này phần nào đã minh chứng và mở ra một hướng làm khuôn nhanh đầy triển vọng, nhất là đối với các loại khuôn siêu trường, siêu trọng, hình học lòng khuôn phức tạp, cần đáp ứng nhanh nhu cầu thay đổi của khách hàng mà tính kính tế của khuôn vĩnh cửu không cho phép.

Đặc biệt, việc phát triển phần mềm cắt lớp (slicing- IMI1) thực hiện gia công tấm có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xây dựng giải pháp công nghệ, thiết kế chế tạo khuôn nhanh từ tấm ghép. Phần mềm này còn có ý nghĩa trong việc xây dựng phương pháp luận để phát triển giải pháp RP mới (thiết bị, công nghệ) do xu hướng phát triển của thiết bị chế tạo RP là gia công tự động với sự hỗ trợ của phần mềm cắt lớp, có những nguyên tắc và công năng mà phần mềm Slice-IMI1 đang thực hiện.