Các tiến bộ trong công nghệ và sản xuất đã giảm sự phổ biến của tính chất “lò xo” trong quá trình uốn kim loại tấm, bằng cách dự đoán chính xác hơn chúng sẽ xảy ra khi nào và như thế nào. Sherlyne Young.
Tấm kim loại là một dạng kim loại thường gặp được dùng trong vô số lĩnh vực, như ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và điện tử. Trong khi đó, uốn là một trong những phương pháp thông thường nhất khi sử dụng tấm kim loại.
Ảnh minh họa
Một trong những khả năng nổi bật là khả năng phục hồi (độ đàn hồi) khiến tất cả các vật liệu mềm dễ uốn sau khi đổ khuôn xong đều khôi phục trở lại hình dạng ban đầu. Tiến sĩ Sylvie Castagne, trợ lý giáo sư tại Trường kĩ thuật hàng không vũ trụ và cơ khí, đại học công nghệ Nanyang đã giải thích hiện tượng này như sau: Sau khi vật liệu được kéo căng và tháo tải ra, tỉ lệ căng tương ứng với biến dạng đàn hồi sẽ được khôi phục. Hiện tượng này được gọi là đàn hồi kiểu bật lò xo.
Sức bật lò xo phải chính xác và rõ ràng, nếu không các quá trình sản xuất còn lại có thể bị ảnh hưởng. Độ lệch có thể là vấn đề khi lắp ráp hoặc ảnh hưởng tới hiệu năng của sản phẩm cuối cùng. Ví dụ, ngành công nghiệp ô tô dùng tấm kim loại cho phần ngoài ô tô và việc thiếu chính xác có thể ảnh hưởng tới tâm lý khách hàng về chất lượng ô tô. Ngoài phần thân ô tô thì tấm kim loại cũng được dùng để làm cánh máy bay, giá đỡ kèm theo và các thiết bị điện tử xung quanh. Tất cả những ứng dụng cụ thể này đều yêu cầu có độ chính xác cao.
Nói chung, rất khó để sửa sức bật lò xo sau khi đổ khuôn. Các nhà sản xuất chỉ kiềm chế không sửa nó sau khi việc đó xảy ra, trong khi nhiều người lại đặt mục tiêu ngăn việc đó xảy ra. Phát triển các biện pháp xử lí bằng cách phân tích dự đoán sức bật lò xo trong thiết kế sản phẩm. Không chỉ giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất, mà còn cải thiện quá trình đổ khuôn và chất lượng sản phẩm.
Hiệu chỉnh các hình khối Dự đoán sức bật lò xo có thể là một việc khá phức tạp do một số nhân tố. Một ví dụ là kiểu uốn, trong ba phương pháp phổ biến nhất là uốn khí, lớp lót và dập nổi.
Uốn khí được dùng nhiều hơn trong các quá trình khác vì nó đàn hồi tốt hơn. Có thể có các góc uốn khác nhau bằng cách điều chỉnh băng đục lỗ, không như phương pháp lớp lót yêu cầu một bộ công cụ nhất định cho mỗi kích cỡ vật liệu và góc uốn. Tuy nhiên, quá trình này lại gặp phải các mức độ sức bật lò xo cao nhất do góc uốn nhỏ hơn.
Trong phương pháp lớp lót, tấm kim loại bị ép vừa với hình đáy đã cố định cho dù vãn có không gian ở giữa. Sức bật lò xo ít xảy ra hơn trong phương pháp lớp lót so với phương pháp uốn khí, và hầu như không xảy ra trong phương pháp dập nổi. Điều này xảy ra khi có một lực rất lớn đập vật liệu vào khuôn dưới, làm tấm vật liệu biến dạng vĩnh viễn.
Sự phục hồi tính đàn hồi đa dạng đã thấy ở cả ba quá trình uốn, tạo sự khác nhau trong hình khối như uốn góc/ uốn tròn. Uốn góc và sức bật lò xo có liên quan trực tiếp với nhau, một cái tăng thì cái kia cũng tăng như vậy.
“Một vòng uốn nhỏ hơn (ví dụ: một góc uốn rộng) sẽ khiến sức bật lò xo ít hơn vì một tỉ lệ biến dạng lớn hơn sẽ lưu lại trong sự đàn hồi. ”Tiến sĩ Castagne nói. Nó cũng đã thể hiện và các loại thép cao cấp có độ bền kéo cao (AHSS) sẽ có độ bền cơ học khi cũng bị uốn theo một vòng tròn. Cũng như vậy, chuyển động dọc theo vòng trong phải được giữ ở mức tối thiểu vì việc thay đổi tính chất vật liệu có thể dẫn tới các ảnh hưởng không mong muốn.
Các tính chất và bề dày của thép
Các tính chất của vật liệu và độ dày của thép cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán sức bật lò xo. Các nhà sản xuất đang làm việc nhiều hơn với các vật liệu mới như các tấm nhiều lớp hoặc thép cao cấp có độ bền kéo cao, chúng có phản ứng khác với các vật liệu thông thường về sức bật lò xo.
Cụ thể là, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và ô tô đã dùng hợp kim nhôm và thép cao cấp có độ bền kéo cao (AHSS) để làm tăng sức bền của họ và giảm khối lượng. Liên quan tới kim loại, hợp kim nhôm và các tấm mạ, Tiến sĩ Castagne nói: “Sự khác nhau trong tính uốn với ba loại vật liệu này sẽ dẫn tới sự khác nhau về tính chất vật liệu.”
Nói chung, vật liệu càng có cường độ chảy cao thì càng có sức bật lò xo. Tuy nhiên, các nhà sản xuất cũng nên chú ý rằng việc uốn hai vật liệu này có thể khác, thậm chí ngay cả khi chúng có cùng một cường độ chảy, do kim loại cứng lại sau khi đổ khuôn. AHSS cũng thể hiện có sức bật lò xo phụ thuộc vào thời gian nhiều hơn là các tấm kim loại thông thường, và cũng làm tăng sức bền.
Một tham số cần chú ý khác là bề dày của tấm kim loại, trong đó sức bật lò xo nổi trội hơn các vật liệu mỏng. Tiến sĩ Castagne cho biết, “Sự hồi phục độ đàn hồi xảy ra trong tất cả các quá trình đổ khuôn lạnh. Tuy nhiên, ảnh hưởng của nó trong quá trình uốn lại rõ hơn vì tấm kim loại có bề dày bé.” Ví dụ, mỗi tấm kim loại một lớp có độ phục hồi sự đàn hồi tối thiểu ngược với các tấm kim loại hai lớp. Mặt khác, các tấm kim loại dạng sanwich ba lớp có lớp giữa dày hơn sẽ có sức bật lò xo kém hơn các tấm sanwich đối xứng.
Tuy nhiên, cô cũng cảnh báo rằng các tấm nhiều lớp sẽ phức tạp hơn khi gia công vì chúng không có các đặc tính giống nhau khi có bề dày khác nhau.
“Phản ứng của tấm nhiều lớp không thể đơn giản suy ra từ các tấm đơn lẻ. Nói chung, có sự không đối xứng trong quá trình gia công và đặc tính của mỗi vật liệu cần được nghiên cứu theo từng trường hợp,” cô nói thêm. Có nhiều tham số mà nhà sản xuất phải lưu ý khi sản xuất đối với sức bật lò xo, tham số có thể được tính bằng các mô hình dự đoán.
Tăng cường sự phù hợp Một vài biện pháp trở thành đối phó như chỗ uốn cong, ép nóng, uốn kéo và dùng các chất bôi trơn để làm tăng sự hài lòng khi uốn vật liệu vào hình dáng mong muốn. Trong các phương pháp này, uốn cong là biện pháp được sử dụng phổ biến nhất để giảm sức bật lò xo. Nó bù lại việc phục hồi độ đàn hồi bằng cách uốn vật liệu nhiều hơn mức yêu cầu, và được dùng tốt nhất trong các trường hợp chưa biết tính chất vật liệu và tính chất đó không đổi. Cùng lúc đó, cũng cần phải xem xét dung sai về áp lực của vật liệu khi làm cân bằng sức bật lò xo. Quá nhiều lực có thể làm cho tấm kim loại bị gãy hay nứt và làm nó trở nên vô dụng.
Một cách khác để làm tăng tính phù hợp là đổ khuôn tấm kim loại trong nhiệt độ cao. “Nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng, khi tăng nhiệt độ sẽ giảm sức ép cong và do đó giảm sức bật lò xo,” Tiến sĩ Castagne nói.
Việc đổ khuôn và sức bền của vật liệu sẽ được thay đổi, như các hợp kim nhôm đã giảm đáng kể sức bền sau khi bị nung nóng nhẹ. Tuy nhiên, trong phương pháp uốn kéo, theo Tiến sĩ Castagne, khi nối hai mặt để giảm sức ép thì sẽ loại bỏ hoàn toàn tính đàn hồi khi biến dạng.
Trong khi đó, việc bôi trơn làm giảm ma sát khi đập vào tấm kim loại, và do đó giảm sức bật lò xo. Bên cạnh việc giảm tải làm biến dạng, cũng tăng giới hạn biến dạng trước khi gãy. Sức bật lò xo giảm trong khu vực được bôi trơn rộng hơn, đặc biệt khi cả hai phần đập và khuôn dưới đều được bôi trơn, so sánh với các trường hợp khác thì chỉ có một thứ được bôi trơn.
Tính toán sức bật lò xo Hiện tại có vài phương pháp để dự đoán sức bật lò xo với một hình khối và vật liệu cho trước, và kết quả sẽ được dùng trong quá trình thiết kế để bù đắp lại. Phương pháp nhân tố hữu hạn (FEM) là mô hình phổ biến nhất phỏng theo đó.
Khi giải thích cách thức hoạt động, Tiến sĩ Castagne nói: “Sự mô phỏng được chia thành hai giai đoạn. Đầu tiên là giai đoạn uốn, khi cả sự đàn hồi và biến dạng chất dẻo đóng vai trò quan trọng, sẽ được lấy mẫu; sau đó là phần tháo liệu (biến dạng chất dẻo) cần được mô phỏng.”
Vì FEM là mô hình có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, có thể là không tối ưu khi dự đoán sức bật lò xo bằng các hệ thống khác.
“Việc dùng FEM để dự đoán sức bật lò xo có rất nhiều thử thách do có hàng loạt các nhân tố như độ chính xác của mẫu vật liệu, các khó khăn trong tính toán và vấn đề đòng quy trong giai đoạn tháo liệu,” cô giải thích. “Thêm vào đó, một vài bước có thể yêu cầu phải có các hình khối đã hoàn thiện theo mong muốn.”
Các mô hình dự đoán mới hơn Thay vào đó, đã hình thành một vài mô hình dự đoán mới hơn phụ thuộc vào các phản hồi để tinh chỉnh quá trình này, ví dụ là mạng trí tuệ nhân tạo (ANN). Các mối quan hệ không tuyến tính trong các bản đồ trí tuệ nhân tạo là hữu dụng để dự đoán sức bật lò xo khi bao gồm rất nhiều biến số khi thay đổi nhiều. Không có mối liên hệ nào là cố định vì mỗi nhân tố có một trọng tải khác nhau với mỗi lần vận hành.
Tiến sỹ Castagne nói: “Có một giải pháp có thể giải quyết vấn đề này là dùng các gói mô phỏng tự động bao gồm mô phỏng các chương trình con để tự động thay đổi góc uốn và khởi tạo lại mô phỏng FEM cho tới khi có được hình khối chuẩn sau khi tháo liệu.” Tương tự, ANN sử dụng dữ liệu và phản hồi thực tế để làm mẫu và dự đoán các phản ứng tốt hơn.
Trong thực tế, các nhà sản xuất máy móc cũng đang làm việc với ý tưởng tương tự. Trumpf đã tiết lộ cách thức mà các máy móc của họ bù lại với sức bật lò xo bằng cách đo góc khi uốn. Quá trình này là tự động với một thiết bị cảm biến đo góc sức bật lò xo cho mỗi vật liệu riêng biệt, trước khi bù lại ngay lập tức, Harald Block, quản lí sản phẩm, Máy uốn Trump chia sẻ. “Máy tự động đo góc thật, chỉnh sửa có kiểm soát, và ngay lập tức điều chỉnh góc uốn”, anh ta nói thêm.
Sức bật lò xo là một đặc tính vĩnh cửu của việc uốn mà không thể tránh được. Để giảm nhẹ điều này, các nhà sản xuất và nghiên cứu dường như đang tìm kiếm một giải pháp dự đoán và bù đắp tốt hơn cho nó. Đặc biệt là đã có các cải thiện trong cả quá trình thiết kế và sản xuất, trong đó tiến bộ lớn nhất là nhìn nhận việc dự đoán sức bật lò xo như một quá trình hay thay đổi theo một loạt các thông số thay đổi.
(Theo Cẩm nang Gia công kim loại Việt Nam)
