I. Tổng quan mô hình đo biến dạng cán dao phay tại SPKT
Nghiên cứu chế tạo thiết bị cơ khí đòi hỏi tính thực tiễn cao. Đề tài chế tạo mô hình đo biến dạng cán dao phay tại Trường ĐH SPKT TP.HCM xuất phát từ yêu cầu kiểm soát chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trong quy trình phay CNC, lực cắt biến thiên liên tục gây rung động mạnh. Hiện tượng này làm uốn cong cán dao và giảm độ chính xác kích thước sản phẩm. Dự án do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên chuyên môn. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ thống thực nghiệm hoàn chỉnh. Thiết bị có kết cấu cơ khí vững chắc từ thép C45. Phần gá kẹp tương thích với cán dao phay chuẩn công nghiệp BAP 300R C20-20-150. Mô hình cung cấp số liệu thực nghiệm phục vụ công tác giảng dạy kỹ thuật và nghiên cứu học thuật. Dữ liệu đo đạc giúp sinh viên quan sát trực quan sự thay đổi hình học của dụng cụ cắt. Công trình đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc nội địa hóa các thiết bị thí nghiệm chuyên sâu.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại Trường ĐH SPKT TP.HCM
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng đào tạo thực hành kỹ thuật đỉnh cao. Khoa Cơ khí chế tạo máy thường xuyên tổ chức các đề tài khóa luận bám sát dây chuyền sản xuất thực tế. Trong gia công phay kim loại, rung động cắt gọt là yếu tố phá hủy độ chính xác của phôi gia công. Hiện tượng này làm mòn dao nhanh chóng và gây tiếng ồn lớn. Sinh viên gặp khó khăn khi học lý thuyết nếu thiếu mô hình trực quan để phân tích dao động. Việc phát triển một hệ thống đo lường tại chỗ giúp giải quyết triệt để vấn đề này. Mô hình mang lại nền tảng thực hành hiện đại cho phòng thí nghiệm cơ khí. Sinh viên có cơ hội tiếp cận công nghệ đo đạc tiên tiến.
1.2. Mục tiêu kỹ thuật của thiết bị đo lường
Hệ thống đo lường được thiết kế với các tiêu chí kỹ thuật rất chặt chẽ. Thiết bị ghi nhận biến dạng uốn đàn hồi của cán dao dưới các điều kiện cắt khác nhau. Thông số đường kính cán dao phay thử nghiệm đạt mức 10 mm hoặc 20 mm. Vật liệu chế tạo thân gá sử dụng thép C45 qua nhiệt luyện để đảm bảo độ cứng vững. Cán dao mẫu sử dụng thép C25 chịu tải trọng cắt mô phỏng. Kết cấu khung máy giảm thiểu các sai số do biến dạng phụ gây ra. Hệ thống tích hợp các cổng truyền thông công nghiệp tốc độ cao. Dữ liệu đo đạc hiển thị trực tiếp và lưu trữ để phục vụ tính toán dao động. Mô hình đáp ứng tốt yêu cầu thực nghiệm của đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
II. Phân tích biến dạng cán dao phay trong quá trình gia công
Quá trình phay kim loại là quá trình cắt gọt không liên tục. Lưỡi cắt của dao phay định kỳ va đập vào bề mặt phôi kim loại. Lực cắt sinh ra biến thiên tuần hoàn theo góc quay của trục chính. Khi chiều dày cắt thay đổi, biên độ lực va đập tăng vọt. Sự thay đổi đột ngột này tạo ra hiện tượng rung động cưỡng bức và tự kích. Cán dao phay đóng vai trò như một dầm công xôn chịu uốn. Dưới tác động của thành phần lực cắt tiếp tuyến và hướng kính, đầu dao bị uốn cong lệch khỏi tâm quay ban đầu. Độ biến dạng này gây ra nhiều hệ quả kỹ thuật nghiêm trọng. Bề mặt chi tiết gia công xuất hiện các vết gợn sóng nhấp nhô. Dung sai kích thước hình học của sản phẩm không đạt chuẩn kỹ thuật. Lưỡi cắt hợp kim chịu tải va đập liên tục dẫn đến mẻ góc hoặc gãy vỡ sớm. Việc không kiểm soát được độ biến dạng làm tăng chi phí phế phẩm trong nhà máy. Nghiên cứu thực nghiệm giúp xác định chính xác quy luật biến dạng để bù sai số kịp thời.
2.1. Tác động của rung động cắt gọt lên tuổi thọ dao
Rung động cắt gọt là nguyên nhân hàng đầu làm hỏng dụng cụ phay. Khi lưỡi cắt tiếp xúc với phôi, lực ma sát và ứng suất nén sinh nhiệt lượng lớn. Cán dao bị rung khiến chiều sâu cắt thực tế dao động liên tục. Các mảnh dao hợp kim cứng rất nhạy cảm với tải trọng động tuần hoàn. Hiện tượng mỏi cơ học diễn ra nhanh chóng tại phần đầu kẹp dao. Lưỡi cắt bị mòn vát hoặc nứt vỡ tế vi chỉ sau thời gian ngắn vận hành. Cán dao bằng thép C25 chịu biến dạng đàn hồi lớn khi gia công với tốc độ cao. Nếu không phát hiện sớm biến dạng, rung động sẽ truyền ngược vào trục chính máy phay. Ổ bi trục chính bị mòn nhanh và làm giảm tuổi thọ toàn bộ máy công cụ.
2.2. Khó khăn trong việc thu thập tín hiệu biến dạng
Đo lường biến dạng trên trục dao quay là bài toán công nghệ phức tạp. Khi gia công, tia phoi kim loại và dung dịch tưới nguội bắn ra liên tục. Môi trường này gây nhiễu và dễ phá hủy các loại cảm biến dán bề mặt. Việc lắp đặt cảm biến trực tiếp lên cán dao chuyển động quay đòi hỏi thiết bị truyền dẫn không dây hoặc vành trượt chuyên dụng. Các thiết bị nhập khẩu thương mại có giá thành rất đắt đỏ. Khả năng tùy biến giải thuật đo lường trên thiết bị ngoại nhập bị hạn chế. Ngoài ra, việc xử lý tín hiệu tương tự analog với độ trễ thấp là một thách thức kỹ thuật lớn. Nhóm nghiên cứu cần giải pháp đo gián tiếp hoặc mô phỏng gá đặt vững chắc để trích xuất tín hiệu chính xác.
III. Phương pháp chế tạo mô hình đo biến dạng cán dao phay
Nhóm nghiên cứu áp dụng giải pháp thiết kế tích hợp cơ điện tử hoàn chỉnh. Thân mô hình được chế tạo chính xác từ khối thép C45 nguyên khối. Cụm kẹp dao cố định cán dao phay BAP 300R C20-20-150 có đường kính 20 mm. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch PLC Mitsubishi FX3U-14MT-6AD-2DA. Bo mạch này trang bị 8 ngõ vào số NPN và 6 ngõ ra transistor. Đặc biệt, thiết bị tích hợp sẵn 6 kênh ngõ vào tương tự analog nhận tín hiệu điện áp từ 0 đến 10V và dòng điện 0 đến 20mA. Tín hiệu biến dạng từ cảm biến truyền về bộ chuyển đổi AD tốc độ quét 3000 bước trên một mili giây. Bộ nguồn tổ ong 12V 5A công suất 60W cung cấp điện áp một chiều ổn định cho toàn mạch. Nguồn cấp có tính năng bảo vệ quá áp và ngắn mạch tự động nhằm bảo vệ thiết bị đo. Cổng giao tiếp RS485 kết nối trực tiếp mô hình với máy tính để ghi nhận biểu đồ thời gian thực.
3.1. Thiết kế cơ khí và gia công thân gá C45
Khung giá đỡ là bộ phận chịu lực chính của toàn bộ mô hình đo. Sinh viên sử dụng phần mềm CAD để dựng mô hình 3D chi tiết trước khi gia công. Thép C45 được lựa chọn nhờ cơ tính vượt trội và khả năng chịu tải tốt. Các bề mặt lắp ghép được phay phẳng và doa lỗ với độ chính xác cao. Độ đồng tâm của lỗ gá cán dao BAP 300R được kiểm soát nghiêm ngặt dưới 0.01 mm. Kết cấu thân gá có gân tăng cứng để triệt tiêu dao động riêng của bệ máy. Khối lượng bệ đỡ đủ lớn để hấp thụ rung lắc phát sinh trong quá trình thử nghiệm. Quy trình gia công hoàn thiện trên máy CNC đảm bảo độ chuẩn xác hình học cao nhất.
3.2. Tích hợp mạch điều khiển PLC Mitsubishi FX3U
Hệ thống đo lường ứng dụng PLC Mitsubishi FX3U-14MT làm bộ vi xử lý trung tâm. Thiết bị nhận tín hiệu analog từ các cảm biến đo biến dạng với độ nhạy cao. Tốc độ truyền thông đạt mức 38,400 kbs đảm bảo không làm mất gói tin dữ liệu. Mạch điều khiển tích hợp điện trở công suất 1/4W 2K Ohm sai số 5% để phân áp tín hiệu. Nguồn tổ ong 12V 5A cấp dòng ổn định với độ gợn sóng điện áp cực nhỏ. Chương trình PLC xử lý tính toán số thực để chuyển đổi điện áp thành giá trị micromet. Ngõ ra transistor phát xung tốc độ cao lên đến 100K phục vụ điều khiển vị trí bàn máy. Dữ liệu thu thập được hiển thị trực quan thông qua màn hình HMI và máy tính giám sát.
IV. Kết luận về mô hình đo biến dạng cán dao phay thực tế
Đề tài hoàn thành xuất sắc mục tiêu chế tạo mô hình đo biến dạng cán dao phay thực nghiệm. Sản phẩm chứng minh tính khả thi cao trong môi trường phòng thí nghiệm Trường ĐH SPKT TP.HCM. Thiết bị vận hành ổn định, cấu trúc khung gá chắc chắn và loại trừ rung nhiễu cơ học hiệu quả. Hệ thống PLC Mitsubishi FX3U xử lý tín hiệu analog phản hồi nhanh chóng và có sai số đo đạc rất thấp. Kết quả thực nghiệm cung cấp thông số động học chính xác về độ võng cán dao BAP 300R. Dữ liệu này giúp giảng viên và sinh viên phân tích mối quan hệ giữa chế độ cắt và độ cứng vững dụng cụ. Đây là công cụ giảng dạy trực quan quý giá cho các môn học Công nghệ Kim loại và Máy công cụ CNC. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển thêm cơ cấu giảm chấn va đập hạt PID. Hướng mở rộng này hứa hẹn nâng cao hơn nữa khả năng triệt tiêu rung động cho gia công công nghiệp.
4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật
Mô hình đo biến dạng mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho nhà trường. Sinh viên ngành cơ khí được tiếp cận thiết bị đo đạc dao động trực quan ngay trong phòng thí nghiệm. Thiết bị hỗ trợ kiểm chứng lý thuyết cắt gọt kim loại đã học trên giảng đường. Giảng viên có thể xây dựng các bài tập thực hành phân tích lực cắt sinh động. Thiết bị cũng phục vụ các đề tài nghiên cứu khoa học chuyên sâu về cơ điện tử. Khả năng kết nối máy tính giúp việc thu thập và phân tích dữ liệu trở nên nhanh chóng. Mô hình đóng góp tích cực vào việc nâng cao chất lượng đào tạo kỹ sư cơ khí tại SPKT.
4.2. Tiềm năng triển khai trong gia công cơ khí chính xác
Hệ thống đo lường mở ra tiềm năng lớn cho các xưởng cơ khí chính xác. Thiết bị cho phép kỹ sư thử nghiệm chế độ cắt tối ưu trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Việc kiểm soát độ uốn cán dao giúp giảm tỷ lệ hư hỏng phôi kim loại đắt tiền. Doanh nghiệp có thể áp dụng nguyên lý này để xây dựng module giám sát mòn dao online. Khi dao bị biến dạng vượt ngưỡng cho phép, hệ thống máy CNC sẽ tự động giảm lượng tiến dao. Giải pháp này giúp kéo dài tuổi thọ dao và bảo vệ bề mặt gia công. Thiết kế mở của mô hình cho phép tích hợp linh hoạt vào nhiều dòng máy phay công nghiệp khác nhau.