Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặt ra yêu cầu ngày càng khắt khe về độ chính xác gia công, năng suất và chất lượng bề mặt sản phẩm. Để gia tăng năng suất, các quá trình cắt gọt kim loại thường phải nâng cao chế độ cắt và gia tăng chiều sâu cắt. Tuy nhiên, chiều sâu cắt lớn làm gia tăng tải trọng động và lực cắt, trực tiếp kích thích các dao động cơ học bất lợi trong hệ thống công nghệ gồm Máy – Đồ gá – Dao – Chi tiết. Hiện tượng rung động không chỉ làm giảm sút chất lượng bề mặt gia công (biểu hiện qua độ nhám và độ sóng bề mặt) mà còn làm tăng tốc độ mài mòn, mẻ vỡ mảnh hợp kim cắt (insert), đồng thời gây suy giảm tuổi thọ của ổ trục và cụm trục chính máy công cụ.

Chất lượng bề mặt của chi tiết gia công chịu tác động đồng thời của nhiều yếu tố công nghệ như chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt), đặc tính vật liệu phôi, độ cứng vững của đồ gá và dung dịch bôi trơn làm nguội. Trong đó, độ nhám bề mặt ($R_a$, $R_z$) là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng phản ánh độ bóng bề mặt và độ chính xác tế vi. Tại Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng về cán dao phay tích hợp cơ cấu giảm chấn chủ động hoặc bán chủ động sử dụng lưu chất thông minh vẫn chưa được phổ biến rộng rãi. Các giải pháp thương mại nhập ngoại thường có chi phí đầu tư rất lớn, trong khi nhu cầu gia công các vật liệu phổ thông như thép kết cấu carbon C45 với độ ổn định cao là rất cấp thiết. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp mã số 22223DT266: “Chế tạo mô hình giảm chấn dùng lưu chất từ biến (Ferrofluid) - ứng dụng cho cán dao phay” được thực hiện nhằm nghiên cứu kết cấu giảm chấn bên trong thân cán dao, kết hợp đặc tính dập tắt dao động của lưu chất từ biến dưới tác động của từ trường.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý dập tắt rung động bằng công nghệ giảm chấn trong gia công phay mặt đầu và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt chi tiết.
  • Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình cán dao phay mặt đầu có tích hợp hệ thống giảm chấn bên trong ruột dao sử dụng dung dịch từ tính Ferrofluid khi gia công trên vật liệu thép C45, so sánh hiệu quả dập tắt rung động và cải thiện độ nhám với cán dao đặc tiêu chuẩn.
  • Đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu bên trong cán dao (chiều dài dầm console, nồng độ lưu chất Ferrofluid, môi trường cản) để xác định cấu hình tối ưu nhằm giảm biên độ rung và nâng cao chất lượng gia công.

Để đạt được các mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cắt gọt kim loại, động học quá trình phay, cơ chế hình thành độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng.
  2. Tổng hợp lý thuyết về các dạng rung động trong gia công cắt gọt (rung động cưỡng bức, rung động riêng, rung động tự kích thích) và các giải pháp suy giảm dao động.
  3. Thiết kế kết cấu cơ khí cho cán dao phay tích hợp hệ giảm chấn dầm console ruột rỗng và chế tạo mẫu thử nghiệm.
  4. Thiết kế đồ gá tích hợp nam châm và kiểm soát dung dịch từ tính Ferrofluid trong cơ cấu giảm chấn.
  5. Thiết lập quy trình thí nghiệm, lựa chọn thiết bị đo lường độ rung động và đo độ nhám bề mặt chi tiết.
  6. Chuẩn bị phôi thép C45, mảnh dao insert, thiết bị gá kẹp và tiến hành thực nghiệm cắt gọt song song giữa cán dao thường và cán dao giảm chấn trên cùng một điều kiện công nghệ.
  7. Thu thập dữ liệu tín hiệu rung động (gia tốc, vận tốc, độ dịch chuyển) và số liệu độ nhám bề mặt.
  8. Xử lý số liệu, xây dựng biểu đồ so sánh, phân tích các chỉ số động học và đánh giá sai số giữa lý thuyết với thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cán dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim có đường kính danh nghĩa $D_c = 25\text{ mm}$, tích hợp lõi dầm console và dung dịch từ biến Ferrofluid; phôi vật liệu thép kết cấu carbon C45; các tham số rung động (Acceleration, Velocity, Displacement) và chỉ tiêu độ nhám bề mặt ($R_a$).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Thực nghiệm cắt gọt được thực hiện trên máy phay tại xưởng Thực hành cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
    • Cán dao khảo sát thuộc quy cách BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13 (Hãng HJW).
    • Mảnh insert hợp kim sử dụng thống nhất mã APMT1135PDER-M2 (Hãng Mitsubishi).
    • Vật liệu gia công giới hạn trên mác thép C45 với kích thước mẫu phôi $40 \times 40 \times 25\text{ mm}$ (chuẩn bị 20 mẫu thử).
    • Quá trình thực nghiệm tập trung khảo sát sự thay đổi các thông số kết cấu bên trong ruột cán dao (chiều dài thanh dầm console, nồng độ dung dịch từ tính Ferrofluid, vị trí gá nam châm) trên cùng một chế độ cắt cố định ($n = 770\text{ vòng/phút}$, tương ứng vận tốc cắt $V_c \approx 60{,}4\text{ m/phút}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại, động lực học rung động cơ học và công nghệ chế tạo dụng cụ cắt:

  • Động học và thông số cắt gọt quá trình phay: Chuyển động quay tròn của trục chính mang dao với vận tốc cắt $V_c = \frac{\pi \cdot D_c \cdot n}{1000}$ (m/phút) và chuyển động chạy dao tịnh tiến của bàn máy ($S_z$ - lượng chạy dao răng, $S_v$ - lượng chạy dao vòng, $S_m$ - lượng chạy dao phút theo quan hệ $S_m = S_v \cdot n = S_z \cdot Z \cdot n$, với $Z$ là số răng cắt). Đồ án phân tích bản chất cơ học giữa phương pháp phay thuận và phay nghịch: phay nghịch có chiều dày cắt biến thiên từ $0$ đến cực đại, hạn chế va đập ban đầu nhưng dễ trượt và mòn dao; phay thuận có chiều dày cắt từ cực đại về $0$, phoi mỏng dần, tạo bề mặt nhẵn hơn nhưng sinh lực va đập lớn khi dao bắt đầu tiếp xúc phôi, đòi hỏi độ cứng vững cao để triệt tiêu rung động.
  • Độ nhám và chất lượng bề mặt: Đánh giá theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2511-78 thông qua hai chỉ tiêu định lượng: sai lệch trung bình số học của biên dạng $R_a = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} |y| dx \approx \frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} |y_i|$ và chiều cao trung bình nhấp nhô theo 10 điểm $R_z = \frac{1}{5} \left( \sum_{i=1}^{5} h_{i\max} - \sum_{i=1}^{5} h_{i\min} \right)$. Đồ án làm rõ ảnh hưởng của nhấp nhô tế vi đến khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi dưới tải trọng chu kỳ đổi dấu, khả năng chống ăn mòn hóa học và độ chính xác của các mối lắp ghép có độ hở hoặc độ dôi.
  • Lý thuyết rung động trong gia công: Phân loại ba dạng dao động gồm rung động cưỡng bức (do mất cân bằng quay, sai số truyền động, va đập chu kỳ của răng dao), rung động riêng (dao động tự do tắt dần theo thời gian) và rung động tự kích thích (chatter - sinh ra từ chính tương tác cắt gọt giữa lưỡi cắt và phôi). Để giảm chấn, giải pháp tích hợp khối hấp thụ dao động động học (Dynamic Vibration Absorber) dạng dầm console kết hợp môi chất cản dịu bên trong lòng dao được áp dụng.
  • Lưu chất từ biến (Ferrofluid): Hệ huyền phù keo chứa các hạt sắt từ có kích thước nanomet phân tán trong chất lỏng mang, được Steve Papell phát minh năm 1960 tại NASA. Trong điều kiện bình thường, Ferrofluid hoạt động như một chất lỏng nhớt; khi có từ trường ngoài từ nam châm tác động, các hạt nano sắt từ định hướng theo đường sức từ, làm biến đổi mạnh độ nhớt biểu kiến và ứng suất cắt của chất lỏng, tạo thành môi chất cản có khả năng tiêu tán năng lượng dao động cơ học tức thời.
  • Vật liệu phôi và công nghệ mảnh cắt: Thép C45 là thép kết cấu carbon chất lượng cao với hàm lượng carbon trung bình $0{,}45%$. Mảnh insert APMT1135PDER-M2 được chế tạo từ bột hợp kim cứng cacbit vonfram (WC), cacbit titan (TiC), cacbit tantan (TaC) liên kết bằng coban (Co), thiêu kết ở nhiệt độ $1400^\circ\text{C} - 1600^\circ\text{C}$ trong môi trường hydro và được phủ lớp phủ bảo vệ TiN, TiCN, TiC bằng công nghệ lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD) để nâng cao độ cứng và khả năng chống mài mòn nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai theo quy trình thực nghiệm đối chứng:

  • Thực nghiệm gia công phay mặt đầu trên cùng một máy công cụ, cùng một chế độ cắt, cùng một kích thước phôi thép C45, sử dụng hai trạng thái cán dao: cán dao đặc nguyên bản và cán dao rỗng tích hợp dầm console/Ferrofluid.
  • Dữ liệu rung động thời gian thực được thu thập thông qua cảm biến gia tốc công nghiệp TcAs DynaLogger gắn trên đầu dao, ghi nhận tín hiệu dao động trên 3 trục không gian ($X, Y, Z$) với các thông số: Gia tốc (Acceleration), Vận tốc (Velocity) và Độ dịch chuyển (Displacement), trích xuất qua hai giá trị đặc trưng là giá trị đỉnh tới đỉnh (Peak to Peak - PP) và giá trị hiệu dụng căn bậc hai trung bình (Root Mean Square - RMS).
  • Dữ liệu độ nhẵn bóng bề mặt được đo đạc trực tiếp bằng máy đo độ nhám cầm tay Mitutoyo SJ-201 tại nhiều vị trí trên từng mẫu phôi, xác định chỉ số $R_a$ theo tiêu chuẩn để so sánh đối chứng.
  • Nguồn dữ liệu bao gồm tín hiệu số hóa từ cảm biến đo rung, số liệu từ máy đo độ nhám, các thông số tra cứu từ catalogue của hãng sản xuất HJW, Mitsubishi và các bảng tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 2511-78.

Thiết kế và triển khai

Cán dao giảm chấn được phát triển dựa trên kết cấu cải tiến từ cán dao phay mặt đầu tiêu chuẩn, kết hợp hệ thống cản dịu cơ - từ tính đặt kín bên trong thân dao.

[Mảnh Insert APMT1135] -> [Đầu cán dao BAP 300R C25] -> [Khoang rỗng chứa dầm console & Ferrofluid] -> [Nắp bích ren] -> [Từ trường Nam châm]

Kết cấu phần cứng cán dao giảm chấn

  • Thân cán dao: Xuất phát từ cán dao phay mặt đầu nguyên khối BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13 của hãng HJW, đường kính ngoài $D_c = 25\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $200\text{ mm}$, lắp được 3 mảnh insert. Nhóm nghiên cứu tiến hành gia công khoan rỗng dọc trục cán dao tạo thành một buồng chứa hình trụ đồng tâm, phần chuôi cán dao được tạọ ren trong để lắp nắp bít ren nhằm làm kín môi chất.
  • Thanh dầm console (lõi giảm chấn): Một thanh kim loại đóng vai trò dầm console đàn hồi được lắp côngxon bên trong khoang rỗng của cán dao, liên kết cố định một đầu với nắp bích ren và để tự do một đầu. Kích thước chiều dài của thanh dầm console được chế tạo thay đổi theo các cấp độ khác nhau (các thanh console số 1, số 12, số 17,...) để dịch chuyển tần số dao động riêng của dầm trùng hoặc gần trùng với tần số kích động của lực cắt phay, tạo hiệu ứng hấp thụ dao động cực đại.
  • Môi chất cản dịu biến tính: Khoang rỗng chứa thanh dầm console được điền đầy bằng dung dịch hạt nano từ tính Ferrofluid ở các nồng độ khác nhau. Độ nhớt và lực cản của Ferrofluid đóng vai trò môi trường tiêu tán năng lượng dao động thông qua ma sát trong của chất lỏng khi thanh console rung lắc.
  • Hệ thống từ trường kích hoạt: Nam châm vĩnh cửu kết hợp đồ gá chuyên dụng được bố trí bên ngoài thân cán dao tại các vị trí xác định dọc theo chiều dài làm việc, cung cấp từ trường ổn định để kích hoạt sự định hướng của các hạt từ tính trong Ferrofluid, làm thay đổi tức thời độ cản của môi chất.
Hạng mục thiết bị / Thông số Quy cách / Giá trị kỹ thuật Nguồn gốc / Ghi chú
Cán dao phay mặt đầu BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13 ($D_c = 25\text{ mm}$) Hãng HJW
Mảnh hợp kim cắt (Insert) APMT1135PDER-M2 Hãng Mitsubishi
Vật liệu phôi thử nghiệm Thép kết cấu carbon C45, kích thước $40 \times 40 \times 25\text{ mm}$ 20 mẫu thử nghiệm
Cảm biến đo rung động TcAs DynaLogger đa trục ($X, Y, Z$) Đo Acceleration, Velocity, Displacement
Thiết bị đo độ nhám bề mặt Mitutoyo SJ-201 Đo chỉ số $R_a$ theo TCVN
Phần mềm thiết kế mô hình AutoCAD, Autodesk Inventor Professional Thiết kế bản vẽ dầm và nắp bích
Môi chất giảm chấn Lưu chất từ tính Ferrofluid Kích thước hạt từ cấp nanomet
Hệ thống tạo từ trường Nam châm vĩnh cửu kèm đồ gá định vị Định hướng hạt nano sắt từ

Thiết lập chế độ cắt và quy trình đo đạc

  • Chế độ cắt cố định: Tốc độ quay trục chính $n = 770\text{ vòng/phút}$, đường kính dao $D_c = 25\text{ mm}$, tính toán vận tốc cắt theo công thức thực nghiệm: $$V_c = \frac{\pi \cdot D_c \cdot n}{1000} = \frac{\pi \cdot 25 \cdot 770}{1000} \approx 60{,}47\text{ m/phút}$$
  • Quy trình kiểm thử:
    1. Gá đặt phôi thép C45 lên bàn máy phay bằng ê tô, siết chặt đảm bảo độ cứng vững; lắp mảnh insert mới APMT1135PDER-M2 vào cán dao.
    2. Gắn cảm biến rung TcAs DynaLogger lên vị trí chỉ định trên hệ thống gá đầu dao; kết nối bộ thu dữ liệu.
    3. Cắt phay mặt phẳng trên bề mặt phôi bằng cán dao đặc tiêu chuẩn để làm mẫu đối chứng gốc.
    4. Thay thế bằng cán dao giảm chấn đã lắp thanh dầm console, lần lượt thử nghiệm trong các môi trường buồng rỗng: môi trường không khí, môi trường chứa nước, môi trường chứa dầu công nghiệp, và môi trường chứa dung dịch từ tính Ferrofluid ở các nồng độ khác nhau kết hợp nam châm.
    5. Thu thập tín hiệu dao động phát sinh trong quá trình ăn dao; sau khi kết thúc hành trình phay, tháo phôi và sử dụng đầu kim đo của máy Mitutoyo SJ-201 đo chỉ số độ nhám $R_a$ tại các điểm đại diện trên bề mặt gia công.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát rung động trong gia công cơ khí chính xác nhằm nâng cao độ bóng bề mặt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu liên quan đến rung động cắt gọt và chế độ cắt trong nước (nghiên cứu của Trương Thị Ngọc Thư về máy phay CNC tại ĐH Đà Nẵng; Ngô Đức Hạnh về rung động tự kích thích tại ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên; Cổ Hữu Hưng về đồ thị ổn định máy phay đứng khi gia công thép C45; Hoàng Trọng Hiếu về nâng cao chất lượng phay tinh) và quốc tế (các công trình của Songtao Wang và cộng sự tại Harbin University of Science and Technology; Gyula Varga và János Kundrák tại University of Miskolc Hungary; các thử nghiệm của các hãng dao như Mitsubishi, Hutscom, Tungaloy, Walter). Chương này xác lập mục tiêu, 8 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể, phạm vi thực nghiệm trên máy phay tại ĐH SPKT TP.HCM với phôi C45 và dao BAP 300R C25, đồng thời phác thảo phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa CAD, gia công chế tạo và thực nghiệm đo đạc động học.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại, làm rõ các chuyển động cơ bản trong quá trình phay (chuyển động chính sinh phoi, chuyển động chạy dao và chuyển động phụ), mối quan hệ giữa các đại lượng chế độ cắt ($V_c, S_z, S_v, S_m, t$). Tác giả so sánh đặc tính công nghệ, ưu nhược điểm của hai phương pháp phay thuận và phay nghịch; phân loại hình học và khả năng công nghệ của các loại dao phay (dao phay trụ, dao phay mặt đầu, dao phay ngón).

Nội dung tiếp tục trình bày chuyên sâu về bản chất của độ nhám bề mặt, phân biệt sai lệch hình học vĩ mô ($h_1$), độ sóng bề mặt ($h_2$) và nhám tế vi ($h_3$), thiết lập công thức tính toán và ký hiệu quy chuẩn theo TCVN 2511-78 cho hai chỉ tiêu $R_a$ và $R_z$, đồng thời phân tích ảnh hưởng của nhấp nhô bề mặt đến tính chống mòn, độ bền mỏi và tính chống ăn mòn.

Trong phần lý thuyết rung động, chương phân tích ba dạng dao động cơ học trong cắt gọt gồm rung động cưỡng bức, rung động riêng và rung động tự kích thích, cùng các yếu tố kích động rung động như góc cắt (so sánh góc cắt $< 45^\circ$ và $> 45^\circ$), bước tiến dao, bước răng (bước răng lớn L, bước răng vừa M, bước răng nhỏ H) và sự thoát phoi. Cuối chương, tác giả trình bày nguyên lý hoạt động của cán dao tích hợp giảm chấn dầm console, phân tích thành phần hóa học của thép C45, và mô tả quy trình chế tạo mảnh insert hợp kim từ bột WC, TiC, TaC, chất kết dính Co qua các công đoạn ép khuôn, thiêu kết ở $1400^\circ\text{C} - 1600^\circ\text{C}$ và phủ bề mặt TiN, TiCN, TiC bằng phương pháp PVD/CVD.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của cán dao giảm chấn đến độ bóng bề mặt chi tiết

Chương 3 là phần thực nghiệm trọng tâm của đồ án. Chương mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị thiết bị, bao gồm cụm phôi thép C45 ($40 \times 40 \times 25\text{ mm}$), cán dao đặc nguyên khối và cán dao khoan rỗng BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13, hệ thống mảnh insert APMT1135PDER-M2, nắp bích ren, các thanh dầm console chế tạo bên trong cán dao, cảm biến TcAs DynaLogger, máy đo nhám Mitutoyo SJ-201, dung dịch Ferrofluid và hệ gá nam châm vĩnh cửu. Chế độ cắt được thiết lập ở $n = 770\text{ vòng/phút}$ ($V_c \approx 60{,}4\text{ m/phút}$).

Tác giả thiết lập hàng loạt trường hợp thực nghiệm để kiểm tra tính năng giảm chấn qua các môi trường cản khác nhau đặt trong thân dao:

  • Môi trường không khí (khoang rỗng không chất lỏng).
  • Môi trường chứa nước.
  • Môi trường chứa dầu công nghiệp.
  • Môi trường chứa dung dịch từ tính Ferrofluid ở các nồng độ khác nhau và kết hợp bố trí nam châm vĩnh cửu tại các vị trí hình học khác nhau (5 vị trí dọc thân dao).

Hệ thống cảm biến ghi nhận và vẽ 45 biểu đồ sóng động học thể hiện các đại lượng Acceralation, Velocity, Displacement theo 3 trục không gian $X, Y, Z$ tương ứng với các giá trị biên độ PP và RMS. Đồ án tiến hành so sánh trực tiếp biểu đồ biên độ tắt dao động giữa cán dao đặc (Biểu đồ 3.46) và cán dao giảm chấn (Biểu đồ 3.47). Kết quả thực nghiệm đo độ rung cho phép xác định 3 thanh dầm console có biên độ rung thấp nhất (trong đó có thanh số 1, thanh số 12, thanh số 17). Cuối cùng, chương 3 đối chiếu giá trị độ nhám bề mặt $R_a$ đo được giữa các mẫu gia công bằng cán dao đặc với các mẫu gia công bằng cán dao giảm chấn gắn 3 thanh dầm console tối ưu (Biểu đồ 3.50, Hình 3.17, 3.18, 3.19), chứng minh tính cải thiện của bề mặt phôi.

Chương 4: Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 4 đúc kết các phát hiện rút ra từ quá trình nghiên cứu lý thuyết, thiết kế chế tạo và thực nghiệm cắt gọt; khẳng định tính khả thi của mô hình cán dao tích hợp dầm console và dung dịch từ tính Ferrofluid trong việc giảm rung và nâng cao chất lượng bề mặt; đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật và đề xuất các định hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và phát hiện thực nghiệm

  • Hiệu quả dập tắt rung động: So sánh biểu đồ tắt dao động giữa cán dao đặc (Biểu đồ 3.46) và cán dao giảm chấn (Biểu đồ 3.47) cho thấy cán dao tích hợp cơ cấu giảm chấn có tốc độ suy giảm biên độ dao động nhanh hơn rõ rệt. Tín hiệu rung động đo được từ cảm biến TcAs DynaLogger (thể hiện qua các thành phần gia tốc Acceleration, vận tốc Velocity và độ dịch chuyển Displacement trên cả 3 trục $X, Y, Z$) ở cả hai đại lượng đỉnh tới đỉnh (PP) và hiệu dụng (RMS) đều giảm đáng kể khi sử dụng cán dao giảm chấn chứa Ferrofluid dưới tác động của nam châm so với cán dao đặc thông thường và cán dao rỗng trong môi trường không khí.
  • Ảnh hưởng của môi trường cản và dầm console: Trong số các môi trường khảo sát (không khí, nước, dầu và Ferrofluid), việc kết hợp dầm console với lưu chất từ tính Ferrofluid mang lại hiệu quả cản dịu dao động cao nhất. Trong số các mẫu dầm console được chế tạo, đồ án đã sàng lọc và xác định được 3 thanh dầm console có mức độ rung động thấp nhất (trong đó ghi nhận nổi bật thanh dầm console số 1, thanh số 12 và thanh số 17).
  • Cải thiện độ bóng bề mặt ($R_a$): Kết quả đo nhám bằng máy Mitutoyo SJ-201 trên các mẫu phôi thép C45 cho thấy giá trị sai lệch trung bình số học $R_a$ của bề mặt phay bằng cán dao giảm chấn gắn thanh dầm console tối ưu (như thanh số 12 và thanh số 17) đạt trị số nhấp nhô thấp hơn, bề mặt đồng đều và giảm thiểu các vết gợn sóng do rung động cưỡng bức/chatter gây ra so với bề mặt gia công bằng cán dao đặc tiêu chuẩn dưới cùng chế độ cắt ($n = 770\text{ vòng/phút}$).

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả

  • Quy cách gá kẹp cán dao: Khi tiến hành gá đặt và kẹp chặt cán dao giảm chấn lên đầu kẹp dao của máy phay, tuyệt đối không được kẹp trùm lên toàn bộ phần thân chứa cơ cấu giảm chấn rỗng, nhằm tránh làm biến dạng vỏ ngoài hoặc cản trở chuyển động dao động tương đối của thanh dầm console và dung dịch bên trong.
  • Kiểm soát nhiệt độ và làm mát: Khả năng giảm chấn của cán dao sử dụng lưu chất Ferrofluid có xu hướng suy giảm khi hoạt động ở nhiệt độ cao (do nhiệt làm gia tăng chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt nano từ tính, làm giảm độ nhớt và tính định hướng từ). Tác giả kiến nghị bắt buộc phải sử dụng hệ thống tưới nguội đầy đủ trong quá trình gia công để duy trì tính ổn định của dung dịch từ biến.
  • Lựa chọn thông số hình học và mảnh cắt: Nên ưu tiên sử dụng mảnh insert có góc cắt $< 45^\circ$ để định hướng lực cắt hợp lý, tạo phoi mỏng, tăng tính ổn định động lực học và giảm rung chấn; chọn mảnh insert có cạnh tròn sắc (bán kính góc lượn phù hợp), có lớp phủ cứng chuyên dụng (TiN, TiCN, TiC) và bố trí dao có bước răng phù hợp để đảm bảo không gian thoát phoi tốt, tránh kẹt phoi làm gia tăng xung lực rung động.

Đóng góp của đề tài

  • Tự thiết kế và chế tạo thành công một mẫu cán dao phay mặt đầu tích hợp cơ cấu giảm chấn dầm console ruột rỗng kết hợp lưu chất từ biến Ferrofluid và nam châm với chi phí gia công chế tạo thấp, phù hợp với điều kiện trang thiết bị nhà xưởng trong nước.
  • Xây dựng được quy trình thực nghiệm đồng bộ kết hợp đo đạc động học rung động 3 chiều thời gian thực (Acceleration, Velocity, Displacement) bằng cảm biến DynaLogger và đo lường vi hình học bề mặt ($R_a$) bằng máy đo nhám chuyên dụng Mitutoyo SJ-201.
  • Cung cấp tập dữ liệu thực nghiệm chi tiết về hành vi dập tắt dao động của dầm console trong các môi trường khác nhau (không khí, nước, dầu, Ferrofluid ở các nồng độ và vị trí đặt nam châm), chứng minh được tiềm năng ứng dụng của vật liệu thông minh (smart fluids) trong cải thiện chất lượng công nghệ phay.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quá trình thực nghiệm cắt gọt chỉ mới tiến hành trên một loại máy phay duy nhất tại xưởng Thực hành cơ khí của Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chưa được kiểm chứng trên các dòng máy phay CNC công nghiệp có dải tốc độ trục chính cao hơn.
  • Thực nghiệm chỉ khảo sát trên một quy cách cán dao phay mặt đầu duy nhất ($D_c = 25\text{ mm}$, mã BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13), một loại mảnh insert APMT1135PDER-M2 và một loại vật liệu phôi duy nhất là thép C45.
  • Chế độ cắt thử nghiệm được cố định ở một mức vận tốc duy nhất ($n = 770\text{ vòng/phút}$, $V_c \approx 60{,}4\text{ m/phút}$), chưa khảo sát biến thiên toàn diện theo nhiều dải lượng chạy dao ($f_z$) và chiều sâu cắt ($a_p, a_e$) khác nhau.
  • Cơ cấu sử dụng nam châm vĩnh cửu ngoài để tạo từ trường có cường độ từ trường cố định, chưa thể điều khiển linh hoạt độ lớn của từ trường theo thời gian thực như nam châm điện.
  • Thời gian gia công chế tạo thanh dầm console và tinh chỉnh các thông số ruột dao còn kéo dài; với mỗi chế độ cắt hoặc điều kiện cắt thay đổi, người dùng phải thay đổi thanh dầm console tương ứng để đạt hiệu quả dập tắt rung động tối ưu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi thực nghiệm trên nhiều dải chế độ cắt khác nhau (thay đổi vận tốc cắt $V_c$, bước tiến dao $f_z$, chiều sâu cắt $t$) để xây dựng bản đồ ổn định gia công hoàn chỉnh cho cán dao giảm chấn.
  • Tiến hành thử nghiệm cắt gọt trên nhiều nhóm vật liệu gia công cơ khí khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim đã qua nhiệt luyện).
  • Nghiên cứu thay thế nam châm vĩnh cửu bằng hệ thống nam châm điện tích hợp mạch điều khiển thông minh, cho phép điều chỉnh cường độ từ trường linh hoạt theo tín hiệu rung động phản hồi từ cảm biến trong quá trình cắt gọt thực tế.
  • Tối ưu hóa kết cấu dầm console và khoang chứa dung dịch để giảm kích thước, đơn giản hóa quy trình tháo lắp và rút ngắn thời gian chế tạo cán dao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các đối tượng và phạm vi chuyên môn sau:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Phù hợp làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy, đồ án Dụng cụ cắt hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến dao động cắt gọt và nâng cao chất lượng bề mặt gia công.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật xưởng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế để cải tiến các cán dao phay mặt đầu tiêu chuẩn nhằm giảm hiện tượng rung động, hạn chế mẻ vỡ mảnh hợp kim khi gia công các chi tiết có độ vươn dao lớn hoặc hệ thống công nghệ kém cứng vững.
  • Các phần nội dung đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
    • Quy trình thiết kế và chuyển đổi kết cấu từ cán dao tiêu chuẩn BAP 300R thành cán dao giảm chấn ruột rỗng có ren bít và lõi dầm console.
    • Phương pháp xây dựng mô hình đo lường thực nghiệm đa kênh: kết nối và phân tích dữ liệu rung động 3 trục từ cảm biến TcAs DynaLogger (trích xuất đồng thời tín hiệu gia tốc, vận tốc, độ dịch chuyển qua hai đại lượng PP và RMS).
    • Phương pháp thiết lập các trường hợp thử nghiệm so sánh ảnh hưởng của môi chất cản (không khí, nước, dầu, dung dịch từ tính Ferrofluid ở các nồng độ và vị trí nam châm) tác động đến độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết ($R_a$).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng quy cách cán dao và mảnh insert nào cho quá trình thực nghiệm?

Đồ án sử dụng đồng nhất mẫu cán dao phay mặt đầu mã BAP 300R C25-25-200-3T 1135 19E13 của hãng HJW (đường kính cán dao $D_c = 25\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $200\text{ mm}$, lắp 3 mảnh cắt) cho cả mẫu cán dao đặc đối chứng và mẫu cán dao gia công khoan lỗ giảm chấn. Mảnh insert hợp kim sử dụng là mã APMT1135PDER-M2 do hãng Mitsubishi sản xuất.

2. Cơ cấu giảm chấn bên trong thân cán dao phay được cấu tạo gồm những chi tiết nào?

Cơ cấu giảm chấn gồm một khoang rỗng hình trụ được khoan dọc tâm thân cán dao, bên trong lắp một thanh lõi đóng vai trò dầm console đàn hồi liên kết với nắp bích ren ở chuôi dao. Khoang rỗng này được nạp dung dịch từ tính Ferrofluid (chất lỏng nano sắt từ) và được đặt dưới tác động của từ trường sinh ra bởi hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn trên đồ gá định vị.

3. Tín hiệu rung động và chất lượng bề mặt gia công được đo đạc bằng những thiết bị cụ thể nào?

Tín hiệu rung động của cán dao trong quá trình cắt gọt được thu thập bằng cảm biến đo độ rung TcAs DynaLogger, ghi nhận dữ liệu dao động thời gian thực trên 3 trục không gian ($X, Y, Z$) với các thông số Gia tốc (Acceleration), Vận tốc (Velocity) và Độ dịch chuyển (Displacement) thông qua giá trị đỉnh tới đỉnh (PP) và giá trị hiệu dụng (RMS). Độ bóng bề mặt gia công được đo đạc bằng máy đo độ nhám cầm tay Mitutoyo SJ-201 để xác định sai lệch trung bình số học $R_a$ theo tiêu chuẩn TCVN 2511-78.

4. Chế độ cắt và quy cách mẫu phôi thử nghiệm trong đồ án được thiết lập ra sao?

Thực nghiệm sử dụng 20 mẫu phôi thép kết cấu carbon C45 có kích thước hình học $40 \times 40 \times 25\text{ mm}$. Chế độ cắt được duy trì cố định dựa trên thông số khuyến nghị của nhà sản xuất mảnh dao: tốc độ quay trục chính $n = 770\text{ vòng/phút}$, tương ứng với vận tốc cắt tính toán $V_c \approx 60{,}4\text{ m/phút}$ (theo công thức $V_c = \pi \cdot D_c \cdot n / 1000$ với $D_c = 25\text{ mm}$).

5. Kết quả thực nghiệm đã xác định được những thanh dầm console nào có hiệu quả dập tắt rung động tốt nhất?

Thông qua việc phân tích 45 biểu đồ sóng động học và biểu đồ tắt dao động từ cảm biến TcAs DynaLogger trên các trường hợp thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã xác định được 3 thanh dầm console có mức độ rung động thấp nhất để tiến hành đo độ nhám bề mặt chi tiết phay, trong đó ghi nhận cụ thể các thanh dầm console số 1, thanh số 12 và thanh số 17.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình cán dao phay mặt đầu tích hợp hệ thống giảm chấn dầm console ruột rỗng sử dụng lưu chất từ biến Ferrofluid kết hợp nam châm. Kết quả thực nghiệm cắt gọt phôi thép C45 ở chế độ quay $n = 770\text{ vòng/phút}$ đã chứng minh cán dao giảm chấn có khả năng dập tắt nhanh biên độ dao động cơ học trên cả 3 trục không gian ($X, Y, Z$), giúp giảm thiểu rung chấn so với cán dao đặc tiêu chuẩn. Dữ liệu đo đạc bằng máy Mitutoyo SJ-201 khẳng định độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết ($R_a$) được cải thiện rõ rệt khi sử dụng các thanh dầm console tối ưu (như thanh số 12 và thanh số 17). Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị tham khảo cao về việc ứng dụng vật liệu thông minh để nâng cao độ ổn định động lực học và chất lượng công nghệ trong gia công cắt gọt cơ khí.