Khảo sát cán dao tiện có giảm chấn

Báo cáo nghiên cứu khoa học: Khảo sát cán dao tiện có giảm chấn - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Đặng Huỳnh Vũ Luân
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Khảo sát cán dao tiện có giảm chấn
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu cán dao tiện có giảm chấn tại ĐH SPKT TPHCM

Nghiên cứu khảo sát cán dao tiện có giảm chấn là đề tài khoa học sinh viên mã số SV2023-113. Đề tài thực hiện tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Nhóm tác giả tập trung giải quyết bài toán rung động cơ học trong gia công tiện. Quá trình cắt kim loại luôn phát sinh lực cắt biến thiên. Dao động uốn và xoắn xuất hiện trên cán dao. Hiện tượng này làm suy giảm chất lượng gia công. Độ nhám bề mặt chi tiết tăng cao. Mảnh dao mòn nhanh và dễ gãy vỡ. Việc trang bị cơ cấu giảm chấn cho cán dao là hướng đi thiết thực. Nghiên cứu tập trung chế tạo mô hình thực nghiệm khép kín. Các tác giả tiến hành khảo sát và đánh giá biên độ rung động. Dữ liệu thí nghiệm phản ánh chính xác hiệu quả triệt tiêu rung chấn. Kết quả đề tài mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong xưởng cơ khí chế tạo. Đề tài đóng góp tài liệu kỹ thuật giá trị cho sinh viên và kỹ sư cơ khí chế tạo máy.

1.1. Mục tiêu đề tài cán dao giảm chấn SV2023 113

Đề tài SV2023-113 xác định ba mục tiêu trọng tâm. Mục tiêu thứ nhất là khảo sát kết cấu cán dao tiện có giảm chấn. Mục tiêu thứ hai là chế tạo mô hình đo rung động phục vụ thực nghiệm. Mục tiêu thứ ba là phân tích định lượng khả năng triệt tiêu rung lắc của các phương án kết cấu cán dao. Nhóm nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của ThS. Nguyễn Trọng Hiếu tập trung kiểm chứng các thông số gia công. Kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ mối liên hệ giữa biên độ dao động và chất lượng bề mặt cắt. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng. Những kết luận khoa học hỗ trợ sinh viên hoàn thiện đồ án chuyên ngành chế tạo máy một cách trực quan.

1.2. Tính cấp thiết của giải pháp giảm chấn gia công tiện

Nhu cầu gia công chi tiết cơ khí đòi hỏi độ chính xác kích thước ngày càng khắt khe. Gia công tiện các lỗ sâu hoặc gá phôi dài đối mặt với thách thức rung động lớn. Rung chấn gây ra gợn sóng trên bề mặt phôi. Sai lệch hình học chi tiết gia công vượt ngưỡng dung sai cho phép. Thiết bị gia công chịu tải trọng động bất lợi và nhanh chóng xuống cấp. Do đó cán dao tiện giảm chấn trở thành giải pháp kỹ thuật cấp thiết. Việc nghiên cứu cán dao này tại trường đại học kỹ thuật đáp ứng sát sườn yêu cầu thực tiễn. Doanh nghiệp cần công nghệ giảm chi phí phế phẩm và tối ưu năng suất cắt gọt. Đề tài mở đường cho các sáng kiến cơ khí nội địa hóa.

II. Phân tích vấn đề rung động cán dao tiện trong gia công cơ khí

Rung động trong quá trình tiện kim loại là hiện tượng động học phức tạp. Hệ thống công nghệ máy, đồ gá, dao và chi tiết luôn tương tác liên tục. Khi mũi dao ăn sâu vào phôi, vật liệu bị nén ép đàn hồi rồi trượt dẻo tạo phoi. Lực cắt phân rã thành ba thành phần không ổn định theo thời gian. Sự biến thiên lực cắt kích hoạt các dao động cưỡng bức và tự kích. Biên độ dao động tăng đột biến khi tần số kích thích trùng với tần số riêng của cán dao. Trạng thái cộng hưởng gây rung rần dữ dội toàn bộ hệ thống máy tiện. Hiện tượng này phá vỡ thế cân bằng cơ học ban đầu. Bề mặt gia công xuất hiện vết lượn sóng nhấp nhô rõ rệt. Dung sai hình học của chi tiết trục tròn xoay bị sai lệch nghiêm trọng. Cán dao chịu mô men uốn chu kỳ lớn dẫn đến mỏi kim loại. Mảnh hợp kim cắt dễ bị mẻ lưỡi hoặc nứt vỡ bất ngờ. Hiện tượng rung động kéo dài còn gây hại tới ổ trục trục chính của máy tiện.

2.1. Nguồn gốc sinh ra rung động trong quá trình cắt gọt

Nguồn gốc rung động bắt nguồn từ bản chất không đồng nhất của vật liệu phôi. Sự gián đoạn trong cơ chế tách phoi tạo nên dao động tuần hoàn. Chế độ cắt gồm chiều sâu cắt t, lượng chạy dao S và tốc độ cắt V tác động trực tiếp lên dao động. Thông số hình học dao như góc nghiêng chính và bán kính mũi dao làm thay đổi hướng lực tiếp xúc. Chiều dài phần vươn của cán dao càng lớn thì độ cứng vững uốn càng suy giảm. Ngoài ra động cơ truyền động và cụm trục chính của máy tiện cũng truyền rung động ngoại vi. Sự cộng gộp các yếu tố này làm mất tính ổn định động học trong suốt chu trình cắt gọt kim loại.

2.2. Tác hại tiêu cực của rung động tới bề mặt phôi và dao

Rung động biên độ lớn để lại hậu quả nghiêm trọng cho sản phẩm cơ khí. Bề mặt gia công xuất hiện các vân sóng thô ráp. Độ nhám Ra và Rz tăng cao vượt giới hạn thiết kế kỹ thuật. Kích thước chi tiết không đạt yêu cầu lắp ghép chính xác. Tỷ lệ phế phẩm gia tăng đẩy chi phí sản xuất lên cao. Đồng thời mũi cắt hợp kim phải chịu tải va đập liên tục. Lưỡi cắt nhanh chóng bị mòn cơ học, mẻ sứt hoặc gãy vỡ đột ngột. Chi phí thay thế dao cụ và thời gian dừng máy tăng đáng kể. Tiếng ồn rung rần lớn còn gây ô nhiễm môi trường làm việc trong phân xưởng chế tạo máy.

III. Phương pháp thử nghiệm cán dao tiện có giảm chấn tại SPKT TPHCM

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM xây dựng quy trình thực nghiệm đồng bộ. Toàn bộ chi tiết phi tiêu chuẩn được thiết kế mô hình hóa 3D trên phần mềm Autodesk Inventor 2024. Cụm đế đỡ chế tạo bằng thép C45 với kích thước 120x320x30 mm nhằm bảo đảm độ cứng vững. Cụm ụ dao kích thước 100x100x120 mm liên kết chắc chắn vào đế bằng bu lông lục giác chìm DIN tiêu chuẩn. Một động cơ điện mini gắn trực tiếp lên cán dao qua cụm kẹp để kích thích rung động có kiểm soát. Cảm biến gia tốc rung được cố định vào thân dao bằng dây rút nhựa nhằm hạn chế nhiễu kim loại và bảo vệ thiết bị. Tín hiệu dao động thu thập theo thời gian thực truyền về máy tính. Nhóm khảo sát ba phương án đối chứng gồm cán dao tiêu chuẩn không giảm chấn, cán dao giảm chấn rỗng và cán dao giảm chấn lắp lõi hấp thụ. Phương pháp đo lường khách quan cung cấp nguồn dữ liệu tin cậy cho bài toán phân tích rung động cơ khí.

3.1. Thiết kế mô hình gá đặt thực nghiệm đo rung động cán dao

Mô hình thực nghiệm thiết kế chuyên biệt để giả lập điều kiện làm việc thực tế. Khung đỡ chính gồm đế đỡ thép C45 và ụ kẹp dao vững chắc. Kích thước đế đỡ 120x320x30 mm giữ trọng tâm thấp và hạn chế rung lắc tự do. Ụ kẹp dao 100x100x120 mm ôm chặt cán dao bằng bốn bu lông lục giác chịu lực. Cơ cấu kẹp động cơ mini được gia công chính xác để truyền lực kích rung đều đặn. Toàn bộ liên kết cơ khí tuân thủ tiêu chuẩn DIN và ISO. Kết cấu gá đặt này triệt tiêu các sai số gá lắp ngoài ý muốn. Mô hình bảo đảm tính lặp lại cao qua từng lượt đo thực nghiệm.

3.2. Thu thập và xử lý tín hiệu rung động qua cảm biến chuyên dụng

Hệ thống đo lường sử dụng cảm biến gia tốc thu thập tín hiệu dao động cán dao. Vị trí gắn cảm biến nằm gần đầu mũi dao nhằm bắt trọn biên độ cực đại. Cảm biến liên kết với thân dao thông qua đai thít nhựa chuyên dụng. Phương pháp này ngăn ngừa dòng rò điện và tránh va đập làm hỏng linh kiện đo. Tín hiệu rung truyền về máy tính qua bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC. Dữ liệu miền thời gian được phân tích qua các chỉ số thống kê gồm RMS, Crest Factor và Kurtosis. Phần mềm Minitab hỗ trợ xử lý và trực quan hóa các đường đặc tuyến rung động. Nhóm nghiên cứu so sánh đối chiếu số liệu giữa các cấu hình cán dao.

IV. Kết luận ứng dụng cán dao tiện có giảm chấn trong thực tế sản xuất

Kết quả nghiên cứu tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM khẳng định hiệu năng vượt trội của cán dao giảm chấn. Cấu hình cán dao trang bị lõi triệt tiêu hấp thụ năng lượng dao động rõ rệt so với cán dao thường. Biên độ dịch chuyển đỉnh-đỉnh và giá trị hiệu dụng RMS giảm sút đáng kể trên các biểu đồ đo lường. Quá trình cắt gọt duy trì tính ổn định cao dù vận hành ở tốc độ trục chính lớn. Hiện tượng uốn rung thân dao bị triệt tiêu giúp bề mặt chi tiết đạt độ bóng đồng đều. Tuổi thọ của mảnh hợp kim tiện được kéo dài nhờ giảm thiểu va đập cơ học liên tục. Giải pháp kỹ thuật này chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng vào dây chuyền tiện công nghiệp. Chi phí chế tạo kết cấu giảm chấn phù hợp với điều kiện cơ sở sản xuất trong nước. Nghiên cứu khẳng định năng lực thực hành sáng tạo của sinh viên cơ khí Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.

4.1. Hiệu quả triệt tiêu rung chấn của kết cấu lõi giảm chấn

Số liệu thực nghiệm cho thấy kết cấu lõi giảm chấn tạo ra khác biệt rõ nét. Cán dao giảm chấn lắp lõi giúp dập tắt dao động nhanh hơn nhiều so với cán dao đặc. Các chỉ số đỉnh xung động (Peak to Peak) và hệ số Crest Factor giảm mạnh. Lõi hấp thụ đóng vai trò như một bộ cản động lực học tiêu tán năng lượng dao động uốn. Bề mặt gia công không còn hiện tượng gợn nhấp nhô do rung chấn. Chất lượng độ nhẵn bóng của chi tiết tiện cải thiện rõ rệt so với phương án cắt dao thông thường. Kết cấu lõi chứng tỏ hiệu quả triệt rung vượt trội.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế và hướng phát triển đề tài

Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế rất lớn cho ngành chế tạo cơ khí. Cán dao tiện có giảm chấn phù hợp trang bị cho các nguyên công tiện lỗ sâu và tiện trục dài. Giải pháp giúp doanh nghiệp cắt giảm tỷ lệ phế phẩm và tiết kiệm chi phí mua sắm dụng cụ cắt. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là khảo sát dao động trong điều kiện cắt gọt phôi thật trên máy tiện vạn năng và máy CNC. Nghiên cứu vật liệu lõi giảm chấn mới như hợp kim nặng hoặc vật liệu đàn nhớt cũng là định hướng triển vọng. Các kết quả này thúc đẩy phát triển công nghệ dụng cụ cắt nội địa chất lượng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, ngành gia công cơ khí chính xác ngày càng yêu cầu khắc khe hơn về độ chính xác mà vẫn phải đảm bảo năng suất cũng như chất lượng cao cho sản phẩm. Do đó, quá trình gia công cơ khí chính xác đang đối mặt với những thách thức lớn. Nếu trong quá trình gia công để đảm bảo năng suất thì đòi hỏi phải gia công với tốc độ cao, chiều sâu mỗi lần cắt có bề dày tương đối lớn, việc gia công như vậy đồng nghĩa với việc tạo ra rất nhiều rung động và tiếng ồn,thứ nhất là dễ hư hại công cụ cắt và thứ hai là khó đảm bảo được chất lượng bề mặt. Khi gia công cơ khí nói chung và gia công tiện nói riêng luôn tạo ra rung động và tiếng ồn lớn.

Đa phần để giảm rung động và tiếng ồn này người vận hành máy thường chọn phương pháp giảm các thông số quá trình gia công n: tốc độ trục chính (vòng/phút), Vc: vận tốc cắt (m/phút), t: chiều sâu lớp cắt (mm). Việc giảm các thông số quá trình như vậy làm ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất gia công. Do đó bài nghiên cứu này sẽ giúp đưa ra những giải pháp khắc phục rung động mà vẫn đảm bảo thông số quá trình, duy trì năng suất bằng cách ứng dụng những công cụ có khả năng giảm chấn vào quá trình gia công cơ khí. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Tình hình nghiên cứu trong nước: Nền công nghiệp phát triển đi đôi với việc phát triển thiết bị, thiết bị phát triển thì quá trình sản xuất, dụng cụ cắt phải phát triển.

Chình vì vậy, cần phải có các biện pháp cải tiến để tăng năng suất, giảm giá thành và nâng chất lượng chi tiết gia công. Ngày nay, thiết bị sử dụng gia công cắt gọt phát triển mạnh mẽ, cụ thể là thiết bị điều khiển chương trình số, các hệ thống tự động. Do thiết bị phát triển kéo theo dụng cụ cắt phát triển, máy gia công và dụng cụ cắt có tương quan mật thiết với nhau. Trong khi đó tại Việt Nam dụng cụ cắt chỉ có vài cơ sở chế tạo như: công ty cổ phần dụng cụ số 1, công ty Vạn Xuân, công ty TNHH dụng cụ An Mi… Chủ yếu, nước ta nhập khẩu và ứng dụng các nghiên cứu có sẵn vào sản xuất.

Dụng cụ cắt trong nước còn nhiều hạn chế về năng suất và đặc biệt chưa có dụng cụ cắt chú trọng đến rung động trong quá trình gia công như dụng cụ cắt giảm rung động. 5 Ngành cơ khí chế tạo có 3 hướng phát triển: phát triển về máy gia công, phát triển về công nghệ và phát triển về dụng cụ cắt. Dựa vào tình hình thực tế trong nước, phát triển và ứng dụng dụng cụ cắt là phù hợp và cấp thiết. Độ nhám bề mặt nói lên tính chất của quá trình gia công và tính chất làm việc của chi tiết.

Trong nước cũng có một số nghiên cứu về ảnh hưởng của yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt gia công như: Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của cán dao giảm chấn đến độ bóng bề mặt trong quá trình phay mặt phẳng” của Nguyễn Văn Toàn – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Tác giả đã thực nghiệm sử dụng cán dao phay giảm chấn với các chế độ cắt khác nhau cho từng loại vật liệu cụ thể, từ đó tìm được chế độ cắt tối ưu nhất. Tuy nhiên, trong điều kiện cắt gọt khác thì cán dao giảm chấn chưa ưu việt hơn so với cán dao thường bởi vì cơ cấu giảm chấn chưa thay đổi linh hoạt được.