Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp cơ khí hiện đại, công nghệ gia công kim loại tấm ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao. Theo ước tính, công nghệ Incremental Sheet Forming (ISF) đã trở thành phương pháp tạo hình kim loại tấm phổ biến nhờ tính linh hoạt và khả năng tạo mẫu nhanh chóng mà không cần khuôn mẫu phức tạp. Tuy nhiên, việc ứng dụng ISF tại Việt Nam còn hạn chế do thiếu các thiết bị chuyên dụng phù hợp và chi phí đầu tư cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình miết CNC có dao động, nhằm nâng cao hiệu suất gia công và chất lượng bề mặt sản phẩm. Mục tiêu cụ thể bao gồm thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình miết CNC tích hợp thiết bị dao động PZT (Piezoelectric Transducers), gia công và lắp ráp mô hình, đồng thời thực nghiệm gia công một số mẫu ứng dụng thực tế. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020, với phạm vi tập trung vào công nghệ ISF và thiết bị dao động hỗ trợ quá trình miết CNC.

Ý nghĩa của đề tài thể hiện rõ qua việc phát triển công nghệ gia công kim loại tấm phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần giảm chi phí đầu tư thiết bị nhập khẩu, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời mở rộng ứng dụng công nghệ ISF trong các ngành công nghiệp như chế tạo máy, hàng không và quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: công nghệ tạo hình Incremental Sheet Forming (ISF) và hiệu ứng áp điện trong thiết bị dao động PZT. ISF là phương pháp tạo hình kim loại tấm không dùng khuôn, sử dụng dụng cụ tạo hình di chuyển theo quỹ đạo lập trình số để biến dạng cục bộ tấm kim loại, cho phép tạo hình các chi tiết phức tạp với độ chính xác tương đối cao. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Biến dạng cục bộ tăng dần (Incremental Deformation): quá trình biến dạng từng phần nhỏ trên bề mặt tấm kim loại.
  • Dao miết CNC: dụng cụ tạo hình được điều khiển bằng máy CNC để thực hiện quá trình miết.
  • Thiết bị dao động PZT: cơ cấu chuyển đổi áp điện tạo ra rung động cưỡng bức với tần số cao và biên độ nhỏ, giúp giảm lực miết và cải thiện chất lượng bề mặt.
  • Loadcell: cảm biến đo lực miết trong quá trình gia công, phục vụ cho việc thu thập dữ liệu thực nghiệm.

Hiệu ứng áp điện được ứng dụng để tạo ra dao động siêu âm hỗ trợ quá trình miết, giúp giảm ma sát, lực cắt và tăng tuổi thọ dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: thu thập từ tài liệu chuyên ngành về ISF, thiết bị PZT, các báo cáo nghiên cứu khoa học và thực tế gia công tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phương pháp phân tích: thiết kế và mô phỏng các bộ phận dao miết, đồ gá đo lực (loadcell) trên phần mềm CAD/CAM như SolidWorks, Inventor và Creo; phân tích ứng suất, chuyển vị và độ bền của các chi tiết bằng mô phỏng phần tử hữu hạn.
  • Cỡ mẫu: mô hình thiết kế và chế tạo được thực hiện trên máy CNC với các chi tiết thử nghiệm gia công tấm kim loại.
  • Phương pháp chọn mẫu: lựa chọn các thông số công nghệ như bước tiến dao, tốc độ quay trục chính, đường kính dụng cụ dựa trên các nghiên cứu trước và điều kiện thực tế.
  • Timeline nghiên cứu: từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2020, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mô hình, chế tạo, thực nghiệm và tổng kết kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công mô hình miết CNC tích hợp dao động PZT: Mô hình được thiết kế với bộ gá dao miết có bạc trượt dẫn hướng, gắn trực tiếp dao miết vào thiết bị dao động bằng ren M8, đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác cao. Kết quả mô phỏng ứng suất tối đa trên các chi tiết dao miết và đồ gá loadcell đều nằm trong giới hạn an toàn, với ứng suất tối đa dưới 250 MPa, đảm bảo độ bền trong quá trình gia công.

  2. Ảnh hưởng tích cực của dao động PZT lên lực miết và chất lượng bề mặt: Thí nghiệm cho thấy lực miết giảm khoảng 15-20% khi sử dụng dao động cưỡng bức tần số cao (khoảng 20 kHz) với biên độ dao động 15 µm. Đồng thời, độ nhám bề mặt sản phẩm giảm từ mức trung bình 1.2 µm xuống còn khoảng 0.8 µm, cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt.

  3. Loadcell đo lực miết hoạt động ổn định và chính xác: Thiết kế đồ gá loadcell với các bulong kẹp và tấm đỡ được tính toán kỹ lưỡng, cho phép đo lực miết với sai số dưới 5%, hỗ trợ hiệu quả cho quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm và tối ưu hóa thông số gia công.

  4. So sánh sản phẩm miết có dao động và không có dao động: Sản phẩm gia công có tích hợp dao động PZT có bề mặt mịn hơn, ít khuyết tật do rung động tự nhiên không kiểm soát được, đồng thời giảm hiện tượng biến dạng ngược (springback) và hiệu ứng gối (pillow) trên bề mặt chi tiết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm lực miết và cải thiện chất lượng bề mặt là do dao động cưỡng bức làm thay đổi tương tác ma sát giữa dao miết và phôi, giảm ma sát tĩnh và động, từ đó giảm lực tác động lên chi tiết. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng siêu âm trong gia công cơ khí, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc tích hợp thiết bị PZT trong công nghệ miết CNC tại Việt Nam.

Mô phỏng ứng suất và chuyển vị trên phần mềm cho thấy thiết kế bộ gá và dao miết đảm bảo độ cứng vững, hạn chế rung động không mong muốn, góp phần nâng cao độ chính xác gia công. Các biểu đồ lực miết và độ nhám bề mặt có thể được trình bày qua bảng số liệu và biểu đồ cột để minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa các điều kiện gia công.

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy việc lựa chọn bước tiến dao, tốc độ quay trục chính và đường kính dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm, phù hợp với các phân tích lý thuyết về công nghệ ISF.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng rộng rãi thiết bị dao động PZT trong các máy miết CNC: Động thái này giúp giảm lực miết, nâng cao chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ, góp phần tăng năng suất gia công. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp cơ khí và viện nghiên cứu.

  2. Phát triển và hoàn thiện đồ gá đo lực loadcell: Để nâng cao độ chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu thực nghiệm, từ đó tối ưu hóa các thông số gia công. Khuyến nghị áp dụng trong 6 tháng, do các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu đảm nhiệm.

  3. Tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ ISF tích hợp dao động cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên: Giúp nâng cao năng lực chuyên môn và thúc đẩy ứng dụng công nghệ trong sản xuất. Thời gian đào tạo dự kiến 3-6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ miết CNC có dao động trong các ngành công nghiệp khác nhau: Như hàng không, quốc phòng, y tế để tận dụng ưu điểm về độ chính xác và chất lượng bề mặt. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ ISF và ứng dụng thiết bị dao động PZT, hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu và cải tiến công nghệ gia công kim loại tấm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và chế tạo máy: Thông tin về thiết kế, chế tạo mô hình miết CNC tích hợp dao động giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc giảng dạy, học tập và nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực gia công kim loại tấm và công nghệ CNC.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Hiểu rõ về tiềm năng và ứng dụng công nghệ mới giúp định hướng phát triển ngành cơ khí trong nước, thúc đẩy công nghiệp hóa hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ ISF là gì và có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    ISF là phương pháp tạo hình kim loại tấm không dùng khuôn, sử dụng dụng cụ tạo hình di chuyển theo quỹ đạo lập trình số để biến dạng cục bộ tấm kim loại. Ưu điểm gồm linh hoạt trong tạo mẫu, giảm chi phí khuôn, phù hợp sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ.

  2. Thiết bị dao động PZT hoạt động như thế nào trong quá trình miết CNC?
    PZT tạo ra rung động cưỡng bức tần số cao với biên độ nhỏ, làm giảm ma sát giữa dao miết và phôi, từ đó giảm lực miết và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

  3. Làm thế nào để đo lực miết chính xác trong quá trình gia công?
    Sử dụng đồ gá đo lực loadcell được thiết kế chuyên biệt, có khả năng đo lực với sai số dưới 5%, giúp thu thập dữ liệu thực nghiệm chính xác để tối ưu hóa thông số gia công.

  4. Ảnh hưởng của các thông số gia công như bước tiến dao, tốc độ quay trục chính đến chất lượng sản phẩm ra sao?
    Bước tiến dao nhỏ giúp giảm độ nhám bề mặt nhưng tăng thời gian gia công; tốc độ quay trục chính cao làm tăng nhiệt độ và khả năng biến dạng, nhưng có thể gây mài mòn dụng cụ nhanh hơn. Cần cân bằng các thông số để đạt hiệu quả tối ưu.

  5. Ứng dụng thực tế của mô hình miết CNC có dao động trong sản xuất là gì?
    Mô hình giúp gia công các chi tiết kim loại tấm có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao, chất lượng bề mặt tốt, phù hợp cho ngành công nghiệp ô tô, hàng không, quốc phòng và y tế.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình miết CNC tích hợp thiết bị dao động PZT, nâng cao hiệu suất và chất lượng gia công.
  • Thiết kế đồ gá loadcell đo lực miết chính xác, hỗ trợ thu thập dữ liệu thực nghiệm hiệu quả.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy lực miết giảm 15-20%, độ nhám bề mặt cải thiện rõ rệt khi sử dụng dao động cưỡng bức.
  • Phương pháp tích hợp dao động PZT phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần giảm chi phí đầu tư thiết bị nhập khẩu.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, đào tạo chuyển giao công nghệ và nghiên cứu mở rộng trong các ngành công nghiệp liên quan.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm mở rộng trên các loại vật liệu và chi tiết khác nhau, đồng thời hoàn thiện thiết kế để đưa vào sản xuất thực tế. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển công nghệ này.