MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì ngành cơ khí có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác về kích thước và hình dáng hình học của sản phẩm. Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm chế tạo nói chung và nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng.
Việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác cao thường được áp dụng nhiều trên các trung tâm gia công. Tuy nhiên trong quá trình gia công không thể tránh khỏi những sai số chế tạo do nhiều nguyên nhân gây nên. Một số nguyên nhân có thể dẫn đến làm giảm độ chính xác của các máy tiện như: sai số lắp ráp trong các khớp nối truyền thống, khe hở do mòn trong vít me bi, ổ lăn,. Để đạt được độ chính xác cao quy trình gia công thường đượng thực hiện qua nhiều bước bao gồm: gia công thô, bán tinh và tinh trên máy tiện, cuối cùng nguyên công mài thường được sử dụng để hoàn thiện chi tiết.
Trong nguyên công mài cuối cùng này, dung sai của chi tiết cần gia công sẽ được quyết định. Máy tiện CNC thông thường bị cản trở bởi ma sát và khe hở của các bộ truyền động, do đó độ chính xác định vị của từng trục nhất định bị hạn chế. Độ chính xác định vị khác nhau đối với mỗi máy, nhưng thông thường giá trị từ 5µm – 20µm được giả định. Rõ ràng là các sản phẩm gia công trên máy tiện có yêu cầu dung sai kích thước lên đến 1/1000 (mm) không thể được sản xuất trên máy tiện thông thường.
Khi đó, 1 nguyên công mài (hoặc tiện bằng máy có độ chính xác cao hơn) cần phải được bổ sung thêm vào quy trình công nghệ. Trong gia công tiện chính xác, các dung sai kích thước dưới 1/1000 (mm) đều có thể đạt được trên máy tiện. Nhìn chung, tiện mang lại tốc độ sản xuất cao hơn, ít chi phí vốn và dụng cụ hơn, và thân thiện với môi trường hơn so với mài. Rõ ràng bằng cách thực hiện toàn bộ quy trình gia công trên cùng một máy, thời gian chu kỳ trên mỗi bộ phận được giảm xuống do không cần thay đổi máy công cụ.
Máy tiện có độ chính xác cao gần đây đã xuất hiện để đáp ứng các yêu cầu tiện chính xác. Hạn chế chính của chúng là chi phí vốn cao, điều này có thể làm khó cho các nhà máy sản xuất đã sở hữu máy tiện thông thường nến muốn đầu tư máy móc và nâng cao độ chính xác gia công. Cũng như nhiều máy móc có độ chính xác cao đòi hỏi một môi trường đặc biệt tách rung động và cách ly nhiệt, điều này làm tăng thêm chi phí xây dựng nhà xưởng. Để tận dụng không cần mua máy móc, thiết bị mới, tận dụng được các máy móc thế hệ cũ mà vẫn có thể chế tạo được sản phẩm có độ chính xác cao với giá thành rẻ, giải pháp thay thế là sử dụng bộ truyền động, công cụ chuyển động chính xác PZT (Piezo actuator) kết hợp với CCĐH được gắn vào máy tiện thông thường.
Theo cách này, chuyển động thô được thực hiện bởi bộ truyền động cấp CNC của máy tiện và việc định vị tinh chỉ được thực hiện bởi bộ truyền động cơ cấu ăn dao. Thông thường bộ truyền động áp điện PZT được sử dụng để cung cấp chuyển động tốt trong các ứng dụng gia công. Trong luận án này, sự phát triển của bộ truyền động áp điện để tiện chính xác được trình bày. Bộ truyền động được thiết kế như một phần bổ sung cho một máy tiện thông thường, nhờ đó các bộ truyền động ăn dao của máy tiện thực hiện chuyển động thô và bộ truyền động điều chỉnh vị trí dụng cụ trong quá trình gia công tinh là cơ cấu ăn dao.
Hệ thống hoàn chỉnh đã được phát triển, bao gồm thiết kế tối ưu và phân tích, chế tạo và lắp ráp thiết bị 2 truyền động, tiếp theo là nhận dạng hệ thống và thiết kế bộ điều khiển, và cuối cùng là thực nghiệm trong cả phòng thí nghiệm và cơ sở công nghiệp. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu là thiết kế tối ưu hóa và chế tạo cơ cấu ăn dao dùng CCĐH được gắn trên bàn dao của máy tiện nhằm nâng cao độ chính xác cơ cấu ăn dao, giảm độ nhám bề mặt khi gia công. Về mặt công nghệ khi gia công tinh không cần bổ sung thêm nguyên công mà vẫn có thể đạt được độ chính xác lên đến 1/1000 (mm). Để thực hiện được mục đích trên thì các vấn đề quan tâm của đề tài bao gồm: (1).
Thiết kế và phân tích động học và động lực học cơ cấu ăn dao. Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy kích thước cơ cấu ăn dao. Chế tạo và thực nghiệm cơ cấu ăn dao. Điều khiển cơ cấu ăn dao.
Sử dụng cơ cấu ăn dao gắn trên máy tiện cơ và máy tiện CNC để gia công vật liệu thép C45 và so sánh với máy tiện cơ và máy tiện CNC khi không gắn cơ cấu ăn dao này. Tiêu chí so sánh độ nhám bền mặt và độ chính xác cơ cấu ăn dao. Nhiệm vụ nghiên cứu Nâng cao độ chính xác của cơ cấu ăn dao dùng CCĐH. Trong gia công tiện chính xác, các dung sai kích thước dưới 1/1000 (mm) đều có thể đạt được trên máy tiện CNC thông thường.
Làm nâng cao độ chính xác cơ cấu ăn dao và giảm độ nhám khi gia công. - Xây dựng mô hình toán chuyển vị, động học và động lực học của cơ cấu ăn dao. - Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu ăn dao. - Thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm cơ cấu ăn dao.
- Điều khiển cơ cấu ăn dao bằng thuât toán GA - PID. - Thực nghiệm kiểm chứng cơ cấu ăn dao để gia công vật liệu thép C45, theo các tiêu chí như giảm độ nhám và nâng cao độ chính xác cơ cấu ăn dao khi gia công. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này chỉ đi sâu nghiên cứu độ chính xác cơ cấu ăn dao, bỏ qua các ảnh hưởng khác đến độ chính xác trong quá trình gia công. Cơ cấu ăn dao dùng CCĐH làm bằng vật liệu hợp kim nhôm (Al-7075) được dùng để gắn trên bàn dao của máy tiện cơ MAQ CD6241X100 và máy tiện CNC ECOCA SL-8 để gia công vật liệu thép C45.
Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình toán, phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm. Phương pháp xây dựng mô hình toán giải tích: được thực hiện bằng cách phân tích mô tả toán học của cơ cấu ăn dao giúp cho luận án có cách tiếp cận tổng quát, khoa học và xác định đúng hướng nghiên cứu. Phương pháp mô phỏng số: các bài toán tính toán, tối ưu đề xuất đều được tính toán, kiểm tra trên phần mềm MATLAB và ANSYS thể hiện tính trực quan và độ tin cậy cao trong miền khảo sát mong muốn. Phương pháp thực nghiệm: dùng phương pháp Taguchi, phần mềm MINITAB 16 để thiết kế và phân tích thực nghiệm.
Thử nghiệm thực trên máy tiện Các chỉ tiêu kỹ thuật của từng giải pháp đề xuất đều đã được xem xét một cách định lượng dựa vào các tiêu chuẩn hiện nay. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu a. Ý nghĩa khoa học – Lần đầu tiên, một hệ thống dụng cụ cắt chính xác và thiết bị cắt thử nghiệm phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước được xây dựng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sau này trong lĩnh vực này tại Việt Nam. – Đã triển khai nghiên cứu đánh giá thực nghiệm những ưu điểm chính của cơ cấu ăn dao dùng CCĐH so với máy tiện cơ và máy tiện CNC thông thường các chỉ tiêu về độ chính xác gia công, độ nhám bề mặt.
– Nghiên cứu phát triển được hai thiết kế mới và xây dựng mô hình toán mới, mối quan hệ giữa chuyển vị, độ cứng đầu vào – đầu ra, động học và động lực học cơ cấu ăn dao. – Về mặt phương pháp tính toán thiết kế tối ưu, đề xuất ra hai giải thuật thiết kế tối ưu mới tổng quát nhất từ việc tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương đến tối ưu hóa CCĐH và phân tích độ tin cậy: (I) Giải thuật di truyền dùng TOPSIS cho khâu cứng tương đương và CCĐH kết hợp. Giải thuật thiết kế tối ưu hóa này trải qua 5 giai đoạn: (1) thiết kế tối ưu cơ cấu khâu cứng tương đương, (2) chuyển đổi thành CCĐH, (3) dùng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS để phân tích ứng xử chuyển vị, ứng suất, tần số, (4) thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu dùng NSGA-II hướng tiếp cận tập nghiệm Pareto, (5) xác định các trọng số Entropy và phương pháp TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) để lựa chọn lời giải tốt ưu tốt nhất. (II) Thiết kế tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy.
Giải thuật này trải qua 3 giai đoạn: (1) thiết kế tối ưu cơ cấu khâu cứng tương đương và chuyển đổi cơ cấu tương đương thành CCĐH, (2) thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu 5 của cơ cấu đàn hồi dùng NSGA-II hướng tiếp cận tập nghiệm Pareto, (3) Phân tích độ tin cậy dùng FORM. – Luận án này có ý nghĩa tham khảo rất quan trọng đối với việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự trong lĩnh vực kết cấu đàn hồi. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu của tài liệu cũng giúp mang lại hiểu biết mới về các phương pháp mô hình hóa, tối ưu hóa độ tin cậy và điều khiển vòng kín bằng GA – PID trong phần mềm LABVIEW. Ý nghĩa thực tiễn – Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển cơ cấu định vị chính xác có vai trò quan trọng trong gia công, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất gia công, tuổi thọ của dao và độ chính xác của máy tiện.
Nhiều bài báo khoa học đã được xuất bản quốc tế về các CCĐH để định vị chính xác và các ứng dụng của chúng. Tuy nhiên, ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế.