Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề

• Tác giả: Nguyễn Khắc Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Phương Pháp Phay Dao Động Đến Chất Lượng Bề Mặt Gia Công
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi
• 2.2. Khái niệm cơ cấu đàn hồi
• 2.3. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi
• 2.4. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi cho hệ thống cơ khí chính xác
• 2.5. Tổng quan về các phương pháp gia công có dao động hỗ trợ
• 2.6. Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp
• 2.7. Phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động
• 2.8. Phương pháp gia công phay có kết hợp dao động
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Phương án thiết kế
• 3.2. Mô hình hóa ý tưởng thiết kế
• 3.3. Lựa chọn phương án
• 3.4. Lựa chọn vật liệu
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA
• 4.1. Kết quả tối ưu
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG
• 5.1. Hướng ứng dụng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Thiết kế, tối ưu hóa trong Ansys Workbench
• Phụ lục 2: Thiết bị thí nghiệm
• Phụ lục 3: Bản vẽ
• Phụ lục 6: Công trình đã công bố của luận văn

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay dao động

Nghiên cứu về phương pháp phay dao động đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ khí. Với sự phát triển của công nghệ, việc cải thiện chất lượng bề mặt gia công là một trong những mục tiêu hàng đầu. Phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất gia công mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến độ chính xác và độ bền của sản phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng dao động trong quá trình phay có thể mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu phương pháp phay dao động

Việc nghiên cứu phương pháp phay dao động là cần thiết trong bối cảnh công nghiệp hiện đại. Các phương pháp gia công truyền thống thường gặp phải nhiều hạn chế về chất lượng bề mặt và hiệu suất. Do đó, việc áp dụng công nghệ mới như dao động trong gia công giúp cải thiện đáng kể các vấn đề này.

1.2. Lợi ích của phương pháp phay dao động trong gia công

Phương pháp phay dao động mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu hiện tượng hình thành ba-via, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt. Những ưu điểm này đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phương pháp phay dao động

Mặc dù phương pháp phay dao động có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần được giải quyết. Các vấn đề như độ chính xác trong việc điều chỉnh tần số dao động, cũng như việc tối ưu hóa thiết kế thiết bị gia công là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp cho những thách thức này là rất cần thiết.

2.1. Thách thức trong việc điều chỉnh tần số dao động

Điều chỉnh tần số dao động là một trong những thách thức lớn nhất trong gia công phay dao động. Việc không đạt được tần số tối ưu có thể dẫn đến hiệu suất gia công kém và chất lượng bề mặt không đạt yêu cầu.

2.2. Vấn đề tối ưu hóa thiết kế thiết bị gia công

Thiết kế thiết bị gia công cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao nhất. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như ANSYS Workbench giúp đánh giá và cải thiện thiết kế, từ đó nâng cao hiệu quả của phương pháp phay dao động.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp chính cho phay dao động

Để nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay dao động đến chất lượng bề mặt gia công, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học hiện đại. Việc sử dụng mô phỏng và thực nghiệm là hai phương pháp chính giúp thu thập dữ liệu và đánh giá hiệu quả của phương pháp này.

3.1. Mô phỏng thiết kế trong ANSYS Workbench

Sử dụng ANSYS Workbench để mô phỏng thiết kế giúp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công. Mô phỏng cho phép điều chỉnh các thông số kỹ thuật và tối ưu hóa thiết kế trước khi thực hiện thực nghiệm.

3.2. Thực nghiệm và kiểm tra chất lượng bề mặt

Thực nghiệm là bước quan trọng để kiểm tra hiệu quả của phương pháp phay dao động. Các mẫu gia công sẽ được kiểm tra để đánh giá chất lượng bề mặt và so sánh với các phương pháp truyền thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về phay dao động

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp phay dao động có thể cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt gia công. Các ứng dụng thực tiễn của phương pháp này đã được triển khai trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất linh kiện cơ khí đến chế tạo máy móc chính xác.

4.1. Kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng dao động trong gia công giúp giảm thiểu độ nhám bề mặt và cải thiện độ chính xác của sản phẩm. Các số liệu thu thập được đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo

Phương pháp phay dao động đã được áp dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong quy trình gia công.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phay dao động

Nghiên cứu về phương pháp phay dao động đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành cơ khí. Với những lợi ích vượt trội, phương pháp này hứa hẹn sẽ trở thành một phần quan trọng trong quy trình gia công hiện đại. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục được phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp phay dao động không chỉ cải thiện chất lượng bề mặt mà còn nâng cao hiệu suất gia công. Những phát hiện này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và cải thiện công nghệ phay dao động. Các nghiên cứu mới sẽ giúp mở rộng ứng dụng của phương pháp này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu gia công siêu chính xác trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại đòi hỏi chất lượng bề mặt chi tiết phải đạt độ nhám ở cấp độ dưới micromet, tuy nhiên các phương pháp phay truyền thống thường bị giới hạn bởi lực cắt lớn, rung động cưỡng bức và nhiệt cắt cao. Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM), cụ thể là công nghệ phay hỗ trợ dao động (VAMilling), đã chứng minh khả năng cải thiện độ nhám bề mặt từ 38% đến 45% so với phương pháp cắt gọt thông thường. Vấn đề cốt lõi được đặt ra là các cơ cấu truyền động truyền thống thường tồn tại khe hở cơ khí, ma sát trượt và độ rơ lớn, gây khó khăn cho việc tạo ra các dao động vi mô hai chiều ổn định và chính xác.

Mục tiêu cụ thể của công trình này là nghiên cứu thiết kế, mô phỏng động học, tối ưu hóa kích thước và chế tạo hoàn chỉnh mô hình bàn định vị hai bậc tự do (2-DOF) ứng dụng cơ cấu đàn hồi nguyên khối. Hệ thống được kích hoạt dao động bằng bộ truyền động áp điện (PZT) nhằm phục vụ quá trình phay vi mô với tần số và biên độ kiểm soát được. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào đối tượng phôi hợp kim nhôm Al7075-T6 có kích thước khung bàn máy 350x350 mm và chiều dày 15 mm. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu đến 83.4% ứng suất tập trung tại các khớp uốn, tạo ra biên độ rung ổn định từ 2 đến 4 micromet, loại bỏ hoàn toàn bavia và kéo dài tuổi thọ dao cắt đáng kể cho các xưởng gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai lý thuyết kỹ thuật then chốt:

Thứ nhất, lý thuyết cơ cấu đàn hồi (Compliant Mechanism) đóng vai trò thay thế các khớp nối bản lề truyền thống bằng các khớp uốn biến dạng dẻo nguyên khối. Cơ cấu đàn hồi giúp loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt, hiện tượng rơ lắc và yêu cầu bôi trơn, mang lại độ chính xác chuyển vị ở cấp độ micromet và nanomet. Trong mô hình này, các khớp đàn hồi bán nguyệt và thanh lò xo lá được bố trí đối xứng để tạo chuyển động tịnh tiến độc lập theo hai trục X và Y.

Thứ hai, lý thuyết gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (VAM) khai thác cơ chế chồng dao động tần số cao và biên độ nhỏ lên chuyển động tương đối giữa dao cắt và phôi. Quá trình cắt chuyển từ trạng thái tiếp xúc liên tục sang chu kỳ cắt vi mô ngắt quãng, giúp giảm lực cắt trung bình, giảm nhiệt sinh ra tại vùng cắt và phá vỡ phoi dây thành các mảnh vụn nhỏ.

Nghiên cứu tập trung vào bốn khái niệm cốt lõi: cơ cấu định vị 2 bậc tự do (2-DOF), cơ cấu khuếch đại chuyển vị dạng đòn bẩy, bộ truyền động áp điện (Piezo Stack Actuator - PZT) và chuyển vị ký sinh (parasitic motion). Mô hình vật liệu được chọn là hợp kim nhôm Al7075-T6 với các đặc tính cơ lý vượt trội: giới hạn bền kéo 83 ksi (khoảng 572 MPa), độ bền nén 73 ksi, độ cứng 150 HB, trọng lượng riêng 2.81 g/cm3 và mô đun đàn hồi 71.7 GPa.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 23 biến thiết kế hình học đại diện cho chiều dày T (từ 1.0 mm đến 3.0 mm) và bán kính lượn R (từ 3.0 mm đến 8.0 mm) của các khớp bán nguyệt và thanh lò xo lá. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật thiết kế thí nghiệm theo ma trận đáp ứng bề mặt để chọn ra 3 cấu hình ứng viên tối ưu tiêu biểu. Đối với thực nghiệm gia công, nghiên cứu triển khai 27 rãnh phay có hỗ trợ dao động ở các mức tần số và biên độ khác nhau, cùng 1 rãnh cắt chuẩn không hỗ trợ dao động để làm mẫu đối chứng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Tác giả tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) với phương pháp tối ưu hóa đáp ứng bề mặt (RSM) và Thuật toán Di truyền (GA) trên phần mềm ANSYS Workbench 18.2. Sự kết hợp này là giải pháp tối ưu để giải quyết bài toán phi tuyến đa mục tiêu: cực tiểu hóa ứng suất tương đương von Mises, cực tiểu hóa chuyển vị ký sinh không mong muốn và tối đa hóa tần số dao động riêng bậc một nhằm tránh hiện tượng cộng hưởng.

Nguồn dữ liệu được thu thập từ mô phỏng số trên phần mềm ANSYS và dữ liệu thực nghiệm đo đạc chuyển vị bằng cảm biến laser không tiếp xúc Keyence LK-G030 kết hợp bộ nguồn điều khiển PZT P-225.10 (khả năng tải trọng 12500 N, điện áp cực đại 1000 V). Quy trình nghiên cứu được thực hiện tuần tự qua 5 giai đoạn trong thời gian 12 tháng: tổng quan tài liệu, thiết kế mô hình CAD 3D, mô phỏng tối ưu hóa FEA, chế tạo cơ cấu bằng máy cắt dây Wire EDM kết hợp phay CNC, và kiểm chứng thực nghiệm đo độ nhám bề mặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu và thực nghiệm gia công đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, tối ưu hóa hình học cơ cấu đàn hồi giúp cải thiện vượt bậc các chỉ tiêu cơ tính. Trong 3 cấu hình ứng viên, phương án 2 được lựa chọn với các thông số tối ưu: bán kính khớp bán nguyệt R = 6.0 mm, chiều dày khớp T = 1.0 mm và chiều dài thanh lò xo L = 22 mm. So với thiết kế ban đầu, ứng suất lớn nhất của cơ cấu giảm mạnh 83.4% (từ 101.9 MPa xuống còn 16.88 MPa), thấp hơn rất nhiều so với giới hạn bền của vật liệu, đồng thời chuyển vị làm việc của bàn máy tăng 12.6% (từ 0.007 mm lên 0.0088 mm).

Thứ hai, tần số dao động tự nhiên bậc một của bàn máy được xác định chính xác ở mức 437 Hz thông qua mô đun Modal Analysis và Harmonic Analysis trong dải khảo sát từ 100 Hz đến 1000 Hz. Sai lệch tần số giữa thiết kế tối ưu và thiết kế ban đầu chỉ là 0.88%, đảm bảo hệ thống không bị kích động cộng hưởng bởi tần số quay của trục chính máy phay.

Thứ ba, hiệu suất khuếch đại chuyển vị của cơ cấu đòn bẩy kép hoạt động rất ổn định. Khi đặt chuyển vị kích hoạt đầu vào 0.005 mm (5 micromet) từ bộ truyền động áp điện PZT theo trục X, chuyển vị thực tế đầu ra thu được tại bàn máy trung tâm đạt 0.0104 mm (10.4 micromet), tương ứng hệ số khuếch đại 1.76 lần và chuyển vị ký sinh theo trục Y được khống chế ở mức rất thấp chỉ 0.00199 mm.

Thứ tư, chất lượng bề mặt gia công phay được nâng cao rõ rệt. Kết quả đo kiểm 27 rãnh phay có dao động cho thấy độ nhám bề mặt trung bình Ra giảm 45% khi biên độ rung tăng từ 1 đến 4 micromet theo phương pháp tuyến chạy dao, và giảm tiếp 38% khi tần số rung tăng từ 5 kHz lên 11 kHz so với gia công cắt gọt truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp ứng suất giảm 83.4% là nhờ việc phân bổ lại bán kính lượn tại các góc khớp uốn, triệt tiêu sự tập trung ứng suất khi cơ cấu làm việc ở chu kỳ uốn liên tục tần số cao. Độ nhám bề mặt chi tiết phay nhôm giảm mạnh là do chuyển động vi mô gián đoạn giúp tách rời phoi cắt tức thời, giảm ma sát trượt giữa mặt sau của dao và bề mặt đã gia công, ngăn chặn hiện tượng vật liệu bám dính vào lưỡi cắt và triệt tiêu hoàn toàn sự hình thành bavia tại mép phôi.

So sánh với các nghiên cứu trước đây của Zhang và Sun hoặc Chern và Chang, cơ cấu 2-DOF trong luận văn này đã khắc phục triệt để hiện tượng ghép nối chéo (cross-axis coupling) nhờ hệ thống thanh lò xo lá định hướng song song, giữ cho chuyển vị ký sinh luôn dưới mức 0.002 mm.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, mối quan hệ giữa điện áp cấp cho bộ PZT (từ 0 đến 1000 V) và chuyển vị của bàn máy trung tâm được biểu diễn rất rõ ràng qua đồ thị hàm bậc nhất với hệ số xác định R bình phương đạt xấp xỉ 0.98. Đồng thời, bảng tổng hợp phân tích độ nhạy của 23 biến hình học cho thấy chiều dày khớp uốn T và bán kính R là hai tham số có tác động chi phối lớn nhất đến độ cứng tĩnh và tần số dao động của toàn bộ hệ thống định vị.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuyển giao và ứng dụng module bàn định vị 2-DOF vào các trung tâm gia công CNC công nghiệp. Các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu và linh kiện chính xác nên triển khai lắp đặt thử nghiệm bàn máy VAMilling trong vòng 6 tháng tới, đặt mục tiêu cắt giảm 40% thời gian đánh bóng bề mặt và nâng cao độ bóng cho các sản phẩm hợp kim nhôm hàng không.

Thứ hai, nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop control) cho bộ truyền động PZT. Các viện nghiên cứu cơ điện tử cần phối hợp triển khai thuật toán thích nghi PID trong quý 2 tới đây nhằm bù trừ hiện tượng trễ điện áp và hiện tượng dão của vật liệu áp điện, kiểm soát sai số biên độ rung dưới ngưỡng 0.1 micromet.

Thứ ba, mở rộng phạm vi thử nghiệm gia công trên các vật liệu cứng và khó gia công. Nhóm tác giả cần thực hiện các đợt cắt gọt thực nghiệm trên hợp kim titan Ti-6Al-4V và thép không gỉ SUS304 trong khung thời gian 9 tháng tiếp theo, hướng đến mục tiêu kéo dài tuổi thọ dao phay thêm tối thiểu 50% và giảm lực cắt 30%.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình công nghệ chế tạo cơ cấu đàn hồi bằng máy cắt dây Wire EDM. Các cơ sở sản xuất cơ khí cần ban hành quy trình gia công hai bước (phay thô tạo hình lỗ bậc trước, cắt dây tinh các khớp uốn sau) với dung sai hình học dưới 0.005 mm, áp dụng ngay trong chu kỳ chế tạo thiết bị định vị vi mô của năm nay.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế cơ khí chính xác và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Tài liệu cung cấp quy trình bài bản từ việc mô hình hóa ý tưởng, lựa chọn khớp đàn hồi bán nguyệt đến phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm ANSYS Workbench để ứng dụng vào các cơ cấu định vị nano.

Thứ hai, chuyên gia công nghệ gia công kim loại và lập trình máy CNC. Nhóm đối tượng này sẽ nắm bắt được cơ chế cắt gọt hỗ trợ rung động (VAMilling), từ đó lựa chọn đúng dải tần số 5 đến 11 kHz và biên độ dao động 2 đến 4 micromet để triệt tiêu bavia và cải thiện độ nhám bề mặt phôi nhôm.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Cơ kỹ thuật và Chế tạo máy. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về việc ứng dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) kết hợp Thuật toán Di truyền (GA) để xử lý bài toán động lực học kết cấu phức tạp.

Thứ tư, giám đốc kỹ thuật tại các doanh nghiệp sản xuất linh kiện bán dẫn, quang học và thiết bị y tế. Luận văn gợi mở giải pháp nâng cao độ chính xác gia công bề mặt lên 45% với chi phí đầu tư cơ cấu gá đặt phụ trợ thấp hơn nhiều so với việc đầu tư mới một máy phay siêu chính xác.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ phay có hỗ trợ dao động (VAMilling) khác gì so với phương pháp phay truyền thống? VAMilling tích hợp dao động vi mô tần số cao từ 5 đến 11 kHz với biên độ nhỏ từ 1 đến 4 micromet vào phôi hoặc dụng cụ cắt. Quá trình này biến việc cắt gọt liên tục thành các chu kỳ cắt vi mô ngắt quãng, giúp giảm lực cắt, giảm nhiệt sinh ra, ngăn ngừa bavia và giảm độ nhám bề mặt tới 45%.

Tại sao cơ cấu đàn hồi lại vượt trội hơn khớp nối cơ khí truyền thống trong định vị vi mô? Cơ cấu đàn hồi được gia công nguyên khối, truyền chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của vật liệu. Do không sử dụng các bề mặt trượt lắp ghép, cơ cấu loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt, tiếng ồn, sự mài mòn và khe hở cơ khí, đảm bảo độ chính xác định vị lặp lại ở cấp độ micromet mà không cần bôi trơn.

Vật liệu hợp kim nhôm Al7075-T6 đóng vai trò gì trong hiệu suất của bàn định vị 2-DOF? Nhôm Al7075-T6 có giới hạn bền kéo 83 ksi, mô đun đàn hồi 71.7 GPa và độ bền mỏi cao cùng trọng lượng nhẹ. Đặc tính này giúp các khớp uốn chịu được hàng triệu chu kỳ dao động tần số cao mà không bị phá hủy mỏi, đồng thời duy trì tần số riêng của hệ thống ở mức 437 Hz.

Thiết bị truyền động áp điện PZT Model P-225.10 hoạt động như thế nào trong hệ thống? PZT P-225.10 sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch đảo để tạo ra chuyển vị rung vi mô lên tới 15 micromet với tải trọng đẩy cực đại 12500 N dưới điện áp 1000 V. Tín hiệu dao động này được truyền qua cơ cấu đòn bẩy để khuếch đại 1.76 lần trước khi truyền đến bàn máy trung tâm.

Làm thế nào để hệ thống gia công VAMilling không bị hiện tượng cộng hưởng phá hủy? Thông qua phân tích dao động điều hòa Harmonic Analysis, nghiên cứu đã xác định tần số riêng bậc một của bàn máy là 437 Hz. Trong quá trình gia công thực tế, người vận hành chỉ cần thiết lập tốc độ quay của trục chính máy phay sao cho tần số kích thích cắt gọt lệch hoàn toàn khỏi vùng 437 Hz.

Kết luận

Năm đóng góp cốt lõi của công trình nghiên cứu bao gồm:

• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bàn định vị vi mô hai bậc tự do (2-DOF) nguyên khối bằng hợp kim nhôm Al7075-T6 với kích thước 350x350 mm.
• Tối ưu hóa thành công 23 biến hình học bằng thuật toán GA kết hợp RSM, giúp giảm 83.4% ứng suất lớn nhất xuống mức an toàn 16.88 MPa.
• Nâng cao chuyển vị làm việc thêm 12.6%, đạt hệ số khuếch đại đòn bẩy 1.76 lần với chuyển vị đầu ra 0.0104 mm từ tín hiệu kích hoạt 5 micromet.
• Xác lập dải tần số dao động tự nhiên 437 Hz, đảm bảo cơ cấu vận hành bền bỉ và không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng cộng hưởng cơ học.
• Cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết phay nhôm với độ nhám Ra giảm từ 38% đến 45% khi vận hành ở biên độ rung 2 đến 4 micromet và tần số từ 5 đến 11 kHz.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã hoàn thiện quy trình khép kín từ thiết kế lý thuyết, mô phỏng số đến chế tạo thực nghiệm bàn máy VAMilling tại Việt Nam. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024 - 2025 là tích hợp hệ thống điều khiển vòng kín và mở rộng thử nghiệm trên vật liệu titan. Quý độc giả và các kỹ sư cơ khí hãy tham khảo chi tiết toàn văn luận văn để ứng dụng hiệu quả giải pháp gia công hỗ trợ dao động vào sản xuất thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố Với sự tiến bộ ngày càng vượt bậc của khoa học - kỹ thuật nói chung và trong ngành cơ khí nói riêng,các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa …Thì một phương pháp gia công mới với sự hỗ trợ chính xác trong việc tạo ra dao động với chuyển vị dưới dạng micromet đã và đang cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội hơn sơ với những phương pháp gia công truyền thống. Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining -VAM) là phương pháp kết hợp dao động có biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công truyền thống hoặc đặc biệt nhằm nâng cao hiệu suất gia công và hiệu quả cắt gọt. Các nghiên cứu chỉ ra rằng với chuyển động tịnh tiến tích hợp cho các công cụ hoặc phôi, dung sai chặt chẽ hơn và chất lượng bề mặt hoàn thiện cao hơn có thể đạt được, đặc biệt khi các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền đứt gãy thấp được gia công [1, 2].

Gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động đã được áp dụng vào tiện, phay, khoan và mài để gia công các vật liệu cứng. Trong khi đó, gia công tiện có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Turning - VATuring) việc chống rung có thể dễ dàng áp dụng cho dụng cụ vì nó đang đứng yên, việc tích hợp rung trong gia công phay có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Milling - VAMilling) [3] có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Các nghiên cứu ngoài nước Theo tìm hiểu các nghiên cứu thì Zhang J và Sun B (2006) [4] đã thiết kế và phân tích 2-DOF giai đoạn định vị nano, bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép, đã phát triển một nền tảng nơi thiết bị truyền động áp điện được sử dụng để tạo ra rung động hướng khác nhau để bàn như hình 1. Các bộ truyền động áp điện theo hướng X đã cải 1 thiện khối lượng chuyển động của bàn rung.

Do đó, tần số rung theo hướng Y bị hạn chế, thường nhỏ hơn 1000 Hz.1: Bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép [4] Cùng thời gian đó, Chern GL, Chang YC (2006) [5] đã sử dụng rung hai chiều để cắt bằng phay vi mô. Bàn rung hai chiều điển hình với cơ chế linh hoạt nhờ thiết bị truyền động áp điện một bàn rung được thiết kế như hình 1. Các bộ truyền động áp điện được thực hiện trong kết hợp với hai đường trượt để tạo ra rung hai chiều mong muốn.2: Bàn rung hai chiều điển hình [5] 2 Li G. (2012) [6] đã phát triển bàn rung không cộng hưởng và nghiên cứu về thí nghiệm công nghệ phay vi mô.

Một bàn rung hai chiều bằng cách sử dụng một cơ chế linh hoạt bốn thanh đơn như hình 1. Tuy nhiên, khi cơ chế bốn thanh song song linh hoạt đơn rung động theo một hướng, sẽ có khớp nối chéo chuyển vị theo hướng khác, làm giảm độ chính xác chuyển động.3: Bàn rung không cộng hưởng [6] Jin X và cộng sự (2015) [7] đã nghiên cứu thực nghiệm về tạo bề mặt ở phay vi mô có hỗ trợ rung. Một cấu trúc tiểu thuyết của một giai đoạn rung hai chiều đã được đề xuất. Các bộ truyền động áp điện đã được đặt bên cạnh phần bản lề, tạo ra sự rung động cho phôi gia công vào mặt A và B ở bản lề linh hoạt như hình 1.

Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có một bản lề linh hoạt xung quanh nền tảng. Kết quả là rung động được áp dụng theo hướng bình thường đến việc cải thiện chất lượng bề mặt. Hỗ trợ rung giúp tăng cường sự chuyển tiếp dễ vỡ của vật liệu thủy tinh và do đó làm giảm thiệt hại trên bề mặt gia công. Tần số rung cao làm chất lượng bề mặt được cải thiện bằng cách giảm tập trung trên bề mặt.4 : Bàn định vị theo hai chiều [7] E.

Uhlmann và các cộng sự (2015) [8] đã thiết kế một hệ thống rung hai trục cho ảnh hưởng mục tiêu của phay vi mô. Để cải thiện tần số đáp ứng cao của bàn rung 2D, một người giữ phôi hoạt động để thực hiện phay hỗ trợ rung được phát triển như thể hiện trong hình 1. Bàn rung này cho phép rung động ngang rất linh hoạt của phôi theo hai hướng. Nó bao gồm một giai đoạn động học song song hai DOF với bản lề uốn, trên đó một giá đỡ phôi được gắn.

Bản lề uốn được thiết lập chuyển động bởi hai bộ truyền động áp điện cao áp và hệ thống cho phép phay 2 dao động DOF lên đến 10 kHz với biên độ tối đa 7,5μm.5: Hệ thống rung 2 trục 4 Wanqun Chen và các cộng sự (2017) [9] đã thiết kế, phân tích và thử nghiệm bàn trượt XY tốc độ cao cho hỗ trợ rung. Đối với mỗi hướng của bộ truyền động, một cặp bản lề bên trong và cặp bản lề đối diện là linh hoạt, và các cặp khác là cứng, và ngược lại cho các thiết bị truyền động khác như hình 1. Để nhận ra gia công hỗ trợ rung (VAM) trong phay vi mô, kết quả là cải thiện cộng hưởng trong khi giảm độ cứng của giai đoạn rung. Tần số cộng hưởng lớn hơn 2000 Hz theo cả hai hướng và độ cứng thấp 50N/m thu được thông qua tối ưu hóa tham số.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị[9] Wanqun Chen và cộng sự (5/2018) [10] nghiên cứu về phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (VAM) làm cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu bởi chồng tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi.

VAM đã được áp dụng cho một số phương pháp gia công mài, khoan và gần đây hơn gia công phay có dao động hỗ trợ (VAMilling). Yan Gu và cộng sự (9/2018) tiếp tục đã thiết kế và phân tích hệ thống đánh bóng dạng cuộn được hỗ trợ rung động dựa trên bàn đàn hồi chuyển động vi mô. Nhóm tác giả nhằm tạo ra một bề mặt chất lượng cao dựa trên cơ chế loại bỏ vật liệu tiếp xúc tuyến tính. Một giai đoạn chuyển động vi mô dựa trên uốn cong được điều khiển bởi Piezo đã được phát triển cho hệ thống đánh bóng chính xác kiểu cuộn hỗ trợ rung như hình 1.

Sử dụng các tham số tối ưu, các mô hình đã thiết lập để đánh giá hiệu suất cơ học của 5 giai đoạn uốn được xác minh bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả giai đoạn chuyển động vi mô đã thực hiện tốt trong việc định vị các chuyển động vi mô.7: Sơ đồ nguyên lý của Sy đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip (EARP) 1. Các nghiên cứu trong nước Trong lĩnh vực kỹ thuật, các khớp nối thường được sử dụng liên kết các chi tiết lại với nhau. Các khớp nối luôn tồn tại khe hở làm cho sai số truyền động, mài mòn, độ rung, tiếng ồn làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

Một trong những giải pháp khả thi để khắc phục các khuyết điểm của khớp truyền thống là cơ cấu đàn hồi. Cơ cấu đàn hồi cũng cho phép truyền hay biến đổi chuyển động, lực và moment, tuy nhiên, không giống cơ cấu cứng truyền thống, nó có thể thực hiện ít nhất một hoặc một vài chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi thay thế cho các khớp nối thường dùng. Năm 2016 Shyh-Chour Huang và Thanh-Phong Dao [11] đã thiết kế và tối ưu hóa tính toán của bàn rung dùng cơ cấu đàn hồi 2 bậc tự do bằng phương pháp phản hồi bề mặt dựa trên FEA. Trong cơ cấu này, bàn máy ở trung tâm có khả năng tịnh tiến theo 2 phương vuông góc nhau x và y.

Chuyển vị của bàn máy được dẫn động bởi cơ cấu chấp hành PSA hoạt động theo nguyên lý áp điện. Loại thiết bị này có khả năng tạo ra chuyển 6 vị rất chính xác ở phạm vi micromet. Tuy nhiên, để có thể tạo ra chuyển vị lớn thì phải khuếch đại bằng cơ cấu cánh tay đòn trong hình 1. Các khớp đàn hồi bán nguyệt được dùng trong cơ cấu nhằm tạo ra các chuyển động xoay chính xác do được thiết kế liền thành một khối.

Trong cơ cấu này cũng có sử dụng các thanh lò xo lá với mục đích truyền chuyển động từ cơ cấu chấp hành PSA tới bàn máy trung tâm. Những thanh lò xo lá này có đặc tính là độ cứng khi chịu kéo thì rất lớn, nhưng khi chịu uốn thì lại rất dễ dàng. Đặc tính này giúp cho bàn máy có thể thực hiện 2 chuyển động độc lập nhau. Các thanh lò xo lá này không chịu được lực nén.8: Bàn rung 2 bậc tự do với các khớp đàn hồi bán nguyệt[11] Năm 2017 Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự [12] đã thiết kế tối ưu ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào quá trình gia công CNC chính xác là cơ cấu ăn dao.

Kết quả cho thấy tỷ lệ khuếch đại tối đa thu được từ cơ cấu ăn dao rất tốt (hình 1.9: Kết quả mô phỏng của cơ cấu ăn dao [12] 1. Tính cấp thiết của đề tài Hòa nhập thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, thì việc nghiên cứu và phát triển những phương pháp gia công mới, với những ưu điểm vượt trội hơn so với những phương pháp gia công truyền thống đã và đang là thách thức đối với khoa học kỹ thuật nước nhà. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động với những hiệu quả đáng kể đang được nghiên cứu và phát triển trong và ngoài nước. Sự ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công mang lại tính thực tiễn trong việc nghiên cứu cải tiến hiệu quả của các phương pháp gia công cắt gọt trong ngành cơ khí chế tạo.

Đồng thời, phương pháp phay có dao động hỗ trợ có ảnh hưởng đến hiệu suất gia công, tránh tạo ra phôi dây và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt giúp làm tăng tuổi thọ của dao và thời gian mòn dao lâu hơn. Ngoài ra, ứng dụng của cơ cấu đàn hồi nhằm giảm thiểu thời gian lắp ráp của các khớp nối lại với nhau, loại bỏ được ma sát, tiếng ồn sinh ra khi các khớp hoạt động. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chi tiết bằng phương pháp gia công phay với sự trợ giúp của dao động dựa trên tình hình công nghệ trong nước nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn.