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.