Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng khoa học và công nghệ hiện đại, ngành công nghiệp cơ khí chế tạo giữ vai trò nền tảng, chiếm khoảng 25-35% tổng số thiết bị trong phân xưởng gia công cắt gọt. Nhu cầu gia công các chi tiết có độ chính xác cao, đặc biệt từ vật liệu cứng và giòn như thép không gỉ SUS304, ngày càng tăng. Tuy nhiên, các phương pháp gia công truyền thống không đáp ứng được yêu cầu về độ nhám bề mặt và hiệu quả gia công. Gia công có dao động hỗ trợ (Vibration Assisted Machining - VAM) được xem là giải pháp tiềm năng nhằm cải thiện chất lượng bề mặt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt.

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của hai tham số dao động hỗ trợ chính là tần số dao động (0.25-1 kHz) và biên độ dao động (1-6 μm) đến độ nhám bề mặt trong quá trình gia công tiện trụ ngoài vật liệu SUS304. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, sử dụng máy tiện Jassey Studturn và thiết bị tạo dao động PZT. Mục tiêu chính là thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các tham số dao động và độ nhám bề mặt, từ đó đề xuất các điều kiện gia công tối ưu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

Độ nhám bề mặt là chỉ số quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi, hệ số ma sát và độ tin cậy của chi tiết gia công. Việc nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển công nghệ gia công tiên tiến, góp phần giảm chi phí, tăng năng suất và nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết cắt gọt trong gia công tiện: Bao gồm các thông số cơ bản như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt và ảnh hưởng của hình học dao đến độ nhám bề mặt. Độ nhám bề mặt được đánh giá qua các chỉ tiêu Ra (sai lệch trung bình) và Rz (chiều cao nhấp nhô), theo tiêu chuẩn ISO 4287.

  • Động học dao động hỗ trợ 1D trong gia công tiện: Phương trình động học mô tả vị trí dao cắt theo thời gian là ( z(t) = A \sin(\omega t) + v_f t ), trong đó ( A ) là biên độ dao động, ( \omega = 2\pi F ) là tần số góc, và ( v_f ) là vận tốc chạy dao. Mối quan hệ giữa lượng chạy dao ( s ) và biên độ dao động ( A ) quyết định trạng thái cắt liên tục hay không liên tục, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt.

  • Khớp mềm (Flexure hinge): Được sử dụng trong thiết kế cán dao để truyền dao động từ bộ truyền động PZT đến dụng cụ cắt, đảm bảo biên độ dao động chính xác và ổn định trong quá trình gia công.

  • Vật liệu áp điện PZT (Lead zirconate titanate): Là nguồn tạo dao động cơ học với tần số cao và biên độ nhỏ, giúp tạo ra dao động hỗ trợ hiệu quả trong quá trình gia công.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng vật liệu SUS304, một loại thép không gỉ phổ biến trong công nghiệp với thành phần hóa học và cơ tính đặc trưng. Thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện Jassey Studturn tại xưởng thực tập Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

  • Thiết bị tạo dao động: Bộ truyền động PZT model P-225.10 với khả năng tạo dao động tần số từ 0.25 đến 1 kHz và biên độ từ 1 đến 6 μm, được gắn trên cán dao có khớp mềm để truyền dao động theo phương chạy dao.

  • Phương pháp phân tích: Đo độ nhám bề mặt Ra và Rz bằng thiết bị đo chuyên dụng sau mỗi lần gia công với các tổ hợp tham số tần số và biên độ dao động khác nhau. So sánh kết quả giữa phương pháp gia công truyền thống (CT) và gia công có dao động hỗ trợ (VAM).

  • Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện với khoảng 20 tổ hợp tham số khác nhau, mỗi tổ hợp lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của số liệu. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong vòng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tần số dao động đến độ nhám bề mặt: Khi tăng tần số dao động từ 0.25 kHz lên 1 kHz, độ nhám Ra giảm trung bình từ khoảng 1.2 μm xuống còn 0.7 μm, tương đương cải thiện chất lượng bề mặt khoảng 40%. Điều này cho thấy tần số dao động cao giúp tạo ra các cấu trúc vi mô hình sin trên bề mặt, làm giảm độ nhấp nhô và tăng độ bóng.

  2. Ảnh hưởng của biên độ dao động: Biên độ dao động nhỏ hơn 2 μm dẫn đến độ nhám bề mặt cao hơn, khoảng 1.1 μm, trong khi biên độ dao động từ 4-6 μm giúp giảm độ nhám xuống dưới 0.8 μm. Kết quả này chứng minh biên độ dao động lớn hơn tạo điều kiện cho hiện tượng cắt không liên tục, giúp giảm lực cắt và cải thiện bề mặt.

  3. So sánh giữa VAM và CT: Phương pháp gia công có dao động hỗ trợ (VAM) cho chất lượng bề mặt tốt hơn đáng kể so với gia công truyền thống (CT). Độ nhám Ra trung bình của VAM thấp hơn CT khoảng 30-50% trong các điều kiện thử nghiệm tương tự.

  4. Ảnh hưởng của lượng chạy dao: Khi lượng chạy dao ( s ) nhỏ hơn hoặc bằng 2 lần biên độ dao động ( 2A ), hiện tượng cắt không liên tục xảy ra, giúp giảm độ nhám bề mặt. Ngược lại, khi ( s > 2A ), dao cắt tiếp xúc liên tục với phôi, làm tăng độ nhám.

Thảo luận kết quả

Các kết quả trên phù hợp với các nghiên cứu trước đây về VAM, khẳng định rằng tần số và biên độ dao động là hai tham số quan trọng quyết định chất lượng bề mặt gia công. Tần số dao động cao tạo ra dao động nhanh, giúp giảm ma sát và lực cắt, đồng thời hình thành các cấu trúc vi mô trên bề mặt. Biên độ dao động lớn hơn làm tăng khả năng cắt không liên tục, giảm hiện tượng lẹo dao (BUE) và hao mòn dụng cụ.

So với gia công truyền thống, VAM giảm đáng kể lực cắt và nhiệt độ gia công, kéo dài tuổi thọ dụng cụ và cải thiện độ nhám bề mặt. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tần số, biên độ dao động và độ nhám Ra, giúp trực quan hóa hiệu quả của từng tham số.

Tuy nhiên, biên độ dao động quá lớn có thể gây ra rung động không mong muốn, ảnh hưởng đến độ ổn định của máy tiện. Do đó, việc lựa chọn tham số dao động phù hợp là cần thiết để cân bằng giữa chất lượng bề mặt và hiệu suất gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tham số dao động: Khuyến nghị sử dụng tần số dao động trong khoảng 0.8-1 kHz và biên độ dao động từ 4-6 μm để đạt được độ nhám bề mặt thấp nhất, đồng thời duy trì ổn định quá trình gia công. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình sản xuất hiện tại.

  2. Áp dụng dao động hỗ trợ theo phương chạy dao: Chủ yếu sử dụng dao động theo phương dọc trục để tránh giới hạn vận tốc cắt và phù hợp với đa dạng kích thước chi tiết. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và vận hành máy tiện.

  3. Thiết kế và sử dụng cán dao có khớp mềm: Đảm bảo truyền dao động hiệu quả từ bộ truyền động PZT đến dụng cụ cắt, giảm thiểu sai số và hao mòn. Thời gian triển khai: trong vòng 3 tháng cho các xưởng gia công.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho công nhân vận hành: Giúp hiểu rõ lợi ích và cách điều chỉnh tham số dao động để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện: bộ phận đào tạo và quản lý sản xuất.

  5. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của các tham số khác: Như tốc độ cắt, độ sâu cắt và loại vật liệu phôi để hoàn thiện mô hình tối ưu hóa gia công VAM. Thời gian nghiên cứu tiếp theo: 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ gia công cơ khí: Nắm bắt kiến thức về dao động hỗ trợ để áp dụng vào thiết kế quy trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất: Hiểu rõ lợi ích của VAM trong việc tăng năng suất và chất lượng, từ đó đưa ra quyết định đầu tư thiết bị và đào tạo nhân lực phù hợp.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về gia công tiên tiến và vật liệu khó gia công.

  4. Nhà sản xuất dụng cụ cắt: Tham khảo để thiết kế và cải tiến dụng cụ cắt phù hợp với công nghệ dao động hỗ trợ, nâng cao tuổi thọ và hiệu quả sử dụng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dao động hỗ trợ trong gia công tiện là gì?
    Gia công có dao động hỗ trợ (VAM) là phương pháp bổ sung dao động tần số cao và biên độ nhỏ vào dụng cụ cắt, giúp giảm lực cắt, cải thiện độ nhám bề mặt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ.

  2. Tại sao tần số và biên độ dao động lại quan trọng?
    Tần số dao động cao giúp tạo ra các cấu trúc vi mô trên bề mặt, giảm ma sát; biên độ dao động lớn tạo điều kiện cho hiện tượng cắt không liên tục, giảm lực cắt và hao mòn dụng cụ.

  3. VAM có thể áp dụng cho những vật liệu nào?
    VAM đặc biệt hiệu quả với các vật liệu khó gia công như thép không gỉ SUS304, hợp kim titan, gốm và các vật liệu cứng giòn khác.

  4. So sánh hiệu quả giữa VAM và gia công truyền thống?
    VAM giảm độ nhám bề mặt từ 30-50%, giảm lực cắt và nhiệt độ gia công, đồng thời kéo dài tuổi thọ dụng cụ so với gia công truyền thống.

  5. Làm thế nào để lựa chọn tham số dao động phù hợp?
    Cần cân nhắc tần số dao động (0.8-1 kHz) và biên độ (4-6 μm) dựa trên kích thước chi tiết, loại vật liệu và máy móc sử dụng để đảm bảo hiệu quả gia công và độ ổn định.

Kết luận

  • Gia công có dao động hỗ trợ (VAM) cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt và chất lượng sản phẩm so với phương pháp truyền thống.
  • Tần số dao động cao (gần 1 kHz) và biên độ dao động lớn (4-6 μm) là các yếu tố then chốt giúp giảm độ nhám bề mặt.
  • Hiện tượng cắt không liên tục khi lượng chạy dao nhỏ hơn hoặc bằng 2 lần biên độ dao động giúp giảm lực cắt và hao mòn dụng cụ.
  • Việc ứng dụng khớp mềm và bộ truyền động PZT đảm bảo truyền dao động hiệu quả trong quá trình gia công.
  • Đề xuất triển khai áp dụng VAM trong sản xuất cơ khí hiện đại nhằm nâng cao năng suất và chất lượng, đồng thời nghiên cứu mở rộng các tham số gia công khác trong tương lai.

Hãy bắt đầu áp dụng công nghệ gia công có dao động hỗ trợ để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm ngay hôm nay!