Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí và chế tạo máy, việc đánh giá độ bền cơ học và kiểm tra chất lượng của sản phẩm trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt là giai đoạn có tính quyết định đến sự an toàn cũng như tuổi thọ vận hành của hệ thống máy móc. Trong quá trình làm việc, các chi tiết máy thường xuyên phải chịu tác động của nhiều nguyên nhân gây hư hỏng như ma sát, mài mòn, ăn mòn hóa học, quá tải hoặc làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Trong đó, sự phá hủy do hiện tượng mỏi (fatigue failure) chiếm một tỷ lệ rất lớn trong các sự cố công nghiệp cơ khí, gây đe dọa trực tiếp đến sự an toàn của thiết bị và hiệu quả sản xuất.

Đối với các cơ cấu truyền động như trục, khớp nối, cánh quạt hay bánh răng, tải trọng làm việc chủ yếu tồn tại ở dạng mô-men xoắn dao động hoặc đổi chiều tuần hoàn theo thời gian. Sự xuất hiện của công nghệ bồi đắp vật liệu (Additive Manufacturing - AM), tiêu biểu là phương pháp in 3D FDM (Fused Deposition Modeling), đã mở ra khả năng chế tạo nhanh các chi tiết mẫu với hình học phức tạp từ vật liệu polymer. Tuy nhiên, tính chất cơ học và khả năng chịu mỏi do xoắn của các chi tiết in 3D phụ thuộc chặt chẽ vào các thông số công nghệ chế tạo, đòi hỏi phải có các nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá định lượng cụ thể.

Đề tài "Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy" (Mã số: CTM-65) do nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm giải quyết bài toán kiểm tra độ bền mỏi xoắn của vật liệu polymer (nhựa PA) chế tạo bằng phương pháp in 3D.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hiện tượng mỏi của chi tiết máy chịu tải dạng xoắn và các yếu tố ảnh hưởng trong công nghệ in 3D.
  2. Thiết kế và gia công chế tạo bộ đồ gá chuyên dụng cùng các mẫu thử mỏi xoắn dạng trục tròn.
  3. Thiết lập hệ thống đo kiểm, lựa chọn và tích hợp cảm biến đo mô-men xoắn tĩnh cùng bộ điều khiển PLC để vận hành thử nghiệm và thu thập dữ liệu thực nghiệm.
  4. Tổng hợp, phân tích dữ liệu đo lường mô-men xoắn (chiều dương và chiều âm), ứng dụng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để dự đoán và đánh giá sự thay đổi độ bền mỏi theo các thông số in 3D.
  5. Tiến hành gia công cắt gọt và thử nghiệm mẫu nhựa PA đặc nguyên khối trên cùng hệ thống máy để so sánh, đối chứng cơ tính với mẫu in 3D.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng mỏi của chi tiết máy chịu tải dạng xoắn; bộ thông số công nghệ in 3D FDM (độ dày lớp, tốc độ in, tỷ lệ điền đầy, góc nghiêng in, nhiệt độ in); số liệu mô-men xoắn thu thập qua cảm biến và mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; nghiên cứu tập trung trên vật liệu nhựa Polyamide (PA/Nylon); thiết kế đồ gá gá đặt mẫu thử trên máy xoắn mỏi có sẵn; khảo sát 25 trường hợp thí nghiệm đơn biến và thử nghiệm đối chứng với mẫu nhựa PA đặc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết mỏi và cơ chế phá hủy

Đồ án xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên các định nghĩa và mô hình cơ học về mỏi vật liệu:

  • Khái niệm mỏi: Quá trình tích lũy dần dần sự hư hại và phá hủy tế vi bên trong cấu trúc vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi tuần hoàn theo chu kỳ thời gian, dẫn đến sự phá vỡ cấu trúc ở mức ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn bền tĩnh của vật liệu.
  • Ba yếu tố cốt lõi gây mỏi: Ứng suất dao động lặp đi lặp lại; sự tập trung ứng suất (tại các vị trí rãnh then, khía, lỗ, góc lượn chuyển tiếp tiết diện); đặc tính cấu trúc tế vi của vật liệu.
  • Các giai đoạn phát triển mỏi: Trải qua 3 giai đoạn chính gồm: (1) Khởi đầu vết nứt tế vi tại các điểm tập trung ứng suất; (2) Tăng trưởng và phát triển vết nứt dưới tác dụng của chu kỳ tải lặp; (3) Gãy vỡ hoàn toàn khi tiết diện làm việc còn lại không đủ khả năng chịu tải tới hạn.
  • Các lý thuyết cơ chế mỏi: Lý thuyết nứt (sự hình thành và phát triển vết nứt bề mặt); Lý thuyết biến dạng (sự tích tụ biến dạng dẻo vi mô); Lý thuyết vật lý và hóa học (các biến đổi trong cấu trúc vi mô và tương tác môi trường).

Công nghệ bồi đắp vật liệu FDM và các biến số công nghệ

Nghiên cứu tập trung vào công nghệ in 3D lắng đọng sợi nhựa nóng chảy (FDM - Fused Deposition Modeling) với vật liệu sợi nhựa Polyamide (PA). Năm thông số công nghệ in chính được khảo sát tác động đến cơ tính xoắn:

  • Độ dày lớp in (Layer height): Quyết định độ phân giải bề mặt và độ bám dính liên kết giữa các lớp; độ dày lớp thấp giúp bề mặt mịn nhưng tăng thời gian gia công, trong khi độ dày lớn làm tăng độ nhám và giảm độ bền liên kết lớp.
  • Tốc độ in (Print speed): Ảnh hưởng đến chất lượng đùn nhựa qua vòi phun và độ bám dính sợi; tốc độ quá cao gây sai lệch vị trí đùn và tách lớp, tốc độ quá thấp dễ gây quá nhiệt và tắc vòi phun.
  • Tỷ lệ điền đầy (Infill density): Xác định mật độ khối lượng vật liệu phân bố bên trong vỏ chi tiết, chi phối trực tiếp đến khối lượng, độ cứng vững và khả năng chịu tải xoắn.
  • Góc nghiêng khi in (Print orientation): Góc tạo bởi hướng đặt chi tiết với bàn in/trục Z, quyết định hướng sắp xếp của các sợi đùn so với phương của ứng suất cắt sinh ra do mô-men xoắn.
  • Nhiệt độ in (Print temperature): Gồm nhiệt độ vòi phun (nung chảy nhựa), nhiệt độ bàn in (chống cong vênh lớp đáy) và nhiệt độ buồng in, đảm bảo điều kiện kết tinh và khuếch tán nhiệt giữa các lớp kế tiếp.
Yếu tố công nghệ in 3D Cơ chế ảnh hưởng đến độ bền mỏi xoắn
Độ dày lớp in Ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc và độ bám dính giữa các lớp bồi đắp; chi phối độ nhám bề mặt và mức độ tập trung ứng suất tế vi.
Tốc độ in Quyết định tính đồng đều của dòng nhựa đùn; tốc độ không phù hợp tạo ra các lỗ xốp hoặc khuyết tật liên kết cục bộ.
Tỷ lệ điền đầy Tăng diện tích mặt cắt thực tế chịu ứng suất tiếp do mô-men xoắn gây ra, nâng cao mô-men chống xoắn $W_0$.
Góc nghiêng khi in Thay đổi phương định hướng sợi in so với phương ứng suất chính, ảnh hưởng trực tiếp đến hiện tượng trượt giữa các lớp sợi.
Nhiệt độ đùn vòi phun Chi phối độ nhớt nóng chảy và mức độ khuếch tán phân tử giữa các đường in liền kề, quyết định độ bền liên kết phân tử.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp thực nghiệm cơ học: Chế tạo mẫu thử in 3D theo 25 chế độ đơn biến; lắp đặt mẫu lên hệ thống thử mỏi xoắn chuyên dụng để đo lường đường cong suy giảm mô-men xoắn theo thời gian/chu kỳ.
  • Phương pháp thiết kế và gia công cơ khí: Sử dụng phần mềm CAD/CAM Creo 10 để thiết kế 3D và lập trình đường chạy dao (tiện, phay CNC) chế tạo đồ gá kẹp từ phôi nhôm.
  • Phương pháp điều khiển và thu thập dữ liệu số: Tích hợp cảm biến đo mô-men xoắn tĩnh nối với bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), giao tiếp với máy tính qua phần mềm Siemens TIA Portal v17.
  • Phương pháp học máy và mô hình hóa: Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) để huấn luyện từ tập dữ liệu thực nghiệm và dự đoán biến thiên mô-men xoắn cực đại âm/dương.

Thiết kế và triển khai hệ thống thử nghiệm

Thiết kế và chế tạo cụm đồ gá kẹp mẫu

Để lắp đặt cảm biến mô-men xoắn và định vị chắc chắn mẫu thử trên mâm cặp máy mỏi, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo bộ đồ gá gồm 3 chi tiết từ phôi hợp kim nhôm thông qua phần mềm Creo 10:

  1. Chi tiết Mặt bích:

    • Vật liệu: Phôi nhôm tròn kích thước $\varnothing 76 \times 59\text{ mm}$.
    • Chuẩn gia công: Hệ tọa độ G90 / G54.
    • Chu trình tiện CNC gồm 4 bước: (1) Vạt mặt đầu (dao Turning R 0.3, $s = 1200\text{ v/ph}$, $F = 0.3\text{ mm/v}$, $t = 0.5\text{ mm}$); (2) Tiện thô bề mặt (dao Turning R 0.3, $s = 1200\text{ v/ph}$, $F = 0.3\text{ mm/v}$, $t = 1.0\text{ mm}$); (3) Tiện tinh bề mặt (dao Turning R 0.1, $s = 2500\text{ v/ph}$, $F = 0.1\text{ mm/v}$, $t = 0.1\text{ mm}$); (4) Cắt đứt chi tiết (dao Turn_Grooving 24, $s = 600\text{ v/ph}$, $F = 0.05\text{ mm/v}$).

  2. Chi tiết Gá phôi I:

    • Vật liệu: Phôi nhôm khối kích thước $30 \times 30 \times 21\text{ mm}$.
    • Chuẩn gia công: G54.
    • Chu trình phay gồm 4 bước: (1) Phay thô mặt trên (dao phay mặt đầu EM 8, $s = 1200\text{ v/ph}$, $F = 500\text{ mm/ph}$, $t = 0.9\text{ mm}$); (2) Phay tinh mặt trên (dao EM 8, $s = 2500\text{ v/ph}$, $F = 1000\text{ mm/ph}$, $t = 0.1\text{ mm}$); (3) Phay thô hốc (dao ngón EM 3, $s = 1500\text{ v/ph}$, $F = 600\text{ mm/ph}$, $t = 11.9\text{ mm}$); (4) Phay tinh hốc (dao EM 3, $s = 2500\text{ v/ph}$, $F = 1000\text{ mm/ph}$, $t = 0.1\text{ mm}$).

  3. Chi tiết Gá phôi II:

    • Vật liệu: Phôi nhôm khối kích thước $50 \times 50 \times 42\text{ mm}$.
    • Chuẩn gia công: G54.
    • Chu trình gia công gồm 10 bước: Phay thô và tinh mặt trên ($t = 1.9\text{ mm}$ và $0.1\text{ mm}$); Phay thô và tinh hốc mặt trên ($t = 11.9\text{ mm}$ và $0.1\text{ mm}$); Đảo phôi phay thô và tinh mặt dưới ($t = 1.9\text{ mm}$ và $0.1\text{ mm}$); Phay thô và tinh hốc mặt dưới ($t = 19.9\text{ mm}$ và $0.1\text{ mm}$); Khoan lỗ $\varnothing 5.5\text{ mm}$ mặt bên sâu $13\text{ mm}$ ($s = 1200\text{ v/ph}$, $F = 70\text{ mm/ph}$); Taro ren M6 sâu $13\text{ mm}$ (dao TAP M6x0.75, $s = 100\text{ v/ph}$, $F = 70\text{ mm/ph}$).
Chi tiết đồ gá Kích thước phôi ban đầu Nguyên công chính Dụng cụ cắt sử dụng Chế độ cắt chính ($s$, $F$)
Mặt bích Nhôm $\varnothing 76 \times 59\text{ mm}$ Tiện vạt mặt, tiện ngoài, cắt đứt Dao tiện ngoài R0.3, R0.1, dao cắt rãnh $s = 600 - 2500\text{ v/ph}$, $F = 0.05 - 0.3\text{ mm/v}$
Gá phôi I Nhôm $30 \times 30 \times 21\text{ mm}$ Phay mặt phẳng, phay hốc định vị Dao phay mặt đầu EM 8, dao phay ngón EM 3 $s = 1200 - 2500\text{ v/ph}$, $F = 500 - 1000\text{ mm/ph}$
Gá phôi II Nhôm $50 \times 50 \times 42\text{ mm}$ Phay mặt, phay hốc 2 mặt, khoan, taro M6 Dao EM 8, EM 3, mũi khoan $\varnothing 5.5$, mũi taro M6 $s = 100 - 2500\text{ v/ph}$, $F = 70 - 1000\text{ mm/ph}$

Tích hợp thiết bị đo và quy trình vận hành thử nghiệm

Hệ thống đo kiểm được cấu hình bằng việc tích hợp cảm biến đo mô-men xoắn tĩnh (Static Torque Sensor) với các thông số kỹ thuật: tải trọng định mức $300\text{ N}\cdot\text{m}$, cấp chính xác sai số $\pm 0.1%$, nhiệt độ làm việc từ $-20^\circ\text{C}$ đến $65^\circ\text{C}$, điện áp nguồn cấp $10\text{ VDC}$.

Quy trình triển khai thực nghiệm được tiến hành tuần tự qua 4 bước:

  • Bước 1 (Chuẩn bị mẫu thử): Xử lý bavia bề mặt của các mẫu in 3D nhựa PA dạng trục tròn bằng dụng cụ mài dũa cơ học để đảm bảo kích thước lắp ghép chính xác vào hốc đồ gá.
  • Bước 2 (Gá kẹp cơ khí): Lắp cụm đồ gá cùng cảm biến mô-men xoắn lên mâm cặp cố định của máy mỏi; đặt mẫu thử vào vị trí định vị của gá và sử dụng tay quay siết chặt mâm cặp còn lại để khử độ rơ.
  • Bước 3 (Kết nối phần cứng): Đấu nối dây cấp nguồn $10\text{ VDC}$ cho bộ điều khiển PLC; kết nối tín hiệu từ cảm biến đo mô-men xoắn vào cổng nhận tín hiệu của PLC; kết nối cáp mạng Ethernet (RJ45) từ PLC sang máy tính thu thập dữ liệu.
  • Bước 4 (Cấu hình và thu thập dữ liệu): Cấu hình địa chỉ IP tĩnh trên card mạng máy tính trùng với dải mạng của PLC; mở phần mềm Siemens TIA Portal v17, nạp chương trình điều khiển đo mỏi xoắn vào CPU PLC; khởi tạo giao diện ghi dữ liệu thời gian thực, thiết lập file lưu trữ và kích hoạt chu trình thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đề tài

Trình bày tính cấp thiết của việc kiểm tra độ bền mỏi xoắn đối với chi tiết máy trong sản xuất cơ khí hiện đại. Phân tích các nguyên nhân gây hỏng hóc phổ biến và khẳng định vai trò của nghiên cứu mỏi xoắn trên vật liệu in 3D. Xác định mục tiêu chế tạo bộ thông số, đo kiểm mô-men xoắn, ứng dụng mạng nơ-ron và so sánh mẫu in với mẫu đặc. Xác định đối tượng, phạm vi nghiên cứu tại xưởng thực hành và kết cấu 5 chương của đồ án.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Tổng hợp lý thuyết về hiện tượng mỏi, bản chất phá hủy mỏi tế vi, các yếu tố tập trung ứng suất và 3 giai đoạn phát triển vết nứt mỏi. Trình bày tổng quan công nghệ in 3D bồi đắp FDM, phân tích cơ chế ảnh hưởng của 5 thông số công nghệ (độ dày lớp in, tốc độ in, tỷ lệ điền đầy, góc nghiêng in, nhiệt độ in) đến cơ tính và độ chính xác hình học của sản phẩm. Giới thiệu cấu tạo, nguyên lý làm việc và các thông số kỹ thuật định mức của cảm biến đo mô-men xoắn tĩnh $300\text{ N}\cdot\text{m}$.

Chương III: Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy

Khảo sát hiện tượng tập trung ứng suất gây mỏi tại các vị trí chuyển tiếp tiết diện hoặc rãnh then trên trục tròn. Trình bày toàn bộ quy trình thiết kế 3D trên Creo 10 và lập bảng quy trình công nghệ gia công chi tiết Mặt bích, Gá phôi I, Gá phôi II từ phôi nhôm. Thiết kế mẫu thử nghiệm dạng trục tròn bằng nhựa PA và xây dựng ma trận 25 trường hợp thí nghiệm đơn biến (với 5 trường hợp chuẩn đối chứng lặp lại: mẫu 3, 8, 13, 18, 23). Mô tả chi tiết 4 bước vận hành máy thử mỏi, cấu hình PLC và phần mềm TIA Portal v17. Tổng hợp các đồ thị biến thiên mô-men xoắn phần âm/dương theo thời gian và xây dựng đồ thị tương quan giữa kết quả thực nghiệm với mô hình dự đoán mạng nơ-ron nhân tạo (ANN). Phân tích hình thái phá hủy thực tế của các mẫu in PA sau khi thử mỏi.

Chương IV: Ứng dụng

Triển khai phương pháp kiểm chứng bằng việc chuẩn bị phôi thanh nhựa PA đặc nguyên khối, tiến hành gia công tiện cắt gọt cơ khí để tạo mẫu thử có cùng kích thước hình học với mẫu in 3D. Lắp đặt mẫu nhựa PA đặc lên hệ thống máy mỏi xoắn, chạy thực nghiệm với quy trình đo tương tự mẫu in 3D. Thu thập dữ liệu mô-men xoắn âm và dương, xây dựng các biểu đồ so sánh độ chênh lệch mô-men xoắn mỏi giữa mẫu in 3D FDM và mẫu nhựa đặc gia công cơ.

Chương V: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu đề tài: xây dựng thành công bộ đồ gá tích hợp cảm biến, thiết lập quy trình đo mỏi xoắn tự động qua PLC/TIA Portal, khảo sát được ảnh hưởng của các thông số in 3D nhựa PA và ứng dụng ANN trong dự báo mô-men xoắn. Thẳng thắn chỉ ra hạn chế nghiên cứu và đề xuất hướng hoàn thiện thực nghiệm theo phương pháp Taguchi trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công cụm đồ gá thử mỏi xoắn: Đã hoàn thiện thiết kế 3D, bản vẽ chế tạo 2D và lập trình gia công CNC chính xác 3 chi tiết cơ khí (Mặt bích $\varnothing 76\text{ mm}$, Gá phôi I $30\times 30\times 21\text{ mm}$, Gá phôi II $50\times 50\times 42\text{ mm}$ có taro ren M6), đảm bảo độ đồng tâm, độ cứng vững và khả năng tích hợp trực tiếp cảm biến mô-men xoắn tĩnh lên mâm cặp máy mỏi.
  2. Xây dựng hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu tự động: Tích hợp hoàn chỉnh cảm biến đo xoắn $300\text{ N}\cdot\text{m}$ với khối điều khiển PLC Siemens và phần mềm TIA Portal v17 qua mạng Ethernet, cho phép ghi nhận liên tục sự suy giảm mô-men xoắn theo cả chiều dương và chiều âm trong suốt chu kỳ thử mỏi.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của các biến số in 3D nhựa PA: Thu thập và xử lý dữ liệu của 25 chế độ thử nghiệm đơn biến; phân tích định lượng sự thay đổi của mô-men xoắn cực đại âm và dương theo các biến số độ dày lớp, tỷ lệ điền đầy, góc nghiêng và nhiệt độ in.
  4. Ứng dụng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Thiết lập mô hình học máy ANN để mô phỏng mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số in 3D và đáp ứng mô-men xoắn mỏi; biểu đồ đối sánh giữa giá trị thực nghiệm và dự đoán ANN cho thấy mức độ tương thích cao về xu hướng biến thiên.
  5. So sánh đối chứng với mẫu nhựa PA đặc: Dữ liệu thực nghiệm ở Chương IV xác lập các biểu đồ chênh lệch mô-men xoắn giữa mẫu in FDM và mẫu gia công từ thanh nhựa PA đặc, phản ánh rõ mức độ suy giảm độ bền do cấu trúc phân lớp xốp của công nghệ in 3D so với vật liệu liền khối.

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp về phương pháp kỹ thuật: Cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh từ khâu thiết kế đồ gá chuyên dụng, tích hợp cảm biến đo lực xoắn tĩnh vào hệ điều khiển PLC đến quy trình thu thập dữ liệu đo mỏi tự động cho vật liệu phi kim loại (polymer).
  • Đóng góp về dữ liệu thực nghiệm: Bổ sung bộ dữ liệu thực nghiệm về ứng xử mỏi xoắn của vật liệu nhựa kỹ thuật Polyamide (PA) chế tạo bằng phương pháp FDM, làm cơ sở lựa chọn chế độ in tối ưu nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc cho các chi tiết máy chịu xoắn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả trong văn bản, hạn chế lớn nhất của đề tài là việc khảo sát các thông số in 3D mới dừng lại ở phương pháp thử nghiệm đơn biến (thay đổi từng thông số riêng lẻ với 25 trường hợp thí nghiệm, trong đó có 5 trường hợp lặp chuẩn). Đồ án chưa triển khai thực nghiệm toàn diện trên toàn bộ các tổ hợp thông số tương tác đa biến theo ma trận trực giao của phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi do hạn chế về mặt thời gian đo kiểm mỏi kéo dài.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm đầy đủ bộ thông số in 3D theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để xác định chính xác tổ hợp thông số tối ưu tuyệt đối cho độ bền mỏi xoắn.
  • Mở rộng đối tượng thử nghiệm sang các loại vật liệu in 3D kỹ thuật khác như ABS, PETG, PLA, nhựa gia cường sợi carbon hoặc vật liệu composite dẻo.
  • Nâng cấp mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với tập dữ liệu lớn hơn nhằm nâng cao độ chính xác dự báo tuổi thọ mỏi và tối ưu hóa hình học chi tiết máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ chế tạo máy, Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế và công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên phần mềm Creo 10; phương pháp tích hợp cảm biến lực/mô-men xoắn với bộ điều khiển PLC Siemens và phần mềm TIA Portal v17.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D), công nghệ vật liệu Polymer/In 3D: Tham khảo phương pháp xây dựng hệ thống thử nghiệm mỏi xoắn, các dữ liệu đối sánh cơ tính giữa sản phẩm in 3D FDM và sản phẩm gia công cơ từ phôi đặc, cũng như định hướng ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong phân tích dữ liệu cơ học.

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu thử nghiệm trong đồ án được chế tạo từ vật liệu gì và có quy cách hình học như thế nào?
Mẫu thử nghiệm được chế tạo từ vật liệu nhựa kỹ thuật PA (Polyamide / Nylon) với biên dạng hình học dạng trục tròn, được tạo hình bằng hai phương pháp: in 3D theo công nghệ FDM và gia công cắt gọt tiện cơ khí từ thanh phôi nhựa PA đặc nguyên khối.

2. Cụm đồ gá thử mỏi xoắn gồm những chi tiết nào và được chế tạo bằng phương pháp nào?
Cụm đồ gá gồm 3 chi tiết chính chế tạo từ phôi hợp kim nhôm: chi tiết Mặt bích (tiện từ phôi $\varnothing 76\text{ mm}$), chi tiết Gá phôi I (phay từ phôi $30\times 30\times 21\text{ mm}$) và chi tiết Gá phôi II (phay, khoan và taro M6 từ phôi $50\times 50\times 42\text{ mm}$). Toàn bộ được lập trình và gia công trên phần mềm CAD/CAM Creo 10.

3. Cảm biến đo mô-men xoắn được sử dụng trong hệ thống có các thông số kỹ thuật chính nào?
Đồ án sử dụng cảm biến đo mô-men xoắn tĩnh (Sensor Torque Static) có tải trọng định mức $300\text{ N}\cdot\text{m}$, sai số $\pm 0.1%$, dải nhiệt độ làm việc từ $-20^\circ\text{C}$ đến $65^\circ\text{C}$ và sử dụng nguồn điện đầu vào $10\text{ VDC}$.

4. Dữ liệu thực nghiệm mỏi xoắn được thu thập và điều khiển thông qua các thiết bị, phần mềm nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến mô-men xoắn tĩnh kết nối với bộ điều khiển lập trình PLC, truyền thông dữ liệu qua cáp mạng Ethernet tới máy tính cài đặt phần mềm Siemens TIA Portal v17 để nạp chương trình điều khiển và ghi nhận dữ liệu mô-men xoắn thời gian thực.

5. Vì sao đồ án tiến hành thử nghiệm đối chứng với mẫu nhựa PA đặc ở Chương IV?
Việc gia công và thử nghiệm mẫu từ thanh nhựa PA đặc nguyên khối nhằm tạo ra cơ sở dữ liệu chuẩn để đối chứng, so sánh định lượng mức độ chênh lệch mô-men xoắn và độ bền mỏi xoắn giữa chi tiết in 3D FDM (có cấu trúc bồi đắp từng lớp) với chi tiết chế tạo từ phôi đặc đồng nhất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy" đã hoàn thành việc thiết kế, gia công bộ đồ gá chuyên dụng và thiết lập hệ thống thử nghiệm mỏi xoắn tự động tích hợp cảm biến tĩnh cùng PLC. Công trình đã phân tích định lượng ảnh hưởng của các thông số công nghệ in 3D nhựa PA đến khả năng chịu mô-men xoắn, đồng thời ứng dụng hiệu quả mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong việc mô hình hóa và dự báo cơ tính mỏi. Kết quả đối sánh giữa mẫu in 3D và mẫu nhựa PA đặc nguyên khối cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm quan trọng phục vụ công tác thiết kế và chế tạo chi tiết máy chịu tải xoắn trong kỹ thuật cơ khí.