Nghiên Cứu Nguyên Lý Hình Thành Bavia Trong Gia Công Kết Hợp Và Đề Xuất Phương Án Kiểm Soát Sử Dụng Mô Phỏng Số

• Tác giả: Võ Duy Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên cứu nguyên lý hình thành bavia trong gia công kết hợp và đề xuất phương án kiểm soát sử dụng mô phỏng số
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHAPTER 1: Introduction
• 1.1. Motivations for topic selection
• 1.2. Scopes and Objectives
• 1.3. Structure of thesis
• 2. BACKGROUND OF THE RESEARCH
• 2.1. Hybrid machining process
• 2.2. Introduction to Hybrid machining
• 2.3. Introduction to VAM drilling
• 2.4. Burr formation, measuring, and calibration method
• 3. FINITE ELEMENT METHOD IN DRILLING PROCESS
• 3.1. Cutting parameter and cutting force
• 3.2. Geometry for drilling and cutting parameter
• 3.3. Kinetics of VAM drilling
• 3.4. Axial uncut chip thickness
• 3.5. Plowing force model
• 3.6. FEM in machining process
• 3.7. Overview of the Explicit Finite Element method
• 3.8. Influence of factors in simulation result
• 3.9. Stable time and step time
• 4. RESULT OF BUR FORMATION IN SIMULATION
• 4.1. Design the 3D drilling simulation model
• 4.2. Apply the material Al6061-T6
• 4.3. Boundary condition and first results to calibrated
• 4.4. Result in simulation
• 4.5. Parameter in simulation
• 4.6. Exit burr result
• 4.7. Entrance burr height
• 4.8. Compare the exit burr in VAD to CD
• 4.9. Conclusion in result
• 5. CONCLUSION AND RECOMMEDATION
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Mô Phỏng Số Bavia và Gia Công Kết Hợp

Bài viết này đi sâu vào lĩnh vực mô phỏng số trong việc dự đoán và kiểm soát sự hình thành bavia trong quá trình gia công kết hợp. Sự ra đời của các vật liệu mới và yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, y tế đã thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp gia công tiên tiến. Gia công kết hợp nổi lên như một giải pháp, kết hợp các phương pháp gia công truyền thống và phi truyền thống để đạt được hiệu quả tối ưu. Tuy nhiên, sự phức tạp của quá trình này làm tăng khả năng hình thành bavia, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tăng chi phí sản xuất. Mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán và giảm thiểu bavia, giúp tối ưu hóa quy trình gia công kết hợp. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng phần mềm mô phỏng gia công để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành bavia, từ đó đề xuất các giải pháp kiểm soát hiệu quả. Các kết quả nghiên cứu khoa học về bavia sẽ cung cấp những thông tin giá trị cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. Theo tài liệu gốc, "Việc lựa chọn các điều kiện cắt phù hợp, bao gồm tốc độ, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt, là rất cần thiết để tạo điều kiện loại bỏ dễ dàng các gờ bằng áp lực nước."

1.1. Giới Thiệu Công Nghệ Gia Công Kết Hợp Tiên Tiến

Gia công kết hợp là sự kết hợp của nhiều quy trình gia công để vượt qua những hạn chế của từng quy trình riêng lẻ. Nó tích hợp các phương pháp gia công truyền thống như phay, tiện, khoan với các phương pháp phi truyền thống như gia công bằng laser hoặc gia công điện hóa. Lợi ích của gia công kết hợp bao gồm tăng tốc độ loại bỏ vật liệu, cải thiện chất lượng bề mặt, tăng tính linh hoạt trong gia công và khả năng gia công các hình dạng phức tạp. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra những thách thức về tích hợp quy trình, yêu cầu dụng cụ và độ phức tạp của việc tối ưu hóa các thông số gia công. Đây là một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng với những nghiên cứu liên tục hướng đến việc khám phá những kết hợp quy trình mới, tối ưu hóa thông số và mở rộng khả năng ứng dụng. Mục tiêu là nâng cao khả năng gia công và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp sản xuất hiện đại.

1.2. Vai Trò Quan Trọng Của Mô Phỏng Số Trong Gia Công

Mô phỏng số đóng vai trò không thể thiếu trong quy trình gia công, đặc biệt trong việc dự đoán và giảm thiểu sự hình thành bavia. Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng gia công, các kỹ sư có thể phân tích và tối ưu hóa các thông số gia công, chẳng hạn như tốc độ cắt, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt, để giảm thiểu sự xuất hiện của bavia. Mô phỏng cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác như vật liệu gia công và hình dạng dụng cụ cắt đến quá trình hình thành bavia. Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với các thử nghiệm thực tế tốn kém. Hơn nữa, mô phỏng số cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hình thành bavia, cho phép phát triển các phương pháp kiểm soát bavia hiệu quả hơn.

1.3. Tổng Quan Về Bavia Vấn Đề và Ảnh Hưởng Của Bavia

Bavia là những phần vật liệu thừa còn sót lại trên phôi sau quá trình gia công, thường xuất hiện ở các cạnh và góc. Sự hình thành bavia là một vấn đề phổ biến trong gia công và có thể gây ra nhiều vấn đề, bao gồm giảm chất lượng bề mặt, sai lệch kích thước, và nguy cơ gây thương tích cho người vận hành. Việc loại bỏ bavia thường tốn kém và tốn thời gian, đòi hỏi các quy trình bổ sung như mài, vát mép hoặc sử dụng hóa chất. Do đó, việc kiểm soát và giảm thiểu sự hình thành bavia là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí. Nghiên cứu trong lĩnh vực này bao gồm việc tìm hiểu cơ chế hình thành bavia và phát triển các phương pháp ngăn chặn và loại bỏ bavia hiệu quả.

II. Thách Thức Kiểm Soát Bavia trong Gia Công Phức Tạp

Kiểm soát bavia trong gia công kết hợp đặt ra những thách thức đáng kể do sự phức tạp của quy trình và sự tương tác giữa các yếu tố khác nhau. Các yếu tố này bao gồm tính chất của vật liệu gia công, thông số gia công (tốc độ, bước tiến, độ sâu cắt), hình dạng và vật liệu của dụng cụ cắt, và môi trường gia công. Đặc biệt, gia công tốc độ cao làm tăng nguy cơ hình thành bavia do nhiệt độ cao và ứng suất lớn. Việc sử dụng các vật liệu mới, khó gia công, cũng gây khó khăn trong việc kiểm soát bavia. Do đó, việc phát triển các phương pháp kiểm soát bavia hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành bavia và khả năng tối ưu hóa quy trình gia công để giảm thiểu sự xuất hiện của bavia. Nghiên cứu khoa học về bavia đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kiến thức và công cụ cần thiết để giải quyết những thách thức này. Theo tài liệu gốc, "Có những trường hợp hoặc vị trí cụ thể mà việc loại bỏ gờ vẫn còn khó khăn."

2.1. Ảnh Hưởng Của Thông Số Cắt Đến Hình Thành Bavia

Các thông số gia công như tốc độ cắt, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành bavia. Tốc độ cắt cao thường dẫn đến nhiệt độ cao hơn tại vùng cắt, làm mềm vật liệu và tăng khả năng hình thành bavia. Tốc độ tiến dao quá cao có thể gây ra lực cắt lớn, dẫn đến biến dạng vật liệu và hình thành bavia. Chiều sâu cắt quá lớn cũng có thể gây ra ứng suất cao và tạo ra bavia. Do đó, việc lựa chọn và tối ưu hóa các thông số gia công là rất quan trọng để giảm thiểu sự hình thành bavia. Mô phỏng số có thể được sử dụng để dự đoán ảnh hưởng của các thông số gia công khác nhau đến sự hình thành bavia và giúp các kỹ sư lựa chọn các thông số tối ưu.

2.2. Tác Động Của Vật Liệu Gia Công Lên Quá Trình Tạo Bavia

Tính chất của vật liệu gia công đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành bavia. Các vật liệu dẻo có xu hướng tạo ra bavia lớn hơn so với các vật liệu giòn. Độ bền kéo và độ cứng của vật liệu cũng ảnh hưởng đến sự hình thành bavia. Các vật liệu có độ bền kéo thấp và độ cứng thấp dễ bị biến dạng và tạo ra bavia. Mô phỏng biến dạng vật liệu là một công cụ hữu ích để dự đoán hành vi của các vật liệu khác nhau trong quá trình gia công và giúp lựa chọn vật liệu phù hợp để giảm thiểu sự hình thành bavia. Nghiên cứu này cũng cần xem xét các loại bavia kim loại và bavia nhựa.

2.3. Vai Trò Của Dao Cụ và Hình Dạng Dao Cụ Trong Gia Công

Hình dạng và vật liệu của dụng cụ cắt có ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành bavia. Dụng cụ cắt sắc bén có xu hướng tạo ra bavia nhỏ hơn so với dụng cụ cắt cùn. Góc cắt và góc thoát của dụng cụ cũng ảnh hưởng đến lực cắt và sự hình thành bavia. Vật liệu của dụng cụ cắt cũng quan trọng, với các vật liệu có độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt hơn có xu hướng tạo ra bavia ít hơn. Tối ưu hóa gia công liên quan đến việc lựa chọn dao cụ phù hợp có thể giảm thiểu tối đa hình thành bavia. Phần mềm mô phỏng gia công có thể mô phỏng tương tác giữa dụng cụ cắt và vật liệu gia công để tối ưu hóa thiết kế dụng cụ và giảm thiểu sự hình thành bavia.

III. Giải Pháp Ứng Dụng Mô Phỏng Số Giảm Thiểu Bavia

Mô phỏng số đã trở thành một công cụ thiết yếu trong việc giảm thiểu sự hình thành bavia trong gia công kết hợp. Bằng cách sử dụng các phần mềm như Abaqus, Deform, và ANSYS, các kỹ sư có thể mô phỏng quá trình gia công và dự đoán sự hình thành bavia dưới các điều kiện khác nhau. FEA (Finite Element Analysis) trong gia công cho phép phân tích ứng suất và biến dạng trong vật liệu, cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế hình thành bavia. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số gia công, thiết kế dụng cụ cắt và lựa chọn vật liệu gia công để giảm thiểu sự hình thành bavia. Ứng dụng mô phỏng trong gia công mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thời gian thử nghiệm, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm. Tài liệu gốc đề cập đến việc sử dụng FEM để mô phỏng quá trình hình thành phoi, hình thành bavia và chất lượng bề mặt của phôi để dự đoán hiệu quả của gia công.

3.1. Mô Phỏng FEA Phân Tích Ứng Suất và Biến Dạng Vật Liệu

Mô phỏng FEA (Finite Element Analysis) đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích ứng suất và biến dạng trong vật liệu trong quá trình gia công. Bằng cách chia phôi và dụng cụ cắt thành các phần tử nhỏ, FEA cho phép tính toán ứng suất và biến dạng tại từng điểm trong vật liệu. Điều này cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế hình thành bavia và giúp các kỹ sư xác định các khu vực có nguy cơ hình thành bavia cao. Mô phỏng cũng có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số gia công khác nhau đến phân bố ứng suất và biến dạng, từ đó giúp tối ưu hóa quy trình gia công để giảm thiểu sự hình thành bavia.

3.2. Tối Ưu Hóa Thông Số Gia Công Dựa Trên Mô Phỏng Số

Kết quả mô phỏng số có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số gia công, chẳng hạn như tốc độ cắt, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt. Bằng cách chạy nhiều mô phỏng với các thông số khác nhau, các kỹ sư có thể xác định các thông số tối ưu để giảm thiểu sự hình thành bavia. Mô phỏng cũng có thể được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác như vật liệu gia công và hình dạng dụng cụ cắt đến sự hình thành bavia, từ đó giúp lựa chọn các thông số phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Quá trình này hỗ trợ tối ưu hóa gia công một cách hiệu quả.

3.3. Lựa Chọn Phần Mềm Mô Phỏng Phù Hợp và Hiệu Quả

Việc lựa chọn phần mềm mô phỏng gia công phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình mô phỏng. Các phần mềm phổ biến như Abaqus, Deform, và ANSYS cung cấp các khả năng khác nhau và phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Abaqus được biết đến với khả năng mô phỏng các bài toán phi tuyến và động lực học phức tạp, trong khi Deform được thiết kế đặc biệt cho mô phỏng các quá trình gia công kim loại. ANSYS cung cấp một bộ công cụ mô phỏng rộng lớn và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn phần mềm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán mô phỏng và kinh nghiệm của người sử dụng.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Rung Động Đến Kiểm Soát Bavia

Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động tích hợp vào dụng cụ cắt theo một số chỉ tiêu như: giảm thiểu sự hình thành bavia. Sử dụng các công cụ mô phỏng số để dự đoán quá trình hình thành bavia sau gia công. Gia công kết hợp với rung động giúp kiểm soát bavia hiệu quả hơn. Rung động có thể làm thay đổi cơ chế hình thành bavia, giảm lực cắt và cải thiện chất lượng bề mặt. Tuy nhiên, việc tích hợp rung động vào quá trình gia công cũng đặt ra những thách thức, như thiết kế hệ thống rung động phù hợp và tối ưu hóa các thông số rung động. Cần xem xét đến tần số và biên độ rung để đạt hiệu quả cao nhất. Theo tài liệu, "Bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng bên ngoài, chẳng hạn như biên độ và tần số, gia công có sự hỗ trợ của rung động sẽ sửa đổi cơ chế cắt, do đó nâng cao chất lượng gia công, giảm bavia và giảm thiểu sự mài mòn của dụng cụ."

4.1. Nghiên Cứu Thực Nghiệm và So Sánh Kết Quả Mô Phỏng

Để đánh giá độ chính xác của mô phỏng số, cần thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm và so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm. Các nghiên cứu thực nghiệm có thể được thực hiện bằng cách gia công phôi với các thông số khác nhau và đo kích thước bavia bằng các phương pháp khác nhau. Kết quả đo đạc có thể được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô phỏng và điều chỉnh các tham số mô phỏng để cải thiện độ chính xác. Phương pháp này giúp xác thực kết quả từ mô phỏng số.

4.2. Phân Tích Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Rung Động

Hiệu quả của rung động trong việc kiểm soát bavia phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tần số rung, biên độ rung, hướng rung và đặc tính của vật liệu gia công. Tần số rung quá cao có thể gây ra cộng hưởng và làm hỏng dụng cụ cắt, trong khi tần số rung quá thấp có thể không đủ để thay đổi cơ chế hình thành bavia. Biên độ rung quá lớn có thể gây ra biến dạng vật liệu quá mức, trong khi biên độ rung quá nhỏ có thể không có tác dụng. Hướng rung cũng quan trọng, với rung động theo hướng cắt thường hiệu quả hơn rung động theo các hướng khác. Việc phân tích và tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả kiểm soát bavia tối ưu.

4.3. So Sánh Gia Công Truyền Thống và Gia Công Hỗ Trợ Rung Động

Cần so sánh hiệu quả của gia công truyền thống và gia công hỗ trợ rung động để đánh giá lợi ích của việc sử dụng rung động trong việc kiểm soát bavia. So sánh có thể bao gồm việc đo kích thước bavia, chất lượng bề mặt, lực cắt và tuổi thọ dụng cụ trong cả hai phương pháp. Kết quả so sánh sẽ cung cấp thông tin về mức độ cải thiện có thể đạt được bằng cách sử dụng rung động và giúp xác định các ứng dụng phù hợp cho gia công hỗ trợ rung động. Điều này làm nổi bật sự khác biệt giữa gia công thông thường và phương pháp tiên tiến hơn.

V. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng và Hướng Nghiên Cứu Mới

Nghiên cứu mô phỏng số hình thành bavia trong gia công kết hợp mang lại những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hình thành bavia và cung cấp các công cụ hiệu quả để kiểm soát bavia. Mô phỏng số có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số gia công, thiết kế dụng cụ cắt và lựa chọn vật liệu gia công để giảm thiểu sự hình thành bavia. Việc tích hợp rung động vào quá trình gia công cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng bề mặt và giảm bavia. Các công nghệ gia công mới và nghiên cứu khoa học về bavia liên tục được phát triển, hứa hẹn những giải pháp hiệu quả hơn trong tương lai. Nghiên cứu từ Vo Duy Trung nhấn mạnh vào "Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn – phần mềm Abaqus để nghiên cứu sự hình thành bavia ở đầu ra. Tìm ra xu hướng hình thành bavia ở đầu ra trong các điều kiện cắt khác nhau bằng Abaqus/Explicit, từ đó đề xuất phạm vi cho các công việc thử nghiệm."

5.1. Ứng Dụng Thực Tế Của Mô Phỏng Số Trong Công Nghiệp

Mô phỏng số đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô, điện tử và y tế. Trong ngành hàng không vũ trụ, mô phỏng số được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các bộ phận máy bay, đảm bảo độ bền và độ tin cậy cao. Trong ngành ô tô, mô phỏng số được sử dụng để tối ưu hóa quy trình gia công các bộ phận động cơ và khung gầm, giảm chi phí và cải thiện hiệu suất. Trong ngành điện tử, mô phỏng số được sử dụng để thiết kế và gia công các mạch in và linh kiện điện tử, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao. Trong ngành y tế, mô phỏng số được sử dụng để thiết kế và gia công các thiết bị y tế và cấy ghép, đảm bảo tính tương thích sinh học và hiệu quả điều trị.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Kiểm Soát Bavia

Nhiều hướng nghiên cứu mới đang được khám phá trong lĩnh vực kiểm soát bavia, bao gồm việc sử dụng các vật liệu mới, phát triển các phương pháp gia công tiên tiến và tối ưu hóa các quy trình loại bỏ bavia. Các vật liệu mới có khả năng chống lại sự hình thành bavia đang được phát triển, như các hợp kim có độ bền cao và độ dẻo thấp. Các phương pháp gia công tiên tiến như gia công bằng laser, gia công tia nước và gia công điện hóa đang được sử dụng để giảm thiểu sự hình thành bavia. Các quy trình loại bỏ bavia tự động và hiệu quả hơn đang được phát triển, giảm chi phí và thời gian loại bỏ bavia.

5.3. Đề Xuất Các Phương Pháp Giảm Bavia Hiệu Quả

Các phương pháp giảm bavia hiệu quả bao gồm tối ưu hóa các thông số gia công, thiết kế dụng cụ cắt phù hợp, lựa chọn vật liệu gia công thích hợp, sử dụng các phương pháp gia công tiên tiến và thực hiện các quy trình loại bỏ bavia hiệu quả. Các thông số gia công cần được tối ưu hóa để giảm lực cắt và nhiệt độ tại vùng cắt. Dụng cụ cắt cần được thiết kế để giảm thiểu sự biến dạng vật liệu và tạo ra bề mặt cắt mịn. Vật liệu gia công cần được lựa chọn để có độ dẻo thấp và độ bền cao. Các phương pháp gia công tiên tiến có thể được sử dụng để giảm thiểu sự hình thành bavia. Các quy trình loại bỏ bavia có thể được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau, như mài, vát mép, sử dụng hóa chất hoặc sử dụng robot tự động.