Báo Cáo Tổng Kết Nghiên Cứu Khoa Học Về Cán Dao Tiện Có Dao Động Hỗ Trợ

• Tác giả: Lê Hoàng Anh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Trung Kiên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Cán Dao Tiện Có Dao Động Hỗ Trợ
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tìm hiểu về cán dao tiện
• 1.1.1. Cán dao tiện dùng Insert
• 1.1.2. Cán dao tiện dùng Solid
• 1.1.3. Vật liệu
• 1.1.4. Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ
• 1.1.5. Nguồn dao động
• 1.1.5.1. Nguồn dao động tự nhiên
• 1.1.5.2. Nguồn dao động cưỡng bức
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2.1. Ngoài nước
• 1.2.2. Trong nước
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu
• 1.4.1. Mục tiêu đề tài
• 1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cách tiếp cận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TIỆN CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.1.1. Những ưu điểm vượt trội
• 2.1.2. Công nghệ cắt rung siêu âm (UCV)
• 2.1.3. Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC)
• 2.1.4. Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)
• 2.1.5. Công nghệ rung động trợ giúp gia công (VAM)
• 2.1.6. So sánh giữa các phương pháp
• 2.1.7. Nguyên tắc khai thác rung siêu âm và ứng dụng hiệu ứng áp điện
• 2.1.7.1. Các tính toán cơ bản về các cấu PZT
• 2.1.7.2. Các cấu PZT với độ bền thấp
• 2.1.8. Khái niệm về khớp nối mềm
• 2.1.8.1. Khớp mềm là gì?
• 2.1.8.2. Cơ chế uốn hình bình hành
• 2.1.8.3. Nguyên lý hoạt động khớp mềm
• 2.1.8.4. Mô hình cơ khí
• 2.1.9. Khái niệm về độ chính xác khi gia công
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
• 3.1. Yêu cầu của đề tài
• 3.2. Giải pháp thực hiện
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SẢN PHẨM
• 4.1. Phương án thiết kế khớp nối mềm cho cán dao
• 4.1.1. Dữ liệu ban đầu
• 4.1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán độ cứng vững của cán dao
• 4.1.3. Chọn mảnh dao tiện hợp kim phù hợp
• 4.1.4. Tính toán chế độ cắt phù hợp
• 4.1.5. Tính toán lực cắt
• 4.2. Cơ sở công thức tính toán khớp mềm
• 4.2.1. Áp dụng tính toán khớp mềm vào cán dao
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
• 5.1. Giới thiệu phần mềm
• 5.2. Phân tích biến dạng trên phần mềm
• 5.2.1. Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao không khớp mềm
• 5.2.1.1. Dữ liệu đầu vào
• 5.2.2. Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao có khớp nối mềm
• 5.2.2.1. Dữ liệu đầu vào
• 5.2.2.2. Dữ liệu đầu ra
• 5.2.2.3. So sánh kết quả mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
• 6.1. Giới thiệu các bộ phận PZT
• 6.2. Bộ chuyển đổi siêu âm
• 6.3. Thiết kế đồ gá cho bộ phận tạo rung động siêu âm
• 6.3.1. Đo kích thước đồ gá dao trên máy tiện
• 6.3.2. Mô phỏng lắp ráp bằng phần mềm Inventor
• 6.3.3. Bản vẽ chi tiết
• 6.4. Tiến hành thí nghiệm
• 6.4.1. Chuẩn bị dạng cá thể thí nghiệm
• 6.4.2. Lắp đặt mô hình thí nghiệm
• 6.4.3. Quy trình thí nghiệm
• 6.4.4. Kết quả thí nghiệm
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 7.1. Kết quả đạt được
• 7.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 7.3. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thiết Kế Cán Dao Tiện Có Dao Động

Nghiên cứu về thiết kế cán dao tiện với dao động hỗ trợ là một lĩnh vực quan trọng trong gia công cơ khí. Mục tiêu là tối ưu hóa quá trình cắt gọt, cải thiện chất lượng bề mặt và tăng tuổi thọ dao. Các phương pháp gia công chính xác sử dụng dao tiện có dao động ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Hệ thống dao động hỗ trợ giúp giảm lực cắt, giảm rung động và cải thiện khả năng thoát phoi. Các nghiên cứu tập trung vào việc phân tích dao động, mô phỏng dao động và tối ưu hóa thiết kế dao tiện. Theo tài liệu gốc, đề tài "Thiết Kế Và Chế Tạo Cán Dao Tiện Có Dao Động Hỗ Trợ" (SV2020-107) thuộc trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã nghiên cứu và chế tạo một mẫu cán dao tiện với dao động hỗ trợ.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Dao Tiện Có Dao Động

Gia công bằng dao tiện có dao động là một phương pháp gia công tiên tiến sử dụng rung động tần số cao và biên độ nhỏ để cải thiện quá trình cắt. Kỹ thuật này thường được sử dụng để gia công các vật liệu khó cắt, như hợp kim titan và thép không gỉ. Dao động hỗ trợ cắt gọt giúp giảm lực cắt, giảm nhiệt độ tại vùng cắt và cải thiện chất lượng bề mặt. Các nghiên cứu tập trung vào các loại dao tiện rung khác nhau, chẳng hạn như dao động hỗ trợ cắt gọt siêu âm và dao tiện rung tần số thấp. Các thông số như tần số dao động và biên độ dao động cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất gia công.

1.2. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng Dao Động Trong Gia Công

Ứng dụng dao động trong gia công đã trải qua một quá trình phát triển dài, từ các nghiên cứu ban đầu về dao tiện rung đến các hệ thống dao động hỗ trợ phức tạp hiện nay. Các ứng dụng bao gồm gia công các chi tiết máy chính xác, sản xuất các bộ phận y tế và gia công các vật liệu đặc biệt trong ngành hàng không vũ trụ. Ứng dụng dao động trong gia công cũng được sử dụng để cải thiện hiệu quả của các quy trình gia công truyền thống, như tiện, phay và khoan. Sự phát triển của công nghệ dao tiện CNC đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các hệ thống dao động hỗ trợ vào các quy trình sản xuất.

II. Thách Thức và Vấn Đề Trong Thiết Kế Cán Dao Tiện

Trong thiết kế cán dao tiện, một số thách thức chính cần được giải quyết. Đầu tiên, cần đảm bảo độ cứng vững của cán dao để tránh rung động và biến dạng trong quá trình cắt. Thứ hai, cần tối ưu hóa kết cấu cán dao để giảm thiểu lực cắt và cải thiện khả năng thoát phoi. Thứ ba, cần lựa chọn vật liệu cán dao phù hợp để đảm bảo độ bền và khả năng chịu nhiệt. Biến dạng cán dao có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của gia công và tuổi thọ của dao. Các yếu tố như tần số dao động và biên độ dao động cũng cần được kiểm soát để đạt được hiệu suất gia công tối ưu.

2.1. Ảnh Hưởng của Rung Động Trong Gia Công

Rung động trong gia công có thể gây ra nhiều vấn đề, bao gồm giảm chất lượng bề mặt, tăng độ mòn dao và giảm tuổi thọ của máy công cụ. Giảm rung động trong gia công là một mục tiêu quan trọng trong thiết kế cán dao tiện. Các phương pháp giảm rung động bao gồm sử dụng vật liệu cán dao có độ cứng cao, tối ưu hóa kết cấu cán dao và sử dụng các hệ thống giảm chấn. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc phân tích dao động để xác định các nguồn rung động và phát triển các giải pháp giảm thiểu chúng.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng đến Độ Cứng Vững Của Cán Dao

Độ cứng vững của cán dao là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của quá trình gia công. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng vững của cán dao bao gồm hình dạng và kích thước của cán dao, vật liệu cán dao, và phương pháp lắp đặt cán dao. Tối ưu hóa thiết kế dao tiện cần xem xét các yếu tố này để đảm bảo độ cứng vững tối đa. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) thường được sử dụng để mô phỏng dao động và dự đoán độ cứng vững của các thiết kế cán dao khác nhau.

2.3. Khó khăn trong việc Gia Công Tốc Độ Cao

Gia công tốc độ cao đòi hỏi cán dao tiện phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao, giảm rung động, và duy trì độ chính xác trong thời gian dài. Thiết kế cán dao tiện cho gia công tốc độ cao cần sử dụng vật liệu cán dao đặc biệt, như hợp kim gốm hoặc composite. Các hệ thống làm mát và bôi trơn cũng cần được tối ưu hóa để giảm nhiệt độ tại vùng cắt. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật phân tích dao động để dự đoán và kiểm soát rung động trong gia công tốc độ cao.

III. Phương Pháp Thiết Kế Cán Dao Tiện Có Dao Động Hỗ Trợ

Thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ đòi hỏi một phương pháp tiếp cận toàn diện, kết hợp các nguyên tắc thiết kế cơ khí, động lực học và điều khiển. Phương pháp này bao gồm các bước sau: xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn vật liệu, thiết kế hình học, mô phỏng dao động, và kiểm tra thực nghiệm. Tối ưu hóa thiết kế dao tiện cần xem xét các yếu tố như tần số dao động, biên độ dao động, độ cứng vững của cán dao, và khả năng thoát phoi. Các phần mềm mô phỏng dao động như ANSYS hoặc COMSOL được sử dụng để dự đoán hiệu suất của các thiết kế cán dao khác nhau.

3.1. Lựa Chọn Vật Liệu Tối Ưu cho Cán Dao Tiện

Việc lựa chọn vật liệu cán dao phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ bền, độ cứng vững và khả năng chịu nhiệt của cán dao tiện. Các vật liệu cán dao phổ biến bao gồm thép hợp kim, thép gió, carbide và gốm. Thép hợp kim có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt. Thép gió có độ cứng cao và khả năng giữ lưỡi cắt sắc bén. Carbide có độ cứng rất cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Gốm có độ cứng và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời, nhưng lại giòn hơn các vật liệu khác. Lựa chọn vật liệu cán dao cần dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng gia công.

3.2. Thiết Kế Khớp Nối Mềm cho Cán Dao Động

Khớp nối mềm là một thành phần quan trọng trong thiết kế cán dao động, cho phép truyền dao động từ nguồn rung đến lưỡi cắt một cách hiệu quả. Thiết kế khớp nối mềm cần đảm bảo độ cứng phù hợp để truyền dao động mà không gây ra biến dạng quá mức. Các loại khớp nối mềm phổ biến bao gồm khớp nối bản lề, khớp nối lò xo và khớp nối chất lỏng. Lựa chọn khớp nối mềm cần dựa trên các yêu cầu về tần số dao động, biên độ dao động và tải trọng.

3.3. Tính Toán và Mô Phỏng Dao Động Của Cán Dao

Tính toán dao động và mô phỏng dao động là các bước quan trọng trong thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ. Tính toán dao động giúp xác định các tần số cộng hưởng và biên độ dao động của cán dao. Mô phỏng dao động sử dụng các phần mềm FEA để dự đoán hiệu suất của các thiết kế cán dao khác nhau. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế dao tiện và cải thiện hiệu quả gia công.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu Dao Động

Kết quả nghiên cứu dao động đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, y tế và điện tử. Ứng dụng dao động trong gia công giúp cải thiện chất lượng bề mặt, giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dao và giảm thời gian gia công. Trong ngành sản xuất ô tô, dao động hỗ trợ cắt gọt được sử dụng để gia công các chi tiết động cơ và hệ thống truyền động. Trong ngành hàng không vũ trụ, dao tiện rung được sử dụng để gia công các vật liệu khó cắt như hợp kim titan và composite. Trong ngành y tế, gia công chính xác bằng dao tiện có dao động được sử dụng để sản xuất các thiết bị cấy ghép và dụng cụ phẫu thuật.

4.1. Cải Thiện Hiệu Quả Gia Công Với Dao Động Hỗ Trợ

Hiệu quả gia công có thể được cải thiện đáng kể bằng cách sử dụng dao động hỗ trợ. Dao động giúp giảm lực cắt, giảm nhiệt độ tại vùng cắt và cải thiện khả năng thoát phoi. Điều này dẫn đến tăng tuổi thọ dao, giảm thời gian gia công và cải thiện chất lượng bề mặt. Nghiên cứu đã chứng minh rằng dao động hỗ trợ có thể giảm lực cắt tới 50% trong một số ứng dụng. Hiệu quả gia công cũng có thể được cải thiện bằng cách tối ưu hóa các thông số dao động, như tần số dao động và biên độ dao động.

4.2. Nghiên Cứu So Sánh Hiệu Quả Với Tiện Truyền Thống

Nghiên cứu so sánh hiệu quả gia công giữa tiện có dao động hỗ trợ và tiện truyền thống đã cho thấy những ưu điểm vượt trội của dao động hỗ trợ. Tiện có dao động hỗ trợ giúp cải thiện chất lượng bề mặt, giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dao và giảm thời gian gia công so với tiện truyền thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tiện có dao động hỗ trợ có thể giảm độ nhám bề mặt tới 80% trong một số ứng dụng. Theo tài liệu gốc, sử dụng dao động cưỡng bức làm tăng khả năng bẻ phoi, giảm độ mòn mảnh dao, giảm độ nhám bề mặt và tăng độ tròn so với tiện truyền thống.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Dao Tiện

Nghiên cứu thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ là một lĩnh vực đầy tiềm năng, hứa hẹn mang lại những cải tiến đáng kể cho ngành gia công cơ khí. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tối ưu hóa thiết kế dao tiện tiên tiến hơn, sử dụng các vật liệu cán dao mới và tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh. Ứng dụng dao động trong gia công sẽ tiếp tục mở rộng sang các ngành công nghiệp khác nhau, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được và Hạn Chế

Các kết quả đạt được từ nghiên cứu dao động đã chứng minh những ưu điểm vượt trội của dao tiện có dao động hỗ trợ so với tiện truyền thống. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được giải quyết, bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, độ phức tạp của hệ thống điều khiển và yêu cầu về kỹ năng vận hành chuyên môn. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc giảm chi phí, đơn giản hóa hệ thống và phát triển các phương pháp đào tạo hiệu quả.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm phát triển các hệ thống dao động hỗ trợ mini hóa, tích hợp các cảm biến và hệ thống điều khiển thông minh, và sử dụng các kỹ thuật mô phỏng dao động tiên tiến hơn. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cần tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của dao động trong gia công, như gia công các vật liệu composite và gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp.Theo tài liệu gốc, các hướng phát triển tiếp theo là: Tiếp tục đầu tư thiết bị đo, nghiên cứu hoàn thiện và chế tạo cấu trúc rung siêu âm trợ giúp gia công có kích thước nhỏ, có khả năng tích hợp trên nhiều máy công cụ khác nhau, nghiên cứu và ứng dụng công nghệ dao động siêu âm trên các loại vật liệu mới.