MỞ ĐẦU Trong phần này, NCS giới thiệu về cơ sở lựa chọn hướng nghiên cứu, từ đó xác định mục tiêu, phương pháp và nội dung của luận án. Dựa trên những yếu tố này, NCS sẽ làm sáng tỏ những đóng góp quan trọng về mặt khoa học và giá trị thực tế mà luận án sẽ mang lại khi nghiên cứu đạt được kết quả. Nhờ vậy, kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực gia công hiện nay. Lý do chọn đề tài Tiện là một trong những phương pháp gia công phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi để sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau.
Các sản phẩm chủ yếu của gia công tiện thường có dạng tròn xoay, trong đó các chi tiết dạng tấm mỏng, trục dài và lỗ sâu rất phổ biến. Trong quá trình gia công các chi tiết dạng trên, hiện tượng rung động thường xảy ra. Dấu hiệu của rung động là dao cắt rung lắc, bề mặt tiện không đồng đều, tiếng ồn được tạo ra trong quá trình cắt không bình thường, hệ thống công nghệ máy, phôi và đồ gá rung động bất thường. Rung động có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực trong quá trình gia công.
Đầu tiên, rung động làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết thành phẩm ở công đoạn gia công tinh, điều này rất quan trọng vì ở bước gia công tinh này chất lượng bề mặt và kích thước chi tiết được hình thành. Khi đó nếu rung động xảy ra, chi tiết trở thành phế phẩm không sửa được. Thứ hai, rung động có thể tạo ra tiếng ồn quá mức, làm giảm chất lượng môi trường làm việc. Thứ ba, rung động có thể gây hỏng các thành phần của máy móc, do đó làm tăng chi phí bảo dưỡng và sửa chữa.
Cuối cùng, rung động cũng có thể gây giảm tuổi thọ của dụng cụ và giảm năng suất. Rung động là một vấn đề đã được các nhà khoa học và kỹ sư nghiên cứu trong nhiều thế kỷ nhưng vẫn chưa triệt để. Cho đến nay rung động vẫn là một trở ngại lớn trong gia công chi tiết máy như tiện, phay, khoan và mài. Trong tất cả các nhà máy và đơn vị gia công sản xuất hiện nay, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm luôn được yêu cầu.
Các nhà sản xuất luôn muốn chọn thông số công nghệ cắt gọt: vận tốc cắt nhanh hơn, chiều sâu cắt lớn hơn… để tăng năng suất, giảm chi phí và tạo lợi thế cạnh tranh. Tuy nhiên, một trong những rào 1 cản lớn hiện nay là rung động, vì vậy việc thực hiện điều này không thể diễn ra một cách thuận lợi. Đặc biệt khi các nhà sản xuất cố gắng tăng năng suất bằng cách tăng tốc độ cắt và tăng chiều sâu cắt thì rung động sẽ xuất hiện thường xuyên và làm chất lượng sản phẩm giảm. Hiện nay, do đặc thù kinh tế nên các thiết bị máy gia công cắt gọt như tiện, phay, mài… sử dụng ở các công ty sản xuất cơ khí ở Việt Nam chủ yếu là nhập khẩu máy mới từ Đài Loan, Trung Quốc hay máy đã qua sử dụng xuất xứ từ Nhật bản.
Thông thường, các thiết bị này có độ chính xác và độ cứng vững thấp và rất dễ xuống cấp trong thời gian ngắn. Rất ít công ty đủ kinh phí đầu tư những máy mới hiện đại từ Mỹ, Châu Âu hay Nhật bản với độ cứng vững và chính xác cao. Do vậy, lợi thế cạnh tranh của các công ty vừa và nhỏ ở Việt Nam rất thấp do không thể gia công sản phẩm với năng suất và độ chính xác cao với các thiết bị dễ bị rung động như vậy. Vì vậy, nhu cầu về tăng độ cứng vững, tăng khả năng chống rung động của các thiết bị ở các công ty này là rất lớn.
Hiện nay thị trường đã có một số công cụ và thiết bị công nghiệp để hạn chế và loại bỏ rung động trong quá trình tiện như phương pháp thay đổi trục chính liên tục, sử dụng cán dao giảm chấn hay cán dao có độ cứng biến dạng cao như cán dao bằng vật liệu hợp kim cứng… Tuy nhiên, các phương pháp trên còn có nhiều hạn chế trong một số trường hợp cụ thể như phương pháp thay đổi tốc độ trục chính liên tục sẽ không phù hợp với các chi tiết có đường kính thay đổi liên tục. Với cán dao giảm chấn, khi thay đổi chế độ cắt cần hiệu chỉnh lại các thông số của cán dao và điều này rất phức tạp; hơn nữa, cán dao giảm chấn chỉ có thể gia công các chi tiết có đường kính lớn hơn 16 mm. Nhược điểm của cán dao làm bằng hợp kim cứng là chi phí rất cao và thường giòn dễ gãy vỡ nên ít phổ biến. Nghiên cứu này nhằm khắc phục những hạn chế của các phương pháp giảm rung hiện có và đưa ra phương án giảm rung linh động hơn và dễ sử dụng hơn.
Bản thân tác giả tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM năm 2004 và tốt nghiệp thạc sĩ cùng ngành năm 2006. Tác giả cũng khởi nghiệp, vận hành công ty gia công cơ khí gần 20 năm, trong 2 quá trình thực hiện luôn gặp phải các vấn đề về rung động khi gia công, vấn đề về độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt chi tiết thành phẩm, luôn phải tìm phương án giải quyết hiện tượng “rung rần” bề mặt khi gia công. Tác giả luôn tìm mọi cách, học hỏi kinh nghiệm từ nhiều người mà vẫn không giải quyết được.
Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong quá trình tiện” là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu trong luận án này đóng vai trò là cơ sở khoa học và tài liệu tham khảo quan trọng để phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt là trong lĩnh vực gia công cơ khí. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng hướng đến việc chuyển giao công nghệ cho các đơn vị trong lĩnh vực sản xuất sản phẩm cơ khí, đặc biệt là các đơn vị sản xuất bằng chủ yếu phương pháp tiện. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng ở các công ty hạn chế về đầu tư máy đắt tiền như đã nói trên để tạo lợi thế cạnh tranh.
Đặc biệt, kết quả nghiên cứu sẽ hữu ích đối với các đơn vị sản xuất sản phẩm dạng trụ dài đường kính nhỏ, các chi tiết dạng thành mỏng và các chi tiết dạng lỗ có đường kính nhỏ sâu vì các chi tiết này rất dễ bị rung động. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là nghiên cứu phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong quá trình tiện nhằm cải thiện độ nhám bề mặt chi tiết thành phẩm, với các mục tiêu cụ thể sau: - Nghiên cứu đặc tính cơ học và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng rung động trong gia công tiện thông qua chỉ tiêu độ nhám bề mặt. - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp học máy nhận diện và phát hiện rung động trong gia công tiện. - Nghiên cứu thiết lập mô hình thí nghiệm xác định thông số tối ưu của phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong quá trình tiện.
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết các vấn đề liên quan đến quá trình cắt gọt kim loại, quá trình rung động của hệ thống công nghệ máy, dao, đồ gá…. Từ đó, 3 đề xuất các vấn đề cần nghiên cứu cụ thể, các giải pháp công nghệ phù hợp và hiệu quả trong việc phát hiện, hạn chế hay loại bỏ hiện tượng rung động này. Thiết lập các mô hình mô phỏng, mô hình thí nghiệm để khảo sát đặc tính của hiện tượng rung động, các yếu tố ảnh hưởng rung động cũng như mô hình để thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu để phát hiện, hạn chế hay loại bỏ rung động. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ rung động trong khi tiện bằng phương pháp mô phỏng.
Các yếu tố như chế độ cắt, chất lượng phôi, độ cứng vững cán dao …và chỉ tiêu đánh giá độ rung động này là chất lượng bề mặt chi tiết sau khi gia công, cụ thể là độ nhám bề mặt. Nghiên cứu phương pháp nhận diện phát hiện ra rung động từ các dữ liệu thu thập được như hình ảnh, âm thanh, lực, gia tốc. Nghiên cứu ảnh hưởng của lực từ trường tác động lên đặc tính rung động của cán dao và độ nhám bề mặt chi tiết gia công với mô hình luynet từ trường. Phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài Trong gia công tiện có rất nhiều mô hình tiện như: tiện trụ, tiện lỗ, tiện mặt đầu, tiện cắt đứt, tiện ren… Tất cả các mô hình tiện trên đều có thể xuất hiện hiện tượng rung động do độ cứng vững của cán dao và của phôi không được đảm bảo.
Hiện nay, các giải pháp kỹ thuật giảm rung bằng cách tăng độ cứng vững của dao như dùng vật liệu cán dao có độ cứng biến dạng cao (cán dao hợp kim cứng) hay dùng các loại giá đỡ khác nhau để tăng độ cứng vững của phôi rất hiệu quả trong mô hình tiện trụ. Chính vì vậy trong nghiên cứu này tác giả chỉ tập trung ở mô hình tiện lỗ và tiện mặt bích mỏng. Với mô hình tiện trụ nghiên cứu chỉ tập trung khảo sát ảnh hưởng của độ cứng vững phôi đến rung động bằng phương pháp mô phỏng. Hiện nay, thép cacbon được sử dụng rất phổ biến trong gia công chế tạo máy do cơ tính và giá thành thấp.
Ngoài ra, với các ưu điểm về đặc tính trọng lượng nhẹ và cơ tính ngày càng được nâng cao, nhôm và các hợp kim nhôm ngày càng phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực gia công chế tạo máy như lĩnh vực hàng không, lĩnh vực thiết bị tự động hóa, chẳng hạn như xi lanh khí nén, van khí nén … Vì vậy, trong nghiên cứu này tác giả sử dụng hai loại vật liệu chính là thép SS400 cho mô hình tiện mặt bích và 4 nhôm Al6061 cho mô hình tiện lỗ. Đây là những loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực gia công chế tạo máy. Nội dung nhận diện rung động bằng công cụ học máy có rất nhiều tín hiệu có thể được thu thập để đưa vào mô hình huấn luyện như: lực cắt, gia tốc rung động, âm thanh và hình ảnh. Ngoài ra do môi trường làm việc trong khi tiện rất khắc nghiệt do phoi bắn, nước làm mát, nhiệt… nên việc bố trí các thiết bị cảm biến trong buồng máy khá khó khăn.