Nghiên Cứu Phương Pháp Giảm Rung Tích Cực Bằng Ngoại Lực Cưỡng Bức Trong Quá Trình Tiện

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong quá trình tiện, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Hồ Ngọc Thế Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Thành Trung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong quá trình tiện
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 5. CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HỌC MÁY TRONG NHẬN DIỆN VÀ DỰ ĐOÁN RUNG ĐỘNG
• 6. CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU GIẢM RUNG BẰNG NGOẠI LỰC CƯỠNG BỨC
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Phương pháp giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức

Luận án nghiên cứu phương pháp giảm rung trong quá trình tiện bằng cách sử dụng ngoại lực cưỡng bức. Phương pháp này tập trung vào việc áp dụng lực từ trường để kiểm soát rung động của dao tiện. Kết quả cho thấy, khi lực từ đạt 140 N, hiệu quả giảm rung đạt mức tối ưu, giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt sản phẩm. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc sử dụng lực từ từ hai hướng mang lại hiệu quả cao hơn so với lực từ đơn hướng hoặc ba hướng.

1.1. Nguyên lý giảm rung bằng lực từ

Nguyên lý của phương pháp giảm rung tích cực dựa trên việc tạo ra một lực từ trường tác động lên cán dao. Khi dao chịu tác động của lực cắt, dao động xảy ra. Lực từ tác động sẽ kéo dao về một hướng nhất định, giúp tiêu hao năng lượng dao động và giảm rung nhanh chóng. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong các quá trình tiện lỗ sâu, nơi độ cứng vững của cán dao đóng vai trò quan trọng.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng ứng dụng lớn của phương pháp giảm rung trong công nghiệp. Việc sử dụng lực từ trường không chỉ giúp giảm rung mà còn cải thiện độ nhám bề mặt sản phẩm. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng gia công cơ khí, đặc biệt là trong các ngành đòi hỏi độ chính xác cao như hàng không, ô tô và điện tử.

II. Quá trình tiện và các yếu tố ảnh hưởng đến rung động

Luận án phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến rung động trong quá trình tiện, bao gồm độ cứng vững của phôi, độ cứng vững của dao, sóng bề mặt phôi và chế độ cắt. Kết quả mô phỏng cho thấy, trong quá trình tiện trụ và tiện mặt bích, độ cứng vững của phôi là yếu tố chính ảnh hưởng đến rung động. Trong khi đó, với tiện lỗ sâu, độ cứng vững của cán dao đóng vai trò quyết định.

2.1. Độ cứng vững của phôi và dao

Độ cứng vững của phôi và dao là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến rung động trong quá trình tiện. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi chiều dài cán dao vượt quá 60 mm, chất lượng bề mặt sản phẩm giảm đáng kể. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc tối ưu hóa thiết kế cán dao để giảm thiểu rung động.

2.2. Ảnh hưởng của chế độ cắt

Chế độ cắt, bao gồm vận tốc cắt và bước tiến dao, cũng có tác động lớn đến rung động. Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc điều chỉnh chế độ cắt phù hợp có thể giảm thiểu rung động và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm. Đặc biệt, vận tốc cắt và bước tiến dao cần được điều chỉnh đồng thời để đạt hiệu quả tối ưu.

III. Ứng dụng học máy trong nhận diện rung động

Luận án ứng dụng học máy để nhận diện rung động trong quá trình tiện. Các mô hình RNN và LSTM được sử dụng để dự đoán lực cắt và phát hiện rung động. Kết quả cho thấy, độ chính xác của mô hình đạt tới 98% khi kết hợp dữ liệu âm thanh và hình ảnh. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các thiết bị giảm rung thông minh.

3.1. Mô hình RNN và LSTM

Các mô hình RNN và LSTM được sử dụng để dự đoán lực cắt theo thời gian. Kết quả nghiên cứu cho thấy, mô hình LSTM đạt độ chính xác cao hơn so với RNN, đặc biệt khi xử lý dữ liệu chuỗi thời gian. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của các mô hình học máy trong việc giám sát và điều khiển quá trình gia công.

3.2. Kết hợp âm thanh và hình ảnh

Việc kết hợp dữ liệu âm thanh và hình ảnh giúp nâng cao độ chính xác của mô hình nhận diện rung động. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng cả hai loại dữ liệu, độ chính xác đạt 97%, cao hơn so với việc chỉ sử dụng âm thanh hoặc hình ảnh riêng lẻ. Điều này khẳng định tính hiệu quả của phương pháp kết hợp dữ liệu đa phương thức.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Gia công tiện là một trong những phương pháp cắt gọt kim loại phổ biến nhất trong ngành cơ khí chế tạo máy, tạo hình các chi tiết dạng tròn xoay như trục dài, tấm mỏng và lỗ sâu. Trong quá trình gia công tinh, sự suy giảm độ cứng vững của hệ thống công nghệ (gồm máy công cụ, dao cắt, đồ gá và chi tiết gia công) thường xuyên làm phát sinh hiện tượng rung động, đặc biệt là rung động tự kích (chatter). Hiện tượng này gây ra nhiều hệ quả kỹ thuật bất lợi: làm suy giảm chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước (khiến chi tiết trở thành phế phẩm không thể khắc phục), tạo tiếng ồn lớn ảnh hưởng xấu đến môi trường làm việc, gây hư hỏng các cụm chi tiết máy làm tăng chi phí bảo trì và làm giảm đáng kể tuổi thọ của dụng cụ cắt.

Tại Việt Nam, phần lớn các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ đang vận hành các máy công cụ nhập khẩu từ Đài Loan, Trung Quốc hoặc máy đã qua sử dụng từ Nhật Bản. Các thiết bị này thường có độ cứng vững và độ chính xác suy giảm sau thời gian vận hành, rất dễ phát sinh rung động khi tăng vận tốc cắt hoặc chiều sâu cắt nhằm nâng cao năng suất. Các giải pháp kiểm soát rung động hiện hành tồn tại nhiều hạn chế kỹ thuật:

• Phương pháp thay đổi tốc độ trục chính liên tục (SSV) không phù hợp cho các chi tiết có đường kính biến thiên liên tục.
• Cán dao giảm chấn yêu cầu quy trình hiệu chỉnh thông số phức tạp khi thay đổi chế độ cắt và chỉ áp dụng được cho các lỗ có đường kính lớn hơn 16 mm.
• Cán dao bằng vật liệu hợp kim cứng (WC-Co) có chi phí cao, đặc tính giòn và dễ gãy vỡ trong điều kiện cắt va đập.

Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần thiết lập một giải pháp giảm rung tích cực có tính linh hoạt cao, chi phí hợp lý, dễ triển khai thực tế kết hợp với các công cụ giám sát, nhận diện rung động thông minh và kiểm soát bằng ngoại lực cưỡng bức.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát 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 ba mục tiêu cụ thể:

1. 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.
2. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp học máy nhận diện và phát hiện rung động trong gia công tiện.
3. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

• Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng rung động tự kích trong quá trình tiện và phương pháp giảm rung tích cực bằng lực từ trường cưỡng bức tác động lên cán dao.
• Dạng gia công và kết cấu chi tiết: Tập trung vào mô hình tiện lỗ sâu và tiện mặt bích mỏng; mô hình tiện trụ dài được khảo sát bằng phương pháp mô phỏng số để đánh giá ảnh hưởng của độ cứng vững phôi.
• Vật liệu gia công: Thép cacbon SS400 (sử dụng cho mô hình tiện mặt bích mỏng) và hợp kim nhôm Al6061 (sử dụng cho mô hình tiện lỗ sâu).
• Tín hiệu giám sát: Tín hiệu âm thanh gia công (cho tiện lỗ và tiện mặt bích), hình ảnh quang học bề mặt chi tiết (cho tiện mặt bích), tín hiệu lực cắt và gia tốc rung động.
• Nguồn lực cưỡng bức: Lực từ trường sinh ra từ hệ thống nam châm điện một chiều điều khiển điện áp 0 – 24 V tác động lên cán dao tiện lỗ.
• Chỉ tiêu đánh giá: Độ nhám bề mặt $R_z$ ($\mu\text{m}$).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu cơ bản và ứng dụng về động lực học cắt gọt và kiểm soát rung động:

• Lịch sử cơ học cắt gọt và rung động: Taylor (1907) đưa ra mô hình lực cắt theo luật công suất 3/4 và xác định rung động là trở ngại lớn cho việc tăng năng suất; Arnold (1946) chứng minh lực cắt là một hàm của vận tốc và rung động sinh ra do chính quá trình cắt; Tobias (1965) phân tích sự mất ổn định động học của hệ thống công nghệ; Tlusty và Polacek (1963) thiết lập điều kiện ổn định và xác định giới hạn chiều sâu cắt trong cắt trực giao.
• Phân tích và dự đoán ổn định: Phương pháp xây dựng biểu đồ thùy ổn định (SLD) dựa trên vận tốc cắt và chiều sâu cắt giới hạn $t_{\text{lim}}$ (Altintas, Budak); tiêu chuẩn ổn định Nyquist trong hệ thống hồi tiếp (Nigm, Qiu, Wang, Altintas); phương pháp phần tử hữu hạn (FEM/FEA) mô phỏng động lực học tiện (Mahdavinejad sử dụng phần mềm Ansys; Altan và cộng sự phát triển mô hình tiện 3D).
• Thu thập và xử lý tín hiệu thực nghiệm: Đo lực cắt và gia tốc rung động (Armarego và Toubhans; Knight; Biermann khẳng định tín hiệu lực hiệu quả nhất; Heyns và Zhu so sánh biến đổi Fourier nhanh FFT và biến đổi Wavelet WT; V Biju sử dụng cảm biến mô-men uốn/xoắn; Mohammadi, Yeh và Lai ứng dụng độ lệch chuẩn lực cắt; Lin và Hu; Thomas và Beauchamp; Chiou và cộng sự khảo sát ảnh hưởng của mòn dao); đo âm thanh và phát xạ âm thanh AE (Grabec và Leskovar phân tích phổ âm thanh rời rạc và siêu âm liên tục; Chung và cộng sự; Lange và Abu-Zahra sử dụng sóng siêu âm và biến đổi Wavelet; Budak và Ozlu; Yu và cộng sự ghi nhận áp suất âm thanh tăng khoảng 20 dB khi xuất hiện rung động); phân tích hình thái mảnh phoi răng cưa bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Patwari và cộng sự; Nurulamin và cộng sự).
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI): Mạng nơ-ron nhân tạo ANN/MLP (Tansel và cộng sự đạt độ chính xác 98% từ dữ liệu gia tốc; Lee và cộng sự mô hình hóa lực cắt phi tuyến; Dimla Jr và cộng sự; Lange và Abu-Zahra; Benardos và cộng sự; Kotaiah và cộng sự kết hợp ANN và thuật toán di truyền GA; Chae và cộng sự); mô hình Markov ẩn kết hợp mạng nơ-ron HMM-ANN (Zhang và cộng sự); lý thuyết tập mờ và Logic mờ (Du và cộng sự đạt độ tin cậy 90% so với K-means và Fisher; Tansel và cộng sự ứng dụng biến đổi S-transform).
• Kỹ thuật giảm rung: Giảm rung bị động thông qua phương pháp cắt rung (Xiao và cộng sự), chèn tấm ma sát vào cán dao (Marui và cộng sự), bộ hấp thụ dao động động DVA và giảm chấn khối lượng TMD (Tobias; Rivin và Kang sử dụng vật liệu đàn hồi cao su - thép; Kang, Lee sử dụng tấm điện áp; Tarng và cộng sự; Yang và cộng sự; Wang và cộng sự phát triển TMD phi tuyến tỷ lệ khối lượng 0,01 nâng $t_{\text{lim}}$ lên 150-180%); giảm rung chủ động qua điều chỉnh bước tiến dao và tốc độ trục chính (Lin và Hu), thay đổi góc dao (Mei và cộng sự), theo dõi lực trực tuyến (Frumusanu và cộng sự) và điều khiển chủ động luynet từ trường (MRAC).

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án tập trung giải quyết: Tích hợp đồng thời mô hình mô phỏng số FEM, nhận diện rung động đa phương thức (kết hợp phổ tần số âm thanh và ảnh chụp bề mặt bằng các kiến trúc mạng học sâu tiên tiến) cùng với giải pháp giảm rung tích cực sử dụng trường lực từ cưỡng bức điều khiển được tác động trực tiếp lên cán dao tiện lỗ sâu.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên các khung lý thuyết, công cụ phân tích và quy trình thực nghiệm sau:

• Khung lý thuyết và mô hình động lực học:
  • Cơ học cắt gọt kim loại và cơ chế tự rung tái sinh (regenerative chatter): Mô hình hóa hệ dao động 2 bậc tự do (DoF) với khối lượng $m$, độ cản $c$, độ cứng $k$ và các thành phần lực cắt động tác dụng lên mũi dao.
  • Đánh giá chất lượng bề mặt: Chỉ tiêu độ nhám bề mặt $R_z$ ($\mu\text{m}$) xác định theo khoảng cách giữa đỉnh cao nhất và đáy thấp nhất của biên dạng nhấp nhô.
  • Quy hoạch thực nghiệm: Ma trận trực giao Taguchi L25 kết hợp phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N).
  • Trí tuệ nhân tạo và học sâu: Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), mạng nơ-ron tích chập (CNN) gồm các kiến trúc DenseNet, VGG16, Inception Net, ResNet và mô hình CNN 2 nhánh dữ liệu đầu vào (Dual-input CNN); mô hình mạng nơ-ron hồi quy (RNN) và mạng bộ nhớ dài-ngắn hạn (LSTM) xử lý bài toán chuỗi thời gian dự báo lực cắt.
  • Lý thuyết đa vật lý cơ - điện từ trường: Phương pháp phần tử hữu hạn tính toán lực từ trường (lực mặt và lực khối) sinh ra từ cuộn dây nam châm điện một chiều tác dụng lên kết cấu cán dao kim loại.
• Phương pháp mô phỏng số:
  • Mô phỏng 2D và 3D quá trình tiện trụ dài, tiện mặt bích mỏng và tiện lỗ sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để khảo sát phân bố ứng suất Von Mises, chuyển vị của dao, biến thiên lực cắt và độ nhám $R_z$.
  • Mô phỏng trường lực từ phân bố trong không gian khe hở giữa nam châm điện và cán dao.
• Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu:
  • Thiết bị gia công: Máy tiện CNC Moriseiki SL_20.
  • Phôi và dao: Phôi thép SS400 (tiện mặt bích) và hợp kim nhôm Al6061 (tiện lỗ); cán dao và hạt dao hợp kim chuyên dụng.
  • Thiết bị đo và cảm biến: Cảm biến lực cắt, cảm biến gia tốc rung động ba trục, máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo SJ301, micro thu âm thanh quá trình cắt, máy ảnh quang học ghi nhận hình ảnh bề mặt gia công.
  • Hệ thống ngoại lực cưỡng bức: Bộ luynet từ trường gồm các cuộn nam châm điện cấp nguồn một chiều $u = 0 - 24\text{ V}$, tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC và bộ khuếch đại tín hiệu cảm biến lực.
• Quy trình xử lý dữ liệu:
  • Tín hiệu âm thanh miền thời gian được chuyển đổi sang miền tần số bằng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) và biểu diễn dưới dạng ảnh phổ.
  • Dữ liệu được phân chia thành tập huấn luyện (training), hiệu chỉnh (validation) và kiểm tra (test). Đánh giá hiệu năng mô hình qua ma trận nhầm lẫn (confusion matrix), độ chính xác (accuracy), hàm mất mát (loss) và sai số bình phương trung bình (MSE).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này phân tích tổng quan công nghệ gia công tiện, nguyên lý chuyển động tạo hình và cơ chế hình thành các dạng rung động trong hệ thống công nghệ (rung cưỡng bức do mất cân bằng cơ khí, rung riêng do va đập và tự rung/chatter do tương tác động lực học trong vùng cắt). Chương 1 tổng hợp các hướng nghiên cứu lý thuyết dự đoán rung động (biểu đồ SLD, tiêu chuẩn Nyquist, phân tích FEM), các kỹ thuật thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến (lực cắt, gia tốc rung, âm thanh, phát xạ âm thanh AE, phân tích phoi qua kính hiển vi SEM), các mô hình trí tuệ nhân tạo (ANN, HMM, Fuzzy) và các phương pháp kiểm soát rung động bị động (DVA, TMD) cùng chủ động (MRAC, biến đổi thông số cắt). Trên cơ sở đó, chương xác lập tính cấp thiết, mục tiêu và định hướng nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết cơ học cắt gọt kim loại, sự tương tác giữa dao cắt và phôi, cùng mô hình động lực học hệ 2 bậc tự do chịu lực cắt biến thiên. Trình bày phương pháp tính toán độ nhám bề mặt $R_z$ và $R_a$, nguyên lý mô phỏng cắt gọt kim loại bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi. Chương này cung cấp cơ sở toán học của các kiến trúc học sâu (mạng truyền thẳng ANN, mạng tích chập CNN, mô hình chuỗi thời gian RNN và LSTM) và thiết lập lý thuyết tính toán trường điện từ, xác định lực từ trường (lực mặt và lực khối) tác dụng lên cán dao khi đặt trong từ trường của nam châm điện một chiều.

Chương 3: Thiết lập mô hình nghiên cứu

Chương 3 xây dựng mô hình động lực học cán dao tiện lỗ chịu tác dụng của lực từ trường cưỡng bức và thiết lập các thông số mô phỏng 2D/3D cho các trường hợp tiện trụ dài, tiện mặt bích mỏng và tiện lỗ sâu:

Mô hình nghiên cứu	Vật liệu phôi	Dụng cụ cắt / Cơ cấu lực	Thông số công nghệ / Tín hiệu thu thập
Tiện mặt bích mỏng	Thép SS400	Dao tiện ngoài	Vận tốc cắt $v$, bước tiến $f$, chiều sâu cắt $t$; Tín hiệu âm thanh, ảnh chụp bề mặt, độ nhám $R_z$
Tiện lỗ sâu	Hợp kim nhôm Al6061	Cán dao tiện lỗ ($l = 10 - 80\text{ mm}$)	Tín hiệu âm thanh, lực cắt $P$, gia tốc rung $a$, độ nhám $R_z$
Giảm rung lực từ	Hợp kim nhôm Al6061	Cán dao trong từ trường nam châm điện	Lực từ đơn hướng ($F_{1m}$), hai hướng ($F_{2m}$), ba hướng; Nguồn DC $0 - 24\text{ V}$, PLC

Chương này chi tiết hóa cấu hình phần cứng thí nghiệm trên máy tiện CNC Moriseiki SL_20, thiết lập quy trình đo nhám trên máy Mitutoyo SJ301, thu thập tín hiệu âm thanh, hình ảnh bề mặt, lực cắt và gia tốc. Đồng thời, chương xây dựng cấu trúc mạng CNN 2 đầu vào và cấu hình siêu tham số cho các mô hình học máy.

Chương 4: Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến rung động thông qua độ nhám bề mặt

Chương 4 phân tích kết quả mô phỏng FEM 2D/3D kết hợp ma trận trực giao Taguchi L25:

• Đối với tiện trụ dài và tiện mặt bích mỏng: Độ cứng vững của phôi (thể hiện qua đường kính phôi $d$ và chiều dày mặt bích $t$) là yếu tố chi phối lớn nhất đến biên độ dao động và độ nhám bề mặt chi tiết.
• Đối với tiện lỗ sâu: Độ cứng vững của cán dao là yếu tố quyết định. Khi chiều dài cán dao $l$ tăng từ 10 mm đến 80 mm, ứng suất Von Mises và biên độ lực cắt $A$ tăng rõ rệt. Luận án xác định chiều dài cán dao tới hạn là $l = 60\text{ mm}$; khi vượt qua ngưỡng này, độ ổn định giảm nhanh và độ nhám bề mặt $R_z$ tăng vọt lên mức xấp xỉ $20\ \mu\text{m}$.
• Các yếu tố sóng nhấp nhô bề mặt phôi $s$, vận tốc cắt $v$ và bước tiến dao $f$ có mối quan hệ tương hỗ phi tuyến với biên độ lực cắt $A$ và độ nhám bề mặt $R_z$.

Chương 5: Ứng dụng học máy để nhận diện và dự đoán rung động

Chương 5 trình bày kết quả huấn luyện và thử nghiệm các mô hình học máy:

• Nhận diện rung động qua tín hiệu âm thanh khi tiện lỗ đạt độ chính xác 92%.
• Nhận diện rung động qua tín hiệu âm thanh khi tiện mặt bích đạt độ chính xác 98%.
• Nhận diện rung động kết hợp đồng thời cả dữ liệu âm thanh và hình ảnh bề mặt thông qua mô hình CNN 2 đầu vào đạt độ chính xác 97%.
• So sánh các cấu trúc mạng tích chập (DenseNet, VGG16, Inception Net, ResNet) trên các tập dữ liệu ảnh chụp bề mặt, ảnh phổ FFT âm thanh và ảnh ghép đa phương thức.
• Ứng dụng mô hình chuỗi thời gian RNN và LSTM để dự báo giá trị lực cắt theo thời gian từ dữ liệu mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm, đạt độ chính xác dự báo lên đến 98%, thể hiện tính ưu việt rõ rệt so với mô hình mạng kết nối đầy đủ.

Chương 6: Nghiên cứu giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức

Chương 6 trình bày kết quả mô phỏng biến dạng cán dao dưới tác dụng của từ trường và kết quả thực nghiệm với 5 trường hợp bố trí lực từ (TH1 đến TH5):

• Tác động lực từ đơn hướng ($F_{1m}$ theo phương lực cắt chính): Hiệu quả giảm rung đạt giá trị cực đại khi lực từ đạt 140 N, tại đó độ lệch chuẩn của lực cắt $\sigma$, gia tốc rung $a$ và độ nhám bề mặt $R_z$ đều giảm xuống mức thấp nhất.
• Tác động lực từ hai hướng ($F_{2m}$): Lực từ theo phương lực cắt chính đạt hiệu quả tối ưu tại giá trị 60 N.
• Tác động lực từ ba hướng: Yếu tố giảm rung không thể hiện sự khác biệt đáng kể so với trường hợp hai hướng.
• Cơ chế dập tắt rung động: Khi cán dao bị biến dạng và dao động do lực cắt, lực từ cưỡng bức tạo ra xu hướng kéo cán dao về một phía xác định, giúp tiêu hao năng lượng dao động và nhanh chóng dập tắt hiện tượng rung động.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Xác định quy luật tương tác cơ học - động lực học giữa các thông số công nghệ (chiều dài cán dao, độ cứng vững phôi, sóng bề mặt, vận tốc cắt, bước tiến dao) với biên độ lực cắt và độ nhám bề mặt $R_z$ thông qua mô phỏng FEM và ma trận Taguchi L25. Xác định được ngưỡng chiều dài cán dao tới hạn $l = 60\text{ mm}$ (ứng với $R_z \approx 20\ \mu\text{m}$) trong nguyên công tiện lỗ.
2. Thiết lập phương pháp nhận diện trạng thái rung động gia công dựa trên mạng học sâu đa phương thức (CNN 2 đầu vào kết hợp phổ âm thanh FFT và ảnh chụp bề mặt) đạt độ chính xác 97 - 98%, cùng mô hình dự báo chuỗi thời gian lực cắt bằng RNN và LSTM đạt độ chính xác 98%.
3. Làm sáng tỏ cơ sở khoa học và cơ chế tiêu tán năng lượng dao động của cán dao tiện lỗ dưới tác động của trường lực từ cưỡng bức đơn hướng và đa hướng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

1. Xác định các giá trị lực từ cưỡng bức tối ưu để dập tắt rung động khi tiện lỗ: lực từ đơn hướng tối ưu ở 140 N và lực từ hai hướng tối ưu ở 60 N theo phương lực cắt chính.
2. Thiết kế, chế tạo thành công bộ luynet từ trường sử dụng nam châm điện một chiều $0 - 24\text{ V}$ điều khiển bằng PLC, tạo cơ sở chuyển giao công nghệ và đang được đăng ký cấp bằng giải pháp hữu ích.
3. Cung cấp giải pháp kỹ thuật có chi phí chế tạo thấp, dễ lắp đặt giúp các doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ nâng cao độ cứng vững, triệt tiêu rung động khi gia công chi tiết thành mỏng và lỗ sâu trên các máy công cụ hiện có.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên hai nhóm vật liệu phổ biến là thép SS400 (tiện mặt bích mỏng) và hợp kim nhôm Al6061 (tiện lỗ sâu); chưa khảo sát thực nghiệm trên các vật liệu khó gia công hoặc thép hợp kim đặc biệt.
• Do giới hạn không gian hình học trong lòng lỗ sâu, việc thu thập hình ảnh bề mặt trực tuyến chỉ áp dụng được cho bài toán tiện mặt bích mỏng, chưa chụp ảnh trực tiếp được trong lòng lỗ khi đang tiện.
• Trang thiết bị thực nghiệm chưa sử dụng các đầu đo lực thạch anh chuyên dụng độ chính xác cao (như cảm biến Kistler) và chưa sử dụng các vật liệu thông minh (từ giảo, điện giảo) làm nguồn sinh ngoại lực cưỡng bức.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng phạm vi khảo sát thực nghiệm đối với các chủng loại vật liệu khác nhau và các dạng nguyên công cắt gọt khác như phay, khoan, mài.
• Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển lực từ thích nghi theo thời gian thực (real-time active control) dựa trên tín hiệu phản hồi từ mô hình dự báo lực cắt RNN/LSTM.
• Cải tiến kết cấu cơ khí của cơ cấu luynet từ trường, tối ưu hóa kích thước cuộn dây và nghiên cứu ứng dụng vật liệu từ giảo/điện giảo nhằm nâng cao dải tần số đáp ứng lực.

---

Giá trị tham khảo

Kết quả của luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật và Chế tạo máy: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về động lực học máy công cụ, phương pháp mô phỏng số FEM trong cắt gọt, kỹ thuật xử lý tín hiệu FFT và ứng dụng các mô hình học sâu (CNN 2 đầu vào, RNN, LSTM) trong giám sát quá trình gia công.
• Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí: Tham khảo các khoảng thông số công nghệ hợp lý, ngưỡng chiều dài vươn dao tới hạn ($l = 60\text{ mm}$), phương pháp gá đặt chống rung cho chi tiết dạng tấm mỏng và lỗ sâu.
• Các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Tham khảo giải pháp chế tạo cơ cấu luynet từ trường chi phí thấp để tăng độ cứng vững và chất lượng bề mặt cho các máy gia công tiện đã qua sử dụng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Chiều dài cán dao tới hạn trong nguyên công tiện lỗ được luận án xác định là bao nhiêu và chất lượng bề mặt biến đổi như thế nào khi vượt qua ngưỡng này?

Trong mô hình khảo sát tiện lỗ, chiều dài cán dao tới hạn được xác định là $l = 60\text{ mm}$. Khi chiều dài cán dao vượt qua giá trị này, độ cứng vững của dao giảm mạnh dẫn đến rung động tăng nhanh, làm chất lượng bề mặt chi tiết suy giảm đột ngột với độ nhám bề mặt $R_z$ tăng lên mức xấp xỉ $20\ \mu\text{m}$.

2. Độ chính xác của các mô hình học máy trong nhận diện rung động và dự đoán lực cắt đạt được cụ thể là bao nhiêu?

• Nhận diện rung động qua tín hiệu âm thanh khi tiện lỗ đạt độ chính xác 92%.
• Nhận diện rung động qua tín hiệu âm thanh khi tiện mặt bích đạt độ chính xác 98%.
• Nhận diện rung động qua mô hình CNN 2 đầu vào kết hợp đồng thời âm thanh và hình ảnh đạt độ chính xác 97%.
• Dự đoán giá trị lực cắt theo thời gian bằng mô hình chuỗi thời gian RNN và LSTM đạt độ chính xác lên đến 98%.

3. Thông số lực từ cưỡng bức tối ưu để giảm rung khi tiện lỗ được xác định như thế nào trong các trường hợp bố trí?

• Đối với lực từ đơn hướng ($F_{1m}$): Yếu tố giảm rung đạt cực đại và độ nhám bề mặt giảm xuống thấp nhất khi lực từ đạt giá trị 140 N.
• Đối với lực từ tác dụng từ hai hướng ($F_{2m}$): Lực từ theo phương lực cắt chính đạt hiệu quả tối ưu tại giá trị 60 N.
• Đối với lực từ tác dụng từ ba hướng: Yếu tố giảm rung không thể hiện sự khác biệt đáng kể so với trường hợp hai hướng.

4. Luận án đã sử dụng các loại vật liệu và trang thiết bị thực nghiệm chính nào?

• Vật liệu phôi: Thép cacbon SS400 (tiện mặt bích mỏng) và hợp kim nhôm Al6061 (tiện lỗ sâu).
• Máy gia công: Máy tiện CNC Moriseiki SL_20.
• Thiết bị đo lường: Máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo SJ301, cảm biến lực, cảm biến gia tốc rung động, micro thu âm thanh và máy ảnh quang học.
• Thiết bị tạo lực từ: Cuộn nam châm điện một chiều (nguồn điện áp $0 - 24\text{ V}$), bộ điều khiển PLC và bộ khuếch đại cảm biến đo lực.

5. Cơ chế vật lý nào giúp trường lực từ cưỡng bức dập tắt rung động của cán dao tiện lỗ?

Khi dao chịu lực cắt dẫn đến biến dạng và dao động, lực từ trường cưỡng bức tạo ra xu hướng kéo cán dao về một hướng xác định. Lực kéo này hạn chế chuyển vị dao động tự do của cán dao, thúc đẩy quá trình tiêu hao năng lượng dao động và nhanh chóng ổn định hệ thống cắt gọt.

---

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán rung động trong gia công tiện thông qua việc kết hợp giữa mô phỏng số phần tử hữu hạn, ứng dụng mạng học sâu nhận diện/dự báo và thực nghiệm giảm rung bằng ngoại lực từ trường cưỡng bức. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, xác định ngưỡng chiều dài cán dao tới hạn ($l = 60\text{ mm}$), xây dựng mô hình CNN 2 đầu vào và RNN/LSTM đạt độ chính xác cao (97 - 98%). Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả giảm rung của lực từ trường đơn hướng tại 140 N và hai hướng tại 60 N, làm cơ sở chế tạo bộ luynet từ trường phục vụ ứng dụng thực tiễn trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.