Tổng quan nghiên cứu

Gia công cơ khí chính xác, đặc biệt là quá trình tiện các vật liệu khó gia công như inox 304, luôn đối mặt với thách thức về chất lượng bề mặt, tuổi thọ dụng cụ và hiệu quả sản xuất. Theo báo cáo ngành, lực cắt trong gia công truyền thống thường rất lớn, dẫn đến mòn nhanh dụng cụ và chất lượng bề mặt không đồng đều. Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ, sử dụng rung động siêu âm tần số cao với biên độ nhỏ, đã được nghiên cứu và ứng dụng nhằm cải thiện các vấn đề này. Mục tiêu của luận văn là thiết kế và chế tạo cán dao tiện tích hợp dao động hỗ trợ, phân tích mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả so với phương pháp tiện truyền thống.

Nghiên cứu tập trung vào vật liệu inox 304, với phạm vi thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2020. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao chất lượng bề mặt, giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dụng cụ và cải thiện độ chính xác gia công, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất cơ khí chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ (Ultrasonic Assisted Turning - UAT): Sử dụng nguồn rung động cưỡng bức tần số siêu âm (khoảng 20 kHz) với biên độ nhỏ (10-15 µm) để giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Các phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm gồm CUVC (cắt rung truyền thống) và UEVC (cắt rung kiểu elip) được so sánh về hiệu quả gia công.

  • Hiệu ứng áp điện và cơ cấu PZT: Các bộ chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers - PZT) tạo ra rung động siêu âm nhờ biến dạng cơ học khi có điện áp đặt vào. Các loại PZT dạng miếng đơn và dạng xếp chồng được sử dụng để tạo ra biên độ rung nhỏ nhưng tần số cao, phù hợp cho gia công tiện cứng.

  • Khớp nối mềm (Flexure hinge): Thiết kế khớp mềm dạng uốn cong hình bình hành giúp khuếch đại chuyển vị rung động, đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác cao trong chuyển động. Mô hình cơ khí và phân tích phi tuyến hình học được áp dụng để tính toán độ cứng xoay và tịnh tiến của khớp nối.

  • Độ chính xác gia công: Đánh giá qua các chỉ tiêu như độ nhám bề mặt (Ra, Rz), độ tròn, độ trụ và tuổi thọ dụng cụ. Tiện có dao động hỗ trợ được chứng minh làm giảm độ nhám từ 1 đến 2 cấp, giảm độ tròn và độ trụ xuống còn khoảng 1/3 và 1/2 so với tiện truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về công nghệ tiện có dao động hỗ trợ, hiệu ứng áp điện, thiết kế khớp nối mềm và các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình tiện inox 304 sử dụng cán dao có dao động hỗ trợ.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng Moldex 3D và Ansys Workbench để phân tích biến dạng, độ cứng và ứng suất trên cán dao. Mô phỏng so sánh cán dao có và không có khớp nối mềm, đánh giá hiệu quả thiết kế.

  • Thí nghiệm thực tế: Thiết kế và chế tạo mô hình cán dao tích hợp cơ cấu PZT và khớp nối mềm. Thực hiện thí nghiệm tiện inox 304 với và không có dao động hỗ trợ, đo lực cắt, tuổi thọ dao, độ nhám bề mặt, độ tròn và độ trụ chi tiết gia công.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng thời gian thực hiện khoảng 4 tháng, gồm 2 tháng nghiên cứu lý thuyết, 2 tuần chế tạo sản phẩm, 1 tuần thử nghiệm và 1 tháng viết báo cáo tổng kết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm lực cắt: Lực cắt trong quá trình tiện có dao động hỗ trợ giảm từ 3 đến 10 lần so với phương pháp tiện truyền thống, giúp giảm mòn dụng cụ và tăng ổn định quá trình gia công.

  2. Tăng tuổi thọ dụng cụ: Độ mòn mảnh dao khi tiện có dao động hỗ trợ chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện truyền thống, kéo dài tuổi thọ dao lên từ 3 đến 8 lần.

  3. Cải thiện chất lượng bề mặt: Độ nhám bề mặt chi tiết gia công giảm từ 1 đến 2 cấp, với giá trị trung bình và phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn so với tiện truyền thống. Độ tròn và độ trụ của chi tiết giảm lần lượt còn khoảng 1/3 và 1/2 so với phương pháp truyền thống.

  4. Hiệu quả bẻ phoi: Rung động cưỡng bức làm phoi tiện chuyển từ dạng dài sang dạng vụn, giúp kiểm soát phoi tốt hơn, giảm hiện tượng kẹt phoi và tăng an toàn trong gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do sự kết hợp giữa chuyển động cắt và dao động siêu âm tạo ra sự tiếp xúc gián đoạn giữa lưỡi dao và phôi, làm giảm ma sát và lực cắt. Mô phỏng biến dạng cán dao cho thấy khớp nối mềm giúp khuếch đại dao động, giảm biến dạng và tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng công nghệ rung siêu âm trong gia công các vật liệu khó cắt.

Biểu đồ lực cắt và độ nhám bề mặt minh họa rõ sự khác biệt giữa hai phương pháp, trong khi bảng so sánh tuổi thọ dao và kích thước phoi thể hiện hiệu quả vượt trội của tiện có dao động hỗ trợ. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra một số khó khăn như sự tương thích giữa thông số rung và chế độ gia công, chi phí chế tạo cao của cơ cấu PZT và yêu cầu kỹ thuật cao trong thiết kế khớp nối mềm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế khớp nối mềm: Nghiên cứu thêm về các hình dạng và vật liệu khớp nối mềm để tăng hiệu quả khuếch đại dao động, giảm chuyển động lỗi và tăng độ bền cơ học. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm nghiên cứu cơ khí đảm nhiệm.

  2. Phát triển cơ cấu rung siêu âm nhỏ gọn: Chế tạo các bộ phát rung siêu âm tích hợp dễ dàng trên nhiều loại máy công cụ khác nhau, nhằm mở rộng ứng dụng công nghệ. Khuyến nghị đầu tư thiết bị và hợp tác với các nhà sản xuất thiết bị điện tử trong 1 năm.

  3. Nghiên cứu ứng dụng trên vật liệu đặc biệt: Áp dụng công nghệ tiện có dao động hỗ trợ cho các vật liệu mới trong ngành hàng không, y tế và quốc phòng để nâng cao chất lượng và hiệu quả gia công. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên ngành.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho kỹ sư và công nhân vận hành máy tiện có dao động hỗ trợ, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thực hiện trong 6 tháng, do trường đại học và doanh nghiệp phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành cơ khí: Nắm bắt kiến thức về công nghệ tiện có dao động hỗ trợ, phương pháp mô phỏng và thiết kế cơ cấu PZT, phục vụ học tập và nghiên cứu.

  2. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy công cụ: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm máy tiện tích hợp công nghệ rung siêu âm, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác: Tối ưu hóa quy trình gia công inox và các vật liệu khó cắt, giảm chi phí bảo trì, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

  4. Các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ: Tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo, mở rộng ứng dụng công nghệ tiện có dao động hỗ trợ trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiện có dao động hỗ trợ là gì?
    Là phương pháp gia công tiện trong đó dụng cụ hoặc phôi được tạo dao động siêu âm tần số cao với biên độ nhỏ, giúp giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Ví dụ, rung động 20 kHz với biên độ 10-15 µm được áp dụng trong nghiên cứu.

  2. Ưu điểm của công nghệ này so với tiện truyền thống?
    Giảm lực cắt từ 3 đến 10 lần, tuổi thọ dao tăng 3-8 lần, độ nhám bề mặt giảm 1-2 cấp, đồng thời cải thiện độ tròn và độ trụ chi tiết gia công. Điều này giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

  3. Khó khăn khi áp dụng công nghệ tiện có dao động hỗ trợ?
    Chi phí chế tạo cơ cấu PZT cao, yêu cầu kỹ thuật thiết kế khớp nối mềm phức tạp, cần điều chỉnh thông số rung phù hợp với chế độ gia công để đạt hiệu quả tối ưu.

  4. Phần mềm mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Moldex 3D và Ansys Workbench được sử dụng để phân tích biến dạng, độ cứng và ứng suất trên cán dao, giúp đánh giá thiết kế và dự đoán hiệu quả trước khi chế tạo thực tế.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho vật liệu nào khác?
    Ngoài inox 304, công nghệ tiện có dao động hỗ trợ có tiềm năng ứng dụng cho các vật liệu khó gia công như hợp kim chịu nhiệt, vật liệu trong ngành hàng không, y tế và quốc phòng, giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả gia công.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công cán dao tiện tích hợp dao động hỗ trợ với cơ cấu PZT và khớp nối mềm, đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng gia công inox 304.
  • Tiện có dao động hỗ trợ giảm lực cắt từ 3 đến 10 lần, tuổi thọ dụng cụ tăng gấp 3 lần, cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt, độ tròn và độ trụ chi tiết.
  • Mô phỏng và thí nghiệm thực tế chứng minh hiệu quả của thiết kế, đồng thời làm rõ vai trò của khớp nối mềm trong việc khuếch đại dao động và giảm biến dạng.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa khớp nối mềm, phát triển cơ cấu rung siêu âm nhỏ gọn và mở rộng ứng dụng trên vật liệu đặc biệt.
  • Kêu gọi các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp phối hợp để chuyển giao và ứng dụng công nghệ, góp phần nâng cao năng lực sản xuất cơ khí chính xác trong nước.