I. Thiết kế cán dao tiện
Phần này tập trung vào thiết kế cán dao tiện, một khía cạnh cốt lõi của đề tài. Nghiên cứu đề cập đến hai loại cán dao chính: cán dao tiện dạng Insert và cán dao tiện dạng Solid. Cán dao tiện dạng Insert cho phép thay thế lưỡi cắt dễ dàng, sử dụng các mảnh hợp kim (carbide). Cán dao tiện dạng Solid có thân và lưỡi cắt nguyên khối, thuận tiện cho việc mài dũa. Việc lựa chọn vật liệu cán dao tiện cũng rất quan trọng, cần cân nhắc khả năng chống ăn mòn, độ ổn định nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt. Thép không gỉ loại 403 được đề xuất, với độ bền kéo cao và các đặc tính phù hợp. Thiết kế tối ưu cần xem xét các yếu tố như: vật liệu cán dao, hình dạng lưỡi cắt, và khớp nối mềm để đảm bảo độ cứng vững và hiệu quả gia công. Đề tài sử dụng phần mềm thiết kế CAD/CAM hỗ trợ trong quá trình này. Chi phí thiết kế cán dao cũng là một yếu tố cần được tính toán và tối ưu.
1.1 Vật liệu cán dao tiện và tính toán
Việc lựa chọn vật liệu cán dao tiện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và tuổi thọ của dụng cụ. Đề tài đề cập đến việc sử dụng thép không gỉ 403, lý giải dựa trên các đặc tính chống ăn mòn, độ bền kéo cao (khoảng 275 MPa, có thể tăng bằng xử lý nhiệt), hệ số giãn nở nhiệt nhỏ (khoảng 10 × 10-6 / ºC), và mô đun đàn hồi lớn (200 GPa). Quá trình gia công sử dụng nhiều loại chất lỏng cắt, đòi hỏi vật liệu phải có khả năng chống ăn mòn tốt. Tính toán chế độ cắt và lực cắt là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả gia công và tránh hiện tượng hư hỏng dụng cụ. Gia công CNC được xem xét để đạt được độ chính xác cao trong sản xuất. Phân tích ứng suất và biến dạng cán dao dưới tác động của lực cắt cũng được thực hiện để tối ưu hóa thiết kế. Độ cứng vững của cán dao là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công. Mô phỏng dao động giúp dự đoán và điều chỉnh thiết kế cho phù hợp. An toàn lao động trong gia công cũng cần được lưu ý, bao gồm việc lựa chọn vật liệu, thiết kế và vận hành máy móc.
1.2 Thiết kế khớp nối mềm và mô phỏng
Khớp nối mềm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu rung động và cải thiện độ chính xác gia công. Đề tài tập trung vào thiết kế khớp nối mềm cho cán dao tiện. Cơ sở lý thuyết tính toán độ cứng vững của cán dao và khớp nối được trình bày chi tiết. Phương án thiết kế khớp nối mềm được đề xuất dựa trên các tính toán và mô phỏng. Mô phỏng biến dạng cán dao với và không có khớp nối mềm được thực hiện bằng phần mềm Ansys. Dữ liệu đầu vào và đầu ra của quá trình mô phỏng được trình bày rõ ràng. So sánh kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của khớp nối mềm. Phân tích dao động và mô phỏng dao động hỗ trợ việc tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu rung động và cải thiện chất lượng gia công. Phần mềm mô phỏng được lựa chọn phù hợp với yêu cầu của đề tài. Thời gian thiết kế cán dao được tối ưu hóa để đạt hiệu quả kinh tế cao.
II. Dao động hỗ trợ và ứng dụng
Phần này tập trung vào dao động hỗ trợ trong quá trình tiện. Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ là một phương pháp tiên tiến, kết hợp rung động cưỡng bức với chuyển động cắt truyền thống. Nguồn dao động cưỡng bức thường là động cơ PZT (piezoelectric), nhỏ gọn và hiệu quả. Ứng dụng dao động hỗ trợ giúp giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt, tăng tuổi thọ dụng cụ và năng suất gia công. Phân tích dao động và mô phỏng dao động được sử dụng để hiểu rõ cơ chế hoạt động và tối ưu hóa thiết kế. Các phương pháp cắt tích hợp siêu âm như CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting), UEVC (Elliptical Ultrasonic Vibration Cutting), và VAM (Vibration Assisted Machining) được so sánh và phân tích. Nguyên tắc khai thác rung siêu âm và hiệu ứng áp điện được giải thích rõ ràng. Tính toán cơ bản về cơ cấu PZT được trình bày, bao gồm cả trường hợp cơ cấu có độ bền thấp. Mục tiêu của việc sử dụng dao động hỗ trợ là tối ưu hóa quá trình tiện, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
2.1 Phân tích và tối ưu hóa dao động
Phân tích dao động là bước quan trọng để hiểu rõ ảnh hưởng của tần số, biên độ và hướng dao động đến quá trình gia công. Mô phỏng dao động giúp dự đoán và tối ưu hóa các thông số này. Hiệu ứng áp điện của động cơ PZT được khai thác để tạo ra rung động có tần số và biên độ mong muốn. Tần số dao động ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công, trong khi biên độ dao động ảnh hưởng đến lực cắt và tuổi thọ dụng cụ. Chế độ cắt cần được điều chỉnh phù hợp với tần số và biên độ dao động. Độ chính xác gia công được cải thiện nhờ việc giảm rung động và lực cắt. Phần mềm mô phỏng được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa các thông số dao động. Mục tiêu là đạt được sự cân bằng giữa hiệu quả gia công, chất lượng sản phẩm và tuổi thọ dụng cụ. Kết quả mô phỏng được sử dụng để điều chỉnh thiết kế và quá trình gia công.
2.2 Ứng dụng thực tiễn và so sánh
Ứng dụng thực tiễn của công nghệ tiện có dao động hỗ trợ được minh chứng qua các thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể về chất lượng bề mặt, tuổi thọ dụng cụ và năng suất gia công so với phương pháp tiện truyền thống. So sánh với phương pháp tiện truyền thống giúp đánh giá hiệu quả của công nghệ mới. Độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ của sản phẩm được cải thiện rõ rệt. Khả năng bẻ phoi cũng được tăng cường, giải quyết vấn đề phoi vướng trong gia công vật liệu khó cắt. An toàn lao động được nâng cao nhờ giảm lực cắt và hiện tượng kẹt phoi. Ứng dụng trong sản xuất sẽ giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ gia công cơ khí, đặc biệt trong gia công các vật liệu khó cắt. Tiềm năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, như hàng không vũ trụ, y tế và điện tử, cũng được đề cập.
III. Kết luận và hướng phát triển
Đề tài đã đạt được những kết quả đáng kể trong thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ. Kết quả đạt được bao gồm việc thiết kế và chế tạo thành công cán dao, phân tích mô phỏng bằng phần mềm, và thực hiện thí nghiệm thành công. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là nâng cao hiệu quả và chất lượng gia công, giảm chi phí và thời gian sản xuất. Hướng phát triển đề tài tập trung vào việc hoàn thiện cơ cấu rung động, mở rộng ứng dụng trên các loại vật liệu khác nhau và tích hợp vào các máy công cụ hiện đại. Công bố khoa học từ kết quả nghiên cứu sẽ góp phần làm giàu tri thức về công nghệ gia công cơ khí. Đề tài này là một đóng góp quan trọng cho ngành cơ khí Việt Nam, đặc biệt là trong bối cảnh công nghiệp 4.0. Đề tài được thực hiện tại HCMUTE, thể hiện chất lượng đào tạo và nghiên cứu của trường. Sinh viên HCMUTE tham gia nghiên cứu đã có cơ hội học hỏi và phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học. Ngành cơ khí HCMUTE có thể tận dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu.
