Thực nghiệm quá trình tiện lỗ với các dạng cán dao khác nhau

Đồ án thực nghiệm quá trình tiện lỗ với các dạng cán dao khác nhau - ĐH SPKT TPHCM

• Tác giả: Lê Hồng Sơn
• Người hướng dẫn: ThS. Đoàn Tất Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Thực nghiệm quá trình tiện lỗ với các dạng cán dao khác nhau
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu tiện lỗ với các dạng cán dao

Gia công tiện lỗ là phương pháp cắt gọt kim loại quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo. Quá trình này tạo ra các bề mặt trụ trong với độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc gia công lỗ sâu luôn đối mặt với thách thức lớn về độ cứng vững. Cán dao tiện hoạt động như một thanh dầm console chịu uốn. Chiều dài nhô ra của cán dao càng lớn thì độ võng càng tăng. Lực cắt tác dụng làm xuất hiện dao động uốn và dao động dọc trục. Rung động cơ học gây ra hiện tượng rung tự kích hoặc rung cưỡng bức. Điều này làm giảm nghiêm trọng chất lượng bề mặt gia công. Cán dao truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu khi tỷ lệ chiều dài trên đường kính vượt quá giới hạn. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã triển khai đề tài thực nghiệm chuyên sâu. Nghiên cứu tập trung khảo sát các dạng cán dao tiện lỗ khác nhau. Hai cấu trúc chính được đưa vào phân tích là cán dao tiêu chuẩn và cán dao có tích hợp cơ cấu giảm chấn. Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học để lựa chọn dụng cụ cắt phù hợp cho từng điều kiện công nghệ.

1.1. Bối cảnh thực nghiệm tiện lỗ tại ĐH SPKT TPHCM

Đề tài tốt nghiệp được thực hiện tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Đề tài do Thạc sĩ Đoàn Tất Linh trực tiếp hướng dẫn khoa học. Nhóm sinh viên kỹ thuật tiến hành thiết kế hệ thống thử nghiệm với tinh thần nghiên cứu nghiêm túc. Cơ sở vật chất của phòng thí nghiệm cơ khí cung cấp đầy đủ máy tiện và thiết bị đo lực cắt hiện đại. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của ngành gia công cơ khí trong nước. Các xưởng chế tạo luôn tìm kiếm giải pháp hạn chế rung lắc cho dao tiện lỗ sâu. Đề tài kế thừa và phát triển các công trình nghiên cứu đi trước tại nhà trường. Kết quả đo lường cung cấp dữ liệu thực chứng tin cậy cho quá trình đào tạo và sản xuất.

1.2. Phân loại các dạng cán dao tiện lỗ phổ biến

Trong công nghệ gia công lỗ, hai dạng cán dao chính được áp dụng phổ biến gồm cán dao đặc tiêu chuẩn và cán dao có giảm chấn. Cán dao tiêu chuẩn chế tạo từ thép hợp kim kết cấu. Dạng dao này có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp và dễ chế tạo. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ dao động của cán dao thép rất hạn chế khi vươn xa. Dạng thứ hai là cán dao trang bị cơ cấu giảm chấn động lực học. Bên trong thân dao rỗng chứa khối lượng phụ trợ liên kết với hệ thống lò xo hoặc vật liệu đàn hồi. Cấu trúc này triệt tiêu năng lượng rung động nhờ hiện tượng phản pha cơ học. Nhờ đó, cán dao giảm chấn duy trì tính ổn định vượt trội khi chiều sâu cắt thay đổi liên tục.

II. Phân tích rung động khi tiện lỗ với các dạng cán dao

Quá trình tiện lỗ sâu thường gặp phải vấn đề biến dạng đàn hồi nghiêm trọng của cán dao. Mô hình toán học xem cán dao tiện như một dầm console chịu uốn với đầu ngàm cố định. Khi mũi dao tiếp xúc phôi, lực cắt hướng kính Py và lực tiếp tuyến Pz gây ra mô men uốn lớn tại tiết diện ngàm. Độ võng của đầu cán dao tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của chiều dài vươn tự do L. Khi chiều dài L tăng gấp đôi, độ võng tại đầu dao tăng gấp tám lần. Biến dạng đàn hồi này trực tiếp làm thay đổi chiều sâu cắt danh nghĩa. Ngoài biến dạng tĩnh, rung động cơ học là nguyên nhân chủ yếu phá hủy độ ổn định gia công. Lực cắt tuần hoàn kích thích các tần số dao động riêng của thân cán dao. Hiện tượng cộng hưởng cơ học xuất hiện khiến biên độ rung tăng vọt đột ngột. Rung động mạnh gây sứt mẻ lưỡi cắt hợp kim và giảm tuổi thọ dụng cụ. Hơn nữa, vết rung lượn sóng in hằn rõ rệt lên bề mặt trụ trong của phôi. Điều này dẫn đến sai lệch kích thước hình học và độ nhám bề mặt không đạt yêu cầu kỹ thuật.

2.1. Mô hình dầm console và phương trình dao động uốn

Theo lý thuyết sức bền vật liệu, cán dao tiện lỗ được biểu diễn dưới dạng dầm console có tiết diện chữ nhật hoặc tròn. Phương trình vi phân đường đàn hồi mô tả góc xoay và độ võng của trục cán dao dọc theo chiều dài z. Mô men uốn lớn nhất xuất hiện tại vị trí ngàm kẹp trên bàn xe dao. Độ cứng uốn EI phụ thuộc chặt chẽ vào mô đun đàn hồi của vật liệu và mô men quán tính mặt cắt. Khi lực hướng kính Py biến thiên tuần hoàn theo vận tốc quay của trục chính, thanh dao chịu dao động cưỡng bức liên tục. Nếu tần số kích thích trùng với tần số riêng của dao, biên độ võng đạt giá trị cực đại. Phương trình dao động uốn giúp dự báo chính xác giới hạn ổn định cắt gọt.

2.2. Hạn chế về độ nhám bề mặt của cán dao thường

Thực nghiệm cắt gọt cho thấy cán dao thường bộc lộ nhiều nhược điểm khi gia công lỗ có tỷ lệ L/D lớn hơn bốn. Độ cứng vững suy giảm khiến đầu dao rung lắc dữ dội trong lòng lỗ phôi. Hiện tượng rung tự kích chatter tạo ra các vết khía nhấp nhô dọc theo chu vi lỗ gia công. Chỉ số độ nhám bề mặt Ra tăng cao bất thường so với giá trị lý thuyết. Chi tiết sau khi tiện thường không đạt cấp độ bóng bề mặt theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Ngoài ra, việc dao bị uốn cong làm thay đổi góc trước và góc sau thực tế của mảnh dao. Tình trạng này gia tăng nhiệt cắt, thúc đẩy quá trình mòn dao và gây phế phẩm hàng loạt.

III. Giải pháp giảm chấn khi tiện lỗ với các dạng cán dao

Để khắc phục hiện tượng rung động, việc ứng dụng cán dao tiện tích hợp cơ cấu giảm chấn là giải pháp kỹ thuật tối ưu. Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM đã tiến hành thiết kế và chế tạo cán dao giảm chấn dạng khối lượng hấp thụ động. Thân cán dao được gia công khoét rỗng theo trục dọc tâm. Bên trong khoang rỗng bố trí một lõi nặng làm từ vật liệu mật độ cao như hợp kim vonfram. Khối lượng nặng này được đỡ bởi các đệm đàn hồi cao su hoặc hệ thống lò xo hai đầu. Khi quá trình cắt tạo ra xung lực rung uốn, khối lượng phụ sẽ dao động ngược pha với thân cán dao chính. Sự chuyển động tương đối này triệt tiêu phần lớn động năng dao động truyền từ mũi dao. Năng lượng cơ học được chuyển hóa thành nhiệt năng nhờ ma sát nhớt trong cơ cấu tiêu tán chấn động. Nghiên cứu thực nghiệm thiết lập các phương án thay đổi độ cứng lò xo và khối lượng lõi. Dữ liệu thực nghiệm được đo bằng cảm biến gia tốc và thiết bị phân tích tín hiệu dao động. Phương pháp này cho phép xác định chính xác thông số giảm chấn tối ưu cho từng chế độ cắt.

3.1. Thiết kế cơ cấu giảm chấn lò xo trong thân dao

Cơ cấu giảm chấn sử dụng hệ lò xo mang lại khả năng tùy chỉnh tần số dập tắt dao động linh hoạt. Khoang trụ bên trong cán dao được gia công với độ đồng tâm rất cao. Lõi chấn động được định vị chính xác giữa hai lò xo nén đối xứng. Hệ thống điều chỉnh ren ở đuôi dao cho phép kỹ sư thay đổi lực ép ban đầu của lò xo. Khi cán dao chịu tải trọng va đập từ phôi tiện, lò xo hấp thụ xung lực và dập tắt sóng uốn nhanh chóng. Tần số dao động riêng của cơ cấu giảm chấn được tính toán trùng với tần số rung nguy hiểm của hệ thống gá đặt. Thiết kế này giúp cán dao duy trì độ cứng vững động lực học vượt trội.

3.2. Quy trình bố trí thí nghiệm cắt gọt thực tế

Quy trình thực nghiệm được triển khai bài bản trên máy tiện điều khiển số tại xưởng thực hành cơ khí. Vật liệu phôi thử nghiệm là thép hợp kim được chuẩn bị đồng đều về cơ tính và kích thước. Các chế độ cắt gồm vận tốc cắt v, lượng chạy dao f và chiều sâu cắt t được thay đổi có kiểm soát. Nhóm nghiên cứu gắn cảm biến đo rung động trực tiếp lên thân dao để thu thập dữ liệu thời gian thực. Sau mỗi lượt tiện thử nghiệm, mẫu phôi được tháo ra để đo độ nhám bề mặt bằng máy đo biên dạng Mitutoyo. Việc so sánh đối chứng giữa cán dao tiêu chuẩn và cán dao giảm chấn diễn ra trong cùng một môi trường thử nghiệm nghiêm ngặt.

IV. Đánh giá kết quả tiện lỗ với các dạng cán dao thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại ĐH SPKT TPHCM khẳng định hiệu quả vượt trội của cán dao giảm chấn so với cán dao thường. Biên độ rung động uốn của dao giảm rõ rệt từ ba mươi đến năm mươi phần trăm khi gia công ở tỷ lệ L/D lớn. Độ nhám bề mặt Ra của chi tiết tiện lỗ cải thiện đáng kể, đạt cấp độ bóng bề mặt cao và ổn định. Hiện tượng rung tự kích chatter gần như bị triệt tiêu hoàn toàn tại các dải vận tốc cắt nguy hiểm. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng kết cấu giảm chấn lò xo phản ứng rất nhạy với các biến thiên của lực cắt. Nhiệt cắt cục bộ tại mũi dao giảm bớt nhờ quá trình cắt diễn ra êm ái hơn. Hiện tượng mòn và mẻ mảnh hợp kim cắt gọt giảm đi đáng kể sau nhiều chu kỳ gia công liên tục. Thành công của đồ án mở ra giải pháp công nghệ khả thi và tiết kiệm chi phí cho các doanh nghiệp gia công cơ khí chính xác. Cán dao giảm chấn tự chế tạo giúp doanh nghiệp chủ động công nghệ, giảm phụ thuộc vào các dụng cụ nhập khẩu đắt tiền. Nghiên cứu đóng góp giá trị khoa học thực tiễn to lớn cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật chế tạo máy.

4.1. Cải thiện độ nhám bề mặt và tuổi thọ mảnh dao

Phân tích số liệu đo cho thấy độ nhám bề mặt chi tiết gia công bằng cán dao giảm chấn luôn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe. Các vết khía rung chatter trên lòng lỗ trụ hoàn toàn biến mất. Độ đồng đều của profin bề mặt duy trì ổn định ngay cả khi tăng chiều sâu cắt. Lực cắt tác dụng ổn định giúp kéo dài tuổi thọ của mảnh dao tiện hợp kim. Mảnh dao không còn bị mẻ cạnh hoặc nứt vỡ do va đập rung cơ học. Điều này giúp giảm thiểu tần suất thay dao và rút ngắn thời gian dừng máy trong quy trình sản xuất thực tế.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế trong sản xuất cơ khí

Kết quả thực nghiệm mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi tại các xưởng cơ khí chế tạo khuôn mẫu và chi tiết ống lót. Việc tự chế tạo cán dao giảm chấn giúp tiết kiệm chi phí đầu tư lớn so với việc mua dụng cụ cắt nhập ngoại. Công nghệ này đặc biệt phù hợp khi tiện các lỗ sâu có tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn. Quá trình gia công diễn ra ổn định cho phép kỹ sư tự tin tăng chế độ cắt để tối ưu năng suất. Sản phẩm hoàn thiện đạt độ chính xác kích thước cao, giảm tỷ lệ chi tiết lỗi hỏng. Đây là bước tiến thực tiễn gắn kết hiệu quả giữa nghiên cứu học thuật và sản xuất công nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghệ gia công cơ khí chính xác, nguyên công tiện lỗ đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện các bề mặt trụ trong với yêu cầu cao về dung sai hình học và độ nhẵn bóng. Tuy nhiên, khi chiều sâu lỗ gia công tăng lên, cán dao tiện buộc phải vươn dài ra khỏi đài gá dao. Khoảng nhô tự do lớn làm giảm độ cứng vững và tính ổn định của hệ thống công nghệ (máy – dao – đồ gá – chi tiết), dẫn đến hiện tượng rung động (chatter) nghiêm trọng. Rung động trong cắt gọt làm suy giảm độ chính xác kích thước, làm xấu độ nhám bề mặt, gây mẻ hoặc gãy lưỡi cắt hợp kim, đồng thời hạn chế việc khai thác hết công suất máy.

Hiện nay, các nghiên cứu chuyên sâu về cán dao chống rung phần lớn tập trung ở các tập đoàn dụng cụ cắt nước ngoài (như Sandvik Coromant, Kennametal, Mitsubishi) và được thử nghiệm trong điều kiện gia công tiêu chuẩn cao. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu giảm chấn tích hợp cho cán dao tiện lỗ phù hợp với trang thiết bị, vật liệu và điều kiện gia công thực tế trong nước vẫn còn tương đối hạn chế. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thực nghiệm quá trình tiện lỗ với các dạng cán dao khác nhau" được thực hiện nhằm đánh giá và tối ưu hóa giải pháp giảm rung chấn khi tiện lỗ.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nhiệm vụ:

1. Đánh giá hiệu quả và hiệu suất của quá trình tiện lỗ với cán dao tiện lỗ thường (đo lường tốc độ, độ nhám bề mặt, độ chính xác, độ ổn định và độ bền của cán dao).
2. Đánh giá hiệu quả và hiệu suất của quá trình tiện lỗ với cán dao tiện giảm chấn (khảo sát mức độ suy giảm dao động, cải thiện độ nhẵn bề mặt).
3. So sánh hiệu quả và hiệu suất giữa cán dao tiện lỗ thường và cán dao tiện giảm chấn trên cùng điều kiện gia công.
4. Đề xuất các phương pháp tối ưu hóa quá trình tiện lỗ thông qua việc xác định thông số cơ cấu giảm chấn tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quá trình tiện lỗ trong; cơ cấu giảm chấn cơ học; cán dao tiện lỗ thông thường và cán dao tiện lỗ có gắn cơ cấu giảm chấn; rung động phát sinh trong quá trình cắt gọt; độ nhám bề mặt chi tiết gia công ($R_a$, $R_z$).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Thí nghiệm được thực hiện trên máy tiện vạn năng Weiler D 8522 tại xưởng cơ khí Việt Đức thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Cán dao thực nghiệm: S25S - SCLCR09 (đường kính danh nghĩa cán $D = 25\text{ mm}$).
  • Mảnh dao cắt (insert): Mảnh hợp kim phủ CPMH090308 – CA5525 của hãng KYOCERA.
  • Vật liệu phôi gia công: Thép carbon C45, dạng ống trụ tròn với kích thước $\varnothing 54 \times T10 \times L30\text{ mm}$.
  • Chế độ cắt cố định: Chiều sâu cắt $t = 0{,}25\text{ mm}$, lượng chạy dao $S = 0{,}2\text{ mm/vòng}$, tốc độ trục chính $n = 1000\text{ vòng/phút}$.
  • Thiết bị kiểm tra: Máy đo độ nhám tiếp xúc Mitutoyo Surftest SJ-201; cảm biến đo gia tốc và chuyển vị rung động công nghiệp DynaLogger TcAs.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại, động lực học máy công cụ và độ nhám bề mặt:

• Cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại: Quá trình hình thành phoi qua 4 vùng tương tác đặc trưng: (1) vùng biến dạng dẻo trượt phoi phía trước lưỡi cắt, (2) vùng ma sát giữa phoi và mặt trước dao, (3) vùng ma sát giữa mặt sau dao và bề mặt đang gia công, (4) vùng tách phoi. Mô hình lực cắt không gian được phân rã thành ba thành phần: lực tiếp tuyến $P_z$ (thành phần lực cắt chính, quyết định công suất cắt), lực hướng kính $P_y$ (đẩy dao ra khỏi phôi, ảnh hưởng lớn nhất đến biến dạng uốn và rung động ngang), lực dọc trục $P_x$ (ngược hướng chạy dao). Thực nghiệm cho thấy với góc nghiêng chính $\varphi = 45^\circ$, góc trước $\gamma = 15^\circ$, quan hệ lực xấp xỉ $P_x = 0{,}25 P_z$ và $P_y = 0{,}4 P_z$, lực tổng hợp xấp xỉ $R \approx 1{,}1 P_z$.
• Lý thuyết rung động trong gia công: Phân tích ba dạng dao động gồm rung động cưỡng bức (do sai số quay, lượng dư không đều, truyền động ngoài), rung động tự kích thích (chatter - do ma sát biến thiên, hiện tượng lẹo dao, quá trình tách phoi không đều) và rung động riêng tắt dần. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động Lagrange loại II cho hệ tuyến tính chịu kích động điều hòa: $$M\ddot{q} + Cq = \hat{f}\sin(\omega t)$$ Mô hình hóa cán dao tiện lỗ như một dầm công xôn (console) ngàm một đầu chịu uốn và chịu nén lệch tâm. Phương trình đường đàn hồi và độ võng tại đầu dao tự do: $$y = \frac{P z^3}{6 E I_x} - \frac{P L^2 z}{2 E I_x} + \frac{P L^3}{3 E I_x}$$ Độ võng lớn nhất tại mũi dao ($z = 0$) là $f_{\max} = \frac{P L^3}{3 E I_x}$, phụ thuộc theo bậc ba của chiều dài vươn cán $L$. Khi dao vươn dài, tỷ lệ $L/D > 4$ làm độ cứng vững giảm mạnh.
• Tiêu chuẩn và chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt: Khảo sát profin nhấp nhô theo tiêu chuẩn TCVN 2511 – 95 qua hai thông số: sai lệch số học trung bình $R_a$ và chiều cao nhấp nhô mười điểm $R_z$.
• Phương pháp nghiên cứu:
  • Phương pháp thực nghiệm: Gia công so sánh đối chứng giữa cán dao tiêu chuẩn và cán dao lắp cơ cấu giảm chấn.
  • Quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp khảo sát đơn biến để dò tìm quy luật của từng thông số hình học/vị trí giảm chấn; sau đó áp dụng ma trận trực giao Taguchi kết hợp phân tích phương sai ANOVA để xác định tổ hợp thông số tối ưu.
  • Phương pháp đo lường: Dùng đầu dò kim của máy Mitutoyo SJ-201 đo nhám $R_z$ trên các mẫu cắt; sử dụng cảm biến DynaLogger TcAs gắn trực tiếp lên thân dao để ghi nhận tín hiệu gia tốc dao động ($\text{m/s}^2$) và chuyển vị rung động ($\text{mm}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ đòi hỏi nâng cao chất lượng tiện lỗ sâu trong gia công cơ khí. Tác giả nêu bật tính cấp thiết khi hiện tượng rung động là nguyên nhân chính gây hỏng dao, mẻ lưỡi cắt hợp kim và giảm độ bóng lòng lỗ. Xác lập rõ ràng ý nghĩa khoa học (bổ sung số liệu thực nghiệm về cơ cấu giảm chấn nội địa) và ý nghĩa thực tiễn (giảm chi phí gia công, kéo dài tuổi thọ dụng cụ). Đưa ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể, xác định đối tượng là hệ giảm chấn gá trên cán dao S25S-SCLCR09, gia công phôi thép C45 trên máy tiện Weiler D 8522, và phác thảo bố cục toàn bộ đồ án gồm 8 chương.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng thuật chi tiết về cấu tạo, hình học cán dao tiện lỗ và mảnh dao cắt tiêu chuẩn (các dòng mảnh phổ biến CN, DN, VN, SN, TN, WN). Phân loại cán dao theo ký hiệu vật liệu và kết cấu gồm: loại A (cán thép có lỗ tưới nguội), loại C (thân hợp kim carbide, đầu thép), loại S (cán thép đặc không lỗ tưới nguội), loại H và H-O (thép hợp kim). Nhấn mạnh quy tắc tỷ lệ vươn dao an toàn: dao thông thường cho phép nhô tối đa $L/D = 4$ (tỷ lệ chuẩn ổn định là $L/D = 3$), trong khi dao có cơ cấu chống rung cho phép vươn tới $L/D = 7$. Phần tổng quan tài liệu điểm qua các công trình quốc tế tiêu biểu như nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm của J. Šraml và cộng sự (2020), W. Zheng và cộng sự (2019), M. Rahman và cộng sự (2018), cùng các giải pháp thương mại của Sandvik Coromant. Tại Việt Nam, tác giả phân tích kết quả của Nguyễn Trường Sinh (2015) về tiện lỗ sâu, Lê Hoàng Lâm (2017) về 3 phương án giảm chấn đối trọng, và Nguyễn Thuận Hải Đăng (2018) về thông số lò xo giảm chấn có độ cứng $150\text{ N/m}$.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương đi sâu vào bản chất vật lý của quá trình cắt gọt kim loại. Mô tả cơ chế hình thành phoi qua 4 khu vực tiếp xúc. Trình bày các chuyển động gia công (chuyển động cắt chính, chuyển động chạy dao, chuyển động phụ định vị và bù dao) và công thức tính các thông số công nghệ: vận tốc cắt $V$, bước tiến $S$, chiều sâu cắt $t$, chiều rộng cắt $b$, chiều dày cắt $a$ và diện tích lớp cắt $F$. Phân tích chi tiết ba thành phần lực cắt $P_x, P_y, P_z$ và ảnh hưởng cơ học của chúng lên trục chính máy tiện, thân dao và phôi gia công. Luận chứng các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến biến dạng và rung động: cơ tính vật liệu gia công, vận tốc cắt (hiện tượng ma sát và lẹo dao khi $V \le 50\text{ m/phút}$ so với khi $V > 50\text{ m/phút}$), các góc hình học của dao ($\gamma, \alpha, \varphi$) và bán kính mũi dao $R$.

Chương 4: Độ nhám và rung động trong công nghệ cắt gọt

Chương 4 thiết lập cơ sở đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trình bày bản chất của nhấp nhô tế vi, sự khác biệt giữa sai lệch hình dạng (h1), độ sóng (h2) và độ nhám (h3). Phân tích tác hại của độ nhám lớn đến khả năng chống mòn, độ bền mỏi (tập trung ứng suất tại đáy nhấp nhô), khả năng chống ăn mòn hóa học và độ chính xác lắp ghép có độ hở hoặc độ dôi. Giới thiệu bảng cấp độ nhám 1 đến 14 theo tiêu chuẩn TCVN 2511 – 95 và bảng giá trị tiêu chuẩn của $R_a, R_z$. Khảo sát lý thuyết rung động cắt gọt (rung động cưỡng bức, rung động tự kích thích, rung động riêng) và các biện pháp giảm chấn liên quan đến cấu trúc máy, dụng cụ cắt và chế độ công nghệ. Thiết lập phương trình vi phân dao động của hệ nhiều bậc tự do, phương trình đường đàn hồi dầm công xôn và mô hình dao động dọc chịu lực nén tuần hoàn $P_y(t) = P_y \sin(\omega t)$ để mô phỏng hệ giảm chấn lò xo.

Chương 5: Giải pháp thiết kế mô hình

Chương này đề xuất các ý tưởng kỹ thuật nhằm chế tạo cơ cấu dập tắt dao động gắn ngoài cho cán dao tiện lỗ tiêu chuẩn. Tác giả xây dựng các tiêu chí kỹ thuật: cơ cấu phải nhỏ gọn để không va chạm thành lỗ khi dao tiến sâu, có khả năng điều chỉnh thông số giảm chấn linh hoạt, dễ lắp ghép và chế tạo từ vật liệu phổ thông. Phân tích, so sánh ưu nhược điểm giữa hai phương án kết cấu:

• Phương án 1: Cơ cấu giảm chấn dạng khối trượt tự do định vị bằng vít.
• Phương án 2: Cơ cấu giảm chấn kết hợp giữa bạc trượt đối trọng dẫn hướng, thanh ren định tâm và hệ thống lò xo giảm chấn điều chỉnh được lực ép. Dựa trên phân tích động lực học và tính khả thi trong gia công chế tạo, đồ án lựa chọn phương án 2 làm giải pháp chế tạo thực nghiệm.

Chương 6: Thiết kế mô hình cán dao tiện lỗ có gắn giảm chấn

Chương 6 cụ thể hóa bản vẽ thiết kế và quy trình chế tạo từng chi tiết của cụm cơ cấu giảm chấn. Các bộ phận chính gồm có:

• Cán dao cơ sở S25S-SCLCR09 và mảnh insert CPMH090308 – CA5525.
• Cặp bạc giảm chấn (Bạc A và B): Đóng vai trò là khối lượng quán tính (đối trọng), được gia công cơ khí chính xác để ôm sát thân cán dao trụ tròn.
• Bu lông lục giác chìm không đầu tiêu chuẩn DIN 916 - M5x10 (mm): Dùng để định vị và giữ các bạc cố định theo các khoảng cách tính toán.
• Lò xo nén chuyên dụng: Sử dụng loại lò xo khuôn ép nhựa màu đỏ (dòng TM), có độ cứng vững và khả năng hồi phục đàn hồi cao dưới tải trọng động.
• Thanh ren và đai ốc điều chỉnh: Cho phép cố định hệ lò xo và thay đổi tải trọng ép ban đầu của lò xo lên cụm bạc đối trọng. Tiến hành gia công chi tiết, lắp ráp thử nghiệm cụm giảm chấn lên cán dao và kiểm tra độ đồng tâm, độ vững chắc trước khi đưa lên máy tiện.

Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá

Trình bày chi tiết các bước tiến hành gia công thực tế trên máy Weiler D 8522 với phôi thép C45. Tiến hành chuỗi thí nghiệm theo ba bước:

1. Thí nghiệm đơn biến: Thay đổi tuần tự từng thông số của cơ cấu giảm chấn gồm khoảng cách vươn dao $L$, vị trí các bạc $L_1, L_2, L_3$, chiều dài nén lò xo $L_{lx}$ và góc nghiêng $\alpha$ để xác định dải ảnh hưởng đến độ nhám $R_z$.
2. Thí nghiệm theo quy hoạch Taguchi: Bố trí ma trận trực giao để khảo sát tương tác giữa các yếu tố hình học và lực ép đàn hồi, xác định tổ hợp thông số giảm chấn tối ưu.
3. Thí nghiệm đo động học dao động bằng cảm biến: Lắp cảm biến DynaLogger TcAs trên thân cán dao để đo trực tiếp tín hiệu gia tốc rung động và độ dịch chuyển. Chương 7 tiến hành so sánh đối chứng toàn diện giữa 3 trường hợp thực nghiệm:

• Trường hợp 1: Cán dao tiện lỗ nguyên bản, không gắn cơ cấu giảm chấn.
• Trường hợp 2: Cán dao tiện lỗ có gắn 2 bạc đối trọng (chưa lắp lò xo).
• Trường hợp 3: Cán dao tiện lỗ tích hợp đầy đủ cơ cấu giảm chấn (gắn 2 bạc đối trọng và hệ thống lò xo nén TM).

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tổng kết các phát hiện cốt lõi từ số liệu thực nghiệm: xác nhận cơ cấu giảm chấn dạng bạc kết hợp lò xo nén giúp giảm biên độ rung động rõ rệt, hạ thấp độ nhám bề mặt chi tiết gia công so với cán dao thường. Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp nối nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng trong điều kiện sản xuất thực tế.

Thiết kế và triển khai cơ cấu giảm chấn

Cơ cấu giảm chấn dập rung được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo dưới dạng cụm phụ trợ tháo lắp ngoài, tích hợp đồng bộ trên thân cán dao tiện lỗ trụ tròn tiêu chuẩn S25S-SCLCR09 đường kính $25\text{ mm}$. Hệ thống được triển khai theo các cụm thành phần cơ khí cụ thể:

Bộ phận thành phần	Quy cách kỹ thuật / Tiêu chuẩn	Vai trò chức năng trong cơ cấu
Cán dao cơ sở	S25S - SCLCR09	Thân dầm chịu uốn và nén, gá đặt mảnh hợp kim cắt
Mảnh cắt (Insert)	CPMH090308 – CA5525 (KYOCERA)	Trực tiếp tham gia bóc tách lớp kim loại phôi thép C45
Bạc giảm chấn A và B	Gia công cơ khí chính xác theo thân cán	Đóng vai trò khối lượng đối trọng quán tính hấp thụ xung động
Vít định vị	Bu lông lục giác chìm không đầu DIN 916 - M5x10	Khóa cứng hoặc định vị khoảng cách các bạc trên thân dao
Lò xo giảm chấn	Lò xo khuôn ép nhựa màu đỏ (dòng TM)	Cung cấp lực đàn hồi dập tắt dao động tuần hoàn của dầm
Thanh ren & Đai ốc	Gia công ren cơ khí phù hợp	Giữ liên kết lò xo và điều chỉnh độ nén ban đầu của lò xo

Quy trình triển khai thực nghiệm được chuẩn hóa qua các bước:

1. Chuẩn bị phôi thép C45 đồng nhất kích thước $\varnothing 54 \times T10 \times L30\text{ mm}$, khỏa mặt đầu và khoan lỗ mồi.
2. Gá đặt chi tiết trên mâm cặp máy tiện Weiler D 8522, gá cán dao lên bàn xa dao với chiều dài nhô ra xác định.
3. Thiết lập chế độ cắt cố định: chiều sâu cắt $t = 0{,}25\text{ mm}$, bước tiến dao $S = 0{,}2\text{ mm/vòng}$, số vòng quay trục chính $n = 1000\text{ vòng/phút}$.
4. Lắp đặt cảm biến đo rung động DynaLogger TcAs tại vị trí chuẩn trên thân cán dao để thu thập dữ liệu gia tốc và chuyển vị qua kết nối không dây.
5. Thực hiện tiện lỗ trong ba trạng thái: cán dao nguyên bản, cán dao gắn 2 bạc, cán dao gắn 2 bạc và lò xo TM.
6. Tháo chi tiết, vệ sinh bề mặt và tiến hành đo độ nhám $R_z$ bằng máy Mitutoyo SJ-201 tại xưởng cơ khí Việt Đức.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đo lường thực nghiệm

Kết quả đo đạc từ máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201 và cảm biến DynaLogger TcAs thể hiện rõ sự khác biệt giữa 3 trạng thái dao tiện lỗ:

Trường hợp thực nghiệm	Trạng thái kết cấu cán dao	Biên độ dao động gia tốc ($\text{m/s}^2$) & Chuyển vị ($\text{mm}$)	Chất lượng bề mặt ($R_z$)	Mức độ ổn định gia công
Trường hợp 1	Cán dao tiêu chuẩn không gắn giảm chấn	Mức độ rung động cao nhất, biên độ gia tốc và chuyển vị lớn	Giá trị $R_z$ cao nhất, xuất hiện vết rằn gợn do rung dao	Quá trình cắt rung lắc mạnh, phát sinh tiếng rít
Trường hợp 2	Cán dao có gắn 2 bạc đối trọng	Rung động giảm đáng kể so với cán dao thường	Giá trị $R_z$ giảm rõ rệt so với Trường hợp 1	Dao cắt êm hơn nhờ khối lượng bạc hấp thu bớt quán tính
Trường hợp 3	Cán dao gắn đủ 2 bạc và lò xo khuôn đỏ TM	Rung động triệt tiêu tối đa, biên độ dao động nhỏ nhất	Giá trị $R_z$ đạt mức thấp nhất (bề mặt nhẵn bóng nhất)	Dao cắt ổn định nhất, phoi thoát đều đặn, không gợn sóng

Thực nghiệm theo phương pháp Taguchi và khảo sát đơn biến đã xác lập được bảng thông số giảm chấn tối ưu cho cán dao S25S-SCLCR09 khi gia công thép C45 ở chế độ $t = 0{,}25\text{ mm}$, $S = 0{,}2\text{ mm/vòng}$, $n = 1000\text{ vòng/phút}$:

• Xác định được vị trí tối ưu của các bạc giảm chấn ($L_1, L_2, L_3$) trên thân dao nhằm tạo điểm nút cản rung thích hợp.
• Xác định chiều dài làm việc và mức nén ban đầu thích hợp của lò xo khuôn mẫu đỏ TM ($L_{lx}$) kết hợp với góc xoay $\alpha$ của cơ cấu để đạt độ nhám $R_z$ nhỏ nhất.

Đóng góp của đề tài

• Chứng minh bằng số liệu thực nghiệm rằng cơ cấu giảm chấn cơ học sử dụng lò xo khuôn mẫu kết hợp bạc đối trọng gắn ngoài có khả năng triệt tiêu rung động hiệu quả trong nguyên công tiện lỗ sâu.
• Cung cấp mô hình kết cấu giảm chấn giá thành thấp, chế tạo đơn giản từ vật liệu sẵn có, có thể lắp đặt trực tiếp trên các cán dao tiện lỗ thông thường tại các xưởng cơ khí Việt Nam mà không cần đầu tư các cán dao chống rung nhập khẩu đắt tiền.
• Thiết lập quy trình khảo sát thực nghiệm kết hợp giữa thiết bị đo độ nhám tiếp xúc (Mitutoyo SJ-201) và cảm biến rung động không dây (DynaLogger TcAs), tạo cơ sở dữ liệu tham khảo cho việc đánh giá động lực học cắt gọt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Khảo nghiệm thực nghiệm chỉ được tiến hành trên một loại vật liệu phôi duy nhất là thép carbon C45 với một dải kích thước ống cố định ($\varnothing 54 \times T10 \times L30\text{ mm}$).
• Chế độ cắt được cố định tại một thông số đơn lẻ ($t = 0{,}25\text{ mm}, S = 0{,}2\text{ mm/vòng}, n = 1000\text{ vòng/phút}$), chưa khảo sát toàn diện ảnh hưởng khi thay đổi vận tốc cắt $V$ hoặc bước tiến $S$ trên quy mô lớn.
• Đồ án mới chỉ thử nghiệm một loại cán dao danh nghĩa S25S (đường kính $25\text{ mm}$) và một quy cách lò xo khuôn đỏ TM; chưa khảo sát các độ cứng lò xo khác nhau hoặc các đường kính cán dao nhỏ hơn ($D < 20\text{ mm}$) - nơi không gian làm việc trong lỗ bị giới hạn nhiều hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng thực nghiệm trên các mác vật liệu gia công có tính chất cơ lý khác nhau như thép hợp kim, thép không gỉ (inox), gang xám và hợp kim nhôm.
• Khảo sát biến thiên đồng thời của chế độ cắt ($V, S, t$) bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần nhằm xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa độ nhám $R_z$ với vận tốc cắt và thông số giảm chấn.
• Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước hình học của cụm bạc giảm chấn để thu nhỏ tối đa biên dạng ngoài, cho phép dao gia công được các lỗ sâu có đường kính nhỏ hơn mà không bị chạm thành phôi.
• Thử nghiệm các vật liệu đàn hồi hoặc lò xo có độ cứng khác nhau để tìm ra vùng tần số dập chấn tối ưu cho từng dải tốc độ trục chính.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu thực nghiệm tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy, Công nghệ kỹ thuật cơ khí, Cơ điện tử: Cung cấp cơ sở lý thuyết có hệ thống về dao động trong gia công cắt gọt, phương pháp mô hình hóa dầm công xôn uốn theo sức bền vật liệu, cùng quy trình làm đồ án tốt nghiệp từ khâu tính toán, thiết kế cơ khí đến thực nghiệm xưởng.
• Kỹ sư công nghệ và thợ gia công tại các xưởng cơ khí: Tham khảo giải pháp cải tiến cán dao tiện lỗ chống rung tự chế với chi phí thấp nhằm cải thiện chất lượng bề mặt lỗ sâu và nâng cao tuổi thọ mảnh tiện hợp kim trên các dòng máy tiện cơ thông dụng.
• Các phần nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 4 (hệ thống công thức dao động và các phương pháp kiểm soát rung chấn), Chương 6 (bản vẽ và kết cấu lắp ghép cụ thể của cụm bạc - lò xo DIN 916), và Chương 7 (quy trình bố trí đo rung động bằng cảm biến DynaLogger kết hợp máy đo profin Mitutoyo).

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại cán dao và mảnh cắt (insert) cụ thể nào trong thực nghiệm?

Đồ án sử dụng cán dao tiện lỗ mã hiệu S25S - SCLCR09 (cán thép đặc, đường kính thân dao $D = 25\text{ mm}$) kết hợp với mảnh dao tiện hợp kim phủ mã CPMH090308 – CA5525 của hãng KYOCERA.

2. Cơ cấu giảm chấn thiết kế trên cán dao tiện lỗ gồm những chi tiết cơ học chính nào?

Cơ cấu giảm chấn gắn trên cán dao gồm 5 chi tiết chính: cặp bạc giảm chấn A và B (đối trọng hấp thụ rung), bu lông lục giác chìm không đầu DIN 916 - M5x10 (mm) để định vị, lò xo nén khuôn ép nhựa màu đỏ dòng TM, thanh ren giữ lò xo và đai ốc điều chỉnh lực nén đàn hồi của lò xo.

3. Phôi thí nghiệm và chế độ cắt trong các đợt thực nghiệm được thiết lập như thế nào?

Vật liệu phôi là thép C45 với kích thước hình học $\varnothing 54 \times T10 \times L30\text{ mm}$. Quá trình tiện lỗ được duy trì ở chế độ cắt cố định: chiều sâu cắt $t = 0{,}25\text{ mm}$, lượng chạy dao $S = 0{,}2\text{ mm/vòng}$, và tốc độ quay trục chính $n = 1000\text{ vòng/phút}$.

4. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập bằng những thiết bị đo lường chuyên dụng nào?

Đồ án sử dụng hai thiết bị đo chính: máy đo độ nhám bề mặt tiếp xúc Mitutoyo Surftest SJ-201 để xác định thông số nhám $R_z$ ($\mu\text{m}$), và cảm biến DynaLogger TcAs gắn trực tiếp trên thân dao tiện để đo tín hiệu gia tốc dao động ($\text{m/s}^2$) cùng chuyển vị rung động ($\text{mm}$).

5. Kết quả so sánh giữa ba trường hợp cán dao cho thấy điều gì về độ nhám và độ rung?

Trường hợp 1 (dao thường) cho biên độ rung lớn nhất và độ nhám $R_z$ cao nhất. Trường hợp 2 (gắn 2 bạc đối trọng) giúp suy giảm đáng kể dao động và giảm $R_z$. Trường hợp 3 (gắn đầy đủ 2 bạc và lò xo nén TM) triệt tiêu rung động hiệu quả nhất, biên độ gia tốc dao động đạt mức thấp nhất và mang lại độ bóng bề mặt chi tiết tốt nhất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Hồng Sơn và Võ Trường Thức đã giải quyết thành công bài toán hạn chế rung động trong gia công tiện lỗ bằng giải pháp cơ cấu giảm chấn cơ học gắn ngoài. Các kết quả đo đạc từ cảm biến DynaLogger TcAs và máy đo độ nhám Mitutoyo SJ-201 trên phôi thép C45 đã minh chứng định lượng tính hiệu quả vượt trội của phương án lắp 2 bạc kết hợp lò xo nén khuôn đỏ TM so với cán dao tiện lỗ thông thường. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, chế tạo và cải tiến đồ gá, dụng cụ cắt gọt trong điều kiện sản xuất cơ khí tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học - thực tiễn, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. - Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài Giới thiệu, phân loại các loại cán dao, các nghiên cứu trong và ngoài nước - Chương 3: Cơ sở lý thuyết. Trình bày cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại và công nghệ tiện. - Chương 4: Độ nhám và rung động trong gia công cắt gọt Trình bày tổng quan về độ nhám, rung động trong gia công và ảnh hưởng của rung động đến độ nhám bề mặt, từ đó đưa ra các giải pháp để giảm rung động.

- Chương 5: Giải pháp thiết kế mô hình Đưa ra các phương án thiết kế mô hình và đánh giá ưu nhược điểm của từng phương án để chọn ra phương án tốt nhất. - Chương 6: Thiết kế mô hình cán dao tiện lỗ có gắn giảm chấn 6 - Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá Thực hiện các thí nghiệm trên các loại cán dao khác nhau và đánh giá kết quả nhằm lựa chọn phương án thiết kế tối ưu nhất. - Chương 8: Kết luận và hướng phát triển đề tài 7 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU 2.1 Giới thiệu Dao tiện lỗ là một trong những dụng cụ cắt gọt phổ biến được sử dụng khi tiện bên trong chi tiết ( thường gọi là tiện lỗ). Dao tiện lỗ phân thành 2 loại chính: - Dao tiện lỗ liền cán hay còn gọi là dao tiện định hình.

- Dao tiện lỗ gắn mảnh: loại này cực kì phổ biến trên thị trường.1: Cán dao tiện lỗ [14] Với đề tài này, nhóm chọn cán dao tiện lỗ gắn mảnh để thực hiện cho việc nghiên cứu, 2.2 Hình dáng hình học Dao tiện lỗ gắn mảnh gồm 2 bộ phận chính là cán dao và mảnh dao. - Cán dao: có hình trụ tròn được vát phẳng đối xứng nhau để thuận tiện cho việc kẹp dao trong quá trình gia công. Đầu cán được thiết kế phẳng để gắn mảnh dao. Mỗi cán dao chỉ gắn 1 loại mảnh duy nhất.

- Mảnh dao: phân loại theo hình dáng như hình 2.2 và hình chiếu cạnh mảnh dao với từng góc cạnh khác nhau. Tùy mục đích gia công mà chúng ta chọn mảnh dao phù hợp.2: Hình dáng hình học mảnh dao tiện [15] 8 Mảnh dao tiện là một phần quan trọng trong quá trình gia công tiện lỗ, góp phần tạo nên bề mặt chính xác và chất lượng của chi tiết. Chúng được chế tạo từ hợp kim cứng và được tráng một lớp phủ đặc biệt để tăng khả năng chịu mài mòn, nhiệt độ cao và va đập. Lớp phủ này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ phẳng và độ mịn của chi tiết sau khi gia công.

Để đảm bảo sự thống nhất và tiêu chuẩn hoá các mảnh dao tiện, chúng được sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế và mã hiệu riêng. Việc tiêu chuẩn hoá mang lại nhiều lợi ích như dễ dàng lựa chọn mảnh dao phù hợp với đầu dao chế tạo theo tiêu chuẩn, dễ dàng chọn được mảnh dao phù hợp với điều kiện và vật liệu gia công, tiết kiệm thời gian khi phải thay thế mảnh dao hỏng hoặc mòn trong quá trình gia công. Đồng thời, việc tiêu chuẩn hoá còn đảm bảo cho việc khai báo các thông số của dao khi lập trình tên máy CNC được thuận lợi và nhanh chóng. Các dòng mảnh CN,DN,VN,SN,TN,WN là các dòng mảnh được lựa chọn nhiều nhất về mức độ tái sử dụng nhiều lần, giảm thiểu chi phí gia công.3 Phân loại cán dao tiện lỗ Các loại cán dao phổ biến: - Loại A: cán thép có lỗ nước nguội.

- Loại C: thân cán làm từ vật liệu carbide, đầu cán làm từ thép. - Loại S: cán thép đặc, không có lỗ nước nguội.