Đặt vấn đề: Trong lĩnh vực cơ khí nói chung và gia công chính xác nói riêng, các phương pháp gia công cắt kim loại thông thường như phay, tiện, khoan, mài,. được áp dụng gần như trong mọi quá trình gia công. Những phương pháp gia công này tạo ra lực cắt khá cao và cho ra chất lượng bề mặt gia công không cao. Lực cắt thường có giá trị khá lớn để có thể giảm được thời gian gia công, tuy nhiên, lực cắt cao cũng sẽ tương đương với những bất lợi như làm tăng độ mòn của dụng cụ, giảm tuổi thọ của dụng cụ cắt và giảm chất lượng bề mặt gia công làm ảnh hưởng trực tiếp đến việc xử lý sau gia công, cần có bước hoàn thiện bề mặt (gia công tinh hay mài bóng) và làm sạch bavia, dẫn đến tăng chi phí sản xuất, thiếu tính kinh tế.
Có thể thấy rẳng, kỹ thuật gia công thông thường không còn đáp ứng được các yêu cầu gia công chính xác trong thời đại kỹ thuật số hiện nay nữa, lý do là vì các phương pháp gia công thông thường không thể gia công các chi tiết có kích cỡ micro trở xuống. Chính vì thế, ngày nay, thế giới đang nghiên cứu càng nhiều các phương pháp khác nhau để tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện độ bóng bề mặt sau gia công bao gồm: sử dụng một lớp phủ đặc biệt trên dụng cụ cắt (như lớp phủ TiN Titanium nitride, TiCN Titanium carbon nitride, TiAlN Titanium aluminium nitride, Super-ATM, DLC Daimond like carbon,…); giảm tốc độ cắt (nhưng sẽ làm tăng thời gian gia công chi tiết và cũng sẽ ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế); hoặc thậm chí là gia công có hỗ trợ laze (nhưng sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học của vật liệu phôi ban đầu),. Và để đáp ứng nhu cầu đó, nhằm mục đích gia công đạt được chất lượng bề mặt tốt hơn, độ chính xác cao hơn với chi phí thấp nhất, rung động đã được nghiên cứu và ứng dụng vào việc gia công trong bất kỳ một phương pháp, công cụ, phôi, môi trường làm việc cả thông thường lẫn tiên tiến, phương pháp đó được gọi là gia công có dao động hỗ trợ (VAM) hay Vibration - Assited Machining. VAM kết hợp gia công với dao động biên độ nhỏ của dụng cụ cắt, từ đó tăng chất lượng bề mặt, độ bóng và độ chính xác cho chi tiết khi gia công với chi phí có thể chấp nhận.
1 Luan van Ngày nay, phương pháp gia công có hỗ trợ dao động VAM đã được ứng dụng vào đa số các phương pháp gia công cắt kim loại cơn bản.2 Ứng dụng của gia công có hỗ trợ dao động 1.1 Tiện có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Turning – VAT) Gia công có hỗ trợ rung động đã được nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình tiện và đạt được nhiều kết quả khả quan, VAT đã được áp dụng với nhiều mục đích khác nhau trong nhiều lĩnh vực. Hệ thống VAT 1D, được thiết kế và chế tạo bởi Kim et al. [1,2] gồm có một máy phát siêu âm có rung động ở tần số 19,5 kHz là bộ dao động.Nguồn tạo dao động được kết nối với dụng cụ cắt thông qua một ăng-ten tối đa hóa biên độ rung động lên 15 (μm). Kim et al.
đã tiến hành thử nghiệm tiện thử với vật liệu là chất dẻo gia cường sợi cacbon (CFRP). Kết quả cho thấy rằng sau khi gia công, chất lượng bề mặt CFRP đã được cải thiện hơn. Hơn nữa, Kim et al. còn chỉ ra rằng các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong phương pháp này là tốc độ chạy dao và tốc độ cắt (giống như phương pháp tiện thông thường).
Cerniway et al [3] đã nghiên cứu và thiết kế dụng cụ cắt rung động theo đường elip bằng cách thông qua hai áp điện song song bộ truyền động có băng thông 4,5 (kHz). Dao có hỗ trợ rung động trong VAT 2D giúp tối ưu hóa lực cắt, làm giảm lực cắt và chất lượng bề mặt được cải thiện đáng kể so với ban đầu. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là việc sử dụng tần số thấp nên tốc độ ăn dao không thể tăng cao và làm tăng thời gian gia công, ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế. 2 Luan van Hình 1.1 Minh họa đường chạy dao tiện có hỗ trợ Càng ngày càng có nhiều ghiên cứu chứng minh được sự ưu việt của tiện có hỗ trợ rung động.
Ping Zou, Yingshuai Xu, Yu He, Mingfang Chen, và Hao Wu [4] đã tiến hành nghiên cứu tập trung vào phân tích thực nghiệm địa hình bề mặt ba chiều (3D) và độ nhám bề mặt của phôi ASS 304 được gia công bằng tiện có hỗ trợ rung siêu âm so với tiện thông thường. Kết quả cho thấy, có sự khác biệt đáng chú ý về địa hình bề mặt của phôi được gia công. Với CT, các vệt bề mặt khá không đều và để lại nhiều sắc thái khác nhau của các rãnh do dụng cụ cắt trên bề mặt phôi bị trầy xước. Và có sự khác biệt đáng chú ý giữa các rãnh.
Các hạt bề mặt trong UAT rất phức tạp. Sự phân bố tổng thể của các hạt được phân bố tốt, và bề ngoài trở thành dạng lưới lồi và lõm. Và bề mặt cực kỳ tinh tế so với bề mặt của CT, nhưng độ sáng của bề mặt gia công kém hơn. Khi biên độ siêu âm là 23 𝜇m, địa hình bề mặt ở UAT của ASS 304 tốt hơn nhiều so với các biên độ siêu âm khác và CT.
Kích thước của các vết cắt trên bề mặt phôi được phân bố tốt, các vết cắt nông hơn. 3 Luan van Hình 1.2 Vi thể bề mặt và địa hình bề mặt 3D trong tiện có hỗ trợ siêu âm và tiện thông thường 1.2 Mài có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Grinding – VAG) Naresh kumar Marojua, Xiaoliang Jinb [5] đã tiến hành thử nghiệm nghiên cứu khảo sát ứng suất dư trong mài thông thường (CG) và mài hỗ trợ rung (VAG) với vật liệu Ti6Al4V. 4 Luan van Hình 1.3 Thiết lập thử nghiệm mài có hỗ trợ rung của Ti6Al4 Cuối cùng kết luận rằng ứng suất dư bề mặt thay đổi liên tục trong quá trình tiếp xúc giữa phôi và hạt mài do tác dụng làm cứng biến dạng, và cuối cùng ổn định sau 10-15 lần mài liên tiếp. Các ứng suất dư bề mặt trong CG, 1D-VAG và 2D-VAG được mô phỏng và so sánh.
Việc bổ sung hỗ trợ rung động làm tăng biên độ của ứng suất dư nén do hiệu ứng lõm, có lợi cho tuổi thọ mỏi. 1D-VAG tạo ra cường độ ứng suất dư nén cao nhất so với CG và 2D-VAG.3 Phay có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Milling): Trong thời gian gần đây, phay có hỗ trợ rung đã thu hút nhiều sự chú ý hơn từ cả giới học thuật và công nghiệp. Wanqun Chen, Dehong Huo, Yilun Shi và J. Hale[6] đã chỉ ra rằng vì vận tốc cắt và chiều dày phoi chưa cắt thay đổi liên tục trong quá trình phay, quỹ đạo của mũi dao trong phay có hỗ trợ rung trở nên phức tạp hơn so với các nguyên công gia công có hỗ trợ rung khác.
Lin-hong Xu , Hao-bo Na, Guang-chao Han [7] đã tiến hành thí nghiệm với hợp kim titan TC4 và hợp kim nhôm 6061T6. Hàng loạt các thí nghiệm phay rãnh đã được thực hiện có và không có rung động ở các biên độ và tốc độ tiến dao khác nhau để khám phá tác động của rung đối với quá trình phay vi mô. 5 Luan van Hình 1.4 Bố cục của các bài kiểm tra thí nghiệm [7] Kết quả thử nghiệm cho thấy rung siêu âm có thể làm giảm hiệu quả lực phay lần lượt là 12% và 17% đối với hợp kim nhôm 6061T6 và hợp kim titan TC4 so với thông thường. Bằng cách quan sát và so sánh địa hình của các bề mặt được gia công, người ta thấy rằng phay rung siêu âm có thể làm giảm các khuyết tật bề mặt và vết gia công và do đó cải thiện chất lượng bề mặt, kết quả cũng cho thấy rằng rung động siêu âm có thể cải thiện độ chính xác của kích thước do lực phay thấp hơn với việc bổ sung rung động siêu âm, do đó có thể hạn chế gây ra ứng suất và biến dạng ảnh hưởng làm độ chính xác kích thước giảm.3 Tổng quan tình hình nghiên trong và ngoài nước về đề tài: Trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu về những nghiên cứu có liên quan đến gia công có hỗ trợ dao động trong phương pháp khoan.
Trên thực tế, có hai trường hợp mô hình gia công khoan có hỗ trợ dao động: thiết bị tạo dao động được tích hợp vào ụ kẹp mũi khoan và thiết bị tạo dao động được đặt bên trong mô hình gia công 1.1 Ngoài nước Trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu về gia công có hỗ trợ dao động đặc biệt là trong phương pháp gia công khoan. Trên thực tế, có hai trường hợp mô hình gia công khoan có hỗ trợ dao động: thiết bị tạo dao động được tích hợp vào ụ kẹp mũi khoan và thiết bị tạo dao động được đặt bên trong mô hình gia công. 6 Luan van Trên thế giới đã có nhiều ứng dụng thực tế và phát triển khoan có hỗ trợ dao động. Các hoạt động nghiên cứu về khoan có hỗ trợ dao động rất đa dạng, được thử nghiệm trên các vật liệu khác nhau.
Mohamed Yassin Baraya, Hassan El-Hofy và Mohab Hossam [8] đã kết luận rằng việc cung cấp các rung động từ phía công cụ trong VAM có lợi trong quá trình tiện và mài, tuy nhiên, trong phay và khoan, hình dạng của dụng cụ cắt thúc đẩy tạo ra rung động không kiểm soát được ở đầu dao. Do đó, việc thiết kế một thiết bị tự rung có mục đích chung cung cấp các rung động cho phôi sẽ tạo điều kiện và góp phần giải quyết một số vấn đề về VAM. Ngoài ra, nghiên cứu còn chỉ ra tốc độ cắt, tốc độ tiến dao và độ sâu của vết cắt là các thông số quan trọng trong quy trình VAM. Tuy nhiên, tần số và biên độ dao động là các yếu tố cần được ưu tiên và nghiên cứu thêm.5 Dải tần số và biên độ trong VAM Nghiên cứu này đã mở đường cho việc áp dụng rung động vào các quá trình gia công khi chứng minh được rằng gia công có hỗ trợ dao động có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng bể mặt sau gia công và tuổi thọ dụng cụ cắt.
Đồng thời cũng đưa ra hường phát triển tập trung vào tần số và biên độ dao động, mở đường cho việc nghiên cứu và phát triển sau này. 7 Luan van Hình 1.