(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

TỔNG QUAN

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học - kỹ thuật, ngành cơ khí đã chứng kiến sự ra đời của các phương pháp gia công mới, vượt trội hơn so với các phương pháp truyền thống như tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa Các công nghệ này sử dụng dao động chính xác với chuyển vị ở mức micromet, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong quá trình gia công.

Phương pháp gia công cắt gọt hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) kết hợp dao động nhỏ vào các kỹ thuật gia công truyền thống nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả cắt gọt Nghiên cứu cho thấy việc tích hợp chuyển động tịnh tiến cho công cụ hoặc phôi giúp đạt được dung sai chặt chẽ hơn và cải thiện chất lượng bề mặt, đặc biệt đối với các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền đứt gãy thấp.

Gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động đã được ứng dụng trong tiện, phay, khoan và mài để gia công vật liệu cứng Trong gia công tiện với hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Turning - VATuring), việc chống rung dễ dàng thực hiện do dụng cụ đứng yên Ngược lại, trong gia công phay có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Milling - VAMilling), rung động ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Theo nghiên cứu của Zhang J và Sun B (2006), họ đã thiết kế và phân tích hệ thống 2-DOF cho giai đoạn định vị nano, sử dụng bàn định vị nano với bản lề uốn cong kép Nền tảng này sử dụng thiết bị truyền động áp điện để tạo ra rung động, giúp cải thiện khối lượng chuyển động của bàn rung Tuy nhiên, tần số rung theo hướng Y thường bị hạn chế, thường nhỏ hơn 1000 Hz.

Hình 1.1: Bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép [4]

Vào năm 2006, Chern GL và Chang YC đã nghiên cứu việc sử dụng rung hai chiều trong quá trình cắt bằng phay vi mô Họ đã phát triển một bàn rung hai chiều với cơ chế linh hoạt, sử dụng thiết bị truyền động áp điện Bàn rung này được thiết kế để kết hợp hai đường trượt, nhằm tạo ra rung hai chiều theo yêu cầu.

Hình 1.2: Bàn rung hai chiều điển hình [5]

Li G (2012) đã phát triển bàn rung không cộng hưởng và tiến hành nghiên cứu thí nghiệm công nghệ phay vi mô Bàn rung này hoạt động theo hai chiều, sử dụng cơ chế linh hoạt bốn thanh đơn Tuy nhiên, khi cơ chế này rung động theo một hướng, các khớp nối chéo sẽ chuyển vị theo hướng khác, dẫn đến giảm độ chính xác trong chuyển động.

Hình 1.3: Bàn rung không cộng hưởng [6]

Jin X và cộng sự (2015) [7] đã nghiên cứu thực nghiệm về tạo bề mặt ở phay vi mô có hỗ trợ rung Một cấu trúc tiểu thuyết của một giai đoạn rung hai chiều đã được đề xuất Các bộ truyền động áp điện đã được đặt bên cạnh phần bản lề, tạo ra sự rung động cho phôi gia công vào mặt A và B ở bản lề linh hoạt như hình 1.4 Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có một bản lề linh hoạt xung quanh nền tảng Kết quả là rung động được áp dụng theo hướng bình thường đến việc cải thiện chất lượng bề mặt Hỗ trợ rung giúp tăng cường sự chuyển tiếp dễ vỡ của vật liệu thủy tinh và do đó làm giảm thiệt hại trên bề mặt gia công Tần số rung cao làm chất lượng bề mặt được cải thiện bằng cách giảm tập trung trên bề

Hình 1.4 : Bàn định vị theo hai chiều [7]

E Uhlmann và các cộng sự (2015) [8] đã thiết kế một hệ thống rung hai trục cho ảnh hưởng mục tiêu của phay vi mô Để cải thiện tần số đáp ứng cao của bàn rung 2D, một người giữ phôi hoạt động để thực hiện phay hỗ trợ rung được phát triển như thể hiện trong hình 1.5 Bàn rung này cho phép rung động ngang rất linh hoạt của phôi theo hai hướng Nó bao gồm một giai đoạn động học song song hai DOF với bản lề uốn, trên đó một giá đỡ phôi được gắn Bản lề uốn được thiết lập chuyển động bởi hai bộ truyền động áp điện cao áp và hệ thống cho phép phay 2 dao động DOF lên đến 10 kHz với biên độ tối đa 7,5μm

Hình 1.5: Hệ thống rung 2 trục

Wanqun Chen và các cộng sự (2017) đã thiết kế và thử nghiệm bàn trượt XY tốc độ cao nhằm hỗ trợ rung, với cấu trúc bao gồm các cặp bản lề linh hoạt và cứng cho từng hướng truyền động Kết quả cho thấy việc gia công hỗ trợ rung (VAM) trong phay vi mô đã cải thiện cộng hưởng, giảm độ cứng của giai đoạn rung Tần số cộng hưởng đạt trên 2000 Hz và độ cứng thấp 50N/m nhờ vào quá trình tối ưu hóa tham số.

Hình 1.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị[9]

Wanqun Chen và các cộng sự (5/2018) đã nghiên cứu phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (VAM), cho thấy rằng việc áp dụng tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi có thể cải thiện hiệu quả loại bỏ vật liệu VAM đã được áp dụng thành công trong một số phương pháp gia công như mài, khoan, và gần đây là gia công phay với dao động hỗ trợ (VAMilling).

Vào tháng 9 năm 2018, Yan Gu và cộng sự đã thiết kế và phân tích một hệ thống đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung động dựa trên bàn đàn hồi chuyển động vi mô Mục tiêu của nhóm là tạo ra bề mặt chất lượng cao thông qua cơ chế loại bỏ vật liệu tiếp xúc tuyến tính Hệ thống này bao gồm một giai đoạn chuyển động vi mô được điều khiển bởi Piezo, đã được phát triển cho hệ thống đánh bóng chính xác Giai đoạn uốn đã được xác minh bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cho thấy khả năng định vị các chuyển động vi mô một cách hiệu quả.

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của Sy đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip (EARP)

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong kỹ thuật, khớp nối đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết các chi tiết Tuy nhiên, sự tồn tại của khe hở trong khớp nối có thể dẫn đến sai số truyền động, gây mài mòn, tăng độ rung và tiếng ồn, từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt của các chi tiết gia công.

Một giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm của khớp truyền thống là sử dụng cơ cấu đàn hồi Cơ cấu này không chỉ cho phép truyền và biến đổi chuyển động, lực và moment, mà còn có khả năng thực hiện nhiều chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi, thay thế cho các khớp nối thông thường.

Vào năm 2016, Shyh-Chour Huang và Thanh-Phong Dao đã thiết kế và tối ưu hóa bàn rung sử dụng cơ cấu đàn hồi hai bậc tự do thông qua phương pháp phản hồi bề mặt dựa trên FEA Bàn máy ở trung tâm có khả năng di chuyển theo hai phương vuông góc x và y, với chuyển vị được điều khiển bởi cơ cấu chấp hành PSA hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện, cho phép tạo ra chuyển vị chính xác trong phạm vi micromet Để đạt được chuyển vị lớn hơn, cơ cấu cánh tay đòn được sử dụng để khuếch đại chuyển động Các khớp đàn hồi bán nguyệt thiết kế liền khối giúp tạo ra chuyển động xoay chính xác, trong khi các thanh lò xo lá truyền động từ cơ cấu chấp hành tới bàn máy trung tâm với đặc tính độ cứng cao khi kéo và dễ uốn khi chịu bẻ, cho phép bàn máy thực hiện hai chuyển động độc lập Tuy nhiên, các thanh lò xo lá không chịu được lực nén.

Vào năm 2017, Nguyễn Văn Khiển cùng các cộng sự đã tối ưu hóa thiết kế cơ cấu đàn hồi trong quá trình gia công CNC chính xác, đặc biệt là trong cơ cấu ăn dao Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ khuếch đại tối đa từ cơ cấu ăn dao đạt hiệu quả rất cao, như minh họa trong hình 1.9.

Hình 1.9: Kết quả mô phỏng của cơ cấu ăn dao [12]

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa, nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia công mới, đặc biệt là gia công phay có hỗ trợ dao động, đang trở thành thách thức lớn cho khoa học kỹ thuật Việt Nam Phương pháp này không chỉ nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công mà còn cải thiện hiệu suất, giảm thiểu phôi dây và nhiệt sinh ra, từ đó kéo dài tuổi thọ của dao cắt Bên cạnh đó, việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi giúp giảm thời gian lắp ráp và loại bỏ ma sát, tiếng ồn trong quá trình hoạt động của các khớp nối Nghiên cứu này hướng đến việc nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong ngành cơ khí chế tạo.

Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công là một hướng đi mới và cần thiết, giúp nâng cao hiệu quả ứng dụng cho các thiết bị định vị chính xác trong ngành cơ khí tại Việt Nam trong tương lai.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cùng với những nghiên cứu trong và ngoài nước thì những ưu điểm đáng kể của phương pháp gia công mới này mang lại như:

- Chất lượng bề mặt gia công được cải thiện -Hiện tượng hình thành ba-via trên bề mặt sau gia công giảm

- Giảm nhiệt cắt trong gia công, qua đó làm giảm mòn dao và tuổi thọ dao tăng lên

- Giảm hiện tượng quá trình hình thành phoi dây.

Mục tiêu của đề tài

Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu và thiết kế mô hình gia công phay có sử dụng dao động hỗ trợ, kết hợp với vật liệu hợp kim nhôm 7075 - T6, với mục tiêu nâng cao chất lượng bề mặt gia công.

Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của nó, đặc biệt chú trọng vào các phương pháp gia công kết hợp và gia công cắt gọt với dao động hỗ trợ, trong đó phương pháp phay có dao động hỗ trợ được nhấn mạnh Bài viết cũng đề cập đến việc tính toán thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm như AutoCAD, Inventor, Matlab, Minitab và ANSYS Workbench để tối ưu hóa quy trình gia công.

Tối ưu hóa tần số dao động riêng của bàn máy với thiết bị tạo rung động chính xác PiezoElectric Actuator

Tìm hiểu gia công và chế tạo bàn máy VAM bằng phương pháp cắt dây Wedm

Phương pháp phay có dao động hỗ trợ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công từ vật liệu hợp kim nhôm 7075 - T6 Tuy nhiên, nghiên cứu gặp phải một số hạn chế về cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện, điều này có thể ảnh hưởng đến kết quả và tính khả thi của quá trình nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về cơ cấu đàn hồi, phương pháp phay có dao động hổ trợ

- Phương pháp thiết kế, mô phỏng trên các phần mềm AutoCAD, Inventor, Matlab, ANSYS

- Phương pháp phân tích, so sánh phương án thiết kế để chọn ra được thiết kế tối ưu nhất

- Phương pháp mô phỏng, tối ưu hóa dựa trên hàm mục tiêu đã đề ra, tối ưu hóa đáp ứng bề mặt trên phần mềm ANSYS Workbench 19.2

- Phương pháp chế tạo, thực nghiệm, kiểm tra, đánh giá.

Kế hoạch thực hiện

Thứ nhất, tìm hiểu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của nó là rất quan trọng Bài viết cũng sẽ đề cập đến các phương pháp gia công kết hợp, bao gồm các phương pháp gia công cắt gọt có dao động và phương pháp phay hỗ trợ bằng dao động Những kiến thức này giúp nâng cao hiệu quả gia công và ứng dụng trong ngành công nghiệp.

Tìm hiểu về phần mềm Inventor và Ansys Workbench là bước quan trọng trong thiết kế kỹ thuật Sử dụng Ansys Workbench để thiết kế và ứng dụng nó trong việc tạo ra bàn máy hỗ trợ rung động giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế.

Thứ tư, bố trí thiết bị thí nghiệm, thực nghiệm kiểm tra Thứ năm, viết báo cáo tổng kết

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi

2.1.1 Khái niệm cơ cấu đàn hồi

Cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) là thiết bị truyền chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của các khớp, thay thế cho khớp nối truyền thống Được chế tạo nguyên khối, cơ cấu này có kích thước nhỏ gọn và độ chính xác cao, giúp loại bỏ độ rơ, mài mòn và nhu cầu bôi trơn Hình 2.1 minh họa một công tắc sử dụng cơ cấu đàn hồi.

Hình 2.1: Công tắc dùng cơ cấu đàn hồi.[13]

Cấu trúc cơ cấu đàn hồi sử dụng các khớp đàn hồi để tạo ra chuyển động thông qua sự biến dạng đàn hồi của phần yếu Các khớp này được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm hình tròn, hình elip, parabol, hyperbol, hình chữ V và góc phi.

Hình 2.2: Các kiểu khớp đàn hồi thông dụng [14] Ưu điểm khi sử dụng cơ cấu đàn hồi là:

+ Chi phí gia công thấp: ít chi tiết, thời gian gia công giảm và dễ lắp ráp

+ Hiệu suất làm việc tăng: giảm tiếng ồn, mài mòn, độ rung động của các chi tiết, độ chính xác cao

+ Việc gia công dễ dàng, lắp ráp các chi tiết dễ, thay thế nhanh

Cơ cấu đàn hồi mang lại lợi ích vượt trội so với khớp nối truyền thống, giúp giảm thiểu mài mòn, loại bỏ rung động và tiếng ồn Chính vì vậy, việc sử dụng cơ cấu này là giải pháp hiệu quả để khắc phục những nhược điểm của khớp nối truyền thống.

2.1.2 Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi

Cơ cấu đàn hồi đã được sử dụng từ xa xưa trong đời sống hàng ngày, như trong việc chế tạo cung tên từ gỗ thông Nhiều thiết kế máy phóng cũng khai thác tính linh hoạt của cánh tay để tích trữ và giải phóng năng lượng, giúp phóng đạn xa hơn.

Cơ cấu đàn hồi hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, xây dựng, quang học và thiết bị y sinh Đặc biệt, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các cơ cấu tự thích ứng, thường được sử dụng trong robot để cầm nắm Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là một trong những ứng dụng chính của cơ cấu đàn hồi, nhờ vào việc giảm thiểu lắp ráp và thiết kế phẳng đơn giản, giúp dễ dàng sản xuất qua phương pháp gia công quang hóa.

Hình 2.3: Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) [15]

2.1.3 Ứng dụng cơ cấu đàn hồi cho hệ thống cơ khí chính xác

Ngày nay, cơ cấu đàn hồi được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cơ khí chính xác nhờ vào độ tin cậy và chính xác cao trong gia công Các máy công cụ truyền thống thường gặp khó khăn trong việc đạt được độ chính xác cao do sự rơ giữa trục vít me và đai ốc, cũng như độ hở giữa các khớp nối Việc sử dụng cơ cấu ăn dao với cơ cấu đàn hồi của dụng cụ cắt giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.

2.2 Tổng quan về phương pháp gia công có dao động hỗ trợ

2.2.1 Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp

Phương pháp gia công kết hợp (hybrid machining - HM) là một kỹ thuật gia công truyền thống, kết hợp các phương pháp cắt gọt khác nhau Mục tiêu của phương pháp này là phát triển một phương pháp gia công mới, đáp ứng nhu cầu gia công vật liệu mới và các thông số công nghệ hiện đại.

Phương pháp gia công điện hóa siêu âm (Electrochemical Ultrasonic - ECU) kết hợp giữa công nghệ siêu âm và điện hóa, nhằm nâng cao hiệu suất và cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Hình 2.6: Các phương pháp gia công điện hóa siêu âm[18]

2.2.2 Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động

Trên toàn cầu, việc áp dụng dao động tần số cao và biên độ rung trong gia công ở mức Micromet đã tạo ra những bước tiến rõ rệt Trong lĩnh vực gia công cơ khí, các phương pháp truyền thống thường không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật hiện đại.

Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) là sự kết hợp dao động với biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công truyền thống, tạo ra những phương pháp gia công tiên tiến Phương pháp này không chỉ nâng cao hiệu suất gia công mà còn cải thiện hiệu quả cắt gọt Khi áp dụng cho các vật liệu cứng, có độ giòn cao và độ bền thấp, chuyển động tịnh tiến tích hợp cho dụng cụ cắt hoặc phôi giúp đạt được chất lượng bề mặt hoàn thiện tốt hơn.

Hình 2.7: Hiệu quả chất lượng bề mặt (a) Không có rung động (b) có rung động [19]

Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động được áp dụng trong gia công vật liệu cứng thông qua các kỹ thuật như tiện, khoan, phay và mài Phương pháp này giúp giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác, đồng thời giảm mài mòn và tăng tuổi thọ của dao cắt.

Gia công tiện sử dụng dao động hỗ trợ trên máy công cụ, giúp tạo ra rung tuyến tính theo hướng cắt và chuyển động rung elip trong mặt phẳng cắt Điều này góp phần vào việc cải thiện hiệu quả gia công và đạt được độ chính xác cao trong chiều sâu cắt.

Hình 2.8: Gia công tiện có hỗ trợ dao động[20]

2.2.3 Phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động

Kết hợp dao động tần số cao và biên độ nhỏ trong gia công phay giúp giảm lực cắt trên dao, từ đó tăng tuổi thọ của dụng cụ cắt và nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.

Nghiên cứu về VAMilling cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả vượt trội so với phay truyền thống trong cùng điều kiện vận hành, chiều sâu cắt, kích thước chi tiết, dao và vật liệu phôi Những cải tiến đáng chú ý đã được liệt kê trong nghiên cứu này.

+ Giảm lực cắt trên dao

Kéo dài tuổi thọ của dao cắt trong gia công các vật liệu cứng và khó xử lý, đồng thời giảm thiểu hiện tượng nhấp nhô trên bề mặt gia công để nâng cao độ chính xác Hơn nữa, quy trình này còn giúp loại bỏ sự hình thành ba-via, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.

Tổng quan về các phương pháp gia công có dao động hỗ trợ

Hiện nay, hai phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động đang được áp dụng trên máy phay CNC Nguyên lý cộng hưởng hoạt động thông qua dao động tần số siêu âm tích hợp vào dụng cụ cắt, với thanh truyền truyền dao động từ các vòng piezoceramic đến dụng cụ Biên độ dao động có thể được khuếch đại tùy thuộc vào thiết kế thanh truyền, một nhiệm vụ phức tạp và quan trọng trong hệ thống Tần số tự nhiên của thanh truyền cần phải tương thích với tần số dao động của PZT; nếu không đồng bộ, có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho dụng cụ cắt hoặc toàn bộ hệ thống công nghệ.

Bài viết trình bày về các phương pháp gia công phay hỗ trợ dao động, bao gồm nguyên lý cộng hưởng và không cộng hưởng Đặc biệt, nó đề xuất thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do với khớp đàn hồi, giúp truyền dao động vào bàn máy để tạo ra sự rung động cho phôi trong quá trình gia công Mục tiêu của thiết kế này là tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và động của hệ thống.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Phương án thiết kế

Hiện nay, có hai phương pháp gia công phay hỗ trợ dao động được sử dụng trên máy phay CNC Nguyên lý cộng hưởng hoạt động nhờ dao động tần số siêu âm tích hợp vào dụng cụ cắt, với thanh truyền truyền dao động từ các vòng piezoceramic đến dụng cụ cắt Biên độ dao động có thể được khuếch đại tùy thuộc vào thiết kế thanh truyền, một nhiệm vụ phức tạp và quan trọng Tần số tự nhiên của thanh truyền cần phải tương thích với tần số dao động của PZT; nếu không đồng bộ, sẽ dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho dụng cụ cắt hoặc hệ thống công nghệ.

Bài viết này đề xuất thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do sử dụng khớp đàn hồi để tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và nghiệm trong gia công phay có hỗ trợ dao động Hình 3.1 minh họa hai phương pháp gia công phay: nguyên lý cộng hưởng và nguyên lý không cộng hưởng Việc truyền dao động vào bàn máy giúp phôi rung động, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

Mô hình hóa ý tưởng thiết kế

Ý tưởng thiết kế nhằm truyền động từ Piezo đến trung tâm bàn máy thông qua cơ cấu đàn hồi, sử dụng hai loại khớp đàn hồi kết hợp Mục tiêu là thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa các đặc tính tĩnh học và động học của bàn định vị 2-DOF.

Bàn định vị 2-DOF được thiết kế để truyền rung động vi mô theo hai phương X-Y, với bàn máy trung tâm (Moving Platform) liên kết khung cố định qua các cơ cấu đàn hồi như khớp bán nguyệt và khớp thanh thẳng Bàn máy nhận rung động từ hai cơ cấu tạo rung vuông góc, cho phép chuyển động linh hoạt theo hai phương X và Y Hai cơ cấu đòn bẩy được sử dụng để truyền và khuếch đại dao động từ hai nguồn tạo ra bởi các PZT.

Lựa chọn phương án

Phương án thiết kế bàn định vị được chọn sẽ truyền rung động vào bàn máy trung tâm trong quá trình gia công, từ đó nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Thiết kế này cũng cần đảm bảo chuyển vị tăng, ứng suất lớn nhất của cơ cấu nhỏ và tần số cộng hưởng đầu tiên.

Lựa chọn vật liệu

Vật liệu hợp kim nhôm AL7075-T6 nổi bật với độ bền cao và khả năng biến dạng hóa bền, mang lại nhiều ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt Thành phần chính của hợp kim này bao gồm kẽm và đồng, giúp nó có sức bền mỏi và độ gia công trung bình, nhưng vẫn nhẹ hơn so với thép AL7075 thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp hàng không, công nghệ ô tô, cơ khí và y tế Quá trình nhiệt luyện T6, khác với hợp kim nhôm đúc, bao gồm các yếu tố như nhiệt độ dung dịch, tốc độ dập tắt, nhiệt độ lão hóa, thời gian giữ và số lượng giai đoạn lão hóa Các thành phần hóa học và cơ lý tính của nhôm AL7075 được thể hiện chi tiết trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Thành phần hóa học và Cơ lý tính của Nhôm Al7075 Thành phần hóa học

Cơ lý tính Thông số kỹ thuật

Giới hạn bền kéo, psi 83 Độ bền nén, psi 73 Độ cứng, HB 150

Hệ số Modun đàn hồi, Gpa 71,7

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA

Mô phỏng

Trong quá trình mô phỏng ban đầu, mô hình thiết kế được xây dựng trong môi trường Ansys 18.2 Vật liệu nhôm AL7075-T6 được gắn vào mô hình với các thông số kỹ thuật và chiều dày phôi gia công là 15mm.

Mô phỏng tĩnh học và động học trong thiết kế mô hình giúp phân tích các vấn đề quan trọng như tần số dao động tự nhiên, độ bền của cơ cấu, ứng suất, và chuyển vị của bàn máy trung tâm, được trình bày chi tiết trong phụ lục 1.

Tối ưu hóa

Để tối ưu hóa hình dạng và kích thước thiết kế, quy trình thiết kế khớp đàn hồi cần được sử dụng hiệu quả, kết hợp với nguyên lý hiện tại Thuật toán di truyền (GA) tích hợp với ANSYS đã được chứng minh là phù hợp cho các bài toán phi tuyến với nhiều hàm mục tiêu Phân tích này bao gồm cả mô đun tĩnh học và động học, sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.

Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu[24]

Kết quả tối ưu

Theo bảng 4.3, ứng cử viên 2 được chọn là thiết kế tối ưu nhất vì hoàn toàn đáp ứng các hàm mục tiêu So với thiết kế trước, các đặc tính tĩnh học và động học của khớp đàn hồi đã được cải thiện đáng kể Cụ thể, theo bảng 4.4, chuyển vị của cơ cấu tăng 12,6%, ứng suất lớn nhất của khớp đàn hồi cải thiện 83,4% và tần số dao động đầu tiên giảm 0,88%.

Bảng 4.2: So sánh giữa các ứng cử viên

Bảng 4.3: So sánh thiết kế trước và thiết kế bàn định vị 2-DOF

Thiết kế trước Thiết kế bàn định vị 2-

Chuyển vị 0,007 mm 0,0088 12,6% Ứng suất 101,9MPa 16,88MPa 83,4%

Hình 4.6: Mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và biến thiết kế

Hình 4.7: Độ nhạy của các biến thiết kế

Các điểm thiết kế được sắp xếp trên một đường thẳng, tạo ra mối quan hệ tương quan tốt cho việc dự đoán mô hình thông qua phương pháp kết hợp RSM và FEA trong Ansys Sự biến thiên của các biến thiết kế luôn hiện hữu trong mọi hệ thống, do đó các thí nghiệm kiểm chứng sẽ được thực hiện để đánh giá chính xác dự đoán của phương pháp đề xuất.

Bảng 4.4: Các biến thiết kế tối ưu của bàn định vị 2 - DOF Biến thiết kế Giá trị (mm) Biến thiết kế Giá trị (mm)

Kết quả mô phỏng

Hình 4.8: Mô phỏng ứng suất lớn nhất và chuyển vị theo phương x của bàn định vị 2-

Khi đặt ràng buộc ở các vị trí cố định của bàn định vị và kích hoạt chuyển vị đầu vào là 0,005mm theo phương x, chuyển vị đầu ra thu được là 0,0104mm với độ khuếch đại của cơ cấu đạt 1,76 Ứng suất lớn nhất của cơ cấu nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép của vật liệu, cho thấy tính ổn định và an toàn trong thiết kế Hình 4.8 minh họa hai hàm mục tiêu đạt yêu cầu thiết kế, trong khi Hình 4.9 mô phỏng 6 mức tần số khác nhau.

Mô phỏng động học được thực hiện nhằm xác định tần số cộng hưởng của bàn định vị 2-DOF, với sáu mức tần số đầu tiên được trình bày trong Hình 4.9 Hai tần số đầu tiên liên quan đến chuyển động tịnh tiến của bàn theo hai hướng x và y, cho kết quả tương đương Tần số thứ ba thể hiện chuyển động quay của bàn trung tâm Trong quá trình hoạt động, tần số gia công thường phải thấp hơn tần số dao động tự nhiên để ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng, bảo đảm an toàn cho cấu trúc.

Tần số dao động riêng của bàn định vị được xác định là f = 437 Hz thông qua mô đun Modal Analysis Để ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng, mô đun Harmonic Analysis đã được khảo sát trong khoảng tần số từ 100 đến 1000 Hz, và tần số dao động đầu tiên của thiết kế tối ưu cũng là 437 Hz Điều này giúp tránh sự phá hủy của cơ cấu và đảm bảo bàn định vị hoạt động ổn định trong quá trình gia công.

CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG

Chế tạo

Gia công bàn định vị 2-DOF được thực hiện theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc cụ thể Bàn định vị được thiết kế với các lỗ bậc để kết nối với tấm đế đỡ bàn máy, có bề rộng khớp bán nguyệt chỉ 1,0 mm Hai phương pháp gia công chính được áp dụng là gia công phay CNC và gia công cắt dây tia lửa điện (Wire EDM).

Gia công lỗ bậc và biên dạng ngoài của bàn định vị sử dụng phương pháp phay CNC nhằm tránh ảnh hưởng đến các khớp đàn hồi Sau khi thực hiện phay, phương pháp cắt dây tia lửa điện sẽ được áp dụng để gia công chính xác các kích thước khớp đàn hồi với độ chính xác cao Điều này đảm bảo sự chính xác trong quá trình thực nghiệm so với các phân tích và tính toán trước đó.

Phôi nhôm A7075-T6 được gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện (Wire EDM) và phay CNC biên dạng-lỗ bậc, giúp đảm bảo độ chính xác về kích thước và sai số hình học của chi tiết Quá trình này đảm bảo rằng mô hình hoạt động chính xác và sai lệch nằm trong phạm vi cho phép của lý thuyết mô phỏng.

Hình 5.1 là mô hình thiết kế 3D của bàn định vị bằng vật liệu nhôm 7075-T6

Mô hình thiết kế 3D của bàn định vị được thể hiện trong Hình 5.1 Hình 5.2 minh họa bàn định vị thực tế được chế tạo từ vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6, gia công bằng máy cắt dây Các biến thiết kế đã được tối ưu hóa thông qua phương pháp đáp ứng bề mặt trên phần mềm Ansys 18.2.

Thực nghiệm

Các thiết bị được sử dụng để đo chuyển vị bàn máy trung tâm gồm:

+ Thiết bị tạo rung động chính xác Piezo Stack Actuator model P-225.10

Thiết bị cảm biến đo chuyển vị không tiếp xúc model LK-030 và Piezo Stack Actuator model P-225.10 là những công nghệ tiên tiến với khả năng tạo rung động chính xác đến đơn vị micromet Chúng được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo chuyển động với tải trọng lớn, trong môi trường nghiên cứu vật lý và động học, cũng như trong việc giảm chấn và tạo lực trong các hệ thống rung động.

Mô hình P-225.10 được sử dụng trong thí nghiệm với các đặc điểm nổi bật như khả năng tải cao, tạo ra chuyển vị rung động lên đến 15 mm, điện áp tối đa lên đến 1000V và tải trọng tối đa 12500N Thiết bị này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao và chân không, đồng thời sử dụng cảm biến SGS (Strain Gauge Sensors) để đo lường chính xác.

Hình 5.3: Hình ảnh thực PZT

Hình 5.4: Bộ điều khiển PZT

5.2.2 Thiết bị đo chuyển vị không tiếp xúc KEYENCE Model LK-G030

5.2.3 Mô hình bố trí thí nghiệm bàn máy

Theo đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao và nhóm Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, các nghiên cứu tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ, cũng như tối ưu hóa thông số công nghệ trong quá trình gia công phay Mô hình thực tế được áp dụng trên bàn máy Vam và gá đặt để thực hiện các thí nghiệm liên quan.

Để lắp ghép PZT vào bàn định vị 2-DOF, cần sử dụng chốt định vị đầu cong để tiếp xúc với bề mặt cong của bàn định vị Chốt này được lắp vào một đầu của PZT và phải đảm bảo tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cong để truyền rung động, từ đó khuếch đại chuyển động vào bàn trung tâm Phần đầu còn lại của PZT sẽ được liên kết với khung cố định của bàn định vị thông qua liên kết bu lông.

Hình 5.7: Lắp chốt định vị đầu cong tiếp xúc bề mặt cong của bàn định vị

Hình 5.8: Bố trí thí nghiệm thiết bị[26]

Dựa trên các bước tiến hành và phương pháp đo kiểm của nhóm sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao trong dự án "Thiết kế, chế tạo mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ", thực nghiệm đo tĩnh đã được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa tần số và điện áp Mục tiêu là tránh hiện tượng tần số cộng hưởng có thể gây hư hại cho cơ cấu Bên cạnh đó, việc xác định biên độ rung động nhỏ cũng được thực hiện để đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.

Bảng 5.1: Giá trị thực nghiệm chuyển vị bàn máy trung tâm theo điện áp và tần số[25]

Thực nghiệm đo động và gia công phay trên máy CNC sẽ được tiến hành ở biên độ rung động từ 2-4 mm với 3 tần số khác nhau, và sẽ được so sánh với một rãnh không hỗ trợ rung động, thông qua 27 rãnh cắt có dao động Kết quả đo độ nhám trên phôi của nhóm sinh viên Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, và Nguyễn Thị Mỹ Duyên cho thấy sự tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động.

Hình 5.9: Gia công chi tiết trên máy phay CNC[26]

Bảng 5.2: Chế độ cắt khi gia công[26]

Hình 5.10: Sản phẩm sau khi gia công[26]

Bảng 5.3: Giá trị độ nhám nhận được[26]

Trong thí nghiệm có hỗ trợ rung động, chúng tôi đạt được giá trị độ nhám bề mặt cao nhất là 0,3 àm So với thí nghiệm tương tự không có rung động, độ nhám bề mặt đã được cải thiện đến 52%.

Hình 5.12: Độ nhám bề mặt của phương pháp phay có hỗ trợ rung và không có hỗ trợ rung[26]

Hướng ứng dụng

Tiếp tục nghiên cứu và phát triển hình dáng và kích thước của bàn máy để có thể gia công các vật liệu mới

Tiếp tục hoàn thiện các thống số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt tối hơn

Mở rộng nghiên cứu hoàn thiện kiểm tra phân tích đo ba via trên chi tiết và lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt

Nghiên cứu ảnh hưởng sâu hơn khi sử dụng hai nguồn tạo rung theo hai phương.