TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
Với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học - kỹ thuật, đặc biệt trong ngành cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa đang dần được thay thế bởi một phương pháp gia công mới Phương pháp này sử dụng dao động với chuyển vị ở mức micromet, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) kết hợp dao động biên độ nhỏ vào gia công truyền thống, giúp nâng cao hiệu suất và hiệu quả cắt gọt Nghiên cứu cho thấy, khi tích hợp chuyển động tịnh tiến cho công cụ hoặc phôi, có thể đạt được dung sai chặt chẽ và chất lượng bề mặt hoàn thiện cao hơn, đặc biệt với các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền đứt gãy thấp.
Gia công cắt gọt với hỗ trợ dao động đã được ứng dụng hiệu quả trong các phương pháp tiện, phay, khoan và mài để gia công vật liệu cứng Cụ thể, trong gia công tiện có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Turning - VATuring), việc chống rung dễ dàng thực hiện do dụng cụ giữ cố định Trong khi đó, gia công phay có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Milling - VAMilling) lại có tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.
1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Theo tìm hiểu các nghiên cứu thì Zhang J và Sun B (2006) [4] đã thiết kế và phân tích 2-DOF giai đoạn định vị nano, bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép, đã phát triển một nền tảng nơi thiết bị truyền động áp điện được sử dụng để tạo ra rung động thiện khối lượng chuyển động của bàn rung Do đó, tần số rung theo hướng Y 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 áp dụng công nghệ rung hai chiều trong quá trình cắt bằng phay vi mô Hệ thống bàn rung hai chiều được thiết kế với cơ chế linh hoạt, sử dụng thiết bị truyền động áp điện Các bộ truyền động này kết hợp với hai đường trượt để tạo ra rung hai chiều theo yêu cầu.
Hình 1.2: Bàn rung hai chiều điển hình [5]
Li G (2012) đã phát triển một bàn rung không cộng hưởng và nghiên cứu công nghệ phay vi mô Bàn rung này 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 để hỗ trợ rung, với một cặp bản lề bên trong và một cặp bản lề đối diện linh hoạt cho mỗi hướng của bộ truyền động, trong khi các cặp khác là cứng Kết quả nghiên cứu cho thấy việc gia công hỗ trợ rung (VAM) trong phay vi mô giúp cải thiện cộng hưởng và giảm độ cứng của giai đoạn rung Tần số cộng hưởng đạt trên 2000 Hz và độ cứng thấp 50N/m được tối ưu hóa qua các tham số thiết kế.
Hình 1.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị[9]
Nghiên cứu của Wanqun Chen và cộng sự (5/2018) cho thấy phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (VAM) giúp cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu thông qua việc áp dụng tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi VAM đã được áp dụng thành công trong các phương pháp gia công như mài, khoan và gần đây là gia công phay có 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 Nhóm tác giả hướng tới việc 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 dựa trên uốn cong được điều khiển bởi Piezo, đã được phát triển cho hệ thống đánh bóng chính xác kiểu cuộn hỗ trợ rung Giai đoạn uốn này được xác minh bằng phương pháp phần tử hữu hạn, với kết quả cho thấy giai đoạn chuyển động vi mô thực hiện tốt trong việc định vị các chuyển động vi mô.
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 lĩnh vực kỹ thuật, các khớp nối thường được sử dụng liên kết các chi tiết lại với nhau Các khớp nối luôn tồn tại khe hở làm cho sai số truyền động, mài mòn, độ rung, tiếng ồn làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công
Một giải pháp hiệu quả để cải thiện khuyết 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 khác nhau thông qua sự biến dạng của các khớp đàn hồi, thay vì chỉ dựa vào các khớp nối thông thường.
Năm 2016, Shyh-Chour Huang và Thanh-Phong Dao đã thiết kế và tối ưu hóa bàn rung với cơ cấu đàn hồi 2 bậc tự do bằng phương pháp phản hồi bề mặt dựa trên FEA Bàn máy ở trung tâm có khả năng tịnh tiến theo hai phương vuông góc x và y, với chuyển vị được dẫn động bởi cơ cấu chấp hành PSA hoạt động theo nguyên lý áp điện, cho phép tạo ra chuyển vị chính xác trong phạm vi micromet Để tạo ra chuyển vị lớn, cần khuếch đại bằng cơ cấu cánh tay đòn Các khớp đàn hồi bán nguyệt được thiết kế liền khối giúp tạo ra chuyển động xoay chính xác Hệ thống cũng sử dụng các thanh lò xo lá để truyền chuyển động từ cơ cấu chấp hành tới bàn máy, với đặc tính độ cứng cao khi chịu kéo và dễ dàng khi chịu uốn, cho phép bàn máy thực hiện hai chuyển động độc lập Tuy nhiên, các thanh lò xo lá này không chịu được lực nén.
Năm 2017, Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự đã tối ưu hóa thiết kế cơ cấu đàn hồi cho 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 đạt được từ cơ cấu ăn dao rất khả quan.
Hình 1.9: Kết quả mô phỏng của cơ cấu ăn dao [12]
Tính cấp thiết của đề tài
Phương pháp phay có dao động hỗ trợ không chỉ cải thiện hiệu suất gia công mà còn giảm thiểu việc tạo ra phôi dây và nhiệt trong quá trình cắt gọt, từ đó kéo dài tuổi thọ của dao Ứng dụng cơ cấu đàn hồi giúp giảm thời gian lắp ráp các khớp nối, đồng thời loại bỏ ma sát và tiếng ồn khi hoạt động Nghiên cứu này nhằm nâng cao chất lượng chi tiết thông qua gia công phay với dao động, phù hợp với tình hình công nghệ trong nước, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và tính ứng dụng trong thực tiễn.
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, nhằm ứng dụng rộng rãi 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
- 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
Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình gia công phay với dao động hỗ trợ, sử dụng vật liệu hợp kim nhôm 7075 - T6, nhằm cải thiện chất lượng bề mặt gia công.
Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về cơ cấu đàn hồi và ứng dụng của nó là rất quan trọng Các phương pháp gia công kết hợp, đặc biệt là gia công cắt gọt với dao động hỗ trợ, trong đó phay có dao động hỗ trợ được chú trọng Việc tính toán thiết kế và mô phỏng được thực hiện bằng các phần mềm như AutoCAD, Inventor, Matlab, Minitab và ANSYS Workbench, giúp 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
1.5.2 Đối tượng nghiên cứu Phương pháp phay có dao động hỗ trợ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công
1.5.3 Phạm vi nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công” bằng vật liệu hợp kim Nhôm (7075 - T6) sự giới hạn về cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện.
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
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 Bên cạnh đó, các phương pháp gia công kết hợp, bao gồm cả gia công cắt gọt với dao động và phương pháp phay hỗ trợ dao động, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất.
Tìm hiểu về phần mềm Inventor và Ansys Workbench là bước quan trọng trong thiết kế kỹ thuật Sử dụng Ansys Workbench giúp tối ưu hóa thiết kế, đặc biệt trong việc thiết kế bàn máy hỗ trợ rung động Ứng dụng Ansys Workbench không chỉ nâng cao hiệu quả thiết kế mà còn cải thiện độ chính xác và tính khả thi của sản phẩm.
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
Cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) là một giải pháp truyền chuyển động hiệu quả thông qua việc sử dụng biến dạng đàn hồi của các khớp, thay thế cho các khớp nối truyền thống Với thiết kế nguyên khối, nhỏ gọn và độ chính xác cao, cơ cấu này giúp giảm thiểu độ rơ của các khối nối, đồng thời hạn chế mài mòn và nhu cầu bôi trơn Một ví dụ điển hình là công tắc sử dụng cơ cấu đàn hồi.
Hình 2.1: Công tắc dùng cơ cấu đàn hồi.[13]
Cơ cấu đàn hồi sử dụng các khớp đàn hồi với biến dạng đàn hồi của phần yếu để tạo ra chuyển động Các khớp này được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau như hình tròn, 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, rung động và tiếng ồn Vì vậy, việc áp dụng cơ cấu đàn hồi 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 cuộc sống hàng ngày, như cung tên làm 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 đi xa hơn.
Cơ cấu đàn hồi hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, xây dựng, quang học và thiết bị y sinh Đặc biệt, chúng được sử dụng để phát triển các cơ cấu tự thích ứng, thường thấy trong việc cầm nắm của robot Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là một trong những ứng dụng quan trọng 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, việc sử dụng cơ cấu đàn hồi vào trong hệ thống cơ khí chính xác rất được tin cậy và độ chính xác cao trong gia công cơ khí Trên các máy công cụ khi gia công bằng phương pháp truyền thống rất khó đáp ứng được độ chính xác cao Khi gia công do độ rơ giữa trục vít me – đai ốc hoặc độ hở giữa các khớp nối Cơ cấu ăn dao được ứng dụng cơ cấu đàn hồi của dụng cụ cắt nhằm nâng cao độ chính xác 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 cách tiếp cận gia công mới, đáp ứng hiệu quả cho việc xử lý các vật liệu mới và tối ưu hóa các thông số công nghệ.
Phương pháp gia công điện hóa siêu âm (Electrochemical Ultrasonic - ECU) kết hợp giữa công nghệ siêu âm và điện hóa, nhằm cải thiện hiệu suất và 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 thế giới, việc kết hợp dao động với tần số cao và biên độ rung động vào trong gia công ở mức Micromet đã có những thay đổi rõ rệt Trong gia công cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống khó có thể đạt được
Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) kết hợp dao động nhỏ vào các phương pháp gia công truyền thống, tạo ra công nghệ gia công tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả cắt gọt Chuyển động tịnh tiến tích hợp cho dụng cụ cắt hoặc phôi giúp cải thiện chất lượng bề mặt hoàn thiện, đặc biệt khi gia công các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền thấp.
Phương pháp gia công cắt gọt hỗ trợ dao động trong gia công vật liệu cứng như tiện, khoan, phay và mài đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong việc giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác Bên cạnh đó, phương pháp này còn giúp 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 Đồng thời, chuyển động rung elip trong mặt phẳng cắt và chiều sâu của hướng cắt cũng được cải thiện, mang lại hiệu quả cao trong quá trình gia công.
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 có tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào gia công phay có thể gắn lên trên dụng cụ cắt hoặc phôi chuyển động đã đạt cải thiện về lực cắt trên dao giảm, tăng tuổi thọ của dao, độ chính xác cao
Nghiên cứu về VAMilling cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả vượt trội so với phay truyền thống trong các điều kiện vận hành tương tự, bao gồm chiều sâu cắt, kích thước chi tiết, dao và vật liệu phôi Những cải tiến đáng kể đã được ghi nhận và sẽ được liệt kê chi tiết trong bài viết.
+ Giảm lực cắt trên dao
Kéo dài tuổi thọ dao khi gia công các vật liệu cứng và khó gia công, đồng thời giảm nhấp nhô bề mặt gia công và cải thiện độ chính xác Bên cạnh đó, quy trình này cũng 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
3.1 Phương án thiết kế Hiện nay, hai phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động được sử dụng trên máy phay CNC như ở Hình 3.1 Trong Hình 3.1(a) nguyên lý cộng hưởng hoạt động nhờ dao động tần số siêu âm được tích hợp vào dụng cụ cắt Thanh truyền sẽ truyền dao động từ các vòng piezoceramic đến dụng cụ cắt và biên độ dao động này có thể được khuếch đại tùy thuộc vào thiết kế thanh truyền Thiết kế thanh truyền này là một nhiệm vụ khá phức tạp cực kỳ quan trọng trong hệ thống này và tần số tự nhiên của thanh truyền phải tương thích với tần số dao động của PZT Nếu không đồng bộ được các tần số này sẽ dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng cho dụng cụ cắt hoặc hệ thống công nghệ a) b)
Bài viết đề xuất thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do với khớp đàn hồi để tối ưu hóa các đặc tính tĩnh trong gia công phay có hỗ trợ dao động Hình 3.1 minh họa các phương pháp gia công phay, bao gồm nguyên lý cộng hưởng và không cộng hưởng Việc truyền dao động vào bàn máy giúp phôi rung động, từ đó nâng cao hiệu quả gia công.
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Phương án thiết kế
Các vòng piezoceramic và dụng cụ cắt có thể được tối ưu hóa thông qua việc khuếch đại biên độ dao động, phụ thuộc vào thiết kế thanh truyền Thiết kế thanh truyền là một nhiệm vụ phức tạp nhưng rất quan trọng trong hệ thống, yêu cầu tần số tự nhiên của thanh truyền phải tương thích với tần số dao động của PZT Nếu không đồng bộ hóa được các tần số này, hệ thống công nghệ hoặc dụng cụ cắt có thể gặp phải hư hỏng nghiêm trọng.
Bài viết này đề xuất thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do với khớp đàn hồi, nhằm tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và động trong gia công phay có hỗ trợ dao động Phương pháp này cho phép truyền dao động vào bàn máy, làm cho phôi rung động, từ đó cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công Hình 3.1 minh họa các phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động, bao gồm nguyên lý cộng hưởng và không cộng hưởng, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hệ thống.
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 truyền rung động micro theo 2 phương X-Y, với thiết kế bao gồm bàn máy trung tâm (Moving Platform) liên kết với khung cố định bằng các cơ cấu đàn hồi như khớp bán nguyệt và khớp thanh thẳng Bàn máy nhận rung động từ 2 cơ cấu tạo rung vuông góc nhau, cho phép rung động theo 2 phương X và Y Hai cơ cấu đòn bẩy được sử dụng để truyền và khuếch đại dao động từ 2 nguồn do 2 PZT tạo ra.
Lựa chọn vật liệu
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình kim nhôm đúc bao gồm nhiệt độ của dung dịch, tốc độ dập tắt do môi trường làm nguội quyết định, nhiệt độ lão hóa, thời gian giữ và số lượng giai đoạn lão hóa (có thể là một hoặc nhiều giai đoạn).
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
số của vật liệu và chiều dày của phôi gia công là 15mm
Mô phỏng tĩnh học và động học của mô hình thiết kế giúp xác định 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 với nguyên lý hiện tại Thuật toán di truyền (GA) kết hợp với ANSYS đã được áp dụng và chứng minh tính khả thi trong việc giải quyết các bài toán phi tuyến bị ràng buộc với nhiều hàm mục tiêu Phân tích này bao gồm cả hai mô đun tĩnh học và động học thông qua 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
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 điều kiện thuận lợi cho việc dự đoán mô hình thông qua phương pháp kết hợp giữa RSM và FEA trong Ansys, như thể hiện trong hình 4.6 Hơn nữa, sự biến thiên của các biến thiết kế luôn hiện diện trong mọi hệ thống, như minh họa trong hình 4.7 Do đó, các thí nghiệm kiểm chứng sẽ được thực hiện để đánh giá chính xác các dự đoán của phương pháp đã 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 0,005mm theo phương x, chuyển vị đầu ra theo phương x đạt 0,0104 với độ khuếch đại 1,76 Ứng suất lớn nhất của cơ cấu thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép của vật liệu Hình 4.8 cho thấy hai hàm mục tiêu đạt yêu cầu thiết kế, và Hình 4.9 mô phỏng 6 mức tần số.
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 thể hiện trong Hình 4.9 Hai mức tần số đầu tiên phản ánh chuyển động tịnh tiến của bàn định vị theo hai hướng x và y, cho kết quả gần như tương đương Mức tần số thứ ba liên quan đến chuyển động quay của bàn trung tâm Trong quá trình vận hành, tần số gia công thường được duy trì thấp hơn tần số dao động tự nhiên để ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng có thể gây hại cho kết cấu.
Tần số dao động riêng của bàn định vị được xác định là 437 Hz thông qua mô đun Modal Analysis Để ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng, mô đun Harmonic Analysis được khảo sát trong khoảng từ 100 đến 1000 Hz Tần số dao động đầu tiên của thiết kế tối ưu cũng là 437 Hz, giúp tránh được 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 các lỗ bậc và biên dạng ngoài của bàn định vị được thực hiện bằng phương pháp phay CNC để bảo vệ các khớp đàn hồi Sau khi phay, phương pháp cắt dây tia lửa điện sẽ được áp dụng để gia công chính xác kích thước khớp đàn hồi với độ chính xác cao Điều này nhằm đảm bảo sự chính xác trong quá trình thực nghiệm so với phân tích và tính toán trước đó.
5.1.2 Chế tạo Phôi nhôm A7075-T6 được sử dụng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (Wire EDM) và gia công phay CNC biên dạng-lỗ bậc, với các khớp mềm đảm bộ độ chính xác về kích thước cũng như sai số hình học chi tiết Từ đó đảm bảo mô hình hoạt động chính xác và sai lệch 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
Hình 5.1 trình bày mô hình thiết kế 3D của bàn định vị, trong khi Hình 5.2 hiển thị bàn định vị thực tế được chế tạo từ vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6 Bàn định vị này đã được gia công trên máy cắt dây, với các biến thiết kế được tối ưu hóa thông qua phương pháp đáp ứng bề mặt trên phần mềm Ansys 18.2.
Thực nghiệm
+ 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 thiết bị tiên tiến với khả năng tạo rung động chính xác đến từng micromet Chúng được ứng dụng rộng rãi trong việc tạo chuyển động với tải trọng lớn, trong các lĩnh vực cơ học-động học, giảm chấn rung động và tạo lực.
Model P-225.10 được ứng dụng trong quá trình thực nghiệm với các đặc điểm nổi bật như khả năng tải cao, tạo chuyển vị rung động lên đến 15 àm và điện áp lên đến 1000V, cùng tải trọng tối đa là 12500N, giúp nó có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao hoặc chân không Đặc biệt, model này còn được tích hợp cảm biến SGS (Strain Gauge Sensors) để đo lường và phân tích chính xác các thông số kỹ thuật.
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 nghiên cứu Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, hai dự án đã được thực hiện: "Thiết kế, chế tạo mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ" và "Tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động" Mô hình thực tế được áp dụng trong gia công bàn máy Vam và bố trí thí nghiệm trên bàn máy.
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 Chốt này được gắn vào một đầu của PZT, đảm bảo tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cong để truyền rung động, 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 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]
5.2.4 Tiến hành thí nghiệm Căn cứ vào các bước tiến hành và phương pháp đo kiểm của nhóm sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao, "Thiết kế, chế tạo mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ" thực hiện trước đó Thực nghiệm đo tĩnh để xem mối quan hệ tương quan giữa tần số và điện áp nhằm tránh được tân số cộng hưởng gây ra làm phá hủy cơ cấu Thứ hai, xỏc định biờn độ rung động nhỏ (àm) sẽ khụng làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công
Bảng 5.1: Giá trị thực nghiệm chuyển vị bàn máy trung tâm theo điện áp và tần số[25]
Thí nghiệm đo động trong gia công phay trên máy CNC sẽ được thực hiện ở biên độ rung động 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 được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, và Nguyễn Thị Mỹ Duyên trong nghiên cứu “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 cao nhất là 0,3 àm So với thí nghiệm tương đương không có rung động, độ nhám bề mặt đã được cải thiện tới 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.