Team members Trang 8 TÓM TẮT ĐỒ ÁN PHÁT TRIỂN CƠ CẤU ĂN DAO CHO GIA CÔNG TIỆN MICRO ỨNG DỤNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI Thông qua đề tài này nhóm muốn kiểm nghiệm một cơ cấu có thể cải thiện quá t
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm, đặc biệt là độ chính xác về kích thước và chất lượng bề mặt, các phương pháp gia công truyền thống đã không còn đủ khả năng đáp ứng Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ đòi hỏi phải nghiên cứu và phát triển các công nghệ gia công mới để nâng cao chất lượng sản phẩm sau khi gia công Việc áp dụng các công nghệ mới này sẽ giúp đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao và nâng cao chất lượng sản phẩm sau gia công.
Việc gia công các chi tiết có yêu cầu kỹ thuật cao đòi hỏi xây dựng quy trình và phương án gia công phức tạp, tuy nhiên vẫn tồn tại những hạn chế ảnh hưởng đến kết quả chung của quy trình Các hạn chế này có thể làm giảm độ chính xác của máy tiện, bao gồm sai số lắp ghép khi dùng khớp nối truyền thống và hình thành khe hở do ma sát trong vít me, ổ bi, ổ lăn Để đạt được các yêu cầu kỹ thuật, quy trình gia công thường bao gồm nhiều bước như gia công thô, gia công bán tinh và gia công tinh trên máy tiện, và nếu cần độ bóng bề mặt cao hơn cấp 9, nguyên công mài sẽ được thêm vào Tuy nhiên, máy tiện thông thường không có khả năng gia công đáp ứng các chi tiết có yêu cầu dung sai kích thước cao và độ nhám bề mặt lên đến cấp 8-10, do đó thường phải bổ sung nguyên công mài vào quy trình công nghệ.
Thực hiện toàn bộ quy trình gia công trên cùng một máy giúp giảm thiểu thời gian thiết lập và gia công trên mỗi chu kỳ, đồng thời hạn chế sai số lắp đặt do không cần thay đổi dụng cụ cắt Tuy nhiên, đầu tư thiết bị có độ chính xác cao là một rào cản lớn đối với doanh nghiệp hoặc cá nhân đã có máy tiện thông thường, do chi phí ban đầu cao không chỉ cho máy móc mà còn cho môi trường nhà xưởng cần thiết để vận hành hiệu quả.
Việc tích hợp cơ cấu chấp hành PZT (Piezo actuator) và thiết kế có CCĐH trên máy CNC là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề kinh tế, giúp tiết kiệm ngân sách đầu tư đồng thời tận dụng được các máy tiện cũ Đồng thời, giải pháp này cũng cải thiện được yêu cầu kỹ thuật khắc khe về độ chính xác, mang lại lợi ích kép cho doanh nghiệp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Dựa trên sự kế thừa và phát triển của một công cụ cắt chính xác được các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực gia công chính xác nghiên cứu và phát triển, chúng ta có thể tạo nền tảng cho những cải tiến tiếp theo, mở ra cơ hội cho các ứng dụng công nghệ mới trong tương lai.
Nghiên cứu này tập trung cải thiện một số điểm hạn chế trong thiết kế cũ, bao gồm tăng độ cứng và giảm thiểu các chuyển vị không mong muốn, đồng thời thay thế một số điểm để tối ưu hóa cách gá đặt, giúp quá trình trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Nhiều nhà xưởng và doanh nghiệp vừa và nhỏ đang đối mặt với những thách thức lớn trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm, đặc biệt là về mặt kinh tế Việc đầu tư vào một hệ thống hiện đại và phức tạp đòi hỏi nguồn lực tài chính lớn và nhân sự có chuyên môn cao Vì vậy, tìm ra giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này là vô cùng cần thiết và cấp bách.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là cải thiện độ chính xác và nâng cao độ nhám bề mặt thành phẩm của cơ cấu ăn dao trên máy tiện bằng cách ứng dụng công nghệ CNC (CCĐH) vào thiết kế cơ cấu ăn dao mới Việc cải tiến này sẽ rút ngắn thời gian gia công tinh, đồng thời đảm bảo độ chính xác lên đến 1/1000 mm Để đạt được mục tiêu này, đề tài tập trung vào các vấn đề quan tâm chính, bao gồm thiết kế và ứng dụng công nghệ CNC trong cơ cấu ăn dao.
(1) Thiết kế và phân tích chuyển vị, tần số tự nhiên, độ cứng của cơ cấu ăn dao
(2) Sử dụng modul tối ưu hóa trên phần mềm Ansys để tìm ra các thông số thiết kế tối ưu và phù hợp khả năng gia công
(3) Gia công và kiểm nghiệm thiết kế trong phòng lab và trên máy CNC
(4) Điều khiển cơ cấu ăn dao
Sự khác biệt về kết quả thành phẩm sau khi sử dụng cơ cấu ăn dao có ứng dụng cơ cấu đàn hồi và cơ cấu ăn dao không ứng dụng cơ cấu đàn hồi trên máy tiện CNC để gia công thép C45 được đánh giá dựa trên độ nhám bề mặt Kết quả cho thấy, việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong cơ cấu ăn dao giúp cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt của sản phẩm, mang lại bề mặt gia công mịn hơn và chính xác hơn Ngược lại, cơ cấu ăn dao không ứng dụng cơ cấu đàn hồi cho kết quả độ nhám bề mặt thấp hơn, ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm gia công.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cơ cấu ăn dao được thiết kế với ứng dụng cơ cấu đàn hồi tiên tiến, được dẫn động bởi cơ cấu chấp hành PZT (P-225.10 PICA Power Piezo Actuators - Physik Instrumente, Đức) và kết hợp với cơ cấu ăn dao truyền thống, được tích hợp trên máy tiện CNC MASCUT AC-1840, mang lại khả năng gia công chính xác và hiệu quả cao.
Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích độ chính xác của cơ cấu ăn dao, loại bỏ các ảnh hưởng không mong muốn đến độ chính xác trong quá trình gia công Vật liệu hợp kim nhôm Al-7075-T6 được lựa chọn để chế tạo cơ cấu ăn dao có ứng dụng trong công nghệ CNC, đặc biệt là trên bàn dao của máy tiện CNC MASCUT AC-1840.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp hình học: xây dựng được mô hình hình học khi tác dụng lực để tính toán được tỉ lệ chuyển vị của cơ câí
Phương pháp mô phỏng số đóng vai trò quan trọng trong thiết kế tối ưu, nơi các thông số cần thiết được mô phỏng chi tiết bằng phần mềm ANSYS Quá trình này cung cấp cơ sở vững chắc để đánh giá và cải thiện thiết kế trước khi tiến hành gia công Bằng cách áp dụng phương pháp mô phỏng số, các kỹ sư có thể tối ưu hóa các thông số thiết kế một cách chính xác và hiệu quả, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng cao.
Phương pháp Taguchi để rút ngắn số lần kiểm nghiệm thực tế trên máy tiện CNC.
Kết cấu của ĐATN
Đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao
Chương 4: Chế tạo thử nghiệm/thực nghiệm và điều khiển cơ cấu ăn dao
Chương 5: Kết luận và đánh giá kết quả
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về cơ cấu
Cơ cấu trong cơ khí là một hệ thống gồm nhiều chi tiết lắp ghép hoặc kết nối với nhau, thực hiện một hoặc nhiều chức năng tùy theo độ phức tạp và mục tiêu chế tạo Cơ cấu có thể là một bộ truyền bánh răng phức tạp hoặc đơn giản như một đòn bẩy, nhưng chức năng chính của nó vẫn là dẫn động và chuyển đổi chuyển động của chi tiết này thành chuyển động của chi tiết khác để thực hiện chức năng cụ thể Các ví dụ về cơ cấu phổ biến bao gồm cơ cấu tay quay con trượt được sử dụng trong động cơ đốt trong của xe và máy nén piston, cũng như cơ cấu đòn bẩy được sử dụng trong các loại kìm bấm.
Hình 2 1 Cơ cấu tay quay con trượt Hình 2 2 Cơ cấu đòn bẩy
2.1.1 Cơ cấu đàn hồi (CCĐH)
Hình 2 3 Hình dáng của một số loại khớp nối đàn hồi
Cơ cấu đàn hồi là một dạng cải tiến vượt trội so với các cơ cấu truyền thống, mang lại độ chính xác cao hơn nhờ khả năng hạn chế sai số lắp ghép Thay vì sử dụng thanh truyền, cơ cấu đàn hồi liên kết với nhau thông qua các biên dạng hình học, giúp chuyển đổi chuyển động một cách chính xác và hiệu quả Nhờ đặc điểm hình học và chức năng riêng biệt, các loại khớp đàn hồi dạng một trục đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đồng thời dễ dàng gia công và lắp ráp.
Hình 2 4 Tên gọi các thiết kế CCĐH:
Various types of compliant displacement amplifiers have been developed, including bridge-type, rhombus type, symmetric five-bar structure, and lever mechanism amplifiers Other designs include bridge-lever-type, differential, tensural displacement, and half-scissor amplifiers Additionally, re-entrant hexagonal honeycomb, 20:1 stroke amplification mechanism, Scott-Russell mechanism, and pantograph mechanism are also utilized in compliant displacement amplification systems.
2.1.2 Ưu nhược điểm khi ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào thiết kế Ở lĩnh vực kỹ thuật những chi tiết đa số được kết nối với nhau nhờ các khớp nối truyền thống như khớp bản lề, khớp cầu, khớp tịnh tiến… Hạn chế ở những khớp này là do giữa chúng vẫn tồn tại khe hở rất nhỏ giữa các khớp nối (0.01mm) khiến việc chuyển động đều có sai số Bên cạnh đó, các khớp khi chuyển động sẽ sinh ra lực ma sát khiến cho khe hở giữa các khớp nối ngày càng rộng làm cho cơ cấu ngày càng sai lệch, không phù hợp với các cơ cấu yêu cầu độ chính xác cao cỡ micromet (0.001mm) Các khớp truyền thống khi thực hiện chuyển động lâu ngày cần phải sử dụng thêm dung dịch bôi trơn và kiểm tra, bảo dưỡng bảo trì, thay thế định kỳ
Hình 2 5: Sơ đồ mình họa đặc điểm của khớp bản lề truyền thống
Khớp đàn hồi là giải pháp hiệu quả cho các hạn chế của cơ cấu khớp truyền thống, cho phép chuyển đổi lực, biến đổi chuyển động hoặc mô-men một cách linh hoạt Với khả năng đàn hồi của vật liệu, khớp đàn hồi có thể thực hiện nhiều chuyển động mà không cần đến các khớp cầu hoặc khớp bản lề Ưu điểm của khớp đàn hồi còn nằm ở cấu tạo đơn giản từ một khối vật liệu duy nhất, giúp loại bỏ các khuyết điểm như giảm hiệu suất, ma sát, tiếng ồn, mài mòn, và nhu cầu bôi trơn, kiểm tra và thay thế thường xuyên.
Hình 2 6: Cơ cấu đàn hồi phổ biến
2.1.4 Một số ngành đang được ứng dụng cơ cấu đàn hồi
Tác giả Pietro Bilancia và cộng sự đã thiết kế thành công một cổ tay có tính di động cao nhờ ứng dụng thiết kế cơ cấu chấp hành đôi (CCĐH) thông minh Thiết kế này tận dụng hai cặp trục uốn dạng chữ X, cho phép điều khiển linh hoạt và chính xác Đặc biệt, cổ tay này còn có thể được điều khiển từ xa thông qua một động cơ servo, đóng vai trò tương tự như gân trong cơ thể người.
Hình 2 7: Khớp vai giả sử dụng CCĐH
Hình 2 8: Khớp ngón tay giả sử dụng CCĐH
Tác giả P Muhammed và các cộng sự đã thiết kế một loại cánh bay thông minh sử dụng cấu trúc composite dạng đan hình (CCĐH) trong thanh giằng kết hợp với mép đầu cánh hình chữ D và đuôi cánh dạng thanh giằng xếp lớp Cấu trúc này được thiết kế để tận dụng tính đàn hồi của CCĐH, giúp kết nối và điều khiển biên dạng cánh, tăng khả năng khí động học Đồng thời, một lớp vật liệu có độ co giản cao được bao phủ bên ngoài để tăng độ bền, nhưng vẫn đảm bảo CCĐH hoạt động hiệu quả.
Hình 2 9: Cánh máy bay ứng dụng CCĐH [6]
Dong Il Park và các cộng sự đã phát triển một loại cơ cấu đàn hồi thụ động mới có khả năng đo độ biến dạng, được gọi là "Magic Gripper" Thiết bị này bao gồm bốn mô đun chính: mô đun đàn hồi thụ động, mô đun đo độ biến dạng, mô đun điều khiển và mô đun kẹp Với thiết kế này, "Magic Gripper" có thể áp dụng vào lắp ráp các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao và dung sai nhỏ, đồng thời giúp bù lỗi vị trí trong các thao tác lặp đi lặp lại nhiều lần.
Hình 2 10: Hình cơ cấu kẹp ứng dụng CCĐH [7]
2.1.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật hiện nay, các sản phẩm cơ khí đòi hỏi yêu cầu cao về công nghệ và tính tự động hóa sản xuất, đặc biệt là về hình dáng và kết cấu của sản phẩm Tuy nhiên, các phương pháp gia công truyền thống vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế, khiến độ chính xác của các chi tiết gia công khó đạt được yêu cầu đề ra Các yếu tố như sai số gá đặt, sai số động học của các bộ truyền vít me và sai số do nhiệt độ là những nguyên nhân chính dẫn đến sự không chính xác cao trong gia công cơ khí.
Công trình của GS Bành Tiến Long năm 2007 về "Nghiên cứu bù sai số vị trí bằng phần mềm điều khiển khi gia công phay CNC" đã chỉ ra rằng sai số vị trí là một tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng của máy CNC Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sai số vị trí, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công.
10 vụ điều khiển các trục x, y, z sao cho đạt chính xác yêu cầu tọa độ qua Encorder gắn tại động cơ
Năm 2013, nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã thực hiện nghiên cứu về thiết kế và mô phỏng cơ cấu đàn hồi vào cơ cấu ăn dao trên máy tiện CNC, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo Mặc dù nghiên cứu này đã đạt được những kết quả đáng khích lệ, song vẫn còn nhiều hạn chế trong việc ứng dụng thực tế và điều khiển cơ cấu này trong các quy trình sản xuất.
Hình 2 11: Mô phỏng cơ cấu đàn hồi của Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng [2]
Năm 2022, công trình của tác giả Nguyễn Văn Khiển đã nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm thành công cơ cấu ăn dao sử dụng cơ cấu đàn hồi trên máy tiện CNC, tạo tiền đề quan trọng cho các nghiên cứu sau này về hệ thống dụng cụ cắt chính xác và thiết bị cắt phù hợp với điều kiện trong nước.
Hình 2 12: Cơ cấu ăn dao có CCĐH kiểu 1
Hình 2 13: Cơ cấu ăn dao có CCĐH kiểu 2
Thông số hình học của dụng cắt ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
Nhiều mô hình đã được phát triển để xác định độ nhám bề mặt dựa trên các thông số ảnh hưởng Để đáp ứng yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt của chi tiết được gia công, cần thiết lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và các biến số của quá trình gia công, từ đó lựa chọn các điều kiện cắt thích hợp Thông qua động học của dụng cụ cắt và phôi, có thể xây dựng mô hình hình học của độ nhám bề mặt, cung cấp cơ sở để tối ưu hóa quá trình gia công.
Hình 2.16 cho thấy dạng hình học của đầu dao với bán kính mũi 𝑟 Các thông số trên hình được xác định như sau:
Hình 2 14: Biên dạng hình học tổng quát mũi mảnh insert cho gia công tiện
Thiết bị chuẩn bị cho kiểm nghiệm
Dựa vào thông số kỹ thuật của các dụng cụ cắt được chuẩn bị cho kiểm nghiệm, hình 2.15 cung cấp thông tin chi tiết về các thông số hình học quan trọng Các thông số này đóng vai trò then chốt trong việc xác định hiệu suất và hiệu quả của dụng cụ cắt trong quá trình kiểm nghiệm.
Hình 2 16: Kích thước hình học mũi dao dùng để kiểm nghiệm
Giới hạn cung của bán kính mũi dao được xác định bởi 𝑑𝐴 và 𝑑𝐵, là yếu tố quan trọng trong phân tích mô hình độ nhám Ngoài ra, việc phân tích này còn phụ thuộc vào độ sâu của vết cắt, với 𝑅𝑚𝑎𝑥 được phân tích khác nhau dựa trên các giới hạn của 𝑓𝑂𝐴, 𝑓𝐴, 𝑓𝐴𝐵 và 𝑓𝐵 Từ dạng hình học của biên dạng dao, 𝑑𝐴 và 𝑑𝐵 được xác định rõ ràng, giúp cung cấp thông tin chính xác về mô hình độ nhám.
= 0,4 (1 – cos(93)) = 0,42093 mm và giới hạn lượng chạy dao được xác định như sau:
Từ hình 2.16, chúng ta có thể suy ra năm trường hợp khi gia công tiện cho mỗi lần cắt, trong đó bốn trường hợp có chiều sâu cắt lớn hơn 𝑑𝐵 Tuy nhiên, trong gia công tiện chính xác, chiều sâu cắt thường rất nhỏ và người ta thường cho rằng chiều sâu cắt nhỏ hơn 𝑑𝐵.
Trường hợp I: Chiều sâu cắt: 0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 𝑓𝑂𝐴
Hình 2 17: Biên dạng hình học độ nhám bề mặt (0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴, 𝑓 ≤ 𝑓𝑂𝐴)
Trường hợp II: Chiều sâu cắt: 0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴, lượng chạy dao: 𝑓 ≥ 𝑓𝑂𝐴
Hình 2 18: Biên dạng hình học độ nhám bề mặt (0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴,𝑓 ≥ 𝑓𝑂𝐴)
Trường hợp III: Chiều sâu cắt: 𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 𝑓𝐴
Hình 2 19: Biên dạng hình học độ nhám bề mặt (𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵,𝑓 ≤ 𝑓𝐴)
Trường hợp IV: Chiều sâu cắt: 𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵, lượng chạy dao: 𝑓𝐴 ≤ 𝑓 ≤ 𝑓𝐴𝐵
Hình 2 20: Biên dạng hình học độ nhám bề mặt (𝑑 𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑 𝐵 ,𝑓𝐴 ≤ 𝑓 ≤ 𝑓𝐴𝐵)
Trường hợp V: Chiều sâu cắt: 𝑑 𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑 𝐵 , lượng chạy dao: 𝑓 ≥ 𝑓 𝐴𝐵
Hình 2 21: Biên dạng hình học độ nhám bề mặt (𝑑 𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑 𝐵 ,𝑓 ≥ 𝑓 𝐴𝐵 )
𝑟: là bán kính mũi của dao
Trường hợp I: Chiều sâu cắt: 0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 𝑓𝑂𝐴
Trường hợp III: Chiều sâu cắt: 𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 𝑓𝐴
Trường hợp IV: Chiều sâu cắt: 𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵, lượng chạy dao: 𝑓𝐴 ≤ 𝑓 ≤ 𝑓𝐴𝐵
Trường hợp II: Chiều sâu cắt: 0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴, lượng chạy dao: 𝑓 ≥ 𝑓𝑂𝐴
Trường hợp V: Chiều sâu cắt: 𝑑 𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑 𝐵 , lượng chạy dao: 𝑓 ≥ 𝑓 𝐴𝐵
Từ công thức (2.1),(2.2) và (2.4) Với chế độ cắt khi kiểm nghiệm được lựa chọn với thông số như sau:
Lượng chạy dao 𝑓 từ 0,05 đến 0,1 mm/vòng và chiều sâu cắt là d = 0,1mm
Từ công thức (2.4) và (2.6), xác định được trường hợp kiểm nghiệm thuộc trường hợp III: Chiều sâu cắt: 𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 𝑓𝐴 , tương đương 0,06078 mm ≤ 𝑑
≤ 0,42093 mm, lượng chạy dao: 𝑓 ≤ 0,424 mm/vòng Lượng chạy dao thực tế khi kiểm nghiệm chỉ dao động trong khoảng từ 0,008 – 0,1 mm/vòng
Mục tiêu của bài toán là để tìm ra lượng chạy dao phù hợp để đạt được độ bóng nằm trong khoảng từ cấp 8 - 10 tương đương Ra = 0,63 – 0,08 (𝜇𝑚)
Lượng chạy dao là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả độ nhám bề mặt trong gia công cắt gọt Tuy nhiên, việc giảm lượng chạy dao quá nhỏ cũng có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến độ nhám bề mặt Vì vậy, lựa chọn lượng chạy dao phù hợp là rất quan trọng, và trong trường hợp này, lượng chạy dao f = 0,03 mm/vòng đã cho thấy sự phù hợp.
Kết quả thu được phù hợp với mục tiêu mà ĐATN đặt ra, tuy nhiên để tăng độ tin cậy khi ứng dụng phương pháp Taguchi, chúng tôi vẫn tiến hành kiểm nghiệm với các lượng chạy dao còn lại.
THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU ĂN DAO
Mục tiêu thiết kế
Cơ cấu có thiết kế ứng dụng CCĐH được gắn lên ổ dao của các loại máy tiện CNC và bàn dao máy tiện cơ, giúp cải thiện độ nhám bề mặt và độ chính xác cơ cấu ăn dao sau khi gia công tinh Với thiết kế này, chu kỳ gia công được rút ngắn đáng kể do không cần bổ sung thêm nguyên công, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác kích thước và độ nhám bề mặt lên đến 1 𝜇m (1/1000 mm), mang lại hiệu quả gia công cao và tiết kiệm thời gian.
Cơ cấu chấp hành PZT (P-225 PICA Power Piezo Actuators – Physik Instrumente, Đức) được thiết kế để dẫn động cơ cấu với độ chính xác cao, đạt độ phân giải lên đến 0,3 nm và chuyển vị cực đại là 15 𝜇m Nhờ áp dụng nguyên lý cánh tay đòn, cơ cấu này có khả năng khuếch đại chuyển vị của PZT, mang lại hiệu suất chuyển động chính xác và đáng tin cậy.
Khi sử dụng phần mềm ANSYS, việc đặt biến trong mô-đun tối ưu hóa phụ thuộc vào các mục tiêu cụ thể của quá trình gia công thực tế Trong đó, khả năng chuyển vị thường được ưu tiên hàng đầu, tiếp theo là ứng suất tập trung, nhằm đảm bảo thiết kế tối ưu và hiệu suất cao.
Cơ cấu ăn dao nên được thiết kế với kích thước lớn nhất có thể để đạt được tần số tự nhiên cao, giảm thiểu khả năng giao thoa và hiện tượng cộng hưởng giữa cơ cấu và hệ thống công nghệ của máy tiện, cũng như giữa cơ cấu và tần số của phôi Việc thiết kế tần số tự nhiên quá nhỏ có thể khiến cơ cấu dễ bị phá hủy Tuy nhiên, nhà thiết kế thường phải đối mặt với sự mâu thuẫn giữa hai mục tiêu quan trọng: đạt được tần số tự nhiên cao và chuyển đầu ra lớn, vì hai tiêu chí này tỷ lệ nghịch với nhau.
Để đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn và hiệu quả, cần thiết kế sao cho tần số tự nhiên của hệ thống lớn hơn tần số làm việc 𝑓 0 Với giả định số vòng quay trục chính 𝑛 là 300 vòng/phút, tần số 𝑓 0 tương ứng là 5 Hz Việc thiết kế tần số tự nhiên cao hơn 𝑓 0 giúp ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng có thể dẫn đến phá hủy thiết bị khi hoạt động ở hiệu suất cao.
Tiêu chí thiết kế
Đơn giản, dễ gia công
Vật liệu nhẹ, đáp ứng đủ độ cứng, kích thước nhỏ gọn
Không bị ảnh hưởng tạo ra bới ma sảt và mài mòn do không còn chuyển động tương đổi giữa mỗi khâu
Độ chính xác cao do không bị ảnh hưởng bởi sai số lắp đặt
Cơ cấu ăn dao có khả năng cải thiện độ nhám bề mặt.
Cơ sở thiết kế
Nhóm nghiên cứu đã kế thừa và phát triển những thành quả nghiên cứu của TS Nguyễn Văn Khiển, thiết kế của nhóm lấy cơ sở từ luận án tiến sĩ của ông và thay đổi một số chi tiết nhằm mục tiêu khắc phục những hạn chế như khả năng định hướng của CCĐH, tạo ra một thiết kế mới và hiệu quả hơn.
20 giảm những chuyển động không mong muốn, cải thiện việc gá đặt canh chỉnh trở nên thuận tiện hơn, hành trình ăn dao được nhiều hơn
Hình 3 1: Thiết kế cơ cấu đàn hồi trong luận án TS Nguyễn Văn Khiển
Thiết kế bàn gá cho CCĐH của TS Nguyễn Văn Khiển ban đầu có hạn chế về hành trình ăn dao của máy tiện do khả năng va đập với mâm cặp Để khắc phục, thiết kế đã được thay đổi bằng cách đặt cơ cấu ăn dao có ứng dụng CCĐH theo phương nằm dọc, giúp tăng hành trình ăn dao đáng kể.
` Hình 3 2: Thiết kế bàn gá cơ cấu ăn dao có CCĐH theo phương dọc
Bố trí cơ cấu
Hình 3 3: Bố trí cơ cấu ăn dao có ứng dụng CCĐH cho kiểm nghiệm CNC
(1) Cơ cấu đàn hồi; (2) Phôi thép C45 D50 x 220; (3) Piezo P – 225.10; (4) Laser LK-G30
Nguyên lý hoạt động
Hình 3 4: Cơ cấu ăn dao chính xác có ứng dụng CCĐH Bảng 3 1: Bảng độ dày kích thước gân sẽ được khảo sát trong ĐATN
Kích thước gân (t) Độ lớn
Cơ cấu chấp hành Piezo sở hữu khả năng tạo ra dẫn động chính xác cao, nhưng lại bị giới hạn bởi hành trình dẫn động tương đối ngắn, chỉ 15 𝜇𝑚 Để tận dụng tối đa khả năng của cơ cấu này, mục tiêu thiết kế cơ cấu ăn dao chính xác là phải có khả năng khuếch đại chuyển vị đồng thời khắc phục hạn chế trên Thông qua việc ứng dụng cơ cấu đòn bẩy và cơ cấu bốn khâu bản lề, kết cấu của cơ cấu đã được thiết kế để đáp ứng các mục tiêu này Bằng cách sử dụng hai lần cơ cấu đòn bẩy và sắp xếp theo bố cục cơ cấu bốn khâu bản lề, kết hợp với bốn gân tăng cứng, cơ cấu này không chỉ tăng độ cứng vững mà còn giảm thiểu các chuyển động không mong muốn.
TS Nguyễn Văn Khiển [1] vùng ký hiệu (1) trong hình 3.4, biến được tối ưu là kích thước
23 của gân được thêm vào để cải thiện độ cứng và giảm các chuyển vị không mong muốn theo hình 3.4 vùng ký hiệu (2).
Phân tích tỉ lệ khuếch đại của cơ cấu
Hình 3 5: Mô hình phân tích khuếch đại dựa vào hình học các điểm
Dựa trên hình 3.5, chúng ta phân tích tỉ lệ chuyển vị theo nguyên tắc hình học, trong đó chỉ có cơ cấu đòn bẩy gồm 4 đoạn L1, L2, L3, L4 mới đóng vai trò khuếch đại chuyển vị, còn 2 đoạn L0 chỉ đóng vai tăng cứng và không có khả năng khuếch đại chuyển vị cho cơ cấu y in x 0 = L 1.
Gọi 𝐴𝑎𝑚𝑝 là tỉ lệ khuếch đại chuyển vị, từ (4.1) và (4.2) đầu ra out đầu vào in của cơ cấu
Tối ưu thiết kế
Mục đích chính của việc mô phỏng bằng phần mềm Ansys là đánh giá khả thi của thiết kế CCĐH về khả năng chuyển vị, ứng suất tập trung và tần số tự nhiên Quá trình này giúp xác định các yếu tố quan trọng trước khi gia công và kiểm nghiệm thực tế trên máy tiện, từ đó đảm bảo thiết kế đạt hiệu suất và độ tin cậy cao.
Tìm ra giá trị phù hợp và tối ưu nhất cân bằng giữa khả năng khuếch đại và độ cứng của chi tiết
Báo cáo sẽ đề cập đến chi tiết gân như trong hình 3.6, đây là yếu tố quan trọng mà nhóm thêm vào để cải thiện khả năng định hướng của CCĐH, đồng thời giảm thiểu những chuyển động không mong muốn.
Hình 3 6: Vị trí 4 thanh gân được thêm vào để cải thiện hiệu quả tổng thể của CCĐH
Thiết kế có khả năng khuếch đại chuyển vị
Thiết kế có kết quả ứng suất không vượt quá ứng suất đàn hồi
Thiết kế có khả năng cải thiện độ nhám bề mặt ở bước gia công tinh, độ nhám bề mặt đạt từ cấp 8 – 10 (0,63 – 0,16 𝜇𝑚)
Bước 1: thiết lập thông số vật liệu
Bước 2: thiết lập biến cần tối ưu
Bước 3: thiết lập thông số cho mesh và tạo mesh
Bước 4: thiết lập Fixed support (14 mặt) và Force (700N)
Bước 5: thiết lập biên chạy của biến từ 1,5 mm đến 3,0 mm
3.7.3 Thiết lập thông số vật liệu (bước 1)
Hình 3 7: Bảng thông số đặc tính của vật liệu Al-7075-T6 đã được thiết lập trong phần mềm ANSYS
Bảng 3 2: Thông số của vật liệu Al7075-T6:
Thông số Giá trị Đơn vị
3.7.4 Thiết lập biến cần tối ưu (bước 2)
Khi thiết kế cấu trúc gân trên phần mềm ANSYS, việc đặt biến độ dày của gân là rất quan trọng Trong thực tế, nếu gân quá dày sẽ dẫn đến độ cứng quá lớn, khiến cho PZT không thể tạo ra chuyển vị Do đó, việc tối ưu kích thước của gân nhằm hạn chế khả năng thiết kế thừa chiều dày vật liệu nhưng vẫn giữ được khả năng khuếch đại chuyển vị của CCĐH là rất cần thiết.
Hình 3 9: Đặt biến Maximum Total Deformation Hình 3 10: Đặt biến Maximum Equivalent Stress
3.7.5 Tạo mesh cho CCĐH (bước 3)
Hình 3 11: Thay đổi Span Angle Hình 3 12: Thay đổi Smoothing
Chỉ thay đổi 2 thông số:
Mục Sizing: Span Angle Center từ mức Coarse sang mức medium (Hình 3.11)
Mục Quality: Smoothing từ mức Coarse sang mức medium (Hình 3.12)
Mục đích của việc tạo mesh các hạt là để có được kết quả mô phỏng chính xác hơn bằng cách làm mịn và điền đầy chi tiết Quá trình này giúp loại bỏ các góc cạnh và bo tròn một số chi tiết, cũng như bỏ qua các lỗ nhỏ, từ đó giúp giảm thời gian mô phỏng mà vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Hình 3 13: Kết quả sau khi tạo mesh với các thiết lập được thay đổi
3.7.6 Thiết lập Fixed Support và lực lên CCĐH theo phương Z (bước 4)
Những vị trí được Fixed Support sẽ là những vị trí cố định
Trong thực tế, các lỗ này đóng vai trò quan trọng trong việc lắp ráp bu lông và ghép các chi tiết của cơ cấu chuyển động hướng (CCĐH) với chi tiết bàn gá, với tổng cộng 14 lỗ được bố trí như hình 3.14.
Hình 3 14: Thiết lập 14 lỗ Fixed Support
Hình 3 15: Mô phỏng một lực 700 N lên mặt và theo phương mũi tên màu đỏ
Dựa trên kết quả mô phỏng của TS Nguyễn Văn Kiển bằng phần mềm Ansys, một lực 700N đã được thiết lập để mô phỏng giá trị điện áp lớn nhất có thể khi cấp nguồn cho PZT hoạt động, tương đương với giá trị thực tế kiểm nghiệm là 5V.
3.7.7 Thiết lập biên độ cho độ dày của gân (bước 5)
Hình 3 16: Bảng biên độ chạy của kích thước gân
Để đảm bảo hiệu suất chuyển vị của cơ cấu, độ dày gân chạy nên được thiết lập trong khoảng từ 1,5 đến 3,0 mm Nếu độ dày vượt quá mức này, độ cứng của PZT có thể trở nên quá lớn, dẫn đến khả năng tạo chuyển vị bị hạn chế.
Kết quả mô phỏng
Hình 3 17: Kết quả sau khi tạo mesh Kết quả sau khi tạo mesh bằng phần mềm ANSYS
Kết quả chuyển vị theo x, y, ứng sất và tần số
Hình 3 18: Chuyển vị theo X Hình 3 19: Chuyển vị theo Y
Hình 3 20: Tần số Hình 3 21: Ứng suất
Bảng 3 3: Kết quả mô phỏng chuyển vị theo x, y, ứng suất và tần số
Giá trị Độ lớn Đơn vị
Chuyển vị theo trục X (X Axis) 0,00068222 mm
Chuyển vị theo trục Y (Y Axis) 0,0044949 mm Ứng suất 38,017 MPa
Hình 3 23: Kết quả trong modul tối ưu hóa của phần mềm ANSYS
Bảng 3 4: Kết quả trong modul tối ưu hóa của phần mềm ANSYS trích từ hình 3.22
Tổng độ chuyển vị Ứng suất Chuyển vị theo phương Y Độ lớn Tỉ lệ Độ lớn Tỉ lệ Độ lớn Tỉ lệ
Mục tiêu sử dụng modul tối ưu thiết kế trong phần mềm ANSYS là tìm ra kích thước gân phù hợp, đồng thời đạt được nhiều mục tiêu cùng lúc, bao gồm tổng độ chuyển vị lớn nhất và ứng suất, chuyển vị theo phương Y nhỏ nhất Tuy nhiên, do hai giá trị này thường tỷ lệ nghịch với nhau, việc lựa chọn kích thước phù hợp cần xét đến nhiều điều kiện Đối với trường hợp này, nhóm ưu tiên kích thước có tỷ lệ chuyển vị lớn nhất, vì vật liệu nhôm 7075-T6 đã được chọn ban đầu có độ lớn ứng suất đàn hồi là 71700 MPa, lớn hơn nhiều so với kết quả sau khi tối ưu kích thước gân bằng Ansys.
Kết quả của mô đun tối ưu cho thấy không có kích thước gân nào đáp ứng đồng thời tất cả các yêu cầu đặt ra, bao gồm tỷ lệ chuyển vị lớn nhất và ứng suất tập trung nhỏ nhất Tuy nhiên, trong trường hợp này, thiết kế thanh gân có kích thước 1,5 - 1,6 mm được chọn vì có độ chuyển vị lớn nhất, mặc dù cũng có ứng suất tập trung lớn nhất là 38,017 MPa Đáng chú ý, độ lớn của ứng suất này vẫn không vượt quá ứng suất phá hủy của vật liệu Al7075-T6 là 71700 MPa.
CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM CƠ CẤU
Các loại thiết bị đo được dùng
4.1.1 Cảm biến laser KEYENCE LK – G30
Hình 4 1: Cảm biến laser KEYENCE LK – G30 đo khoảng cách Bảng 4 1: Thông số của cảm biến laser KEYENCE LK – G30
Kí hiệu Keyence LK-G30 Tần số lấy mẫu 50kHz Độ chính xác 0,01 𝜇m Nguồn cấp 24 V DC
Phạm vi đo ± 5 mm Tín hiệu đầu ra 0 ÷ 10 V
4.1.2 Máy do độ nhám bề mặt
Hình 4 2: Máy đo độ nhám bề mặt Surtronic® S-100 Series Bảng 4 2: Thông số kỹ thuật máy đo độ nhám bề mặt Surtronic® S-100 Series
Trục X: 0.25 - 17.5 mm (0.01 - 0.70 in) (chiều dài mẫu kiểm tra lớn nhất)
Truc Z (đầu đo): 200 / 100 / 10 àm (Chiều cao độ nhỏm lớn nhất)
Tốc độ đo 1 mm/giây (0.04 in/giây)
Tiêu chuẩn đo ISO 4287, ISO 13565-1, ISO 13565-2, ASME 46.1, JIS 0601,
N31007 Thang đo Ra, Rv, Rp, Rz, Rt, Rq, Rsk, Rmr, Rdq, Rpc, RSm, Rz1max
4.1.3 Máy lực căng FORCE GAUGE NK-500
Hình 4 3: Máy đo lực căng FORCE GAUGE NK-500 Bảng 4 3: Thông số máy đo đo lực căng FORCE GAUGE NK-500
Kí hiệu Force Gauge NK-500 Tải tối thiệu 50 N/ 5 kg
Tải tối đa 500 N/50 kg Hành trình tải 10 mm
Hình 4 4: Máy CNC MASCUT AC 1840
Bảng 4 4: Thông số Máy CNC MASCUT AC 1840 Đường kính tiện qua băng máy 460 mm
Chiều cao tâm 230 mm Đường kính tiện qua bàn dao 230 mm
Tốc độ quay trục chính
Thấp: 152 ~ 33 Trung bình: 680 ~ 153 Cao: 3100 ~ 681 Hành trình trục chính 170 mm
Hệ điều hành FANUC Oi mate TC
Cấu tạo cơ cấu
Cơ cấu gồm 5 chi tiết:
Cơ cấu ăn dao có ứng dụng cơ cấu đàn hồi
Tên chi tiết: VAT – 0003 – 001 Cơ cấu đàn hồi
Cắt dây EDM, khoan lỗ, phay, taro
Hình 4 5: Bản vẽ chi tiết cơ cấu đàn hôi
Hình 4 6: Hình 3D chi tiết Cơ cấu đàn hồi
- VAT – 0003 – 001 : Cơ cấu đàn hồi
Hình 4 7: Bản vẽ phân rã cụm cơ cấu ăn dao có ứng dụng cơ cấu đàn hồi
Kiểm nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm
Kiểm nghiệm chuyển vị đầu vào
Hình 4 8: Thiết lập thực nghiệm đo chuyển vị vào trong phòng thí nghiệm
(1) Cơ cấu đàn hồi; (2) và (3) laser LK-G30; (4) Controller LK-3001P; (5) Function generator; (6) Driver Pi E 470.20 (7) Máy tính, (8) Piezo P – 225.10
Thiết kế cơ cấu ăn dao sau khi tối ưu hóa sẽ được gia công bằng phương pháp cắt dây với vật liệu AL 7075 – T6 Trong quá trình thí nghiệm, cảm biến sẽ được đặt tại vị trí xác định để lấy tín hiệu đầu vào PZT sẽ được cấp nguồn từng bước 0,5V, bắt đầu từ 0V ở trạng thái đứng yên và tăng dần lên tối đa 5V, với tổng cộng 10 lần cấp nguồn Sau mỗi chu kỳ cấp nguồn, giá trị hiển thị trên màn hình Controller LK-3001P sẽ được reset để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Để hạn chế ảnh hưởng của giá trị cũ đến các lần đo sau, hệ thống sử dụng PZT loại Physik Instrumente (PI), German (P – 225.10) có khả năng tạo chuyển vị lớn 15 𝜇𝑚 ở trạng thái không tải và độ cứng 480 N/𝜇𝑚 Điện áp đầu vào cho PZT được khuếch đại thông qua bộ khuếch đại điện áp E – 470.20 của Piezo System, PI, Inc Chuyển vị đầu vào, đầu ra và chuyển vị ký sinh của cơ cấu được đo bằng hai cảm biến dịch chuyển laser không tiếp xúc LK – G30 của Keyence Corporation, Nhật Bản, với độ chính xác 0,01 àm và cú dải đo ± 5 mm Các thiết bị này được gắn trên bàn chống rung để giảm thiểu rung động bên ngoài, giúp đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.
Bảng 4 5: Kết quả sau khi làm thực nghiệm chuyển vị đầu vào
Nguồn cấp (V) Chuyển vị theo phương Z
Giữa mô phỏng và thức tế giữa mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế cho thấy giá trị là gần đúng, 12,4−12,2
Kiểm nghiệm chuyển vị đầu ra
Hình 4 9: Thiết lập thực nghiệm đo độ chuyển vị đầu ra trong phòng thí nghiệm
(1) Cơ cấu đàn hồi; (2) và (3) laser LK-G30; (4) Controller LK-3001P; (5) Function generator; (6) Driver Pi E 470.20 (7) Máy tính
Quy trình thực nghiệm chuyển vị đầu ra tương tự như chuyển vị đầu vào, nhưng khác biệt ở vị trí mà laser không tiếp xúc Cụ thể, vị trí được xác định để lấy giá trị chuyển vị đầu ra là nơi LK – G30 lấy tín hiệu Bố cục sắp xếp của quy trình này sẽ được triển khai như hình 4.10.
Bảng 4 6: Kết quả sau khi làm thực nghiệm chuyển vị đầu ra
Nguồn cấp (V) Chuyển vị theo phương Z
Giữa mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế cho thấy giá trị là gần đúng, 28,5−27,2
28,5 100 4,5% (sai lệch dưới 5%) do vậy cơ cấu đàn hồi thực tế có khả năng khuếch đại chuyển vị và tỉ lệ khuếch đại chuyển vị thực tế là khoảng 2,3
Kiểm nghiệm tần số dao động tự nhiên
Hình 4 10: Kết quả thực nghiệm tần số trong phòng thí nghiệm
Hình 4 11: Kết quả kiểm nghiệm tần số mô phỏng bằng phần mềm ANSYS
Thực nghiệm được thực hiện bằng cách sử dụng một tín hiệu sóng hình sin có tần số biến thiên liên tục để kích thích PZT theo phương y Đồng thời, cảm biến laser LK-G30 được sử dụng để ghi lại các chuyển vị theo phương y của cơ cấu ăn dao, giúp thu thập dữ liệu chính xác về chuyển động của hệ thống.
Hình cho thấy tần số tự nhiên f0 = 1075 Hz Sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm là 1075−1039,2
Kết quả đo tần số cộng hưởng thứ nhất đạt 1075 Hz, cao hơn một chút so với kết quả mô phỏng bằng FEA là 1039,2 Hz, với mức sai lệch khoảng 3,3% Sự chênh lệch này chủ yếu do sai số gia công và sai số lắp đặt gây ra.
Nhận xét và kết luận:
Thiết kế cơ cấu ăn dao có cơ đàn hồi đã được tối ưu hóa và kiểm nghiệm thành công trong môi trường phòng thí nghiệm Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số giữa mô phỏng và thực tế chỉ đạt dưới 5% sai lệch, với tỷ lệ khuếch đại 4,95%, tần số tự nhiên 3,3% và độ cứng đầu vào và đầu ra của cơ cấu được cải thiện đáng kể Điều này cho thấy kết quả mô phỏng và thực tế đạt yêu cầu, tạo cơ sở vững chắc cho việc áp dụng cơ cấu ăn dao này vào gia công trên máy CNC trong môi trường ứng dụng thực tế.
Kiểm nghiệm trên máy CNC
4.4.1 Sử sụng phương pháp Taguchi để xác định thông số chế độ cho kiểm
Bảng 4 7: xác đinh số nhân tố và cấp độ để áp dụng phương pháp TAGUCHI
STT Đầu vào Cấp độ Đầu ra
1 Tần số f0 (Hz) 750 1500 2250 Độ nhám bề mặt (𝜇𝑚)
2 Lượng chạy dao (mm/vòng) 0,05 0,08 0,1
3 Tốc độ quay n (vòng/phút) 661 1156 1651
5 Tần số của phôi (Hz) 10,51 22,2 33,88
6 Tốc độ cắt Vc (m/phút) 100 175 250
Xác định lượng chạy dao
- Chiều dày phôi nhỏ nhất hmin = 0,1, suy ra:
𝑆 2 ) ≈ 0,0384 ta chọn S = 0,03 mm/vòng Tương tự với:
Rz = 0,7, S = 0,0555 mm/vòng, ta lấy S = 0,06 mm/vòng
Rz = 0,4, S = 0,0757 mm/vòng, ta lấy S = 0,08 mm/vòng
3 cấp độ cho tần số: Thấp = 750 Hz, Trung bình = 1500 Hz, Cao = 2250 Hz
Xác định tốc độ quay trục chính
Tốc độ quay n được tính theo công thức: n = Vc 1000
𝜋𝐷 (4.3) khuyển nghị nhà sản xuất mảnh insert là chọn n từ 90 – 290 v/phút
Xác định biên độ rung động
Cấp chính xác muốn đạt được sau kiểm nghiệm từ cấp 8 – 10: tương đương
Khi gia công, biên độ dao động tối thiểu cần đạt được là 0,47 𝜇𝑚 để đảm bảo kết quả độ nhám bề mặt mong muốn Do đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn các biên độ rung động lớn hơn 0,47 𝜇𝑚, cụ thể là 1,2,3 để đạt được kết quả kiểm nghiệm như mong đợi.
Sử dụng phương pháp Taguchi giúp rút gọn số lần thử nghiệm hiệu quả Với số cấp độ là 3 và số nhân tố là 4, chúng ta có thể lựa chọn bảng trực giao L9 phù hợp để tối ưu hóa quá trình thử nghiệm.
Bảng 4 8: Thông số chế độ cắt chuẩn bị cho lần chạy sơ bộ áp dụng phương pháp TAGUCHI
STT Tần số (Hz) Lượng chạy dao
4.4.2 Kiểm nghiệm sơ bộ chế độ cắt trên máy CNC
Quy trình và mục tiêu kiểm nghiệm
Để xác định nhân tố ảnh hưởng lớn đến quá trình cắt, chúng tôi tiến hành lấy ngẫu nhiên các bộ chế độ cắt để kiểm nghiệm và so sánh Thông qua việc phân tích và đánh giá, chúng tôi có thể xác định được yếu tố quan trọng nhất và đề xuất phương án điều chỉnh thông số phù hợp Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chọn bộ 1 và bộ 9 để thực hiện so sánh và phân tích, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho quá trình cắt.
Chế độ cắt kiểm nghiệm sơ bộ là bước quan trọng để đánh giá độ khả thi của bộ thông số đã được chuẩn bị trước khi áp dụng vào gia công thực tế trên máy CNC Việc này giúp đảm bảo rằng các thông số đã được thiết lập phù hợp với điều kiện gia công thực tế và máy móc, đồng thời giúp phát hiện và điều chỉnh các sai sót có thể xảy ra trong quá trình gia công.
Bảng 4 9: Thông số cắt trong lần kiểm nghiệm sơ bộ
Lượng chay dao (mm/vòng)
Tỉ lệ chạy dao thực tế (%)
Hình 4 12: Kết quả độ nhám bề mặt các lần kiểm nghiệm theo chế độ cắt bảng 4.9
Kết quả đo độ nhám
Ra đạt 3𝜇𝑚 ở cấp độ tiện bán tinh cấp 6-7
Hình 4 13: Kết quả đo độ nhám sau kiểm nghiệm sơ bộ các chế độ cắt đã tính
Kết quả kiểm nghiệm lần 1 và 2 cho thấy việc kiểm nghiệm trường hợp tiện cơ cấu ăn dao truyền thống bằng cách sử dụng dao cắt không cấp tần số (0 Hz) là không khả thi Lý do là bề mặt chi tiết sau khi tiện xuất hiện nhiều đường vân do cơ cấu đàn hồi bị rung động trong quá trình tiện, dẫn đến chất lượng bề mặt không đảm bảo.
Kết quả kiểm nghiệm cho thấy lượng chạy dao là nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến độ nhám bề mặt Khi tăng cấp độ của tần số và biên độ rung, độ nhám bề mặt cũng thay đổi đáng kể Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh lượng chạy dao và các thông số rung là rất quan trọng để đạt được bề mặt hoàn thiện như mong muốn.
48 nhám bề mặt vẫn ổn định và cải thiện dần so với việc chạy đúng lượng chạy dao đã tính toán
- Cần thay đổi lượng chạy dao nhỏ lại so với tính toán ban đầu cho phù hợp sau khi đã kiểm nghiệm thực tế
4.4.3 Kiểm nghiệm CNC có CCĐH lần 1
Sau khi chạy thử nghiệm các bộ chế độ cắt chủ yếu với tốc độ cắt thấp cấp 1, nhóm đã thu được kết quả ban đầu với 661 vòng phút Tiếp đó, nhóm tiếp tục điều chỉnh và thay đổi thông số ở lượng chạy dao để tối ưu hóa quá trình cắt.
Quy trình kiểm nghiệm bắt đầu bằng nguyên công tiện thô để chuẩn bị bề mặt với chiều sâu cắt 0,5 mm Sau đó, quá trình kiểm nghiệm cơ cấu ăn dao được thực hiện với cơ cấu đàn hồi và cấp tần số rung động có biên độ đã được tính toán theo bảng 4.10 Cuối cùng, nguyên công tiện tinh được thực hiện với chiều sâu cắt là 0,1 mm để hoàn thiện bề mặt sản phẩm.
Hình 4 14: Bề mặt phôi đã tiện thô trước khi kiểm nghiệm
Bảng 4 10: Bảng thông số chế độ cắt kiểm nghiệm chính thức và sử dụng phương pháp Taguchi để phân tích kết quả
Biên độ rung (𝜇𝑚) Độ nhám bề mặt(𝜇𝑚)
Cực tiểu Lần 1 Lần 2 Lần 3
Bảng 4 11: Nhân tố ảnh hưởng đến đố nhám bề mặt sử dụng phương pháp Taguchi
Cấp độ Tần số Lượng chạy dao Tốc độ quay Biên độ rung
Hình 4 15: Biểu đồ biểu thị nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt bằng phương pháp Taguchi
Hình 4 16: Kết quả độ nhám bề mặt sau khi kiểm nghiệm chế độ cắt bảng 4.10
Hình 4 17: Kểt quả đo độ nhám lần chạy chế độ cắt số 4 bảng 4.10
- Khoảng độ nhám bề mặt sau khi kiểm nghiệm gia công có hỗ trợ rung động chưa đạt khoảng câp độ mục tiêu của đề tài từ cấp 8 – 10 ( Ra 0,63 – 0,08 𝜇𝑚)
Phương pháp Taguchi đã giúp xác định được nhân tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt là lượng chạy dao và biên độ rung động Tuy nhiên, trong quá trình gia công thực tế, tốc độ quay của dao càng lớn, đặc biệt là ở tốc độ vòng quay cấp độ 3 (n = 1651 vòng/phút), thì hệ thống công nghệ của máy có xu hướng rung động càng lớn, điều này cũng là một nhân tố ảnh hưởng đáng kể đến kết quả độ nhám bề mặt.
4.4.4 Kiểm nghiệm CNC cơ cấu ăn dao truyền thống
Quy trình và mục tiêu kiểm nghiệm
Để so sánh và đánh giá kết quả độ nhám bề mặt giữa cơ cấu ăn dao truyền thống và cơ cấu ăn dao có hỗ trợ rung động, một quy trình chuẩn bị bề mặt đã được thực hiện Trước khi kiểm nghiệm, cơ cấu ăn dao truyền thống sẽ trải qua nguyên công tiện thô với chiều sâu cắt 0,5 mm để chuẩn bị bề mặt phôi Sau đó, quy trình kiểm nghiệm sẽ được thực hiện với chế độ cắt được chỉ định trong bảng 4.12, tương tự như cơ cấu ăn dao có hỗ trợ rung động nhưng không có yếu tố tần số và biên độ rung động.
Cán dao mã SDJCR2020K11 được thiết kế để sử dụng trong kiểm nghiệm cơ cấu ăn dao truyền thống, mang lại hiệu suất cắt chính xác và đáng tin cậy Bảng thông số chế độ cắt 4.12 cung cấp thông tin chi tiết về các thông số kỹ thuật cần thiết để thực hiện kiểm nghiệm này một cách hiệu quả.
STT Lượng chạy dao (mm/v) Tốc độ quay (v/phút) Độ nhám bề mặt (𝝁𝒎)
Hình 4 19: Kết quả độ nhám bề mặt của kiểm nghiệm cơ cấu ăn dao truyền thống theo chế độ cắt bảng 4.12
STT Lượng chạy dao (mm/v)
Tốc độ quay (v/phút) Độ nhám bề mặt (𝝁𝒎)
Cơ cấu ăn dao truyền thống Độ nhám bề mặt (𝝁𝒎)
Cơ cấu ăn dao có rung động
Hình 4 20: Biểu đồ so sánh kết quả độ nhám bề mặt giữa cơ cấu ăn dao truyền thống và cơ cấu ăn có hỗ trợ rung động
Kết quả so sánh độ nhám bề mặt cho thấy sự chênh lệch lớn giữa cơ cấu ăn dao truyền thống và cơ cấu ăn dao có hỗ trợ rung động Cơ cấu dao truyền thống cho ra kết quả ổn định và tốt hơn, nhưng không thể kết luận cơ cấu nào tốt hơn do số nhân tố ảnh hưởng đến kết quả độ nhám khác nhau Bản chất của cơ cấu mềm là có khả năng chuyển vị và khuếch đại chuyển vị, dẫn đến độ cứng vững không bằng so với cơ cấu ăn dao truyền thống Điều này đã được thể hiện qua lần chạy kiểm nghiệm sơ bộ khi dùng cơ cấu ăn dao ứng dụng CCĐH để tiện thô.
Kết quả cho thấy độ nhám bề mặt của cơ cấu ăn dao có hỗ trợ rung động vượt trội hơn so với cơ cấu ăn dao truyền thống Tuy nhiên, để đạt được độ nhám bề mặt tốt hơn với cơ cấu này, đòi hỏi phải có thông số chế độ cắt phù hợp và chính xác hơn, đồng thời kiểm soát độ ổn định của các thông số đầu vào cũng trở nên khó khăn hơn.
4.4.5 Kiểm nghiệm CNC có CCĐH lần 2
Quy trình và mục tiêu kiểm nghiệm
Quy trình chuẩn bị phôi sẽ được thực hiện tương tự như các lần kiểm nghiệm trước Tuy nhiên, trong lần kiểm nghiệm CNC có chứng chỉ đầu vào (CCĐH) lần 2, quy trình sẽ tập trung vào việc kiểm nghiệm các bộ thông số chế độ cắt không nằm trong bảng 4.10 Điều này dựa trên cơ sở phân tích độ ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào nhằm chứng minh tính hiệu quả và chính xác của quy trình.
Phương pháp Taguchi đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá độ ảnh hưởng của các nhân tố đến kết quả độ nhám bề mặt của cơ cấu ăn dao có hỗ trợ rung động, với mức độ tin cậy lên đến 55%.