Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu khoan với sự hỗ trợ của rung động dùng cơ cấu đàn hồi

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHLUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ & TỐI ƯU HÓACƠ CẤU KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH HẢI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ & TỐI ƯU HÓA

CƠ CẤU KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG

DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

SKC008264

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2023

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH HẢI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ & TỐI ƯU HÓA

CƠ CẤU KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG

CƠ CẤU ĐÀN HỒI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 2080404

Hướng dẫn khoa học:

TS ĐẶNG QUANG KHOA

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2023

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Thanh Hải Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/10/1991 Nơi sinh: Bến Tre

Quê quán: Giồng Trôm, Bến Tre Dân tộc: Kinh

Địa chỉ: 47/2K Ấp Mỹ Hòa 1, Xã Trung Chánh, Hóc Môn, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 04/2015 Nơi học: ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

THƯ VIỆN CÔNG CỤ CẮT GỌT CHO MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2014, ĐH SPKT Tp HCM

Người hướng dẫn: TS Đặng Quang Khoa

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2017 – 2021 STOLZ VIET NAM Technical Engineer

2021 – nay FAMSUN Co., Ltd Product Manager

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 08 năm 2023

Nguyễn Thanh Hải

iv

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu chương trình Sau Đại Học của trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, học viên đã ghi nhận và phát triển được nhiều kiến thức, kinh nghiệm cho bản thân và có thể ứng dụng cho môi trường doanh nghiệp trong thời gian sắp tới Với đề tài nghiên cứu và hoàn thành dưới hình thức luận văn, chúng em đã vận dụng những kiến thức đã được tiếp thu trong quá trình học, những kiến thức cốt lõi từ các thầy, các đàn anh đi trước để có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến đề tài Đề tài của học viên là nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu hóa cơ cấu công cụ thể ở đây là “Nghiên Cứu Thiết

Kế & Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Khoan Với Sự Hỗ Trợ Của Rung Động Dùng Cơ Cấu Đàn Hồi”, mong rằng với lý thuyết và tính toán đưa ra có thể mang tính thực tiễn cao, cải thiện hiệu

quả và nâng cao chất lượng sản phẩm

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn chính của TS Đặng Quang Khoa cùng

sự hỗ trợ rất lớn của nhóm nghiên cứu của thầy PGS.TS Phạm Huy Tuân, TS Nguyễn Văn Khiển, bên cạnh đó những thầy cô bộ môn đã cho học viên một nền tảng vững chắc

để thực hiện trong quá trình Cho đến thời điểm này, đề tài đang đi đúng theo ý tưởng và

kế hoạch ban đầu trước khi nghiên cứu

Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

- Thầy PGS TS Phạm Huy Tuân – Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy – trường Đại học Sư

mô hình thiết kế Phân tích cho thấy sự khác biệt giữa kết quả tối ưu hóa và kết quả FEA

là 5% đối với tần số tự nhiên, 4% đối với ứng suất tương đương và 5% đối với chuyển vị của cơ cấu thiết kế Cuối cùng, mô hình sử dụng các thông số tối ưu được chế tạo và thực nghiệm để kiểm tra hiệu năng hệ thống

Keywords: Compliant mechanism, FEM, optimization, genetic algorithm, assisted drilling

vibration-vi

INTRODUCTION

Phương pháp gia công dưới sự hỗ trợ của rung động (VAM) là phương pháp gia công kết hợp giữa rung động biên độ nhỏ tần số cao được ứng dụng trên dụng cụ cắt hoặc phôi để cải thiện hiệu suất cắt đặc biệt với những vật liệu cứng giòn và chuyển động của dụng cụ cắt hoặc chuyển động của phôi trong quá trình gia công [1] Sự kết hợp của rung động mang nhiều lợi ích như tạo giảm lực cắt và nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt gọt, điều này làm cải thiện được chất lượng bề mặt cao, độ mài mòn của dụng cụ trong quá trình gia công vật liệu cứng giòn, khó gia công cắt gọt [2], [3] Trong các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, khoan và mài, phương pháp khoan là phương đơn giản hơn so với các phương pháp khác, chỉ bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến của mũi khoan Tuy nhiên, quá trình gia công cắt và thoát phoi diễn ra đồng thời trong cùng một không gian Điều này dẫn đến ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác và chất lượng

bề mặt do phoi thoát ra khỏi chi tiết gia công không thuận lợi

Vì vậy các nghiên cứu nhằm khắc phục các nhược điểm trên đã được thực hiện, trong khóa phương pháp khoan với sự hỗ trợ của rung động (VAD) chứng tỏ được nhiều

ưu điểm vượt trội, phần lớn các nghiên cứu hiện nay về VAD đều kết hợp bộ truyền động điện áp (PZT) vào dụng cụ cắt và hoạt động theo nguyên lý cộng hưởng [4]–[6] Điều này đòi hỏi sự phức tạp trong thiết kế cũng như vậy hành, khi đó tần số tự nhiên phải phù hợp với tần số rung của PZT Một số nghiên cứu khác đề xuất một giải pháp dễ dàng tiếp cận hơn trong đó dụng cụ cắt được tích hợp vào PZT, chúng hoạt động cố định theo kiểu tương

tự như VATurning [7]–[10]

Để khắc phục những nhược điểm của gia công hỗ trợ dựa theo cộng hưởng đã đề cập, một cơ cấu gồm các khớp bản lề (CMs) đã được thiết kế mới để có thể gá đặt lên bàn máy CNC Bộ đồ gá tích hợp này kết hợp bởi PZT là nguồn rung động hoạt động theo nguyên lý không cộng hưởng và được thiết kế như Hình A và tối ưu để tần số tự nhiên là lớn nhất

vii

Hình A: Kết cấu cơ cấu khoan kết hợp rung động

1) Mũi khoan; 2) Chi tiết gia công; 3) Cơ cấu VAD

4) PZT; 5) Phần khung kết kết cấu

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PZT: Piezoelectric

CM: Compliant mechanisms

CMs: Cơ cấu hàn hồi

VAM: Vibration–Assisted Machining

VAD: Vibration–Assisted Drilling

CD: Conventional Drilling

1D VAM: One–Direction Vibration–Assisted Machining

DOE: Design of Experiments

RSM: Response Surface Methods

FEM: Finite Element Method

GA: Giải thuật di truyền

HMP: Gia công kết hợp

ODM: Optimization Design Method

ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Giá trị Min-Max các phương án khảo sát 34

Bảng 3.2 Thiết kế các kích thước và tối ưu hóa 36

Bảng 3.3 Các nhân tố đầu vào và các mức giá trị 40

Bảng 3.4 Thiết kế quy hoạch thực nghiệm 40

Bảng 3.5 Đánh giá mô hình giải thuật di truyền 43

Bảng 3.6 Các thông số MOGA 48

Bảng 3.7 Các ứng viên tối ưu 48

Bảng 3.8 Đánh giá các ứng viên tối ưu và kết quả phần tử hữu hạn 52

Bảng 4.1 Các nhân tố và các mức giá trị thí nghiệm vật liệu UHMWPE 57

Bảng 4.2 Ngoại quang các lỗ thực được gia công bằng VAD và CD 59

Bảng 4.3 Bảng trực giao L27 gia công UHMWPE bằng phương pháp VAD 63

Bảng 4.4 Bảng trực giao L27 gia công UHMWPE bằng phương pháp CD 64

Bảng 4.5 Phân tích S/N về độ tròn của lỗ khoan (Rou.) 66

Bảng 4.6 Phân tích S/N về độ trụ của lỗ khoan (Con.) 67

Bảng 4.7 Phân tích S/N kích thước lỗ khoan (Tol.) 68

Bảng 4.8 Phân tích S/N về độ nhám bề mặt của lỗ khoan (Ra) 69

Bảng 4.9 Phân tích ANOVA về độ tròn của lỗ khoan (Rou.) 70

Bảng 4.10 Phân tích ANOVA về độ trụ của lỗ khoan (Con.) 70

Bảng 4.11 Phân tích ANOVA kích thước của lỗ khoan (Tol.) 71

Bảng 4.12 Phân tích ANOVA về độ nhám của lỗ khoan (Ra.) 71

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Các dạng cơ cấu đàn hồi thường gặp [16] 5

Hình 1.2 Các nghiên cứu về rung động [24] 7

Hình 1.3 Hệ thống các phương pháp HMP [25] 9

Hình 1.4 Cơ cấu đàn hồi 2-DOF ứng dụng cho phương pháp VAMill [27] 10

Hình 1.5 Mô hình VAD trên máy tiện [5] 11

Hình 1.6 Kết quả thực nghiệm khoan lỗ sâu [5] 12

Hình 1.7 CMs trong phương pháp VAD đã được thực hiện [29] 13

Hình 1.8 Bố trí thí nghiệm đổ đo lực cắt của VAM tích hợp giá đỡ dao [30] 14

Hình 1.9 Phoi sinh ra trong thí nghiệm VAM [30] 14

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm mô phỏng VAM [31], [32] 15

Hình 1.11 Mô phỏng nhiệt độ cắt [32] 16

Hình 2.1 Độ dịch chuyển và vận tốc góc của giao động điều hòa 19

Hình 2.2 Máy bay không người lái với nhiều bậc tự do 20

Hình 2.3 Biểu đồ dao động cộng hưởng 21

Hình 2.4 Phần mềm Minitab 25

Hình 2.5 Sơ đồ thực hiện tối ưu hóa [34] 26

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình xây dựng mô hình thí nghiệm trên ANSYS 29

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp VAD trên CMs 31

Hình 3.2 Khảo sát các phương án thiết kế 33

Hình 3.3 Mô hình CMs trong phương pháp VAD 36

Hình 3.4 Cơ cấu được chia thành các phần tử hữu hạn 38

Hình 3.5 Đánh giá mô hình sử dụng giải thuật di truyền 44

Hình 3.6 Ảnh hưởng của L1 và T2 đối với tần số tự nhiên 45

xi

Hình 3.7 Ảnh hưởng của L1 và T1 đối với ứng suất tương đương 45

Hình 3.8 Ảnh hưởng của L1 và T2 đối với chuyển vị 46

Hình 3.9 Độ nhạy của từng thông số đến hàm mục tiêu tối ưu 47

Hình 3.10 Đánh giá cơ cấu bằng FEM 50

Hình 3.11 Phân tích các MODE chuyển vị của cơ cấu CMs 51

Hình 4.1 Mô hình thí nghiệm phương pháp VAD trên CMs 53

Hình 4.2 Mô hình bố trí đo tần số và biên độ rung động của CMs 54

Hình 4.3 Gá đặt CMs lên máy Makino PS105 cho phương pháp VAD 55

Hình 4.4 Mô hình thí nghiệm VAD trên CMs 56

Hình 4.5 Đồ gá trong đo các chi tiết sau khi gia công 58

Hình 4.6 Ba-via trong phương pháp VAD 58

Hình 4.7 Ba-via trong phương pháp CD 58

Hình 4.8 Đo độ tròn, độ trụ và độ chính xác chi tiết lỗ khoan 60

Hình 4.9 Đo độ nhám lỗ gia công 61

Hình 4.10 Đồ thị đáp ứng Means các nhân tố ảnh hưởng độ tròn lỗ khoan (Rou.) 66

Hình 4.11 Đồ thị đáp ứng Means các nhân tố ảnh hưởng đến độ trụ (Con.) 67

Hình 4.12 Đồ thị đáp ứng Means các nhân tố ảnh hưởng kích thước lỗ khoan (Tol.) 68

Hình 4.13 Đồ thị đáp ứng Means các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám lỗ (Ra) 69

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu để phát triển một cơ cấu đàn hồi mới đảm bảo

về kết cấu nhỏ gọn để có thể ứng dụng vào các máy gia công CNC truyền thống Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm phải đưa ra được thông số vận hành của cơ cấu đàn hồi để ứng dụng vào thực tiễn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ nghiên cứu luận văn tập trung vào:

- Thiết kế, phân tích cơ cấu đàn hồi cấu tạo bởi các khớp CM

2

- Xây dựng quy trình thiết kế mô hình, phân tích đánh giá ảnh hưởng các thông số

từ đó tối ưu các thông số để đưa ra mô hình thiết kế tối ưu

- Thiết kế bộ thí nghiệm để tiến hành thí nghiệm nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của rung động với phương pháp khoan

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào xây dựng lại cơ cấu đàn hồi khác so với nghiên cứu khoa học trước đây nhằm tăng được khả năng công nghệ như về khả năng chuyển vị, tần số tự nhiên nhằm ứng dụng của cơ cấu vào quá trình thực nghiệm Cơ cấu mềm tối ưu được ứng dụng vào quá trình khoan với sự hỗ trợ rung động để đánh giá sự ảnh hưởng của rung động đến chất lượng của nguyên công khoan

5 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Bằng việc phân tích ưu điểm của phương pháp gia công dưới sự hỗ trợ của rung động cụ thể ở đây là phương pháp khoan cùng với việc phân tích các khớp CM trong các nghiên cứu trước đây từ dó phát triển một cơ cấu đàn hồi mới Phân tích, tính toán sự ảnh hưởng của các kích thước khớp CM cấu tạo nên CMs từ đó tìm ra thiết kế tối ưu Cuối cùng xây dựng mô hình, chế tạo, lắp đặt và thực nghiệm để đánh giá khả năng làm việc của

cơ cấu

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE)

- Phương pháp tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền (GA)

- Phương pháp Taguchi

6 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn

Trên thực tế đã có nhiều nghiên cứu về gia công với sự hỗ trợ của rung động, ở đây

là khoan với dự hỗ trợ của rung động dùng cơ cấu đàn hồi nhưng phần lớn chưa ứng dụng

3

nhiều vào sản xuất Cơ cấu được thiết kế không chỉ dành cho nghiên cứu mà được thiết kế trên cơ sở có thể ứng dụng vào sản xuất Ngoài ra, quá trình thiết kế, phân tích, tối ưu có thể sử dụng để tham khảo trong việc nghiên cứu thiết kế tối ưu các cơ cấu khác nhau

7 Cấu trúc luận văn gồm các phần:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng và tối ưu hóa

Chương 4: Thực nghiệm

Chương 5: Kết luận

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 giới thiệu một cách tiếp cận tổng quan về CM cấu tạo nên CMs cùng các phương pháp gia công hỗ trợ cùng các nghiên cứu trong và ngoài nước để giải thích về nghiên cứu trong luận văn và cơ sở để lựa chọn cơ cấu đàn hồi từ đó làm rõ phạm vi nghiên cứu

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Cơ cấu đàn hồi (CMs)

Cơ cấu đàn hồi cho phép truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng [15] Cơ cấu đàn hồi được tạo ra bằng cách loại bỏ một phần vật liệu gây ra độ bền uống thấp hơn so với các phần tử cấu tạo nên cơ cấu Các dạng hình học của khớp bản lề được

mô tả ở hình 1.1 CMs hoạt động dựa trên biến dạng đàn hồi của toàn bộ cơ cấu chứ không phải do chuyển động tương đối của các liên kết, Cơ cấu đàn hồi có ưu điểm hơn so với các

cơ chế truyền thống về giảm trọng lượng, tăng độ chính xác và chống ma sát dễ dàng thu nhỏ thiết kế và không cần sử dụng chất bôi trơn Trong các máy móc và thiết bị cần độ phân giải và chính xác cao cơ cấu đàn hồi được sử dụng như là giải pháp thay thế các khớp truyền thống Một số nghiên cứu về CMs và tối ưu hóa CMs tập trung vào xem xét để cải thiện độ bền mỏi, tăng chuyển vị và giảm bớt những chuyển động không mong muốn [16] Trong luận văn này việc nghiên cứu cơ cấu đàn hồi nhằm mục tiêu tăng tần số tự nhiên, giảm ứng suất tập trung và tạo ra sự dịch chuyển lớn nhất Bên cạnh đó việc chọn

CM phù hợp với ứng dụng và điều kiện gia công thực tế để đảm bảo tính ứng dụng của cơ cấu và dễ thay thế, sửa chữa về sau nên trong nghiên cứu này đã chọn CM hình 1.1c để tiến hành thực hiện thiết kế, phân tích trong các Chương 3

5

Hình 1.1 Các dạng cơ cấu đàn hồi thường gặp [16]

(a) hình bán nguyệt, (b) hình elip, (c) hình bo góc, (d) hình parabol, (e) hình hyperbol, (f) đường cong cycloid, (g) đường spline, (h) hình bán nguyệt, bo góc kết hợp 1.1.2 Gia công với sự hỗ trợ của rung động (VAM)

Các sản phẩm trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, năng lượng đòi hỏi vật liệu hiệu suất cao để duy trì các đặc tính cơ học mong muốn ở điều kiện làm việc khắc nghiệt Khả năng gia công của các vật liệu này nhìn chung là kém và tốn rất nhiều chi phí khi sử dụng quy trình gia công thông thường Với mục đích cải thiện khả năng gia công và giảm chi phí gia công, các phương pháp gia công kết hợp (HMP) mới hơn được sử dụng để gia công các vật liệu đang được phát triển Các quy trình HMP dựa trên sự kết hợp được được kiểm soát sự tương tác của các cơ chế xử lý, nguồn tác động và năng lượng để cải thiện quá trình gia công vật liệu [17]

Phương pháp gia công dưới sự hỗ trợ của rung động (VAM) là phương pháp HMP kết hợp giữa rung động biên độ nhỏ tần số cao được ứng dụng trên dụng cụ cắt hoặc phôi

để cải thiện hiệu suất cắt đặc biệt với những vật liệu cứng giòn và chuyển động của dụng

cụ cắt hoặc chuyển động của phôi trong quá trình gia công [1] VAM bổ xung năng lượng

tự bên ngoài vào quá trình gia công truyền thống, rung động được tạo ra ở tần số cao và biên độ thấp tác động vào dụng cụ cắt hoặc chi tiết tạo ra sự tách biệt của phoi và chi tiết

6

gia công làm giảm lực trung bình và tạo ra các phoi có hình dạng mỏng hơn, từ đó nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt [18]–[23]

Theo hoạt động của gia công hỗ trợ bởi rung động, các thiết bị rung được đề xuất

có thể được chia làm hai nhóm, nhóm rung động không cộng hưởng và nhóm rung động cộng hưởng Với cơ cấu rung động không cộng hưởng, tần số có thể thay đổi được, để tăng tính ổn định các khớp CM được sử dụng do có thể đáp ứng được các yêu cầu rung động ở biên độ và tần số cao cùng với ưu điểm có thể kiểm soát các nhân tố về tần số và biên độ bằng cách tránh tần số tự nhiên Đối với hệ thống rung động cộng hưởng tần số rung động được cố định bằng tần số tự nhiên của cơ cấu Hệ thống này có thể đạt được tần số hoạt động, hiệu suất năng lượng cao hơn so với hệ thống không cộng hưởng Tuy nhiên, quỹ đạo rung và biên độ khó kiểm soát So giữa hệ thống hỗ trợ bởi rung động cộng hưởng và rung động không cộng hưởng, hệ thống không cộng hưởng có độ chính xác về biên độ rung động và tần số cao hơn, phù hợp trong nghiên cứu ở các tần số và biên độ rung động khác nhau để tìm được ưu điểm của rung động hỗ trợ với quá trình gia công [24]

7

Hình 1.2 Các nghiên cứu về rung động [24].

(a) rung động không cộng hưởng, (b) rung động không cộng hưởng

Hình 1.2 các nghiên cứu trước đây tập trung ở tần số rung động từ 4 ÷ 6 kHz và biên

độ 4 ÷ 6 µm, nghiên cứu này chọn ở dãy tần số khảo sát từ 1 ÷ 3 kHz và biên độ 2 ÷ 6 µm

để xem ưu điểm và tiếp tục nghiên cứu ở dẫy tần số cao hơn trong tương lai

8

1.1.3 Khoan với sự hỗ trợ của rung động (VAD)

Trong các phương pháp gia công truyền thống, phương pháp khoan được biết đến là một phương pháp gia công có độ chính xác thấp hơn các phương pháp gia công khác như tiện, phay,… Phương pháp VAD cũng đã được chứng minh các ưu điểm về tốt hơn phương pháp CD Các nghiên cứu về phương pháp VAD đa phần được thiết kế với bộ rung động tác động lên dao và sử dụng rung động cộng hưởng Với phương pháp tác gia công VAD tác động lên chi tiết gia công cùng hệ thống rung động không cộng hưởng vẫn chưa được nghiên cứu sâu rộng Do yêu cầu nâng cấp và giảm chi phí trong sản xuất vậy nên một cơ cấu mới CMs mới được nghiên cứu để đưa vào thực tiễn

1.2 Các nghiên cứu liên quan

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Trong nước đã quan tâm tâm nhiều đến các phương pháp gia công hỗ trợ để nâng cao chất lượng của ngành sản xuất gia công chế tạo trong nước, các nghiên cứu dựa theo hướng

có thể áp dụng được vào thực tiễn sản xuất Gia công kết hợp là một lĩnh vực lớn để các nhóm nghiên cứu có thể đi sâu hơn để tìm ra được những thiết kế tối ưu và tính ứng dụng trong thực tiễn

1.2.1.1 Nghiên cứu về các phương pháp gia công kết hợp (HMP)

Các đề tài nghiên cứu khoa học trong nước cũng đang tập trung nghiên cứu các phương pháp HMP nhằm mục đích cải tiến và nâng cao được hiệu suất và chất lượng của quá trình gia công Có thể phân loại HMP dựa vào nguồn năng lượng được sử dụng trong quá trình HMP được hỗ trợ bằng năng lượng cơ học, các quá trình này được sử dụng năng lượng cơ học để hỗ trợ quá trình gia công như gia công với sự hỗ trợ của rung động, hỗ trợ của áp lực, v.v HMP được hỗ trợ bằng năng lượng nhiệt, các quá trình sử dụng nhiệt để hỗ trợ gia công có hỗ trợ bằng laser, gia công có hỗ trợ bằng plasma, gia công bằng tia lửa điện, v.v HMP được hỗ trợ bằng năng lượng điện từ như gia công mài mòn bằng từ tính, gia công

có hỗ trợ từ trường, v.v

9

Trong nước đã quan tâm tâm nhiều đến các phương pháp gia công hỗ trợ, đặc biệt là phương pháp gia công với hỗ trợ bằng năng lượng cơ học như VAMill, VATurn, VADrill, VA-3D Printing, VAEDM, VA-Wire EDM v.v

Hình 1.3 Hệ thống các phương pháp HMP [25]

1.2.1.2 Nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi

Để tăng độ ổn định và đạt hiệu quả trong việc sử dụng rung động, các cơ cấu đàn hồi (CM) được áp dụng để tăng hiệu quả quá ứng dụng rung động vào các phương pháp gia công truyền thống Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự (2021) đã nghiên cứu cơ cấu dẫn hướng dựa trên nghiên cứu các CMs, bằng việc tối ưu hóa các thông

số hình học của cơ cấu để ứng dụng khớp mềm đàn hồi vào lĩnh vực y sinh [26]

10

1.2.1.3 Nghiên cứu về gia công dưới sự hỗ trợ của rung động

Nhóm nghiên cứu của Phạm Huy Tuân và các cộng sự (2020) đã ứng dụng VAM, nhóm nghiên cứu đã thiết kế tối ưu cơ cấu sử dụng CMs, động theo hai phương vuông góc

x và y được tạo ra bởi hai bộ nguồn PZT tác động độc lập lên cơ cấu đàn hồi để để ứng dụng vào phương pháp phay (VAMilling) Kết quả mô phỏng cho thấy sự ổn định của PZT đối với chuyển động đầu vào [27]

Hình 1.4 Cơ cấu đàn hồi 2-DOF ứng dụng cho phương pháp VAMill [27]

11

1.2.1.4 Nghiên cứu về khoan với sự hỗ trợ của rung động

Nhóm nghiên cứu của Phạm Văn Nghị và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng rung động tần số thấp để khoan lỗ sâu trên vật liệu nhôm, hiện tượng kẹt và gãy mũi khoan không còn khi có rung động hỗ trợ vào quá trình khoan [28]

Nhóm nghiên cứu của Ngoc-Hung Chu và các cộng sự (2018) đã nghiên cứu và thực nghiệm về kiểm chứng cơ cấu VAD với vật liệu nhôm 6061, bộ rung động được tích hợp lên gia đỡ dao và được thực hiện trên máy tiện hình 1.5 Kết quả thực nghiệm cho thấy VAD khoan được tốc độ loại bỏ vật liệu dưới tác động của rung độ cao hơn 3.5 so với phương pháp CD Nhiệt độ khoan và mô-men xoắn giảm lần lượt là 3.5 lần và 6 lần Hơn nữa, tuổi thọ của dụng cụ cũng được nâng cao 2,5 đến 5 lần về số lượng lỗ khoan được khoan Chiều dài lỗ sâu có thể khoan lỗ sâu thành công với VAD nhiều hơn so với phương pháp CD [5]

Hình 1.5 Mô hình VAD trên máy tiện [5]

12

Hình 1.6 Kết quả thực nghiệm khoan lỗ sâu [5]

a) thí nghiệm khoan lỗ sâu CD;

b) thí nghiệm khoan lỗ sâu VAD;

Nghiên cứu tối ưu cơ cấu khoan với sự hỗ trợ của rung động sử dụng cơ cấu CMs của nhóm sinh viên trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp HCM đề tài nghiên cứu và tối ưu cơ cấu mềm Cơ cấu trên có ý tưởng về thiết kế tối ưu tốt với bộ rung động tác động lên cơ cấu mềm chứa phôi Cơ cấu vẫn chưa áp dụng thành công cơ cấu đàn hồi vào trong gia công thí nghiệm Cơ cấu này khi cơ cấu tác động tác động của PZT lên cơ cấu đàn hồi khi

đo rung động rất nhỏ, chưa ứng dụng được vào thực nghiệm [29]

13

Hình 1.7 CMs trong phương pháp VAD đã được thực hiện [29]

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, thế giới đã nghiên cứu ứng dụng rung động theo nhiều cách khác nhau cho các quy trình gia công cơ truyền thống như tiện, khoan, mài và phay, được gọi là gia công với sự hỗ trợ của rung động Như vậy, so với khoan truyền thống (CD), VAD là quá trình cắt gián đoạn, ưu điểm của phương pháp này là đặt tần số rung động với biên độ nhỏ lên dụng cụ hoặc phôi nhằm cải thiện quá trình tần số rung động loại bỏ vật liệu như là giảm lực cắt, độ mài mòn dụng cụ cắt, tăng độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt gia công

Mô tả quá trình thí nghiệm đo lực cắt dưới sự hỗ trợ của rung động

Nhóm nghiên cứu Ladonne và cộng sự (2015) đã ứng dụng rung động vào quá trình khoan nhằm tạo ra quá trình cắt không liên tục, chuyển động của rung động cho phép cải thiện được khả năng thoát phoi bằng cách phá vỡ phoi bằng rung động Mô hình thí nghiệm này mà nhóm nghiên cứu được thể hiện ở hình 1.6 bộ rung động được tích hợp vào giá đỡ

14

dao, thí nghiệm còn bố trí một cảm biến tải trọng để kiểm tra lực cắt của mũi khoan, kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của rung động đã bẻ gãy liên kết phoi để sinh ra phoi vụn hình 1.7b [30]

Hình 1.8 Bố trí thí nghiệm đổ đo lực cắt của VAM tích hợp giá đỡ dao [30]

Hình 1.9 Phoi sinh ra trong thí nghiệm VAM [30]

15

c) thí nghiệm không tác động bởi rung động

d) phôi vụn khi có sự tác động của rung động

Nhóm nghiên cứu Lei Wei và cộng sự (2019) đã nghiên cứu hiệu suất của khoan siêu

âm (UAD) trong gia công tấm Ti-6Al-4V và Al2024-T351 bằng phương pháp FEM để xem sự ảnh hưởng của UAD đến quá trình gia công với phương pháp khoan truyền thống

Mô hình thí nghiệm được sử dụng để mô phỏng VAM được bố trí như hình 1.8, bộ rung động được tích hợp vào đồ gá chưa phôi, rung động được truyền trực tiếp đến phôi Kết quả của nghiên cứu đã chứng mình UAD hỗ trợ giúp chất lượng lỗ tốt hơn và giảm được nhiệt độ căt hình 1.9 [31], [32]

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí thí nghiệm mô phỏng VAM [31], [32]

Với đề tài “Nghiên Cứu Thiết Kế & Tối Ưu Hóa Cơ Cấu Khoan Với Sự Hỗ Trợ Của Rung Động Dùng Cơ Cấu Đàn Hồi” là rất phù hợp với yêu cầu và ứng dụng trong thời gian sắp tới để gia công các chi tiết bằng vật liệu cứng, giòn và khó gia công chế tạo Cùng

17

với nền tảng về nghiên cứu các phương pháp HMP, nghiên cứu về các CMs trước đây đã tạo một nền tảng để thực hiện nghiên cứu này Thông qua việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số hình học của cơ cấu đàn hồi từ đó thiết kế tối ưu và thực nghiệm để đưa

ra được bộ thông số hoạt động ứng dụng vào quá trình sản xuất

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng cơ cấu các khớp CM mới, đảm bảo tính ổn định khi sử dụng cơ cấu rung động tác động lên các khớp CM Cơ cấu đàn hồi có thể đáp ứng được các tần số rung động trong dãy tần số khảo sát, không bị hư hỏng khi dưới ngoại lực tác động lên các khớp CM, đồng thời phải đảm bảo CMs

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các khớp CM bản lề cấu tạo nên cơ cấu đàn hồi (CMs) Cơ cấu đàn hồi sự ứng dụng và thực nghiệm trong nguyên công khoan dưới sự hỗ trợ của rung động

1.6 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

- Bằng việc phân tích cơ cấu, các ứng xử của cơ cấu dưới tác động của ngoại lực, xem sự ảnh hưởng của từng thông số kích thước đến hàm mục tiêu của nghiên cứu

- Xây dựng một quy trình thiết kế, thực nghiệm để tìm cơ cấu đàn hồi tối ưu

- Xây dựng bộ thí nghiệm bằng quy hoạch thực nghiệm để khảo sát sự ảnh hưởng của rung động và tần số

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp mô phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng số

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DoE) để phân tích đáp ứng bề mặt (RSM)

- Phương pháp giải thuật di truyền để tối ưu hóa

- Phương pháp Taguchi để phân tích kết quả thực nghiệm