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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021-148 S KC 0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CÚU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA MƠ HÌNH KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI SV 2021-148 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thái Minh Phương TP Hồ Chí Minh, 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CƯU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI SV2021-148 Thuộc nhóm ngành khoa học : Khoa học kỹ thuật SV thực : Nguyễn Thái Minh Phương Nam,Nữ : Nữ Dân tộc : Kinh Lớp, khoa : 17143CL1B, khoa đào tạo chất lượng cao Năm thứ: /Số năm đào tạo:4 Ngành học : Công nghệ chế tạo máy Người hướng dẫn : Ts Đặng Quang Khoa TP Hồ Chí Minh, 10/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề: .1 1.2 Ứng dụng gia cơng có hỗ trợ dao động 1.2.1 Tiện có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Turning – VAT) 1.2.2 Mài có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Grinding – VAG) 1.2.3 Phay có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Milling): 1.3 Tổng quan tình hình nghiên và ngoài nước đề tài: 1.3.1 Ngoài nước 1.3.2 Trong nước 13 1.4 Tính cấp thiết .15 1.5 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu .16 1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 16 1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 16 1.6 Phương pháp nghiên cứu 16 1.7 Kế hoạch thực 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Gia công có dao động hỗ trợ: .17 2.1.1 Gia cơng có dao động hỗ trợ gì? .17 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống cắt .17 2.1.3 Những lợi ích gia cơng có dao động hỗ trợ 18 2.2 Nguồn tạo dao động .18 2.2.1 Công nghệ Piezo 19 2.2.2 Cấu tạo chung nguồn dao động 20 2.2.2.1 Đặc điểm PZT 20 2.2.2.2 Cấu tạo PZT .21 2.2.3 Nguyên lý chung nguồn tạo dao động 22 2.2.4 Các lưu ý lắp PZT 22 2.2.5 Xác định thông số vận hành cho PZT 24 2.2.6 Tính tốn ảnh hưởng khối lượng 24 2.2.7 Tần số vận hành lớn nhất PZT 25 2.3 Tần số dao động tự nhiên .26 2.4 Khớp nối mềm .26 2.4.1 Khớp nối mềm gì? .26 2.4.2 Các loại khớp nối mềm 27 2.4.2.1 Khớp nối mềm hình bán nguyệt .27 2.4.2.2 Khớp nối mềm hình elip 28 2.4.2.3 Khớp nối mềm bo góc(fillet) 28 2.4.2.4 Khớp nối mềm hình parabol 29 2.4.2.5 Khớp nối mềm hình hyperbol .29 2.4.3 Phân tích lựa chọn loại khớp nối mềm 30 2.5 Phương pháp tối ưu hóa thiết kế 31 2.5.1 Design of experiment (DOE) 31 2.5.2 Response surface 34 2.5.2.1 Response surface methodology gì? 34 2.5.2.2 Nguyên lý hoạt động response surface methodology tối ưu hóa 35 2.5.3 Design Of Experiment ANSYS Workbench .37 2.5.3.1 Central Composite Design (CCD) 38 2.5.3.2 Box – Behnken Design 40 2.5.3.3 Custom 41 2.5.3.4 Custom + Sampling 42 2.5.3.5 Sparse Grid Initialization 43 2.5.3.6 Latin Hypercube Sampling Design 44 2.5.3.7 Optimal Space-Filling Design 45 2.5.3.8 Tổng kết 47 2.5.4 Response Surface Methodology in ANSYS Workbench .50 2.5.4.1 Genetic Aggregation .50 2.5.4.2 Standard Response Surface – Full 2nd Order Polynomials .51 2.5.4.3 Kriging 52 2.5.4.4 Non-Parametric Regression 54 2.5.4.5 Neural Network 55 2.5.4.6 Sparese Grid 57 2.5.4.7 Tổng kết 59 2.5.5 Optimization ANSYS 60 2.5.5.1 Screening 60 2.5.5.2 MOGA 61 2.5.5.3 Tổng kết 61 2.5.6 Các thông số đầu cần lưu ý .61 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH 63 3.1 Nguyên lý hoạt động thiết bị 63 3.2 Chọn vật liệu 63 3.3 Phương án thiết kế bàn gá phôi 64 3.3.1 Phương án 64 3.3.2 Phương án 65 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ TỐI ƯU MƠ HÌNH 67 4.1 Các modul phân tích Ansys Workbench: 67 4.1.1 Modal Analysis (phân tích dạng dao động) 67 4.1.2 Harmonic Response Analysis (phân tích đáp ứng điều hịa) 67 4.1.3 Frequency Response (đáp ứng tần số) 68 4.1.4 Fatigue Analysis (phân tích độ bền mỏi): .69 4.1.4.1 Hiện tượng phá hủy mỏi: 69 4.1.4.2 Mục đích việc phân tích độ bền mỏi: .69 4.1.4.3 Sự phá hủy mỏi vật liệu: 69 4.1.5 Fatigue Tool: 70 4.1.5.1 Tuổi thọ (Life): .70 4.1.5.2 Độ phá hủy mỏi (Damage): .70 4.1.5.3 Yếu tố an toàn (Safety Factor): 70 4.1.5.4 Chỉ số đa trục (Biaxial Indication): 70 4.2 Phân tích động học bàn máy 71 4.2.1 Chia lưới Ansys Workbench .71 4.2.2 Phân tích dạng dao động .73 4.2.2.1 Điều kiện biên 73 4.2.2.2 Output .74 4.2.2.3 Nhận xét 75 4.2.3 Phân tích đáp ứng điều hịa (Harmonic Response Analysis): .76 4.2.3.1 Điều kiện biên 76 4.2.3.2 Output .77 4.2.3.3 Nhận xét 79 4.2.4 Phân tích phá hủy (Fatigue) 80 4.2.4.1 Điều kiện biên 80 4.2.4.2 Output .80 4.2.4.3 Nhận xét 82 4.3 Phân tích lựa chọn phương án .82 4.4 Tối ưu hóa mơ hình: 83 4.4.1 Các biến tối ưu 84 4.4.3 Design Space 87 4.4.4 Đặt biến đầu vào 87 4.4.5 Quá trình tối ưu .90 4.4.5.1 Tối ưu lần 91 4.4.5.2 Tối ưu lần 96 4.4.5.3 Tối ưu lần 102 4.4.5.4 Nhận xét kết luận .105 CHƯƠNG 5: GIA CƠNG MƠ HÌNH .106 5.1 Gia công bàn máy 106 5.2 Các chi tiết khác 107 5.3 Mơ hình hồn chỉnh 109 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 110 6.1 Kết đạt được 110 6.2 Đề xuất kiến nghị .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .111 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kế hoạch thực .16 Bảng 2.1 So sánh loại khớp nối mềm 30 Bảng 2.2 So sánh loại DOE 47 Bảng 2.3 So sánh loại RSM 59 Bảng 4.1 Thí nghiệm dao động khơng tải từ thiết bị tạo dao động P225.10 67 Bảng 4.2 Bảng liệu theo đồ thị biên độ - tần số phân tích Frequency Response Normal Stress 69 Bảng 4.3 So sánh thời gian kết Mesh khớp mềm .71 Bảng 4.4 Chia lưới Ansys .72 Bảng 4.5 Điều kiện biên phân tích dạng dao động phần mềm Ansys 73 Bảng 4.6 Kết phân tích dạng dao động phần mềm Ansys cho khớp nối mềm 74 Bảng 4.7 Điều kiện biên phân tích đáp ứng điều hòa phần mềm Ansys .76 Bảng 4.8 Kết phân tích đáp ứng điều hịa phần mềm Ansys 77 Bảng 4.9 Bảng đồ thị đáp ứng tần số phản hồi pha phân tích đáp ứng điều hịa phương án 78 Bảng 4.10 Bảng đồ thị đáp ứng tần số phản hồi pha phân tích đáp ứng điều hịa phương án 78 Bảng 4.11 Điều kiện biên phân tích phá hủy phần mềm Ansys 80 Bảng 4.12 Kết phân tích phá hủy phần mềm Ansys cho khớp nối mềm 80 Bảng 4.13 Bảng so sánh hai phương án phân tích phá hủy theo mơ đun Static Structual 82 Bảng 4.14 Đặt biến 87 Bảng 4.15 Quá trình tối ưu lần kết 91 Bảng 4.16 Kết tối ưu lần 96 Bảng 4.17 Quá trình tối ưu lần kết 97 Bảng 4.19 Quá trình tối ưu hóa lần và kết 102 Bảng 4.20 Kết tối ưu lần 104 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CCD : Central Composite Design CFRP : Carbon Fibre Reinforced Plastics CR-39 : Optical Plastics DOE EV LHS MEMS : Design of experiment : Elliptical Vibration : Latin Hypercube Sampling : Micro Electro Mechanical Systems MOGA : Multi-Objective Genetic Algorithm NPR : Non-Parametric Regression OSF : Optimal Space-Filling PZT : Piezoelectric RSM : Response surface methodology UPM : Ultra – precision Machining VAD : Vibration – Assisted Drilling VAG : Vibration – Assisted Grinding VAM : Vibration – Assisted Machining VAT : Vibration – Assisted Turning VAM : Vibration – Assisted Milling 1D VAM : one – direction Vibration – Assisted Machining 2D VAM : two – direction Vibration – Assisted Machining Bảng Local Sensitivity Mục tiêu ràng buộc Candidate Points Optimization 100 Sensitivities Bảng 4.18 Kết tối ưu lần Kết Chưa tối ưu Tối ưu lần Tối ưu lần Tần số 998.9 Hz 1308.6 Hz 2409 Hz 101.7 MPa 72.114 MPa 33.597 MPa Ứng suất Phân tích: Sau tiến hành tối ưu lần 2, ta đã đạt được mục tiêu Ta gán cho biến lại giá trị xác định dựa vào liệu kết bên (L1=24mm, L3=10mm, T=3mm) Cuối cùng, ta tiến hành tối ưu thông số Inputs cuối P4 (L) Ta thực q trình tối ưu lần 2, cho biến P4 chạy giới hạn 75-80 để có kết tối ưu cuối 101 4.4.5.3 Tối ưu lần Bảng 4.19 Quá trình tối ưu hóa lần và kết Đặt giới hạn cho Input (không 50% giá trị biến) Lower Bound Upper Bound P1 (L1=24mm) X P2 (L2=2mm) X P3 (L3=10mm) X P4 (L=80mm) 75 80 P5 (R=2mm) X P6 (T=3mm) X P7 (F=2mm) X Design of Experiments Bảng Min-Max Search Response Surface 102 Biếu đồ Response input output P4P8 P4P9 Bảng Local Sensitivity 103 Mục tiêu ràng buộc Candidate Points Optimization Sensitivities Bảng 4.20 Kết tối ưu lần Kết Tần số Ứng suất Chưa tối ưu 998.9 Hz 101.7 MPa Tối ưu lần 1308.6 Hz 72.114 MPa 104 Tối ưu lần 2409 Hz 33.597 MPa Đã tối ưu 2678.8 Hz 28.9 MPa 4.4.5.4 Nhận xét kết luận Sau tiến hành tối ưu lần 3, ta thấy xu hướng biến P4 (L) là xuống, có nghĩa càng giảm tốt, các điều kiện đặt ban đầu Design Space nên ta giảm được chọn L=75mm làm thông số cuối Từ kết bên trên, ta thấy được tần số sau tối ưu tăng khoảng 2.7 lần ứng suất giảm khoảng 3.5 lần so với ban đầu Như vậy cho thấy được tầm quan trọng việc tối ưu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Nhưng để kiểm chứng cho kết ta cần phải có thêm bước kiểm nghiệm thực tế Và để kiểm tra chất lượng bề mặt lỗ khoan sau gia cơng, nhóm tác giả cắt đôi lỗ để dễ dàng cho việc đo kiểm và đánh giá 105 CHƯƠNG 5: GIA CƠNG MƠ HÌNH 5.1 Gia công bàn máy Bàn máy chi tiết quan trọng nhất tồn mơ hình nên cần được gia cơng với cấp xác cao, để đáp ứng được gần nhất với liệu đã mơ Cấp xác chọn cấp Độ bóng bề mặt Rz12.5 Phương pháp gia cơng phay Hình 5.1 Bản vẽ tấm (VAD01) Hình 5.2 Gia cơng tấm 106 Hình 5.3 Gia cơng tấm 5.2 Các chi tiết khác Hình 5.4 Bản vẽ gối đỡ (VAD02) 107 Hình 5.5 Bản vẽ chốt dẫn hướng (VAD03) Hình 5.6 Bản vẽ tấm (VAD04) Hình 5.7 Bản vẽ tấm đế (VAD05) 108 5.3 Mơ hình hồn chỉnh Hình 5.8 Mơ hình hồn chỉnh 109 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết đạt Trình bày được nguyên lý hoạt động VAM và các ứng dụng VAM các phương pháp gia công truyền thống Nghiên cứu cấu đàn hồi, phân tích các loại khớp mềm và lựa chọn loại phù hợp nhất áp dụng vào đề tài nghiên cứu Dựa thiết kế có sẵn ban đầu, sử dụng modul Design Of Experiment Response Surface phần mềm ANSYS để tối ưu hóa các kích thước bàn máy với mục đích tăng tần số lên cao nhất và giảm ứng suất xuống thấp nhất Sau lần tối ưu, tần số từ 998.9Hz tăng lên 2678.8Hz, tăng khoảng 2.7 lần ứng suất từ 101.7MPa giảm xuống 28.9, giảm khoảng 3.5 lần so với ban đầu 6.2 Đề xuất kiến nghị Đề tài này đã hoàn thiện phần tính tốn thiết kế, mơ tối ưu cho thiết bị tích hợp rung động lên bàn gá khoan Bước kế tiếp, nhóm kiến nghị nên phát triển theo hướng làm chủ hướng xuống bàn máy PZT truyền rung động, với thiết kế nhóm, ta chủ động quá trình PZT đẩy bàn máy lên 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.b Kim and Y Roh (1998), "New design of matching layers for high power and wide band ultrasonic transducers", Sensors and Actuators A: Physical, vol 71, pp 116122 [2] J Kim and I Choi (1997), "Micro surface phenomenon of ductile cutting in the ultrasonic vibration cutting of optical plastics", Journal of Materials Processing Technology, vol 68, pp 89-98, [3] M A Cerniway (2001), "Elliptical diamond milling: kinematics, force and tool wear", MS Thesis, North Carolina State University, USA [4] Ping Zou, Yingshuai Xu, Yu He, Mingfang Chen, Hao Wu, “Experimental Investigation of Ultrasonic Vibration Assisted Turning of 304 Austenitic Stainless Steel”, Hindawi Publishing Corporation Shock and Vibration Volume 2015, pp.2-18 [5] Naresh kumar Marojua, Xiaoliang Jinb, “Effects of Vibration Assistance on Surface Residual Stress in Grinding of Ti6Al4V Alloy”, 45th SME North American Manufacturing Research Conference, NAMRC 45, LA, USA, pp.172-180 [6] Wanqun Chen, Dehong Huo, Yilun Shi J M Hale, “State of the art review on vibration assisted milling: principle, system design, and application”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2018) 97:2033–2049 [7] Lin-hong Xu , Hao-bo Na, Guang-chao Han, “Machinablity improvement with ultrasonic vibration–assisted micro-milling”, Advances in Vibration Control of Structures and Machinery - Research Article, pp.2-11 [8] Mohamed Yassin Baraya, Hassan El-Hofy, Mohab Hossam, “Applications and Designs of Vibration-Assisted Machining Devices”, Key Engineering Materials ISSN: 1662-9795, Vol 775, pp 480-486pp.485 [9] Oliver Pecata, Ekkard Brinksmeierb, “Tool wear analyses in low frequency vibration assisted drilling of CFRP/Ti6Al4V stack material”, 6th CIRP International Conference on High Performance Cutting, HPC2014, pp 143-146 [10] Friedrich Bleicher, Gerhard Wiesinger, Christoph Kumpf, Daniel Finkeldei, Christian Baumann, Christoph Lechner, “Vibration assisted drilling of CFRP/metal 111 stacks at low frequencies and high amplitudes”, Production Engineering (2018) 12:289–296, pp 290-295 [11] Ramy Hussein , Ahmad Sadek , Mohamed A Elbestawi M Helmi Attia, “An Investigation into Tool Wear and Hole Quality during Low-Frequency VibrationAssisted Drilling of CFRP/ Ti6Al4V Stack”, Department of Mechanical Engineering, McMaster University, Hamilton, ON L8S 4L7, Canada, pp.1-19 [12] Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, “GIẢI PHÁP KHOAN LỖ SÂU TRÊN HỢP KIM NHƠM CĨ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG TẦN SỐ THẤP”, Tạp chí khí Việt Nam Số năm 2015 [13] Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân, 2015, “Cơ cấu đàn hồi các hướng ứng dụng,” Hội nghị Khoa học- Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí (lần thứ 4), ngày 6/11/2015, Tp.HCM, pp 778-786 [14] Phạm Huy Tuân, Nguyễn Thị Thanh My, Trần Nguyễn Anh Khoa, Phan Nhật Quang , “THIẾT KẾ, TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG MƠ HÌNH KHOAN CĨ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ”, pp 1-25 [15] Van-Khien Nguyen ,“ Tối ưu cấu ăn dao sở cấu mềm” [16] W Xu and T King, “Flexure hinges for piezoactuator displacement amplifiers: flexibility, accuracy, and stress considerations, Precis”, Eng 19(1), pp.4–10 [17] N Lobontiu, et al, “Corner-Filleted Flexure Hinges”, J Mech Des 123(3), 346352 (2001) [18] N Lobontiu, et al’ “Design of symmetric conic-section flexure hinges based on closed-form compliance equations”, Precis Eng 26(2), pp.183–192 [19] P-2x5 Piezo Actuator, 2018 [20] Nicolae Lobontiu, “COMPLIANT MECHANISMS Design of Flexure Hinges”, pp 1, 8-62 [21] Quian Lu and Xifu Chen (e2020) “Application of Piezoeclectric actuator in series nan-positioning stage”, Science Progress, Vol 103 [22] Raymond Browell, Al Hancq (2006), “Calculating and Displaying Fatigue Results”, ANSYS Inc 112 [23] Khac-Huy Nguyen, Van-Khien Nguyen, Huy-Tuan Pham*, Quang-Khoa Dang, Trung-Kien Hoang, Son-Minh Pham, “Optimization Design of a 2-DOF Compliant Parallel Mechanism Using NSGA-II Algorithm for Vibration-Assisted Milling” [24] Maroju Naresh Kumara *, Kanmani Subbu S.b , Vamsi Krishna P.c and Venugopal A.d, “Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining: A Review”, 12th GLOBAL CONGRESS ON MANUFACTURING AND MANAGEMENT, GCMM 2014, pp 1578-1581 [25] TS Đỗ Thành Trung, “Giáo trình Ansys- Phân tích ứng suất biến dạng”, pp 15-31 [26].https://www.slideshare.net/LeSang4/thit-k-v-phn-tch-th-nghim-doe-design-ofexperiment [27] http://hoangsyquy.blogspot.com/2018/10/design-of-experiments-doe.html [28] https://leansigmavn.com/phng-php-6sigma-thit-nghim-doe/ [29].http://xdulieu.com/thiet-ke-thi-nghiem/tn5-be-mat-dap-ung/md0-khai-quat-vephuong-phap-be-mat-dap-ung.html [30] http://xdulieu.com/thiet-ke-thi-nghiem/index.html [31] http://Central Composite Design for Response Surface Methodology and Its Application in Pharmacy | IntechOpen [32] https://ichi.pro/vi/hoi-quy-voi-vo-so-tham-so-quy-trinh-gaussian-9774929983640 113 S K L 0 ... VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CÚU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG CƠ CẤU ĐÀN... TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CƯU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI SV2021-148 Thuộc nhóm ngành khoa học : Khoa học... tiêu nghiên cứu Thiết kế, tính tốn tối ưu hóa mơ hình khoan có tích hợp hỗ trợ dao động 1.5.2 Đối tượng nghiên cứu Tìm hiểu mơ hình khoan có hỗ trợ dao động, phân tích động học để tối ưu hóa