3. Ý nghĩa của đề tài
3.4.2. Nghiên cứu dựa trên các mô hình mô phỏng
Ngoài các phƣơng pháp nghiên cứu dựa trên mô hình lý thuyết trên. Ngày nay, với sự phát triển nhƣ vũ bão của tin học và ứng dụng công nghệ của máy tính vào trong tính toán thiết kế công nghiệp. Đặc biệt, công nghệ đồ họa 2D, 3D việc thiết kế và nghiên cứu các chi tiết máy, máy, mô phỏng các quá trình gia công bằng các phần mềm đồ họa ( MASTERCAM, INVENTER, CATIA…) đang ngày càng phát triển và phổ biến
Các mô hình mô phỏng trên máy tính có những ƣu điểm sau: * Thiết kế, chỉnh sửa dễ dàng
* Trực quan hơn, cho phép quan sát đƣợc ở nhiều góc nhìn 3D * Tăng độ chính xác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
* Lƣu trữ thành cơ sở dữ liệu giữa để dễ quản lý hơn. Trao đổi thông tin một cách nhanh chóng dễ dàng
* Phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn
Khi phay các bề mặt phức tạp thì việc gia công chính xác là rất khó khăn, hạn chế. Bởi vì, do lực cắt khi phay gây ra sai lệch và độ tin cậy của gia công phay không đạt yêu cầu. Nhằm nâng cao, cải thiện chất lƣợng bề mặt trong khi vẫn duy trì độ tin cậy cao của quá trình phay. Với sự nghiên cứu tìm hiểu công nghệ mới ứng dụng máy tính vào trong thiết kế sản xuất [18], [19]. K. Weinert cùng với cộng sự của ông là A. Enselmann và J. Friedhoff đã đƣa ra nghiên cứu bằng cách ứng dụng dựa trên máy tính: “Mô phỏng gia công phay để tối ƣu quá trình trong lĩnh vực sản xuất Khuôn kéo sợi và khuôn mẫu” đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals – Công nghệ sản xuất (1997) [18]. Nghiên cứu đã đƣa ra phƣơng pháp phát triển sử dụng hiệu quả mô hình khối để mô phỏng quá trình cắt. Đồng thời tính toán lƣợng chạy dao tối ƣu các khía cạnh chính trong công nghệ phay 3 trục trong tính toán, lựa chọn lƣợng chạy dao tƣơng ứng. Việc lựa chọn lƣợng chạy dao hợp lý nhằm mục đích để tránh dụng cụ chịu quá tải trong khi đang gia công các bề mặt. Việc ứng dụng CAD (Computer Aided Design) vào trong mô phỏng gia công phay là rất cần thiết, nhằm cải thiện nâng cao chất lƣợng bề mặt là phƣơng pháp rất hiệu quả và đƣợc chứng minh bằng một ví dụ thực tế Cùng với hƣớng ứng dụng CAD- CAM vào trong thiết kế và sản xuất nhƣ nghiên cứu trên [18], Nikolaos Tapoglou và Aristomenis Antoniadis đã công bố một bài báo viết về phƣơng pháp ứng dụng đồ họa máy tính CAD-CAM để mô phỏng dự đoán kết quả độ nhám bề mặt trong gia công phay: Mô phỏng chiều chuyển động của phay bề mặt, đƣợc đăng trên tạp chí Measurement, 2012 [19].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.10. Mô tả lưỡi cắt
Phay bề mặt là phƣơng pháp sản xuất hiệu quả nhất, gia công thô và hoàn thiện phần lớn bề mặt của các bộ phận kim loại. Nghiên cứu đã trình bày một mô hình mô phỏng mới đã đƣợc phát triển và ứng dụng vào môi trƣờng CAD Và với ứng dụng này có thể mô phỏng chính xác sản phẩm bằng phần mềm CAD nếu các dữ liệu phay, chẳng hạn nhƣ độ nhám bề mặt, kích thƣớc phoi không sai lệch, cắt giảm các thành phần của lực cắt và xử lý lực cắt động…là rất cần thiết. Mô hình mô phỏng đúng với chuyển động của dụng cụ cắt bằng cách sử dụng chính xác thông số hình học của dụng cụ cắt. Từ đó, dự báo chính xác kết quả độ nhám bề mặt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.12. Thí nghiệm và kết quả mô phỏng
Nikolaos Tapoglou cùng các cộng sự của ông đã xác minh một cách kỹ lƣỡng độ chính xác của mô hình mô phỏng với ứng dụng của CAD. Bằng cách thực hiện một loạt các thí nghiệm phay. Đồng thời mô hình trên đã đề xuất đƣợc chính minh là phù hợp để xác định các điều kiện tối ƣu cho gia công phay bề mặt. Phần mềm có thể tích hợp dễ dàng vào các hệ thống CAD- CAM Thêm một hƣớng nghiên cứu mô phỏng, C.K. Toh đã nghiên cứu đề tài: Phân tích địa hình bề mặt trong phay cao tốc lần cuối thép cứng gá nghiêng, đƣợc đăng trên tạp chí Precision Engineering, tháng 10 năm 2004 [21]. Trong nghiên cứu chỉ ra các kết cấu bề mặt của một bề mặt đƣợc phay là quá trình vốn quan trọng trong gia công phay lần cuối. Đây là một trong những tiêu chuẩn đƣợc sử dụng phổ biến nhất để xác định khả năng công nghệ của phôi. C.K. Toh đã đánh giá hƣớng đƣờng cắt của dao phay trên phôi nghiêng một góc 75º để mô phỏng phay kết thúc của khuôn mẫu tự do và khuôn kéo dây
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.13. Mối quan hệ giữa thiết lập phôi với hướng cắt. FX: ăn dao theo phương x (N), FY: chọn lượng ăn dao phương y (N), FZ: trục cắt chính (N).
Trong thí nghiệm của mình C.K. Toh đã thực hiện bằng cách sử dụng phân tích địa hình bề mặt và xác định hƣớng cắt là con đƣờng tốt nhất đối với kết cấu bề mặt tốt nhất đạt đƣợc kết cấu bề mặt 3D cùng với kết cấu bề mặt 2D đƣợc sử dụng để đánh giá kết quả thực nghiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.14. 2D profiles độ nhám bề mặt của các định hướng đường cắt, đo dọc theo một hướng lựa chọn ăn dao
C.K. Toh đã chỉ ra rằng phay trong một hƣớng thẳng đứng lên trên định hƣớng cho các kết cấu vật gia công có bề mặt tốt nhất. Có thể nói các tài liệu khảo sát nghiên cứu trên địa hình bề mặt liên quan đến định hƣớng đƣờng cắt khi khi kết thúc phay nghiêng cao tốc là rất ít. Hơn nữa, không ai trong số các công việc trƣớc đó đã chi tiết đánh giá đúng địa hình bề mặt phụ thuộc vào các điều kiện cắt. Bài báo giúp ta có thêm hƣớng nghiên cứu mới về sự ảnh hƣởng của góc nghiêng tới độ bóng bề mặt bề mặt. Cùng hƣớng mô phỏng quá trình gia công bằng phần mềm 3D [18, 19, 20], trong nghiên cứu của A. Maurel-Pante cùng các cộng sự đã kết hợp sử dụng thêm mô hình phần tử hữu hạn rất hiệu quả: 3D FEM mô phỏng các quá trình chuyển động của phay khi gia công thép không gỉ 304L, đƣợc đăng trên tạp trí mô phỏng thực nghiệm và lý thuyết, tháng 3 năm 2012, [21] đề cập.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.15. Ứng dụng 3D FEM mô phỏng trong gia công phay
Nghiên cứu này mô tả điều tra đƣợc thực thiện để mô phỏng các chuyển động của gia công phay trên AISI 304 thép không gỉ, bằng cách sử dụng phần mềm LS-Dyna©. Một công thức Lagrange với một kế hoạch nghiên cứu chi tiết giải pháp và áp dụng thuật toán đã đƣợc sử dụng. Nhiều thí nghiệm đã đƣợc thực hiện trên nhiều biên dạng khi phay để nghiên cứu khả năng gia công của vật liệu này và cũng để xác định các kết quả từ việc sử dụng mô hình phát triển 3D, áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn FEA (Finite Element Application) để tối ƣu hóa và giải các bài toán xử lý nhiệt, ứng suất, biến dạng, thể tích trong quá trình gia công phay thép không gỉ 304L.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.17. So sánh giữa FEM (a) và dùng giải tích (b) đường cong của lực cắt để phay 2 đường răng
Các kết quả cho thấy trong mô phỏng, các biến đổi của vật chất đƣợc thực hiện trong không gian hình học, chia lƣới, có mặt của ma sát và nhiệt độ để hạn chế thời gian tính toán. Vừa kết hợp nghiên cứu bằng thực nghiệm và mô phỏng bằng cách sử dụng mô hình phần tử hữu hạn cùng hƣớng mô phỏng của nghiên cứu [21], nhằm hỗ trợ gia công phay cứng T. Thepsonthi cùng các cộng sự nghiên cứu: Các thí nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn về phay micro hợp kimTi-6Al-4V với việc không phủ và phủ CBN vào dụng cụ cắt, đƣợc đăng trên tạp chí CIRP Annals - Manufacturing Technology, volume 60, Issue 1, ( 85-88), 2011, [19].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.18. Mô hình dụng cụ cắt không phủ WC/Co và phủ CBN
Hình 3.19. So sánh dự đoán của phân bố nhiệt độ (TºC)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.21. Tối ưu các thông số phay micro biểu diễn trong không gian hàm toán học (bên trái) và không gian giải pháp (bên phải)
Nghiên cứu làm thí nghiệm trong gia công phay micro thép hợp kim Ti-Al-4V trong hai trƣờng hợp phủ dụng cụ cắt bằng CBN và trƣờng hợp dụng cụ cắt không đƣợc phủ CBN. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình phần phần tử hữu hạn đề dự đoán đƣợc lực tập trung, nhiệt độ, và tỉ lệ phủ CBN và không phủ CBN lên dụng cụ cắt, đồng thời nghiên cứu đƣa ra các thông số tối ƣu nhằm làm tăng độ bóng bề mặt.