Cùng với những nghiên cứu trong và ngồi nước thì những ưu điểm đáng kể của phương pháp gia công mới này mang lại như:
- Chất lượng bề mặt gia cơng được cải thiện
-Hiện tượng hình thành ba-via trên bề mặt sau gia cơng giảm
- Giảm nhiệt cắt trong gia cơng, qua đó làm giảm mịn dao và tuổi thọ dao tăng lên.
- Giảm hiện tượng quá trình hình thành phoi dây. 1.4. Mục tiêu của đề tài
Đề tài này đi sâu vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình gia cơng phay có dao động hỗ trợ và vật liệu hợp kim Nhôm (7075 - T6) nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công.
1.5. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1. Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của nó. Các phương pháp gia công kết hợp, phương pháp gia cơng cắt gọt có dao động hỗ trợ, đặc biệt là phương pháp phay có dao động hỗ trợ nói riêng. Tính tốn thiết kế, mơ phỏng bằng phần mềm AutoCAD, Inventor, Matlab, Minitab, ANSYS Workbench.
Tối ưu hóa tần số dao động riêng của bàn máy với thiết bị tạo rung động chính xác PiezoElectric Actuator.
10
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.
1.6. 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 mơ 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. 1.7. Kế hoạch thực hiện
Thứ nhất, tìm hiểu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong
và ngồi nước đã cơng bố.
Thứ hai, tìm hiểu tổng quan lý thuyết về cơ cấu đàn hồi; Các ứng dụng của nó.Các
phương pháp gia cơng kết hợp; các phương pháp gia cơng cắt gọt có kết hợp dao động và phương pháp phay có dao động hỗ trợ.
Thứ ba, tìm hiểu về học phần mềm Inventor, Ansys Workbench; sử dụng Ansys
WorkBench để thiết kế. Sau đó, ứng dụng Ansys WorkBench trong thiết kế bàn máy hỗ trợ rung động; tối ưu hóa thiết kế.
Thứ tư, bố trí thiết bị thí nghiệm, thực nghiệm kiểm tra Thứ năm, viết báo cáo tổng kết
11
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi
2.1.1. Khái niệm cơ cấu đàn hồi
Cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) là cơ cấu dùng để truyền chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của các khớp đàn hồi thay cho khớp nối truyền thống. Cơ cấu đàn hồi được chế tạo nguyên khối, nhỏ gọn và độ chính xác cao tránh được độ rơ của các khối nối, mài mịn, bơi trơn,…Hình 2.1 là cơng tắc dùng cơ cấu đàn hồi. [13]
Hình 2.1: Công tắc dùng cơ cấu đàn hồi.[13]
Cấu trúc của cơ cấu đàn hồi sử dụng các khớp đàn hồi có biến dạng đàn hồi của phần yếu của nó để đạt được chuyển động. Các khớp đàn hồi được phát triển và dựa trên hình dạng khác nhau như hình trịn, hình elip, parabol, hyperbolic, hình chữ V và góc phi như hình 2.2.[14]
12
Hình 2.2: Các kiểu khớp đàn hồi thông dụng [14] Ưu điểm khi sử dụng cơ cấu đàn hồi là:
+ Chi phí gia cơng 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.
Với ưu điểm trên so với các khớp nối truyền thống thì tránh được mài mòn, rung động và tiếng ồn được loại bỏ. Do đó, việc sử dụng cơ cấu đàn hồi là giải pháp khả thi để khắc phục được các khuyết điểm của khớp nối truyền thống.
2.1.2. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi
Cơ cấu đàn hồi đã được con người sử dụng từ ngày xưa trong các ứng dụng cuộc sống thường ngày như cung tên được làm từ gỗ thơng. Một số thiết kế của máy phóng cũng tận dụng sự linh hoạt của cánh tay để tích trữ và giải phóng năng lượng để phóng đạn ở khoảng cách lớn hơn.
Hiện nay, cơ cấu đàn hồi đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: cơ khí, xây dựng, quang học, thiết bị y sinh. Đặc biệt, các cơ cấu đàn hồi có thể được sử dụng để tạo ra các cơ cấu tự thích ứng thường được sử dụng để cầm nắm trong robot. Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) [15] là một trong những ứng dụng chính của cơ cấu đàn hồi. MEMS
13
được hưởng lợi từ việc thiếu sự lắp ráp cần thiết và hình dạng phẳng đơn giản của cấu trúc có thể dễ dàng sản xuất bằng phương pháp gia cơng 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 cơng cơ khí. Trên các máy cơng cụ khi gia cơng bằng phương pháp truyền thống rất khó đáp ứng được độ chính xác cao. Khi gia cơng 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 cơng. [16].
14
2.2. Tổng quan về phương pháp gia cơng 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) [17] là phương pháp gia công truyền thống kết hợp các phương pháp gia cơng cắt gọt khác nhằm mục đích tạo ra phương pháp gia cơng mới đáp ứng gia công vật liệu mới, thông số cơng nghệ.
Hình 2.5: Các phương pháp gia cơng kết hợp với điện hóa
Phương pháp gia cơng điện hóa siêu âm (Electrochemical Ultrasonic - ECU)[18] kết hợp giữa phương pháp gia cơng siêu âm với điện hóa nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng bề mặt gia công.
15
Hình 2.6: Các phương pháp gia cơng điện hóa siêu âm[18]
2.2.2. Phương pháp gia cơng 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 cơng ở mức Micromet đã có những thay đổi rõ rệt. Trong gia cơng cơ khí, các phương pháp gia cơng truyền thống khó có thể đạt được.
Phương pháp gia cơng cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining -VAM)[19] là kết hợp dao động có biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công truyền thống hoặc đặc biệt tạo ra phương pháp gia công tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất gia công và hiệu quả cắt gọt. Chuyển động tịnh tiến tích hợp cho dụng cụ cắt hoặc phơi có thể đạt được chất lượng bề mặt hồn thiện hơn, khi gia cơng đối với các vật liệu cứng có độ giịn cao và độ bền thấp.
16
Hình 2.7: Hiệu quả chất lượng bề mặt (a) Khơng có rung động (b) có rung động [19] Phương pháp gia cơng cắt gọt có hỗ trợ dao động áp dụng vào trong gia công vật Phương pháp gia cơng cắt gọt có hỗ trợ dao động áp dụng vào trong gia công vật liệu cứng bằng gia công tiện, khoan, phay, mài …đã làm giảm lực cắt; chất lượng bề mặt và độ chính xác; giảm mài mịn và tăng tuổi thọ của dao.
. Gia cơng tiện có sự hỗ trợ dao động thực hiện trên máy cơng cụ làm cho rung tuyến tính theo hướng cắt, chuyển động rung elip trong mặt phẳng cắt và chiều sâu của hướng cắt tương ứng đạt thành cơng[20].
17
Hình 2.8: Gia cơng tiện có hỗ trợ dao động[20]
2.2.3. Phương pháp gia cơng phay có hỗ trợ dao động
Kết hợp dao động có tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào gia cơng phay có thể gắn lên trên dụng cụ cắt hoặc phơi 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 đã chỉ ra những hiệu quả hơn so với phương pháp phay truyền thống trong cùng điều kiện vận hành, chiều sâu cắt, kích thước chi tiết, dao và vật liệu phôi, những cải thiện đã được liệt kê sau đây [21]:
+ Giảm lực cắt trên dao.
+ Kéo dài tuổi thọ dao trong việc gia cơng những vật liệu cứng và khó gia cơng. + Giảm nhấp nhô bề mặt gia công cũng như cải thiện độ chính xác gia cơng. + Loại bỏ quá trình hình thành ba-via.
Kết quả độ nháp bề mặt trung bình đã giảm đi khoảng 45% khi phay kết hợp rung động với biên độ rung động tăng từ 1-4µm theo phương vng góc chạy dao (Normal direction) và ảnh hưởng của rung động không ảnh hưởng đáng kể khi được rung động theo phương chạy dao [22].
18
Cũng theo đó độ nhám bề mặt đã giảm 38% khi tần số rung động được tăng từ 5 đến 11 kHz, với tần số rung động cao hơn đã giảm những sóng nhấp nhơ bề mặt, do đó chất lượng bề mặt chi tiết gia công được cải thiện[23].
19
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3.1. Phương án thiết kế
Hiện nay, hai phương pháp gia cơng 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)
Hình 3.1: Các phương pháp gia cơng phay có hỗ trợ dao động (a) Nguyên lý cộng hưởng; (b) Nguyên lý không cộng hưởng
Cách khác, để truyền dao động vào bàn máy làm cho phơi rung động trong gia cơng như Hình 3.1(b) trong đó thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do có sử dụng các khớp đàn hồi là cơ cấu chính của hệ thống. Đề tài này đề xuất ý tưởng thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do có sử dụng khớp đàn hồi nhằm tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và động trong q trình gia cơng đạt được độ chính xác cao. Thiết kế này sẽ được thực
20
nghiệm có làm ảnh hưởng của phương pháp gia cơng phay có sự hỗ trợ dao động đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng.
3.2. Mơ hình hóa ý tưởng thiết kế
Ý tưởng thiết kế để truyền động từ Piezo đến trung tâm bàn máy thông qua cơ cấu đàn hồi, sử dụng 2 loại khớp đàn hồi kết hợp để thiết kế,mơ 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 có rung động dưới dạng micro theo 2 phương X-Y được thể hiện như hình 3.1(b). Trong thiết kế này, bàn máy trung tâm (Moving Platform) được liên kết với khung cố định bằng các cơ cấu đàn hồi gồm khớp đàn hồi như khớp bán nguyệt và khớp thanh thẳng. Bàn máy này sẽ được truyền rung động từ 2 cơ cấu tạo rung động vng góc nhau, cho phép bàn máy rung động theo 2 phương X và Y. Có 2 cơ cấu đòn bẩy được dùng để truyền và khuếch đại từ 2 nguồn dao động được tạo ra bởi 2 PZT.
3.3. Lựa chọn phương án
Dựa vào phân tích của hai phương án thiết kế được trình bày, phương án thiết kế bàn định vị được chọn này sẽ truyền rung động vào bàn máy trung tâm trong q trình gia cơng nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng. Ngồi ra, thiết kế cần phải đảm bảo chuyển vị tăng, ứng suất lớn nhất của cơ cấu nhỏ và tần số cộng hưởng đầu tiên của nó.
3.4. Lựa chọn vật liệu
Vật liệu hợp kim nhơm AL7075 -T6 có độ bền cao nhất và có biến dạng hóa bền được chọn. Với đặc tính của vật liệu này như sau: trọng lượng nhẹ, có độ bền cao, tính chống ăn mịn và chịu nhiệt tốt, các thành phần nguyên tố hợp kim chính là kẽm và đồng. Nhơm AL7075 có sức bền mỏi và độ gia cơng trung bình, nhưng lại nhẹ hơn vật liệu thép. Ứng dụng của nó thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp hành không, cơng nghệ ơ tơ, cơ khí, y tế,… Các thành phần hóa học và cơ lý tính của nhơm AL7075 được thể hiển ở bảng 3.1. T6 là q trình nhiệt luyện hợp kim nhơm rèn (khác với hợp
21
kim nhơm đúc). Các yếu tố chính là nhiệt độ dung dịch, tốc độ dập tắt (được xác định bởi mơi trường làm nguội), nhiệt độ lão hóa, thời gian giữ và số lượng các giai đoạn lão hóa (lão hóa một giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn).
Bảng 3.1: Thành phần hóa học và Cơ lý tính của Nhơm Al7075 Thành phần hóa học Thành phần hóa học Nhơm 87.1 - 91.4% Crôm 0.18 - 0.28% Đồng 1.2 - 2.0% Sắt 0.5 max Magiê 2.1 - 2.9% Mangan 0.3% max Silic 0.4 max Kẽm 5.1 - 6.1% max
Cơ lý tính Thông số kỹ thuật
Giới hạn bền kéo, psi 83
Độ bền nén, psi 73
Độ cứng, HB 150
Trọng lượng riêng, Kg/m3 2,81
Hệ số poisson 0,33
Hệ số Modun đàn hồi, Gpa 71,7
22
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HĨA 4.1. Thiết kế
Quy trình thiết kế của đề tài này, được tiến hành theo các bước như sau:
1. Đầu tiên, phát thảo thiết kế được xây dựng trên phần mềm Ansys 18.2. Với các cơng cụ thiết kế này, ta có thể dễ dàng và nhanh chóng xác định được các điểm của khớp đàn hồi, từ đó thiết kế được biên dạng của khớp đàn hồi.
2. Xây dựng hàm mục tiêu, các biến thiết kế và điều kiện ràng buộc của khớp đàn hồi.
3. Lựa chọn các biến thiết kế và hàm mục tiêu hướng tới.
4. Tiếp tục các biến thiết kế được đánh giá và chọn lọc bằng phương pháp Response Surface Optimization (RSM). Phân tích tĩnh học, động học, động lực học của cơ cấu được thực hiện bằng phương pháp đáp ứng bề mặt để tối ưu hóa đa mục tiêu.
5. Cuối cùng phương pháp đáp ứng bề mặt dựa trên FEA trong ANSYS 18.2 được sử dụng để thêm hàm mục tiêu và mở rộng không gian thiết kế nhằm thiết lập các hàm tối ưu hóa tồn cục. Dựa trên kết quả này, để nâng cao độ tin cậy của phương pháp ta có thể phân tích thực nghiệm bằng thống kê, tìm phương trình tốn biểu diễn mối quan hệ của các biến và các hàm mục tiêu mong muốn.
23
Hình 4.1: Mơ hình thiết kế bàn định vị 2-DOF
Mơ hình thiết kế bàn định vị 2-DOF được hiển thị trong Hình 4.1.Trong cơ cấu này, vị trí trung tâm được liên kết với khung thơng qua các khớp đàn hồi trong đó có mười sáu khớp đàn hồi hình bán nguyệt và tám thanh lị xo lá. Vị trí được rung lên bởi những rung động từ hai thiết bị truyền động PZT có thể chuyển động theo hướng x hoặc hướng y. Bàn định vị 2-DOF này sẽ được truyền rung động từ các cơ cấu đòn bẩy được sử dụng để truyền rung động và khuếch đại từ 2 nguồn dao động được tạo ra bởi 2 PZT.