4.4. Kết quả tối ưu
Theo bảng 4.3, ứng cử viên 2 đã được lựa chọn là thiết kế tối ưu tốt nhất vì nó hồn tồn đáp ứng các hàm mục tiêu đề ra. So với thiết kế trước đó, các đặc tính tĩnh học và động học của khớp đàn hồi được cải thiện tương đối tốt. Như bảng 4.4: (i)
chuyển vị của cơ cấu tăng 12,6%; (ii) ứng suất lớn nhất của khớp đàn hồi được cải thiện 83,4% và (iii) tần số dao đông đầu tiên thấp hơn 0,88%.
Bảng 4.2: So sánh giữa các ứng cử viên 𝑇 𝑇 (mm) 𝑅 (mm) 𝑇 (mm) 𝐿 (mm) 𝑇 (mm) 𝐿 (mm) 𝑇 (mm) 𝑅 (mm) δ (mm) 𝜎 (MPa) 𝑓 (Hz) Ứng cử viên 1 0,930 5,955 0,832 24,784 2,461 23,294 2,206 5,842 0,00202 17,493 409,68 Ứng cử viên 2 0,942 5,965 0,871 24,746 2,283 22,325 2,257 5,903 0,00199 17,955 417,37 Ứng cử viên 3 1,083 5,954 0,869 24,807 2,462 21,481 2,257 5,842 0,00197 17,069 434,15
Bảng 4.3: So sánh thiết kế trước và thiết kế bàn định vị 2-DOF Thiết kế trước Thiết kế bàn định vị 2- Thiết kế trước Thiết kế bàn định vị 2-
DOF
Cải thiện
Chuyển vị 0,007 mm 0,0088 12,6%
Hình 4.6: Mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và biến thiết kế
Các điểm thiết kế đều nằm trên 1 đường thẳng. Do đó các mối quan hệ tương quan rất tốt đối với việc dự đốn các mơ hình bằng cách sử dụng phương pháp kết hợp của RSM và FEA trong Ansys như hình 4.6. Thứ hai, sự biến thiên của các biến thiết kế luôn tồn tại ở bất kỳ hệ thống như hình 4.7. Vì vậy, các thí nghiệm kiểm chứng sẽ tiến hành đánh giá chính xác dự đốn của phương pháp được đề xuất.
Bảng 4.4: Các biến thiết kế tối ưu của bàn định vị 2 - DOF
Biến thiết kế Giá trị (mm) Biến thiết kế Giá trị (mm)
𝑇 1,0 𝑇 2,5 𝑅 6,0 𝐿 22 𝑇 0,9 𝑇 2,3 𝐿 25 𝑅 6,0 4.5. Kết quả mơ phỏng (a)
(b)
Hình 4.8: Mơ phỏng ứng suất lớn nhất và chuyển vị theo phương x của bàn định vị 2- DOF
Khi đặt ràng buộc ở các vị trí cố định của bàn định vị và cho chuyển vị đầu vào là 0,005mm được kích hoạt theo phương x và chuyển vị đầu ra của thu được theo
phương x là 0.0104 với độ khuếch đại của cơ cấu là 1,76. Ứng suất lớn nhất của cơ cấu nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất cho phép của vật liệu. Từ hình 4.8, ta thấy được được hai hàm mục tiêu đặt ra đạt được yêu cầu của thiết kế.
a) b)
e) f) Hình 4.9: Mơ phỏng 6 mức tần số
Mô phỏng động học được thực hiện để xác định các tần số cộng hưởng của bàn định vị 2-DOF. Sáu mức tần số đầu tiên được hiển thị ở Hình 4.9. Hai mức tần số đầu tiên là chuyển động tịnh tiến của bàn định vị theo hai hướng x và hướng y cho kết quả gần bằng nhau. Mức ba của tần số là chuyển động quay của bàn trung tâm. Trong quá trình làm việc của bàn định vị, tần số gia công thường nhỏ hơn tần số dao động tự nhiên để tránh hiện tượng cộng hưởng làm cho kết cấu bị phá hủy.
Hình 4.10: Tần số dao động riêng của bàn định vị
Tần số dao động riêng đo được trong mơ đun Modal Analysis được xác định có giá trị là f = 437(Hz). Để tránh hiện tượng cộng hưởng của bàn định vị ta khảo sát bằng mô đun Harmonic Analysis trong khoảng 100 – 1000 (Hz), tần số dao động đầu tiên của thiết kế tối ưu là 437 Hz. Như vậy, có thể tránh được sự phá hủy của cơ cấu và đảm bảo cho bàn định vị làm việc ổn định trong q trình gia cơng.
CHƯƠNG 5
CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 5.1. Chế tạo
5.1.1. Phương pháp gia công
Gia công của bàn định vị 2-DOF theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc, bàn định vị có những lỗ bậc để bắt nối với tấm đế đỡ bàn máy. Bàn định vị có bề rộng khớp bán nguyệt chỉ 1,0(mm). Hai phương pháp gia công được sử dụng ở đây là phương pháp gia công phay CNC và gia công bằng cắt dây tia lửa điện (Wire EDM).
Gia cơng các lỗ bậc và biên dạng ngồi của bàn định vị sử dụng phương pháp phay CNC trước để tránh làm ảnh hưởng đến các khớp đàn hồi bằng phương pháp gia công bằng cắt dây tia lửa điện. Sau khi phay bậc và tạo biên dạng ngoài ta sẽ sử dụng phương pháp cắt dây tia lửa điện để gia cơng chính xác các kích thước khớp đàn hồi với độ chính xác cao. Nhằm đảm bảo sự chính xác trong q trình thực nghiệm so với q trình phân tích trước đó của q trình tính tốn và phân tích trước đó.
5.1.2. Chế tạo
Phôi nhôm A7075-T6 được sử dụng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (Wire EDM) và gia công phay CNC biên dạng-lỗ bậc, với các khớp mềm đảm bộ độ chính xác về kích thước cũng như sai số hình học chi tiết. Từ đó đảm bảo mơ hình hoạt động chính xác và sai lệch trong phạm vi cho phép của lý thuyết mô phỏng.
Hình 5.1: Mơ hình thiết kế 3D bàn định vị
Hình 5.2 là bàn định vị thực tế thu được bằng vật liệu hợp kim nhôm (7075-T6) được gia công trên máy cắt dây với các biến thiết kế đã được tối ưu hóa bằng phương pháp đáp ứng bề mặt trên phần mềm Ansys 18.2.
5.2. Thực nghiệm
5.2.1. Gá đặt
Các thiết bị được sử dụng để đo chuyển vị bàn máy trung tâm gồm: + Thiết bị tạo rung động chính xác Piezo Stack Actuator model P-225.10. + Thiết bị cảm biến đo chuyển vị không tiếp xúc model LK-030
Thiết bị Piezo Stack Actuator model P-225.10 như hình 5.3 là thiết bị với khả năng tạo rung động với độ chính xác lên tới đơn vị µm. Được ứng dụng một cách rộng rãi như: tạo chuyển động với tải trọng lớn và chính xác, ứng dụng trong mơi trường tính học-động học, giảm chấn trong rung động, tạo lực…
Với model P-225.10 được sử dụng trong quá trình thực nghiệm với các đặc điểm sau: khả năng tải cao, tạo chuyển vị rung động lên đến 15 µm, điện áp lên đến 1000V, và tải trọng tối đa là 12500N, có khả năng sử dụng trong mơi trường nhiệt độ cao/ chân không. Sử dụng cảm biến SGS ( Strain Gauge Sensors).
Hình 5.4: Bộ điều khiển PZT
5.2.3. Mơ hình bố trí thí nghiệm bàn máy
Theo đồ án tốt nghiệp của sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao, "Thiết kế, chế tạo mơ hình gia cơng phay có dao động hỗ trợ" và Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, “Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ trong gia
công phay với sự hỗ trợ của dao động”, mơ hình thực tế gia cơng bàn máy Vam và gá
đặt bố trí thí nghiệm bàn máy [25, 26].
Hình 5.6: Mơ hình thực tế bàn máy Vam[25]
Để lắp ghép PZT vào bàn định vị 2-DOF, ta cần phải có chốt định vị đầu cong để tiếp xúc với bề mặt cong của bàn định vị. Chốt định vị đầu cong này được lắp vào một đầu của PZT. Trong khi lắp đặt, cần phải đảm bảo cho chốt định vị tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cong để truyền rung động nhằm khuếch đại chuyển động vào bàn trung tâm. Còn phần đầu còn lại của PZT sẽ liên kết với khung cố định của bàn định vị bằng liên kết bu lơng.
Hình 5.8: Bố trí thí nghiệm thiết bị[26]
5.2.4 Tiến hành thí nghiệm
Căn cứ vào các bước tiến hành và phương pháp đo kiểm của nhóm sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao, "Thiết kế, chế tạo mơ hình gia cơng
phay có dao động hỗ trợ" thực hiện trước đó. Thực nghiệm đo tĩnh để xem mối quan hệ
tương quan giữa tần số và điện áp nhằm tránh được tân số cộng hưởng gây ra làm phá hủy cơ cấu. Thứ hai, xác định biên độ rung động nhỏ (µm) sẽ khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Bảng 5.1: Giá trị thực nghiệm chuyển vị bàn máy trung tâm theo điện áp và tần số[25]
Thực nghiệm đo động, thí nghiệm gia cơng phay trên máy CNC sẽ được thí nghiệm ở biên độ rung động là 2-4 µm với 3 tần số và sẽ được so sánh với 1 rãnh không hỗ trợ rung động, thơng qua 27 rãnh cắt có dao động. Kết quả đo độ nhám trên phơi của nhóm sinh viên Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, “Tối ưu hóa
thơng số cơng nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động.[26].
Bảng 5.2: Chế độ cắt khi gia công[26]
Bảng 5.3: Giá trị độ nhám nhận được[26]
Ta được giá trị độ nhám cao nhất đạt được là ở thí nghiệm có rung động hỗ trợ, với giá trị là 0,3 µm. So với thí nghiệm tương đương nhưng khơng có rung động độ nhám bề mặt đã cải thiện 52 %.
Hình 5.12: Độ nhám bề mặt của phương pháp phay có hỗ trợ rung và khơng có hỗ trợ rung[26]
5.3. Hướng ứng dụng
Tiếp tục nghiên cứu và phát triển hình dáng và kích thước của bàn máy để có thể gia cơng các vật liệu mới.
Tiếp tục hồn thiện các thống số cơng nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt tối hơn.
Mở rộng nghiên cứu hồn thiện kiểm tra phân tích đo ba via trên chi tiết và lượng nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt.
Nghiên cứu ảnh hưởng sâu hơn khi sử dụng hai nguồn tạo rung theo hai phương.
CHƯƠNG 6
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1. Kết luận
Đề tài nghiên cứu trong luận văn này đã góp phần hồn thiện thêm các kiến thức về phương pháp gia cơng cắt gọt có dao động hỗ trợ, đặc biệt là phương pháp gia công phay có dao động hỗ trợ.
Khẳng định sử dụng dao động có tác động tích cực có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Kết hợp được các phần mềm Inventor và Ansys Workbench để xây dựng thiết kế, mơ phỏng và tối ưu hóa.
Tuy nhiên, đề tài cũng chỉ ra nhiều vấn đề cịn tồn tại và khó khăn khi áp dụng cơng nghệ này như: sự tương thích giữa các thơng số rung của bàn máy rung với các thông số gia công, cách thiết lập một cơ cấu rung cho quá trình gia cơng cắt gọt… 6.2. Kiến nghị
Từ việc nghiên cứu tổng quan cho thấy, ở thời điểm hiện tại nhiều công bố về lĩnh vực phương pháp gia cơng có hỗ trợ rung động vẫn được cơng bố trên các tạp chí có uy tín. Điều này cho thấy, lĩnh vực này còn nhiều tồn tại cần nghiên cứu để hồn thiện cơng nghệ. Do đó, tác giả đề xuất một số định hướng tiếp tục phát triển đề tài như sau:
- Tiếp tục đầu tư các thiết bị đo nhằm đánh giá và hiệu chỉnh cơ cấu rung động. - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và chế tạo cơ cấu rung động trợ giúp gia cơng có kích thước nhỏ gọn, có khả năng tích hợp trên nhiều máy cơng cụ khác nhau.
- Nghiên cứu, áp dụng công nghệ rung động trợ giúp gia công cắt gọt trên các loại vật liệu mới giúp tăng phạm vi ứng dụng cho cơ cấu đàn hồi.
- Tiếp tục nghiên cứu cải tiến tăng độ cứng vững kẹp chặt phôi liệu, tránh hiện tượng tự tháo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. XU, Shaolin, et al. Recent advances in ultrasonic-assisted machining for the
fabrication of micro/nano-textured surfaces. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017, 12.1: 33-45.
[2]. CHEN, Wanqun, et al. State-of-the-art review on vibration-assisted milling:
principle, system design, and application. The International Journal of Advanced
Manufacturing Technology, 2018, 97.5: 2033-2049.
[3]. Nguyen V.K., Pham H.H., Pham H.T., Multi-objective Optimization of a Linear Flexure-Based Mechanism Using Pseudo Rigid-Body Diagram Analysis and FEA-Based Response Surface Methodology, Modern Environmental Science and Engineering, 2018,
vol. 4(5), 469-475
[4]. Zhang J, Sun B (2006) Design and analysis of 2-DOF nanopositioning stage based
on dual flexure hinges. China Acad J Elect Publ House 5(28)
[5]. Chern GL, Chang YC (2006) Using two-dimensional vibration cutting for micro milling[J]. Int J Mach Tools Manuf 46(6):659–666
[6]. Chen, W., Huo, D., Shi, Y. et al. State-of-the-art review on vibration-assisted milling: principle, system design, and application. Int J Adv Manuf Technol 97, 2033– 2049 (2018).
[7]. Jin X, Xie B (2015) Experimental study on surface generation in
vibration-assisted micro-milling of glass[J]. Int J Adv Manuf Technol 81(1–4):507–512
[8]. E. Uhlmann, I. Perfilov, D. Oberschmid. 2015Two-axis vibration
system for targeted influencing of micro-milling. euspen’s 15th International Conference
& Exhibition, Leuven, Belgium
[9]. Wanqun Chen, Dehong Huo, Lu Zheng, et al. 2017 Design, analysis and testing a high bandwidth XY stage for vibration-assisted milling, Proceedings of the 17th euspen
International Conference, Hannove, Germany
[10]. Wanqun Chen, 2018, Surface texture formation by non-resonant vibration assisted
micro milling, Journal of Micromechanics and Microengineering 28, 025006.
[11]. Shyh-Chour Huang and Thanh-Phong Dao, 2016, Design and Computational
Optimization of a Flexurebased XY Positioning Platform using FEA-based Response Surface Methodology, 17, pages1035–1048
[12]. Van-Khien Nguyen, Huy-Hoang Pham, Huy-Tuan Pham. Optimal Design of High Precision Compliant Guide Mechanism Using Gene Algorithm and Taguchi–Based Sensitivity Analysis, Proceedings of the International Conference on System Science and Engineering 2017 (ICSSE 2017).
[13]. Howell L.L, Compliant mechanisms, New York, Wiley, 2001.
[14]. Lobontiu N., 2003, Compliant mechanisms: Design of flexure hinges. CRC Press. [15]. Culpepper M. L., and Anderson G., Design of a low-cost nano-manipulator which
[16]. Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân, cơ cấu đàn hồi và các hướng ứng dụng, Hội nghị Khoa học- Cơng nghệ tồn quốc về Cơ khí, pp. 778-786 [17]. Chen, W., et al., The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, vol. 97, 2033–2049.
[18]. RUSZAJ, Adam, et al. Electrochemical machining supported by electrode ultrasonic vibrations. In: 13th International Symposium for Electromachining, ISEM, Spain, May. 2001. p. 9-11.
[19]. Ibrahim, Rasidi.2010 Vibration assisted machining: Modelling, simulation, optimization, control and applications. Diss. Brunel University School of Engineering and Design PhD Theses.
[20]. XU, Shaolin, et al. Recent advances in ultrasonic-assisted machining for the fabrication of micro/nano-textured surfaces. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017, 12.1: 33-45.
[21]. D.E Brehl, T.A. Dow-Review of vibration-Assisted Machining
[22]. Sylvain Laporte and Come De Castelbajac-Major Breakthrough in Multi Material Drilling, Using Low Frequency Axial Vibration Assistance.
[23]. Xiaoliang Jin, Boyuan Xie., Experimental Study on surface generation in vibrationassisted micro-milling of glass.
[24]. Nguyen V.K., Tuong D.L, Pham H.H., Pham H.T., Design and Optimization of a
New Hollow Circular Flexure Hinge for Precision Mechanisms, 2019, pp. 337-345.
[25]. Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao, "Thiết kế, chế tạo mơ hình gia
cơng phay có dao động hỗ trợ", Đồ án tốt nghiệp, Trường ĐH SPKT TPHCM, 2020.
[26]. Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Dun, “Tối ưu hóa thơng số cơng nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động” Đồ án tốt nghiệp, Trường
Phụ lục 1: Thiết kế, tối ưu hóa trong Ansys Workbench
Các bước trình bày dưới đây là tiêu biểu cho một thí nghiệm đáp ứng bề mặt. Tùy theo thí nghiệm, có thể thực hiện một số bước với một thứ tự khác.
1. Chọn mẫu bề mặt đáp ứng cho thí nghiệm. Ở đây ta chọn mẫu bằng phương pháp gọi trực tiếp xây dựng mơ hình trong mơi trường Ansys Workbench.
Khởi động phần mềm ANSYS 18.2
Chọn Start All programs ANSYS 18.2 Workbench 18.2.
Hình 1: Khởi động phần mềm ANSYS 18.2
Gồm 3 khu vực chính:
3. Vùng làm việc: chứa sơ đồ mơ phỏng.
Hình 2: Hiển thị giao diện của phần mềm Thanh Menu Thanh Cơng cụ Vùng làm việc
Hình 3: Khởi động tạo mô đun tĩnh học và động học Trình tự thực hiện:
Bước 1. Chọn và thiết lập các thông số vật liệu Chọn đơn vị tính tốn: