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 công 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].
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 phôi 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 công những vật liệu cứng và khó gia cơng. + Giảm nhấp nhơ bề mặt gia cơng 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].
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].
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 cơng 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 phôi 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
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,mô 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 địn 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 quá trình gia công 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 quá trình nhiệt luyện hợp kim nhôm rèn (khác với hợp
kim nhôm 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% Crơm 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 Thơng 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
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.
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.
Hình 4.2: Xây dựng các biến thiết kế bàn định vị 2-DOF
Thiết kế bàn định vị này có chuyển động một cách riêng biệt và đồng thời có thể kích hoạt dao động chuyển động của phơi trong q trình gia cơng. Tuy nhiên trước khi người ta có thể sử dụng bàn rung này có ba mục tiêu nên được tối ưu hóa bằng cách thay đổi trên hai mươi ba biến thiết kế.
Thứ nhất, tần số dao động tự nhiên của bàn định vị do nguyên lý gia công của máy mà ở đây là số vịng quay trục chính của máy phay, nhằm tránh sự cộng hưởng của bàn máy VAM và các yếu tố rung động bên ngoài.
Thứ hai, độ bền của cơ cấu cũng là mối quan tâm hàng đầu cho việc thiết kế. Vì cơ cấu phải làm việc trong thời gian rung động kéo dài chịu lực và đàn hồi-biến dạng liên
tục, đặc biệt trong điều kiện làm việc với tần số cao. Vì vậy cần phải tối ưu độ bền của bàn máy tại các khớp mềm cũng như tuổi thọ của các khớp.
Và cuối cùng là nhằm tạo rung động thuần khiết theo 1 phương rung động để tránh bị nhiễu cho phương không tạo ra rung động là một yêu cầu cần thiết để nâng cao khả năng tạo rung động chính xác của bàn định vị.
Bảng 4.1: Xây dựng bài toán thiết kế và tối ưu hóa 1. Hàm mục tiêu: 1. Hàm mục tiêu:
+ Ứng suất tương đương lớn nhất của cơ cấu (𝜎 ) là nhỏ nhất + Chuyển vị ký sinh (δ ) nhỏ nhất.
+ Tần số dao động tự nhiên lớn nhất (𝑓) 2. Điều kiện biên:
+ Nhóm kính thước cố định (𝑔 ): W x H = 350 x 350 + Ứng suất lớn nhất của cơ cấu (𝑔 ) : 𝜎 ≤
+ Giới hạn biến thiết kế:
- (𝑔 ): 1,0 ≤ 𝑇 ≤ 3,0 (mm) (i = 2 ÷ 8) - (𝑔 ): 3,0 ≤ 𝑅 ≤ 8,0 (mm) (i = 2 ÷ 8) 3. Biến thiết kế:
+ Khớp thanh thẳng: 𝑇 , 𝐿 ,𝑇 , 𝐿 , , 𝑅
+ Khớp bán nguyệt của cơ cấu: 𝑇 , 𝑅 , 𝑇 , 𝑅 , 𝑇 , 𝑅 , 𝑇 , 𝑅 + Khớp bán nguyệt của bàn trung tâm: 𝑇 , 𝑅
4.2. Mơ phỏng
Trong q trình mơ phỏng ban đầu, đầu tiên xây dựng mơ hình thiết kế trong mơi trường Ansys 18.2. Sau đó, gắn vật liệu nhơm AL7075-T6 sẽ được sử dụng với các thông số của vật liệu và chiều dày của phôi gia công là 15mm.
Với mơ phỏng tĩnh học và động học của mơ hình thiết kế, các vấn đề được tìm hiểu là về tần số dao động tự nhiên, độ bền của cơ cấu, ứng suất, chuyển vị của bàn máy trung tâm được trình bày ở phụ lục 1.
4.3. Tối ưu hóa
Để thiết kế tối ưu hóa hình dạng và kích thước của thiết kế, cần một quy trình thiết kế khớp đàn hồi sử dụng hiệu quả để tổng hợp nguyên lý hiện tại. Thuật toán di truyền (GA) được tích hợp với ANSYS được áp dụng như hình H4.5[24]. Thuật tốn này đã được chứng minh là phù hợp để giải các bài toán phi tuyến bị ràng buộc với nhiều hàm mục tiêu. Trong phân tích này, cả hai mơ đun tĩnh học và động học của nguyên lý bằng cách sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.
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 mô 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: Mô 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 mô 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.