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 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
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 mô 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 tốn 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 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.