Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

TỔNG QUAN

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc biệt trong ngành cơ khí, các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa đang dần nhường chỗ cho một phương pháp gia công mới Phương pháp này sử dụng sự hỗ trợ chính xác trong việc tạo ra dao động với chuyển vị ở mức micromet, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống.

Phương pháp gia công cắt gọt hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) kết hợp dao động nhỏ vào các kỹ thuật gia công truyền thống để nâng cao hiệu suất và hiệu quả cắt gọt Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp chuyển động tịnh tiến cho công cụ hoặc phôi giúp đạt được dung sai chặt chẽ và bề mặt hoàn thiện chất lượng cao, đặc biệt khi gia công các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền đứt gãy thấp.

Gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động đã được áp dụng hiệu quả trong các quá trình tiện, phay, khoan và mài để gia công các vật liệu cứng Đặc biệt, trong gia công tiện có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Turning - VATuring), việc chống rung dễ dàng thực hiện do dụng cụ đứng yên Trong khi đó, việc tích hợp rung trong gia công phay có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Milling - VAMilling) ảnh hưởng tích cực đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Zhang J và Sun B (2006) đã thiết kế và phân tích một hệ thống định vị nano 2-DOF dựa trên bản lề uốn cong kép, phát triển một nền tảng sử dụng thiết bị truyền động áp điện để tạo ra rung động theo các hướng khác nhau cho bàn định vị nano Các bộ truyền động áp điện theo hướng X đã được cải tiến để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

2 thiện khối lượng chuyển động của bàn rung Do đó, tần số rung theo hướng Y bị hạn chế, thường nhỏ hơn 1000 Hz

Hình 1.1: Bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép [4]

Vào năm 2006, Chern GL và Chang YC đã áp dụng công nghệ rung hai chiều trong quá trình cắt bằng phay vi mô Họ thiết kế một bàn rung hai chiều với cơ chế linh hoạt, sử dụng thiết bị truyền động áp điện Bàn rung này được cải tiến với hai đường trượt nhằm tạo ra rung hai chiều hiệu quả, như mô tả trong hình 1.2.

Hình 1.2: Bàn rung hai chiều điển hình [5]

Li G (2012) đã phát triển một bàn rung không cộng hưởng và tiến hành nghiên cứu về thí nghiệm công nghệ phay vi mô Bàn rung này sử dụng cơ chế linh hoạt bốn thanh đơn để hoạt động theo hai chiều Tuy nhiên, khi cơ chế bốn thanh song song linh hoạt đơn rung động theo một hướng, sự chuyển vị của khớp nối chéo theo hướng khác sẽ dẫn đến giảm độ chính xác trong chuyển động.

Hình 1.3: Bàn rung không cộng hưởng [6]

Jin X và cộng sự (2015) [7] đã nghiên cứu thực nghiệm về tạo bề mặt ở phay vi mô có hỗ trợ rung Một cấu trúc tiểu thuyết của một giai đoạn rung hai chiều đã được đề xuất Các bộ truyền động áp điện đã được đặt bên cạnh phần bản lề, tạo ra sự rung động cho phôi gia công vào mặt A và B ở bản lề linh hoạt như hình 1.4 Tuy nhiên, cấu trúc chỉ có một bản lề linh hoạt xung quanh nền tảng Kết quả là rung động được áp dụng theo hướng bình thường đến việc cải thiện chất lượng bề mặt Hỗ trợ rung giúp tăng cường sự chuyển tiếp dễ vỡ của vật liệu thủy tinh và do đó làm giảm thiệt hại trên bề mặt gia công Tần số rung cao làm chất lượng bề mặt được cải thiện bằng cách giảm tập trung trên bề mặt

Hình 1.4 : Bàn định vị theo hai chiều [7]

E Uhlmann và các cộng sự (2015) [8] đã thiết kế một hệ thống rung hai trục cho ảnh hưởng mục tiêu của phay vi mô Để cải thiện tần số đáp ứng cao của bàn rung 2D, một người giữ phôi hoạt động để thực hiện phay hỗ trợ rung được phát triển như thể hiện trong hình 1.5 Bàn rung này cho phép rung động ngang rất linh hoạt của phôi theo hai hướng Nó bao gồm một giai đoạn động học song song hai DOF với bản lề uốn, trên đó một giá đỡ phôi được gắn Bản lề uốn được thiết lập chuyển động bởi hai bộ truyền động áp điện cao áp và hệ thống cho phép phay 2 dao động DOF lên đến 10 kHz với biên độ tối đa 7,5μm

Hình 1.5: Hệ thống rung 2 trục

Wanqun Chen và các cộng sự (2017) đã thiết kế và thử nghiệm bàn trượt XY tốc độ cao cho hỗ trợ rung, với cấu trúc bao gồm các cặp bản lề linh hoạt và cứng nhằm tối ưu hóa hiệu suất Kết quả cho thấy việc gia công hỗ trợ rung (VAM) trong phay vi mô giúp cải thiện cộng hưởng, đạt tần số lớn hơn 2000 Hz và độ cứng thấp 50N/m nhờ vào việc tối ưu hóa các tham số.

Hình 1.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị[9]

Nghiên cứu của Wanqun Chen và các cộng sự (5/2018) cho thấy phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (VAM) giúp cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu thông qua việc sử dụng tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi VAM đã được áp dụng thành công trong nhiều phương pháp gia công như mài, khoan và gần đây là phay có dao động hỗ trợ (VAMilling).

Vào tháng 9 năm 2018, Yan Gu và cộng sự đã thiết kế và phân tích một hệ thống đánh bóng dạng cuộn được hỗ trợ rung động, sử dụng bàn đàn hồi chuyển động vi mô Mục tiêu của nhóm tác giả là tạo ra bề mặt chất lượng cao thông qua cơ chế loại bỏ vật liệu tiếp xúc tuyến tính Hệ thống này bao gồm một giai đoạn chuyển động vi mô, được điều khiển bởi Piezo, nhằm nâng cao độ chính xác trong quá trình đánh bóng.

Sử dụng các tham số tối ưu, các mô hình đã thiết lập để đánh giá hiệu suất cơ học của

Bài viết trình bày 6 giai đoạn uốn được xác minh thông qua phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả của giai đoạn chuyển động vi mô cho thấy hiệu quả trong việc định vị các chuyển động này.

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của Sy đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip (EARP)

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong kỹ thuật, khớp nối là thành phần quan trọng dùng để kết nối các chi tiết với nhau Tuy nhiên, sự tồn tại của khe hở trong khớp nối có thể dẫn đến sai số truyền động, mài mòn, độ rung và tiếng ồn, từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt của các chi tiết gia công.

Một giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm của khớp truyền thống là sử dụng cơ cấu đàn hồi Cơ cấu này không chỉ cho phép truyền tải và biến đổi chuyển động, lực và moment, mà còn có khả năng thực hiện nhiều chuyển động thông qua sự biến dạng của các khớp đàn hồi, thay thế cho các khớp nối thông thường.

Vào năm 2016, Shyh-Chour Huang và Thanh-Phong Dao đã thiết kế và tối ưu hóa bàn rung sử dụng cơ cấu đàn hồi 2 bậc tự do thông qua phương pháp phản hồi bề mặt dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (FEA) Bàn máy được đặt ở trung tâm và có khả năng di chuyển theo hai phương vuông góc x và y Chuyển vị của bàn máy được điều khiển bởi cơ cấu chấp hành PSA hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện, cho phép thiết bị tạo ra chuyển động chính xác.

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa, nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia công mới, đặc biệt là phay có hỗ trợ dao động, đang trở thành thách thức lớn đối với khoa học kỹ thuật Việt Nam Phương pháp này không chỉ cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công mà còn nâng cao hiệu suất làm việc, giảm thiểu phôi dây và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt, từ đó kéo dài tuổi thọ của dao Hơn nữa, việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi giúp giảm thời gian lắp ráp và loại bỏ ma sát, tiếng ồn trong quá trình hoạt động của các khớp nối Nghiên cứu này hướng đến việc nâng cao chất lượng sản phẩm, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn, góp phần vào sự phát triển công nghệ trong nước.

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công" đã chỉ ra rằng đây là một hướng đi mới và cần thiết Việc ứng dụng rộng rãi phương pháp này sẽ mang lại lợi ích cho các thiết bị định vị chính xác trong ngành cơ khí tại Việt Nam trong tương lai.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cùng với những nghiên cứu trong và ngoài nước thì những ưu điểm đáng kể của phương pháp gia công mới này mang lại như:

- Chất lượng bề mặt gia công được cải thiện

-Hiện tượng hình thành ba-via trên bề mặt sau gia công giảm

- Giảm nhiệt cắt trong gia công, qua đó làm giảm mòn dao và tuổi thọ dao tăng lên

- Giảm hiện tượng quá trình hình thành phoi dây.

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và chế tạo mô hình gia công phay sử dụng dao động hỗ trợ, với vật liệu hợp kim nhôm 7075 - T6, nhằm cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu đàn hồi và ứng dụng của nó, bao gồm các phương pháp gia công kết hợp và gia công cắt gọt có dao động hỗ trợ, đặc biệt là phay có dao động hỗ trợ Bài viết cũng đề cập đến tính toán thiết kế và mô phỏng sử dụng các phần mềm như AutoCAD, Inventor, Matlab, Minitab và ANSYS Workbench.

Tối ưu hóa tần số dao động riêng của bàn máy với thiết bị tạo rung động chính xác PiezoElectric Actuator

Tìm hiểu gia công và chế tạo bàn máy VAM bằng phương pháp cắt dây Wedm

Phương pháp phay có dao động hỗ trợ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công từ vật liệu hợp kim nhôm 7075 - T6 Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu gặp phải một số hạn chế về cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện.

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 mô 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.

Kế hoạch thực hiện

Thứ nhất, tìm hiểu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Cơ cấu đàn hồi là một khái niệm quan trọng trong lý thuyết cơ học, với nhiều ứng dụng thực tiễn Việc tìm hiểu về cơ cấu này giúp nâng cao hiệu quả trong các phương pháp gia công kết hợp Đặc biệt, các phương pháp gia công cắt gọt kết hợp dao động và phay có dao động hỗ trợ đã chứng minh được khả năng cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng năng suất lao động.

Tìm hiểu về phần mềm Inventor và Ansys Workbench là bước đầu quan trọng trong thiết kế kỹ thuật Sử dụng Ansys Workbench để thiết kế và ứng dụng vào việc tạo ra bàn máy hỗ trợ rung động giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế.

Thứ tư, bố trí thiết bị thí nghiệm, thực nghiệm kiểm tra

Thứ năm, viết báo cáo tổng kết

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 một loại cơ cấu truyền chuyển động thông qua biến dạng của các khớp đàn hồi, thay thế cho khớp nối truyền thống Với thiết kế nguyên khối và nhỏ gọn, cơ cấu đàn hồi mang lại độ chính xác cao, giảm thiểu độ rơ, mài mòn và nhu cầu bôi trơn Ví dụ điển hình là công tắc sử dụng cơ cấu đàn hồi.

Hình 2.1: Công tắc dùng cơ cấu đàn hồi.[13]

Cấu trúc của cơ cấu đàn hồi sử dụng các khớp đàn hồi để tạo ra chuyển động thông qua biến dạng đàn hồi của phần yếu Các khớp này được phát triển với nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm hình tròn, elip, parabol, hyperbol, hình chữ V và góc phi.

Hình 2.2: Các kiểu khớp đàn hồi thông dụng [14] Ưu điểm khi sử dụng cơ cấu đàn hồi là:

+ Chi phí gia công 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

Cơ cấu đàn hồi mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với khớp nối truyền thống, như giảm thiểu mài mòn, loại bỏ rung động và tiếng ồn Nhờ đó, việc sử dụng cơ cấu này trở thành giải pháp hiệu quả để khắc phục các nhược điểm của khớp nối truyền thống.

2.1.2 Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi

Cơ cấu đàn hồi đã được ứng dụng từ xa xưa trong đời sống, điển hình như cung tên làm từ gỗ thông Nhiều thiết kế máy phóng cũng khai thác tính linh hoạt của cánh tay để tích trữ và giải phóng năng lượng, giúp phóng đạn xa hơn.

Cơ cấu đàn hồi hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, xây dựng, quang học và thiết bị y sinh Đặc biệt, chúng có khả năng tạo ra các cơ cấu tự thích ứng, thường được sử dụng trong việc cầm nắm trong robot Một trong những ứng dụng chính của cơ cấu đàn hồi là hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

Việc thiếu lắp ráp cần thiết và thiết kế phẳng đơn giản của cấu trúc giúp 13 người hưởng lợi, vì nó có thể được sản xuất dễ dàng thông qua phương pháp gia công 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, cơ cấu đàn hồi được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống cơ khí chính xác, mang lại độ tin cậy và chính xác cao trong gia công Trong các máy công cụ truyền thống, việc đạt được độ chính xác cao thường gặp khó khăn do độ rơ giữa trục vít me và đai ốc, cũng như độ hở giữa các khớp nối Việc sử dụng cơ cấu ăn dao với cơ cấu đàn hồi trong dụng cụ cắt giúp nâng cao đáng kể độ chính xác trong quá trình gia công.

Hình 2.4: Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong cơ cấu ăn dao[16]

Tổng quan về các phương pháp gia công có dao động hỗ trợ

2.2 Tổng quan về phương pháp gia công 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) là một kỹ thuật gia công truyền thống, kết hợp với các phương pháp cắt gọt khác Mục tiêu của phương pháp này là phát triển một quy trình gia công mới, đáp ứng hiệu quả cho việc gia công các loại vật liệu mới và các thông số công nghệ hiện đại.

Phương pháp gia công điện hóa siêu âm (Electrochemical Ultrasonic - ECU) là sự kết hợp giữa công nghệ siêu âm và điện hóa, nhằm cải thiện hiệu suất và chất lượng bề mặt gia công.

Hình 2.6: Các phương pháp gia công điện hóa siêu âm[18]

2.2.2 Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động

Trên toàn cầu, việc áp dụng dao động tần số cao và biên độ rung trong gia công ở cấp độ Micromet đã mang lại những cải tiến đáng kể Các phương pháp gia công cơ khí truyền thống ngày càng gặp khó khăn trong việc đạt được độ chính xác và hiệu suất cần thiết.

Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining - VAM) kết hợp dao động với biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công truyền thống, tạo ra kỹ thuật gia công tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả cắt gọt Việc tích hợp chuyển động tịnh tiến cho dụng cụ cắt hoặc phôi giúp đạt được chất lượng bề mặt hoàn thiện tốt hơn, đặc biệt khi gia công các vật liệu cứng có độ giòn cao và độ bền thấp.

Hình 2.7: Hiệu quả chất lượng bề mặt (a) Không có rung động (b) có rung động [19]

Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động trong gia công vật liệu cứng, như tiện, khoan, phay và mài, giúp giảm lực cắt, nâng cao chất lượng bề mặt và độ chính xác, đồng thời giảm mài mòn và kéo dài tuổi thọ của dao.

Gia công tiện với sự hỗ trợ dao động trên máy công cụ giúp tạo ra rung tuyến tính theo hướng cắt, đồng thời tạo ra chuyển động rung elip trong mặt cắt và chiều sâu cắt, từ đó nâng cao hiệu quả gia công.

Hình 2.8: Gia công tiện có hỗ trợ dao động[20]

2.2.3 Phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động

Kết hợp dao động tần số cao và biên độ nhỏ trong gia công phay có thể gắn lên dụng cụ cắt hoặc phôi, giúp giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dao và nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.

Nghiên cứu về VAMilling cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả vượt trội so với phay truyền thống trong cùng điều kiện vận hành, chiều sâu cắt, kích thước chi tiết, dao và vật liệu phôi Những cải tiến đáng chú ý đã được ghi nhận trong nghiên cứu này.

+ Giảm lực cắt trên dao

Kéo dài tuổi thọ của dao cắt khi gia công các vật liệu cứng và khó, đồng thời giảm nhấp nhô bề mặt gia công và cải thiện độ chính xác Ngoài ra, phương pháp này còn giúp loại bỏ quá trình hình thành ba-via, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.

Kết quả nghiên cứu cho thấy độ nháp bề mặt trung bình giảm khoảng 45% khi áp dụng phương pháp phay kết hợp với rung động, với biên độ rung động tăng từ 1-4 mm theo phương vuông góc với dao Ngoài ra, rung động không có ảnh hưởng đáng kể khi được thực hiện theo phương chạy dao.

Khi tần số rung động tăng từ 5 đến 11 kHz, độ nhám bề mặt giảm 38%, nhờ vào việc tần số cao hơn giúp giảm thiểu sóng nhấp nhô trên bề mặt Điều này dẫn đến việc cải thiện chất lượng bề mặt của các chi tiết gia công.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Phương án thiết kế

Hiện nay, có hai phương pháp gia công phay hỗ trợ dao động trên máy phay CNC Phương pháp thứ nhất sử dụng nguyên lý cộng hưởng với dao động tần số siêu âm tích hợp vào dụng cụ cắt Thanh truyền sẽ chuyển giao dao động từ các vòng piezoceramic đến dụng cụ cắt, và biên độ dao động có thể được khuếch đại tùy thuộc vào thiết kế thanh truyền Thiết kế này rất phức tạp và quan trọng, bởi 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 xảy ra hư hỏng nghiêm trọng cho dụng cụ cắt hoặc hệ thống công nghệ.

Bài viết này trình bày các phương pháp gia công phay có hỗ trợ dao động, bao gồm nguyên lý cộng hưởng và nguyên lý không cộng hưởng Đặc biệt, nó đề xuất thiết kế bàn định vị chính xác 2 bậc tự do sử dụng khớp đàn hồi, nhằm tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và động trong quá trình gia công Thiết kế này hứa hẹn mang lại độ chính xác cao hơn trong gia công.

20 nghiệm có làm ảnh hưởng của phương pháp gia công phay có sự hỗ trợ dao động đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

Mô hình hóa ý tưởng thiết kế

Ý tưởng thiết kế truyền động từ Piezo đến trung tâm bàn máy thông qua cơ cấu đàn hồi, sử dụng hai loại khớp đàn hồi kết hợp Mục tiêu là 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 thiết kế để truyền rung động micro theo hai phương X và Y, như thể hiện trong hình 3.1(b) Bàn máy trung tâm (Moving Platform) được kết nối với khung cố định thông qua các cơ cấu đàn hồi, bao gồm khớp đàn hồi dạng bán nguyệt và khớp thanh thẳng Rung động được truyền từ hai cơ cấu tạo rung vuông góc, cho phép bàn máy dao động theo hai phương X và Y Hai cơ cấu đòn bẩy được sử dụng để truyền và khuếch đại từ hai nguồn dao động do hai PZT tạo ra.

Lựa chọn phương án

Phương án thiết kế bàn định vị được chọn sẽ truyền rung động vào bàn máy trung tâm trong quá trình gia công, giúp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công Thiết kế cũng cần đảm bảo chuyển vị tăng, ứng suất lớn nhất của cơ cấu nhỏ và tần số cộng hưởng đầu tiên.

Lựa chọn vật liệu

Vật liệu hợp kim nhôm AL7075-T6 nổi bật với độ bền cao nhất và khả năng biến dạng hóa bền, với các đặc tính như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt Thành phần chính của hợp kim này bao gồm kẽm và đồng Mặc dù nhôm AL7075 có sức bền mỏi và độ gia công trung bình, nhưng nó vẫn nhẹ hơn so với thép Hợp kim này thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không, công nghệ ô tô, cơ khí và y tế Các thành phần hóa học và cơ lý tính của nhôm AL7075 được thể hiện rõ trong bảng 3.1, trong đó T6 là quá trình nhiệt luyện đặc trưng cho hợp kim nhôm rèn.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình lão hóa của kim nhôm đúc bao gồm nhiệt độ dung dịch, tốc độ dập tắt (được xác định bởi môi trường làm nguội), nhiệt độ lão hóa, thời gian giữ và số lượng giai đoạn lão hóa (có thể là một hoặc nhiều giai đoạn).

Bảng 3.1: Thành phần hóa học và Cơ lý tính của Nhôm Al7075

Cơ lý tính Thông số kỹ thuật

Giới hạn bền kéo, psi 83 Độ bền nén, psi 73 Độ cứng, HB 150

Hệ số Modun đàn hồi, Gpa 71,7

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA

Mô phỏng

Trong quá trình mô phỏng ban đầu, mô hình thiết kế được xây dựng trong môi trường Ansys 18.2 Vật liệu nhôm AL7075-T6 được gắn vào mô hình, với thông số vật liệu và chiều dày phôi gia công là 15mm.

Mô phỏng tĩnh học và động học của mô hình thiết kế giúp phân tích các vấn đề quan trọng như tần số dao động tự nhiên, độ bền của cơ cấu, ứng suất và chuyển vị của bàn máy trung tâm, được trình bày chi tiết trong phụ lục 1.

Tối ưu hóa

Để tối ưu hóa hình dạng và kích thước thiết kế, quy trình thiết kế khớp đàn hồi cần được áp dụng hiệu quả, sử dụng thuật toán di truyền (GA) tích hợp với ANSYS Thuật toán này đã chứng minh tính hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán phi tuyến bị ràng buộc với nhiều hàm mục tiêu Phân tích được thực hiện thông qua cả hai mô đun tĩnh học và động học, sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.

Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu[24]

Kết quả tối ưu

Theo bảng 4.3, ứng cử viên 2 đã được chọn là thiết kế tối ưu nhất do hoàn toàn đáp ứng các hàm mục tiêu So với thiết kế trước, các đặc tính tĩnh học và động học của khớp đàn hồi có sự cải thiện đáng kể Cụ thể, theo bảng 4.4, (i) chuyển vị của cơ cấu tăng 12,6%; (ii) ứng suất lớn nhất của khớp đàn hồi cải thiện 83,4%; và (iii) tần số dao động đầu tiên giảm 0,88%.

Bảng 4.2: So sánh giữa các ứng cử viên

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-

Chuyển vị 0,007 mm 0,0088 12,6% Ứng suất 101,9MPa 16,88MPa 83,4%

28 Hình 4.6: Mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và biến thiết kế

Hình 4.7: Độ nhạy của các biến thiết kế

Các điểm thiết kế được sắp xếp trên một đường thẳng, tạo ra mối quan hệ tương quan tốt cho việc dự đoán mô hình thông qua phương pháp kết hợp RSM và FEA trong Ansys Hơn nữa, sự biến thiên của các biến thiết kế luôn tồn tại trong bất kỳ hệ thống nào, do đó các thí nghiệm kiểm chứng sẽ được thực hiện để đánh giá chính xác dự đoán của phương pháp 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)

Kết quả mô phỏng

Hình 4.8: Mô phỏng ứng suất lớn nhất và chuyển vị theo phương x của bàn định vị 2-

Khi đặt ràng buộc cố định trên bàn định vị và kích hoạt chuyển vị đầu vào 0,005mm theo phương x, chuyển vị đầu ra đạt 0,0104mm với độ khuếch đại cơ cấu là 1,76 Ứng suất lớn nhất của cơ cấu thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép của vật liệu Hình 4.8 cho thấy hai hàm mục tiêu đã đạt yêu cầu thiết kế.

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, với sáu mức tần số đầu tiên được hiển thị ở Hình 4.9 Hai tần số đầu tiên liên quan đến chuyển động tịnh tiến của bàn theo hai hướng x và y, cho kết quả gần bằng nhau Tần số thứ ba đại diện cho chuyển động quay của bàn trung tâm Trong quá trình hoạt động, tần số gia công thường được giữ thấp hơn tần số dao động tự nhiên nhằm tránh hiện tượng cộng hưởng có thể gây hại cho cấu trúc.

Tần số dao động riêng của bàn định vị được xác định là f = 437 Hz thông qua mô đun Modal Analysis Để ngăn chặn hiện tượng cộng hưởng, mô đun Harmonic Analysis được khảo sát trong khoảng 100 – 1000 Hz, cho thấy tần số dao động đầu tiên của thiết kế tối ưu vẫn là 437 Hz Nhờ đó, cơ cấu không bị phá hủy và bàn định vị hoạt động ổn định trong quá trình gia công.

CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG

Chế tạo

Bàn định vị 2-DOF được gia công theo yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc cụ thể, với các lỗ bậc để kết nối với tấm đế đỡ bàn máy Bề rộng khớp bán nguyệt của bàn định vị chỉ đạt 1,0 mm Hai phương pháp gia công chính được áp dụng là gia công phay CNC và gia công bằng cắt dây tia lửa điện (Wire EDM).

Gia công các lỗ bậc và biên dạng ngoài của bàn định vị được thực hiện bằng phương pháp phay CNC để bảo vệ các khớp đàn hồi, sau đó sử dụng cắt dây tia lửa điện để gia công chính xác kích thước khớp Quy trình này nhằm đảm bảo độ chính xác cao trong thực nghiệm, tương ứng với các phân tích và tính toán trước đó.

Phôi nhôm A7075-T6 được gia công bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện (Wire EDM) và phay CNC biên dạng-lỗ bậc, đảm bảo độ chính xác về kích thước và sai số hình học của chi tiết Điều này giúp mô hình hoạt động chính xác, với sai lệch nằm trong phạm vi cho phép của lý thuyết mô phỏng.

Hình 5.1 là mô hình thiết kế 3D của bàn định vị bằng vật liệu nhôm 7075-T6

Mô hình thiết kế 3D của bàn định vị được trình bày trong Hình 5.1, trong khi Hình 5.2 hiển thị bàn định vị thực tế được chế tạo từ vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6 Bàn định vị này đã được gia công trên máy cắt dây, với các biến thiết kế được tối ưu hóa thông qua phương pháp đáp ứng bề mặt trên phần mềm Ansys 18.2.

Hình 5.2: Bàn định vị thực tế sau khi gia công

Thực nghiệm

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 là một giải pháp hiệu quả cho việc tạo rung động chính xác đến đơn vị âm Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm việc tạo chuyển động với tải trọng lớn, ứng dụng trong môi trường cơ học-động học, giảm chấn rung động và tạo lực.

Model P-225.10 là thiết bị lý tưởng cho các thí nghiệm với khả năng tải cao lên đến 12500N, cho phép tạo chuyển vị rung động lớn tới 15 mm Thiết bị này hoạt động hiệu quả trong môi trường có điện áp cao lên đến 1000V và có khả năng chịu nhiệt tốt Đặc biệt, model này sử dụng cảm biến SGS (Strain Gauge Sensors) để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

Hình 5.3: Hình ảnh thực PZT

Hình 5.4: Bộ điều khiển PZT

5.2.2 Thiết bị đo chuyển vị không tiếp xúc KEYENCE Model LK-G030

Hình 5.5: Thiết bị đo chuyển vị không tiếp xúc KEYENCE Model LK-G030

5.2.3 Mô 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 mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ" và Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, Nguyễn Thị Mỹ Duyên, “Tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động”, đã thực hiện mô hình thực tế gia công bàn máy Vam và gá đặt bố trí thí nghiệm bàn máy.

Để lắp ghép PZT vào bàn định vị 2-DOF, cần sử dụng chốt định vị đầu cong nhằm tiếp xúc với bề mặt cong của bàn Chốt này được lắp vào một đầu của PZT và phải đảm bảo tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cong để truyền rung động, từ đó khuếch đại chuyển động vào bàn trung tâm Phần đầu còn lại của PZT sẽ được kết nối với khung cố định của bàn định vị thông qua liên kết bu lông.

Hình 5.7: Lắp chốt định vị đầu cong tiếp xúc bề mặt cong của bàn định vị

Hình 5.8: Bố trí thí nghiệm thiết bị[26]

Bài viết này dựa trên các bước tiến hành và phương pháp đo kiểm của nhóm sinh viên Huỳnh Văn Tâm, Hà Phú Tấn, Nguyễn Đức Cao trong nghiên cứu "Thiết kế, chế tạo mô hình gia công phay có dao động hỗ trợ" Thực nghiệm đo tĩnh được thực hiện để xác định mối quan hệ giữa tần số và điện áp, nhằm tránh hiện tượng cộng hưởng có thể phá hủy cơ cấu Bên cạnh đó, việc xác định biên độ rung động nhỏ sẽ không 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 và thí nghiệm gia công phay trên máy CNC sẽ được tiến hành ở biên độ rung động từ 2-4 mm với 3 tần số khác nhau, so sánh với một rãnh không hỗ trợ rung động thông qua 27 rãnh cắt có dao động Kết quả đo độ nhám trên phôi được thực hiện bởi nhóm sinh viên Phạm Hữu Đầy, Bùi Đức Thịnh, và Nguyễn Thị Mỹ Duyên trong nghiên cứu “Tối ưu hóa thông số công nghệ trong gia công phay với sự hỗ trợ của dao động.”

Hình 5.9: Gia công chi tiết trên máy phay CNC[26]

Bảng 5.2: Chế độ cắt khi gia công[26]

Hình 5.10: Sản phẩm sau khi gia công[26]

Hình 5.11: Tiến hành đo độ nhám cho sản phẩm[26]

Bảng 5.3: Giá trị độ nhám nhận được[26]

Trong thí nghiệm có hỗ trợ rung động, chúng tôi đạt được giá trị độ nhám cao nhất là 0,3 àm So với thí nghiệm tương đương không có rung động, độ nhám bề mặt đã được cải thiện đến 52%.

Hình 5.12: Độ nhám bề mặt của phương pháp phay có hỗ trợ rung và không có hỗ trợ rung[26]

Hướng ứng dụng

Tiếp tục nghiên cứu và phát triển hình dáng và kích thước của bàn máy để có thể gia công các vật liệu mới

Tiếp tục hoàn thiện các thống số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt tối hơn

Mở rộng nghiên cứu hoàn 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