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

TÓM TẮT
Với sự tiến bộ ngày càng vượt bậc của khoa học - kỹ thuật, ngành cơ khí là ngành
rất quan trọng đối với sự phát triển của đất nước. Cần phải có một phương pháp gia cơng
mới với sự hỗ trợ dao động để nâng cao chất lượng bề mặt gia công đã và đang nghiên
cứu cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội hơn sơ với các phương pháp gia cơng truyền thống.
Những nội dung chính của luận văn: nghiên cứu tổng quan về cơ cấu đàn hồi, ứng
dụng của nó và các phương pháp gia cơng có kết hợp dao động; tìm hiểu về thiết kế, mơ
phỏng và tối ưu hóa thiết kế trong phần mềm Ansys Workbench 18.2; Thi cơng chế tạo
và lắp ráp mơ hình thiết kế; Bố trí thiết bị thí nghiệm đo kiểm chứng khả năng đáp ứng
làm việc của bàn định vị 2-DOF với tần số rung và biên động rung; Gia công thử nghiệm
trên các phôi nhôm.
Kết quả của luận văn tốt nghiệp đã giúp tích lũy kiến thức và kinh nghiệm trong
việc học tập nâng cao trình độ về thiết kế, mô phỏng, gia công chế tạo và nguồn tài liệu
quý báu để phục vụ cho công tác dạy và học.


ABSTRACT
With the blooming advancement of the industries , mechanical engineering is a very

important industry for the development of the country. The need for a new machining
method with oscillating support to improve the quality of the machined surface has been
studied and has shown many advantages over traditional machining methods.
The main contents of the thesis: study an overview of the compliant mechanism,
its applications and vibrations assisted machining. Learn about design, simulation and
optimization design in Ansys Workbench 18.2, fabrication and assembly of design
models Layout of test equipment to verify the working responsiveness of the positioning
table 2 -DOF with frequency and amplitude vibration; Machining test on aluminum
billets.
The results of the graduation thesis have helped to accumulate knowledge and
experience in learning to improve the level of simulation design, manufacturing, and
valuable resources to serve teaching and learning work.

MỤC LỤC
TRANG TỰA................................................................................................................. ..i
LÝ LỊCH KHOA HỌC ....................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ v
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. vi
TÓM TẮT ...................................................................................................................... vii
ABSTRACT ..................................................................................................................viii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................ xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ......................................................................................... xvii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngồi nước đã
cơng bố ............................................................................................................................. 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 9
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................................. 9
1.4. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................. 10
1.5. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 10
1.6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 10
1.7. Kế hoạch thực hiện.................................................................................................. 10
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 11
2.1. Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi .............................................. 11
2.1.1. Khái niệm cơ cấu đàn hồi .................................................................................... 11
2.1.2. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi ....................................................................... 12
2.1.3. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi cho hệ thống cơ khí chính xác .................................... 12
2.2. Tổng quan về các phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ ................................ 14
2.2.1. Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp ............................................... 14

2.2.2. Phương pháp gia cơng cắt gọt có kết hợp dao động ........................................... 16
2.2.3. Phương pháp gia cơng phay có kết hợp dao động ............................................... 17
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ..................................................................... 19
3.1. Phương án thiết kế................................................................................................... 19
3.2. Mơ hình hóa ý tưởng thiết kế .................................................................................. 20
3.3. Lựa chọn phương án................................................................................................ 20
3.4. Lựa chọn vật liệu ..................................................................................................... 21
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HĨA ..................................... 22
4.1. Thiết kế .................................................................................................................... 22
4.2. Mơ phỏng ................................................................................................................ 23
4.3. Tối ưu hóa ............................................................................................................... 26
4.4. Kết quả tối ưu .......................................................................................................... 27
4.5. Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 29
CHƯƠNG 5 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG ................. 34
5.1. Chế tạo .................................................................................................................... 34
5.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 36
5.3. Hướng ứng dụng ..................................................................................................... 43
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 44
6.1. Kết luận ................................................................................................................... 44
6.2. Kiến nghị ................................................................................................................. 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 45
Phụ lục 1: Thiết kế, tối ưu hóa trong Ansys Workbench ............................................... 47
Phụ lục 2: Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................ 60
Phụ lục 3: Bản vẽ ........................................................................................................... 64
Phụ lục 6: Cơng trình đã cơng bố của luận văn ............................................................. 67


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
- VAM…………………………. Vibration Assisted Machining
- VATurning…………………….Vibration Assisted Turning

- VADrilling…………………….Vibration Assisted Drilling
- VAMilling……………………..Vibration Assisted Milling
- EARP………………………….. Đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip
- MEMS………………………….Hệ thống vi cơ điện tử
- FEA…………………………….Phương pháp phần tử hữu hạn
- RSM--------------------------------- Response Surface Optimization
- GA -----------------------------------Thuật toán di truyền
- CNC ---------------------------------Computer Numerical Control
- Wire EDM--------------------------Wire electric discharge machining


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép .............................................. 2
Hình 1.2: Bàn rung hai chiều điển hình .......................................................................... 2
Hình 1.3: Bàn rung khơng cộng hưởng ........................................................................... 3
Hình 1.4 : Bàn định vị theo hai chiều .............................................................................. 4
Hình 1.5: Hệ thống rung 2 trục ........................................................................................ 4
Hình 1.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị...................................................................... 5
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của Sy đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip (EARP) 6
Hình 1.8: Cơ cấu định vị 2 bậc tự do với các khớp đàn hồi bán nguyệt ......................... 7
Hình 1.9: Kết quả mơ phỏng của CGM [12] ................................................................... 8
Hình 2.1: Cơng tắc dùng cơ cấu đàn hồi [13]................................................................ 11
Hình 2.2: Các kiểu khớp đàn hồi thơng dụng [14] ........................................................ 12
Hình 2.3: Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS [15] .......................................... 13
Hình 2.4: Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong cơ cấu ăn dao [16] ...................................... 13
Hình 2.5: Các phương pháp gia cơng kết hợp với điện hóa .......................................... 14
Hình 2.6: Các phương pháp gia cơng điện hóa siêu âm ................................................ 15
Hình 2.7: Hiệu quả chất lượng bề mặt (a) Khơng có rung động (b) có rung động ....... 16
Hình 2.8: Gia cơng tiện có sự hỗ trợ dao động ............................................................. 17
Hình 3.1: Các phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ............................................. 19

Hình 4.1: Xây dựng mơ hình thiết kế của bàn định vị 2-DOF ...................................... 23
Hình 4.2: Xây dựng các biến thiết kế bàn định vị 2-DOF............................................. 24
Hình 4.5: Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu ..................................................... 26
Hình 4.6: Độ nhạy của các biến thiết kế ....................................................................... 28
Hình 4.7: Mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và các điểm thiết kế................................... 28
Hình 4.8: Mơ phỏng ứng suất lớn nhất và chuyển vị theo phương x của khớp đàn hồi 30
Hình 4.9 Mơ phỏng các tần số dao động tự nhiên ......................................................... 32


Hình 4.10: Tần số dao động riêng của bàn máy VAM ................................................. 33
Hình 5.1: Mơ hình thiết kế 3D bàn định vị ................................................................... 35
Hình 5.2: Bàn định vị thực tế sau khi gia cơng ............................................................. 35
Hình 5.3: Hình ảnh thực PZT ........................................................................................ 36
Hình 5.4: Bộ điều khiển PZT ........................................................................................ 36
Hình 5.5: Thiết bị đo chuyển vị không tiếp xúc KEYENCE Model LK-G030 ............ 37
Hình 5.6: Mơ hình thực tế bàn máy Vam [25] .............................................................. 38
Hình 5.7: Lắp chốt định vị đầu cong tiếp xúc bề mặt cong của bàn định vị ................. 38
Hình 5.8: Bố trí thí nghiệm thiết bị [26] ....................................................................... 39
Hình 5.9: Gia cơng chi tiết trên máy phay CNC [26] ................................................... 40
Hình 5.10: Sản phẩm sau khi gia cơng [26] ................................................................ 41
Hình 5.11: Tiến hành đo độ nhám cho sản phẩm [26] .................................................. 41
Hình 5.12: Độ nhám bề mặt của phương pháp phay có hỗ trợ rung và khơng có hỗ trợ
rung................................................................................................................................. 43


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Thành phần hóa học và Cơ lý tính của Nhơm Al7075 ................................. 22
Bảng 4.1: Xây dựng bài tốn thiết kế và tối ưu hóa ...................................................... 27
Bảng 4.2: So sánh giữa các ứng cử viên........................................................................ 29
Bảng 4.3: So sánh thiết kế trước và thiết kế bàn định vị 2-DOF .................................. 29

Bảng 4.4: Các biến thiết kế tối ưu của bàn định vị 2 - DOF ......................................... 31
Bảng 5.1: Giá trị thực nghiệm chuyển vị bàn máy trung tâm theo điện áp và tần số[25]
........................................................................................................................................ 41
Bảng 5.2: Chế độ cắt khi gia công[26] .......................................................................... 41
Bảng 5.3: Giá trị độ nhám nhận được[26] ..................................................................... 42


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngồi nước
đã cơng bố
Với sự tiến bộ ngày càng vượt bậc của khoa học - kỹ thuật nói chung và trong
ngành cơ khí nói riêng,các phương pháp gia công truyền thống như tiện, phay, bào,
khoan, kht, doa …Thì một phương pháp gia cơng mới với sự hỗ trợ chính xác trong
việc tạo ra dao động với chuyển vị dưới dạng micromet đã và đang cho thấy nhiều ưu
điểm vượt trội hơn sơ với những phương pháp gia công truyền thống.
Phương pháp gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động (Vibration Assisted Machining
-VAM) là phương pháp kết hợp dao động có biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công
truyền thống hoặc đặc biệt nhằm nâng cao hiệu suất gia công và hiệu quả cắt gọt. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng với chuyển động tịnh tiến tích hợp cho các cơng cụ hoặc phơi,
dung sai chặt chẽ hơn và chất lượng bề mặt hoàn thiện cao hơn có thể đạt được, đặc biệt
khi các vật liệu cứng có độ giịn cao và độ bền đứt gãy thấp được gia công [1, 2].
Gia công cắt gọt có hỗ trợ dao động đã được áp dụng vào tiện, phay, khoan và mài
để gia công các vật liệu cứng. Trong khi đó, gia cơng tiện có hỗ trợ dao động (Vibration
Assisted Turning - VATuring) việc chống rung có thể dễ dàng áp dụng cho dụng cụ vì
nó đang đứng n, việc tích hợp rung trong gia cơng phay có hỗ trợ dao động (Vibration
Assisted Milling - VAMilling) [3] có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng.
1.1.1. Các nghiên cứu ngồi nước
Theo tìm hiểu các nghiên cứu thì Zhang J và Sun B (2006) [4] đã thiết kế và phân

tích 2-DOF giai đoạn định vị nano, bàn định vị nano dựa trên bản lề uốn cong kép, đã
phát triển một nền tảng nơi thiết bị truyền động áp điện được sử dụng để tạo ra rung động
hướng khác nhau để bàn như hình 1.1. Các bộ truyền động áp điện theo hướng X đã cải

1


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]
Cùng thời gian đó, Chern GL, Chang YC (2006) [5] đã sử dụng rung hai chiều để
cắt bằng phay vi mô. Bàn rung hai chiều điển hình với cơ chế linh hoạt nhờ thiết bị truyền
động áp điện một bàn rung được thiết kế như hình 1.2. Các bộ truyền động áp điện được
thực hiện trong kết hợp với hai đường trượt để tạo ra rung hai chiều mong muốn.

Hình 1.2: Bàn rung hai chiều điển hình [5]
2


Li G. (2012) [6] đã phát triển bàn rung không cộng hưởng và nghiên cứu về thí
nghiệm cơng nghệ phay vi mô. Một bàn rung hai chiều bằng cách sử dụng một cơ chế
linh hoạt bốn thanh đơn như hình 1.3. Tuy nhiên, khi cơ chế bốn thanh song song linh
hoạt đơn rung động theo một hướng, sẽ có khớp nối chéo chuyển vị theo hướng khác,
làm giảm độ chính xác chuyển động.

Hình 1.3: Bàn rung khơng cộng hưởng [6]
Jin X và cộng sự (2015) [7] đã nghiên cứu thực nghiệm về tạo bề mặt ở phay vi
mơ 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.

3


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
4


Wanqun Chen và các cộng sự (2017) [9] đã thiết kế, phân tích và thử nghiệm bàn
trượt XY tốc độ cao cho hỗ trợ rung. Đối với mỗi hướng của bộ truyền động, một cặp
bản lề bên trong và cặp bản lề đối diện là linh hoạt, và các cặp khác là cứng, và ngược lại
cho các thiết bị truyền động khác như hình 1.6. Để nhận ra gia cơng hỗ trợ rung (VAM)
trong phay vi mô, kết quả là cải thiện cộng hưởng trong khi giảm độ cứng của giai đoạn
rung. Tần số cộng hưởng lớn hơn 2000 Hz theo cả hai hướng và độ cứng thấp 50N/m thu

được thơng qua tối ưu hóa tham số.

Hình 1.6: Cấu trúc hai lớp của bàn định vị[9]
Wanqun Chen và cộng sự (5/2018) [10] nghiên cứu về phương pháp gia công cắt
gọt có hỗ trợ dao động (VAM) làm cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu bởi chồng tần số
cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi. VAM đã được áp dụng
cho một số phương pháp gia công mài, khoan và gần đây hơn gia cơng phay có dao động
hỗ trợ (VAMilling).
Yan Gu và cộng sự (9/2018) tiếp tục đã thiết kế và phân tích hệ thống đánh bóng
dạng cuộn được hỗ trợ rung động dựa trên bàn đàn hồi chuyển động vi mơ. Nhóm tác giả
nhằm tạo ra một bề mặt chất lượng cao dựa trên cơ chế loại bỏ vật liệu tiếp xúc tuyến
tính. Một giai đoạn chuyển động vi mơ dựa trên uốn cong được điều khiển bởi Piezo đã
được phát triển cho hệ thống đánh bóng chính xác kiểu cuộn hỗ trợ rung như hình 1.7.
Sử dụng các tham số tối ưu, các mơ hình đã thiết lập để đánh giá hiệu suất cơ học của

5


giai đoạn uốn được xác minh bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả giai đoạn
chuyển động vi mô đã thực hiện tốt trong việc định vị các chuyển động vi mơ.

Hình 1.7: Sơ đồ ngun lý của Sy đánh bóng dạng cuộn hỗ trợ rung hình elip (EARP)
1.1.2. Các nghiên cứu trong nước
Trong lĩnh vực kỹ thuật, các khớp nối thường được sử dụng liên kết các chi tiết lại
với nhau. Các khớp nối luôn tồn tại khe hở làm cho sai số truyền động, mài mòn, độ rung,
tiếng ồn làm giảm chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Một trong những giải pháp khả thi để khắc phục các khuyết điểm của khớp truyền
thống là cơ cấu đàn hồi. Cơ cấu đàn hồi cũng cho phép truyền hay biến đổi chuyển động,
lực và moment, tuy nhiên, không giống cơ cấu cứng truyền thống, nó có thể thực hiện ít
nhất một hoặc một vài chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi thay thế

cho các khớp nối thường dùng.
Năm 2016 Shyh-Chour Huang và Thanh-Phong Dao [11] đã thiết kế và tối ưu hóa
tính tốn của bàn rung dùng cơ cấu đàn hồi 2 bậc tự do bằng phương pháp phản hồi bề
mặt dựa trên FEA. Trong cơ cấu này, bàn máy ở trung tâm có khả năng tịnh tiến theo 2
phương vng góc nhau x và y. Chuyển vị của bàn máy được dẫn động bởi cơ cấu chấp
hành PSA hoạt động theo nguyên lý áp điện. Loại thiết bị này có khả năng tạo ra chuyển
6


vị rất chính xác ở phạm vi micromet. Tuy nhiên, để có thể tạo ra chuyển vị lớn thì phải
khuếch đại bằng cơ cấu cánh tay địn trong hình 1.8. Các khớp đàn hồi bán nguyệt được
dùng trong cơ cấu nhằm tạo ra các chuyển động xoay chính xác do được thiết kế liền
thành một khối. Trong cơ cấu này cũng có sử dụng các thanh lị xo lá với mục đích truyền
chuyển động từ cơ cấu chấp hành PSA tới bàn máy trung tâm. Những thanh lò xo lá này
có đặc tính là độ cứng khi chịu kéo thì rất lớn, nhưng khi chịu uốn thì lại rất dễ dàng. Đặc
tính này giúp cho bàn máy có thể thực hiện 2 chuyển động độc lập nhau. Các thanh lò xo
lá này khơng chịu được lực nén.

Hình 1.8: Bàn rung 2 bậc tự do với các khớp đàn hồi bán nguyệt[11]
Năm 2017 Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự [12] đã thiết kế tối ưu ứng dụng cơ cấu
đàn hồi vào q trình gia cơng CNC chính xác là cơ cấu ăn dao. Kết quả cho thấy tỷ lệ
khuếch đại tối đa thu được từ cơ cấu ăn dao rất tốt (hình 1.9).

7


Hình 1.9: Kết quả mơ phỏng của cơ cấu ăn dao [12]
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Hịa nhập thời đại cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, thì việc nghiên cứu và phát
triển những phương pháp gia công mới, với những ưu điểm vượt trội hơn so với những

phương pháp gia công truyền thống đã và đang là thách thức đối với khoa học kỹ thuật
nước nhà. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển phương pháp gia cơng phay có hỗ trợ dao
động với những hiệu quả đáng kể đang được nghiên cứu và phát triển trong và ngồi
nước. Sự ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt
chi tiết gia cơng mang lại tính thực tiễn trong việc nghiên cứu cải tiến hiệu quả của các
phương pháp gia công cắt gọt trong ngành cơ khí chế tạo.
Đồng thời, phương pháp phay có dao động hỗ trợ có ảnh hưởng đến hiệu suất gia
công, tránh tạo ra phôi dây và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt gọt giúp làm tăng tuổi thọ
của dao và thời gian mòn dao lâu hơn. Ngoài ra, ứng dụng của cơ cấu đàn hồi nhằm giảm
thiểu thời gian lắp ráp của các khớp nối lại với nhau, loại bỏ được ma sát, tiếng ồn sinh
ra khi các khớp hoạt động. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chi tiết bằng phương
pháp gia công phay với sự trợ giúp của dao động dựa trên tình hình cơng nghệ trong nước
nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn.

8


Từ những kết luận và các cơng trình đã cơng bố, rõ ràng đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia
công” là một hướng đi mới và cần thiết để đưa vào ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị
định vị chính xác trong cơ khí tại Việt Nam trong tương lai.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
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 công 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 công cắt gọt có dao động hỗ trợ, đặc
biệt là phương pháp phay có dao động hỗ trợ nói riêng. Tính tốn thiết kế, mô 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.
Tìm hiểu gia công và chế tạo bàn máy VAM bằng phương pháp cắt dây Wedm.

9


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 ngoài 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
10


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]

11


Hình 2.2: Các kiểu khớp đàn hồi thơng 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 cơng 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 mịn, 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
12


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 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, 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].

Hình 2.4: Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong cơ cấu ăn dao[16]
13


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 công cắt gọt khác nhằm mục đích tạo ra
phương pháp gia cơng mới đáp ứng gia cơng vật liệu mới, thơng 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 công siêu âm với điện hóa nhằm nâng cao hiệu suất và
chất lượng bề mặt gia công.

14


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 giòn cao và độ bền thấp.

15


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
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 công[20].

16


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 phơi, 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 công.
+ Giảm nhấp nhô bề mặt gia công cũng như cải thiện độ chính xác gia cơng.
+ Loại bỏ q 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].

17