Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa mô hình khoan với sự hỗ trợ của rung động dùng cơ cấu đàn hồi (Đề tài NCKH)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CÚU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA MƠ HÌNH
KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG
CƠ CẤU ĐÀN HỒI

SV 2021-148

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thái Minh Phương

TP Hồ Chí Minh, 10/2021

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CƯU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA MƠ HÌNH
KHOAN VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG DÙNG
CƠ CẤU ĐÀN HỒI
SV2021-148

Thuộc nhóm ngành khoa học : Khoa học kỹ thuật

SV thực hiện : Nguyễn Thái Minh Phương Nam,Nữ : Nữ
Dân tộc : Kinh
Lớp, khoa : 17143CL1B, khoa đào tạo chất lượng cao

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo:4

Ngành học : Công nghệ chế tạo máy
Người hướng dẫn : Ts. Đặng Quang Khoa

TP Hồ Chí Minh, 10/2021

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề: .............................................................................................................1
1.2 Ứng dụng của gia cơng có hỗ trợ dao động ...........................................................2
1.2.1 Tiện có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Turning – VAT) ......................2
1.2.2 Mài có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Grinding – VAG) ....................4
1.2.3 Phay có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Milling): ................................5
1.3 Tổng quan tình hình nghiên trong và ngoài nước về đề tài: .................................6
1.3.1 Ngoài nước ......................................................................................................6
1.3.2 Trong nước ....................................................................................................13
1.4 Tính cấp thiết .......................................................................................................15
1.5 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu .......................................................................16
1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................16
1.5.2 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................16
1.6 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................16

1.7 Kế hoạch thực hiện ..............................................................................................16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................17
2.1 Gia công có dao động hỗ trợ: ...............................................................................17
2.1.1 Gia cơng có dao động hỗ trợ là gì? ...............................................................17
2.1.2 Nguyên lý hoạt động và các hệ thống cắt .....................................................17
2.1.3 Những lợi ích của gia cơng có dao động hỗ trợ ............................................18
2.2 Nguồn tạo dao động .............................................................................................18
2.2.1 Công nghệ Piezo ...........................................................................................19
2.2.2 Cấu tạo chung của nguồn dao động ..............................................................20
2.2.2.1 Đặc điểm của PZT ..................................................................................20
2.2.2.2 Cấu tạo của PZT .....................................................................................21
2.2.3 Nguyên lý chung của nguồn tạo dao động ....................................................22
2.2.4 Các lưu ý khi lắp PZT ...................................................................................22
2.2.5 Xác định thông số vận hành cho PZT ...........................................................24
2.2.6 Tính tốn ảnh hưởng của khối lượng ............................................................24
2.2.7 Tần số vận hành lớn nhất của PZT................................................................25
2.3 Tần số dao động tự nhiên .....................................................................................26
2.4 Khớp nối mềm .....................................................................................................26
2.4.1 Khớp nối mềm là gì? .....................................................................................26
2.4.2. Các loại khớp nối mềm ................................................................................27
2.4.2.1 Khớp nối mềm hình bán nguyệt .............................................................27
2.4.2.2 Khớp nối mềm hình elip .........................................................................28
3


2.4.2.3 Khớp nối mềm bo góc(fillet) ..................................................................28
2.4.2.4 Khớp nối mềm hình parabol ...................................................................29
2.4.2.5 Khớp nối mềm hình hyperbol.................................................................29
2.4.3 Phân tích và lựa chọn các loại khớp nối mềm ..............................................30
2.5 Phương pháp tối ưu hóa thiết kế ..........................................................................31

2.5.1 Design of experiment (DOE) ........................................................................31
2.5.2 Response surface ...........................................................................................34
2.5.2.1 Response surface methodology là gì? ....................................................34
2.5.2.2 Nguyên lý hoạt động của response surface methodology trong tối ưu hóa
............................................................................................................................35
2.5.3 Design Of Experiment trong ANSYS Workbench .......................................37
2.5.3.1 Central Composite Design (CCD) ..........................................................38
2.5.3.2 Box – Behnken Design ...........................................................................40
2.5.3.3 Custom ....................................................................................................41
2.5.3.4 Custom + Sampling ................................................................................42
2.5.3.5 Sparse Grid Initialization........................................................................43
2.5.3.6 Latin Hypercube Sampling Design ........................................................44
2.5.3.7 Optimal Space-Filling Design ................................................................45
2.5.3.8 Tổng kết ..................................................................................................47
2.5.4 Response Surface Methodology in ANSYS Workbench .............................50
2.5.4.1 Genetic Aggregation...............................................................................50
2.5.4.2 Standard Response Surface – Full 2nd Order Polynomials .....................51
2.5.4.3 Kriging ....................................................................................................52
2.5.4.4 Non-Parametric Regression ....................................................................54
2.5.4.5 Neural Network ......................................................................................55
2.5.4.6 Sparese Grid ...........................................................................................57
2.5.4.7 Tổng kết ..................................................................................................59
2.5.5 Optimization trong ANSYS ..........................................................................60
2.5.5.1 Screening ................................................................................................60
2.5.5.2 MOGA ....................................................................................................61
2.5.5.3 Tổng kết ..................................................................................................61
2.5.6 Các thông số đầu ra cần lưu ý .......................................................................61
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ........................................................................63
3.1 Ngun lý hoạt động của thiết bị .........................................................................63
3.2 Chọn vật liệu ........................................................................................................63

3.3 Phương án thiết kế bàn gá phôi............................................................................64
3.3.1 Phương án 1 ..................................................................................................64
3.3.2 Phương án 2 ..................................................................................................65
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ TỐI ƯU MƠ HÌNH .................................67
4


4.1 Các modul phân tích trong Ansys Workbench: ...................................................67
4.1.1 Modal Analysis (phân tích dạng dao động) ..................................................67
4.1.2 Harmonic Response Analysis (phân tích đáp ứng điều hịa) ........................67
4.1.3 Frequency Response (đáp ứng tần số) ..........................................................68
4.1.4 Fatigue Analysis (phân tích độ bền mỏi): .....................................................69
4.1.4.1 Hiện tượng phá hủy do mỏi: ...................................................................69
4.1.4.2 Mục đích của việc phân tích độ bền mỏi:...............................................69
4.1.4.3 Sự phá hủy mỏi của vật liệu: ..................................................................69
4.1.5 Fatigue Tool: .................................................................................................70
4.1.5.1 Tuổi thọ (Life): .......................................................................................70
4.1.5.2 Độ phá hủy do mỏi (Damage): ...............................................................70
4.1.5.3 Yếu tố an toàn (Safety Factor): ..............................................................70
4.1.5.4 Chỉ số đa trục (Biaxial Indication): ........................................................70
4.2 Phân tích động học bàn máy ................................................................................71
4.2.1 Chia lưới trong Ansys Workbench ...............................................................71
4.2.2 Phân tích dạng dao động ...............................................................................73
4.2.2.1 Điều kiện biên ........................................................................................73
4.2.2.2 Output .....................................................................................................74
4.2.2.3 Nhận xét..................................................................................................75
4.2.3 Phân tích đáp ứng điều hịa (Harmonic Response Analysis): .......................76
4.2.3.1 Điều kiện biên ........................................................................................76
4.2.3.2 Output .....................................................................................................77
4.2.3.3 Nhận xét..................................................................................................79

4.2.4 Phân tích phá hủy (Fatigue) ..........................................................................80
4.2.4.1 Điều kiện biên ........................................................................................80
4.2.4.2 Output .....................................................................................................80
4.2.4.3 Nhận xét..................................................................................................82
4.3 Phân tích lựa chọn phương án .............................................................................82
4.4 Tối ưu hóa mơ hình:.............................................................................................83
4.4.1 Các biến tối ưu ..............................................................................................84
4.4.3 Design Space .................................................................................................87
4.4.4 Đặt biến đầu vào............................................................................................87
4.4.5 Quá trình tối ưu .............................................................................................90
4.4.5.1 Tối ưu lần 1 ............................................................................................91
4.4.5.2 Tối ưu lần 2 ............................................................................................96
4.4.5.3 Tối ưu lần 3 ..........................................................................................102
4.4.5.4 Nhận xét và kết ḷn .............................................................................105
CHƯƠNG 5: GIA CƠNG MƠ HÌNH .....................................................................106
5.1 Gia công bàn máy ..............................................................................................106
5.2 Các chi tiết khác .................................................................................................107
5


5.3 Mơ hình hồn chỉnh ...........................................................................................109
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .........................................................................................110
6.1 Kết quả đạt được ................................................................................................110
6.2 Đề xuất kiến nghị ...............................................................................................110
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................111

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện.........................................................................................16
Bảng 2.1 So sánh các loại khớp nối mềm......................................................................30
Bảng 2.2 So sánh các loại DOE.....................................................................................47
Bảng 2.3 So sánh các loại RSM ....................................................................................59
Bảng 4.1 Thí nghiệm dao động khơng tải từ thiết bị tạo dao động P225.10. ................67
Bảng 4.2 Bảng dữ liệu theo đồ thị biên độ - tần số khi phân tích Frequency Response
Normal Stress. ...............................................................................................................69
Bảng 4.3. So sánh thời gian và kết quả Mesh khớp mềm .............................................71
Bảng 4.4. Chia lưới Ansys .............................................................................................72
Bảng 4.5 Điều kiện biên trong phân tích dạng dao động trên phần mềm Ansys ..........73
Bảng 4.6. Kết quả trong phân tích dạng dao động trên phần mềm Ansys cho khớp nối
mềm. ..............................................................................................................................74
Bảng 4.7. Điều kiện biên trong phân tích đáp ứng điều hòa trên phần mềm Ansys .....76
Bảng 4.8. Kết quả trong phân tích đáp ứng điều hịa trên phần mềm Ansys ................77
Bảng 4.9. Bảng đồ thị đáp ứng tần số và phản hồi pha khi phân tích đáp ứng điều hòa
của phương án 1.............................................................................................................78
Bảng 4.10. Bảng đồ thị đáp ứng tần số và phản hồi pha khi phân tích đáp ứng điều hịa
của phương án 2.............................................................................................................78
Bảng 4.11 Điều kiện biên trong phân tích phá hủy trên phần mềm Ansys ...................80
Bảng 4.12 Kết quả trong phân tích phá hủy trên phần mềm Ansys cho khớp nối mềm.
.......................................................................................................................................80
Bảng 4.13 Bảng so sánh hai phương án khi phân tích phá hủy theo mô đun Static
Structual. ........................................................................................................................82
Bảng 4.14 Đặt biến. .......................................................................................................87
Bảng 4.15 Quá trình tối ưu lần 1 và kết quả ..................................................................91
Bảng 4.16 Kết quả tối ưu lần 1 ......................................................................................96
7

Bảng 4.17 Quá trình tối ưu lần 2 và kết quả ..................................................................97
Bảng 4.19 Quá trình tối ưu hóa lần 3 và kết quả .........................................................102
Bảng 4.20 Kết quả tối ưu lần 3 ....................................................................................104

8


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CCD

: Central Composite Design

CFRP

: Carbon Fibre Reinforced Plastics

CR-39

: Optical Plastics

DOE
EV
LHS
MEMS

: Design of experiment
: Elliptical Vibration
: Latin Hypercube Sampling
: Micro Electro Mechanical Systems

MOGA

: Multi-Objective Genetic Algorithm

NPR

: Non-Parametric Regression

OSF

: Optimal Space-Filling

PZT

: Piezoelectric

RSM

: Response surface methodology

UPM

: Ultra – precision Machining

VAD

: Vibration – Assisted Drilling

VAG

: Vibration – Assisted Grinding

VAM

: Vibration – Assisted Machining

VAT

: Vibration – Assisted Turning

VAM

: Vibration – Assisted Milling

1D VAM

: one – direction Vibration – Assisted Machining

2D VAM

: two – direction Vibration – Assisted Machining

9


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu khoan với sự hỗ trợ của rung

động dùng cơ cấu đàn hồi
- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thái Minh Phương
- Lớp: 17143CL1B

Mã số SV:17143128

Khoa: Đào tạo chất lượng cao

- Thành viên đề tài:
Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Nguyễn Minh Nhật

17143116

17143CL1A

Chất lượng cao

2

Vòng Phú Toàn

17143151

17143CL1B

Chất lượng cao

- Người hướng dẫn: Đặng Quang Khoa
2. Mục tiêu đề tài:

Thiết kế, tính tốn và tối ưu hóa mơ hình khoan có tích hợp hỗ trợ dao động
3. Tính mới và sáng tạo:
Thiết kế mơ hình sử dụng cơ cấu đàn hồi và nguồn tạo dao động mới so với các mơ
hình khác đã nghiên cứu trước đó.
Sử dụng phương pháp tối ưu hóa để nâng cao hệ số an toàn của mơ hình
4. Kết quả nghiên cứu:
Dựa trên những thiết kế có sẵn ban đầu, sử dụng modul Design Of Experiment và
Response Surface của phần mềm ANSYS để tối ưu hóa các kích thước bàn máy với mục đích
tăng tần số lên cao nhất và giảm ứng suất xuống thấp nhất. Sau 3 lần tối ưu, tần số từ 998.9Hz
tăng lên 2678.8Hz, tăng khoảng 2.7 lần và ứng suất từ 101.7MPa giảm xuống 28.9, giảm khoảng
3.5 lần so với ban đầu.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng
áp dụng của đề tài:
Trong thời điểm hiện tại, những phương pháp gia công truyền thống không còn đáp
ứng được những yêu cầu cao của nền công nghiệp hiện đại nữa, vì thế các phương pháp nhằm

tăng chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ đã được nghiên cứu phát triển. Trong những năm

10


gần đây, những ưu việt của khoan có hỗ trợ rung động đã được khẳng định qua nhiều cơng
trình nghiên cứu cả trong và ngoài nước.
Tuy nhiên, những thiết bị tạo rung động thường rất phức tạp và vì thế giá thành rất
cao. Đây chính là lý do chính cản trở việc thực tế hóa kỹ thuật này trong sản x́t hiện đại.
Chính vì lý do đó, việc tạo ra một mơ hình khoan có hỗ trợ rung động với kết cấu đơn giản,
gọn nhẹ, dễ chế tạo vào lắp ráp là rất cần thiết. Đây cũng chính là mục tiêu của đề tài nghiên
cứu.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)
hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày

tháng

năm

SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài (phần
này do người hướng dẫn ghi):

Ngày

tháng

năm

Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề:
Trong lĩnh vực cơ khí nói chung và gia cơng chính xác nói riêng, các phương
pháp gia công cắt kim loại thông thường như phay, tiện, khoan, mài,... được áp dụng
gần như trong mọi q trình gia cơng. Những phương pháp gia cơng này tạo ra lực cắt
khá cao và cho ra chất lượng bề mặt gia cơng khơng cao. Lực cắt thường có giá trị khá
lớn để có thể giảm được thời gian gia công, tuy nhiên, lực cắt cao cũng sẽ tương
đương với những bất lợi như làm tăng độ mòn của dụng cụ, giảm tuổi thọ của dụng cụ
cắt và giảm chất lượng bề mặt gia công làm ảnh hưởng trực tiếp đến việc xử lý sau gia
cơng, cần có bước hồn thiện bề mặt (gia cơng tinh hay mài bóng) và làm sạch bavia,
dẫn đến tăng chi phí sản xuất, thiếu tính kinh tế.
Có thể thấy rẳng, kỹ tḥt gia công thông thường không còn đáp ứng được các
yêu cầu gia cơng chính xác trong thời đại kỹ tḥt số hiện nay nữa, lý do là vì các
phương pháp gia công thông thường không thể gia công các chi tiết có kích cỡ micro
trở xuống. Chính vì thế, ngày nay, thế giới đang nghiên cứu càng nhiều các phương
pháp khác nhau để tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện độ bóng bề mặt sau gia cơng
bao gồm: sử dụng một lớp phủ đặc biệt trên dụng cụ cắt (như lớp phủ TiN Titanium
nitride, TiCN Titanium carbon nitride, TiAlN Titanium aluminium nitride, Super-ATM,
DLC Daimond like carbon,…); giảm tốc độ cắt (nhưng sẽ làm tăng thời gian gia công
chi tiết và cũng sẽ ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế); hoặc thậm chí là gia cơng có hỗ trợ

laze (nhưng sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học của vật liệu phôi ban đầu),...
Và để đáp ứng nhu cầu đó, nhằm mục đích gia cơng đạt được chất lượng bề mặt
tốt hơn, độ chính xác cao hơn với chi phí thấp nhất, rung động đã được nghiên cứu và
ứng dụng vào việc gia công trong bất kỳ một phương pháp, công cụ, phôi, môi trường
làm việc cả thông thường lẫn tiên tiến, phương pháp đó được gọi là gia cơng có dao
động hỗ trợ (VAM) hay Vibration - Assited Machining. VAM kết hợp gia công với
dao động biên độ nhỏ của dụng cụ cắt, từ đó tăng chất lượng bề mặt, độ bóng và độ
chính xác cho chi tiết khi gia cơng với chi phí có thể chấp nhận.

1


Ngày nay, phương pháp gia cơng có hỗ trợ dao động VAM đã được ứng dụng
vào đa số các phương pháp gia công cắt kim loại cơn bản.
1.2 Ứng dụng của gia cơng có hỗ trợ dao động
1.2.1 Tiện có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Turning – VAT)
Gia cơng có hỗ trợ rung động đã được nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình
tiện và đạt được nhiều kết quả khả quan, VAT đã được áp dụng với nhiều mục đích
khác nhau trong nhiều lĩnh vực. Hệ thống VAT 1D, được thiết kế và chế tạo bởi Kim
et al. [1,2] gồm có một máy phát siêu âm có rung động ở tần số 19,5 kHz là bộ dao
động.Nguồn tạo dao động được kết nối với dụng cụ cắt thông qua một ăng-ten tối đa
hóa biên độ rung động lên 15 (μm). Kim et al. đã tiến hành thử nghiệm tiện thử với vật
liệu là chất dẻo gia cường sợi cacbon (CFRP). Kết quả cho thấy rằng sau khi gia công,
chất lượng bề mặt CFRP đã được cải thiện hơn. Hơn nữa, Kim et al. còn chỉ ra rằng
các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong phương pháp này là tốc độ chạy dao
và tốc độ cắt (giống như phương pháp tiện thông thường).
Cerniway et al [3] đã nghiên cứu và thiết kế dụng cụ cắt rung động theo đường
elip bằng cách thông qua hai áp điện song song bộ truyền động có băng thơng 4,5
(kHz) . Dao có hỗ trợ rung động trong VAT 2D giúp tối ưu hóa lực cắt, làm giảm lực
cắt và chất lượng bề mặt được cải thiện đáng kể so với ban đầu. Tuy nhiên, nhược

điểm của nó là việc sử dụng tần số thấp nên tốc độ ăn dao không thể tăng cao và làm
tăng thời gian gia công, ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế.

2


Hình 1.1 Minh họa đường chạy dao tiện có hỗ trợ
Càng ngày càng có nhiều ghiên cứu chứng minh được sự ưu việt của tiện có hỗ
trợ rung động. Ping Zou, Yingshuai Xu, Yu He, Mingfang Chen, và Hao Wu [4] đã
tiến hành nghiên cứu tập trung vào phân tích thực nghiệm địa hình bề mặt ba chiều
(3D) và độ nhám bề mặt của phôi ASS 304 được gia công bằng tiện có hỗ trợ rung
siêu âm so với tiện thơng thường. Kết quả cho thấy, có sự khác biệt đáng chú ý về địa
hình bề mặt của phơi được gia công. Với CT, các vệt bề mặt khá không đều và để lại
nhiều sắc thái khác nhau của các rãnh do dụng cụ cắt trên bề mặt phôi bị trầy xước. Và
có sự khác biệt đáng chú ý giữa các rãnh. Các hạt bề mặt trong UAT rất phức tạp. Sự
phân bố tổng thể của các hạt được phân bố tốt, và bề ngoài trở thành dạng lưới lồi và
lõm. Và bề mặt cực kỳ tinh tế so với bề mặt của CT, nhưng độ sáng của bề mặt gia
công kém hơn. Khi biên độ siêu âm là 23 𝜇m, địa hình bề mặt ở UAT của ASS 304 tốt
hơn nhiều so với các biên độ siêu âm khác và CT. Kích thước của các vết cắt trên bề
mặt phôi được phân bố tốt, các vết cắt nông hơn.

3


Hình 1.2 Vi thể bề mặt và địa hình bề mặt 3D trong tiện có hỗ trợ siêu âm và tiện
thơng thường
1.2.2 Mài có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Grinding – VAG)
Naresh kumar Marojua, Xiaoliang Jinb [5] đã tiến hành thử nghiệm nghiên cứu
khảo sát ứng suất dư trong mài thông thường (CG) và mài hỗ trợ rung (VAG) với vật
liệu Ti6Al4V.

4


Hình 1.3 Thiết lập thử nghiệm mài có hỗ trợ rung của Ti6Al4
Cuối cùng kết luận rằng ứng suất dư bề mặt thay đổi liên tục trong quá trình
tiếp xúc giữa phôi và hạt mài do tác dụng làm cứng biến dạng, và cuối cùng ổn định
sau 10-15 lần mài liên tiếp. Các ứng suất dư bề mặt trong CG, 1D-VAG và 2D-VAG
được mô phỏng và so sánh. Việc bổ sung hỗ trợ rung động làm tăng biên độ của ứng
suất dư nén do hiệu ứng lõm, có lợi cho tuổi thọ mỏi. 1D-VAG tạo ra cường độ ứng
suất dư nén cao nhất so với CG và 2D-VAG.
1.2.3 Phay có hỗ trợ dao động (Vibration-Assisted Milling):
Trong thời gian gần đây, phay có hỗ trợ rung đã thu hút nhiều sự chú ý hơn từ
cả giới học thuật và công nghiệp. Wanqun Chen, Dehong Huo, Yilun Shi và J. M.
Hale[6] đã chỉ ra rằng vì vận tốc cắt và chiều dày phoi chưa cắt thay đổi liên tục trong
quá trình phay, quỹ đạo của mũi dao trong phay có hỗ trợ rung trở nên phức tạp hơn so
với các nguyên công gia cơng có hỗ trợ rung khác.
Lin-hong Xu , Hao-bo Na, Guang-chao Han [7] đã tiến hành thí nghiệm với hợp
kim titan TC4 và hợp kim nhôm 6061T6. Hàng loạt các thí nghiệm phay rãnh đã được
thực hiện có và khơng có rung động ở các biên độ và tốc độ tiến dao khác nhau để khám
phá tác động của rung đối với q trình phay vi mơ.

5


Hình 1.4 Bố cục của các bài kiểm tra thí nghiệm [7]
Kết quả thử nghiệm cho thấy rung siêu âm có thể làm giảm hiệu quả lực phay lần
lượt là 12% và 17% đối với hợp kim nhôm 6061T6 và hợp kim titan TC4 so với thông
thường. Bằng cách quan sát và so sánh địa hình của các bề mặt được gia công, người ta
thấy rằng phay rung siêu âm có thể làm giảm các khuyết tật bề mặt và vết gia cơng và

do đó cải thiện chất lượng bề mặt, kết quả cũng cho thấy rằng rung động siêu âm có thể
cải thiện độ chính xác của kích thước do lực phay thấp hơn với việc bổ sung rung động
siêu âm, do đó có thể hạn chế gây ra ứng suất và biến dạng ảnh hưởng làm độ chính xác
kích thước giảm.
1.3 Tổng quan tình hình nghiên trong và ngoài nước về đề tài:
Trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu về những nghiên cứu có
liên quan đến gia cơng có hỗ trợ dao động trong phương pháp khoan. Trên thực tế, có
hai trường hợp mơ hình gia cơng khoan có hỗ trợ dao động: thiết bị tạo dao động được
tích hợp vào ụ kẹp mũi khoan và thiết bị tạo dao động được đặt bên trong mơ hình gia
cơng
1.3.1 Ngồi nước
Trong phạm vi của đồ án này, chúng ta sẽ chỉ tìm hiểu về gia cơng có hỗ trợ
dao động đặc biệt là trong phương pháp gia cơng khoan. Trên thực tế, có hai trường
hợp mơ hình gia cơng khoan có hỗ trợ dao động: thiết bị tạo dao động được tích hợp
vào ụ kẹp mũi khoan và thiết bị tạo dao động được đặt bên trong mơ hình gia cơng.
6


Trên thế giới đã có nhiều ứng dụng thực tế và phát triển khoan có hỗ trợ dao
động. Các hoạt động nghiên cứu về khoan có hỗ trợ dao động rất đa dạng, được thử
nghiệm trên các vật liệu khác nhau.
Mohamed Yassin Baraya, Hassan El-Hofy và Mohab Hossam [8] đã kết luận
rằng việc cung cấp các rung động từ phía cơng cụ trong VAM có lợi trong q trình
tiện và mài, tuy nhiên, trong phay và khoan, hình dạng của dụng cụ cắt thúc đẩy tạo ra
rung động không kiểm soát được ở đầu dao. Do đó, việc thiết kế một thiết bị tự rung
có mục đích chung cung cấp các rung động cho phôi sẽ tạo điều kiện và góp phần giải
qút một số vấn đề về VAM. Ngồi ra, nghiên cứu còn chỉ ra tốc độ cắt, tốc độ tiến
dao và độ sâu của vết cắt là các thơng số quan trọng trong quy trình VAM. Tuy nhiên,
tần số và biên độ dao động là các yếu tố cần được ưu tiên và nghiên cứu thêm.

Hình 1.5 Dải tần số và biên độ trong VAM
Nghiên cứu này đã mở đường cho việc áp dụng rung động vào các quá trình gia
cơng khi chứng minh được rằng gia cơng có hỗ trợ dao động có ảnh hưởng tích cực
đến chất lượng bể mặt sau gia công và tuổi thọ dụng cụ cắt. Đồng thời cũng đưa ra
hường phát triển tập trung vào tần số và biên độ dao động, mở đường cho việc nghiên
cứu và phát triển sau này.

7


Hình 1.6 Các nghiên cứu về VAM từ năm 1996 đến 2017
Trong nghiên cứu này, tác giả cũng đã nêu ra được hướng nghiên cứu của
những cơng trình trước, các tài liệu được điều tra bằng các quy trình VAM khác nhau
trong giai đoạn giữa năm 1996 và năm 2017, có thể thấy rõ rằng hầu hết các cơng việc
nghiên cứu đều tập trung vào gia công thép và hợp kim nhơm, trong khi ít chú ý đến
các vật liệu khác như titan và CFRP bất chấp các ứng dụng cơng nghiệp quan trọng
của chúng.
Chính vì thế, các nghiên cứu sau này đã tập trung vào nghiên cứu những vật
liệu như titan và CFRP hơn nhằm mục đích áp dụng vào thực tế, đặc biệt là với
phương pháp khoan có hỗ trợ rung động.
Các nghiên cứu cũng chứng minh rằng khoan có hỗ trợ rung động giúp tăng
tuồi thọ dụng cụ cắt lên rất nhiều đã xuất hiện ngày càng nhiều hơn. Oliver Pecata,
Ekkard Brinksmeierb [9] đã tiến hành nghiên cứu, khoan có hỗ trợ rung tần số thấp với
CFRP / Ti6Al4V [10/10 mm] và khảo sát về độ mòn của dụng cụ và so với khoan
thông thường. Các mũi khoan cacbua rắn có đường kính 4,8 mm và các lớp phủ CVD
và PVD khác nhau đã được thử nghiệm. Kết qủa cho thấy độ mòn của sườn cũng như
độ bám dính ở các cạnh cắt đã giảm đáng kể khi sử dụng khoan có hỗ trợ rung tần số
thấp . Tuổi thọ của dụng cụ có thể tăng hơn 300% so với khoan thông thường. Các kết
quả của nghiên cứu này cho thấy khoan có hỗ trợ rung tần số thấp là một giải pháp
8

thay thế đầy hứa hẹn cho việc khoan vật liệu hợp chất kim loại fi-ber. Độ mòn của
dụng cụ đã giảm đi đáng kể so với khoan thông thường và nhiệt trong q trình khoan
cũng giảm nhiều. Tính ổn định của quy trình cao làm cho nó đặc biệt thích hợp đối với
các hoạt động khoan tự động hoặc khoan lỗ sâu nặng để cắt phơi.
Thí nghiệm của Oliver Pecata và Ekkard Brinksmeierb đã chứng minh được
nhữn ưu việt của quá trình khoan có hỗ trợ dao động với việc tăng tuổi thọ dụng cụ cắt
bằng thực nghiệm. Thúc đẩy quá trình ứng dụng khoan có hỗ trợ dao động vào thực tế
vì những lợi ích rất lớn mà nó mang lại.

Hình 1.7 Hình ảnh nhiệt độ để khoan thơng thường (trên) và khoan hỗ trợ rung (dưới)
trong Ti6Al4V
Bên cạnh đó cũng có những nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình hình thành phoi
của q trình khoan có hỗ trợ rung động ảnh hưởng tốt đến chất lượng bề mặt sau gia
công và tuổi thọ dụng cụ cắt. Friedrich Bleicher, Gerhard Wiesinger, Christoph
Kumpf, Daniel Finkeldei, Christian Baumann và Christoph Lechner [10] đã tiến hành
khoan có hỗ trợ rung tần số thấp chồng kim loại đối với việc gia công vật liệu hợp chất
làm bằng C45E và CFRP, kết quả cho thấy do sự rung động ở tần số thấp và biên độ
cao, các phoi bị tách thành các đoạn nhỏ. Điều này dẫn đến việc di tản phoi được hỗ
9


trợ và do đó, có thể tránh được tắc nghẽn. Hơn nữa, sự phá hủy bề mặt của mảnh vụn,
cũng bị ảnh hưởng bởi các phoi dài, và vì phoi bị tách thành các đoạn nhỏ nên có thể
giảm đáng kể và tránh được sự hình thành gờ ở mặt phân cách giữa thép và CFRP góp
phần tăng chất lượng bề mặt sau khi khoan. Ngoài ra, việc tạo ra các phoi nhỏ hơn làm
giảm tải trọng cơ học lên dụng cụ, dẫn đến giảm lực ăn dao dẫn đến cải thiện đáng kể
sự mài mịn của dụng cụ.

Hình 1.8 Phoi của khoan thơng thường (trái) và khoan có hỗ trợ rung tần số thấp (phải)
Ramy Hussein , Ahmad Sadek , Mohamed A. Elbestawi và M. Helmi Attia
[11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của q trình mài mịn dụng cụ đến chất lượng lỗ khoan
trong quá trình khoan của CFRP và Ti6Al4V của khoan hỗ trợ rung tần số thấp và
khoan thơng thường. Thí nghiệm được mơ tả bằng hình ở dưới.

10


Hình 1.9 Trình tự thiết lập thí nghiệm, được sử dụng trong quá trình [11]
Cuộc thử nghiệm đã kiểm tra việc khoan 50 lỗ trong các điều kiện gia công khác
nhau, cuối cùng đã đưa ra kết luận khoan hỗ trợ rung tần số thấp giảm đáng kể tải nhiệt
gia công. Nhiệt độ cắt đã giảm 40% so với khoan thông thường, khoan hỗ trợ rung tần
số thấp cũng cải thiện đáng kể độ chính xác hình học của CFRP và Ti6Al4V. Trong
nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng khi số lượng lỗ khoan tăng lên, mômen cắt và lực đẩy
tăng cho cả hai kỹ thuật gia công, tuy nhiên, VAD giảm tới 25% và 45% lực đẩy và
mômen cắt tương ứng so với khoan thông thường. Khoan hỗ trợ rung động hỗ trợ giảm
sự phân tách lớp chấp nhận được đối với tất cả các thông số gia công được khảo sát.

11


Hình 1.10 Ảnh hưởng của khoan hỗ trợ rung tần số thấp và khoan thơng thường lên
hình thái phoi, tính tồn vẹn bề mặt và cơng cụ khoan trong q trình khoan của
CFRP / Ti6Al4V

Hình 1.11 Ảnh hưởng của kỹ tḥt gia cơng đến sự tách lớp
Như vậy, ta có thể thấy rằng những hoạt động nghiên cứu về gia cơng có hỗ trợ
rung nói chung và khoan có hỗ trợ rung động nói riêng ở trên thế giới diễn ra rất sôi nổi,
những hướng phát triển cũng rất đa dạng, hướng về nhu cầu thực tế rất nhiều và cho ra

được những kết quả rất tiềm năng về cả tuổi thọ dụng cụ, chất lượng bề mặt sau gia
công và độ chính xác.
12


1.3.2 Trong nước
Trong thời điểm hiện tại, những nghiên cứu trong nước về gia cơng có hỗ trợ
rung động chưa có nhiều và cịn nhiều hạn chế. Một số cơng trình nghiên cứu đã chỉ ra
lợi ích của việc sử dụng rung động hỗ trợ trong gia cơng cơ khí. Năm 2015 Nguyễn
Văn Dự, Chu Ngọc Hùng [12] đã chứng minh sự ưu việt của khoan có rung động hỗ
trợ bằng thực nghiệm, sử dụng hợp kim nhôm, nghiên cứu đã so sánh đánh giá theo 3
tiêu chí: sự bám dính phoi trên mũi khoan, cấu trúc phoi và mức độ biến dạng của
đường kính lỗ khoan. Kết quả cho thấy ở chế độ khoan thường, Ở chế độ khoan tường
thu được các lỗ có đường kính đến động từ 3,2 đến 3,5 mm, có giá trị trung bình
khoảng 3,4 mm và giá trị phân phối chuẩn 0,08(ứng với phương sai khoảng 0,0064).
Chế độ khoan có hỗ trợ rung động cho ra các lỗ có đường kính biến động từ 3,1 đến
3,2mm có giá trị trung bình khoảng 3,2mm và giá trị phân phối chuẩn là 0,05(ứng với
phương sai khoảng 0,0025). Từ đó kết luận rung động hỗ trợ giúp cho sản phẩm đó có
đường kính ít bị lay rộng hơn.

Hình 1.12 Phân bố thống kê đường kính lỗ khi khoan thường(trái) và khoan có dao
động(phải)
Nghiên cứu này đã chứng minh được ảnh hưởng tích cực của khoa có hỗ trợ rung
động đến độ chính xác của lỗ khoan. Nhưng cơ cấu tạo rung động bằng đầu rung khí
nén chỉ tạo ra được tần số rung thấp. Kết quả nghiên cứu này đã khẳng định các ưu việt
của khoan có hỗ trợ rung động tần số thấp với kết cấu đồ gá đơn giản, đồng thời cũng
mở đường cho những nghiên cứu về khoan có hỗ trợ rung động sau này ở phạm vi trong
nước.
13

Để có thể tăng tần số rung động lên cao nhằm tăng tính an toàn và hiệu năng của
cơ cấu, một số cơng trình nghiên cứu được thực hiện đối với việc nghiên cứu ứng dụng
cơ cấu đàn hồi trong gia công nhưng chưa áp dụng thực tế đặc biệt vơ khoan. Ngũn
Văn Khiển, Phạm Huy Hồng, Phạm Huy Tn [13], đã đưa ra báo cáo “CƠ CẤU ĐÀN
HỒI VÀ CÁC HƯỚNG ỨNG DỤNG”, bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về
cơ cấu đàn hồi, ta có thể thấy cơ cấu đàn hồi được ứng dụng trong nhiều mục đích khác
nhau như cơ cấu kẹp, gắp với độ phân giải micron, cơ cấu dẫn động với độ phân giải
micro,…
Đặc biệt trong báo cáo nói về việc sử dụng cơ cấu đàn hồi tạo chuyển động nhỏ
cỡ micro nhằm làm cơ cấu ăn dao chính xác và các phương pháp phân tích cũng như
tổng hợp liên quan đến việc thiết kế cơ cấu dạng này. Ứng dụng này có thể được xem là
lần đầu được nghiên cứu ở trong nước và nếu thành cơng có thể áp dụng vào việc nâng
cao độ chính xác trong gia cơng cơ khí rất hiệu quả. Cơ cấu đàn hồi được phát triển
nhiều loại khác nhau để phù hợp với mục đích đa dạng của nghành kỹ thuật hiện nay.
Chính điểu này đã mở ra cơ hội ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào hệ thống khoan có hỗ trợ
rung động vì những ưu điểm của nó rất thích hợp với việc thêm rung động vào mơ hình.

Hình 1.13 Cơ cấu ăn dao với độ phân giải micron
Nhóm tác giả Nguyễn Thanh My, Trần Nguyễn Anh Khoa, Phan Nhật Quang,
Phạm Huy Tuân [14] đã tiến hành nghiên cứu và cho ra mô hình khoan có hỗ trợ dao
động.Với tần số trong khoảng từ 100 – 4600 (Hz) thu được các kết quả mô phỏng: biết
14