(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN KHẮC HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHAY
CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
CHI TIẾT GIA CÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

SKC007711

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2022

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN KHẮC HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHAY
CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT
CHI TIẾT GIA CÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS PHẠM HUY TUÂN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2022

Luan van


Luan van


Luan van


Luan van


Luan van


Luan van


Luan van


Luan van

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: NGUYỄN KHẮC HUY
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 04/05/1990
Nơi sinh: Tp. HCM
Quê quán: Tp. Hồ Chí Minh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 125, đường Cây Trôm - Mỹ Khánh, Tổ 1, Ấp
Trại Đèn, Xã Phước Hiệp, Huyện Củ Chi, Thành phố Hồ Chí Minh
Điện thoại: 0767 854 727
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 9/2009 đến 8/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng TPHCM
Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 9/2012 đến 3/2014

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Công nghệ chế tạo máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo máy rang cà phê
dùng khí nóng trực tiếp
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 01/2014 tại Trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: ThS. Hồ Viết Bình
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 4/2019 đến 8/2021

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật cơ khí

Luan van


Tên luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ
đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 4/2022 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP Hồ Chí Minh
Người hướng dẫn: PGS.TS PHẠM HUY TUÂN
III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

2015 - 2016

Công ty Cổ phần Okutomi Nguyễn

2016 - 2018
2018 - đến

nay

Công ty Cổ phần Đầu tư và Công
nghệ Đức Thành
Trường Cao đẳng Lý Tự Trọng Tp.
Hồ Chí Minh

Luan van

Cơng việc đảm nhiệm
Nhân viên vận hành máy
Nhân viên thiết kế
Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Khắc Huy

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí
Minh là một cơ hội tuyệt vời cho việc kiểm tra lại những kiến thức đã học, đồng thời

cũng giúp phát huy khả năng giải quyết một vấn đề mới. Vì vậy, tơi rất may mắn vì đã
có cơ hội để thực hiện nó. Tơi cũng rất biết ơn vì có cơ hội gặp gỡ rất nhiều người bạn
tuyệt vời và những người thầy đã dẫn dắt tơi trong cả khóa học nói chung, và thực hiện
luận văn nói riêng này.
Tơi muốn nhân cơ hội này để bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo viên hướng
dẫn luận văn của tôi là thầy PGS.TS. Phạm Huy Tuân - Khoa Cơ khí Chế tạo Máy của
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tơi đưa ra quyết
định đúng đắn trong hướng giải quyết và những lời khuyên rất quan trọng cho luận văn
của tôi. Tôi chọn cơ hội này để ghi nhận sự giúp đỡ của thầy một cách biết ơn sâu sắc
nhất.
Ngồi ra, tơi cũng xin cảm ơn với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS. Đặng Quang
Khoa, NCS. Nguyễn Văn Khiển, em Nguyễn Thanh Hải và quý thầy cô trong Trường
đã hỗ trợ rất nhiều về thiết bị và thực nghiệm cho đề tài.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, đồng nghiệp và bạn bè ln
ln khuyến khích, động viên và tạo động lực để hoàn thành luận văn.
Cơ hội làm luận văn lần này có ý nghĩa như một mốc quan trọng trong sự phát
triển nghề nghiệp của tôi. Một lần nữa, tôi muốn cảm ơn đến tất cả sự giúp đỡ và hỗ trợ
có giá trị của mọi người.

Học viên thực hiện

Nguyễn Khắc Huy

Luan van


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.

Luan van


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.

Luan van


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

Luan van


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

Luan van

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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van


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

Luan van