Luận án tiến sĩ: Giảm rung tích cực bằng ngoại lực cưỡng bức trong tiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỒ NGỌC THẾ QUANG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẢM RUNG TÍCH CỰC BẰNG NGOẠI LỰC CƯỠNG BỨC TRONG QUÁ TRÌNH TIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ SKA 0 0 0 0 7 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ---oo0oo--- HỒ NGỌC THẾ QUANG HẾ QUANG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GIẢM RUNG TÍCH CỰC BẰNG NGOẠI LỰC CƯỠNG BỨC TRONG QUÁ TRÌNH TIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 Hướng dẫn khoa học 1: PGS. Đỗ Thành Trung PGS. Đỗ Thành Trung Hướng dẫn khoa học 2: GS.

Nguyễn Xuân Hùng S. Nguyễn Xuân Hùng Phản biện 1: PGS. Trương Hoành Sơn Phản biện 2: PGS. Lưu Đức Bình Phản biện 3: PGS.

Trần Ngọc Hiền Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi khẳng định rằng đây là kết quả của công trình nghiên cứu mà tôi đã thực hiện dưới sự hướng dẫn của một nhóm các nhà khoa học. Các kết quả của nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trên bất kỳ công trình nào khác. Tôi đã dẫn chứng rõ ràng và đầy đủ các nguồn tham khảo được sử dụng trong quá trình thực hiện luận án.

HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2024 Tác giả luận án Hồ Ngọc Thế Quang Hồ Ngọc Thế Quang iii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, đặc biệt là PGS. Lê Hiếu Giang, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trong Khoa Cơ khí Chế tạo máy, đặc biệt là PGS.

Trương Nguyễn Luân Vũ, cùng với quý Thầy Cô từ các Phòng, Khoa và Ban khác tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Quý Thầy Cô đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian qua, và đã dành nhiều thời gian quý báu của mình để truyền đạt kiến thức chuyên môn, cũng như chia sẻ những lời khuyên hữu ích trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến quý Thầy Cô là thành viên trong Hội đồng bảo vệ Tổng quan, Chuyên đề 1, Chuyên đề 2 và Cơ sở, đặc biệt là thầy hướng dẫn PGS. Đỗ Thành Trung và GS.

Nguyễn Xuân Hùng. Quý Thầy Cô không chỉ cung cấp những chỉ dẫn và góp ý quý báu về chuyên ngành, mà còn mang lại sự quan tâm, động viên và khích lệ trong suốt quá trình tôi tiến hành thí nghiệm, viết bài báo khoa học và viết thuyết minh luận án Tiến sĩ. Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đặc biệt là sự đồng cảm và chia sẻ vô cùng lớn từ vợ và các con. Họ đã luôn đồng hành cùng tôi và động viên để tôi vượt qua những khó khăn và thực hiện công việc nghiên cứu của mình.

Tôi xin chân thành cảm ơn! iv TÓM TẮT Ngày nay, với áp lực của thị trường đòi hỏi các doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy nói riêng và các công ty sản xuất nói chung phải nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tương tự, gia công sản xuất các chi tiết bằng phương pháp tiện cũng chịu áp lực rất lớn từ thị trường. Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tăng năng suất và chất lượng sản phẩm là hiện tượng rung động trong quá trình tiện. Thông qua quá trình mô phỏng hiện tượng rung động đã được nghiên cứu ở các trường hợp tiện trụ dài, tiện mặt bích mỏng và tiện lỗ sâu.

Kết quả mô phỏng cho thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ rung động và chất lượng bề mặt thành phẩm bao gồm độ cứng vững phôi, độ cứng vững của dao, sóng bề mặt phôi và chế độ cắt. Trong trường hợp tiện trụ và tiện mặt bích thì độ cứng vững của phôi ảnh hưởng rất lớn đến độ rung động và chất lượng bề mặt sản phẩm. Còn trường hợp tiện lỗ thì độ cứng vững của cán dao là yếu tố chính ảnh hưởng đến rung động. Nếu chiều dài cán dao tương ứng độ cứng vững của cán dao vượt qua giá trị giới hạn thì chất lượng bề mặt sản phẩm sẽ giảm rất nhanh.

Trong nghiên cứu này, chiều dài cán dao tới hạn được xác định là 60 mm, và khi đó độ nhám bề mặt Rz tương ứng là khoảng 20 µm. Thông qua quá trình mô phỏng và thí nghiệm, nghiên cứu đã thu thập dữ liệu khá lớn và ứng dụng thuật toán học máy để nhận diện quá trình rung động cho trường hợp tiện lỗ và tiện mặt bích. Với thuật toán nhận diện rung động qua âm thanh khi tiện lỗ cho kết quả chính xác 92%. Với bài toán nhận diện qua âm thanh khi tiện mặt bích, độ chính xác đạt 98%.

Khi kết hợp đồng thời cả âm thanh và hình ảnh, độ chính xác đạt 97%. Kết quả cho thấy độ chính xác của thuật toán đến 98% khi thực hiện bài toán dự đoán giá trị lực cắt theo thời gian bằng mô hình RNN và LSTM. Kết luận có thể sử dụng mô hình học máy để phát hiện rung động và dự đoán lực cắt trong quá trình gia công. Nghiên cứu cũng đã tiến hành thí nghiệm phương pháp giảm rung bằng ngoại lực từ cưỡng bức trong gia công tiện lỗ.

Kết quả nghiên cứu cho thấy: - Với lực từ đơn hướng, yếu tố giảm rung đạt giá trị cực đại khi lực từ đạt 140 N, tại đó độ nhám bề mặt giảm đến mức thấp nhất. v - Với lực từ tác dụng từ hai hướng, lực từ theo hướng lực cắt chính đạt hiệu quả tối ưu khi lực từ đạt 60 N. - Khi lực từ tác dụng từ ba hướng, yếu tố giảm rung không thể hiện sự khác biệt đáng kể. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lực từ cưỡng bức có ảnh hưởng tích cực đến việc giảm rung trong quá trình tiện, nhờ vào việc đặt cán dao trong môi trường từ trường.

Khi dao chịu tác động của lực cắt, xảy ra biến dạng và dao động. Tuy nhiên, lực từ tác động tạo ra xu hướng kéo dao về một hướng nhất định, giúp tiêu hao năng lượng dao động và nhanh chóng giảm rung động. Kết quả này có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghiệp, đặc biệt là trong việc phát triển thiết bị giảm rung cho quá trình cắt gọt bằng từ trường. vi ABSTRACT Nowadays, under market pressure, manufacturing enterprises, particularly in the field of mechanical engineering and machine fabrication, are required to enhance productivity and improve product quality.

Similarly, the machining of components using turning methods faces significant market-driven pressures. One of the key factors influencing both productivity and product quality is the occurrence of vibrations during the turning process. Through the simulation process, vibration phenomena have been studied in cases of long shaft turning, thin flange turning, and deep hole turning. The simulation results indicate that various factors affect vibration levels and the surface quality of finished products, including the stiffness of the workpiece, the stiffness of the tool, the surface waviness of the workpiece, and cutting parameters.

In the case of shaft turning and flange turning, the stiffness of the workpiece significantly influences vibration and surface quality. For deep hole turning, the stiffness of the tool shank is the primary factor affecting vibration. If the length of the tool shank exceeds the critical stiffness limit, the surface quality deteriorates rapidly. In this study, the critical tool shank length was determined to be 60 mm, at which the surface roughness Rz is approximately 20 µm.

Through simulation and experimentation, the study has gathered a substantial amount of data and applied machine learning algorithms to identify vibration phenomena in the cases of deep hole turning and flange turning. Using a sound-based vibration detection algorithm for deep hole turning, the study achieved an accuracy of 92%, while the sound-based detection for flange turning reached 98%. When combining both sound and image data, the accuracy was 97%. The results demonstrate that the prediction accuracy of the algorithm is up to 98% when forecasting cutting force values over time using RNN and LSTM models.

The findings suggest that machine learning models can be utilized to develop devices for vibration detection and cutting force prediction during machining processes. vii The study also conducted experimental investigations on the vibration reduction method using forced external magnetic forces in internal turning operations. The research results demonstrate: - With unidirectional magnetic force, the vibration reduction factor reaches its maximum value when the magnetic force is 140 N, at which point the surface roughness is minimized. - With magnetic force applied from two directions, the magnetic force in the direction of the main cutting force achieves optimal efficiency at 60 N.

- When magnetic force is applied from three directions, the vibration reduction factor does not show a significant difference. The research results indicate that the forced magnetic force has a positive effect on the vibration reduction process during turning operations, as the tool holder is placed within a magnetic field. Under the influence of cutting forces, the tool experiences deformation and vibration. However, when the magnetic force is applied, it tends to pull the tool in one direction, helping to dissipate vibrational energy and thereby rapidly reduce the tool's vibration.

This research has potential industrial applications, particularly in the development of vibration reduction devices for machining processes utilizing magnetic fields.