Nghiên cứu nâng cao độ chính xác cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi - Luận án tiến sĩ kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN KHIỂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU NÂNG THÀNH PHỐCAO ĐỘMINH HỒ CHÍ CHÍNH XÁC CƠ CẤU ĂN DAO DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CƠ CẤU ĂN DAO DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: NGÀNH:KỸ KỸTHUẬT THUẬTCƠ CƠKHÍ KHÍ MÃ SỐ: 62520103 CHUYÊN ĐỀ 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN VĂN KHIỂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CƠ CẤU ĂN DAO DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 9520103 Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. PHẠM HUY HOÀNG Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. PHẠM HUY TUÂN Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202… (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn: Thầy PGS. Phạm Huy Hoàng và Thầy PGS.

Phạm Huy Tuân, nhờ những gợi ý nghiên cứu hết sức quý báu, những chỉ dẫn cụ thể và những ý kiến phản biện của các Thầy đã giúp em hoàn thành luận án này. Một lần nữa xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các Thầy. Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả Thầy Cô Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã truyền đạt các kiến thức nền tảng quý báu từ các học phần tiến sĩ, nhờ những kiến thức nền tảng này mà em mới có thể thực hiện được công việc nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong các Hội đồng đánh giá các chuyên đề Tiến sĩ, những ý kiến phản biện và góp ý thật sự đã giúp em rất nhiều trong việc chỉnh sửa và hoàn chỉnh luận án của mình.

Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Trường Cao Đẳng Bách Khoa Nam Sài Gòn, Khoa Cơ Khí vì đã có những chính sách hỗ trợ rất tốt cho nghiên cứu sinh học tập và làm việc. Xin cảm ơn TS. Đặng Quang Khoa và các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm để em có thể thực hiện công việc nghiên cứu một cách thuận lợi nhất. Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân luôn chia sẻ mọi khó khăn và là chỗ dựa vững chắc về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án.

iii TÓM TẮT Tiện có độ chính xác cao nhằm mục đích thay thế nguyên công gia công tinh lần cuối của các chi tiết hình trụ giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất và thời gian lặp lại. Trong luận án này trình bày sự phát triển của cơ cấu ăn dao với bộ kích động PZT để tiện chính xác trục. Đánh giá về các nghiên cứu được thực hiện trong các lĩnh vực tiện chính xác, phát triển thiết bị truyền động PZT và thiết kế hệ thống vi định vị được trình bày. Cơ cấu này được lắp vào một máy tiện thông thường, cơ cấu ăn dao chính xác khắc phục được những hạn chế của các bộ truyền động trong máy tiện bằng cách điều khiển chính xác chiều sâu cắt của dao.

Theo cách này dung sai kích thước đạt được trong một lần thiết lập trên một máy duy nhất mà không cần thực hiện các nguyên công gia công tinh trên máy mài. Tóm tắt những đóng góp mới về lý luận và học thuật của luận án: Ý nghĩa khoa học: Lần đầu tiên, một hệ thống dụng cụ cắt chính xác và thiết bị cắt thử nghiệm phù hợp với điều kiện sản xuất trong trong nước được xây dựng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu sau này trong lĩnh vực này tại Việt Nam. Đã triển khai nghiên cứu đánh giá thực nghiệm những ưu điểm chính của cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi (CCĐH) so với máy tiện cơ và máy tiện CNC thông thường các chỉ tiêu về độ chính xác của cơ cấu ăn dao, độ nhám bề mặt và nhiệt độ cắt. Nghiên cứu phát triển được 2 thiết kế mới và xây dựng mô hình toán mới, mối quan hệ giữa chuyển vị, độ cứng đầu vào và đầu ra, động học và động lực học của cơ cấu ăn dao.

Về mặt phương pháp tính toán thiết kế tối ưu, đề xuất ra 2 giải thuật thiết kế tối ưu mới tổng quát nhất từ việc tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương đến tối ưu hóa CCĐH và phân tích độ tin cậy: (I) Giải thuật di truyền dùng TOPSIS cho khâu cứng tương đương và CCĐH kết hợp. Giải thuật thiết kế tối ưu hóa này trải qua 5 giai đoạn: (1) thiết kế tối iv ưu cơ cấu khâu cứng tương đương, (2) chuyển đổi thành CCĐH, (3) dùng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm ANSYS để phân tích ứng xử chuyển vị, ứng suất, tần số, (4) thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu dùng NSGA-II hướng tiếp cận tập nghiệm Pareto, (5) xác định các trọng số Entropy và phương pháp TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) để lựa chọn lời giải tốt ưu tốt nhất. (II) Thiết kế tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy. Giải thuật này trải qua 3 giai đoạn: (1) thiết kế tối ưu cơ cấu khâu cứng tương đương và chuyển đổi cơ cấu tương đương thành CCĐH, (2) thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu của CCĐH dùng NSGA-II hướng tiếp cận tập nghiệm Pareto, (3) Phân tích độ tin cậy dùng FORM.

Luận án này có ý nghĩa tham khảo rất quan trọng đối với việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự trong lĩnh vực kết cấu đàn hồi. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu của tài liệu cũng giúp mang lại hiểu biết mới về các phương pháp mô hình hóa, tối ưu hóa độ tin cậy và điểu khiển vòng kín bằng GA – PID trong phần mềm LABVIEW. Ý nghĩa thực tiễn: Trong giai đoạn hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển cơ cấu định vị chính xác có vai trò quan trọng trong gia công, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất gia công, tuổi thọ của dao và độ chính xác của máy tiện. Nhiều bài báo khoa học đã được xuất bản quốc tế về các CCĐH để định vị chính xác và các ứng dụng của chúng.

Tuy nhiên, ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó, tài liệu này sẽ bổ sung thêm các kết quả mới cho lĩnh vực nghiên cứu cơ cấu định vị trên thế giới và ở Việt Nam. Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp tiện chính xác có trợ giúp của cơ cấu ăn dao dùng CCĐH được dùng để gắn trên bàn dao của máy tiện cơ MAQ CD6241X100 và máy tiện CNC ECOCA SL-8 để gia công vật liệu thép C45 khi tiện chính xác ở chiều sâu cắt 5 µm. Kết quả cho thấy khi sử dụng để gia công trên máy tiện cơ MAQ CD6241X100 sai số vị trí mũi dao nhỏ hơn 2,5 µm, độ nhám bề mặt 0,41µm.

v Khi sử dụng gia công trên máy tiện CNC sai số vị trí mũi dao nhỏ hơn 0,4 µm, độ nhám bề mặt 0,25 µm. Gia công với cả 2 loại máy đều cho thấy nhiệt độ cắt giảm đáng kể. Kết quả này có thể giúp kéo dài tuổi thọ cho dao. Kết quả chứng minh rằng cơ cấu ăn dao mới có khả năng định vị chính xác và nhanh chóng dụng cụ cắt trong quá trình gia công khi được lắp vào máy tiện thông thường.

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của quá trình gia công trên máy tiện. vi ABSTRACT Precision turning as an alternative to conventional finish machining operations of cylindrical components offers significant reductions in manufacturing cost and cycle time. In this thesis the development of a piezoelectric tool actuator for precision turning of shafts is presented. A review of research conducted in the areas of precision turning, piezoelectric actuator development, and micropositioning systems design is presented.

Mounted to a conventional turning machine, the tool actuator overcomes the limitations of machine tool feed drives by providing precise control of the finishing depth of cut. In this manner part tolerances are achieved in one setup on a single machine, without the need for subsequent finishing operations. Summary of theoretical and academic contribution of the dissertation: Scientific significance For the first time, a system of experimental equipment has been developed for precision tooling and cutting, suitable for domestic production conditions, and creating a premise for future research of this field in Vietnam. Research has been carried out to empirically evaluate the advantages of the feed drive mechanism (FDM) using the compliant mechanisms on traditional universal lathes and CNC lathes in terms of machining accuracy, cutting temperature, and roughness surface.

This dissertation has developed two new FDM designs using both analytical models and FEM verification. The relationships between input/output displacement, stiffness, kinematics and dynamics of the FDMs have also been thoroughly analyzed. In terms of optimization design methods, two new optimization algorithms are proposed in this dissertation: (I) The TOPSIS-based genetic algorithm for the PRBM and the compliant mechanism optimization. This optimization algorithm is deployed for the 1 st FDM design through 5 stages: (1) optimally design the Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM) vii mechanism, (2) convert this model into a compliant mechanism, (3) use the finite element method to analyze displacement, stress, and dynamics behavior, (4) implement multi-objective optimization using Pareto-front approaching NSGA-II algorithm, and (5) determine Entropy weights and TOPSIS (Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution) method to select the best optimal solution.

(II) Reliability-based optimization method. This algorithm is deployed for the 2nd FDM design through 3 stages: (1) optimally design the PRBM and its equivalent compliant mechanism, (2) implement multi-objective optimization using Pareto-front approaching NSGA-II algorithm, and (3) Reliability analysis using FORM The dissertation will be a very meaningful reference for the study and analysis of similar structures in the compliant mechanism field. At the same time, the dissertation’s results also contribute to the new awareness about analytical modeling methods, reliability optimization, and closed-loop control by GA - PID in the LABVIEW environment Practical significance In recent years, manufacturing technology is facing increasingly stricter requirements from the industry. The research and development of high-precision positioning mechanisms applied in machining play a more important role.

It decisively affects the machining efficiency, tool life as well as the accuracy of the machine tools. In the world, there have been many published scientific works on the compliant mechanisms used for precise positioning and their applications. However, in Vietnam, this field of research is still humble.