XÂY DỰNG MỘT SỐ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

MỤC LỤC Trang Một số hướng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện Nguyễn Văn Tường 2 Một số hướng nghiên cứu khoa học với máy phay CNC 3 trục Nguyễn Văn Tường 6 Những ñịnh hướng khi nghiê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

HỘI THẢO

XÂY DỰNG MỘT SỐ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

KỶ YẾU

Nha Trang, tháng 11 năm 2010

MỤC LỤC

Trang

Một số hướng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện

Nguyễn Văn Tường

2

Một số hướng nghiên cứu khoa học với máy phay CNC 3 trục

Nguyễn Văn Tường

6

Những ñịnh hướng khi nghiên cứu khoa học

Trần Ngọc Nhuần

9

Nghiên cứu chế ñộ công nghệ cắt vật liệu kim loại có ñộ cứng cao bằng

tia nước có hạt mài

Nguyễn Hữu Thật

11

Mô hình hóa 3D chế tạo vòng mài kim cương

Ngô Quang Trọng

16

MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VỀ GIA CƠNG TIA LỬA ðIỆN

Nguyễn Văn Tường

1 Mở đầu

Phương pháp gia cơng tia lửa điện được phát triển vào năm 1943 ở Liên Xơ bởi hai vợ chồng người Nga tại trường đại học Moscow là Giáo sư-Tiến sĩ Boris Lazarenko và Tiến sĩ Natalya Lazarenko Cho đến nay phương pháp gia cơng này đã được phổ biến rộng rãi khắp nơi trên thế giới Nguyên tắc của phương pháp này là bắn phá chi tiết để tách vật liệu bằng nguồn năng lượng nhiệt rất lớn được sinh ra khi cho hai điện cực tiến gần nhau Trong hai điện cực này, một đĩng vai trị là dao và một đĩng vai trị là phơi trong quá trình gia cơng Phương pháp gia cơng này cĩ hai dạng chính là gia cơng dùng điện cực thỏi và dùng dây cắt Hai phương pháp gia cơng này ngày càng được cải tiến nhờ tiến bộ của kỹ thuật điều khiển, điện tử và cơng nghệ thơng tin Bài viết này trình bày một số nghiên cứu trong những năm gần đây về gia cơng tia lửa điện trên thế giới

2 Một số hướng nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện hiện nay

Ngồi các nghiên cứu truyền thống về tia lửa điện như nghiên cứu chất lượng bề mặt khi gia cơng các loại vật liệu khác nhau, nghiên cứu về độ mịn dụng cụ, nghiên cứu cải tiến các hệ điều khiển…, hiện đang tập trung vào một số vấn đề chủ yếu sau:

• Nâng cao năng suất gia cơng và nâng cao độ tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển cao cấp

• Sử dụng tia lửa điện để gia cơng các loại vật liệu mới Cả gia cơng điện cực dây và điện cực thỏi đều được phát triển để gia cơng các loại vật liệu mới cĩ tính chống mịn cao như các-bít xê-men-tít và các vật liệu gốm dẫn điện khác

• Tạo ra các phương pháp gia cơng lai với tia lửa điện

Một số nhánh nhỏ nghiên cứu về gia cơng tia lửa điện trên thế giới hiện nay là:

1 Tạo ra các loại vật liệu dụng cụ cĩ tính năng cắt gọt tốt:

- Trong gia cơng bằng dây cắt, người ta đang nghiên cứu tạo ra các loại dây cắt mới

cĩ thể nâng cao độ chính xác gia cơng, đặc biệt là khi cắt gĩc

- Trong gia cơng điện cực thỏi, người ta đang nghiên cứu tạo các loại vật liệu composite nền kim loại để tạo điện cực dụng cụ

2 Các kỹ thuật điều khiển

- Sử dụng các kỹ thuật thụ cảm trực tuyến (on-line sensing techniques) để điều khiển mịn dụng cụ khi gia cơng bằng điện cực thỏi

- ðiều khiển chuyển động chuyển động phức tạp của điện cực thỏi dạng hình trụ để gia cơng các bề mặt phức tạp (như phay CNC) thay vì dùng điện cực dụng cụ cĩ hình dáng 3D phức tạp

3 Các chiến lược gia cơng trong gia cơng xung điện

Xây dụng và đánh giá các chiến lược gia cơng bề mặt 3D, phát triển các mơ hình gia cơng 3D nhằm tiên đốn nhám bề mặt đạt được với các chiến lược gia cơng khác nhau

4 Trong cắt dây tia lửa ñiện:

- Nghiên cứu phát triển các loại dung dịch ñiện môi mới, ñiện cực mới ñể gia công ñạt hiệu quả cao khi gia công các vật liệu làm dao mới như các-bít, kim cương nhân tạo và gốm

- Nghiên cứu sử dụng dầu thay nước khử khoáng

- Gia công hai bước: ñầu tiên là gia công trong nước khử khoáng, kế tiếp là gia công trong dầu

5 Gia công tia lửa ñiện khô

Trong gia công tia lửa ñiện khô, ñiện cực dụng cụ ñược chế tạo dưới dạng ống thành mỏng Gas hoặc khí áp suất cao ñược cung cấp xuyên qua ống ñể tống các hạt phoi ra khỏi khe hở giữa ñiện cực dụng cụ và chi tiết gia công, và làm mát khu vực này Hình 1 trình bày nguyên lý của gia công tia lửa ñiện khô Kỹ thuật gia công này ñược phát triển nhằm giảm ô nhiễm môi trường do chất ñiện môi khi gia công tia lửa ñiện Các nghiên cứu gần ñây về kỹ thuật này là nghiên cứu áp dụng gia công các vật liệu các-bít, so sánh thời gian gia công giữa gia công tia lửa ñiện khô và có sử dụng dầu làm chất ñiện môi Một số các nghiên cứu khác là nghiên cứu về chất lượng bề mặt chi tiết gia công, mòn dụng cụ,…

Hình 1 Gia công tia lửa ñiện khô

6 Kết hợp rung ñộng trong gia công tia lửa ñiện

Rung ñộng có thể ñược ñưa vào trong gia công tia lửa ñược ñể mở rộng ứng dụng của phương pháp gia công này và nâng cao năng suất khi gia công các vật liệu khó gia công Các nghiên cứu trong khu vực này là áp dụng rung ñộng cho ñiện cực dụng cụ hoặc cho phôi hoặc kết hợp cả hai; nghiên cứu sử dụng gia công tia lửa ñiện có rung ñộng ñể gia công vi lỗ, mòn dụng cụ

7 Micro EDM

Hướng nghiên cứu này nghiên cứu áp dụng công nghệ gia công tia lửa ñiện ñể:

- Cắt dây tia lửa ñiện sử dụng dây cắt có ñường kính 0,02 hoặc bé hơn ñể cắt vật liệu dẫn ñiện

- Xung ñiện micro với ñiện cực dụng cụ có các ñối tượng với kích cỡ micro

- Khoan lỗ có ñường kính từ 5-10 µm

3 Khả năng nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện ở bộ môn Chế tạo máy

Hiện tại bộ môn Chế tạo máy, ðại học Nha Trang, có 01 máy cắt dây 4 trục và 01 máy xung ñiện ZNC Với các thiết bị này, Bộ môn có thể triển khai một số hướng nghiên cứu cơ bản sau:

- Các nghiên cứu cơ bản về mòn ñiện cực dụng cụ

- Các nghiên cứu về chất lượng bề mặt

- Các nghiên cứu về sử dụng các loại ñiện môi khác nhau, kể cả gia công tia lửa ñiện khô

- Các nghiên cứu về gia công các loại vật liệu mới hiện nay

4 Một số từ khóa

ðể tìm hiểu thêm về tình hình nghiên cứu về gia công tia lửa ñiện cũng như các kỹ thuật gia công tia lửa ñiện, nghiên cứu viên có thể sử dụng một số từ khóa sau:

- W-EDM: cắt dây tia lửa ñiện

- Wire EDM rotary spindle: cắt dây tia lửa ñiện trục chính quay tròn

- Electrode: ñiện cực,

- Dielectrics: chất ñiện môi

- Dry EDM: gia công tia lửa ñiện khô

- Micro-wire EDM: cắt bằng vi dây

- Die-sinking micro-EDM: gia công vi xung ñiện

Tài liệu tham khảo

1 Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường Các phương pháp gia công ñặc biệt, NXB ðại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2007

2 N M Abbas, D G Solomon, M.F Bahari A review on current research trends in electrical discharge machining International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) 1214–1228

3 http://www.mech.kuleuven.be/pp/research/edm

MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VỚI PHAY CNC 3 TRỤC

Nguyễn Văn Tường

1 Mở đầu

Trong các dịng máy CNC thì máy phay 3 trục là phổ biến nhất Hiện tại, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam cĩ đào tạo chuyên ngành Chế tạo máy đều trang bị loại thiết bị này Do đĩ, trong những năm gần đây nhiều nhà nghiên cứu trong nước đã và đang triển khai các đề tài nghiên cứu mà đối tượng là máy phay CNC 3 trục Bài viết này giới thiệu một số hướng nghiên cứu khoa học liên quan đến cơng nghệ phay CNC 3 trục

2 Một số hướng nghiên cứu

2.1 Nghiên cứu về nhám bề mặt

Nhám bề mặt là thơng số chất lượng bề mặt quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết máy Hơn thế nữa, nĩ cũng là nhân tố ảnh hưởng đến chi phí gia cơng Nhám

bề mặt cũng là một thơng số tham chiếu hữu ích trong việc xác định tính ổn định của quá trình gia cơng Do đĩ, việc tiên đốn nhám bề mặt cĩ thể giúp chúng ta đánh giá tính ổn định của quá trình gia cơng

Các thơng số thường được đưa vào trong nghiên cứu nhám bề mặt là: chế độ cắt (tốc

độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt), các thơng số hình dáng hình học của dao, vật liệu làm dao và vật liệu chi tiết gia cơng Việc nghiên cứu về nhám bề mặt thường được thực hiện bằng thực nghiệm Thơng số nhám được chọn ở đây thường là Ra

2.2 Tối ưu hĩa các thơng số chế độ cắt

Việc tối ưu hĩa các thơng số chế độ cắt khi phay được thực hiện bằng nhiều cách tiếp cận khác nhau, ví dụ:

+ Phương pháp Feasible Direction

+ Phương pháp Taguchi

+ Phương pháp Particle Swarm Optimization

+ Phương pháp Ant Colony Optimization

+ Dùng kỹ thuật Tribes

+ Phương pháp Genetic Algorithm

+ Phương pháp Linear Programming Technique

+ Phương pháp Simulated Annealing

+ Phương pháp Memetic Algorithm

+ Phương pháp Immune Algorithm

+ Phương pháp Genetic Expression Programming

Cĩ nhiều sử dụng nhiều thơng số chế độ cắt khác nhau trong quá trình tối ưu hĩa như tốc độ cắt, chiều sâu cắt, lượng chạy dao, bề dày phoi cắt, lực cắt, số lần chuyển dao, đường kính dao và chiều dao nhưng ba thơng số đầu được sử dụng phổ biến nhất Hàm mục tiêu của quá trình tối ưu hĩa cĩ thể là chi phí gia cơng, năng suất gia cơng hoặc nhám bề mặt

2.3 Nghiên cứu về lực cắt

Lực cắt là yếu tố cĩ ảnh hưởng mạnh mẽ đến chất lượng bề mặt, tốc độ mịn dao và chi phí gia cơng Cho dù nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu dự đốn lực cắt khi phay cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm, tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu đều đưa ra nhiều giả thuyết và chưa mơ phỏng đầy đủ các nhân tố ảnh hưởng đến lực cắt, làm giảm độ tin cậy đánh giá lực cắt Do đĩ nghiên cứu về lực cắt vẫn đang và sẽ tiếp tục được triển khai, nhất là trong phay CNC

Trong các nghiên cứu gần đây, các yếu tố thường được dùng đến trong quá trình mơ phỏng lực cắt là bề dày cắt, bề rộng cắt, lượng chạy dao, gĩc trước của dao, … Việc mơ hình hĩa lực cắt cĩ thể được thực hiện bằng các phương pháp tiếp cận như Response Surface Methodology, Genetic Algorithm

2.4 Một số hướng nghiên cứu khác

- Nghiên cứu về việc gia cơng các loại vật liệu mới cĩ độ cứng cao như hợp kim titan, niken, crom-niken, các loại vật liệu composite nền kim loại

- Nghiên cứu về ứng dụng các loại dao cĩ lớp phủ vào gia cơng kim loại và hợp kim như dao phủ TiC, TiCN, TiN, TiAlN, alpha Al2O3, CBN

- Nghiên cứu về mài mịn dao (thực nghiệm, mơ phỏng)

- Nghiên cứu chế tạo đồ gá mở rộng khả năng cơng nghệ của máy phay CNC 3 trục

- Nghiên cứu gia cơng ảo trên máy phay CNC 3 trục

3 Một số từ khĩa

Spindle speed, feed rate, depth of cut, CNC milling, surface roughness, optimization, cutting forces, inconel, tool wear, 3-axis milling/machining, end milling operation, wear simulation, modeling of cutting forces, virtual milling process, milling parameters, optimization of milling parameters

4 Kết luận

Cĩ nhiều hướng nghiên cứu khác nhau về cơng nghệ phay CNC đang được triển khai trên thế giới Với khả năng hiện tại của bộ mơn Chế tạo máy, trường ðại học Nha Trang, chúng ta cĩ thể triển khai một số nghiên cứu ứng dụng về phay CNC 3 trục trên trung tâm gia cơng VMC 2216 tại trường

Tài liệu tham khảo

1 B Ganesh Babu, V Selladuraiand R Shanmugam (2008) Analytical modeling of cutting forces of end milling operation on aluminum silicon carbide particulate metal matrix

composite material using response surface methodology ARPN Journal of Engineering and

Applied Sciences, Vol 3, No 2,

2 Haslina Arshad, Zainal Rasyid Mahayuddin, Che Hassan Che Haron, Rosilah Hassan

(2008) Flank Wear Simulation of a Virtual End Milling Process European Journal of

Scientific Research, Vol.24 No.1, pp.148-156

3 Mohd Saupi Bin Mohd Sauki (2008) Optimization of milling parameters using ant colony optimization Universiti Malaysia Pahang

4 Sanjit Moshat, Saurav Datta, Asish Bandyopadhyay and Pradip Kumar Pal (2010) Optimization of CNC end milling process parameters using PCA-based Taguchi method

International Journal of Engineering, Science and Technology, Vol 2, No 1, , pp 92-102

5 Ab Rashid M.F.F., Gan S.Y., and Muhammad N.Y (2009) Mathematical Modeling to

Predict Surface Roughness in CNC Milling World Academy of Science, Engineering and

Technology 53.

6 Wen-Hsiang Lai (2000) Modeling of Cutting Forces in End Milling Operations Tamkang

Journal of Science and Engineering, Vol 3, No 1, pp 15-22

NHỮNG ðỊNH HƯỚNG KHI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Trần Ngọc Nhuần

1 Tìm và chọn ñề tài nghiên cứu

ðề tài ñược giao

ðề tài tự chọn:

- Từ những mâu thuẫn nảy sinh trong thực tiễn cuộc sống cá nhân

- Mâu thuẫn nảy sinh trong quá trình nhà nghiên cứu tiếp xúc với thông tin

- Mâu thuẫn nảy sinh trong quá trình tiếp xúc với các cơ sở, với thực tiễn, tại hội nghị, hội thảo…

- Khi tiếp xúc với mọi người xung quanh

Tuy nhiên khi chọn ñề tài cần phải quan tâm:

- ðề tài có ý nghĩa khoa học hay không?

- Có ý nghĩa thực tiễn hay không?

- Có cấp thiết cần phải nghiên cứu?

- Có ñủ ñiều kiện ñể hoàn thành?

- Có phù hợp với sở thích không?

- Có tính khả thi?

- Thời gian thực hiện

Trong giai ñoạn hiện tại, những ñề tài mang tính chất lý thuyết rất khó thực hiện và khó thuyết phục Vì vậy việc chọn ñề tài nên ñi vào ứng dụng thực tiễn trong ñời sống Chính

vì thế ñề tài nên thực hiện dưới dạng một nhóm Chúng ta sẽ tiến hành ñiều tra thực tế, nắm bắt những yêu cầu của người tiêu dùng sau ñó lập bảng yêu cầu và ñưa ra ñề tài cần nghiên cứu, tính toán và chế tạo ra sản phẩm Hoặc một dạng khác là phát triển cái ñã có nhưng chưa hoàn thiện

ðể tạo cho sinh viên tiếp cận với công việc nghiên cứu khoa học và ứng dụng kiến thức vào thực tế, ñồng thời sinh viên sẽ là những cộng tác viên tốt, những thành viên tốt trong nhóm, ñồng thời sẽ là những người trực tiếp thu thập số liệu và hoàn thành những nội dung cụ thể nào ñó Các môn học thiết kế hoặc ñố án sẽ giaocho sinh viên tự tìm lấy ñề bài dưới sự hướng dẫn của giáo viên môn học hoặc giáo viên trong bộ môn Các ñề tài nên ñi vào ứng dụng thực tế, ví dụ:

- Thiết kế hệ truyền ñộng ñể ñưa thang máy lên xuống trong các nhà cao tầng,

- Thiết kế các thiết bị phục vụ cho các nhà hàng,

- Cải tiến các thiết bị phục vụ cho các cơ sở sản xuất…

Tất cả những ñiều ñó sẽ tạo ra những số liệu sống ñộng, khả thi phục vụ và hình thành nên những ñề tài thiết thực tạo ra sản phẩm mang thương hiệu của Trường

2 Những giả ñịnh

Giả ñịnh là một dạng dự báo, ñược hình thành như một tuyên bố mà người nghiên cứu

ñề nghị ñể dẫn tới câu trả lời cho câu hỏi nghiên cứu

3.Các tài liệu liên quan

Cần phải thu thập các tài liệu có liên quan ñến ñề tài nghiên cứu (cả về cơ sở vật chất, phương pháp nghiên cứu lẫn kiến thức) Tốt nhất là ta lập thành một danh mục cụ thể

4 Trình tự

Là mô tả chi tiết các bước của quá trình tiến hành, phân chia thời gian, kinh phí thực hiện

5 Lựa chọn phương pháp thu thập thông tin

ðiều tra chọn mẫu

Nghiên cứu thực ñịa

Phân tích nội dung

Sử dụng thông tin thứ cấp

Tư liệu thí nghiệm

6 Xử lý kết quả thu thập

Lập bảng danh mục thông tin thu thập

Sắp xếp thứ tự ưu tiên

Tiến hành tính toán kiểm tra

Kiểm nghiệm lại thực tế, thu thập tiếp thông tin

Xử lý cuối cùng

7 Viết báo cáo tổng kết và báo cáo tóm tắt

NGHIÊN CỨU CHẾ ðỘ CÔNG NGHỆ CẮT VẬT LIỆU KIM LOẠI CÓ ðỘ CỨNG

CAO BẰNG TIA NƯỚC CÓ HẠT MÀI

Nguyễn Hữu Thật

1 ðặt vấn ñề

Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển, ñể gia công kim loại người ta ñã dần dần thay thế các công nghệ cũ kỷ, truyền thống bằng những công nghệ mới tiên tiến hơn, một trong những công nghệ ấy là cắt kim loại bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài nhằm bóc tách bề mặt gia công ðặc tính quan trọng của công nghệ này là tia nước có áp suất cực lớn tác ñộng lên các hạt mài có hình dáng ña dạng, ñược xem như các lưỡi cắt va ñập vào bề mặt kim loại cần gia công làm bong tróc và tạo thành mạch cắt Ưu ñiểm lớn nhất của công nghệ này là vết nhỏ, sạch, chất lượng bề mặt vết cắt cao, ít hao phí kim loại và năng suất rất cao so với các công nghệ truyền thống khác như cắt bằng khí

Từ những ưu ñiểm lớn như thế, các nước trên thế giới ñã ứng dụng rất nhiều trong nền công nghiệp Tuy nhiên ở Việt Nam, do hạn chế về mặt tài chính, khoa học, công nghệ và an toàn trong vận hành nên công nghệ này chưa ñược áp dụng rộng rãi Trước những vấn ñề ñó, tôi bắt tay vào xây dựng ñịnh hướng “nghiên cứu chế ñộ công nghệ cắt vật liệu kim loại có ñộ cứng cao bằng tia nước kết hợp với dung dịch hạt mài Tôi hy vọng rằng với ñịnh hướng này nhằm góp phần ñưa nền công nghệ cắt kim loại nước ta phát triển

2 Tình hình về công nghệ tia nước áp suất cao (TNASC) trên thế giới và tại Việt Nam

Vào những năm 70 sự phát triển của ngành cơ khí cùng với sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu, các thiết bị tạo TNASC tăng dần về áp suất và tuổi bền Những thiết bị tạo TNASC với áp suất lên tới 4000 bar Thiết bị này tạo ra TNASC thuần khiết ñược ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều ngành công nghiệp Tuy nhiên, có những hạn chế nhất ñịnh về loại hình vật liệu có thể cắt bằng tia nước Với cơ chế dịch chuyển vật liệu là sự thâm nhập của nước và phá hủy rộng ra các rãnh nứt trên bề mặt của vật liệu Thiết bị này chỉ có thể cắt ñược các vật liệu có ñộ cứng thấp như: gỗ, vật liệu nhân tạo, nhựa tổng hợp, …

Năm 1980 hiệu quả của cắt bằng TNASC ñược nâng cao rõ rệt bằng phát minh trộn thêm hạt mài vào tia nước Lúc này TNASC mới thực sự ñược ứng dụng vào gia công cắt gọt,

nó có thể cắt ñược tất cả các loại vật liệu kể cả các vật liệu có tính chất không ñồng nhất hoặc các vật liệu tổng hợp có cấu tạo gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau Khi trộn hạt mài vào tia nước, tia nước tăng tốc hạt mài, tạo cho hạt mài có một ñộng năng cực lớn ðộng năng này chính là năng lượng ñể bóc tách vật liệu khi cắt Lúc này nó có thể cắt ñược tất cả các vật liệu, không phụ thuộc vào tính chất cơ lý, cấu tạo của vật liệu [6]

Năm 1994, ðức ñã ứng dụng TNASC vào y học Tia nước mảnh có áp suất từ 50 - 300 bar ñược sử dụng như dao dùng ñể phẫu thuật Khi cắt bằng phương pháp này nước không những không gây dị ứng mà còn ñược cơ thể tiếp nhận bởi 70% cơ thể là nước Một phát minh nữa là khi cắt các phần cứng của cơ thể như xương, người dùng ñường hoặc muối ñể thay thế hạt mài, do ñường và muối cũng giống như nước không gây dị ứng cho cơ thể mà ñược cơ thể tiếp nhận [2], [3]