TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 220
NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG PHAY
CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA SIÊU ÂM
RESEARCH, SIMULATE THE PROCESSING PROCESS OF MILLING
WITH THE HELP OF ULTRASOUND
Đặng Văn Hùng1,*, Lê Huy Doanh1, Nguyễn Quốc Minh1,
Phạm Đắc Minh1, Nguyễn Việt Hùng2
1Lớp COKH 01 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: danghung662002@gmail.com
TÓM TẮT
Khả năng gia công là một thông số quan trọng quyết định cuối cùng chi phí gia công. Tuy nhiên, khả năng tối ưu hóa
của nó vốn đã bị hạn chế bởi công nghệ hiện tại. Để khắc phục những hạn chế đó các công nghệ gia công thay thế mới,
chẳng hạn như Gia công phay có hỗ trợ siêu âm (UAM) đã xuất hiện. Nghiên cứu hiện tại giới thiệu UAM các nguyên tắc
cơ bản của công nghệ và những cân nhắc chung cho ứng dụng rung (sóng hài, tần số riêng, cộng hưởng). Ảnh hưởng của
ứng dụng siêu âm đến các thông số chính của quy trình gia công thông thường được nghiên cứu và dữ liệu nghiên cứu có
liên quan được trình bày để hỗ trợ các lợi ích của UAM. Sau đó, việc kiểm tra động học toàn diện về ứng dụng rung động
trong quá trình phay sẽ được tiến hành tính đến các chế độ rung khác nhau. Một phân tích chi tiết về các thành phần hệ
thống cần thiết và thông số kỹ thuật của chúng được trình bày, sau đó là xác định các vấn đề phổ biến trong các hệ thống
đó. Các giải pháp cho những hạn chế đã xác định được đề xuất, đóng vai trò là hướng dẫn thiết kế cho những tiến bộ công
nghệ trong tương lai. Cuối cùng, dựa trên nghiên cứu đã tiến hành, các kết luận được rút ra và đề xuất hướng đi trong
tương lai cho UAM.
Từ khóa: Khả năng gia công; Siêu âm – rung; Phân tích động học.
ABSTRACT
Machinability, along with its associated facets, is a critical parameter that ultimately determines the cost of machining.
Its optimization, however, is inherently limited by the current technology. To surmount such limitations, novel alternative
machining technologies, such as Ultrasonic Assisted Machining (UAM), have emerged. The present study introduces
UAM, the technology’s underlying principles, and general considerations for vibration application (harmonic waves,
eigenfrequencies, resonance). The influence of ultrasonic application on the key parameters of conventional machining
processes is studied and relevant research data are presented to support UAM benefits. Following, a comprehensive
kinematic examination of vibration application to the milling process is conducted, accounting for various possible
vibration modes. A detailed analysis of the requisite system components and their technical specifications is presented,
followed by identifying common issues within such systems. Solutions for the identified limitations are proposed, acting
as design guidelines for future technological advancements. Finally, based on the conducted research, conclusions are
drawn and future directions for UAM are suggested.
Keywords: Machinability; Ultrasonic-vibration; Kinematic analysis
1. GIỚI THIỆU
Ngày càng có nhiều mối quan tâm đến việc gia công các
vật liệu phức tạp do các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời
của chúng [1, 2, 3], khiến chúng trở thành những lựa chọn
thay thế đặc biệt trong một số lĩnh vực của xã hội hiện đại,
chẳng hạn như hàng không vũ trụ [ 4, 5, 6, 7 ], ô tô
[ 8, 9, 10, 11 ] và ngành y tế [4, 10]. Các đặc tính nâng cao
của những vật liệu này khiến chúng trở nên khó khăn khi
gia công hiệu quả. Vì vậy, khả năng gia công đóng một vai
trò quan trọng trong gia công của họ. Tuy nhiên, vì kinh tế
là một trong những động lực quan trọng nhất của sự phát
triển công nghệ không ngừng, với ngành công nghiệp gia
công chủ yếu nhằm mục tiêu giảm chi phí, nên các công
nghệ thay thế phát sinh nhằm mục đích vượt qua những hạn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 221chế đó, như trường hợp gia công phay có sự trợ giúp của
siêu âm.
Quá trình phay kim loại là một trong những hoạt động
gia công thông thường được sử dụng rộng rãi nhất để thu
được các đặc tính hình học và kích thước phức tạp. Việc
triển khai công nghệ siêu âm trong hoạt động này đặc biệt
khó khăn, vì thiếu nghiên cứu lý thuyết [7] về động lực học
và đặc tính cắt cho cả lý thuyết dự đoán và mô hình định
lượng cho phép các quy trình gia công được tối ưu hóa hơn
nữa, đặc biệt đối với các vật liệu phức tạp [7, 12, 13, 14].
2. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ HỖ TRỢ SIÊU
ÂM
2.1. Tổng quan quá trình hình thành
Ứng dụng rung siêu âm trong quy trình gia công đã có
từ hơn 60 năm nay [6, 7, 9]. Sự phát triển không ngừng của
ngành công nghiệp gia công đã tạo điều kiện cho sự xuất
hiện của một loạt các hệ thống siêu âm, đây là những kỹ
thuật gia công đặc biệt hiệu quả giúp tạo ra ứng suất dư tối
thiểu trên bề mặt phôi, bao gồm một lựa chọn đầy hứa hẹn
để gia công các vật liệu giòn [ 9 ]. Tuy nhiên, những phát
triển ban đầu trong gia công siêu âm có liên quan đến tốc
độ loại bỏ vật liệu thấp và chủ yếu được sử dụng như một
hoạt động hoàn thiện [12].
Sự phát triển gia công cuối cùng đã dẫn đến nhiều tên
gọi khác nhau cho công nghệ. Tuy nhiên, gia công siêu âm
đã trở thành biến thể được sử dụng rộng rãi nhất kể từ những
năm 1950 [9]. Việc áp dụng công nghệ này vào các quy
trình gia công truyền thống nằm ngoài quy luật. Do đó, hai
nhóm được hình thành tùy thuộc vào loại rung động được
áp dụng: Gia công siêu âm thông thường (USM), liên quan
đến việc thực hành các tác động siêu âm lên phôi gia công
bằng vật liệu giòn được thực hiện bằng môi trường bùn mài
mòn và Gia công có hỗ trợ siêu âm (UAM), bao gồm trong
ứng dụng rung động siêu âm vào các quy trình gia công
thông thường.
2.2. Tổng quan chung về phương pháp gia công phay có
sự trợ giúp của siêu âm
Gia công có sự trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic
machining - USM) là một phương pháp gia công sử dụng
sóng siêu âm để cắt, tạo hình hoặc gia công bề mặt vật liệu.
Sóng siêu âm được tạo ra bởi một máy phát và truyền qua
một đầu dò đến vật liệu cần gia công. Khi sóng siêu âm gặp
vật liệu, chúng sẽ tạo ra một lực tác động lên vật liệu, làm
cho vật liệu bị mòn và biến dạng.
Áp dụng rung động siêu âm cho các quy trình gia công
thông thường bắt đầu bằng nguyên công tiện và có thể bắt
nguồn từ những công nghệ gia công siêu âm đầu tiên. Do
đó, việc sử dụng các kỹ thuật gia công truyền thống khác đã
tăng lên cùng với sự tăng trưởng theo cấp số nhân của ngành
công nghiệp gia công, được thúc đẩy bởi sự phát triển của
đầu dò siêu âm và cấu trúc sừng [7, 11]. Ngành công nghiệp
gia công sử dụng UAM chủ yếu trong các quy trình tiện và
khoan, nơi luôn đạt được hiệu suất tốt hơn [13, 14]. Tuy
nhiên, sự hiểu biết về công nghệ này còn hạn chế, đặc biệt
đối với quy trình phay, nơi có rất ít nghiên cứu về động lực
học và đặc tính cắt của kỹ thuật.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của UVM hướng trục
Phương pháp gia công phay có sự trợ giúp của siêu
âm là sự kết hợp giữa gia công phay truyền thống và kết
hợp rung động tần số cao (siêu âm) để loại bỏ vật liệu từ
phôi.
- Ưu điểm: Gia công vật liệu cứng, khó gia công, độ
chính xác cao, tăng tuổi thọ dao,...
- Nhược điểm: Chi phí cao, tốc độ gia công chậm,...
2.3. Động học của quá trình gia công phay có trợ giúp
của siêu âm
2.3.1. Cơ sở lý thuyết
UVM hướng trục là công nghệ gia công dựa trên phay
thông thường (CM) với sự hỗ trợ của rung siêu âm dọc theo
hướng trục của trục chính. Sơ đồ nguyên lý của quá trình
phay có hỗ trợ rung siêu âm dọc trục được thể hiện trong
hình 2.
Chuyển động phức tạp của dụng cụ cắt có thể được xác
định bằng phương trình chuyển động của một điểm ngẫu
nhiên trên lưỡi cắt, được mô tả như sau:
()=+sin()
()=cos()
()=(2) (1)
Trong đó: vf là vận tốc tiến dao
R là bán kính của dụng cụ cắt
ω là vận tốc góc của trục chính
t là thời gian cắt
A và f lần lượt là biên độ và tần số dao động.
2.3.2. Phân tích lực cắt
Do chuyển động hình dạng phức tạp của dụng cụ cắt, độ
dày phoi thay đổi theo thời gian, điều này ảnh hưởng đáng
kể đến lực cắt trong quá trình gia công. Người ta coi rằng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 222dụng cụ phay được phân giải thành nhiều lát bằng nhau có
cùng chiều cao dz dọc theo hướng trục được thể hiện trong
hình 2(a) và việc gia công từng lát cắt được coi là quá trình
cắt xiên. Tổng lực cắt có thể được tính bằng tổng lực cắt
của từng lớp, được thể hiện trong hình 2 (b),
Hình 2. Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dụng cụ
Trong nghiên cứu này, tổng lực cắt của dụng cụ phay
được cho như sau:
⎩
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎧
()=∑ ∑ −(,)cos,()
−(,)sin,()


()=∑ ∑ (,)sin,()
−(,)cos,()


()=
∑ ∑ (,)


(2)
Trong đó: Ft(j,k), Fr(j,k) và Fa(j,k) lần lượt là các thành
phần lực cắt của lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và lực dọc
trục trong me thứ k và lát cắt thứ j.
θj, k(t) là vị trí góc của điểm cắt của me thứ k trong lát
cắt thứ j.
r là số lát. Chỉ số của các me k = 1, 2, 3,….
N là số răng của dụng cụ cắt.
Rc đề cập đến tốc độ tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi,
Dựa trên phân tích ở trên, phân tích việc loại bỏ vật liệu
và lực cắt của lát cắt để mô hình hóa lực cắt. Nói cách khác,
quá trình cắt xiên tương đương có ý nghĩa quan trọng trong
việc xây dựng mô hình lực cắt. Trong quá trình cắt, xảy ra
chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi, coi như
phôi là cố định mà không di chuyển.
Hình 3. Sơ đồ cắt xiên tương đương
2.3.3. Lực tác dụng lên phoi
Theo Định luật chuyển động thứ ba của Newton, hành
động và phản lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau.
Vậy trong quá trình cắt xiên thông thường, lực cắt bằng tổng
lực trên mặt phẳng cắt, gia tốc của phoi không được xem
xét và điều đó có nghĩa là hiệu ứng quán tính của phoi bị bỏ
qua. Kết quả là sự cân bằng lực mới giữa phoi, mặt phẳng
cắt và mặt trước được mô tả:
+= (3)
Trong đó: F’r là vecto phản lực của hợp lực
F’c là vecto phản lực của lực cắt tổng hợp
M là khối lượng của phoi
ac là gia tốc của phoi.
Có thể thấy rằng việc tính toán khối lượng và gia tốc của
phoi để xử lý lực cắt là vô cùng quan trọng
2.3.4. Khối lượng của phoi
Để tính khối lượng phoi giữa mặt trước và mặt phẳng
cắt, thể tích của phoi được phân tích, sơ đồ tính toán khối
lượng được thể hiện trên hình 4.
Hình 4. Sơ đồ tính khối lượng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 223Con chip này có thể được mô tả bằng vectơ (hs, bs, ec)
[20] được hiển thị trong Hình (a). Thể tích của phoi trên
một đơn vị chiều dài Vch có thể được tính như sau:
 =|(+ℎ).|=+ℎ.
=
 sin+
 (4)
Trong đó:
bs là vectơ của lưỡi cắt dụng cụ
hs là vectơ chiều rộng của mặt phẳng cắt
hsϕ là vectơ chiều rộng của mặt phẳng cắt vuông góc với
lưỡi cắt
ec là vectơ đơn vị dọc theo hướng dòng phoi
Khi đó, khối lượng của phoi M giữa mặt cào và mặt
phẳng cắt được tính như sau:
==

sin
+
 (5)
2.3.5. Tăng tốc phoi
Trong quá trình cắt, việc bảo tồn khối lượng được thực
hiện trước và sau khi biến dạng vật liệu. Sơ đồ biến dạng
phoi được thể hiện trong hình 5.
Hình 5. Sơ đồ biến dạng phoi
Diện tích của mặt phẳng cắt có thể được tính như sau:
=×ℎ= 
 (6)
Hơn nữa, độ lớn gia tốc của chip được biểu thị như sau:
=− ()
()[()] (7)
Dựa trên Định luật thứ ba của Newton về hành động và
phản ứng chuyển động −Fr và −Fc, lực cắt kết quả tác động
lên mặt cào của dụng cụ cắt có thể được đưa ra:
=

 (8)
2.3.6. Dự đoán lực phay
Từ phân tích trên, trong quá trình cắt xiên, vectơ của lực
tổng hợp trên mặt trước có thể được biểu diễn như sau:
=(,−) (9)
Vì vậy, lực cắt, lực tiến và lực dọc trục trong quá trình
cắt trực giao được mô tả như sau:
=(+
=
=(− (10)
Trong lực phay, giả sử rằng quá trình cắt được giữ ổn
định, chiều cao của dụng cụ cắt tham gia cắt được phân giải
thành các lát r giống nhau, chiều cao của mỗi lát dz được
tính như sau:
=
(11)
Sau đó, lực cắt được tính bằng MATLAB, sơ đồ của
phương pháp tính toán lực cắt được thể hiện trong hình 6.
Hình 6. Lưu đồ phương pháp được sử dụng để tính toán lực cắt
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Mô hình để dự đoán lực cắt trong quy trình UVM được
xác nhận bằng cách so sánh lực cắt dự đoán với lực cắt được
đo bằng thực nghiệm trong thử nghiệm UVM 1 và thử
nghiệm UVM 2 các thành phần lực cắt Fx, Fy và Fz theo
hướng X, Y và Z được hiển thị trong hình 7. Bên cạnh đó,
các thành phần lực cắt Fx, Fy và Fz trong CM thể hiện trong
hình 8.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 224
Hình 7. So sánh lực cắt giữa dữ liệu dự đoán và thực nghiệm của
UVM
Hình 8. So sánh lực cắt giữa dữ liệu dự đoán và thử nghiệm của
CM
Lực cắt cực đại tức thời và sai số tương đối của các thành
phần lực cắt Fx, Fy, Fz và lực cắt tổng hợp của các thành
phần F được hiển thị. Lực cắt tổng hợp F có thể được biểu
thị như sau:
=++ (12)
Hình 9. Sai số tương đối của lực cực đại tức thời giữa dữ liệu dự
đoán và thực nghiệm của UVM và CM
Các thành phần lực cực đại tức thời Fx, Fy, Fz và kết
quả cắt F được đo trong thử nghiệm 1 trong UVM lần lượt
là 83,22N; 227,48N; 64,23N và 250,60N. Và kết quả lực cắt
dự đoán tương ứng của Fx, Fy, Fz và F lần lượt là 76,13N;
234,41N; 72,85N và 257,00N. Các lỗi tương đối của Fx, Fy,
Fz và F lần lượt là 8,5%; 3,4%; 13,4% và 2,5%.
Các thành phần lực tối đa tức thời Fx, Fy, Fz và kết quả
cắt F được đo trong thử nghiệm 2 trong UVM lần lượt là
27,81N; 94,04N; 26,71N và 101,64N. Và kết quả lực cắt dự
đoán tương ứng của Fx, Fy, Fz và F lần lượt là 26,97N;
91,69N; 28,36N và 99,69N. Các sai số tương đối của Fx,
Fy, Fz và F lần lượt là 3,0%; 2,5%; 6,1% và 1,9%.
Các thành phần lực cực đại tức thời Fx, Fy, Fz và kết
quả cắt F được đo trong thử nghiệm 3 trong CM lần lượt là
77,19N; 288,52N; 90,76N và 312,15N. Và kết quả lực cắt
dự đoán tương ứng của Fx, Fy, Fz và F lần lượt là 76,87N;
305,58N; 104,43N và 331,95N. Các sai số tương đối của
Fx, Fy, Fz và F lần lượt là 0,4%; 5,9%; 15,1% và 6,3%.
Các thành phần lực cực đại tức thời Fx, Fy, Fz và kết
quả cắt F được đo trong thử nghiệm # 4 trong CM lần lượt
là 37,36N; 112,64N; 34,30N và 123,53N. Và kết quả lực cắt
dự đoán tương ứng của Fx, Fy, Fz và F lần lượt là 37,08N;
115,01N; 38,07N và 126,69N. Các sai số tương đối của Fx,
Fy, Fz và F lần lượt là 0,7%; 2,1%; 10,9% và 2,6%.
Có thể thấy rằng sai số tương đối của lực cực đại tức thời
giữa số liệu dự đoán và thực nghiệm của UVM và CM nhỏ
hơn 10% đối với các lực Fx, Fy và Fz. Tuy nhiên, sai số
tương đối tối đa của các thành phần lực Fz là 15,1%. Trong
quá trình gia công thực tế, các nguồn lỗi từ môi trường có
thể bao gồm độ lệch của dụng cụ cắt, độ cứng của giá đỡ
dao, lực rung, độ rung của máy,... Lực rung là kết quả của
lỗi quay của trục chính, đồ gá và phôi,..., điều này sẽ gây ra
rung động cho máy. Tất cả chúng sẽ dẫn đến sai số gia công
và có ảnh hưởng lớn đến sai số lực cắt. Và nhiều nghiên cứu
về lực cắt cũng chỉ ra rằng sai số của lực Fz tương đối lớn
và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường. Ở đây, nguyên nhân
chính gây ra sai số là thiết bị đo và môi trường thí nghiệm.
Hình 10. So sánh và phân tích lực cắt trong UVM và CM
Trong Việc giảm lực cắt kết quả ΔFxy và giảm lực cắt
kết quả ΔF tính bằng CM và UVM được hiển thị. Qua so
sánh và phân tích, có thể thấy rằng lượng giảm lực cắt kết
quả ΔFxy chiếm hơn 90% mức giảm tổng lực cắt kết quả
ΔF. Có thể kết luận rằng lý do lực cắt giảm trong UVM là
lực quán tính của phôi gây ra bởi rung động siêu âm. Ngoài
ra, tốc độ tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi có ảnh hưởng
nhẹ đến việc giảm lực cắt.
Ảnh hưởng của các tham số cắt đến lực kết quả tối đa F
trong các thử nghiệm. Kết quả cho thấy lực cắt trong UVM
nhỏ hơn lực cắt trong CM, lực cắt tối đa trong UVM là
29,6% khi tốc độ cắt là 21,98 m/phút. Và khi tốc độ cắt ngày
càng tăng và mức độ giảm sẽ giảm đi. Lý do cho điều này