123doc

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM

Giới thiệu về sóng siêu âm

Rung động siêu âm là dao động cơ có tần số vượt quá ngưỡng nghe của con người, thường nằm trong khoảng từ 20 Hz đến 20 kHz Để phân biệt các mức độ rung động, ta sử dụng giá trị ngưỡng tần số, trong đó ngưỡng hạ âm và siêu âm tương ứng với các tần số thấp hơn và cao hơn 20 kHz Nhiều loài động vật như chó, mèo, cá voi và dơi có khả năng nhận biết tần số siêu âm, cho thấy sự đa dạng trong khả năng nghe của các loài.

Hình 1.1 Khoảng tần số [https://rama.vn/song-sieu-am/]

Siêu âm đã được các nhà khoa học phát hiện và nghiên cứu từ rất sớm Năm

Năm 1794, nhà khoa học Lazzaro Spallanzani đã phát hiện rằng loài dơi di chuyển và săn mồi dựa vào âm thanh tần số cao Đến năm 1893, Francis Galton phát minh ra còi Galton, có khả năng tạo ra sóng siêu âm để đo thính giác của động vật Năm 1880, hiện tượng áp điện được Pierre Curie và Jacques Curie phát hiện, mở ra bước đột phá trong công nghệ siêu âm, dẫn đến sự ra đời của các đầu dò siêu âm đầu tiên, chuyển đổi năng lượng điện tần số cao thành năng lượng cơ học dưới dạng dao động tần số cao.

Thiết bị Sonar, ứng dụng đầu tiên của công nghệ siêu âm và áp điện, được phát triển trong Thế chiến thứ nhất để phát hiện tàu ngầm Vào đầu những năm 1900, siêu âm đã mở ra một thời kỳ khám phá và phát triển thú vị, với tiềm năng của ngành vật lý và kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

Siêu âm hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt trong y học với các thiết bị như máy siêu âm, máy trị liệu siêu âm, máy diệt khuẩn và máy rửa siêu âm Ngoài ra, trong lĩnh vực kỹ thuật, sóng siêu âm cũng được sử dụng phổ biến qua các cảm biến siêu âm, radar và các phương thức giao tiếp, kết nối không dây Như vậy, siêu âm không chỉ là một công nghệ quan trọng mà còn có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nguyên lý rung động siêu âm

Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện

Phương pháp từ giảo là đặc tính của các vật liệu sắt từ như sắt, coban và niken, cho phép chúng nở ra hoặc co lại khi tiếp xúc với từ trường Tính chất này giúp chuyển đổi năng lượng từ trường thành động năng cơ học Các vật liệu này có chứa các vùng biến dạng tự nhiên và các vùng không liên kết với cực từ, được gọi là miền.

Phương pháp áp điện là hướng phổ biến nhất để tạo ra rung động siêu âm

Hiện tượng áp điện được phát hiện lần đầu vào năm 1817 và được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà Curie vào những năm 1880 Vật liệu áp điện là loại vật liệu đặc biệt với các phân tử phân cực, có khả năng sinh ra điện áp khi chịu lực tác động lên bề mặt Ngược lại, khi áp dụng điện áp lên hai mặt của vật liệu, nó sẽ gây ra biến dạng Sự biến dạng này tạo ra rung động, và đặc biệt, vật liệu áp điện rất nhạy cảm với giá trị điện áp, đồng thời có khả năng chịu nén cao.

Mặc dù thiết bị rung động siêu sử dụng phương pháp từ giảo có thiết kế linh hoạt và dải tần làm việc rộng, nhưng hiệu suất của chúng chỉ đạt 50-60% Ngược lại, thiết bị áp điện cần nhiều năng lượng hơn nhưng mang lại hiệu suất cao hơn, từ 90-96% Nhờ vào vật liệu áp điện, thiết bị có khả năng dao động ở tần số rất cao và cấu trúc linh động hơn, cho phép các thiết bị siêu âm chủ yếu tạo ra rung động siêu âm thông qua hiệu ứng áp điện.

Hình 1 2 Hiệu ứng áp điện [9]

Nguyên lý truyền rung động siêu âm

Rung động được truyền dưới dạng sóng dọc trong môi trường, với quỹ đạo sóng phụ thuộc vào thời gian biến dạng của vật liệu Khi năng lượng siêu âm đi qua, nó làm dịch chuyển các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng, gây ra sự mất cân bằng trong cấu trúc nguyên tử xung quanh Năng lượng dao động tiếp tục di chuyển qua môi trường, nhưng không thể truyền trong môi trường chân không do thiếu hạt vật chất Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm bao gồm tần số (f), biên độ (A), vận tốc (v) và bước sóng Tần số dao động đo lường số chu kỳ trong một giây, trong khi biên độ thể hiện độ dịch chuyển tối đa từ vị trí cân bằng Vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào mật độ và môđun đàn hồi của vật liệu, với các giá trị cụ thể được liệt kê trong bảng 1.1.

Bảng 1 1 Tốc độ truyền sóng trong một số môi trường (tại 20 o C và 1 atm)

Sự truyền sóng rung động được mô tả qua các mode rung động, mỗi mode tương ứng với một trạng thái sóng dung hình sin tại tần số đặc trưng Hệ thống có thể bị kích thích bởi nhiều mode rung động, được xác định bởi tần số và hình dạng của từng mode Đối với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, có bốn loại chế độ dao động cơ bản mà các mode này có thể lan truyền.

Dạng truyền sóng Đặc điểm

Sóng dọc: dao động nén dọc theo phương truyền sóng

Sóng ngang: dao động vuông góc với phương truyền sóng

Sóng mặt- Rayleigh waves: dao động theo quỹ đạo elip

Sóng tấm-Lamb waves: sóng rung động kết hợp, đường truyền sóng luôn song song với bề mặt tấm.

Hệ thống thiết bị tạo rung động siêu âm

Hệ thống rung động siêu âm bao gồm các thành phần chính như bộ nguồn, bộ chuyển đổi (transducer) và đầu khuếch đại dao động (horn) Bộ nguồn cung cấp dòng điện xoay chiều cho các miếng áp điện, từ đó tạo ra rung động siêu âm cơ học Sơ đồ cấu trúc của hệ thống này được thể hiện trong hình 1.3.

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc của một hệ gia công siêu âm [7]

1.4.1! Nguồn phát công suất siêu âm

Bộ nguồn chuyển đổi điện năng tần số thấp (thường là 50 Hz) thành năng lượng sóng sin tần số cao, đồng thời kiểm soát tần số và công suất cung cấp cho hệ thống.

Đầu phát siêu âm (transducer) là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ bộ nguồn thành năng lượng cơ học, tạo ra các dao động ở tần số siêu âm.

Đầu phát siêu âm sử dụng hiện tượng từ giảo (magnetostrictive) cho phép thiết kế đầu rung linh hoạt với dải hoạt động rộng, nhưng hiệu suất chỉ đạt 50% - 60% Ngược lại, đầu dò sử dụng vật liệu áp điện (piezoelectric) mặc dù cần năng lượng cao hơn nhưng có hiệu suất cao hơn, từ 90% - 96% Hơn nữa, vật liệu áp điện có khả năng tạo ra các dao động ở tần số rất cao và có kết cấu gọn nhẹ hơn so với nguyên lý từ giảo.

Hình 1 4 Đầu phát rung siêu âm

Đầu khuếch đại dao động (booster) là thiết bị quan trọng trong hệ thống siêu âm, giúp tăng cường biên độ đầu ra từ các đầu dò siêu âm thường có biên độ thấp Tùy thuộc vào cấu trúc của hệ thống, một số có thể không cần đầu khuếch đại Đầu rung (ultrasonic horn) không chỉ khuếch đại biên độ dao động mà còn được thiết kế theo mục đích sử dụng, cho phép gắn thêm các dụng cụ như dao cắt, mũi khoan, hoặc đầu hàn Do đó, đầu rung đóng vai trò mấu chốt trong hiệu suất của hệ thống siêu âm, và thiết kế của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động.

Bảng 1 3 Các dạng hình dạng của đầu rung siêu âm

Biên dạng tiêu chuẩn Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn

-! Biên dạng đơn giản nhất

-! Độ khuyết đại thấp nhất

-! Độ khuyếch đại biên dạng lớn nhất

-!Độ tập trung ứng suất cao nhất do biên dạng thay đổi đột ngột

-! Ứng suất phân bổ đều do biên dạng thay đổi từ từ

-! Năng lượng mất mát thấp

-! Ứng suất thấp do biên dạng thay đổi đều

-! Mất mát năng lượng thấp

-! Độ khuyếch đại biên dạng thấp nhất

Biên dạng đặc biệt Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn

Biên dạng trụ - hàm mũ

-! Phân bố ứng suất đều do biên dạng thay đổi chậm

Biên dạng trục bậc hàm mũ

-!Phân bố ứng suất đều do biên dạng thay đổi chậm

Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật

Rung động siêu âm được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong sản xuất Một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sản xuất bao gồm kiểm tra chất lượng, làm sạch bề mặt, và gia công vật liệu.

1.5.1! Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm

Làm sạch bằng siêu âm là phương pháp sử dụng sóng siêu âm trong khoảng tần số 40 kHz đến 200 kHz để tẩy rửa bề mặt các chi tiết phức tạp, giúp loại bỏ bụi bẩn hiệu quả Thiết bị này có khả năng làm sạch đa dạng các vật liệu như kim loại, thủy tinh, gốm và nhựa Các sản phẩm thường được làm sạch hiệu quả bằng siêu âm bao gồm vi mạch điện tử, ổ đĩa cứng, thiết bị y tế, chi tiết kim loại phức tạp, đồ trang sức, thiết bị quang học, và gần đây là các bộ phận của động cơ như chế hòa khí và bugi.

Phương pháp làm sạch hiện đại giúp giảm thời gian và nâng cao hiệu quả làm sạch các chi tiết phức tạp so với các phương pháp truyền thống Ngoài việc tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường, phương pháp này còn cho phép loại bỏ chất bẩn và khử trùng rau củ, rửa nông sản, cũng như hỗ trợ trong điều chế dược phẩm.

Có 2 nguyên tắc làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp với dung dịch làm sạch, bao gồm: Cơ chế tạo bóng khí (Cavitation) và dòng sóng siêu âm (Acoustic stream- ing)

Cơ chế tạo bóng khí trong làm sạch bằng siêu âm sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tạo ra bọt khí trong chất lỏng Những bọt khí này phát triển và bám lên bề mặt chi tiết, khi phát nổ sẽ giải phóng năng lượng có hiệu ứng xói mòn, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm dính chặt trên kim loại, thủy tinh và gốm sứ Bọt khí cũng xâm nhập vào các lỗ hổng và vết nứt, giúp loại bỏ hoàn toàn dấu vết nhiễm bẩn Dưới tác dụng của sóng siêu âm, hàng nghìn bọt khí nhỏ xuất hiện và biến mất rất nhanh, tạo ra sóng xung kích mạnh mẽ, được gọi là “hiện tượng tạo chân không” Tại tần số 20kHz, bọt khí khi nổ có thể tạo ra tia năng lượng với tốc độ lên đến 400 km/h, áp suất đạt 35-70 MPa và nhiệt độ có thể lên tới 50000C chỉ trong vài micro giây.

1.5.2! Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)

Hàn siêu âm là một phương pháp hàn áp lực, tương tự như hàn ma sát, sử dụng năng lượng cơ học từ dao động siêu âm để nung nóng cục bộ vật liệu tại bề mặt mối ghép đến trạng thái chảy dẻo Quá trình này tạo ra lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc, làm nóng chúng và dưới áp lực, các phần tử của chi tiết hàn khuếch tán vào nhau, hình thành mối hàn chắc chắn Hàn siêu âm là công nghệ gia công tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, điện - điện tử, hàng không vũ trụ và cơ khí chính xác.

1.5.3! Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm

Trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm, sóng siêu âm được ứng dụng để bảo quản và nâng cao chất lượng sản phẩm Khi áp dụng sóng siêu âm với tần số và cường độ thích hợp, chất lượng của nhiều loại thực phẩm được cải thiện rõ rệt Bên cạnh đó, sóng siêu âm còn được sử dụng để tiệt trùng và loại bỏ hóa chất độc hại, giúp thực phẩm bảo quản lâu hơn và đạt chất lượng cao hơn Đối với các loại thực phẩm dẻo, xốp và dính, việc cắt thái cần được thực hiện một cách nguyên vẹn và thẩm mỹ Các dao cắt được hỗ trợ bởi rung động siêu âm, tạo ra chuyển động tương đối với thực phẩm, giảm thiểu tình trạng bám dính và thuận lợi cho quá trình cắt lát.

Cắt thực phẩm bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm nhờ những ưu điểm chính sau đây:

- Bề mặt cắt nhẵn phẳng, thẩm mỹ;

- Khả năng ứng dụng trên nhiều loại thực phẩm;

- Điều chỉnh kích thước lát cắt thuận tiện theo yêu cầu;

- Không giới hạn về kích thước đường kính, khối lượng, chiều dày vật phẩm;

- Dễ vệ sinh, bảo dưỡng;

- Khả năng tăng bề rộng cắt bằng cách ghép dao;

- Năng suất cắt cao, có thể đạt tốc độ cắt từ 60 đến 120 miếng / phút

Trong kỹ thuật sấy khô, nhiều vật phẩm có vật liệu không thể sấy nóng do nhiệt độ cao làm thay đổi tính chất hóa lý Giải pháp sấy khô bằng công nghệ siêu âm đã chứng minh hiệu quả tối ưu, khi sóng siêu âm với cường độ mạnh làm các phần tử trong vật liệu dao động mạnh mẽ Kết quả là các liên kết yếu bị phá vỡ, giúp hơi ẩm và hơi nước dễ dàng thoát ra khỏi vật phẩm.

Trong nông nghiệp, xử lý giống là một trong những yếu tố quan trọng quyết định năng suất cây trồng Phương pháp sử dụng sóng siêu âm cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện chất lượng hạt giống Sóng siêu âm không chỉ thay đổi thành phần amino acid mà còn tăng cường quá trình oxy hóa, từ đó nâng cao năng suất Ngoài ra, sóng siêu âm kích thích sự phát triển của vi sinh vật có lợi, tăng cường lượng mùn trong đất và tiêu diệt ký sinh trùng gây hại cho cây trồng.

1.5.4! Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm

Siêu âm có khả năng truyền qua vật rắn và phản xạ tại các bề mặt tiếp xúc giữa hai vật, cho phép phát hiện khuyết tật trong vật đúc, kết cấu bê tông, và tổ mối trong đê Nguyên lý hoạt động của siêu âm giúp xác định các khuyết tật bên trong vật thể một cách hiệu quả.

Dụng cụ siêu âm thăm dò dưới biển, thường được gọi là Sonar, hoạt động dựa trên nguyên tắc của rađa Sonar bao gồm một máy phát đặt ở đáy tàu, phát ra chùm siêu âm hẹp Khi sóng âm gặp đáy biển, đàn cá, hoặc xác tàu đắm, chúng sẽ phản xạ trở lại và được thu nhận, từ đó xác định khoảng cách từ tàu đến vật phản xạ Sonar có khả năng phát hiện tàu ngầm, vật trôi dạt và lập bản đồ độ sâu đáy biển Thiết bị dò cá siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển, vận tốc và mật độ của đàn cá trong phạm vi hàng chục km, góp phần tăng sản lượng khai thác thủy sản đáng kể.

Siêu âm trong y học là một kỹ thuật ghi lại hình ảnh bằng sóng siêu âm, sử dụng đầu dò phát ra chùm sóng với tần số từ 1 đến 5 MHz Quá trình này ghi lại thời gian đi và về của xung siêu âm, kết hợp với máy vi tính để xử lý thông tin, tạo ra hình ảnh từ các điểm phản xạ Máy siêu âm phát khoảng 1000 xung mỗi giây và được di chuyển đều đặn để quan sát toàn bộ vật thể Kỹ thuật này hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các bệnh viện để kiểm tra các cơ quan nội tạng như gan, tuyến giáp, dạ dày, tuyến tiền liệt, thai nhi, cũng như theo dõi chuyển động của van tim và dòng chảy của máu trong động mạch, đồng thời phát hiện các vấn đề như bong võng mạc.

Sóng siêu âm có tần số cao, mang lại năng lượng lớn, có khả năng làm vỡ vật hấp thụ thành nhiều mảnh nhỏ Trong y học, siêu âm được ứng dụng để phá vỡ sỏi thận và cục máu đông mà không cần phẫu thuật Bên cạnh đó, trong ngành công nghiệp, máy đầm siêu âm được sử dụng rộng rãi để đầm bê tông và rải đá đường.

Dao mổ siêu âm tích hợp công nghệ rung siêu âm giúp chuyển đổi năng lượng điện thành sóng cơ học, đạt tần số trên 55.000 lần/giây nhờ vào các đĩa sứ piezo-electric Dụng cụ phẫu thuật này cho phép cắt qua các mô mềm, cứng và xương một cách hiệu quả, giảm thiểu chảy máu và tổn thương cho các mô lân cận Nhờ đó, thời gian phẫu thuật được rút ngắn, mang lại lợi ích lớn cho quá trình điều trị.

Công nghệ siêu âm được ứng dụng hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu mới, giảm ma sát trong truyền động và cải thiện khả năng điền đầy kim loại lỏng trong quá trình đúc.

Rung động siêu âm trợ giúp gia công

Việc khai thác rung động siêu âm trong gia công đã được biết đến cách đây hơn

50 năm và tiếp tục được nghiên cứu phát triển ứng dụng cho đến tận ngày nay với thuật ngữ "gia công siêu âm" (Ultrasonic Machining)

Gần đây, rung động siêu âm đã được áp dụng để hỗ trợ các quá trình gia công truyền thống như tiện, phay, khoan, mài và đánh bóng, thông qua kỹ thuật "siêu âm trợ giúp gia công" (UAM - Ultrasonic Assisted Machining) Kỹ thuật này bổ sung rung động cưỡng bức với tần số siêu âm vào quá trình cắt gọt kim loại, mang lại nhiều lợi ích như giảm lực cắt lên đến 50%, giảm nhiệt cắt, giảm mài mòn dao, và tăng tuổi thọ dao Hơn nữa, phương pháp này cải thiện chất lượng bề mặt từ 25% đến 40% và cho phép gia công các vật liệu cứng, giòn như Titan, thể hiện rõ ưu điểm vượt trội của gia công hỗ trợ siêu âm.

Nhiều báo cáo đã công bố về gia công có trợ giúp của rung động siêu âm, đặc biệt là trong các quá trình như tiện siêu âm (UAT), khoan siêu âm (UAD) và phay siêu âm Hình 1.7 minh họa các ứng dụng của rung động siêu âm trong các quy trình gia công phổ biến.

Hình 1 7 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp [3]

Kết quả nghiên cứu về rung động trợ giúp một số lĩnh vực gia công sẽ được phân tích tổng quan trong các phần dưới đây

1.5.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp

Siêu âm trợ giúp khoan (UAD – Ultrasonic Assisted Drilling) là một phương pháp gia công sử dụng rung động siêu âm để cải thiện hiệu suất khoan Trong quá trình này, rung động siêu âm được áp dụng vào chuyển động giữa mũi khoan và phôi, thường thông qua kích thích theo phương dọc trục hoặc rung động xoắn quanh trục mũi khoan Các phương án bổ sung rung động cho quá trình khoan được thể hiện trong các sơ đồ minh họa.

Hình 1 8 Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan

Nguyên tắc chung của UAD là kết hợp rung động siêu âm với chuyển động tương đối giữa mũi khoan và chi tiết gia công Các phương án bổ sung rung động có thể thực hiện bao gồm việc áp dụng cho mũi khoan, như thể hiện ở Hình 1.8 (a, c), hoặc cho chi tiết gia công, như mô tả ở Hình 1.8 (b).

Hình 1.8 (a) minh họa phôi quay được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, với đầu rung mang mũi khoan được gắn trên ụ động hoặc bàn máy, cho phép truyền động cưỡng bức đến mũi khoan Hình 1.8 (b) cho thấy phôi rung theo phương dọc trục, trong khi Hình 1.8 (c) mô tả mũi khoan vừa rung vừa quay, trong khi phôi thực hiện chuyển động tịnh tiến.

Chern và Lee (2005) đã phát triển hệ thống bổ sung rung động siêu âm cho mũi khoan trong quá trình khoan lỗ hợp kim nhôm Al 6061-T6 Kết quả thử nghiệm cho thấy rung động siêu âm giúp cải thiện độ tròn của bề mặt lỗ khoan, loại bỏ bavia, và làm cho bề mặt thành lỗ nhẵn hơn Ngoài ra, độ xiên của lỗ và độ xê dịch của tâm lỗ cũng được cải thiện khi tăng biên độ và tần số rung.

Nghiên cứu của Amini và cộng sự (2013) cho thấy khoan có rung động trợ giúp trên hợp kim nhôm Al2024-T6 giúp giảm lực dọc trục lên đến 70% so với khoan thông thường Lực dọc trục tăng khi tăng lượng chạy dao, trong khi ảnh hưởng của tốc độ cắt đối với lực dọc trục là không đáng kể ở cả hai kỹ thuật khoan Đặc biệt, tỉ số giữa vận tốc rung và tốc độ chạy dao càng lớn thì lực dọc trục càng giảm.

Hình 1 9 So sánh độ tròn lỗ khoan và lực dọc trục (c) giữa (b) khoan siêu âm so với (a) khoan truyền thống

V Ostasevicius và cộng sự (2012) thực nghiệm đánh giá hiệu quả cải thiện của rung động đến quá trình khoan thép XC48 (độ cứng HB0) Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến mômen được khảo sát trong khoảng từ 600 v/ph đến 900 v/ph và 0.2 mm/v đến 0.25 mm/v Các kết quả cho thấy ở tần số rung 11.2kHz thì không có sự khác biệt về mômen giữa hai kĩ thuật khoan Ở tần số 16.6 kHz mômen khoan giảm từ 13% đến 20% khi khoan có rung trợ giúp so với khoan thường Sự khác biệt về mômen giữa hai kĩ thuật khoan càng rõ rệt khi tăng lượng chạy dao Quá trình khoan các lỗ sâu không dễ để thực hiện trên các vật liệu khó gia công như hợp kim cứng, vật liệu composite, vật liệu giòn Kỹ thuật khoan với rung động siêu âm trợ giúp cho thấy nhiều hiệu quả tích cực Khi càng khoan xuống chiều sâu lớn, việc thoát phoi càng trở nên khó khăn, làm gia tăng ma sát với mũi khoan, lực dọc trục và mô men khoan cần lớn để duy trì quá trình cắt Hình 1.9 (c) so sánh lực dọc trục khi sử dụng UAD so với khoan truyền thống Rõ ràng khi giảm lực dọc, giảm ma sát sẽ giảm mòn dụng cụ, giúp nâng cao tuổi thọ mũi khoan

1.5.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp

Phay có rung động siêu âm trợ giúp là một kỹ thuật gia công tiên tiến, trong đó rung động cưỡng bức được áp dụng vào dao phay hoặc phôi, như thể hiện trong Hình 1.10 Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này không chỉ giảm lực cắt mà còn giảm ma sát và mòn, từ đó tăng tuổi bền của dụng cụ Hơn nữa, phay có rung động siêu âm trợ giúp còn cải thiện chất lượng bề mặt gia công, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.

Hình 1 10 Mô hình phay có hỗ trợ siêu âm

1.5.2 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp

Trong quá trình tiện, dao tiện có thể được bổ sung rung động siêu âm theo ba hướng chính độc lập Các phương pháp bổ sung rung động cho tiện trụ ngoài và tiện mặt đầu được minh họa trong hình 1.11.

Hình 1 11 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện

Rung động có thể truyền cho dụng cụ cắt theo ba phương thức chính: theo phương chạy dao, theo phương tiếp tuyến và theo phương hướng kính.

Khi tiện trụ ngoài, đầu dao tiện sẽ rung theo phương tiếp tuyến với mặt trụ tại điểm cắt, như thể hiện trong hình 1.11(a) Đối với việc tiện mặt đầu, rung động siêu âm của đầu dao nằm trên mặt đầu phôi, như mô tả ở hình 1.11(b).

Khi thực hiện tiện kiểu 2, dao tiện sẽ rung theo phương hướng kính Với thiết kế trụ ngoài, đầu mũi dao nhận rung động vuông góc với trục phôi trên mặt phẳng ngang của phôi Đặc biệt, khi tiện mặt đầu, mũi dao dao động theo phương thẳng góc với bề mặt gia công.

Khi thực hiện tiện, kiểu rung thứ ba xảy ra khi đầu dao rung theo phương chạy dao Đối với tiện ngoài, đầu dao sẽ rung song song với chuyển động chạy dao dọc trục của phôi Còn khi tiện mặt đầu, đầu dao rung theo phương ăn dao hướng kính trên bề mặt phôi cần gia công.

Có thể phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công theo hai loại sau đây:

(1) Hệ thống rung động theo một phương (1D): Rung động được bổ sung chỉ theo một phương duy nhất (1 trong 3 kiểu kể trên)

Hệ thống rung động 2D là sự kết hợp của hai hệ thống rung 1D, tạo ra chuyển động theo quỹ đạo elip trên dụng cụ cắt Hình 1.12 và bảng 1.4 mô tả hướng rung và quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt trong quá trình tiện rung.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là khám phá nguyên lý gia công hoàn thiện bề mặt bằng cách ứng dụng dao động siêu âm Nghiên cứu sử dụng các dụng cụ gia công đã được thiết kế sẵn để tiến hành khảo sát thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hưởng đến nhám bề mặt Qua đó, đánh giá tính khả thi của phương pháp này nhằm cải thiện một hoặc nhiều vấn đề tồn tại trong gia công hoàn thiện truyền thống.

Mục tiêu phụ của đề tài là đề xuất các định hướng cải tiến và tối ưu hóa kết cấu dụng cụ gia công hỗ trợ rung siêu âm, dựa trên phân tích các khó khăn trong thực nghiệm Để tích hợp dao động siêu âm vào quá trình cắt, cần thiết kế dụng cụ có khả năng dẫn truyền năng lượng từ đầu rung siêu âm đến đầu dụng cụ cắt với biên độ và tần số hợp lý Mỗi phương pháp gia công và biên dạng gia công khác nhau yêu cầu các kết cấu phù hợp để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết quả nghiên cứu của đề tài được kỳ vọng sẽ:

Làm chủ công nghệ chế tạo đầu rung siêu âm theo yêu cầu giúp tối ưu hóa quá trình gia công bề mặt kích thước nhỏ Bài viết này sẽ hướng dẫn cách tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm hiệu quả, linh hoạt và chi phí thấp, phù hợp với thiết bị hiện có trong nước.

Đánh giá hiệu quả của đầu rung chế tạo cho gia công bề mặt nhỏ với sự hỗ trợ của rung động siêu âm cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ nhám bề mặt so với phương pháp gia công truyền thống.

1.7.2! Nội dung Để giải quyết bài toán đánh giá, , nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận vấn đề như sau:

- Nghiên cứu nguyên lý tạo hình trong gia công, sự hình thành cấu trúc tế vi bề mặt

Hiểu rõ về cơ sở gia công hoàn thiện bề mặt từ các phương pháp gia công truyền thống là rất quan trọng Những phương pháp này mặc dù phổ biến nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế, như độ chính xác thấp và hiệu suất không cao Việc nhận diện những hạn chế này giúp cải thiện quy trình gia công và tìm kiếm các giải pháp thay thế hiệu quả hơn.

Phân tích các phương án bổ sung rung động trong quá trình tiện và phay là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất gia công Việc lựa chọn phương án bổ sung rung động phù hợp sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu tình trạng mài mòn công cụ Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng rung động có thể tăng cường khả năng cắt và giảm lực cắt, từ đó nâng cao hiệu quả gia công Do đó, việc xác định phương án bổ sung rung động thích hợp là yếu tố quan trọng trong quy trình gia công hiện đại.

Dựa trên lý thuyết tính toán từ tài liệu nước ngoài, chúng tôi thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung với tần số làm việc cụ thể.

- Xây dựng kết cấu cụm đầu rung mang dao gia công gá trên đài dao máy tiện và máy phay;

- Sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá các giá trị tần số cộng hưởng và giá trị biên độ xoắn-dọc tại đầu dụng cụ cắt;

Đề xuất một phương pháp đo lường và thực nghiệm nhằm kiểm chứng giá trị tần số cộng hưởng làm việc cũng như biên độ rung thực tế tại đầu dụng cụ, sử dụng các thiết bị có sẵn trong nước.

Thực nghiệm gia công trên vật liệu thép khuôn đã tôi cứng được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng của đầu rung Hai chỉ tiêu chính được xem xét là nhám bề mặt và lực cắt, giúp xác định chất lượng gia công và hiệu suất làm việc của thiết bị.

1.7.3! Lợi ích và ý nghĩa của đề tài

Với kết quả có được, đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ gia công

Có thể lựa chọn các thông số thích hợp để thiết kế và chế tạo đầu rung với các tần số khác nhau, kết hợp với các bộ chuyển đổi siêu âm đa dạng.

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Động học quá trình tạo hình và nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt

2.1.1 Động học tạo hình các bề mặt tự trượt

Một bề mặt được tạo ra khi một đường sinh di chuyển theo một quy luật nhất định, và các chuyển động này được gọi là động học hình thành bề mặt Ví dụ, mặt phẳng được hình thành khi một đường sinh thẳng di chuyển tịnh tiến song song với chính nó dựa trên một đường dẫn là đường thẳng.

Dựa vào hình động học trong việc hình thành bề mặt, có thể lựa chọn lưỡi cắt của dụng cụ làm đường sinh để tạo hình bề mặt, hoặc sử dụng lưỡi cắt chuyển động tương đối với bề mặt cần tạo hình nhằm hình thành đường sinh cho bề mặt đó.

Chuyển động tạo hình là sự chuyển động tương đối giữa bề mặt chi tiết và dụng cụ, từ đó hình thành bề mặt chi tiết theo quy luật hình động học Tất cả các chuyển động tuyệt đối của chi tiết so với dụng cụ cắt trong quá trình gia công (không bao gồm các chuyển động chạy dao không cắt vật liệu) được gọi là sơ đồ động học gia công.

Các sơ đồ động học trong gia công thường bao gồm hai chuyển động cơ bản: chuyển động quay tròn và chuyển động tịnh tiến Từ hai loại chuyển động này, có thể tạo thành các nhóm chuyển động khác nhau, bao gồm nhóm một chuyển động, nhóm hai chuyển động và nhóm ba chuyển động.

Các bề mặt “tự trượt” được hình thành nhờ sự kết hợp giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của cặp chi tiết và dụng cụ.

2.1.2 Động học tạo hình các bề mặt tự do

Khác với gia công các bề mặt "tự trượt", gia công bề mặt tự do yêu cầu dụng cụ thực hiện các chuyển động phức tạp và tương đối so với phôi Những chuyển động này được coi là sự tổng hợp của các chuyển động tịnh tiến tức thời và quay tức thời Do đó, tại mỗi điểm trên bề mặt dụng cụ, cần xác định các vector tiếp.

Chính vì tính phức tạp trên mà các bề mặt tự do đòi hỏi nên gia công trên các máy điều khiển số (CNC)

2.1.1! Nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt

Các chuyển động tạo hình có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất với chuyển động gia công cắt gọt, dẫn đến hai nguyên lý gia công cơ bản: gia công định hình và gia công bao hình.

Gia công định hình là một phương pháp tạo hình bề mặt, trong đó bề mặt của chi tiết được sao chép theo hình dạng của bề mặt do lưỡi cắt của dụng cụ tạo ra.

Gia công bao hình là phương pháp chế tạo bề mặt, trong đó bề mặt được hình thành là mặt bao của các hình dạng do lưỡi cắt của dụng cụ tạo ra Phương pháp này rất linh hoạt, cho phép gia công các bề mặt có khả năng chuyển động "tự trượt" và các bề mặt tự do khác.

Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm và động lực học quá trình tạo hình

2.2.1 Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm

Hình dạng và số lưỡi cắt của các loại dao rất đa dạng, phụ thuộc vào phương pháp và kích thước gia công Mỗi lưỡi cắt thường có cấu tạo đơn giản như dao tiện, do đó, mô hình dao tiện được sử dụng để phân tích cấu tạo hình học của dao cắt Thành phần chính của dao tiện bao gồm phần cắt (phần làm việc) và phần cáng để gá đặt Trong thực tế, hai lưỡi cắt chính và phụ không thể thẳng, dẫn đến việc mũi dao thường có bán kính lượn tròn r trong quá trình chế tạo.

Hình 2 1 Cấu tạo dao tiện

2.2.2 Động học quá trình tạo hình

Các thông số cắt bao gồm [3]:

Tốc độ cắt chính Vc (m/min) là yếu tố quan trọng trong quá trình gia công, tạo ra phoi từ vật liệu Chuyển động cắt chính có thể diễn ra dưới dạng quay tròn, như trong tiện và phay, hoặc dưới dạng tịnh tiến, như trong bào và xọc.

Tốc độ tiến dao (F) là lượng dịch chuyển theo phương của chuyển động chạy dao, được đo bằng khoảng cách di chuyển sau một vòng quay của chuyển động cắt chính (mm/vòng) hoặc trong một phút (mm/phút).

Chiều sâu cắt t(mm) được định nghĩa là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công, được đo theo phương vuông góc với bề mặt đã gia công.

Phân tích lực trong quá trình cắt [3]:

Trong quá trình cắt, dao tác động lên lớp cắt bằng một lực gây biến dạng và tạo ra phoi Để chống lại ngoại lực, lớp cắt tác dụng một lực lên dao, bao gồm lực biến dạng từ mặt trước và mặt sau Khi phoi trượt lên mặt trước, mặt sau sẽ tạo ra lực ma sát trên bề mặt gia công Lực cắt được hình thành từ sự kết hợp của lực biến dạng và lực ma sát tác động lên dao Hai lực tác dụng lên mặt trước được phân tích thành lực theo phương pháp tuyến và lực theo tiếp tuyến, từ đó tạo thành lực tổng hợp tác dụng lên mặt trước.

Hình 2 2 Lực cắt - sơ dồ lực tác dụng lên dao [3]

Hợp các lực tác dụng lên mặt sau theo phương pháp tuyến là lực � ⃗_� và theo hướng tiếp tuyến là lực � ⃗_� Khi kết hợp hai lực � ⃗_� và � ⃗_�, ta nhận được lực Q ⃗_2 = � ⃗_� + � ⃗_� tác dụng lên mặt sau Cuối cùng, khi hợp hai lực � ⃗_� và � ⃗_�, ta có lực cắt � ⃗.

Sự hình thành bề mặt và chất lượng hình học tế vi bề mặt

2.3.1 Thông số hình học lớp kim loại bị cắt

Thông số hình học lớp cắt được định nghĩa như hình 2.3 [3]:

Chiều dày lớp cắt a (mm) là chiều dày lớp kim loại bị cắt đo theo phương vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy [3]

� = � × �� (2.1) Chiều rộng cắt b(mm) là chiều rộng cắt đo theo chiều dài lưỡi cắt chính trên mặt đáy

Từ phương trình (2.1) và (2.2) ta tính được diện tích cắt A (mm2) như ở phương trình (2.3)

Hình 2 3 Thông số hình học lớp cắt [3]

2.3.2 Diện tích cắt dư - chiều cao nhấp nhô hình học H

Dụng cụ cắt bao gồm các lưỡi cắt đơn điểm hoặc tập hợp lưỡi cắt đơn điểm, dẫn đến sự khác biệt giữa diện tích cắt danh nghĩa và diện tích cắt thực Cụ thể, diện tích cắt thực thường nhỏ hơn diện tích cắt danh nghĩa, và phần chênh lệch này được gọi là diện tích cắt dư.

Giả sử lưỡi cắt thẳng có bán kính r = 0, diện tích cắt danh nghĩa A = a × b tương ứng với diện tích hình bình hành ABEF Trong khi đó, diện tích cắt thực tế là diện tích hình tứ giác ACEF, dẫn đến diện tích cắt dư ABC có chiều cao nhấp nhô H.

Hình 2 4 Diện tích cắt dư và chiều cao nhấp nhô: (a) dao cắt có bán kính r=0; (b)

Dao cắt luôn có bán kính dương r > 0, tuy nhiên vẫn tồn tại diện tích cắt dư giữa hai vị trí dao và chiều cao nhấp nhô H.

Các bề mặt hình học kỹ thuật được gia công bằng dao cắt đơn điểm không phải là bề mặt trơn nhẵn, mà luôn có sự xuất hiện của các đỉnh nhấp nhô với chiều cao H Nghiên cứu thực nghiệm và các mối quan hệ hình học cho thấy chiều cao nhấp nhô H phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.

- Chiều cao nhấp nhô hình học của bề mặt H phụ thuộc vào trị số lượng chạy dao F, góc �, φ_1

- Chiều cao nhấp nhô hình học H sẽ giảm khi tăng bán kính mũi dao r và giảm lượng chạy dao F, góc �, φ_1

- Thực tế chiều cao nhấp nhô bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như: biên dạng dư, đàn hồi, rung động, …

Chiều cao nhấp nhô hình học H do dao cắt có bán kính r, cắt với tốc độ tiến dao

S có thể tính gần đúng như sau [3]:

Các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống

2.4.1! Cơ sở và các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống

Các nhấp nhô bề mặt sau quá trình gia công là đặc điểm hình học đặc trưng của dao cắt đơn điểm trong phương pháp gia công bao hình Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt, như chế độ cắt và hình học dao cắt, là cơ sở quan trọng để tối ưu hóa các phương pháp gia công hoàn thiện thông qua việc điều chỉnh các thông số này.

- Điều chỉnh chế độ cắt, giảm lượng chạy dao S (mm/vg), giảm chiều sâu cắt t (mm)

- Sử dụng dao cắt có bán kính mũi dao r > 0, tăng số lượng lưỡi dao, sử dụng các loại dao có góc sau bằng 0 (� = 0)

Một số phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống bao gồm tiện tinh và phay tinh, trong đó các thông số cắt thường được điều chỉnh với lượng chạy dao S (mm/v) và chiều sâu cắt t (mm) rất nhỏ Dao phay tinh thường có bán kính nhỏ và số lượng răng nhiều, giúp cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.

Các phương pháp gia công tinh lỗ và rãnh như doa và chuốt dựa trên nguyên tắc cắt chính xác Dao doa và dao chuốt thường có số lượng răng cắt lớn, với chiều sâu cắt khoảng 0.05mm mỗi lần Đặc biệt, dao doa được thiết kế với lưỡi cắt chính dài (đa điểm) thay vì lưỡi cắt đơn điểm, giúp tăng hiệu quả gia công.

Phương pháp gia công mài là một kỹ thuật gia công tinh, cho phép đạt được độ hoàn thiện bề mặt tối ưu, có thể xuống đến 0,025 Phương pháp này có khả năng gia công nhiều dạng bề mặt khác nhau thông qua các kỹ thuật mài đa dạng Các đặc điểm chung của phương pháp mài bao gồm tính chính xác cao và khả năng tạo ra bề mặt mịn màng.

- Tốc độ cắt rất cao, một số phương pháp như mài ngoài, mài phẳng, đánh bóng,

…, vận tốc cắt có thể đạt từ 1000 - 2000 (m/ph) thậm chí lên đến trên 5000 (m/ph)

- Chiều sâu cắt t (mm) thấp có thể đạt tới 0,0075

- Về bản chất các hạt mài đa cạnh cũng như các dao cắt đơn điểm (có góc trước, góc sau)

Các phương pháp gia công hoàn thiện truyền thống gặp nhiều vấn đề khi gia công bề mặt tinh, do chúng phụ thuộc vào việc điều chỉnh cấu tạo hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt với vận tốc cắt rất cao, trong khi tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt lại thấp Điều này gây ra một số khó khăn trong quá trình gia công.

- Các loại dao phục vụ gia công tinh thường có cấu tạo phức tạp hơn dẫn đến chi phí chế tạo dao cao

- Phương pháp điều chỉnh chế độ cắt cũng có giới hạn riêng Để đảm bảo năng suất, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt không thể quá thấp

Một vấn đề lớn của các phương pháp gia công truyền thống là khó khăn trong việc gia công tinh các bề mặt nhỏ như rãnh, lỗ, và lồng khuôn Các phương pháp gia công tinh thường có vận tốc cắt rất cao, chẳng hạn như các phương pháp mài có thể đạt từ 2400 đến 5200 mét/phút Từ vận tốc cắt này, chúng ta có thể tính toán tốc độ quay của trục chính theo các phương trình đã đề cập.

� = � �� × ��/(� × �) (2.6) Trong đó, S (vòng/phút) là tốc độ quay trục chính; Vc (m/phút) là vận tốc cắt bề mặt; d(mm) là đường kính dao hoặc chi tiết

Khi gia công các diện tích nhỏ như lỗ, rãnh hay hốc, cần sử dụng dụng cụ có đường kính nhỏ và tốc độ quay trục chính cao Điều này giúp đạt được vận tốc cắt cần thiết cho các phương pháp như mài và đánh bóng.

Xác định các thông số cơ bản của hệ siêu âm

Để đạt hiệu quả tối ưu trong gia công và cung cấp dữ liệu thiết kế dụng cụ, việc xác định tần số và biên độ dao động phù hợp là rất quan trọng.

Vận tốc dao động cực đại được tính qua phương trình (2.7) [12]

Trong đó Vtmax (m/s) là vận tốc dao động cực đại; Ao(m) là biên độ dao động;

�(��) là tần số dao động

Các nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng, phương pháp truyền dao động siêu âm theo phương vuông góc với vận tốc cắt sẽ mang lại hiệu quả khi vận tốc dao động đạt hoặc vượt qua vận tốc tiến dao.

� �� (�/�) ≥ �� ×� (2.8) Trong đó F là lượng chạy dao vòng (mm/vg) và S (vòng/ph) là tốc độ quay trục chính

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại đầu dò siêu âm với các tần số khác nhau Điều này cho phép chúng ta xác định giá trị tần số cố định và tính toán biên độ dao động Ao nhỏ nhất cần đạt được Dựa vào các phương trình (2.7) và (2.8), ta có thể suy ra công thức tính giá trị biên độ dao động Ao.

Trong quá trình thiết kế, việc đạt được giá trị biên độ tính toán chính xác là điều không khả thi Tuy nhiên, với tần số dao động xác định, cần đảm bảo biên độ dao động lớn nhất vượt quá giá trị tính toán theo phương trình (2.9).

Chúng ta có thể xác định biên độ dao động tối thiểu ở các tần số khác nhau, tương ứng với các vận tốc dao động cực đại khác nhau, kết hợp với mức công suất cần thiết để lựa chọn chế độ dao động thích hợp Về cơ bản, vận tốc dao động càng lớn thì khả năng loại bỏ các đỉnh nhấp nhô càng cao.

Để lựa chọn tần số và biên độ dao động, trước tiên cần xác định chế độ cắt Thông tin về vật liệu thực nghiệm và chế độ cắt được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2 1 Vật liệu thực nghiệm và thông số cắt

Vật liệu gia công Nhôm

Vận tốc cắt Vc – (m/ph) 100

Lượng chạy dao S – (mm/vg) 0.05

Tốc độ trục chính n (vg/ph) 1000

2.5.2! Cơ sở tính công suất nguồn siêu âm

Các nguồn siêu âm có công suất đa dạng tùy thuộc vào ứng dụng, với những ứng dụng trong ngành kỹ thuật cơ khí như gia công và hàn siêu âm thường yêu cầu công suất trên 500 W Tuy nhiên, trong trường hợp cần làm phẳng các đỉnh nhấp nhô chỉ vài micromet, công suất nguồn sẽ không cần quá cao Để xác định công suất bóc tách vật liệu, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp tính công suất thông qua năng lượng cắt riêng sẽ được áp dụng.

Năng lượng cắt riêng là năng lượng cần thiết để tách một thể tích vật liệu trong một đơn vị thời gian, được tính theo phương trình (2.10) [12].

Năng lượng cắt riêng của vật liệu được ký hiệu là U (J/mm³), trong khi công suất cắt cần thiết được biểu thị bằng Pc (W) Lượng vật liệu bóc tách, hay MRR (mm³/s), phụ thuộc vào chế độ cắt và có thể được xác định thông qua phương trình (2.11).

MRR (mm 3 /s) = Vw× � × � (2.11) Với: Vw (��/�) là vận tốc trên phương bóc tách vật liệu; t (mm) là chiều sâu lớp cắt và b (mm) là bề rộng lớp cắt

Từ phương trình (2.10) và (2.11) ta có thể xác định công suất cần thiết để bóc tách vật liệu như ở phương trình (2.12)

Bảng 2 2 Năng lượng cắt riêng của vật liệu với chiều sâu t = 0,25 mm

Giá trị trong Bảng 2.2 được xác định dựa trên hai giả định: dụng cụ cắt cực kỳ sắc và chiều dài phoi trước khi cắt là 0.25 mm Để áp dụng cho các điều kiện cắt và chiều sâu cắt khác nhau, cần nhân thêm các hệ số ảnh hưởng Trong quá trình gia công tinh, hệ số ảnh hưởng cần được nhân với giá trị 1.1 Đối với các độ dày khác nhau, hệ số ảnh hưởng được tra cứu theo biểu đồ trong hình 2.5.

Hình 2 5 Biểu đồ hệ số ảnh hưởng chiều cắt đến năng lượng cắt riêng phần

Dựa vào cơ sở trên ta sẽ là lượt xác định các thông số tính công suất cho bộ nguồn siêu âm như ở bảng 2.3

Bảng 2 3 Giá trị các thông số tính công suất nguồn siêu âm

Năng lượng cắt riêng U (J/mm 3 ) 0,7

Chiều sâu cắt to (x10 –6 ) 0,6 Chiều rộng lớp cắt b (mm) 1

Hệ số ảnh hưởng chế độ cắt 1,1

Hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt 1,6

Trong đề tài này ta sử dụng vật liệu gia công là nhôm với năng lượng cắt riêng

U = 0,7 (J/mm 3 ), thực hiện ở chế độ gia công tinh nên hệ số ảnh hưởng chế độ gia công lấy 1,1

Trong quá trình dao động, mũi dao sẽ di chuyển qua các đỉnh sóng để loại bỏ những đỉnh sóng còn lại Do đó, vận tốc cắt tương ứng với vận tốc trên phương dao động Chúng ta sẽ sử dụng vận tốc dao động cực đại Vw = Vcmax để tính toán công suất.

Giá trị chiều dày phoi t0 (mm) trước khi cắt, hay chiều sâu lớp cắt, đại diện cho chiều cao các đỉnh nhấp nhô còn lại Trong các phương pháp gia công như tiện và phay, chất lượng bề mặt tối ưu đạt được trong khoảng từ 0,5 đến 6 mm, do đó ta chọn t0 = 6 Từ giá trị này, tra biểu đồ trong hình 2.5 cho thấy hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt là 1.6 Trong quá trình gia công tinh, các loại dao sử dụng có bán kính mũi dao r (mm) rất nhỏ, không lớn hơn 0.8 mm, để có thể tiếp cận và làm phẳng các đỉnh nhấp nhô Chúng ta chọn bề rộng lớp cắt bằng bán kính mũi dao với giá trị b = r = 1 mm.

Từ các thông số (bảng 2.3) và phương trình (2.12) ta có thể xác định phương trình tính công suất cần thiết cho bộ nguồn siêu âm như sau:

2.5.3! Tính toán công suất, tần số và biên độ dao động

Việc xác định tần số, biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có mối liên hệ chặt chẽ, do đó cần thực hiện đồng thời để chọn lựa thông số tối ưu cho hệ siêu âm Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tiến hành xác định công suất và biên độ dao động cho hai tần số phổ biến là 20 kHz và 40 kHz, với các mức vận tốc dao động Vtmax (�/�ℎút) khác nhau.

Mục tiêu là tìm ra được chế độ dao động cân bằng với công suất và đạt Vtmax cao nhất

Từ phương trình (2.9) và (2.12) ta lập được số liệu như ở bảng 2.4

Bảng 2 4 Giá trị biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có tần số 20 kHz và

40 kHz ở các giá trị vận tốc dao động vtmax khác nhau

Vận tốc dao động vtmax (m/ph)

Biên độ dao động nhỏ nhất A (μm)

Theo Bảng 2.4, công suất cần thiết cho nguồn siêu âm không lớn, vì vậy có thể lựa chọn các nguồn có công suất dưới 100 W để phù hợp với nhu cầu và bài toán kinh tế.

Các nguồn siêu âm công suất thấp có khả năng đạt tần số cao dễ dàng, nhưng việc chế tạo dụng cụ dao động với biên độ lớn lại gặp nhiều khó khăn Đặc biệt, ở cùng một vận tốc dao động, tần số 40 kHz cần biên độ dao động thấp hơn một nửa so với tần số 20 kHz.

Do đó ở công suất thấp dưới 100 W ta ưu tiên chọn tần số dao động 40 kHz

KẾT CẤU ĐẦU RUNG

Mô hình đầu rung đề xuất

Đầu rung siêu âm là thành phần quan trọng giúp đạt được biên độ dao động khuếch đại tối ưu, đảm bảo trở kháng thấp và bảo vệ đầu dò siêu âm Thiết kế của đầu rung cần tối ưu hóa biên độ dao động trong khi vẫn duy trì mức ứng suất an toàn Thông thường, đầu rung được làm từ nhôm hoặc titanium do tính nhẹ, độ bền cao và khả năng kháng tốt Để tăng cường biên độ dao động, các đầu rung siêu âm thường có nhiều hình dạng kết hợp, như mô hình được thiết kế bởi Nguyễn Cao Sang và cộng sự.

Đầu rung siêu âm được thiết kế với ba biên dạng hình học phổ biến: dạng trụ bậc với độ khuếch đại biên độ lớn nhất, dễ chế tạo nhưng có ứng suất tập trung cao; biên dạng hàm mũ với độ khuếch đại biên độ thấp, phù hợp cho việc tiếp xúc với các bề mặt nhỏ hẹp; và phần ren lắp với nút kẹp (hex nut) có thiết kế dạng côn tương tự Lưỡi cắt và đầu rung siêu âm thường được thiết kế theo số nguyên lần bước sóng để tối ưu hóa hiệu suất.

Để thiết bị gia công siêu âm (UVA) hoạt động hiệu quả, tần số đầu rung cần đạt 40 kHz và biên độ dao động tối thiểu là 8 âm Các đầu rung có bước sóng nửa có ưu điểm trong việc kết hợp dễ dàng với các bộ phận khác, như đầu chuyển đổi siêu âm, mà không làm thay đổi kích thước hình học Hơn nữa, từng bộ phận trong dụng cụ gia công siêu âm có thể được chế tạo riêng lẻ và sau đó kết hợp thành một hệ thống thống nhất.

3.1.2! Ảnh hưởng của vật liệu đến cộng hưởng cơ học

Hiện nay, nhiều vật liệu như molypden, titanium, Niken, nhôm và thép không gỉ đang được thử nghiệm để chế tạo đầu rung siêu âm Những vật liệu này cần có độ bền mỏi cao, trở kháng âm thấp và dễ gia công Trong thí nghiệm này, nhôm 6061 được chọn làm vật liệu chính vì tính nhẹ, mềm dẻo, giới hạn đàn hồi cao và dễ gia công, giúp nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nghiên cứu khoa học Bảng 3.1 liệt kê các vật liệu đề xuất.

Bảng 3 1 Bảng vật liệu cho đầu rung

Tungsten alloy Dao cắt 8.674,6 240 0,29 Đồng thau Nút kẹp 8267 102 0,345

Thép không gỉ Bulong kẹp, tấm kẹp sau, tấm kẹp trước 7750 193 0,31

PZT-4 Khối áp điện 7600 85 0,31 Đồng Điện cực 8.942,5 130 0,34

3.1.3! Các phương pháp nghiên cứu và kết quả

Phương pháp này áp dụng các phương trình toán học để đại diện cho các biên dạng hình học của đầu rung, nhằm tính toán chiều dài cộng hưởng của chúng Các phương trình này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây [9].

Trong đó � là chiều dài bước sóng; � là tần số làm việc; c là tốc độ truyền sóng;

D1 và D2 là chiều dài bán kính biên dạng hàm mũ b Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA), được giới thiệu bởi Turner và các cộng sự vào năm 1956, là một kỹ thuật số dùng để tìm lời giải gần đúng cho các bài toán kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp Phương pháp này có khả năng xử lý các mô hình với hình dáng, vật liệu, điều kiện biên và tải trọng đa dạng Nguyên tắc cơ bản của FEA là chia nhỏ hình dạng phức tạp của đối tượng thành một số lượng hữu hạn các phần tử nhỏ, sau đó phân tích từng phần tử để tổng hợp kết quả và đưa ra lời giải cho bài toán.

Phần mềm ANSYS là công cụ quan trọng trong việc phân tích mô hình kết cấu cơ học Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích cơ cấu đầu rung siêu âm trong môi trường ANSYS Mục tiêu chính là xác định tần số rung động cộng hưởng và biên độ rung tối đa tại dưỡi dao của thiết bị rung siêu âm Hai modul chính được áp dụng là phân tích đáp ứng điều hòa (Harmonic response analysis) và phân tích mô hình (modal analysis) để khảo sát đặc tính động học và dải tần số dao động riêng của kết cấu.

Mô hình harmonic response thì được dùng để xác định giá trị biên độ dao động ứng xử ứng với mỗi tần số dao động khảo sát

Các bước của việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được mô tả ở hình 3.2 dưới đây

Hình 3 2 Lưu đồ mô phỏng ANSYS c Kết quả nghiên cứu

Dựa vào 2 phương pháp phân tích và phần tử hữu hạn, kích thước tối ưu của

Từ kết quả mô phỏng này, ta cũng chọn được kính thước tối ưu của mô hình đầu rung như hình 3.4

Hình 3 3 Kết quả mô phỏng tối ưu

Theo kết quả mô phỏng bằng ANSYS, biên độ dao động chạm đỉnh đạt 1.45 mm tại tần số cộng hưởng 40 kHz Biên độ này đạt giá trị cực đại tại lưỡi cắt, trong khi mode dao động của toàn bộ kết cấu đầu rung siêu âm có dạng dọc trục và ổn định.

Hình 3 4 Kích thước tối ưu của mô hình đầu rung siêu âm

Hình 3 5 Hình ảnh đầu dụng cụ sau khi đã chế tạo thành công

Hình 3 6 Hình ảnh đầu dụng cụ gia công khi lắp hoàn chỉnh vào đồ gá dao (BT40)

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Giới thiệu

Khi gia công tinh các hốc, rãnh hoặc lỗ có đường kính nhỏ dưới 3mm, tốc độ vòng quay trục chính sẽ tăng cao, đặc biệt khi yêu cầu độ nhám bề mặt Ra dưới 1,6 Ví dụ, trong quá trình gia công tinh nhụm, tốc độ vòng quay có thể đạt trên 15.000 vòng/phút, như được nêu trong Bảng 4.1.

Trong chương này, vật liệu nhôm được chọn làm mẫu khảo sát để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong quá trình gia công tinh cạnh biên với dụng cụ cắt hỗ trợ rung động siêu âm Phương pháp thực nghiệm được sử dụng là phương pháp Taguchi, dựa trên tỷ số tín hiệu/nhiễu (Signal to Noise Ratio) được chuyển đổi từ hàm số mất mát L Đáp ứng được chọn trong nghiên cứu là độ nhám bề mặt Ra (um) sau khi gia công tinh, với mục tiêu đạt giá trị Ra càng nhỏ càng tốt Phương pháp Taguchi cho phép tối thiểu hóa số lượng thí nghiệm cần thiết để phân tích ảnh hưởng của các thông số lên đáp ứng này.

Tốc độ cắt V m/phút 150 200 150 200 Đường kính dụng cụ cắt d mm 3 3 10 10 Tốc độ trục chính n vòng/phút 15.924 21.231 4.777 6.369

Thông số công nghệ Ký hiệu Đơn vị

Quy hoạch thực nghiệm

-! Biến đáp ứng đầu ra (Response) là độ nhám bề mặt sau gia công Ra(um)

-! Hàm mục tiêu (Objective Function) là độ nhám sau gia công Y = Ra càng bé càng tốt và khụng quỏ 1,6 àm

4.2.2.!Xác định các nhân tố thí nghiệm (Factors)

-! Nhân tố tần số f(kHz)

-! Nhân tố điện áp cấp cho piezo U(V)

-! Nhân tố tốc độ vòng quay trục chính n(vòng/phút)

-! Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút)

Các nhân tố gây nhiễu trong quá trình gia công bao gồm chất lượng vật liệu, yếu tố gá đặt, độ đồng trục của đầu dụng cụ so với trục chính, và độ chính xác vị trí của máy Ngoài ra, khả năng liên kết điện giữa nguồn bên ngoài với dụng cụ thông qua vành góp điện cũng ảnh hưởng đến chất lượng gia công, cùng với chất lượng đầu dụng cụ sử dụng.

4.2.3.!Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng

Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng đến mục tiêu thí nghiệm là rất quan trọng Cần phân tích các mối quan hệ giữa các nhân tố, cụ thể là bậc tự do (Degree of Freedom) Đồng thời, việc phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level) cũng cần được thực hiện để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thí nghiệm.

Miền giá trị của tần số f (kHz) được phân chia thành ba mức: 38, 40 và 42 kHz, dựa trên các tính toán liên quan đến dụng cụ cắt siêu âm.

Điện áp cấp cho piezo được chia thành hai mức là 200 V và 250 V, tương ứng với mức điện áp khuyến cáo từ nhà sản xuất đầu rung tiêu chuẩn, nhằm phục vụ cho thiết kế dụng cụ cắt của nhóm.

Tốc độ vòng quay trục chính n (vòng/phút) dao động từ 120 đến 360 vòng/phút, được phân chia thành 3 nhóm tốc độ với mỗi nhóm có 3 mức cách nhau 30 vòng/phút Mục tiêu chính là giảm tối đa tốc độ trục chính trong khi vẫn đảm bảo đạt được hiệu quả bề mặt mong đợi, với giá trị Ra không vượt quá 1.6 µm.

-! Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút) được giữ cố định 30 mm/phút (theo khuyến cáo của quá trình mài khôn)

Phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level) được mô tả trong bảng 4.2

Bảng 4 2 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm

4.2.4.!Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm

Việc tạo ra ma trận quy hoạch thực nghiệm sẽ được thực hiện thông qua công cụ hỗ trợ Minitab Chúng ta sẽ lựa chọn 3 ma trận quy hoạch L18 cho 3 mẫu thí nghiệm khác nhau.

Bảng 4 3 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm

STT Nhân tố Tự nhiên Mã hóa Dưới Cơ sở Trên Khoảng thay đổi

1 Tần số đầu rung (kHz) f X1 38 40 42 4

2 Nhân tố điện áp cấp cho piezo (V) V X2 200 - 250 50

3 Tốc độ vòng quay trục chính (vòng/phút) n X3 120 150 180 60

Ký hiệu Mức giá trị (Levels)

Thiết bị và vật tư thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm sử dụng nhôm định hình 20x20 từ vật liệu nhôm A6063-T5 được cắt thành các đoạn dài 200 mm, mỗi đoạn là một phần của nhóm quy hoạch Trong từng mẫu, chiều dài gia công tối đa được giới hạn trong 10 mm và được đánh số thứ tự theo mô tả trong Hình 4.1.

Hình 4 1 Mẫu thí nghiệm cho một nhóm quy hoạch

Đầu rung được thiết kế và chế tạo theo mô tả trong Chương 3 Để đảm bảo sự đồng trục giữa đồ gá dụng cụ, tâm dụng cụ và tâm trục chính, quá trình gia công đồng trục mặt trụ ngoài được thực hiện trực tiếp trên máy thí nghiệm, như minh họa trong Hình 4.2.

Hình 4 2 (a) Định vị và đồng trục đồ gá dụng cụ trên máy phay CNC (b) Dụng cụ gia công hoàn chỉnh

Để tối ưu hóa thời gian thí nghiệm và phù hợp với ứng dụng thực tế của dụng cụ siêu âm, máy phay CNC sẽ được sử dụng cho quá trình thí nghiệm Máy CNC sẽ tự động điều chỉnh các thông số công nghệ liên quan đến chế độ cắt, bao gồm tốc độ vòng quay trục chính S (vòng/phút), tốc độ tiến dao F (mm/phút) và xác định vị trí gia công.

Máy phay CNC Bridgeport VMC 500 – 16 được lựa chọn và quản lý bởi Phòng thí nghiệm CAD/CAM-CNC, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM, nơi cung cấp hỗ trợ cho việc vận hành máy.

4.3.4.!Thiết bị tạo nguồn điện cho phần tử piezoelectric dao động

- Điện áp ra: 2 mức Thấp VL= 200V và Cao VH = 250V

- Tần số ra: biến đổi được từ 100 Hz đến 45kHz

- Công suất ra tối đa: 100W

Hình 4 3 Hộp phát nguồn biến tần 0,1 kHz – 45kHz hai mức 200V, 250V

4.3.5.!Máy đo độ nhám bề mặt

Tiến hành thí nghiệm và kết quả đo

Hình 4 4 Kết quả mẫu 1 sau gia công

Bảng 4 4 Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu thí nghiệm của mẫu 1

Mẫu 1 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42

Hình 4 7 Biểu đồ nhám bề mặt mẫu 1 qua 18 lần thí nghiệm với các chế độ công nghệ theo quy hoạch như ở bảng 4.3

Kết quả và phân tích kết quả

4.5.1! Kết quả phân tích Taguchi

Phân tích mô hình tuyến tính: So sánh tương quan tỉ số S/N với các nhân tố f,

Bảng 4 7 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho tỉ số S/N

Bảng 4 8 Tổng kết mô hình

Bảng 4 9 Phân tích phương sai (ANOVA) cho tỉ số S/N

Phân tích mô hình tuyến tính: So sánh tương quan giá trị trung bình với các nhân tố f, V, n

Bảng 4 10 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho giá trị trung bình

Bảng 4 11 Tổng kết mô hình

Bảng 4 12 Phân tích phương sai (ANOVA) cho giá trị trung bình

Bảng 4 13 Các điểm quan sát có ảnh hưởng đến giá trị trung bình

Bảng 4 14 Bảng đáp ứng cho tỉ số S/N

Bảng 4 15 Bảng đáp ứng cho giá trị trung bình

Hình 4 10 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến tỉ số S/N

Hình 4 11 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho tỉ số S/N

Hình 4 12 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến giá trung bình

Hình 4 13 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho giá trị trung bình

4.5.2! Kết quả hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng

Hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng (Response Surface Regression)

Bảng 4 20 Các hệ số phương trình hồi qui dạng mã hóa mẫu 1

Bảng 4 21 Tổng kết mô hình mẫu 1

Bảng 4 22 Phân tích phương sai (ANOVA) mẫu 1

Phương trình hồi qui cho mẫu 1

Hình 4 18 Biều đồ Pareto của các ảnh hưởng được chuẩn hóa của mẫu 1

Hình 4 19 Đồ thị biểu diễn các sai lệch của Ra của mẫu 1

Phương trình hồi qui mẫu 2

Phương trình hồi qui mẫu 3

4.5.3! Tìm thông số công nghệ tối ưu

Bảng 4 29 Các thông số tối ưu mẫu 1

Bảng 4 30 Phương án tối ưu mẫu 1

Bảng 4 31 Ước lượng đáp ứng mẫu 1

Hình 4 24 Đồ thị biều diễn kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ cho mẫu 1

Tiêu đề	Xét Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Bề Mặt Quá Trình Gia Công Tinh Cạnh Biên Với Ứng Dụng Siêu Âm
Tác giả	Phạm Văn Tuân
Người hướng dẫn	TS. Trần Hải Nam, TS. Trương Quốc Thanh
Trường học	Đại học Bách Khoa
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	2,93 MB