CH NG 2ƯƠ CÁC PH NG PHÁP GIA CÔNG CƯƠ Ơ 2 1 GIA CÔNG SIÊU ÂM (Ultrasonic Machining USM) 2 1 1 C s lý thuy t và nguyên lý gia công ơ ở ế a M t s khái ni m c b n ộ ố ệ ơ ả Ngu n âm là m t v t đàn h i, n[.]
CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CƠ 2.1 GIA CÔNG SIÊU ÂM (Ultrasonic Machining - USM) 2.1.1 Cơ sở lý thuyết nguyên lý gia công a Một số khái niệm Nguồn âm vật đàn hồi, nói xác mơi trường đàn hồi tạo truyền dao động vào mơi trường tiếp xúc với Âm lượng cơng suất âm tính đơn vị diện tích bề mặt (erg/s.cm2 = 10-7 W/cm2) Ap suất âm áp suất âm sinh môi trường dao động âm (dyn/cm2 = bar) Cường độ âm thông số vật lý âm lượng áp suất xác định (phơn) Âm nghe có tần số từ 20 Hz đến 15 KHz Âm có tần số 20 Hz gọi âm hồng ngoại Âm có tần số 16KHz gọi siêu âm Âm có cường độ 130 phôn gọi siêu cao âm Hình 2.1 mơ tả vùng âm khác : Trục tung ghi âm lượng Trục hoành ghi tần số Công suất 104 Âm tuyệt hảo 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 -14 10 102 Tạp âm 104 10 108 1010 Tần số Hình 2.1 Các vùng âm Nguồn phát dao động vùng siêu âm khảo sát với tính cách nguồn âm Cơ chế kích thích dao động không ảnh hưởng đến xác suất xuất dao động, xác suất phụ thuộc vào lượng nguồn âm tính đàn hồi mơi trường dao động Vì nguồn âm dùng để kích thích siêu âm, âm lượng 2-1 1 giảm đến mức thích hợp Ngày nguồn phát âm học, thay phải tạo tần số cao, người ta địi hỏi phải cho âm lượng lớn, vùng siêu cao âm việc gia công vật liệu tiến hành điều kiện thuận lợi Các yêu cầu nguồn âm: Có khả hịa âm Âm lượng biến đổi Ổn định Khả phát sóng tốt Có tần số thích hợp Cơng suất lớn Trong kỹ thuật siêu âm, thông thường tác dụng vật lý dịng điện dùng để kích thích dao động Qui trình thuận biến dao động điện thành dao động cơ, cịn qui trình nghịch biến dao động thành dao động điện Như thiết bị chuyển đổi sử dụng nguồn âm, mà cịn sử dụng thu âm Cơng việc quan trọng phải lựa chọn xác nguyên lý phương tiện để làm phát âm có hiệu suất cao, cơng suất lớn, có giải tần số phát âm rộng Chỉ có chuyển đổi dao động thỏa mãn yêu cầu Các thiết bị gia công sử dụng công nghệ chế tạo máy chủ yếu hoạt động với máy phát dùng từ giảo làm nguồn phát dao động, dùng điện giảo Do đề cập đến loại từ giảo b Hiện tượng từ giảo a lo ∆h lmax Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý Khi đặt ống vật liệu từ từ trường song song với trục dọc nó, chiều dài bị biến đổi Sự biến đổi xác định công thức sau: r = ( , r) ; = ( , r) (2.1) Trong đó: r : Ứng suất đàn hồi từ trường gây ra, r : Biến đổi hình dáng từ trường, 2-2 H : Cường độ từ trường Đạo hàm toàn phần hàm r H : Ký hiệu: Hệ số hiệu ứng từ giảo thuận nghịch có quan hệ với sau: =4 (2.2) Từ thẩm chân không: o = 4.10-7 Vo Am-1 = 10-7 Henry / m (2.3) (4 sinh từ hệ số từ thẩm) Vậy trạng thái vật liệu từ với biến đổi hình dạng từ trường diễn đạt phương trình: d r = dB + Ed r (thuận) (2.4) Phương trình (2.4) thể biến đổi từ sang năng: r = B d r = (bị nén) (2.6) r= - B/E= - B d r = (tự do) (2.7) Phương trình (2.6) cho ta quan hệ biến đổi từ sang từ : B= -4 r dH = (2.8) H=4 r=4 r dB = (2.9) Mức độ hiệu ứng từ giảo biểu thị thông số, gọi tỉ lệ từ giãn từ giảo l/lo Trong : l : Độ biến đổi kích thước, l0 : Chiều dài vật liệu sắt từ Phương trình biến dạng đàn hồi viết sau: Độ biến đổi kích thước độc lập với hướng từ trường, phụ thuộc vào cường độ từ trường, nhiệt độ trạng thái từ hóa trước đó, chất lượng vật liệu Độ biến đổi kích thước tương đối r có độ lớn 10-5 - 10-6 ghi phương pháp quang học (hình 2.3) Hình 2.3 cho thấy độ biến đổi kích thước dọc tương đối phụ thuộc vào cường độ từ trường 2-3 ∆ L/L 100 : 70% Co + 50% Fe : 49% Co +49% Fe + 2%V 80 : 50%Ni + 50% Fe 60 : Có đúc 40 20 : Fe 6: Co : Ni - Zn - Ferrit 20 40 500 1000 1500 2000 H Hình 2.3 Biến đổi chiều dài tương đối cường độ từ trườngvới vật liệu có từ tính khác Trên hình vẽ trị số dương giãn dài, trị số âm co rút Hiệu ứng từ giảo gây nên biến đổi kích thước chiều dài, mà cịn gây nên biến đổi thể tích với cường độ từ trường nhỏ, có biến đổi kích thước chiều dài, thơng thường lợi dụng tượng để tạo siêu âm c Sự ăn mòn xâm thực Nếu siêu âm phóng qua chất lỏng, phát sinh áp lực cục Với âm lượng thích hợp tạo nên biến đổi áp lực làm sinh nội ứng suất lớn 2-4 đến mức làm liên kết phân tử chất lỏng làm cho chất lỏng bị phá hủy Hiện tượng biết thấy bọt khí, gọi bọt khí xâm thực Những bọt khí tồn thời gian ngắn Khi chúng bị tan có áp lực cục lớn, gần 1000 atm Người ta ứng dụng tượng để làm chi tiết, để đánh rỉ, xúc tiến nhanh q trình hóa học Hiện tượng xảy trình gia công siêu âm d Tác dụng học Khi phân tích tác dụng siêu âm mơi trường mang siêu âm, người ta liên tưởng đến trình cọ xát học Âm trường kích thích dao động phần tử nhỏ, rắn mơi trường, có trọng lượng riêng khác khác với môi trường Những phần tử nhỏ chuyển động, với khối lượng quán tính riêng cọ xát với phần tử lớn đứng yên cọ xát làm nảy sinh tác dụng cọ xát đặc trưng siêu âm (h 2.4) (a) (b) (a) (b) Hình 2.4 Âm trường chuyển động phần tử nhỏ lơ lững âm trường a Những phần tử nhỏ chuyển động theo âm trường b Những phần tử lớn chuyển động chậm Trên hình 2.4 thấy trạng thái phân tử rắn nhỏ lơ lửng âm trường siêu âm Tất phân tử nhỏ chuyển động âm lượng quy định Vì hình chụp tế vi ta thấy vạch Trên hình 2.2 b thấy lẫn lộn phân tử nhỏ lẫn phân tử lớn Những phần tử nhỏ chuyển động giống trường hợp trước, phần tử lớn khơng theo hồn tồn chuyển động trường Có phân tử có khối lượng lớn khơng chuyển động, điều thể hình chụp tế vi chấm trịn hồn tồn Hiện tượng ln ln có hệ thống hai pha Sự chuyển động tương đối phân tử xảy phân tử lơ lững qn tính lớn 2-5 khơng hồn tồn theo kịp chuyển động mơi trường Trong trường hợp phân tử chuyển động lại quán tính chúng trình chúng gây nên cọ xát Tùy theo tính chất, ma sát hai mơi trường, kích cỡ phân tử nhỏ, đồng kích thước phân tử nhỏ, v.v…, mà có nhóm tượng khác nhau, hệ chúng tạo hóa động, chuyển thể phân tán tác dụng siêu âm ( gọi tán sắc) e Nguyên lý gia công Gia công siêu âm vật thể rắn chủ yếu ứng dụng tán sắc siêu âm Gia công siêu âm vật thể rắn thực chất ứng dụng cọ xát học môi trường hai pha để tạo nên tác dụng gia công Giả thiết môi trường chất lỏng tồn chất rắn có sợi xốp Dưới tác dụng sóng siêu âm có tần số trung bình, phân tử chất lỏng chuyển động theo chuyển động âm trường, cịn phân tử chất sợi đứng yên Sau tác dụng cọ xát chất lỏng, có phân tử nhỏ rơi rụng từ sợi vật thể rắn Người ta tăng cường tác dụng cách rắc thêm vào bột thạch anh mịn pha thứ ba Các bột thạch anh cứng, sắc cạnh, lơ lửng chuyển động theo âm trường, chất lỏng với mức độ chuyển động nhiều hay tương ứng với kích thước chúng Trong trình chuyển động, chúng gọt giũa vật thể rắn Sơ đồ nguyên lý gia công kim loại siêu âm : Bàn máy Chi tiết gia công Dụng cụ Thanh truyền sóng Biến từ Máy phát siêu âm Dung dịch hạt mài Hình 2.5 Sơ đồ ngun lý gia cơng siêu âm Dao động có tần số từ 18 - 25 kHz phát máy phát siêu âm (6) truyền đến biến từ (5) Tại dao động điện biến thành dao động học, có tần số, biên độ dao động khoảng - 10 m Để nhận dao động cần thiết cho việc gia công (30 - 80 m) cần phải có truyền (4) đặt sau biến từ (5) Dụng cụ (3) có hình dạng theo u cầu bề mặt gia công, lắp vào đầu truyền (4) Dung dịch hạt mài (7) đưa vào vùng gia cơng phía đầu dụng cụ Tổng hợp chuyển động dao động đầu dụng cụ tác dụng hạt mài chép lại hình thù dụng cụ (3) vật (2) gá đặt bàn máy (1) Bàn máy có khả chuyển động theo hai phương nằm vng góc với chuyển động theo phương thẳng đứng đầu máy thực Khi chi tiết gia công cố định thực lỗ thơng lỗ khơng thơng, lỗ định hình cong, cắt rãnh, cắt đứt… Nếu cung cấp cho phôi dụng cụ thêm 2-6 chuyển động phụ thực nguyên công phay, mài, tiện, cắt đứt, cắt ren… 2.1.2 Thiết bị dụng cụ Hình 2.6 giới thiệu thiết bị gia công siêu âm 1- Dụng cụ 2- Đầu nối 3- Thanh truyền sóng 4- Đầu từ giảo 5- Vỏ máy Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị gia công siêu âm Bên dụng cụ cịn có bàn máy, mặt đáy bồn chứa dung dịch hạt mài số phụ kiện khác Dụng cụ : Thường dụng cụ có nhiều hình dạng kích thước khác tùy theo yêu cầu Sử dụng nhiều dụng cụ có biên dạng giống biên dạng chi tiết gia công Vật liệu làm dụng cụ thép 45, thép dụng cụ Y8A, Y10A,… Đầu nối : Giao tiếp truyền sóng dụng cụ có phận gọi đầu nối Đầu nối chế tạo đặc biệt cho lắp dụng cụ vào truyền sóng Thanh truyền sóng : phận truyền dao động từ đầu từ giảo cho dụng cụ Một công việc mà người ta quan tâm giải nhiệt lượng sinh trình làm việc đầu từ giảo cách thổi gió lưu chuyển dịng chất lỏng Để đạt âm lượng lớn đầu từ giảo phải ý đến làm mát 2-7 nhiệt lượng sinh lớn Có thể tăng âm lượng cách điều chỉnh biên độ tần số Việc nâng cao tần số bị giới hạn, lúc hợp lý : Tác dụng siêu âm tốt vào khoảng 20 kHz Trường hợp sinh cộng hưởng gia tăng tần số làm giảm công suất Chủ yếu gia tăng âm lượng biên độ Dao động gây nên ứng suất học lớn vật liệu làm đầu từ giảo Vì đầu từ giảo phải có sức bền học lớn, đồng thời phải có tổn hao từ nhỏ Nếu lựa chọn vật liệu thích hợp, cơng nghệ gia công, lắp ráp tốt, làm mát thiết bị tốt, hiệu suất thiết bị đạt 70 Hiệu suất cao đạt thiết bị thiết kế chế tạo sau xem xét cân nhắc mặt Đầu chấu bắt dụng cụ khơng đơn có ren để vặn vào, mà cần đánh bóng bơi trơn lớp mỡ mỏng khắp bề mặt tiếp xúc để truyền hết dao động Trong màng mỡ sinh ứng suất kéo gây tượng xâm thực, bên cạnh đó, phải ép chặt phận nối dài (thanh truyền sóng) chấu bắt dụng cụ có ren nối vào truyền sóng, có đường sinh dạng hình nón mà chóp phía đầu lắp dụng cu Cơng việc có ý nghĩa làm cho âm lượng tăng phía đầu dụng cụ ta khuếch đại dao động từ giảo lên đến 100 lần Điểm đặc biệt biên độ dao động hai đầu thiết bị chênh lệch nguyên nhân sinh ứng suất học lớn Một thiết bị hoàn chỉnh sau thử với dụng cụ khác nhau, có dao động học với tần số cộng hưởng 2.1.3 Các thông số công nghệ Các thông số công nghệ chủ yếu gia công phương pháp siêu âm là: suất, chất lượng bề mặt, độ xác gia cơng, độ mịn dụng cụ Trong thơng số nêu có số thơng số có liên quan với ảnh hưởng lẫn a Năng suất Năng suất gia công siêu âm thể tích vật liệu (phoi) lấy đơn vị thời gian: Vd (mm3/phút) Gọi: e : tốc độ tiến dụng cụ (mm/phút) v : thơng số xác định sở thể tích phơi trung bình Năng suất gia cơng cịn phụ thuộc vào độ sâu gia công mặt cắt ngang dụng cụ Vì ngồi thơng số Vd e để đánh giá xác suất cịn phải nêu rõ suất đạt với độ sâu gia cơng dụng cụ có prơ-phin mặt cắt Trường hợp gia cơng lỗ có đáy khơng sâu, tốc độ tiến dao trung bình (khơng kể đến việc nâng dụng cụ lên) là: Trong đó: l1: Chiều sâu lỗ có đáy (mm) t1: Thời gian gia cơng (phút) Trường hợp gia cơng lỗ sâu có đáy, tốc độ tiến dao trung bình (có kể đến việc nâng dụng cụ lên) là: 2-8 Trong đó: n: số lần nâng dụng cụ t2: thời gian lần nâng dụng cụ (phút) Thể tích vật liệu lấy đơn vị thời gian trường hợp dùng dụng cụ đặc biệt là: Vd = e.Asz (2.14) Trong đó: Asz: Diện tích làm việc dụng cụ (mm2) Trường hợp gia cơng lỗ thơng, với dụng cụ hình xuyến, thơng số suất đặc trưng tốc độ tiến dao e Năng suất trung bình thể tích vật liệu lấy đơn vị thời gian tính diện tích làm việc dụng cụ: Như tốc độ tiến dao với suất trung bình So sánh phoi với độ mòn dụng cụ : Với: Vsz: Độ mòn dụng cụ (mm3/ph) Tỉ lệ mòn dụng cụ phân tích thành: " Tỉ lệ mòn theo chiều dọc, tức tỉ số chiều dài bị mòn st với độ sâu lỗ f: Tỉ lệ mòn theo chiều ngang, tức độ bề mặt bị mịn tác dụng bột mài: Trong đó: dnk : Đường kính ban đầu dụng cụ (mm) dsz : Đường kính dụng cụ bị mòn đo đầu mút (mm) lsz : Chiều dài làm việc dụng cụ (mm) Trường hợp lỗ có đáy, nên dùng thơng số để xác định độ mịn dụng cụ Thơng số quan trọng gia cơng đánh bóng siêu âm độ xác gia cơng xác định độ lỗ gia cơng: Trong đó: Da : Đường kích lỗ, đo đầu đưa dụng cụ vào (mm) Db : Chiều sâu gia công (mm) Ở mặt đầu lỗ có tính đến cạnh lượn trịn mặt cuối lỗ có đáy lõm, trường hợp hợp kim cứng có có vành nón Các yếu tố ảnh hưởng đến suất gia công: Năng suất gia công chịu ảnh hưởng yếu tố sau: " Biên độ tần số dao động " Tính chất lý vật liệu cần gia công " Phụ tải tĩnh dụng cụ vật liệu cần gia công " Loại bột mài nồng độ nhũ tương bột mài " Cách cho nhũ tương vào bột mài " Tiết diện dụng cụ " Vật liệu làm dụng cụ độ mịn " Độ sâu lỗ Anh hưởng biên độ dao động Hình 2.9 Biến thiên suất trung bình với tốc độ chuyển động gia cơng thủy tinh 2-9 Năng suất khơng tăng cách thay đổi biên độ dao động, mà cách tăng tần số dao động cách giới hạn định Khi phân tích mối quan hệ tần số suất gia công cần phải ý đến quan hệ biên độ (A) kích thước trung bình hạt mài (ba) e, mm/ 2 1 4 2A/ ba Hình 2.10 Biến thiên suất trung bình e với tỉ số 2A / ba 1&2 : vật liệu thủy tinh; : vật liệu gốm; : vật liệu hợp kim cứng Các số liệu thu phụ tải tĩnh dụng cụ vật gia công tối ưu Đường ứng với vật liệu gia công thủy tinh, đường với vật liệu gia công thủy tinh dụng cụ cắt có tiết diện vng 80 mm2, đường tương ứng với dụng cụ ống gốm cứng có đường kính mm, đường với dụng cụ ống hợp kim BK8 6x8 mm Có thể thấy trị số tối ưu 2A/ ba khoảng 0,6 - 0,8 Anh hưởng tính chất lý vật liệu cần gia cơng Vật liệu rắn gia cơng siêu âm dễ (điều với chủng loại vật liệu giống nhau) Trong trường hợp gia cơng germanium suất 22,5 lần lớn so với gia cơng thủy tinh Khơng tính chất lý vật liệu mà độ bền cơ, độ cứng tế vi hạt mài vật liệu gia công, cấu trúc vật liệu, tính chất đàn hồi ảnh hưởng đến suất, thơng số khơng đặc trưng đầy đủ khả gia công vật liệu Anh hưởng phụ tải tĩnh dụng cụ vật cần gia công Phụ tải ảnh hưởng đến cường độ xung lực va đậptruyền từ hạt mài bề mặt gia cơng, mà cịn ảnh hưởng đến nồng độ nhũ tương bột mài mặt đầu dụng cụ ảnh hưởng đến trạng thái hạt mài Các thực nghiệm chứng minh hiệu suất gia công giảm phụ tải tĩnh nhỏ (h 2.11) Anh hưởng loại bột mài nồng độ nhũ tương 2-10 1 ... tần số cộng hưởng 2.1.3 Các thông số công nghệ Các thông số công nghệ chủ yếu gia công phương pháp siêu âm là: suất, chất lượng bề mặt, độ xác gia cơng, độ mịn dụng cụ Trong thơng số nêu có số... cụ Thơng số quan trọng gia cơng đánh bóng siêu âm độ xác gia cơng xác định độ lỗ gia cơng: Trong đó: Da : Đường kích lỗ, đo đầu đưa dụng cụ vào (mm) Db : Chiều sâu gia công (mm) Ở mặt đầu lỗ... nón Các yếu tố ảnh hưởng đến suất gia công: Năng suất gia công chịu ảnh hưởng yếu tố sau: " Biên độ tần số dao động " Tính chất lý vật liệu cần gia công " Phụ tải tĩnh dụng cụ vật liệu cần gia công