LUẬN văn THẠC sĩ HAY thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẦU RUNG SIÊU ÂM NGÔ QUỐC HUY HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ KÝ THANH PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ NĂM 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai giáo viên hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Văn Dự TS Hồ Ký Thanh Trong suốt quãng thời gian thực đề tài, Thầy tận tình hướng dẫn, truyền cảm hứng giúp đỡ triển khai ý tưởng thiết kế Bằng tất nhiệt huyết truyền đạt từ Thầy, em học hỏi rút nhiều kinh nghiệm phát triển kiến thức, kỹ hoạt động nghiên cứu khoa học Em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giao Khoa Cơ khí – Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, nơi em làm việc Thầy cô tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài luận văn Em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đền Nghiên cứu sinh, ThS Chu Ngọc Hùng, người giúp đỡ em trình triển khai ý tưởng thực nghiệm kiểm chứng Trung tâm sáng tạo sản phẩm Trường Em xin chân thành cảm ơn muốn gửi lời chúc tốt đẹp đến Thầy cô Ngơ Quốc Huy Bộ mơn Thiết kế khí - Khoa Cơ khí LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TĨM TẮT LUẬN VĂN Gia cơng cắt gọt có trợ giúp rung động khẳng định có nhiều ưu điểm trội so với gia cơng truyền thống Một vấn đề tồn khai thác rung động trợ giúp gia cơng tiện lỗ khó bố trí đầu rung – thường có kích thước lớn nhiều so với kích thước gia cơng Báo cáo trình bày số kết nghiên cứu triển khai thiết kế, chế tạo đánh giá thực nghiệm đầu rung siêu âm có gắn dụng cụ cắt hỗ trợ trình tiện cứng lỗ Một đầu rung siêu âm mang dao tiện lỗ có kết cấu thuận tiện cho việc gá kẹp đài dao máy tiện thiết kế, chế tạo thử nghiệm Đầu rung phân tích, hiệu chỉnh tần số cộng hưởng, trở kháng biên độ rung động vị trí đầu dụng cụ nhờ phương pháp Phần tử hữu hạn Đầu rung chế tạo sử dụng để gia công thử nghiệm tiện tinh 20 lỗ đường kính 12 mm vật liệu thép làm khn Cr12Mo, có độ cứng 60 - 62 HRC Kết cho thấy, rung động trợ giúp gia công làm lực cắt giảm từ 20% đến 30% cải thiện cấp nhám so với tiện truyền thống (khơng có rung động trợ giúp) Các kết thu đóng vai trò sở quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh dụng cụ cho gia cơng tiện lỗ có rung động trợ giúp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CÁC CHỮ VIẾT TẮT CT Conventional turning Tiện truyền thống DAQ Data acquisitions Bộ thu thập liệu FEM Finite element modeling Mơ hình phần tử hữu hạn PZT Piezoelectric transducer Bộ chuyển đổi áp điện UAT Ultrasonic assisted turning Tiện có rung động siêu âm trợ giúp UAD Ultrasonic assisted Drilling Khoan có rung động siêu âm trợ giúp UVT Ultrasonic vibratory tool Dụng cụ giúp rung siêu âm trợ giúp UAM Ultrasonic assisted machining Gia công rung siêu âm 1D One-dimensional Một phương 2D Two-dimensional Hai phương DOE Design of experiment Thiết kế thí nghiệm TWCR Tool work-piece contact ratio Tỉ số tiếp xúc dụng cụ phôi EVA Elliptic vibration-assisted cutting Cắt có rung siêu âm dạng Elip CDVA Cutting directional vibration-assisted Cắt rung theo phương chạy dao NDVA Normal-directional vibration-assisted Cắt rung theo phương tiếp tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC S A ac c D t E Fx Fy Fz f h i K L M n Ra r s sin  max V  u v λ xn µ ω Area of cross section Amplitude Acceleration Velocity of sound Diameter of Horn Depth of cut Young’s modulus Cutting force in X-axis direction Cutting force in Y-axis direction Cutting force in Z-axis direction Frequency Height Complex number Stress concentration Length Mass Spindle speed Surface roughness Radius Feed Sine Stress Maximum stress Cutting velocity Density Displacement Vibration velocity Wave length Nodal point position Poison’s ratio Angular velocity Diện tích mặt cắt Biên độ Gia tốc Vận tốc truyền âm Đường kính đầu khuếch đại Chiều sâu cắt Mơ đun đàn hồi Lực cắt theo phương trục X Lực cắt theo phương trục Y Lực cắt theo phương trục Z Tần số Chiều cao Số phức Hệ số tập trung ứng suất Chiều dài Khối lượng Tốc độ cắt trục Độ nhám bề mặt Bán kính Lượng chạy dao Hàm sin Ứng suất Ứng suất lớn Vận tốc cắt Khối lượng riêng Chuyển vị Vận tốc rung động Chiều dài bước sóng Tọa độ điểm nút Hệ số poat-xơng Vận tốc góc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Chương Giới thiệu 13 1.1 Vấn đề nghiên cứu 13 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 14 1.3 Cách tiếp cận .15 1.4 Các kết đạt 15 1.5 Cấu trúc luận văn 16 Chương Tổng quan rung động siêu âm trợ giúp gia công 17 2.1 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm .17 2.1.1 Rung động siêu âm .17 2.1.2 Siêu âm công suất .18 2.1.3 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm 18 2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 21 2.3 Một số ứng dụng siêu âm kỹ thuật 25 2.3.1 Làm sạch, tẩy rửa siêu âm 25 2.3.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding) 26 2.3.4 Chế biến, bảo quản thực phẩm siêu âm .27 2.3.5 Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dị sóng siêu âm 28 2.3.6 Siêu âm y học 29 2.4 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 30 2.4.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp 32 2.4.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp 33 2.4.3 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp 34 2.5 Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công .43 2.5.1 Nguồn phát công suất siêu âm .43 2.5.2 Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor) .44 2.5.2.1 Chức 44 2.5.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 45 2.5.2.3 Cơ sở thiết kế chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin 46 2.5.3 Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster Horn) 51 2.5.3.1 Chức năng, cấu tạo .51 2.5.3.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn đầu khuếch đại biên độ rung 53 a Dạng trụ có tiết diện không đổi 54 b Dạng trụ bậc ( Double cylinder / Stepped Horn) .55 c Dạng hình (Conically Tapered Horns) 60 2.6 Kết luận chương 62 Chương Tính tốn thiết kế kết cấu đầu rung 63 3.1 Giới thiệu 63 3.2 Nguyên lý cấu tạo tạo rung trợ giúp tiện lỗ 64 3.3 Lựa chọn phát rung siêu âm thương mại .65 3.4 Thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung dạng trụ bậc 66 3.5 Thiết kế kết cấu đồ gá mang cấu rung cho tiện lỗ 71 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 71 3.5.2 Kết cấu đồ gá 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.6 Mơ hình phân tích phần tử hữu hạn cho cấu rung siêu âm (Finite Element Modeling of Ultrasonic Vibratory Tool) 73 3.6.1 Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) .73 3.6.2 Mơ hình phân tích tần số dao động riêng ( Modal Analysis) .74 3.6.3 Mơ hình phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic response analysis) 77 3.7 Kết luận chương 81 Chương Thực nghiệm xác định tần số, biên độ rung 82 4.1 Giới thiệu 82 4.2 Xác định tần số cộng hưởng .82 4.2.1 Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng 84 a Phương pháp mạch cầu (Bridge methods) .84 b Sử dụng mạch đo độ lệch pha điện áp với dòng điện (I-V Methods) 84 c Phương pháp cầu tự cân (Auto-balancing bridge method) 85 d Sử dụng thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer 85 4.2.2 Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cụm đầu rung 86 4.3 Đánh giá biên độ rung động 88 4.3.1 Các phương pháp đo biên độ .88 a Phương pháp đo không tiếp xúc 89 a.1 Phương pháp đo trực tiếp biên độ kính hiển vi 89 a.2 Sử dụng Laser Vibrometer 89 b Phương pháp đo tiếp xúc .90 b.1 Sử dụng cảm biến khoảng cách 90 b.2 Sử dụng gia tốc kế (accelerometer) 91 b.3 Sử dụng đồng hồ so 91 b.4 Sử dụng panme đo 92 4.3.2 Kết đo biên độ rung động 93 Chương Thực nghiệm gia công đánh giá đầu rung 94 5.1 Giới thiệu 94 5.2 Thiết bị thí nghiệm 94 5.1.1 Máy tiện vạn V-Turn 410 94 5.1.2 Mẫu thí nghiệm 94 5.1.3 Dụng cụ cắt 96 5.1.4 Cảm biến đo lực cắt 96 5.1.5 Máy đo nhám bề mặt 97 5.2.1 Kiểm chuẩn xác định quan hệ lực với điện áp .98 5.2.2 Thiết kế thí nghiệm tiện lỗ với phần mềm Minitab 102 5.3 Kết đánh giá trình tiện lỗ .102 5.3.1 Đánh giá độ nhám bề mặt 102 5.3.2 Đánh giá lực cắt .106 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 107 6.1 Kết luận .107 6.2 Đề xuất hướng nghiên cứu 107 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Vận tốc truyền âm số loại vật liệu (Sổ tay CRC) 22 Bảng 2.2 Các dạng mode truyền sóng [2] 24 Bảng 2.3 Trở kháng âm số môi trường 24 Bảng 2.4 Hướng rung, phương trình chuyển động dụng cụ cắt với phương pháp gia công 35 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật nguồn phát điện siêu âm 44 Bảng 2.6 Bảng xác định hệ số tập trung ứng suất theo bán kính chuyển tiếp 57 Bảng 2.7 Bảng tra hệ số tập trung ứng suất theo r, h 58 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật phát rung siêu âm CN2060-4Z 66 Bảng 3.2 Cơ tính Al 7075 .67 Bảng 3.3 Kết tính tốn kích thước đầu khuếch đại cho số vật liệu 68 Bảng 3.4 Tần số rung tự nhiên ứng với mode rung động .76 Bảng 3.5.Tần số rung động tự nhiên đầu khuếch đại số loại vật liệu (Mode rung dọc trục).77 Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật máy tiện .94 Bảng 5.2 Thành phần hóa học mẫu thí nghiệm 95 Bảng 5.3 Thông số chế độ cắt khuyến nghị nhà sản xuất .96 Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA 97 Bảng 5.5 Thông số ký thuật máy đo nhám SJ-210 98 Bảng 5.6 Quan hệ điện áp với giá trị lực cắt 100 Bảng 5.7 Trình tự thực thí nghiệm thiết kế (DOE) .102 Bảng 5.8 Kết thí nghiệm đo nhám mẫu tiện lỗ có rung hỗ trợ so với tiện truyền thống 103 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Các ngưỡng tần số rung động 17 Hình 2.2 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 19 Hình 2.3 Ảnh hưởng từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính tạo dao động học [13] 19 Hình 2.4 Hiệu ứng áp điện 20 Hình 2.5 Bộ tạo rung dùng piezo nhiều lớp (a) tạo rung kết cấu Sandwich (b 20 Hình 2.6 Mơ hình liên kết ngun tử .21 Hình 2.7 Hình dạng số mode truyền sóng 23 Hình 2.8 Bể rửa siêu âm 25 Hình 2.9 Hiệu làm rửa siêu âm so với phương pháp rửa truyền thống a Rửa siêu âm, b Đánh rửa tay, c Làm dầu mỡ nước, d Sức chuyển động chất lỏng, e.Tia nước 25 Hình 2.10 Quá trình hình thành phát triển bóng khí 26 Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm 27 Hình 2.12 Dụng cụ thái lát bánh nhờ siêu âm 27 Hình 2.13 Kiểm tra khuyết tật nhờ siêu âm (a) Sơ đồ nguyên lý cách xác định vết nứt gãy lòng vật thể (b) Kiểm tra kết cấu lõi thép dầm bê tông 28 Hình 2.14 Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển dị tìm đàn cá 29 Hình 2.15 Dao mổ siêu âm 30 Hình 2.16 Một số mơ hình gia cơng có rung động siêu âm trợ giúp [2] .31 Hình 2.17 Các phương án bổ sung rung động trình khoan .32 Nguyên tắc chung UAD bổ sung rung động siêu âm vào chuyển động tương đối mũi khoan chi tiết gia cơng Có phương án bổ sung rung động bao gồm: Bổ sung cho mũi khoan (Hình 2.17a,c), bổ sung cho chi tiết gia cơng (hình 2.17b) 32 Hình 2.18 So sánh độ trịn lỗ khoan (a) lực dọc trục (b) khoan siêu âm so với khoan truyền thống .33 Hình 2.19 Sơ đồ bổ sung rung động cho phay 34 Hình 2.20 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện 34 Hình 2.21 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D 35 Hình 2.22 Sơ đồ tiện có trợ giúp rung theo phương tiếp tuyến .36 Hình 2.23 Đánh giá lực cắt lượng mòn dụng cụ tiện truyền thống với UAT .36 Hình 2.24 Mơ hình bổ sung rung động (a) đánh giá lực cắt tiếp tuyến tiện có rung so với tiện truyền thống (b) 37 Hình 2.25 Quan hệ TWCR với biên độ rung (a), với chế độ cắt (f =20kHz, a=15 µm)(b) 38 Hình 2.26 Phân tích so sánh hiệu tiện có rung siêu âm ( f =19 kHz, a = 15µm) tốc độ cắt 10 m/phút; 0,1mm/vòng, chiều sâu cắt 0,1 mm so với tiện truyền thống .38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.27 (A) Sơ đồ thí nghiệm; (B) So sánh độ nhám bề mặt tiện truyền thống (a) với UVT (b) với diện tích quét 0,53 mm x 0,7 mm 39 Hình 2.28 Thơng số khảo sát thành phần lực cắt 39 Hình 2.29 Các thành phần lực cắt chiều sâu cắt 0,2 mm tiện không rung so với UVT .39 Hình 2.30 Mơ hình bổ sung rung động cho dao tiện với chiều dài bước sóng .40 Hình 2.31 Kết phân tích tần số cộng hưởng với mode dọc trục .40 Hình 2.32 Mơ hình thí nghiệm bổ sung rung động theo quỹ đạo Elip cho dao tiện 41 Hình 2.33 Mơ hình bổ sung rung động tiếp tuyến cho dao tiện 41 Hình 2.34 Mơ hình thí nghiệm với kết cấu dao tiện cho tiện trụ ngồi [32] 42 Hình 2.35 Sơ đồ cấu tạo chung hệ thống rung hỗ trợ gia công 43 Hình 2.36 Máy phát điện siêu âm MPI_ WG3000W 44 Hình 2.37 Cấu trúc tạo rung siêu âm kiểu Langevin .45 Hình 2.38 Các dạng kết cấu đầu chuyển đổi rung động siêu âm khác 46 Hình 2.39 Mơ hình 3D chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer) 46 Hình 2.40 Sơ đồ tính tạo rung siêu kiểu Langevin 47 Hình 2.41 Mạch vòng Mason phát rung siêu âm .49 Hình 2.42 Một số ứng dụng ứng với giá trị tần số cộng hưởng phản cộng hưởng tượng áp điện (ATCP) 50 Hình 2.43 Vai trị "hộp số" Booster .51 Hình 2.44 Khả khuếch đại biên độ đầu Booster nối tiếp Horn 52 Hình 2.45 Hình dáng số đầu khuếch đại biên độ 52 Hình 2.46 Sơ đồ tính truyền sóng cho tiết diện thay đổi 54 Hình 2.47 Sơ đồ tính khuếch đại hình trụ tiết diện khơng đổi 54 Hình 2.48 Sơ đồ tính khếch đại dạng trụ bậc 56 Hình 2.49 Kết cấu nút kẹp .57 Hình 2.50 Sơ đồ tính Horn điểm kẹp vị trí khác điểm .58 Hình 2.51 Sơ đồ tính đầu khuếch đại dạng thẳng 60 Hình 3.1 Các nguyên tắc bổ sung rung động trợ giúp tiện 64 Hình 3.2 Sơ đồ kết cấu cụm đầu rung tiện lỗ 65 Hình 3.3 Bộ phát rung thương mại CN2060-4Z 66 Hình 3.4 Kết tính tốn sử dụng phần mềm online SonoAnalyzer trang PowerUltrasonics Sonotrode Calculator .68 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý cụm đầu rung .68 Hình 3.6 Bản vẽ chế tạo đầu khuếch đại .69 Hình 3.7 Ống kẹp dao tiện lỗ 69 Hình 3.6 Sơ đồ minh họa kết tính tốn biên độ rung đầu dụng cụ 70 Hình 3.7 Kết cấu cụm đầu rung 71 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cụm giá kẹp đầu rung 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các phôi mẫu tạo lỗ thơ với đường kính ban đầu 12 mm, nhiệt luyện đạt độ cứng 60  62 HRC Các phôi sau nhiệt luyện mài trịn ngồi đạt đường kính 230,01 sau tiện móc lỗ đạt đường kính 12,50,05 5.1.3 Dụng cụ cắt Dao tiện lỗ có đường kính 4 hàng NTK, Nhật Bản Thông số dao tiện minh họa hình 5.2 Hình 5.2 Thơng số dao tiện lỗ cho thí nghiệm Bảng 5.3 Thơng số chế độ cắt khuyến nghị nhà sản xuất 5.1.4 Cảm biến đo lực cắt Hình 5.3 Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA 96 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA Dải đo: Dải 1: Fx, Fy = -500N ÷ 500N; Fz = -1kN ÷ 1kN Dải 2: Fx, Fy = -1kN ÷ 1kN; Fz= -2kN ÷ kN Dải 3: Fx, Fy= -2kN ÷ 2kN; Fz= -5kN ÷ 5kN Dải 4: Fx, Fy = -5kN ÷ 5kN; Fz= -5kN ÷ 10kN Quá dải: Fx, Fy, Fz: -7,5kN/7,5kN; Fz: 7,5kN ÷ 15kN Độ nhạy (dải 1): Fx, Fy = 10mV/N; Fz =5mV/N Độ tuyến tính: +/-1% FS Độ trễ: +/-0.5% FS Tần số: Fx, Fy = 2kHz; Fz = 3.5kHz Kích thước (mm): 170 x 100 x 60 Trọng lượng (Kg): 7.3 Khối điều khiển & khuếch đại: Số kênh: Dải điều khiển: Tín hiệu ra: +/-5V Đấu nối đầu : x BNC neg 39pin D-Sub Nguồn cấp: 230VAC Trọng lượng (kg): 1.52 5.1.5 Máy đo nhám bề mặt Hình 5.4 Máy đo độ nhám bề mặt SJ – 210, Mututoyo, Nhật Bản 97 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 5.5 Thông số ký thuật máy đo nhám SJ-210 Trục X : 17.5mm (chiều dài mẫu kiểm tra lơn nhất) Khoảng đo Truc Z (đầu đo): 360μm ( -200μm tới 160μm) (Chiều cao độ nhám lớn nhất) Tốc độ đo 0.25mm/s, 0.5mm/s, 0.75mm/s, Tốc độ trả 1mm/s Lực đo/Hình dạng mũi đo 0.75mN/60°/ 2μmR Tiêu chuẩn đo JIS1982/ JIS1994/ JIS2001/ ISO1997/ ANSI/ VDA Thang đo Ra, Rq, Rz, Ry, Rv, Rt, R3z, Rsk, Rku, Rc, RPc, RSm, Rmax*1 Rz1max, S, HSC, RzJIS*2… Phân tích biểu đồ BAC ADC Giá trị lớp cắt λc:0.08, 0.25, 0.8, 2.5mm; λs:2.5, μm Màn hình LCD kích thước 36.7x48.9mm Nguồn điện Pin xạc, AC adapter Kích thước Bộ hiển thị: 52.1x65.8x160mm; Bộ dẫn động: 115x23x26mm Trọng lượng 0.5 Kg Ngoài ra, phần mềm LABView sử dụng trình thu thập liệu đo Phần mềm Minitab OriginLab sử dụng thiết kế thí nghiệm xử lý số liệu, xây dựng đồ thị kết 5.2 Tiến hành thí nghiệm 5.2.1 Kiểm chuẩn xác định quan hệ lực với điện áp Để đo thành phần lực cắt tiện lỗ, trước tiên cần xây dựng quan hệ giá trị lực cắt với điện áp tương ứng thu Cụm đầu rung gá đầu đo lực cắt thành phần Kistler, minh họa hình 5.5 Hình 5.5 Sơ đồ thí nghiệm xác định lực cắt tiện 98 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thực kiểm chuẩn theo phương X, Y, Z Bộ cân có khối lượng 1; 2; kg đặt lên giá cân lực trường hợp theo sơ đồ hình 5.6 Giá trị tín hiệu điện áp ứng với trường hợp calib cân thiết bị thu thập chuyển đổi tín hiệu, hiển thị giao diện máy tính với phần mềm Labview Hình 5.6 Sơ đồ Calib thành phần lực cắt Đồ thị quan hệ trọng lượng cân Calib giá trị điện áp lực dọc trục, minh họa hình 5.7 Hình 5.7 Quan hệ điện áp – trọng lượng cân calib lực dọc trục Từ đồ thị quan hệ minh họa hình 5.7, xác định giá trị điện áp ứng với trọng lượng cân đặt lên Kết đo thể hình 5.8 99 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 5.8 Kết hồi quy lực điện áp đo Thực tương tự, Calib đo thành phần lực hướng tâm lực tiếp tuyến Kết hồi quy lực giá trị lực tiếp tuyến lực tiếp tuyến theo điện áp đo được, minh họa hình 5.8a,b Tổng hợp kết Calib giá trị lực cắt theo điện áp thể bảng 5.6 Bảng 5.6 Quan hệ điện áp với giá trị lực cắt Thành phần/Đơn vị Vol Giá trị lực V N Lực dọc trục Fx 8.5704+111.2134*Vol Lực tiếp tuyến Fy 161.186+130.573*Vol Lực hướng tâm Fz 168.644+1893.57*Vol 100 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (a) (b) Hình 5.8 Đồ thị hồi quy giá trị lực điện áp, (a) Lực tiếp tuyến, (b) Lực hướng tâm 101 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5.2.2 Thiết kế thí nghiệm tiện lỗ với phần mềm Minitab Để đánh giá khả ứng dụng đầu rung chế tạo, 20 thí nghiệm tiện lỗ thực Phần mềm Minitab sử dụng để xây dựng thí nghiệm cho tiện lỗ 20 phơi Khởi tạo thí nghiệm Minitab minh họa hình 5.9 Dữ liệu thơng số thí nghiệm minh họa bảng 5.7 Chiều dài lỗ gia công theo hai chế độ: khơng có rung động trợ giúp có rung động trợ giúp Thứ tự có hay khơng có rung trợ giúp thực ngẫu nhiên Chế độ cắt chọn theo khuyến nghị nhà cung cấp dao Nhám bề mặt lỗ chọn làm tiêu chí đánh giá chất lượng bề mặt lỗ Hình 5.9 Khởi tạo thí nghiệm Minitab 5.3 Kết đánh giá trình tiện lỗ 5.3.1 Đánh giá độ nhám bề mặt Bảng 5.8 trình bày kết đo nhám bề mặt thiết bị SJ-210 hai trường hợp tiện lỗ có rung tiện truyền thống khơng có rung, với chế độ cắt Hình 5.10 biểu diễn tương quan độ nhám bề mặt tiện có rung so với tiện truyền thống Trên hình 5.10 thể tất lỗ thí nghiệm bề mặt lỗ tiện có rung động trợ giúp ln có độ nhám bề mặt cao cấp nhám so với trình tiện truyền thống Với thí nghiệm này, chế độ cắt rung cho phơi thứ 19 thu độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất, đạt Ra = 0,089 µm Phần mềm Minitab sử dụng để phân tích mối tương quan ảnh hưởng thông số chế độ cắt (n,s,t) đến độ nhám bề mặt chi tiết sau gia cơng Kết minh họa hình 5.11 Trên hình 5.11a cho thấy, giữ nguyên chiều sâu cắt t = 0,075 mm, thông số tốc độ cắt lượng chạy dao thay đổi dải thí nghiệm, vùng “màu sáng nhất” – quanh tốc độ cắt 1500 vòng/phút, lượng chạy dao 0,05 – 0,055 mm/vòng đạt độ nhẵn bóng bề mặt cao Hình 5.11b thể ảnh hưởng tốc độ quay chiều sau cắt tới độ nhám bề mặt cố định lượng chạy dao s = 0,0675 mm Hình 5.11c thể ảnh hưởng 102 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tốc độ chạy dao chiều sâu cắt đến Ra cố định tốc độ cắt n = 1500 vịng/phút Hình 5.11d biểu diễn đồ thị dạng mặt ảnh hưởng n s đến giá trị Ra cố định chiều sâu cắt t = 0,05 mm Bảng 5.7 Trình tự thực thí nghiệm thiết kế (DOE) Bảng 5.8 Kết thí nghiệm đo nhám mẫu tiện lỗ có rung hỗ trợ so với tiện truyền thống STT Đơn vị 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tốc độ quay n Lượng chạy dao v Chiều sâu cắt Nhám tiện t thường Ra Cấp v/ph mm/v mm (µm) độ 1750 0.085 0.075 0.760 1750 0.0675 0.1 0.708 1750 0.0675 0.075 0.703 1750 0.0675 0.075 0.716 1750 0.0675 0.075 0.700 2000 0.0675 0.075 0.654 1750 0.05 0.075 0.640 1500 0.085 0.1 0.827 1500 0.05 0.05 0.476 2000 0.085 0.1 0.587 1500 0.085 0.05 0.684 1750 0.0675 0.075 0.509 2000 0.05 0.1 0.503 2000 0.05 0.05 0.645 1750 0.0675 0.075 0.629 2000 0.085 0.05 0.694 1750 0.0675 0.05 0.490 1750 0.0675 0.075 0.358 1500 0.05 0.1 0.304 1500 0.0675 0.075 0.351 Nhám Ra tiện rung Ra Cấp (µm) độ 0.319 0.319 0.311 0.316 0.313 0.187 0.204 0.334 0.137 10 0.351 0.164 0.155 10 0.144 10 0.207 0.178 0.235 0.189 0.119 10 0.089 11 0.135 10 Số cấp độ nhám tăng Tiện rung – Tiện thường 2 2 2 2 2 2 2 2 Mức độ giảm nhám bề mặt % 58 54.9 55.8 55.9 55.3 71.4 68.1 59.6 71.2 40.2 76 69.5 71.4 67.9 71.7 66.1 61.4 66.8 70.7 61.5 103 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 5.10 Tương quan độ nhám bề mặt tiện có rung so với tiện truyền thống Hình 5.11c cho thấy cắt với tốc độ vịng 1500 vịng/phút độ nhám tăng tăng chiều sâu cắt lượng chạy dao Qua phân tích Response Optimizeer, chế độ cắt tối ưu dải thí nghiệm nhằm đạt mục tiêu độ nhẵn bóng bề mặt (target) 0,16 µm, thấp 0,1 µm cao 0,32 µm minh họa hình 5.12 Kết phân tích cho thấy chế độ cắt tối ưu có thơng số (n,s,t) (1500, 0.0824, 0.0559) Các kết phân tích dùng làm sở để chọn chế độ cắt phù hợp cho gia công nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công 104 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (a) (b) (c) (d) Hình 5.11 Sự ảnh hưởng thông số cắt đến độ nhám bề mặt Ra Hình 5.12 Chế độ cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt nhỏ dải thí nghiệm (Tốc độ cắt n = 1500 v/ph; lượng chạy dao s =0.0824 mm/vòng; ciều sâu cắt t = 0.0559 mm) 105 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5.3.2 Đánh giá lực cắt Thiết bị đo lực ba thành phần Kistler sử dụng để khảo sát thành phần lực cắt tiện lỗ có rung khơng có rung thể hình 5.5 Đầu Kistler gá bàn dao ngang, đài dao phụ dùng để kẹp đâu rung siêu âm gá bề mặt cảm biến đo lực Thiết bị kết nối trực tiếp với máy tín, qua giao diện phần mềm NI SignalExpress 2014 Tín hiệu thu dạng điện áp Bằng phép quy đổi tương đương điện áp giá trị lực cho phép xác định thành phần lực cắt tiện Đồ thị thể giá trị thành phần lực cắt tiện lỗ hai trường hợp có rung khơng có rung, với chế độ cắt khảo sát: tốc độ quay trục n = 1500 v/ph; lượng chạy dao s = 0,065 mm/vòng; chiều sâu cắt t = 0,1 mm; thể hình 5.13 Hình 5.13 Tương quan giá trị lực cắt tiện có rung trợ giúp tiện truyền thống Hình 5.13 cho thấy, trường hợp tiện lỗ có rung động siêu âm trợ giúp thành phần lực cắt nhỏ so với tiện không rung thành phần lực cắt tiếp tuyến lớn Thành phần lực dọc giảm tới 30 %, lực hướng tâm giảm 25 %, lực tiếp tuyến giảm 20 % so với lực cắt tiện khơng có rung Kết bước đầu cho thấy hiệu thiết bị đầu rung hỗ trợ cho dao tiện lỗ chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công, khả giảm lực cắt tiện Đây tiền đề để hiệu chỉnh, phát triển mẫu đầu rung cho tiện lỗ trụ nhỏ lỗ côn 106 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 6.1 Kết luận Đề tài thực thành công, đạt mục tiêu đặt Cụ thể là:  Đã tổng quan nghiên cứu thực gần lĩnh vực gia cơng cắt gọt có rung động trợ giúp, đặc biệt gia cơng tiện có rung động trợ giúp Các ưu việt giải pháp gia công vấn đề cịn tồn khía cạnh tính tốn, thiết kế, chế tạo đầu rung đồ gá dùng để gá kẹp đầu rung máy cơng cụ phân tích nhằm tham khảo, áp dụng cho đề tài;  Đã phân tích, hệ thống hóa cách thức tính tốn xác định kích thước đầu khuếch đại rung siêu âm từ cơng trình nghiên cứu giới Các kiến thức sở áp dụng để tính tốn thiết kế đầu khuếch đại rung phù hợp cho toán khai thác rung động siêu âm để trợ giúp trình tiện cứng;  Đã tiến hành xây dựng kết cấu, phân tích đánh giá hai phương pháp: tính tốn giải tích mơ số Các kết cho thấy phù hợp tương đối giải pháp, khẳng định khả sử dụng công cụ số để kiểm nghiệm kết cấu đầu khuếch đại rung có gắn thêm dao tiện lỗ phù hợp;  Đã tiến hành thiết lập hệ thống đo phù hợp với điều kiện có nước, khắc phục khó khăn thiết bị đo Các số liệu đo nằm khoảng dự đoán, phù hợp với khoảng làm việc thường báo cáo công bố khoa học quốc tế;  Kết cắt thử với đầu rung siêu âm cho trình tiện tinh lỗ cho thấy bề mặt tiện rung có độ nhám cao so với q trình gia cơng truyền thống cấp nhám Lực cắt q trình tiện có rung động siêu âm trợ giúp giảm khoảng 20 -30 % so với tiện truyền thống 6.2 Đề xuất hướng nghiên cứu Các kết thu đóng vai trò sở quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh dụng cụ cho gia cơng tiện lỗ có rung động trợ giúp Các định hướng tiếp tục phát triển đề tài bao gồm: - Phát triển kiểm chứng thiết bị đo biên độ, tần số ứng xử rung động; gửi mẫu sang đối tác nghiên cứu nước để đối chứng; Chủ động phát triển hoàn thiện nguồn phát điện áp có tần số siêu âm, cơng suất lớn đáp ứng nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo; Triển khai nghiên cứu ứng dụng cho sản phẩm thực; Nghiên cứu chất trình tương tác dao-phoi tác dụng rung động bổ sung 107 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com References [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] D E a L J Bond, "Ultrasonics- Fundamentals, Technologies, and Applications," Taylor & Francis Group, International Standard Book Number-13: 978-1-42002027-4 2012 J A G.-J r a K F Graff, "Power Ultrasonics Applications of High-intensity Ultrasound," Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, vol 66, 2015 M N Kumar, S K Subbu, P V Krishna, and A Venugopal, "Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining: A Review," Procedia Engineering, vol 97, pp 1577-1586, 2014 B Lauwers, F Klocke, A Klink, A E Tekkaya, R Neugebauer, and D McIntosh, "Hybrid processes in manufacturing," CIRP Annals, vol 63, pp 561-583, 2014 S O Melih Cemal Kuşhan, Yağız Uzunonat, "Ultrasonic Assisted Machining Methods - A review," International Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA-ERA), vol 3, pp 294-302, 2017 L D Rozenberg, "Sources of High-intensity Ultrasound," Spinger W.-X Xu and L.-C Zhang, "Ultrasonic vibration-assisted machining: principle, design and application," Advances in Manufacturing, vol 3, pp 173-192, 2015 A Abdullah, Shahini, Mohsen, "An approach to design a high power piezoelectric ultrasonic transducer," Journal of Electroceramics, vol 22, pp 369-382, 2008 N I M Alexandru Sergiu Nanu, Daniel Ghiculescu, "Study on ultrasonic stepped horn geometry design and FEM simulation," Nonconventional Technologies Review, vol 4, 2011 S K S B.C.Behera , L.N Patra, M.P.Rout, K.K.Kanaujia, "Finite Element Analysis of Ultrasonic Stepped Horn," 2011 D.-A Hai-Dang Tam Nguyen, "Design of an ultrasonic steel horn with a bézier profile," International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2012 M Nad, "Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies," Applied and Computational Mechanics vol 4, pp 79-88, 2010 I Romaniuc, "Development of a Magnetostrictive Vibromotor," Advances in Production, Automation and Transportation Systems, pp 184-187, 2007 V Sharma, P M Pandey, and S Dubey, "Recent advances in ultrasonic assisted turning: A step towards sustainability," Cogent Engineering, vol 3, 2016 P J Liew, A Shaaroni, N A C Sidik, and J Yan, "An overview of current status of cutting fluids and cooling techniques of turning hard steel," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol 114, pp 380-394, 2017 V I Babitsky, V K Astashev, and A Meadows, "Vibration excitation and energy transfer during ultrasonically assisted drilling," Journal of Sound and Vibration, vol 308, pp 805-814, 2007 S Amini, A F Tehrani, A Barani, and H Paktinat, "Vibration Drilling Process on Al2024," Advanced Materials Research, vol 445, pp 79-83, 2012 X.-H Shen, J Zhang, D X Xing, and Y Zhao, "A study of surface roughness variation in ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 58, pp 553-561, 2011 108 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] X Shen and J Zhang, "Studies on friction and wear properties of surface produced by ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 67, pp 349-356, 2012 X.-H Shen, J.-H Zhang, H Li, J.-J Wang, and X.-C Wang, "Ultrasonic vibrationassisted milling of aluminum alloy," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 63, pp 41-49, 2012 D Xing, J Zhang, X Shen, Y Zhao, and T Wang, "Tribological Properties of Ultrasonic Vibration Assisted Milling Aluminium Alloy Surfaces," Procedia CIRP, vol 6, pp 539-544, 2013 G Tao, C Ma, X Shen, and J Zhang, "Experimental and modeling study on cutting forces of feed direction ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol 90, pp 709715, 2016 C Tian, X Chen, D Li, W Zhang, and S Guan, "Analysis of Surface Formation of Rotary Ultrasonic Milling of Quartz Glass Based on Nano-indentation Experiment," Procedia Engineering, vol 174, pp 470-476, 2017 S Koshimizu, "Ultrasonic Vibration-Assisted Cutting of Titanium Alloy," 2009 C Nath, M Rahman, and S S K Andrew, "A study on ultrasonic vibration cutting of low alloy steel," Journal of Materials Processing Technology, vol 192-193, pp 159-165, 2007 C Nath and M Rahman, "Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol 48, pp 965-974, 2008 A Maurotto, R Muhammad, A Roy, and V V Silberschmidt, "Enhanced ultrasonically assisted turning of a beta-titanium alloy," Ultrasonics, vol 53, pp 1242-50, Sep 2013 V V Silberschmidt, S M A Mahdy, M A Gouda, A Naseer, A Maurotto, and A Roy, "Surface-roughness Improvement in Ultrasonically Assisted Turning," Procedia CIRP, vol 13, pp 49-54, 2014 Ostasevicius, "Experiments and simulations of ultrasonically assisted turning tool," Mechanika, 2009 C Zhang, P Guo, K F Ehmann, and Y Li, "Effects of ultrasonic vibrations in micro-groove turning," Ultrasonics, vol 67, pp 30-40, Apr 2016 V Sharma and P M Pandey, "Optimization of machining and vibration parameters for residual stresses minimization in ultrasonic assisted turning of 4340 hardened steel," Ultrasonics, vol 70, pp 172-82, Aug 2016 I Rasidi, E A Rahim, M I Ghazali, M H Chai, and Z O Goh, "Experimental Analysis on Ultrasonic Assisted Turning (UAT) Based on Innovated Tool Holder in the Scope of Dry & Wet Machining," Applied Mechanics and Materials, vol 660, pp 104-108, 2014 N V Dự Ngô Quốc Huy, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh, "Thực nghiệm đánh ảnh hưởng kích thước đầu rung siêu âm cơng suất lớn đến số cộng hưởng rung động," Khoa học công nghệ - ĐH Thái Nguyên, vol 154 (9), pp 19-23, 2016 Y Zhao, L Lu, Z Du, B Yang, W Zhang, J Zhou, et al., "Research on microvibration measurement by a laser diode self-mixing interferometer," Optik International Journal for Light and Electron Optics, vol 124, pp 4707-4711, 2013 W L Cong, Z J Pei, N Mohanty, E Van Vleet, and C Treadwell, "Vibration Amplitude in Rotary Ultrasonic Machining: A Novel Measurement Method and 109 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com [36] Effects of Process Variables," Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol 133, p 034501, 2011 J Kováčik and Š Emmer, "Steels as Materials for Sonotrode Tools," Key Engineering Materials, vol 601, pp 21-24, 2014 110 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tốn, thiết kế chế tạo thành công thiết bị đầu rung siêu âm cho q trình tiện lỗ làm sở cho việc phát triển ứng dụng rung động siêu âm gia công tiện côn, phay, mài… nước; tạo thiết bị gia công siêu. .. dụng, rung động siêu âm chia thành hai nhóm lớn siêu âm cơng suất thấp siêu âm cơng suất lớn (cịn gọi tắt siêu âm công suất) Rung động siêu âm công suất thấp rung động tạo sóng siêu âm truyền với... trình bày số kết nghiên cứu triển khai thiết kế, chế tạo đánh giá thực nghiệm đầu rung siêu âm có gắn dụng cụ cắt hỗ trợ trình tiện cứng lỗ Một đầu rung siêu âm mang dao tiện lỗ có kết cấu thuận