Thiết Kế, Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Rung Động Trợ Giúp Gia Công Lỗ Sâu 5393645.Pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU Mã số ĐH2013 TN02 09 Chủ n[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CƠNG LỖ SÂU Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng Thái Nguyên, 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng Xác nhận tổ chức chủ trì (ký tên, đóng dấu) KT.HIỆU TRƯỞNG PHĨ HIỆU TRƯỞNG Chủ nhiệm đề tài Chu Ngọc Hùng PGS.TS Vũ Ngọc Pi Thái Nguyên, 10/2018 i DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Chu Ngọc Hùng Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN Nguyễn Văn Dự Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN Lê Duy Hội Trường Cao đẳng KTKT, ĐHTN Phan Văn Nghị Trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp, ĐHTN ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii 0.1 Tính cấp thiết 0.2 Mục tiêu cách tiếp cận 0.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 0.2.2 Cách tiếp cận vấn đề 0.2.3 Phương pháp nghiên cứu 0.2.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 0.3 Các kết đạt 0.4 Cấu trúc nội dung báo cáo Chương TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Ứng dụng siêu âm gia công 1.2.1 Gia công siêu âm 1.2.2 Gia công siêu âm quay 1.2.3 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 11 1.3 Siêu âm trợ giúp khoan 16 1.3.1 Nguyên tắc chung 16 1.3.2 Cơ chế trình siêu âm trợ giúp khoan 18 1.4 Kết luận chương 21 Chương 22 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Một số khái niệm dao động, rung động siêu âm 22 2.2.1 Bản chất sóng âm 23 2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 24 2.2.3 Các phương pháp tạo rung động siêu âm 27 2.2.4 Siêu âm công suất 30 iii 2.2.5 Cơ sở lí thuyết truyền sóng vật liệu 32 2.3 Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 35 2.3.1 Máy phát điện siêu âm 35 2.3.2 Bộ chuyển đổi siêu âm 36 2.3.3 Đầu khuếch đại biên độ 39 2.4 Xác định thông số cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 42 2.4.1 Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng 42 2.4.2 Xác định biên độ rung 46 2.5 Chế tạo, lắp ráp cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 49 2.5.1 Nguyên tắc gá kẹp mũi khoan với chuyển đổi 49 2.5.2 Lựa chọn thiết bị siêu âm 50 2.5.3 Cấu tạo nguyên lí làm việc cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 53 2.5.4 Mơ hình phân tích phần tử hữu hạn cho cấu rung 54 2.5.5 Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 56 2.5.6 Thực nghiệm xác định biên độ rung dụng cụ cắt 63 2.6 Kết luận chương 67 Chương 68 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ CƠ CẤU RUNG 68 3.1 Giới thiệu 68 3.2 Thiết bị thí nghiệm 68 3.3 Thiết kế thí nghiệm 76 3.4 Kết thảo luận 78 3.4.1 Thực nghiệm so sánh 80 3.4.2 Lựa chọn thông số gia cơng hợp lí 87 3.5 Kết luận chương 91 Chương 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 4.1 Kết luận 92 4.2 Kiến nghị 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Nguyên lý gia công siêu âm Hình Ngun lí gia cơng siêu âm quay [76]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt Hình Rung động siêu âm trợ giúp tiện [75] 11 Hình Các phương án bổ xung rung động vào q trình gia cơng [54][41] 13 Hình Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [77][37] 15 Hình Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [77][37] 16 Hình Kiểu rung UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp .17 Hình Mơ hình mũi khoan rung-phôi quay [8] .17 Hình Mơ hình phơi rung mũi khoan quay [9][45] 18 Hình 10 Mơ hình mũi khoan vừa rung vừa quay [66] 18 Hình 11 Cơ chế rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58] 19 Hình 12 Mơ hình liên kết nguyên tử 24 Hình 13 Hình dạng số mode truyền sóng 26 Hình 14 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 28 Hình 15 Ảnh hưởng từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính để tạo rung động học .28 Hình 16 Hiệu ứng áp điện 29 Hình 17 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng xếp chồng .30 Hình 18 Hệ thống siêu âm cơng suất [26][60] 32 Hình 19 Mơ hình rung động dọc trục vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung ứng suất; (b) ứng suất chuyển vị phân tố [27][61] 33 Hình 20 Hệ thống rung siêu âm .35 Hình 21 Cấu tạo chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] 36 Hình 22 Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc [12][63] .39 Hình 23 Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc 40 Hình 24 Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc 40 Hình 25 Mơ hình hóa chuyển đổi siêu âm mạch vịng Mason 43 Hình 26 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở .45 Hình 27 Phương pháp I - V 46 Hình 28 Sơ đồ mạch cầu tự cân đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng khuếch đại 46 Hình 29 Ngun lí đo rung động LDV [73][69] .47 Hình 30 Ngun lí đo rung động cảm biến sợi quang (hình ảnh từ trang web https://www.mtiinstruments.com/technology-principles/fiber-optic-sensors/) 48 Hình 31 Ngun lí đo rung động cảm biến dịng cảm ứng (hình ảnh từ trang web https://www.shinkawaelectric.com/en/column/20170807.html) .48 Hình 32 Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: (a) sử dụng ống kẹp (collet) [43][53], (b) sử dụng ren vít cố định trực tiếp vào đầu khuếch đại biên độ [70] 49 Hình 33 Bộ chuyển đổi siêu âm YP-5020-4Z 52 Hình 34 Máy phát điện MPI WG3000 .52 Hình 35 Cấu tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan: (1) Mâm cặp, (2) ống gá, (3) chuyển đổi siêu âm, (4) đầu khuếch đại biên độ, (5) bích kẹp, (6) vít trí, (7) collet kẹp mũi khoan, (8) mũi khoan, (9) nịng trục máy tiện, (10) chổi than-cổ góp 53 Hình 36 Thiết bị thực: (a) – chổi than cổ góp, (b) – cấu rung siêu âm trợ giúp khoan .54 Hình 37 Các kích thước đầu khuếch đại biên độ gắn collet mũi khoan 55 Hình 38 Mơ hình phân tích mơ đầu khuếch đại biên độ gắn collet mũi khoan 55 v Hình 39 Thiết bị sóng PicoScope 2204A 56 Hình 40 Biểu đồ Bode phân tích phần mềm FRA4PS 58 Hình 41 Dữ liệu xử lí phần mềm OriginLab 58 Hình 42 Phổ trở kháng chuyển đổi phân tích phần mềm Originlab 59 Hình 43 Thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR .60 Hình 44 Phổ trở kháng cấu rung phân tích thiết bị HIOKI3532-50 LCR 61 Hình 45 Xác định tần số cộng hưởng đầu rung máy phát MPI-WG3000 63 Hình 46 Đo biên độ rung sử dụng micrometer S M Hoseini J Akbari [62][79] 65 Hình 47 Đo biên độ rung sử dụng micrmeter W L Cong T Z.J.Pei [23] 65 Hình 48 Đo biên độ rung đồng hồ so (MИΓ) độ phân giải µm 66 Hình 49 Đo biên độ rung Panme .67 Hình 50 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .68 Hình 51 Ảnh chụp phơi thí nghiệm 69 Hình 52 Mũi khoan thí nghiệm 70 Hình 53 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc IRTP_300LS .70 Hình 54 Quan hệ điện áp cảm biến (V) với nhiệt độ đo phơi (0C) .71 Hình 55 Ảnh chụp Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA 72 Hình 56.Q uan hệ điện áp cảm biến (V) lực dọc trục (N) 72 Hình 57 Cảm biến mô men PCB 2508-106-03A .73 Hình 58 Quan hệ điện áp cảm biến (V) mô men (Ncm) 73 Hình 59 Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A 74 Hình 60 Bộ thu thập liệu NI PCI-6010 cổng kết nối NI-CB-37F-LP 75 Hình 61 Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm 76 Hình 62 Các thông số lực momen lớn nhất, lực momen cắt 79 Hình 63 Biểu đồ so sánh mô men CD UAD: (a) mô men cắt, (b) mô men lớn 80 Hình 64 Biểu đồ so sánh lực dọc trục CD UAD: (a) lực dọc trục cắt, (b) lực dọc trục lớn 81 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Quĩ đạo rung dụng cụ cắt (DCC) siêu âm trợ giúp gia công [77][37] 14 Bảng Phân loại ứng dụng sóng âm dựa dải tần số 23 Bảng Vận tốc truyền âm số vật liệu kĩ thuật .24 Bảng Trở kháng âm số vật liệu kĩ thuật 27 Bảng Thông số rung chuyển đổi siêu âm sử dụng số công bố 51 Bảng Thông số chuyển đổi siêu âm 52 Bảng Thông số máy phát điện siêu âm 52 Bảng Bảng thông số kĩ thuật thiết bị sóng PicoScope 2204A 56 Bảng Thông số kĩ thuật máy HIOKI3532-50 LCR 60 Bảng 10 Tần số cộng hưởng cấu rung siêu âm trợ giúp khoan độ dài mũi khoan thay đổi 61 Bảng 11 Thông số máy tiện .69 Bảng 12 Thành phần hóa học Al6061 70 Bảng 13 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt .70 Bảng 14 Thông số kĩ thuật cảm biến lực 72 Bảng 15 Thông số cảm biến mô men 73 Bảng 16 Thơng số khuếch đại tín hiệu 74 Bảng 17 Thông số kỹ thuật thu thập liệu 75 Bảng 18 Các mức giá trị thơng số thí nghiệm 76 Bảng 19 Ma trận thí nghiệm Taguchi L27 77 Bảng 20 Giá trị thơng số đầu thí nghiệm Taguchi L27 79 Bảng 21 Tỉ số S/N tiêu chuẩn hóa khoảng [0-1] .88 Bảng 22 Hệ số quan hệ xám .89 Bảng 23 Mức độ ảnh hưởng thông số gia công đến độ xám .90 vii THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia cơng lỗ sâu - Mã số: ĐH2013-TN02-09 - Chủ nhiệm: Chu Ngọc Hùng - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN - Thời gian thực hiện: 2013 - 2015 Mục tiêu Thiết kế, chế tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, đảm bảo nâng cao suất chất lượng lỗ khoan Tính sáng tạo - Nghiên cứu triển khai thành cơng bước tính tốn thiết kế chế tạo thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia cơng khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu đường kính 10 Hệ thống chưa thấy công bố nước - Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu hợp kim nhôm Al6061 Kết nghiên cứu công bố 06 báo khoa học quốc gia quốc tế, có 01 tạp chí thuộc danh mục Scopus Kết nghiên cứu - Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính tốn, chế tạo lắp ráp thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia cơng khoan lỗ sâu; - Thiết bị thí nghiệm sử dụng triển khai thí nghiệm cho 06 báo khoa học nước quốc tế, Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước công nhận Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học Công bố 06 báo khoa học, có 04 báo quốc gia, 01 báo danh mục Scopus 01 báo quốc tế có số ISSN Cụ thể là: viii - Van-Du Nguyen, Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep holes”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), 9(6), pp 899–908, ISSN: 0976-6340; - Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu, Van-Du Nguyen (2018), "A Study on Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp 283-296, ISSN: 2454-2377; - Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng (2015), "Giải pháp khoan lỗ sâu hợp kim nhơm có trợ giúp rung động tần số thấp", Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 6, tr 14-17; - Chu Ngọc Hùng, Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Thị Thảo (2016), "Một số kết thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực gia cơng khoan lỗ sâu tích hợp rung", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr 9-13; - Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh (2016), "Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước đầu rung siêu âm cơng suất lớn đến tần số cộng hưởng rung động", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr 19-23; - Chu Ngọc Hùng, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự (2017), "Đánh giá hiệu ứng giảm ma sát trượt thép gió nhơm bổ sung rung động siêu âm", Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên, 176(16), tr 3136 5.2 Sản phẩm đào tạo Kết đề tài trực tiếp phục vụ nội dung nghiên cứu Chủ nhiệm đề tài q trình làm nghiên cứu sinh, nội dung 02 chuyên đề NCS - Chu Ngọc Hùng (2014), Chế tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp 32 Hình 18 Hệ thống siêu âm cơng suất [26][60] Trên hình 18, đầu phát siêu âm (1) kích thích nguồn điện (2), truyền qua mơi trường truyền dẫn (3) (có thể chất lỏng, chất rắn khí) đến đối tượng cần tác động (4) Năng lượng siêu âm làm thay đổi tính chất, trạng thái (5) đối tượng 2.2.5 Cơ sở lí thuyết truyền sóng vật liệu Cơ sở lí thuyết truyền sóng vật liệu đồng tóm tắt Bộ chuyển đổi siêu âm thiết kế dựa sở lí thuyết truyền sóng vật liệu Nội dung tham khảo từ tài liệu [27][61] Xét rung động vật liệu đồng hình 19a Các phần tử dãn nén xung quanh điểm hình vẽ Điểm có biến dạng khơng, thường gọi điểm nút (Node) Hai mặt mút (Thường gọi điểm phản nút – Antinode), có chuyển vị đối xứng xa quy phía điểm nút cách tuần hồn 33 Hình 19 Mơ hình rung động dọc trục vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung ứng suất; (b) ứng suất chuyển vị phân tố [27][61] Xét phân tố vật liệu minh họa hình 19b, chuyển vị u phân tố này, theo định luật Newton, có dạng: 2 u  Adx  A  (  dx)A x t (2 4) Trong đó,  A khối lượng riêng vật liệu diện tích mặt cắt ngang thanh;  u ứng suất chuyển vị phân tố Rút gọn phương trình (2.4) thu được:   u   t x (2 5) Sử dụng quan hệ biến dạng tương đối:  = u/L, ta có:  u du u   x dx x (2 6) Theo định luật Húc,    E nên thay   E.u / x vào 1.3 được: 2u 2u E  t t (2 7)  2u  2u  t c2 2 x2 (2 8) Đặt c  E /  được: 34 Lời giải cho dao động bình ổn (Steady-state) (1.5) tìm cách đặt u(x, t)  U(x)eit (2 9) U(x)  Csin  x  Dcos  x (2 10) Khi đó, kết có dạng: Với    / c Xét điều kiện biên đầu thanh, có x  0; x  l;   EA dU 0 dx (2 11) Khi biên độ dao động mode thứ có dạng: U(x)  D cos( x/ l) (2 12) Quy luật phân bố ứng suất dọc theo xác định: (x)  EADsin x (2 13) Biên độ dao động mặt cắt dọc theo U(x) phân bố ứng suất (x) minh họa hình 19a Hai đại lượng thay đổi tuần hoàn (quy luật sin/cosin) lệch pha 90 độ - đại lượng đạt giá trị max/min đại lượng đạt giá trị không ngược lại Chu kỳ thay đổi biên độ rung động nửa bước sóng , tức có chiều dài /2 Bản chất rung động chuyển động tự nhiên dọc theo trục thanh, biểu diễn mũi tên hai chiều hình vẽ Sự thay đổi biến dạng sinh ứng suất thay đổi dọc theo chiều dài minh họa hình Kết luận Phần trình bày sở lý thuyết nhằm giải thích chế truyền rung động dọc vật liệu rắn Mơ hình mang tính chất gần đúng, có ý nghĩa sở cho tốn phân tích rung động Nhiều cơng trình nghiên cứu thực nhằm phát triển mơ hình sát với thực tiễn Đến nay, hầu hết nghiên cứu ứng dụng rung động siêu âm sử dụng công cụ mô 35 máy tính nhằm giải tích số tốn truyền rung động siêu âm Vấn đề trình bày chi tiết chương Một vài điểm quan trọng tốn truyền sóng dọc vật rắn, dùng cho ứng dụng gia cơng có rung động trợ giúp, tóm tắt sau:  Rung động dọc truyền vật liệu rắn mà khơng làm thay đổi vị trí tuyệt đối Như vậy, kết nối nguồn phát rung phận chấp hành thông qua vật liệu rắn Có thể kẹp chặt phận truyền rung mà không dập tắt hay làm giảm biên độ rung động  Biên độ dao động mặt cắt ngang khác khác Tồn số vị trí có biên độ dao động khơng (vị trí Node) Khi thiết kế phận tạo rung động, cần chọn vị trí gá kẹp node Biên độ dao động lớn vị trí phản nút (Antinode) 2.3 Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện Hệ thống rung siêu âm nói chung minh họa Hình 20, bao gồm thành phần sau: (1) Máy phát điện siêu âm (Ultrasonic Generator), (2) Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer), (3) Đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonics Horn) (4) Dụng cụ gắn đầu khuếch đại biên độ Hình 20 Hệ thống rung siêu âm 2.3.1 Máy phát điện siêu âm Máy phát điện siêu âm thiết bị chuyển đổi nguồn điện (100÷250 V, 50÷60 36 Hz) thành tín hiệu điện (800÷1000 V, 20÷30 kHz) Tác dụng máy phát điện kích thích phần tử áp điện (gốm PZT) chuyển đổi nhằm chuyển tín hiệu điện thành rung động học trì trạng thái cộng hưởng Việc lựa chọn máy phát điện siêu âm dựa ứng dụng cụ thể Thông thường, hai thông số máy quan tâm cơng suất dải tần số làm việc Ngồi số tính quan trọng khác quan tâm kể đến như: chức tự động qt (dị tìm) tần số cộng hưởng chuyển đổi, chức tự động điều chỉnh tần số cộng hưởng tải thay đổi (autoresonant control) chức kết nối với máy tính v.v 2.3.2 Bộ chuyển đổi siêu âm Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic transducer) có chức chuyển đổi lượng điện thành lượng với tần số siêu âm Trong đó, chuyển đổi siêu âm sử dụng PZT dạng xếp chồng kiểu “Sandwich” hay gọi kiểu Langevin) sử dụng hầu hết ứng dụng siêu âm u cầu cơng suất lớn có hệ số phẩm chất học cao, kết cấu đơn giản có chi phí thấp Đặc trưng chuyển đổi dạng làm việc vùng tần số cộng hưởng Cấu tạo chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin mơ tả hình 21 Hình 21 Cấu tạo chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] Cấu tạo hình 21 gồm hai khối kim loại có chiều dài l1 l2, chẵn PZT kẹp có chiều dài lc Tổng chiều dài chuyển đổi (l1 + l2 + lc) nửa bước sóng Giữa PZT xen kẽ điện cực (các đồng) Các phần liên kết chặt với bu-lơng Khi áp 37 đặt trường ngồi biến đổi, chuyển đổi thực dao động nén dãn theo phương dọc trục Thơng thường, kim loại phía sau (l1) có khối lượng riêng lớn (vận tốc truyền âm nhỏ/trở kháng âm lớn), kim loại phía trước (l2) có trở kháng âm nhỏ nhằm mục đích truyền sóng âm phía Vật liệu kích thước kim loại định tần số làm việc chuyển đổi Cơ sở thiết kế chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] Theo phân tích Langevin, biến tử xạ siêu âm (bộ chuyển đổi siêu âm) nửa bước sóng, biên độ nén đạt giá trị cực đại tâm, hai đầu hoạt động giống với bên khối, hai phần đầu thay kim loại, có chi phí thấp có hệ số phẩm chất học tốt Với cấu trúc này, tần số làm việc cụm biến tử khơng phụ thuộc vào đường kính gốm áp điện, mà phụ thuộc vào chiều dài toàn cụm biến tử Chính vậy, để thay đổi tần số cụm biến tử theo mong muốn, cần thay đổi chiều dài hai kim loại mà không cần thay đổi chiều dày gốm Cơ sở thiết kế chuyển đổi trình bày Tấm kim loại l1 có khối lượng riêng, mô đun đàn hồi vận tốc truyền âm ρB, EB, CB (trong CB  EB /  B ) Tương tự, kim loại l2 có thơng số vật liệu tương ứng ρM, EM, CM (trong CM  EM / M ) Điều kiện truyền rung động tối ưu trở kháng phần có mối liên hệ sau: ZP  ZM  ZB (2 14) Trong đó: ZP, ZM, ZB trở kháng gốm áp điện, kim loại kim loại 2; tương ứng giá trị Z tính theo cơng thức Z  .c.S Với  ; c; S khối lượng riêng, vận tốc truyền âm diện tích bề mặt tiếp xúc Bộ chuyển đổi xét có dạng trụ đối xứng làm việc tần số cộng hưởng với điểm nút áp điện Một số giả thiết sử dụng để đưa phương trình sóng dạng thuận tiện cho việc tìm lời giải chấp nhận sau: (1) sóng phẳng truyền theo phương dọc trục; (2) đặc tính vật liệu 38 số không thay đổi theo chiều dài; (3) không kể tới thay đổi thiết diện; (4) vận tốc truyền sóng tất điểm Sử dụng giả thiết trên, phương trình truyền sóng dọc viết dạng:  2u  2u  0 z c  t (2 15) Trong đó: u biên độ rung thời điểm khảo sát; z chuyển vị điểm theo phương dọc trục z; t thời gian Lời giải tổng quát cho phương trình vi phân (2.15) có dạng: z z   u ( z, t )   A.sin  B.cos  M sin(t )  N cos(t )  c c   (2 16) Trong đó: A, B giá trị chưa biết, xác định từ điều kiện biên Giá trị M, N khơng ảnh hưởng kích thước kẹp, nên bỏ qua tham gia chúng lời giải Chú ý phương trình (2.16) khác với phần khác chuyển đổi, hệ số A, B khác với phần Để tính tốn giá trị A B, điều kiện biên cần thiết lập cho chuyển đổi Tại điểm áp điện z = 0, tồn nút dao động mà biên độ dao động u(z,t) = u (0,t) = Tại z = LP/2 vị trí tiếp giáp áp điện với kẹp trước, biên độ lực không đổi điểm chung phần LP L   z, t )  u ( P  z, t )   2  Khi z  LP LP F (  z, t )  F (  z, t )   2 u( Tại z  (2 17) LP  LM (điểm cuối kẹp trước) biên độ lớn Vì vậy: u  LP  LM , z   t   Từ điều kiện biên này, giá trị A, B xác định  Với điều kiện biên phù hợp kẹp trước, phương trình liên hệ chiều dài áp điện LP kẹp trước LM sau: 39 tan(  LP 2.cP ).tan(  LM cM )  P cP AP  M cM AM (2 18) Thay giá trị thiết lập ban đầu, tính chiều dài áp điện LP; P cP AP M cM AM tìm chiều dài kẹp trước LM Với cách tương tự, hàm liên hệ u với chiều dài kẹp sau thiết lập đưa chiều dài thiết kế LB 2.3.3 Đầu khuếch đại biên độ Đầu khuếch đại biên độ, biết đến với số thuật ngữ horn/waveguide/concentrator/sonotrode, kim loại sử dụng để tăng biên độ rung động tạo chuyển đổi siêu âm Trong tài liệu này, đầu khuếch đại sử dụng thống tên gọi khác horn Một chức khác horn truyền lượng siêu âm từ chuyển đổi siêu âm vào môi trường xử lý, rắn (ví dụ, đầu hàn/cắt siêu âm v.v) chất lỏng (ví dụ, siêu âm làm sạch, nhũ tương hóa v.v) Nói chung, có 05 loại horn sử dụng ứng dụng công nghiệp mơ tả hình 22 Vật liệu chế tạo horn thường có vận tốc truyền âm lớn độ bền cao hợp kim Titan hợp kim nhơm v.v Hình 22 Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc [12][63] 40 Thơng thường, horn có tiết diện mặt cắt ngang thay đổi theo chiều dọc nhỏ dần (hội tụ) phía đầu (diện tích mặt cắt ngang giảm) biên độ rung horn tăng theo chiều dọc phía đầu Hình dạng horn định đến tỉ lệ khuếch đại biên độ, tỉ lệ khuếch đại 05 loại horn thể hình 23 Hình 23 Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc Trên hình 23, K tỉ lệ khuếch đại biên độ, S0 S1 diện tích mặt cắt ngang đầu vào (tiếp xúc với chuyển đổi) đầu (đầu làm việc) horn Quan sát cho thấy, với tỉ lệ S0/S1 horn dang bậc có tỉ lệ khuếch đại biên độ lớn nhất, horn dạng bậc sử dụng phổ biến dạng cịn lại Việc tính tốn thiết kế horn dạng bậc có chiều dài nửa bước sóng trình bày tóm tắt Hình 24 Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc Hình 24 minh họa horn dạng bậc gọi horn nửa bước sóng (Halfwave horn) Trong  chiều dài bước sóng siêu âm, u1 u2 biên độ rung dọc 41 trục mặt mút lớn mặt mút nhỏ Các cơng thức tính tốn [3, 7, 66] c E/   (2 19) c f (2 20) Trong đó: c vận tốc truyền sóng dọc (m/s), E mơ dun đàn hồi (GPa), ρ khối lượng riêng (kg/m3) f tần số rung chuyển đổi (Hz) Biên độ dao động u xác định sau: Với x ≤ /4 (chiều dài L2 chuyển đổi ≤ /4): u x  u1 cos x c cos( t ) (2 21) Với  /  x   /  ω(L-x)  u x =u2 cos  cos(ωt)  c  (2 22) Vị trí điểm có biên độ dao động khơng xnode xác định:   xnode cos   c c    x  node  4f  (2 23) Hệ số khuếch đại biên độ K tính theo cơng thức: u S D K     u1 S2  d  (2 24) Trong D, d (mm) đường kính mặt mút lớn mặt mút nhỏ đầu horn Tổng chiều dài horn L(mm) tính cơng thức: L  k1 c c  k2 4f 4f (2 25) 42 Trong tính tốn, thường lấy hệ số k1 = k2 = 1; L c   2f (2 26) Theo Marinescu [45][67] tổng chiều dài horn dạng bậc xác định cơng thức: L  L1  L2 với L1  1,5 L2  1, ku Trong đó: ku  2    ku (2 27) c với c vận tốc truyền âm vật liệu horn f tần f số việc chuyển đổi Thực tế cho thấy, cơng thức có tính chất gần dùng làm sở cho việc sơ xác định chiều dài horn Thông số rung horn sau lắp ghép phụ thuộc số yếu tố như: phẩm chất vật liệu, độ xác kích thước hình học horn v.v Hiện nay, việc tính tốn thiết kế horn thường thực phần mềm phân tích mơ phần tử hữu hạn độ xác nâng cao Song song với việc phân tích trở kháng chuyển đổi horn thiết bị có độ tin cậy cao cho phép xác định xác tần số cộng hưởng hệ từ giúp điều chỉnh kích thước horn trở nên dễ dàng 2.4 Xác định thông số cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 2.4.1 Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng cấu rung dựa quan hệ tần số kích thích trở kháng Trong đó, chuyển đổi, đầu khuếch đại biên độ dụng cụ hệ điện-cơ, mơ hình hóa tương đương mạch điện gồm điện trở R, tụ điện C điện cảm L Hiện tượng cộng hưởng xảy trở kháng (Zx) mạch nhỏ Trở kháng chuyển đổi siêu âm tỷ số điện áp đặt vào dịng điện chạy qua nó, có đặc tính phụ thuộc vào tần số nguồn điện kích thích Trở 43 kháng coi thông số quan trọng đánh giá hiệu hoạt động chuyển đổi Với mục đích xác định trở kháng, mạch điện tương đương mô tả thông số làm việc cho chuyển đổi Warren P Mason giới thiệu năm 1948 Mạch gọi với tên “Mạch vòng Mason” minh họa hình 25 Hình 25 Mơ hình hóa chuyển đổi siêu âm mạch vòng Mason Trở kháng chuyển đổi xác định công thức:   i R1    L1C1  L1  Z iC0  C0  C1  i R1    L1C0 C1  L1  (2 28) Bỏ qua điện trở, R1 = Công thức xác định trở kháng rút gọn thành:      L1C1   Z  C  C1  iC0     L1C0 C1   (2 29) Trong chuyển đổi siêu âm, có hai giá trị tần số quan trọng cần ý tần số cộng hưởng tần số phản cộng hưởng Giá trị tần số cộng hưởng ứng với tần số góc  xác định theo điều kiện: Khi tổng trở Z  0, s  1 hay f s   fr L1C1 2 L1C1 (2 30) 44 Tần số cộng hưởng (resonance frequency) fs gọi tần số cộng hưởng nối tiếp (series resonance) hay tần số cộng hưởng chuyển động (motion resonance) Tần số tương ứng với tình trạng nhánh học, mạch L1, C1 coi ngắn mạch Tải FULL (116 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Giá trị tần số phản cộng hưởng (Anti-resonance) gọi tần số cộng hưởng song song (parallel resonance) xác định theo điều kiện: Z   a  C0  C1 C0  C1 hay f a   fp L1C0 C1 2 L1C0C1 (2 31) Trong thực tế, cơng thức tính tốn dựa giả thiết nhằm đơn giản hóa q trình tính Do vậy, chuyển đổi sau thiết kế, chế tạo phải đo kiểm để xác định xác giá trị trở kháng Các thiết bị đo phân tích trở kháng thường có chi phí cao, thường thực nhà sản suất Do nghiên cứu không tập trung vào việc tính tốn, chế tạo chuyển đổi Các sở lý thuyết nói áp dụng để xác định thông số làm việc cho cấu rung trợ giúp khoan sau lắp thêm đồ gá dụng cụ cắt Cách triển khai cụ thể trình bày phần Một số phương pháp phổ biến xác định giá trị trở kháng Zx (1) Phương pháp mạch cầu (Bridge methods) Phương pháp sử dụng mạch cầu với điện trở biết Z1, Z2, Z3 kết nối với thiết bị dị tín hiệu dịng (điện kế D) máy phát tín hiệu dao động điện (OSC_ Oscillator) nguồn điện minh họa hình 26 45 Hình 26 Sơ đồ mạch vịng đo tổng trở Mạch trạng thái cân khơng có dịng điện chạy qua điện kế D điện áp hai đầu U1 = U2, Ux = U3 Khi dòng điện chạy qua điện trở Z1 với dòng chạy qua thiết bị cần đo điện trở Zx Dòng điện chạy qua điện trở Z2, Z3 Điện trở cấu rung siêu âm cần đo tổng trở (DUT - Device Under Test) Zx xác định dựa vào quan hệ: Zx  Z1 Z Z2 (2 32) Phương pháp cho độ xác cao, dải tần đo lớn (tới 300MHz), chi phí thấp Tuy nhiên nhược điểm phương pháp phải cân mạch cách thủ công Tải FULL (116 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ (2) Sử dụng mạch đo độ lệch pha điện áp với dòng điện (I-V Methods) Nguyên tắc đo trở kháng dựa phương pháp I-V [60][68] Xét mạch điện minh họa hình 27 Thiết bị cần đo trở kháng (DUT) có trở kháng cần xác định Zx DUT mắc nối tiếp với điện trở Rref Mạch kích thích nguồn xoay chiều có biên độ điện áp cố định, có tần số điều khiển Bằng cách đo giá trị điện áp VA1 VA2, xác định trở kháng theo quan hệ: trở kháng điện áp chia dòng điện 46 Hình 27 Phương pháp I - V Trở kháng thiết bị cần đo xác định theo công thức: ZX  VA2 Rref VA21  2VA1VA2 cos  VA21 (2 33) Trong đó,  góc lệch pha hai tín hiệu điện áp VA2 VA1 (3) Phương pháp cầu tự cân (Auto-balancing bridge method) Phương pháp thường sử dụng để xác định trở kháng thiết bị, với khoảng tần số vận hành tương đối lớn (đến 120MHz) Sơ đồ mạch đo thể hình 28 Hình 28 Sơ đồ mạch cầu tự cân đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng khuếch đại Để xác định trở kháng thiết bị, cần đo điện áp đầu DUT dòng điện chạy qua nó, sử dụng nguồn phát, vơn kế ampe kế Với tần số khảo sát 100 kHz cần sử dụng dạng mạch đo kiểu đơn giản Khi cấp nguồn cho mạch, giá trị dòng điện Ix, Ir, điện áp Vx, Vr xác định nhờ ampe kế vơn kế Từ xác định trở kháng DUT 2.4.2 Xác định biên độ rung 5393645 ... hưởng thông số gia công đến độ xám .90 vii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia công lỗ sâu - Mã số: ĐH2013-TN02-09... tốn thiết kế chế tạo thành cơng hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu đường kính 10 Hệ thống chưa thấy công bố nước - Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CƠNG LỖ SÂU Mã số: ĐH2013-TN02-09