Gia công bằng siêu âm là truyền dao động vào vùng cất dưới tần số siêu âm. Dao động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia công. Siêu âm là sóng đàn hồi có tần số từ 20 kHz đến 1 GHz, nhưng dùng để gia công chỉ với tần số từ 15 đến 30 kHz. Máy siêu âm dùng để gia công các chi tiết chế tạo từ các vật liệu siêu cứng và dòn như thủy tinh, gốm sứ, đá, germani, hợp kim cứng, kim cương Trong mài tác động siêu âm, chất nhão chứa hạt mài (B4C hoặc SiC) được cấp liên tục vào khoảng trống giữa phôi và dụng cụ rung dộng làm bằng vật liệu mềm (thép hay đồng thau). Do đó, các hạt mài trong chất nhão đạp vào bề mặt phôi và tạo ra các phoi nhỏ dạng hạt (tạo nên sự bóc tách vật liệu). Dụng cụ rung động được chế tạo có hình dạng như chi tiết gia công, Trong quá trình gia công dụng cụ cnayf được nén xuống chi tiết gia công với một lực thích hợp (khoảng vài kg lực). Biên độ dao động của dụng cụ khoảng 0,025 đến 0,09 mm.
MỤC LỤC NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG SIÊU ÂM 1.1 TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG SIÊU ÂM 1.2 HỆ THỐNG GIA CÔNG Bộ chuyển đổi từ giảo Bộ khuếch đại khí Dụng cụ .4 Chất mài nhão .4 1.3 CƠ CHẾ BÓC TÁCH VẬT LIỆU 1.4 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ Tốc độ cắt Bước tiến gia công Dụng dịch hạt mài: Năng suất .7 Chất lượng bề mặt gia công Độ xác gia công .10 1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG .12 Ưu nhược điểm 12 Phạm vi ứng dụng .12 1.6 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 15 NỘI DUNG 2.1 BÀI TẬP ỨNG DỤNG 17 TÌM QUAN HỆ GIỮA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RA VỚI CÁC THÔNG SỐ CẮT 17 2.2 VẼ ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN QUAN HỆ GIỮA CÁC CHẾ ĐỘ CẮT VÀ NHÁM BỀ MẶT: 20 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ nguyên lý gia công siêu âm sử dụng hạt mài .2 Hình Sơ đồ nguyên lý tượng từ giảo Hình Quan hệ cường độ từ trường hệ số từ giảo Hình Cơ chế bóc tách vật liệu gia cơng siêu âm Hình Gia công khoan siêu âm quay 13 Hình Sơ đồ mài siêu âm 14 Hình Gia cơng khn mẫu gia cơng hành trình 14 Hình Lắp ghép siêu âm 15 Hình Nhập liệu vào phần mềm 17 Hình 10 Các bước thực xây dựng hàm hồi quy 18 Hình 11 Cửa sổ Regression 18 Hình 12 Bảng báo cáo xuất từ phần mềm Minitab 19 Hình 13 Biểu đồ quan hệ Ra t, s, n 20 Hình 14 Biều đồ quan hệ Ra với S t 21 Hình 15 Biều đồ quan hệ Ra với N t 21 Hình 16 Biều đồ quan hệ Ra với N s 22 NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG SIÊU ÂM 1.1 Tổng quan phương pháp gia cơng siêu âm Gia công siêu âm truyền dao động vào vùng cất tần số siêu âm Dao động va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia cơng Siêu âm sóng đàn hồi có tần số từ 20 kHz đến GHz, dùng để gia công với tần số từ 15 đến 30 kHz Máy siêu âm dùng để gia công chi tiết chế tạo từ vật liệu siêu cứng dòn thủy tinh, gốm sứ, đá, germani, hợp kim cứng, kim cương Trong mài tác động siêu âm, chất nhão chứa hạt mài (B4C SiC) cấp liên tục vào khoảng trống phôi dụng cụ rung dộng làm vật liệu mềm (thép hay đồng thau) Do đó, hạt mài chất nhão đạp vào bề mặt phôi tạo phoi nhỏ dạng hạt (tạo nên bóc tách vật liệu) Dụng cụ rung động chế tạo có hình dạng chi tiết gia cơng, Trong q trình gia cơng dụng cụ cnayf nén xuống chi tiết gia công với lực thích hợp (khoảng vài kg lực) Biên độ dao động dụng cụ khoảng 0,025 đến 0,09 mm Gia công siêu âm quay giống khoan vật liệu thuỷ tinh gốm phương pháp khoan truyền thống với mũi khoan kim cương, ngoại trừ điểm mũi khoan rung động với tần số siêu âm (~20 kHz) Phương pháp không sử dụng chất mài nhão Tuy nhiên, phương pháp dung dịch trơn nguội phải bơm qua lịng dụng cụ vào vùng gia cơng để làm nguội đẩy phoi Biên độ rung động dụng cụ khoảng 0,025 đến 0,05 mm Với việc thu hẹp kích thước đầu mũi khoan tăng kích thước chiều dài nó, khả khoan nâng lên nguyên nhân sau: - Lực ma sát dụng cụ chi tiết gia công vùng cắt giảm - Hạn chế phần lõi dụng cụ cách tạo làm lạnh chảy to lõi dụng cụ - Việc đẩy phoi giảm lực tác dụng lên dụng cụ kim cương - Tốc độ khoan tăng lên giảm áp lực tác động lên dụng cụ giảm mòn dụng cụ 1.2 Hệ thống gia cơng Hình 1 Sơ đồ nguyên lý gia công siêu âm sử dụng hạt mài Hệ thống gia công siêu âm gồm phận sau: Bộ chuyển từ giảo, ống truyền song, dụng cụ phận cimg cấp chất nhão chứa hạt mài Bộ chuyển đổi từ giảo Bộ chuyển đổi từ giảo dung gia cơng siêu âm trình bày hình Trong từ giảo có cuộn dây cao tần quanh lõi từ giảo cuộn dây phân cự đặc biệt quanh phần ứng Do hiệu ứng từ giảo, từ trường với tần số siêu âm gây nên thay đổi tương ứng lõi sắt từ đặt ảnh hưởng, Hiệu ứng dung để tạo dao động với tần số siêu âm dụng cụ kẹp vào cuối từ giảo Hình Sơ đồ nguyên lý tượng từ giảo Nguyên lý vận hành từ giảo giải thích sau: Hệ số từ giảo m xác định theo cơng thức sau: m = l l Trong l độ tăng chiều dài lõi từ giảo (mm), l chiều dài ban đâu từ trường lõi từ giảo (mm) Quan hệ cường độ từ trường H hệ số từ giảo m biểu theo hình sau Từ đồ thị thấy hệ số từ giảo khơng phụ thuộc vào dấu từ trường SỰ thay đổi cường độ từ trường có độ lớn hai lần tần tố Thêm vào đó, thay đổi độ dài khơng pahir hình sin cường độ từ trường Hình Quan hệ cường độ từ trường hệ số từ giảo Bộ khuếch đại khí Trên thực tế, độ giãn dài lõi từ giảo thông thường 0,001 đến 0,1 m Giá trị nhỏ để dung vào việc gia cơng Do đó, biên độ rung động tăng lên nhờ việc lắp vào đầu từ giảo khuếch đại âm học Các nghiên cứu biên độ từ 40 đến 50 m phù hợp cho ứng dụng thực tế Hình dạng dấu âm học ảnh hưởng đến biên độ cuối Có loại đầu âm học: loại trụ, loại bậc, loại số mũ, loại cosin hypecbol loại côn Loại bậc loại mũ dung thiết kế chế tạo dễ so với loại cịn lại Đồng thau nhơm thường dung để chế tạo đầu âm học rẻ có độ bền mỏi cao (185 MN/m2) Ngồi sử dụng titan; loại lớn làm nhơm Nhược điểm chuyển đổi từ giảo hiệu suất thấp, khoảng 55%, dẫn đến nhiệt tăng phải làm nguội Hiệu suất đạt 90-95% việc sử dụng chuyển đổi điện áp thạch anh Dụng cụ Trong gia công siêu âm, dụng cụ tạo hình tuỳ theo lỗ hốc mà khách hang yêu cầu Đối với gia công siêu âm sử dụng hạt mài, phần lướn dụng cụ thường làm thép không gỉ 304 để đảm bảo bền Trong sản xuất nhỏ dung đồng Đồng dễ tạo hình SUS 304 khả chịu mịn thấp Chất mài nhão Có ba loại hạt mài thường sử dụng chất này: Oxit nhôm, cacbit silic cacbit bo Các loại hạt mài hay dung gia cơng siêu âm hạt mài có số hiệu 240, 320, 400, 600, 800 với đường kính hạt màu từ 0,009 đến 0,05 mm Chất nhão chứa hạt mài thường bao gồm 50% hạt mài 50% nước hặc benzen, dầu nhờn… Chất nhão bơm qua đầu phun đặt gần vùng tiếp xúc phôi – dụng cụ với lưu lượng khoangt 25 l/ph Việc cung cấp chất mài nhão vào vùng gia cơng thực hai phương pháp khác phương pháp bơm phương pháp hút Ngoài việc thực cắt, chất mài nhão làm mát dụng cụ chi tiết gia công Chất nhão hạt mài trở nên hiệu hạt bị mịn vỡ Tuổi thọ dự tính hạt mài vào khoảng 150 đến 200 1.3 Cơ chế bóc tách vật liệu Hình Cơ chế bóc tách vật liệu gia công siêu âm Cơ chế bóc tách vật liệu gia cơng siêu âm lsuwj dụng hạt mài mơ tả hình Có thể thầy việc bóc tách vật liệu gồm ba chế rõ rệt: - Do đập cục trực tieetps hạt mài bị kẹp dungj cụ rung động bề mặt phôi - Do cào xước tế vi va chạm tự hạt mài chuyển động qua khe hở gai công đạp vào bề mặt phơi vị trí ngẫu nhiên - Do ăn mịn bề mặt phơi bọt khí dịng chất mài nhão Phần lớn vật liệu bóc đạp trực tiếp hạt mài vào phơi Khối lượng bóc vật liệu ăn mịn bề mặt bở bọt khí nhờ 5% số tổng vật liệu bóc Với vật liệu mềm dẻo dị thường bị biến dạng dẻo trước bị bóc tốc độ thấp Tốc độ bóc tách vật liệu MRR gia cơng siêu âm xác định theo công thức: S 0,5 0,5 MMR = 5,9 f R Y H0 Trong đó: f – tần số dao động; S – áp lực tĩnh lên dụng cụ (kG/mm2); H0 – độ cứng Brinell chi tiết gia công R – Bán kính trung bình hạt mài (mm); Y – biên độ dao động (mm) 1.4 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 Tốc độ cắt Tốc độ cắt gia công siêu âm xác định công thức sau : v = 5,9 f (s/H)R.0,5.y.0,5 đó: f: Tần số dao dao động (Hz) H Độ cứng bề mặt (HBN) s: Ứng suất dụng cụ (kg/mm2) R: Bán kính hạt (mm) y: Biên độ rung động (mm) Bước tiến gia cơng Q trình gia cơng siêu âm tách hạt vật liệu khỏi chi tiết gia công Để thực trình đó, dụng cụ gia cơng cần phải có bước tiến hành S Đại luợng S lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố cường độ siêu âm, tần số biên độ dao động âm, vật liệu có kích thước Dh tích trữ lượng liên kết elk Thời gian gia công lớp vật liệu S là: t= tlk s h = s tlk = t h Vậy bước tiến gia công thực với vận tốc định: v= s h = t tlk Ứng với vật liệu khác nhau, ta có elk khác nhau; giá trị elk Dh cố định cho loại vật liệu, nên tăng tốc độ gia cơng v cách giảm thời gian tlk Do phải hiệu chỉnh tần số f, biên độ dao động A, cường độ siêu âm I, môi trường hạt mài cho đạt lượng thích hợp Dụng dịch hạt mài: Cũng vấn đề quan trọng tác nhân trực tiếp gia cơng vật liệu Hạt mài thường dùng cacbit bo suất đạt cao Ngoài chất lỏng dạng huyền phù quan trọng; dùng chất lỏng nước, dầu ma dut, dầu hoả, cồn, dầu máy, dầu gai nước đạt đạt suất cao Dung dịch hạt mài có ảnh hưởng lớn đến độ xác độ nhám bề mặt Năng suất Năng suất gia công siêu âm xác định thơng số sau: e: Tốc độ tiến dụng cụ (mm/phút) Vd: Khối lượng vật liệu lấy đơn vị thời gian v: Là thông 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: e1 = l1 t1 : 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) : e2 = n + l1 tt + nt2 : 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 với : Asz - Diện tích làm việc dụng cụ (mm2) Trường hợp gia công 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: e= Vd mm3 mm = Asz ph.mm ph Như tốc độ tiến dao với suất trung bình So sánh phoi với độ mịn dụng cụ: e= Vd 100% Vsz Tỉ lệ mòn dụng cụ dduwocjphana tích thành tủ lệ mịn theo chiều dọc tỉ lệ mòn theo chiều ngang tức độ bề mặt mịn tác dụng bột mài Năng suất gia cơng cịn bị 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 Chất lượng bề mặt gia công Thực tế nay, bề mặt gia công siêu âm biến đổi cấu trúc độ cứng tế vi lớp vật liệu bề mặt ứng suất dư nào, nhiệt độ không lớn vùng gia công, không gây sai số biến dạng nhiệt Trong trường hợp gia công siêu âm, trái với trường hợp mài cắt tia lửa điện, khơng thấy có dấu vết rạn nứt hay vết cháy bề mặt gia cơng Chính mà chất lượng bề mặt gia công liên quan đến độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào: + Kích thước hạt mài + Tính chất lý vật liệu gia công + Biên độ dao động dụng cụ + Độ nhám dụng cụ + Chất lỏng chứa bột mài Phụ tải tĩnh dụng cụ vật liệu gia công thông thường biến đổi giới hạn rộng khơng có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Trong trường hợp phụ tải tĩnh biến thiên từ p = 0,4 đến 2,5 kg/mm2 , Rmax biến thiên phạm vi 3,6 đến 4,3 m Với vật liệu gia công thủy tinh cỡ hạt 100, biên độ dao động 30 m Biên độ dao động tăng khả độ sâu thâm nhập hạt tăng Ví dụ vật liệu gia công thủy tinh, biên độ biến thiên từ 38 đến m Rmax = 32 đến 20 m Nếu thay nước dầu máy Rmax giảm, cần lưu ý trường hợp gia cơng cần đạt độ nhám cao khơng nên thay nước dầu suất giảm xuống gấp bội lần, điều kiện bổ sung luân chuyển vật liệu đánh bóng xấu đi, dùng biện pháp khác khơng đạt độ nhám mong muốn lúc thay nước dầu Sự khác biệt rõ rệt dùng bột mài có cỡ hạt lớn (cỡ hạt 280, 320, 360, 400 ) khơng có khác biệt gia cơng lỗ Thực nghiệm cho thấy rằng, độ nhám thành lỗ tăng Bằng cách hạn chế tác dụng bào mài phụ (bổ sung hạt mài qua trụ rỗng dụng cụ ) ta làm giảm bớt khác biệt thành đáy lỗ Dễ dàng thấy rằng, xác suất có khuyết tật giảm nhiều, nên giảm độ nhám mặt bên dụng cụ chế tạo dụng cụ vật liệu chống mịn Độ xác gia cơng Đối với vật liệu rắn giịn, gia cơng siêu âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, yêu tố chia làm hai nhóm sau : Những yếu tố phụ thuộc vào thiết bị độ xác điều chỉnh máy : + Độ xác thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào sai số chuyển động theo hướng tiến dụng cụ điều chỉnh đầu dao động so với bàn máy + Sự ăn khớp độ đồng trục phận đầu từ giảo tạo dao động, phận nối, dụng cụ + Độ xác cấu dùng để điều chỉnh chi tiết + Độ xác vị trí tương đối dụng cụ chi tiết gia công Trước gia công, phải kiểm tra độ xác máy tất dụng cụ phụ trợ nêu nhằm giảm đến mức tối thiểu sai số Các yếu tố phụ thuộc vào đặc tính cơng nghệ : + Kích cỡ hạt mài 10 + Sự ổn định khe hở dụng cụ vật gia cơng + Độ mịn dụng cụ + Hình dáng hình học dụng cụ + Độ sâu gia công Đối với gia công lỗ, đặc điểm khác mà người ta phân biệt gia công lỗ thơng lỗ khơng thơng Độ xác phương pháp đạt cấp 2-3, cịn độ bóng bề mặt đạt cấp 8-9 Độ xác gia cơng lỗ thơng : Độ xác lỗ thơng có tiết diện không đổi yếu tố định + Độ xác chế tạo dụng cụ + Độ xác chép hình dụng cụ + Dao động có hại thẳng góc với trục dọc dụng cụ Đối với lỗ lỗ có bậc ngồi yếu tố trên, độ mịn dụng cụ có tác động lớn đến độ xác Tuỳ theo độ xác lỗ mà chọn cấp xác chế tạo dụng cụ thiết phải ý lỗ có kích thước lớn dụng cụ Ví dụ với hạt cỡ 120 kích thước lớn với 0,4÷0,5 mm; Cỡ hạt 320 0,03÷0,04 mm, so với kích thước dụng cụ Độ xác lỗ khơng thơng : + Ngồi yếu tố nói độ xác gia cơng lỗ có đáy cịn phụ thuộc vào độ mịn dụng cụ + Độ sai lệch hình dáng dụng cụ chép sang bề mặt gia cơng Do dụng cụ phải làm vật liệu chịu mòn + Gia cơng xác lỗ có đáy thực loại phương pháp gần đúng, nhiều lần thay dụng cụ với dụng cụ làm vật liệu chịu mịn + Nếu phải gia cơng lỗ có đáy vật liệu khó gia cơng (hơp kim cứng, thép tơi) đáy lỗ lồi Độ lồi tăng với độ sâu gia công Lý nồng độ bột mài lỗng xung quanh Độ xác lỗ (đặc biệt đáy lỗ) không đạt 0,05 mm 11 1.5 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Có thể gia công vật liệu dẫn điện khơng dẫn điện - Q trình gia cơng khơng gây ảnh hưởng nhiệt không gây thay đổi hố hay điện học chi tiết gia cơng - Có thể gia cơng vật liệu kỹ thuật gốm chịu nhiệt, thuỷ tinh, silicon nitrit graphit, vật liệu composit,… - Năng suất tăng ba đến năm lần so với phương pháp gia công truyền thống gia công ác bề mặt phức tạp - Chất lượng bề mặt gia công cao, đạt độ nhám bề mặt 0,2 micromet - Q trình gia cơng tạo ứng suất dư lớp mỏng bề mặt chi tiết gia công nên độ bền mỏi chi tiết tăng lên Nhược điểm - Tốc độ bóc tách vật liệu thấp - Dụng cụ gia cơng mịn nhanh, - Độ xác gia cơng cịn hạn ché - Chiều sâu lỗ gia cơng thấp (nhỏ 2,5 lần đường kính dụng cụ) Phạm vi ứng dụng • Khoan khoan vành siêu âm Khoan khoan vành ứng dụng phương pháp gia công siêu âm quay Phương pháp cho phép khoan nhanh phương pháp khoan thông thường với lực khoan tốc độ quay mũi khoan Ví dụ khoan với lõi đường kính 13mm, hạt cỡ 120, tốc độ cắt 3000 vg/ph với áp lực 83 kPa, khoan oxit nhôm dày 13 mm phương pháp khoan siêu âm tốn thời gian trung bình 27 giây Với phương pháp khoan truyền thống, điều kiện trên, thời gian khoan đạt chiều sâu mm 80 giây 12 Hình Gia cơng khoan siêu âm quay Gia công siêu âm quay cho phép khoan áp lực thấp Điều đặc biệt có lợi khoan gia công chi tiết cứng vững Lực gia công nhỏ cho phép khoan lỗ không bị vỡ gia cơng ngăn cách lỗ nhỏ (đến vài phần tram mm) Khoan lỗ đường kính nhỏ phương pháp thơng thường gặp khí khăn lực khoan q lớn làm mũi khoan bị lệch khỏi phương thẳng đứng Khoan siêu âm khắc phục nhược điểm nên nâng cao đáng kể độ xác khoan Ví dụ, khoan siêu âm khoan hai lỗ đường kính mm sát với vách năn 0,5 mm đến độ sâu 65 mm Khoan siêu âm vành khoan lỗ đường kính mm dài 90 mm Phương pháp khoan siêu âm cho phép khoan liên tục lỗ đường kính nhỏ, khoan truyền thống thường xuyên phải rút mũi khoan để thoát phoi Việc lùi mũi khoan làm tăng thời gian khoan • Phay Khi cho dao động siêu âm tác động trục hanh vành dao phay, hiệu thu tương tự khoan Áp lực yêu cầu cắt nhỏ nhiều, trình cắt vật liệu nhanh êm Phay siêu âm mặt đầu phay hốc song song diu trì thành mỏng mức 0,75 mm • Mài bề mặt 13 Mài bề mặt thực mặt đầu đá mài kim cương đường kính nhỏ (