Nghiên ứu công nghệ và thiết bị ép chảy các chi tiết micro kết hợp với nguồn năng lượng siêu âm

Xã hội càng phát triển dẫn đến các nhu cầu của thực tế đòi hỏi những sản phẩm nhỏ nhẹ, tích hợp nhiều chức năng đã làm xuất hiện cuộc cách mạng trong công nghệ và thiết kế chi tiết nhỏ,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Trần Đình Hưng

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ ÉP CHẢY CÁC CHI TIẾT

MICRO KẾT HỢP VỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG SIÊU ÂM

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC T.S Lê Trung Kiên

Hà Nội -2018

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204868311000000

M c l c ụ ụ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT SIÊU NHỎ VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM 3

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.2 Tổng quan về chi tiết siêu nhỏ 3

1.3 Tổng quan về công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ 4

1.3.1 Công nghệ tạo hình sản phẩm dạng khối 4

1.3.1.1 Khái niệm và phân loại 4

1.3.1.2 Dập khối trong khuôn hở 5

1.3.1.3 Dập khối trong khuôn kín 8

1.3.1.4 Ép chảy .9

1.3.2 Công nghệ tạo hình sản phẩm dạng tấm 10

1.3.2.1 Khái niệm và phân loại 10

1.3.2.2 Công nghệ cán tạo hình bề mặt 11

1.3.2.3 Cắt hình đột lỗ .13

1.3.2.4 Uốn .15

1.3.2.5 Dập vuốt .16

1.4 Tổng quan về thiết bị gia công các chi tiết siêu nhỏ 18

1.4.1 Đặc điểm của các thiết bị siêu nhỏ 18

1.4.2 Một vài thiết bị điển hình 18

1.5 Tổng quan về công nghệ siêu âm 21

1.5.1 Khái niệm siêu âm 21

1.5.2 Phân loại sóng siêu âm 22

1.5.3 Các thông số trong siêu âm 23

1.5.3.1 Phương trình truyền sóng siêu âm và siêu âm 23

1.5.3.2 Tốc độ âm thanh trong chất rắn 24

1.5.3.3 Áp lực âm (P) .24

1.5.3.4 Năng lượng âm (E) 25

1.5.3.5 Cường độ âm (I) 25

1.5.4 Tính chất của siêu âm 25

1.5.5 Cấu tạo bộ siêu âm 27

1.5.5.1 Bộ nguồn .27

1.5.5.2 Bộ chuyển đổi .28

1.5.5.3 Bộ khuếch đại Bosster 29

1.6 So sánh thiết bị tạo hình chi tiết siêu nhỏ và thiết bị tạo hình chi tiết thông thường 30 1.6.1 Kích thước 30

1.6.2 Lực tác dụng 30

1.6.3 Cấu tạo thiết bị 31

1.7 Ứng dụng của siêu âm trong gia công các chi tiết siêu nhỏ 31

1.7.1 Ép chảy 31

1.7.2 Dập vuốt 32

1.8 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo hình chi tiết Micro 34

1.8.1 Kích thước hạt 34

1.8.2 Ảnh hưởng của ma sát 36

1.8.3 ảnh hưởng của tốc độ 37

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ 40

2.1 Thông số kỹ thuật 40

- Chi tiết cần gia công 40

2.2 S ơ đồ động và nguyên lý tạo hình chi tiết 42

2.3 Sơ đồ máy và các cụm chi tiết chính 43

2.3.1 Sơ đồ máy 43

2.3.2 Các cụm chi tiết chính 44

2.3.2.1 Bàn máy 44

2.3.2.2 Cụm vít me – đai ốc 46

2.3.2.3 Cơ cấu chấp hành .47

2.3.2.4 Cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer 48

2.4 Tính toán và lựa chọn các cụm chi tiết chính 49

2.4.1 Máy ép nén khí 49

2.4.2 Nguồn phát sóng siêu âm 50

2.4.3 Xilanh- Piston khí nén 50

2.4.4 Động cơ 51

2.4.5 Bộ chuyển đổi Tranduce r 54

2.4.6 Van điện từ 55

2.4.7 Van điều áp 56

Kết luận 57

CHƯƠNG III: CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁC CỤM CHI TIẾT CHÍNH 58

3.1 Thiết bị ép chảy có tích hợp siêu âm 58

3.2 Cụm đế máy 59

3.2.1 Bàn ép 60

3.2.2 Ổ đỡ trục chính 61

3.2.3 Trục chính 62

3.3 Cụm thân máy 63

3.3.1 Bản vẽ thiết kế 63

3.3.2 Hình ảnh chế tạo chi tiết thực tế 67

3.4 Cụm mang bộ chuyển đổi Tranducer 69

3.4.1 Bản vẽ thiết kế 69

3.4.2 Hình ảnh chi tiết trong thực tế 73

3.5 Quy trình lắp ráp phần cơ khí 75

Kết luận 81

Tài liệu tham khảo 83

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng kết quả của người khác

Tác giả

Trần Đình Hƣng

nội dung của đề tài Đồng thời, tôi cũng xin gửi tới các bạn bè, đồng nghiệp đã cùng tôi trao đổi và giúp tôi tháo gỡ nhiều vướng mắc trong quá trình thực hiện.

Cuối cùng tôi xin gửi tới gia đình và người thân, những người luôn bên cạnh tôi, chỗ dựa tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian qua

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1: Một vài sản phẩm của công nghệ micro forming [10] 4

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý dập thể tích trong khuôn hở 5

Hình 1.3: Mặt phân khuôn với một vài chi tiết đơn giản 6

Hình 1.4: Hình: cấu tạo rãnh thoát biên 7

Hình 1.5: Các loại rãnh thoát biên 7

Hình 1.6: Một số sản phẩm được dập khối trong khuôn hở 7

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý quá trình dập thể tích trong khuôn kín 8

Hình 1.8: Một số sản phẩm được dập khối trong khuôn kín 8

Hình 1.9: (a) Nguyên lý ép chảy xuôi; (b) Nguyên lý ép chảy ngược 9

Hình 1.10: Một vài hình ảnh khuôn ép chảy 10

Hình 1.11: Một vài sản phẩm của công nghệ ép chảy 10

Hình 1.12: Nguyên lý tạo hình bề mặt 12

Hình 1.13: Các loại khuôn cán với các hoa văn khác nhau 12

Hình 1.14: Thiết bị cán 13

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý cắt đột bằng khuôn 13

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý cắt trên máy cắtdao thẳng 14

Hình 1.17: Khuôn cắt đột và sản phẩm 14

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý nguyên công uốn 15

Hình 1.19: Ứng dụng trong thực tế 15

Hình 1.20: Sản phẩm công nghệ uốn 16

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý dập vuốt chi tiết tròn xoay 17

Hình 1.22: Một vài sản phẩm của công nghệ dập vuốt 17

Hình 1.23: Máy tiện chi tiết siêu nhỏ 18

Hình 1.24: Máy phay chi tiết siêu nhỏ và một vài sản phẩm 19

Hình 1.25: Máy cắt dây các chi tiết siêu nhỏ và một vài sản phẩm 19

Hình 1.26: Máy ép chảy và một số sản phẩm ép 20

Hình 1.27: Sóng dọc 22

Hình 1.28: Sóng ngang 22

Hình 1.29: Sóng dọc - ngang 23

Hình 1.30: Cấu tạo bộ phát siêu âm 27

Hình 1.31: Sơ đồ khối của bộ phát sóng siêu âm 28

Hình 1.32: Tranducer 20kHz 28

Hình 1.33: Bộ khuếch đại booster 29

Hình 1.34: thiết bị ép chảy có tích hợp siêu âm và sản phẩm 31

Hình 1.35: Sản phẩm thu được sau quá trình ép chảy 32

Hình 1.36: (a) Thiết đặt quá trình dập vuốt, (b) Khuôn dập vuốt 33

Hình 2.1: Chi tiết tiếp điểm chân điện tử 40

Hình 2.2: Biểu đồ lực ép phụ thuộc hành trình chày trong quá trình ép chảy chi tiết tiếp điểm điện tử 40

Hình 2 3: Đồ thị lực với các vận tốc khác nhau 41

Hình 2.4: Sơ đồ động của máy ép khí nén có tích hợp siêu âm 42

Hình 2.5: Sơ đồ máy 43

Hình 2.6: Cụm bàn máy 44

Hình 2.7: Kiểm nghiệm bền cụm trục chính của thiết bị 45

Hình 2.8: Cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer 48

Hình 2.9: máy nén khí mini 49

Hình 2.10: Bộ nguồn phát sóng siêu âm 50

Hình 2.11: Xi lanh khí nén 50

Hình 2.12: Hình ảnh vít me- đai ốc 52

Hình 2.13: Động cơ giảm tốc 53

Hình 2.14: Cụm siêu âm 54

Hình 2.15: Van điện từ 55

Hình 2.16: Cấu tạo van điện từ 55

Hình 2.17: Van điều chỉnh áp suất khí nén 56

Hình 3 1: Bản vẽ chi tiết đế máy 59

Hình 3 2: Bản vẽ chi tiết tấm bàn ép 60

Hình 3 3: Bản vẽ chi tiết ổ đỡ trục chính 61

Hình 3 4: Bản vẽ trục chính 62

Hình 3 5:Bản vẽ lắp cụm thân máy 63

Hình 3 6: Bản vẽ bích trên 64

Hình 3 7: Bản vẽ thanh giằng 65

Hình 3 8: Bản vẽ bích dưới 66

Hình 3 9: Bản vẽ lắp cụm chứa bộ phát sóng siêu âm 69

Hình 3 10: Bản vẽ bích trên 70

Hình 3 11: Bản vẽ tấm giằng 71

Hình 3 12: Bản vẽ bích dưới 72

Hình 3 13: Quy trình lắp ráp cụm đế máy 75

Hình 3 14: Lắp ráp đầu chuyển đổi Tranducer vào cụm khung 76

Hình 3 15: lắp ráp cụm thân máy 77

Hình 3 16: Lắp ráp cụm thân máy vào trục chính 77

Hình 3 17: Lắp ổ trượt bi vào cụm thân 78

Hình 3 18: Lắp trục dẫn hướng và lò xo 78

Hình 3 19: Lắp ghép cụm nối 79

Hình 3 20: Lắp ghép động cơ và vít me đai ôc 80

Danh m ụ c bảng

Bảng 1 1: Tốc độ âm thanh trong chất rắn 24

Bảng 1 2: bảng hệ số khuếch đại theo màu sắc bosster 29

Bảng 1 3: so sánh kết quả dập khi có và không có siêu âm 34

Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật của thiết bị máy ép khí nén có tích hợp siêu âm 41

Bảng 2 2: Bảng kê chi tiết sơ đồ máy ép khí nén 44

Bảng 2 3: Bảng kê chi tiết cụm bàn máy 45

Bảng 2 4: Bảng kê chi tiết cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer 48

Bảng 2 5: Khối lượng cụm thân và cụm chứa đầu siêu âm được 52

Bảng 2 6: Bảng kê chi tiết cụm siêu âm 54

Bảng 3 1: Bảng quy cách chế tạo các cụm chi tiết máy 58

Bảng 3 2: Hình ảnh chế tạo chi tiết thực tế 68

Bảng 3 3: Hình ảnh chi tiết được chế tạo thực tế 74

1

LỜI NÓI ĐẦU

 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, ngoài những sản phẩm máy móc, sinh hoạt cuộc sống phục vụ những nhu cầu thiết yếu Xã hội càng phát triển dẫn đến các nhu cầu của thực tế đòi hỏi những sản phẩm nhỏ nhẹ, tích hợp nhiều chức năng đã làm xuất hiện cuộc cách mạng trong công nghệ và thiết kế chi tiết nhỏ, dẫn đến nhiều ứng dụng trong ngành chế tạo thiết

bị vi tính, điện thoại, đồ dùng y tế… Các quy trình được sử dụng để đạt được kích thước nhỏ như vậy là rất nhiều và nó thay đổi từ kỹ thuật thông thường sang các công nghệ phức tạp hơn, nghiên cứu về lĩnh vực này được gọi là Microforming tạo hình siêu nhỏ Nó - được định nghĩa là sản xuất các chi tiết với kích thước rất nhỏ trong phạm vi vài mm tới các chi tiết có kích thước nhỏ hơn tới µm Chế tạo các chi tiết có kích thước bình thường

và các chi tiết có kích thước cỡ vài micromet có những sự khác biệt nhau rất lớn Đặc biệt khi ta nghiên cứu và tích hợp thêm sự tác động của sóng siêu âm vào công nghệ tạo hìnhsiêu nhỏ sẽ tạo biến dạng dẻo cho kim loại được hình thành tốt hơn Quá trình ép ít có mài mòn, giảm được lực ép và bề mặt được hoàn thiện tốt hơn

Thông qua luận văn này em muốn em muốn mang đến cái nhìn sâu rộng nhất về công nghệ tạo hình chi tiết siêu nhỏ đặc biệt ở đây là thiết bị tạo hình Trong đó thiết bị đã được nghiên cứu và tích hợp thêm sóng siêu âm để hỗ trợ quá trình tạo hình

 Kết quả dự kiến

Nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép chảy các chi tiết siêu nhỏ, xây dựng thiết kế chế tạo thiết bị ép có tích hợp được thiết bị với nguồn năng lượng siêu âm

 Giới thiệu đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị ép có tích hợp siêu âm, Tranducer 20kHz Áp dụng cho các sản phẩm ép chảy với kích thước siêu nhỏ

 Phương pháp nghiên cứu

Từ cơ sở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các bài báo nước ngoài để phát triển, nghiên cứu thiết kế chế tạo và tìm cách tích hợp bộ siêu âm vào thiết bị ép

2

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình

thực tế:

 Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công các chi tiết siêu nhỏ

- Nghiên cứu tổng quan về các chi tiết siêu nhỏ

- Nghiên cứu về các thiết bị gia công trong lĩnh vực chế tạo chi tiết siêu nhỏ

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ siêu âm

- Tìm hiểu các ứng dụng của công nghệ siêu âm

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT SIÊU NHỎ

VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Việc sản xuất các chi tiết có kích thước siêu nhỏ đang ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết hơn bao giờ hết trong các lĩnh vực điện tử, máy tính, hay cả các thiết bị y tế Vì các chi tiết có kích thước rất nhỏ so với bình thường, có những chi tiết mà mắt thường khó

có thể nhìn thấy được và quá trình sản xuất ra chúng gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình bôi trơn, cung cấp nhiệt làm tăng tính biến dạng dẻo của kim loại hay đơn giản là chính kích thước của các chi tiết quá nhỏ cũng ảnh hưởng tới quá trình nghiên cứu chế tạo thiết bị sản xuất Nhờ công nghệ tiên tiến hiện nay đã có rất nhiều các phương án đưa ra nhằm mục đích hỗ trợ sản xuất các chi tiết siêu nhỏ Phương pháp tạo chi tiết siêu nhỏ bằng phương pháp gia công áp lực với sự tích hợp thêm hệ thống siêu âm đang được nghiên cứu phát triển

Đề tài được phát triển nhằm nghiên cứu chế tạo thiết bị ép sử dụng khí nén trong đó có tích hợp siêu âm Qua đó sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về phương pháp tạo hình bằng áp lực, từ đó tạo tiền đề cho các nghiên cứu sau này

1.2 Tổng quan về chi tiết siêu nhỏ

Định nghĩa: Chi tiết micro là những chi tiết có kích thước nhỏ từ một vài chục µm đến một vài mm, trong công nghệ chế tạo được gọi là các chi tiết siêu nhỏ Chúng thường được chế tạo từ những kim loại, hợp kim màu và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử, tự động điều khiển, kĩ thuật đo, máy tính và thiết bị di động Các chi tiết siêu nhỏ thuộc nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp, kích thước rất nhỏ nên chỉ có thể được chế tạo bằng công nghệ dập tạo hình như cắt, đột, uốn từ phôi tấm hay công nghệ ép chảy, dập nổi, dập khuôn kín với các đặc điểm tiết kiệm vật liệu, giảm số lượng nguyên công, năng suất và độ chính xác cao

4

Hình 1.1: Một vài sản phẩm của công nghệ micro forming [10]

1.3 Tổng quan về công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ

Công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ cũng tương tự công nghệ tạo hình các chi tiết thông thường, có điều kích thước sản phẩm và thiết bị là rất nhỏ [2,5,6]

1.3.1 Công nghệ tạo hình sản phẩm dạng khối[2,5]

1.3.1.1 Khái niệm và phân loại

5

- Dập khối trong khuôn kín

- Dập nổi

- Ép chảy

1.3.1.2 Dập khối trong khuôn hở

biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn Vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt

và khuôn không thể thiếu đi nó được.Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy búa và các loại máy ép khác

 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý dập thể tích trong khuôn hở

6

- Mặt phân khuôn chia khuôn thành 2 nửa khuôn trên và khuôn dưới, thuận lợi cho quá trình điền đầy kim loại, đặt phôi và lấy phôi ra khỏi khuôn

- Mặt phân khuôn có thể là mặt phẳng hoặc mặt gấp khúc

Hình 1.3: Mặt phân khuôn với một vài chi tiết đơn giản

- Vành biên là phần kim loại thừa bao quanh vật dập

- Tăng trở lực biến dạng để điền đầy các hốc hẹp, rãnh sâu trong lòng khuôn

- Vành biên được cắt bởi các nguyên công sau dập

- Rãnh thoát biên bao gồm vành cầu biên (a) và túi đựng kim loại (b)

7

Hình 1.4: Hình: cấu tạo rãnh thoát biên

Hình 1.5: Các loại rãnh thoát biên

Hình 1.6: Một số sản phẩm được dập khối trong khuôn hở

- Vật dập bằng phương pháp ép chảy bao gồm 2 thành phần: Phần thân và phần chân.

10

 Quá trình ép chảy xảy ra trong 3 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất xảy ra từ đầu cho đến khi phôi phình ra chạm vào thành lòng khuôn Giai đoạn này mang tính chất của nguyên công chồn nhiều hơn Giai đoạn thứ hai là giai đoạn bắt đầu từ khi chỗ phình tang trống của phôi chạm vào thành lòng khuôn cho đến khi cả lòng khuôn được điền đầy Giai đoạn thứ ba bắt đầu từ khi lòng khuôn đực được điền đầy cho đến khi kim loại được ép chảy ra lỗ thoát ra ngoài đủ khối lượng cần thiết và kết thúc quá trình ép chảy

Hình 1.10: Một vài hình ảnh khuôn ép chảy

11

-Công nghệ tạo hình kim loại tấm là công nghệ tạo hình chi tiết ( cụm chi tiết) có hình dạng và kích thước cần thiết từ kim loại tấm bằng cách biến dạng tạo hình phôi kim loại nhờ khuôn dập

- Quá trình có thể là cán nguội hoặc cán nóng tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm hoặc loại vật liệu có thể là tấm hoặc khối Sản phẩm sau khi cán hình trên trục cán có các đặc điểm sau:

- Cán không những làm thay đổi hình dạng và kích thước phôi mà còn nâng cao chất lượng kim loại, phá hủy tổ chức đúc, tạo nên tổ chức mới có độ bền cao và hạt nhỏ mịn

- Năng suất cao, dễ cơ khí hoá và tự động hoá

- Sản phẩm cán nguội có độ nhẵn và độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu lực cán lớn

và làm khuôn chóng mòn

12

Hình 1.12: Nguyên lý tạo hình bề mặt

- Để tạo các sản phẩm khác nhau ta chỉ cần thay đổi khuôn cán trên máy cán thì sẽ thu được các sản phẩm tương ứng Trong quá trình tạo hình hoàn toàn có thể sử dụng chát bôi trơn để giảm ma sát và nâng cao tuổi thọ của trục cán Chất bôi trơn có thể là dầu, hay dạng bột nhão có pha bột graphit

Hình 1.13: Các loại khuôn cán với các hoa văn khác nhauThiết bị cán được sử dụng là các loại máy cán chuyên dụng Kết cấu trục cho phép thay quả cán nhanh để đa dạng hóa sản phẩm

13

Hình 1.14: Thiết bị cán

1.3.2.3 Cắt hình đột lỗ

 Mục đích

-Pha tấm kim loại thành các tấm nhỏ

- Dập cắt tạo chi tiết

14

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý cắt trên máy cắt dao thẳng

 Sản phẩm

Hình 1.17: Khuôn cắt đột và sản phẩm

15

1.3.2.4 Uốn

 Định nghĩa: Uốn là nguyên công nhằm biến đổi các chi tiết có trục thẳng thành các

chi tiết co trục cong

 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý nguyên công uốn

Hình 1.19: Ứng dụng trong thực tế

16

Hình 1.20: Sản phẩm công nghệ uốn1.3.2.5 Dập vuốt

 Định nghĩa: Dập vuốt là nguyên công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng để tạo ra các chi tiết rỗng có hình dạng và kích thước cần thiết

18

1.4 Tổng quan về thiết bị gia công các chi tiết siêu nhỏ

1.4.1 Đặc điểm của các thiết bị siêu nhỏ

Trong công nghệ tạo hình các chi tiết nhỏ và siêu nhỏ thì các thiết bị ngoại trừ đảm bảo khả năng làm việc và hoạt động ổn định như các thiết bị cơ khí thông thường thì các thiết

bị gia công chi tiết micro còn phải đảm bảo thêm rất nhiều các yếu tố đặc biệt khác:

- Độ chính xác cao: các chi tiết nhỏ và rất nhỏ thường ó kích thước lớn nhất khoảng `vài milimet và nhỏ nhất có thể tới nanomet nên yêu cầu về mặt chính xác của các cụm chi tiết gia công trong thiết bị là rất cao

- Quá trình gia công, lắp đặt các cụm chi tiết rất phức tạp do kích thước tổng thể của máy rất nhỏ, dẫn tới quá trình lắp ghép căn chỉnh máy sẽ gặp các khó khăn

- Các chi tiết gia công rất nhỏ dẫn tới hệ thống bôi trơn và làm mát của máy cũng khá khó khăn

Các chi tiết có kích thước rất nhỏ so với các chi tiết truyền thống dẫn đến việc các thiết

bị phụ trợ nghiên cứu ứng dụng cũng có kích thước rất nhỏ và lực gia công nhỏ

1.4.2 Một vài thiết bị điển hình [5,6,11]

20

Máy cắt dây EDM lý tưởng để cắt các kim loại tấm, các rãnh đường cong và các hình dạng khác nhau cho nhiều ứng dụng khác nhau Đường kính dây tối thiểu là 20 micron cho phép cắt các chi tiết với độ chính xác rất cao Nó cũng có thể nhận được độ nhám bề mặt của Ra 0,07 micron Đối với các ứng dụng công cụ khuôn phun, có thể đạt được góc dự thảo lên tới 2,5 độ

- Máy ép chảy

Hình 1.26: Máy ép chảy và một số sản phẩm ép với các đường kính 1.2mm, 0.8mm,

0.48mm Thông số kỹ thuật

- Lực ép danh nghĩa 10kN

- Tốc độ lớn nhất của đầu trượt 0.18mm/s

- Kích thước tổng thể theo chiều dài 50mm

Máy thuộc thể loại để bàn, đầu dẫn hướng bởi trụ dẫn hướng và được dẫn động bằng động cơ tuyến tính, cối ép chảy được kẹp chặt trên bàn máy, đầu trượt, trụ dẫn hướng được nhiệt luyện cứng sau đó gia công cơ đạt độ bóng bề mặt 0.01mm

Nguyên lý hoạt động: chuyển động được truyền từ động cơ tới hộp giảm tốc sau đó chuyển đến trục vít được tạo ren theo chiều ngược nhau Khi trục vít chuyển động thì

21

đầu trượt cũng tiến lại gần hoặc xa nhau Các quá trình này đều được kiểm tra và giám sát nhờ bộ đo lực và cảm biến sau đó được phản hồi vào trục điều khiển

1.5 Tổng quan về công nghệ siêu âm [1,3]

1.5.1 Khái niệm siêu âm

Siêu âm là một loại dao động cơ học được truyền đi trong một môi trường vật chất nhất định Năng lượng cơ học này tác động vào các phần tử vật chất của môi trường làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, nhưng do tương tác mà các phân tử bên cạnh nó cũng chịu sự tác động ảnh hưởng và dao động theo, tạo thành sóng lan truyền cho tới khi hết năng lượng do vậy sóng siêu âm không thể truyền trong môi trường chân không như sóng điện từ

Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f>16kHz, cao hơn tần số âm mà con người nghe được

Siêu âm nhận được từ các nguồn dao động khác nhau : biến đổi chuyển động của các dòng thủy khí thành sóng siêu âm, chuyển đổi dao động điện thành sóng siêu âm nhờ các biến từ…về bản chất sóng siêu âm không khác với các dao động cơ học khác và nó được đặc trưng bới đại lượng vật lí: tần số, biên độ, chu kì

 Một số khái niệm cơ bản

- Chu kì (T) là khoảng thời gian thực hiện nén và giãn Đơn ị v thường được tính

bằng đơn vị đo thời gian (s/ms)

- Biên độ là kho ng cách l n nh t gi a hai đ nh cao nh t và th p nh t ả ớ ấ ữ ỉ ấ ấ ấ

- T n s (f) là s ầ ố ố chu kì dao động trong một giây, đơn vị đo là Hz

- Bước sóng (𝝀) là độ dài của một chu kì giao động

- Tốc độ siêu âm ( c) là quãng đường mà siêu âm đi được trong một đơn vị thời gian Tốc độ siêu âm không phụ thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền âm Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn siêu âm truyền với tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật

độ phân tử thấp tốc độ truyên thấp

22

1.5.2 Phân loại sóng siêu âm

 Tùy theo tính chất của môi trường đàn hồi, có hai loại sóng siêu âm:

- Sóng dọc: gây nên sự co dãn trong môi trường rắn, lỏng, khí

- Sóng trượt: gây nên sự trượt giũa các lớp môi trường chất rắn

Tùy vào nguồn phát, hai loại sóng cơ bản trên được chia ra:

- Sóng phẳng: Phát ra từ nguồn phát là mặt phẳng, nó truyền theo phương

Theo công dụng, trong môi trường đàn hồi hạn chế:

- Sóng dọc: Là sóng đàn hồi, co dãn, hướng dao động của các phần tử trùng

với hướng truyền sóng

Hình 1.27: Sóng dọc

- Sóng ngang: Là sóng đàn hồi mà hướng dao động của các phần tử thẳng

góc với phương truyền sóng

Hình 1.28: Sóng ngang

23

- Sóng dọc ngang: Là sóng đàn hồi vừa có dao động dọc vừa có dao động -

ngang của các phần tử theo phương truyền sóng

Hình 1.29: Sóng dọc - ngang

- Sóng uốn: Là sóng lan truyền trong thanh mà mặt dao động của các phần

tử không song song vói nhau như sóng ngang mà đổi hướng nghiêng với

đường trục dọc thanh

- Sóng xoắn: là sóng trượt mà mỗi tiết diện ngang nằm ở vị trí của nó nhưng

quay quanh trục thanh, còn trục thanh vẫn giữ nguyên Sóng xoắn nhận

được khi chịu tác dụng của mômen xoắn đàn hồi

1.5.3 Các thông số trong siêu âm

1.5.3.1 Phương trình truyền sóng siêu âm và siêu âm

(1) Trong đó:

P: áp lực siêu âm

t: thời gian truyền sóng

C: tốc độ siêu âm

X,y,z: tốc độ đề các 3D

24

1.5.3.2 Tốc độ âm thanh trong chất rắn

Không hạn chế (λ<<kích thước vật thể)

Hạn chế (λ>>kích thước vật thể)



(1 )

E c

G: Modul đàn hồi trượt; c: Tốc độ song; λ: Bước sóng

Bảng 1 : Tốc độ âm thanh trong chất rắn11.5.3.3 Áp lực âm (P)

 Là sự truyền sóng âm và siêu âm trong môi trường gây lên áp lực âm và được xác định bởi biểu thức:

p = p1 p– 2

p2 = p0*cosφ(ωt – kx) với ω = 2 (2)

p0 = ρ*c*v0= ρ*c*ω*A

p1: áp lực tĩnh của môi trường

p2: áp lực thay đổi do sóng âm gây ra

p0: biên độ áp lực âm

1.5.3.4 N ăng lượng âm (E)

 Mật độ năng lượng âm có thể xác định theo động năng khi tốc độ dao động đạt cực đại

1.5.3.5 Cường độ âm (I)

Cường độ âm là một đơn vị năng lượng âm truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đặt thẳng góc với phương truyền sóng sau một đơn vị thời gian:

I = E*c = ( W/cm2) (4) Cường độ âm nghe được < 10-3 W/cm2

Cường độ âm trung bình từ 0,1 – 2 W/cm2

Cường độ âm cao > 10-3W/cm2

Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên một đơn vị diện tích thường được đo bằng đơn vị W/cm2 Cường độ sóng âm sẽ suy giảm dần trên đường truyền nhưng tần số của nó không thay đổi Khác với các loại sóng âm khác, cường độ của sóng siêu âm là một giá trí tương đối, nó cho biết sự khác nhau về cường độ siêu âm tại hai vị trí trong không gian

1.5.4 Tính chất của siêu âm

 Sự lan truyền của sóng âm

26

Trong môi trường có cấu trúc đồng nhất, sóng âm lan truyền theo đường thẳng, và bị mất năng lượng dần gọi là suy giảm Sự suy giảm theo luật nghịch đạo đạo của bình phương khoảng cách Sự hấp thụ quan trọng của năng lượng âm gặp vật chất tạo nhiệt

 Sự phản xạ

Trong môi trường có cấu trúc không đồng nhất, một phần sóng âm sẽ phản hồi ở

mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng âm tạo lên âm dội hay âm vang ( echo), phần còn lại

sẽ lan truyền theo hướng của chùm sóng âm phát ra ở đường ranh giới giữa 2 môi trường

có trở kháng âm khác nhau tùy thuộc cấu trúc vật chất đặc biệt là số nguyên tử

Tổng trở âm được tính toán theo công thức:

chiều dài truyền sóng :

I = I0*e - 2αx*A = A0*e 2αx- (7) Trong đó:

- I, A: cường độ âm và biên độ dao động

- I0 và A0: cường độ âm và dao động ban đầu

27

- Α: hệ số hấp thụ âm ( 1/m)

- x: chiều dài truyền sóng (m)

1.5.5 Cấu tạo bộ siêu âm

Cấu tạo bộ chuyển đổi sóng siêu âm có cấu tạo gồm 3 phần chính:

28

Hình 1.31: Sơ đồ khối của bộ phát sóng siêu âm1.5.5.2 Bộ chuyển đổi

 Chức năng:

− Cấu t o c a b chuyạ ủ ộ ển đổi g m 4 lá th ch anh, k p giồ ạ ẹ ữa là các lá đồng m ng ỏđược c nh b i hai kh i kim loố đị ở ố ại trước và sau

− B chuyển đổ ể ịộ i d b tích nhi t hoệ ặc hư hỏng khi s d ng liên tử ụ ục đặc biệt ăn mòn mài mòn (fretting corrosion) là vấn đề ph bi n nh t khi h siêu âm ho t ổ ế ấ ệ ạ

động t n s 15 - ở ầ ố 30KHz Ăn mòn này xuất hi n khi t i hoệ ả ặc dao động t i b m t l p l i ạ ề ặ ặ ạliên t c, t o ra ma sát gi a các b m t c a b chuyụ ạ ữ ề ặ ủ ộ ển đổi / booster và gi a booster / khuôn ữhàn Tuy nhiên, khi dao động t n s ở ầ ố 40KHz, biên độ đượ ạo ra không đủ ớ để ăn c t l n mòn này xảy ra Trong trường h p này, ch nên dùng keo silicon ợ ỉ

Hình 1.32: Tranducer 20kHz

29

1.5.5.3 Bộ khuếch đại Bosster

 Nhi m v b khuệ ụ ộ ếch đại : thay đổi độ ớ l n chuy n v b m t làm vi c H tr trong ể ị ở ề ặ ệ ỗ ợ

việc gá đặ ệt h khuôn

 T n s cầ ố ộng hưởng c a booster ph i cùng t n s củ ả ầ ố ộng hưởng c a b ph n làm vi c ủ ộ ậ ệ

 M i b booster có h khuỗ ộ ệ ếch đại khác nhau tùy thu c vào yêu c u s d ng H s ộ ầ ử ụ ệ ốkhuếch đại ( gain) thông thường được quy định theo màu c a booster ủ

Bảng 1 : bảng hệ số khuếch đại theo màu sắc bosster2

Hình 1.33: Bộ khuếch đại booster

 Hi u su t làm vi c c a thi t b siêu âm ệ ấ ệ ủ ế ị ảnh hưởng r t l n n u b m t ti p giáp c a b ấ ớ ế ề ặ ế ủ ộchuyển đổi / booster, t o ra các liên k t không hoàn h o ạ ế ả

 Để tăng hiệu su t c a siêu âm ta s d ng miấ ủ ử ụ ếng đệm âm