Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm do đặc tính rung động của đầu rung siêu âm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ******&****** TRẦN HOÀI NAM THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẶC TÍNH RUNG ĐỘNG CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Thái Nguyên - Năm 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ******&****** TRẦN HOÀI NAM THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẶC TÍNH RUNG ĐỘNG CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 8520103 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGÔ NHƢ KHOA Thái Nguyên - Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Hoài Nam Học viên: Lớp Cao học K20 Tên luận văn: Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm đo đặc tính rung động của đầu rung siêu âm Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: Tôi xin cam đoan, các nội dung và kết quả của Luận văn này do chính tôi thực hiện Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021 Ngƣời cam đoan Trần Hoài Nam i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ từ phía nhà trƣờng, các thầy/cô giáo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho em hoàn thành chƣơng trình học Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa đã định hƣớng và truyền đạt kiến thức để em có thể hoàn thành đƣợc luận văn này Mặc dù đã rất cố gắng những với kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn của em còn nhiều thiếu sót, em kính mong quý thầy cô, đồng nghiệp và những ngƣời quan tâm đóng góp để em tiếp tục bổ trợ thêm kiến thức và ứng dụng lĩnh vực rung siêu âm này vào thực tế Em xin trân trọng cảm ơn! Học viên Trần Hoài Nam ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN …………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Hệ thống đầu rung siêu âm trong công nghệ hàn 1 1.3 Mục tiêu của nghiên cứu 4 1.4 Kết cấu luận văn .5 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM 6 2.1 Giới thiệu 6 2.2 Giới thiệu về rung siêu âm .6 2.2.1 Các phƣơng pháp tạo rung động siêu âm 6 2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 8 2.3 Cấu tạo của hệ thống rung siêu âm 10 2.3.1 Nguồn phát siêu âm .10 2.3.2 Đầu phát rung siêu âm 11 2.3.3 Bộ phận khuếch đại biên độ rung ( Booster) và công tác (Horn) 18 2.4 Ứng dụng rung động siêu âm trong gia công cơ và hàn siêu âm 22 2.4.1 Ứng dụng rung siêu âm trong gia công cơ 22 2.4.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding-UW) 24 2.5 Các thông số kỹ thuật đặc trƣng cho rung siêu âm 29 2.5.1 Tần số cộng hƣởng và các phƣơng pháp xác định 29 2.6 Kết luận 37 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM 39 iv 3.1 Giới thiệu 39 3.2 Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị sử dụng .39 3.2.1 Transducer và Booster 39 3.2.2 Máy hiện sóng số 40 3.2.4 Máy khuếch đại siêu âm Piezo Amplifier EPA-102 .43 3.2.5 Sensor đo dịch chuyển 43 3.2.6 Máy phát nguồn siêu âm 44 3.2.7 Thiết bị thu thập dữ liệu DAQ 45 3.3 Thiết lập các thí nghiệm đo 45 3.3.1 Cơ sở của thí nghiệm đo tần số cộng hƣởng 45 3.3.2 Thiết lập thí nghiệm đo biên độ rung siêu âm 46 3.4 Kết luận 48 CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .54 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần chính của hệ thống hàn nhựa hay 2 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền rung động (sóng) siêu âm trong cắt kim loại siêu âm 3 Hình 1.3 Các thành phần chính của đầu rung siêu âm .4 Hình 2.1 Các ngƣỡng tần số rung động Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 7 Hình 2.3 Ảnh hƣởng của từ trƣờng biến đổi đến cấu trúc vật liệu 8 Hình 2.4 Hiệu ứng áp điện 8 Hình 2.5 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng; (b) PZT dạng Sandwich .8 Hình 2.6 Mô hình liên kết phân tử .9 Hình 2.7 Hình dạng một số mode truyền sóng 9 Hình 2.8 Hệ thống rung siêu âm 10 Hình 2.9 Máy phát điện siêu âm MPI WG3000W 11 Hình 2.10 Cấu trúc đầu phát rung siêu âm kiểu Langevin .12 Hình 2.11 Các dạng kết cấu UT: (a) Dạng đủ một chiều dài bƣớc sóng; (b) Dạng chiều dài 3 nửa bƣớc sóng; (c) Dạng chiều dài nửa bƣớc sóng, bu lông kẹp ngoài 13 Hình 2.12 UT kiểu Langevin kẹp bu-long với hai tấm áp điện .13 Hình 2.13.Mô hình cơ biểu diễn khối lƣợng tƣơng đƣơng (equivalent mass) 14 Hình 2.14 Đáp ứng cơ - điện của UT .15 Hình 2.15 Cộng hƣởng trên mạch nối tiếp .15 Hình 2.16 Cộng hƣởng trên mạch song song 16 Hình 2.17 Mạch điện đo tần số cộng hƣởng 18 Hình 2.18 Đầu khuếch đại biên độ: 20 Hình 2.19 Đầu khuếch đại biên độ dạng trụ bậc 21 Hình 2.20 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp .24 Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm 25 Hình 2.22 Vùng tần số làm việc của đầu rung 30 Hình 2.23 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở 30 vi Hình 2.24 Phƣơng pháp I – V .31 Hình 2.25 Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở .32 Hình 2.26 Thiết bị phân tích tổng trở và tần số cộng hƣởng TRZ 32 Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý đo biên độ bằng kính hiển vi 34 Hình 2.28 Hệ thống đo Laser vibrometer 34 Hình 2.29 Sơ đồ cảm biến đo biên độ rung siêu âm .35 Hình 2.30 Hệ thống đo gia tốc kế 36 Hình 2.31 Sơ đồ đo biên độ rung của Cong (a) và Emmer(b) .36 Hình 2.32 Sơ đồ mạch đo biên độ kiểu tiếp xúc 37 Hình 3.1 Đầu rung siêu âm và bộ khuếch đại 39 Hình 3.2 Máy hiện sóng số Protek 5100 40 Hình 3.3 Máy hiện sóng Rigol DS 1104Z .41 Hình 3.4 Máy phát xung Rigol DG2041A .42 Hình 3.5 Máy khuếch đại siêu âm Piezo Amplifier EPA-102 43 Hình 3.6 Cảm biến dịch chuyển RC-19 44 Hình 3.7 Máy phát nguồn siêu âm 44 Hình 3.8 Thiết bị thu thập dữ liệu DAQ 45 Hình 3.9 Sơ đồ xác định tổng trở và tần số cộng hƣởng của đầu rung .46 Hình 3.10 Đồ gá .46 Hình 3.11 Thiết lập hệ thống thí nghiệm đo biên độ của đầu rung siêu âm 47 Hình 3.12 Gá đặt đầu cảm biến dịch chuyển 48 Hình 3.13 Tín hiệu điện áp trƣớc và sau khi sử dụng phƣơng pháp lọc nhiễu 49 Hình 3.14 Kết quả đo trƣớc và sau lọc nhiễu 49 Hình 3.15 Quan hệ điện áp và thời gian 49 Hình 3.16 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hƣởng và Biên độ (Đoạn 1-2) .50 Hình 3.17 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hƣởng và Biên độ (Đoạn 3-4) 50 Hình 3.18 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hƣởng và Biên độ (Đoạn 5-6) .50 Hình 3.19 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hƣởng và Biên độ (Đoạn 7-8) .51 Hình 3.20 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hƣởng và Biên độ (Đoạn 9) 51 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng so sánh tần số cộng hƣởng của mạch mắc nối tiếp và song song 17 Bảng 2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của một số UH thông dụng 20 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của đầu rung siêu âm 39 Bảng 3.2 Đặc tính của bộ khuếch đại .40 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của máy phát xung Rigol DG2041A 42 Bảng 3.4 Tổng hợp tần số cộng hƣởng và biên bộ rung động 51 viii