phương pháp gia công phi truyền thống gia công bằng siêu âm ultra sonic machining

Gia công lỗ có đáy không sâu, với dụng cụ hình xuyếnCác yếu tố ảnh hưởng đến năng suất gia công khác:- Biên độ và tần số gia công- Tính chất cơ lý của vật liệucần gia công- Phụ tải tĩnh

GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM ULTRA SONIC MACHINING

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Sinh viên thực hiện: Lê Tuấn Đạt 20184759

Bùi Văn Định 20184771Bùi Văn Dùng 20184797Nguyễn Tiến Đạt 20184761Hoàng Văn Đức 20184786

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Khái niệm

2 Hiện tượng từ giảo

3 Tác dụng của siêu âm

II NGUYÊN LÝ GIA CÔNG

III ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CÁC THIẾT BỊ

IV THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

V ƯU NHƯỢC ĐIỂM

VI PHẠM VI ỨNG DỤNG

1 Phạm vi ứng dụng

2 Các phương pháp gia công bằng siêu âm

22

LÝ THUYẾT

33

44

Máy siêu âm dùng để gia công các chi tiết chế

tạo từ vật liệu cứng và dòn như thủy tinh, gốm

sứ, đá, germani, hợp kim cứng, kim cương v.v

55

66

77

NGUỒN ÂM, ÂM LƯỢNG

Nguồn phát âm là một vật đàn hồi, nói chính xác hơn là một môi trường đàn hồi có thể làm dao động và truyền dao động vào môi trường tiếp xúc với

88

Ngày nay đối với nguồn phát âm bằng cơ học, thay vì phải có tần số cao(Siêu âm có tần số từ 20 kHz -1GHz, nhưng dùng để gia công chỉ với tần số từ 15-^30 kHz), người ta đòi hỏi nó phải cho âm lượng lớn, bởi vì trong vùng siêu siêu âm việc gia công vật liệu tiến hành trong những điều kiện thuận lợi

Các yêu câu đối với nguồn phát âm:

- Có khả năng hòa âm

-Âm lượng có thể biến đổi

-Ổn định

-Khả năng phát sóng tốt

-Có tần số thích hợp

-Công suất lớn

99

Có nhiều phương pháp để tạo song siêu âm nhưng thường dung 3 cách:

cơ học, điện thế và từ giao Trong gia công/công nghệ chế tạo, chủ yếu sửdụng từ giao ( biến dao động điện thành giao động cơ) làm nguôn phát giaođộng

10

2 HIỆN TƯỢNG TỪ GIẢO

Vào năm 1847 J.P.Joule phát

kiến ra hiện tượng từ giảo

J.P.Joule hay James Prescott Joule là

nhà vật lý học nổi tiếng người Anh

11

Một thanh sắt từ (về cấu tạo thô đại) là một tập hợp gồm nhiều vùng nguyên tố

Ở trạng thái bình thường thì hướng các vùng này không tuân theo một quy luật nàocả

Khi đặt vào từ trường, thì các vùng sẽ tự thay đổi hướng trùng với hướng từtrường bên ngoài

Phụ thuộc vào cường độ từ trường tùy từng vật liệu mà thanh sát sẽ có lại hoặcgiãn ra Ngoài ra còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trạng thái từ hóa trước đó và chấtlượng vật liệu

12

Mô hình mô phỏngbản chất sự chuyển độngquay của vật liệu sắt từdưới tác động của từtrường ngoài

13

2 DỤNG CỤ

Dụng cụ có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau tùy theo yêu cầu

Sừ dụng nhiều nhất vẫn là dụng cụ có biên dạng giống như biên dạng củachi tiết gia công, kích thước dụng cụ bị chi phối bởi kích thước hại mài sửdụng

VD: Đối với hạt mài 6000 với dụng cụ có đường hính 11,98mm thì sẽ giacông ra lỗ có kích thước 12 0,005mm

33

2 DỤNG CỤ

Chiều dài dụng cụ thường là 25mm, kích thước của nó bằng kích thường của

lỗ trừ đi 2 lần kích thước hạt mài Tỷ số giữa chiều dài và đường kính dụng cụ

34

3 ĐẦU NỐI

Đầu nối là một bộ phận được chế tạo

để lắp dụng cụ và thanh truyền song.Đầu nối dụng cụ không chỉ đơn thuần

có ren vít đển vặn vào mà còn cần đánhbong, bôi trơn một lớp mỡ mỏng khắc mặttiếp xúc để có thể truyền hết dao động

35

4 THANH TRUYỀN SÓNG

Thanh truyền song là bộ phậntruyền dao động từ đầu từ giảo chodụng cụ

Với dạng kết cấu làm cho âmlượng tăng về phía đầu dụng cụ, ta cóthể khuếch đại dao động lên đến 100 lần, có thể gia công kim loại đượcỨng suất cơ học sinh ra lớn vìbiên đô dao động ở 2 đầu chênh lệchlớn

36

Hình đầu là có dạng hình côn Tuy đơn

giản, dễ chế tạo nhưng khả năng tang biên độ

dao động còn hạn chế>lên đến 4 lần

Hình thứ 2 có hạng cong theo hàm số mũ

Loại này có khả năng tang biên độ dao động

cao hơn loại trên nhưng lại khó chế tạo hơn

Thích hợp với gia công các lỗ nhỏ

Hình thứ 3 là loai trục bậc, dễ chế tạo, sự tăng biên độ dao đông tỷ lệ thuận vớidiện tích đầu trụ nhưng lại bị hạn chế bởi vật liệu làm thanh truyền> giá trị tăng cóthể lên tới 16 lần

37

Chú ý khi làm vật liệu thanh truyền sóng:

- Độ bền kéo lớn

- Tiêu hao âm lượng bé

- Tính chống ăn mòn xâm thực cao

38

5 BỘ CHUYỂN ĐỔI

Bộ chuyển đổi dùng để biến đổi năng lượng điện thành các dao động siêu

âm Hiện nay có hai loại được sử dụng rộng rãi là bộ chuyển đổi áp điện và bộchuyển đổi từ giao

Bộ chuyển đổi từ giao Bộ chuyển đổi áp điện

39

BỘ CHUYỂN ĐỔI ÁP ĐIỆN

Bộ chuyển đổi áp điện thực hiện chuyển đổi tín hiệu điện thành dao động cơ(truyền phát) và ngược lại(thu nhận)

Đặc tính của bộ chuyển dổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố: trong đó cócấu trúc cơ.Cấu trúc cơ ảnh hưởng đến sự hoạt động như diện tích về mặt bức xạ, giảm chấn cơhọc và các thống số cấu tạo vật lý

Sử dụng tinh thể như thạch anh với kích

thước thay đổi phụ thuộc vào trường tĩnh

điện, chiều dài phải tương ứng với tần số

nguồn phát (cộng hưởng) Có công suất có

thể lên tới 900W

40

BỘ CHUYỂN ĐỔI TỪ GIẢO

Làm việc dựa trên nguyên lý vật liệu sắt từ khi bị từ hóa sẽ thay đổi kíchthước (nickel, hợp kim pecmalci 45%Ni,55%Fe hoặc permedur 49%Ni,59%Fe2%V

Gồm có một cuộn solenoid quấn trên lõi gồm các miếng niken cán mỏng xếpchồng lên nhau, “nuôi” với nguồn xoay chiều có tần số 25kHz Công suất lên tới2400W

41

Khi làm việc, để đại được âm lượng lớn nhiệt

sinh ra rất lớn lên dung dịch làm mát hay thổi gió

Để điều chỉnh âm lượng thì thường điều chỉnh

biên độ, tần số ít được điều chỉnh hơn vì

- Tác dụng siêu âm tốt nhất vào khoảng

20kHz

- Nếu sinh ra công hưởng khi gia tăng tần số

sẽ làm giảm công suât

Vật liệu làm đầu từ giảo phải có sức bền cơ

học tốt, tổn hao từ và cơ nhỏ >hiệu suất có thể đạt

70%

42

- Mang phoi ra khỏi vùng gia công

- Tải nhiệt, ngăn không cho dung

dịch sôi, tránh xâm thực

43

Hạt mài được lựa chọn phụ thuộc và vật liệu gia công, độ cứng vật liệu, năngsuất bóc kim loại và độ bóng bề mặt yêu cầu>có độ cứng cao hơn vật liệu hia công

44

Al2O3: Độ cứng cao, an toàn với môi trường, không

bị gỉ, thích hợp khi pha dung dịch hạt mài, rẻ tiền, ít tạobụi, nhưng lại nhanh mòn Gia công thủy tinh và ceramic

SiC Silic carbide: Độ cứng cao, khả năng cắt gọt lớn

ổn định trước các tác nhân hóa học và nhiệt Nhưng lại

khó giữu trong dung dịch, chất lượng góc cạnh kém vì

giòn, khó ra công vật liệu có độ cứng cao Dùng để gia

công các bề mặt cứng, giòn, xi măng, gồm sứ

45

B4C Boron carbide: Có độ cứng lớn hơn SiC, tỷ lệ bóc

tách vật lieu cao hơn, chịu được rung động, khả năng gây

nhiễm độc thấp, ngoại trừ khi tiếp xúc với lửa sẽ sinh khí

độc Giá thành cao vì độ cứng gây khó khăn khi sản xuất hạt

mài Đạt hiểu quả cáo khi dùng để gia công tungsten

carbide, thép dụng cụ, thép làm khuôn và đá quý

Hạt mài kim cương được sử dụng khi

yêu cầu độ chính xác, độ bóng bề mặt và tốc

độ cắt cao

46

Hạt mài thường được sửdụng với kích cỡ 200-2000.Thông thường khi gia côngthô thì chọn hạt mài 200-400, cho gia công tinh chọn hạt mài800-1000

Nên thay đổi hạt mài mộtcác định kỳ điểu hiệu quả giacông cao

47

THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

48

Năng suất bóc vật liệu khí gia công siêu âm là thể tích vật liệu (phoi) được lấy đi tong một đơn vị thời gian ( mmଷ/phút)

1.NĂNG SUẤT BÓC VẬT LIỆU MRR

Năng suật bóc vật liệu và chất lượng bề mặt phụ thuộc lớn vào loai hạtmài và kích cỡ hạt mài Ngoài ra còn phụ thuộc vào tỷ số độ của chi tiết giacông và dụng cụ, độ sâu gia công và profile mặt cắt ngang dụng cụ

49

Năng suật bóc vật liệu còn phụ thuộc vào tốc độ tiến dụng cụ Trong điều kiện lý tưởng tốc độ tiến dụng cụ có thể đạt 5mm/phút

Gia công lỗ có đáyy không sâu, tốc độ tiến dụng cụ trung bình, không phải nang dụng cụ để điền đầy dung dịch mài

Gia công lỗ có sâu không thông, tốc độ tiến dụng cụ trung bình, có nâng dụng cụ

để điền đầy dung dịch mài

50

Gia công lỗ có đáy không sâu, với dụng cụ hình xuyến

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất gia công khác:

- Biên độ và tần số gia công

- Tính chất cơ lý của vật liệu

cần gia công

- Phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và

vật liệu cần gia công

- Loại bột mài và nồng độ nhũtương của bột mài

- Các cho nhũ tương vào bột

- Tiết diện dụng cụ

- Vật liệu làm dụng cụ

- Độ sâu của lỗ

51

Ảnh hưởng của biên độ và tần số dao động

Đường 1 ứng với vật liệu gia công là th, đường 2 cũng với vật liệu là thủytinh nhưng dụng cụ cắt có tiết diện vuông mmଶ

52

Ảnh hưởng của biên độ và tần số dao động

Đường 3 ứng với dụng cụ bằng ống gốm có đường kính 3mm, đường 4 vớidụng cụ ống bằng hợp kim BK8 5x8mm, có thể thấy trị số tối ưu của biên độA/kích thước hạt mài là 0,6-0,8

Suy ra năng suất có thể tang bằng cách thay đổi biên độ dao động, tăng tần số

và tỷ số giữa biên độ và kích thước hạt mài trong một giới hạn nhất định

53

Ảnh hưởng của tính chất cơ lý vật liệu giac công

Ảnh hưởng của độ sâu gia công đến năng suất

Vật liệu càng rắn thì gia công siêu âm càng dễ (điều này chỉ đúng với một chủngloại vật liệu giống nhau) Gia công germanium thì năng suất bằng 2-2,5 lần so với thủytinh

Ngoài ra đồ bền cơ của vật liệu, độ cứng tế vi của hạt mài và vật liệu gia công, cấutruc và tính chất đàn hồi vật liệu cũng ảnh hưởng đến năng suất

Gia công thủy tinh, năng suất cao nhất đạt được

với độ sâu 1-2mm Đưa dụng cụ xuống sâu hơn sẽ

giảm năng suất vì khả năng bổ sung hạt mài và việc

lấy phoi giảm Lỗ sâu chỉ có thể khoan bằng bậc

thang, còn lỗ xuyên có thê gia công từ 2 đầu

54

Ảnh hưởng của phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật cần gia công

Phụ tải ảnh hưởng tói cường độ xunglực va đập truyền từ hạt mài đến bề mặtgia công, ảnh hưởng tới nồng độ nhũtương của bột mài ở dưới mặt đầu củadụng cụ và trang thái hạt mài

Phụ tải tĩnh tối ưu khi sự luân chuyển giữa bột mài mặt đầu dụng cụ và bềmặt gia công được tốt nhất, sẽ có năng suất tối đa Thông số này phụ thuộc vào:

55

Ảnh hưởng của loại bột mài và nồng độ nhũ tương

Boron carbide thường được làm bột đánh bóng trộn với nước SiC và corunđiện chỉ dung đối với vật liệu dễ gia công bằng siêu âm như thủy tinh,germanium

Chất long thường được dùng là nước, có độ nhớt nhỏ nhất, làm ướt vừaphải, làm mát tốt, nên chỉ cần cho vào một chất chống ăn mòn

56

Ảnh hưởng của loại bột mài và nồng độ nhũ tương

Nồng độ bột mài sẽ cho năng suất cao hơn đến một trị số tối ưu Điều kiện tối ưuđạt được với tỷ lệ bột mài nước là 1:4-1:2,5 theo thể tích và 1:1-1:1,5 theo khốilượng Nếu tiếp tục tang sẽ làm dung dịch đặc, cản trở sự thẩm thấu của hạt mới.Kích thước hạt mài giảm thì năng suất giảm nếu kích thước hạt so với biên độdao động là nhỏ

57

Ảnh hưởng của tiết diện dụng cụ và độ sâu lỗ đến năng suất

Nếu diện tích dụng cụ tăngthì năng suất giảm vì việc bổsung hạt mài cũng như việc lấyphoi trở nên khó khăn hơn

58

Ảnh hưởng của tiết diện dụng cụ và độ sâu lỗ đến năng suất

Đôi khi sự biến đổi giữa tỷ lệ bóc táchvật liệu (MRR mmଷ/phút và tốc độ dụng

cụ e có sự biến đối khác nhau MRR sẽ tăngđến một giá trị đường kính dụng cụ rồi sẽgiảm

Độ sâu của lỗ càng lớn thì tốc độ tiếncủa dụng cụ/năng suât càng giảm

59

Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ và độ mòn của nó đến năng suất

Trong quá trình gia công dụng cụ bị mòn cả theo chiều dọc lẫn ngang

Mòn theo chiều dọc là do tác động gọt mài của hạt mài, mòn theo chiều

ngang là do tác động gọt mài phụ giữa hai bên dụng cụ và thành của lỗ Dụng cụrỗng hình xuyến cả mặt trong và ngoài đều bị mòn theo dạng côn

Năng suất giảm chủ yếu theo chiều dọc và một phần nhỏ theo chiều ngang Nếu muốn đảm bảo độ cứng sẽ phải tiến hành gia công thêm

Mòn theo chiều dọc phụ thuộc vào Mòn theo chiều ngang phụ thuộc vàoTính chất cơ lý của dụng cụ và vật liệu

cần gia công

Bề dày thành ống của dụng cụ

Cỡ hạt bột mài

Độ sâu gia công

Dạo động có hại theo chiều ngang của

dụng cụHình dạng của dụng cụ

60

Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ và độ mòn của nó đến năng suất

61

Ảnh hưởng của vật liệu dụng cụ và độ mòn của nó đến năng suất

Mòn theo chiều ngang (d)

Chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công lỗ có đáy Do bị mòn, dụng cụ trở nên côn, do ở mặt đầu của dụng cụ tác dụng mài mòn lớn hơn so với các phần sau

62

63

3 CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT GIA CÔNG

Khi gia công:

- Vật liệu hợp kim cứng và thép ở trên bề mặt có hiện tượng cứng nguội vàxuất hiện ứng suất dư nét ở mức độ rất bé

- Vật liệu phi kim loại và độ giòn cao sẽ xuất hiện mạng vết nút tế vi, chiềusâu vết nứt lên đến bốn lần chiều cao nhấp nhô

Độ nhám bề mặt gia công có thể đạt =12,5-0,2

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào:

- Số lượng hạt mài

- Tính chất cơ lý của vật liệu gia công

- Biên độ dao động của dụng cụ

- Độ nhám dụng cụ

- Chất lỏng chứa bột mài

64

Thông thường, phụ tải tĩnh biến đổi trong giới hạn không ảnh hưởng tới độnhám bề mặt Trong trường hợp phụ tải tĩnh biến thiên từ p=0,4-0,25kg/ ଶ ௫biến thiên trong phạm vi 3,6-4,3

Vật liệu gia công bằng thủy tinh độ hạt 100, nếu biên độ biến thiên từ 38-8thì ௫=

Thay nước bằng dầu thì ௫sẽ giảm nhưng khi gia công cần độ nhám cao, thay dầu sẽ làm năng suất giảm, khả năng đánh bóng giảm, chỉ dung khi đã thử cácbiện pháp khác

So với độ nhám ở đáy lỗ, thành lỗ có độ nhám thấp hơn 1-3 cấp Nếu dùng hạtmài có cỡ hạt lớn thì càng rõ hơn

65

66

Độ chính xác vị trí tương đối giữa dụng

cụ và chi tiết gia công

Kích cỡ hạt mài

Sự ổn định của khe hở giữa dụng cụ và

vật gia công

Độ mòn của dụng cụHình dáng hình học của dụng cụ

Độ sâu gia công

67

Đối với lỗ thông

Độ chính xác của lỗ thống có tiết diện không đổi do 3 yếu tố quyết định:

- Độ chính xác chế tạo dụng cụ

- Độ chính xác chép hình của dụng cụ

- Dao động có hại thẳng góc với trục dọc của dụng cụ

Đối với lỗ côn hoặc lỗ có bậc thì còn có độ mòn của dụng cụ, chú ý rằng lỗ sẽ

có kích thước lớn hơn dụng cụ

VD: hạt cỡ 120 thì kích thước lớn hơn 0,4-0,5mm, hạt cỡ 320 thì

0,03-0,04mm so với dụng cụ

68

Đối với lỗ thông

Mối quan hệ giữa khe hở giữa lỗ và dụng cụ với kích thước trung bình củahạt mài trường hợp gia công hợp kim cứng thì sẽ là 1,5 lần

Đối với lỗ đc gia công bằng dụng cụ có tiết diện hình vành khăn thì trị sốnhỏ hơn so với dụng cụ đặc

Có thể dung thêm tấm đệm dày từ

1-3mm cùng loại vật liệu gia công đẻ hạn

chế việc tăng kích thược ở mặt đầu trên

của lỗ Nhờ chiều dày của tấm đệm mà

đoạn tang kích thước sẽ ko rời vào lỗ

69

Đối với lỗ thông

Để đạt được độ chính xác cao thì

trước tiên gia công thô bằng dụng cụ phá,

sau đó đổi dụng cụ và bộ mài để gia công

70

Đối với lỗ không thông

Ngoài các yếu tô như ở lỗ thông, lỗ có đáy còn phụ thuộc vào độ mòn củadụng cụ Dụng cụ sẽ sao chép hình dáng sang bề mặt gia công nên phải làmbằng vật liệu chịu mòn để tránh độ cồn và sai lệch hình dáng

Đối với vật liệu khó gia công, đáy lỗ sẽ bị lồi, lồi sẽ tăng theo độ sâu Do

sự không đồng đều của hạt mài ở đáy, phần lớn nằm ở chu vi dụng cụ mànồng độ bột mài ở tâm sẽ loàng hơn Độ chính xác của lỗ (đặc biệt là đáy lỗ) không đạt được 0,05mm

71

Đối với lỗ không thông

72

ƯU NHƯỢC

ĐIỂM

73

ƯU ĐIỂM

• Gia công bất kỳ vật liệu nào bất chấp tính truyền dẫn (nhiệt, điện) của nó

• Gia công siêu âm được áp dụng để GC các vật liệu phi kim loại, nhựa, vật liệu bán dẫn như silicon, gẻmanium…

• Gia công siêu âm không tạo ra các bề mặt dị thường (biến cứng, nứt tế vi…) do hóa, nhiệt điện bởi vì gia công không thực hiện bằng tác động hóa, nhiệt, điện mà bằng cơ học

74

ƯU ĐIỂM

• Cho phép gia công được những vật liệu phi kim

loại

• Không gây ra hiện tượng nứt tế vi bề mặt

• Tính an toàn cao, khó gây ra tai nạn lao động

• Ít để lại ứng suất dư vì đặc trưng gia công không nhiệt của nó

• Cho phép gia công được những vật liệu vô cùng cứng, rắn, giòn

75

NHƯỢC ĐIỂM

• Dụng cụ mòn nhanh

• Năng suất thấp khi gia công vật liệu từ hợp kim cứng và thép đã tôi (bằng 1/20 đến 1/50 năng suất khi gia công thủy tinh, thạch anh…), bên cạnh đó dụng cụ mòn nhiều hơn

• Diện tích gia công bị hạn chế

• Chỉ có thể gia công các lỗ và hốc không sâu lắm, giới hạn hợp lý là 25-40mm Tăng độ sâu thì phải giảm nhiều năng suất, do làm tăng vai trò của quá trình mài mòn phụ, và làm khó đi việc đưa bột mài vào vùng làm việc cũng như việc lấy đi sản phẩm mài mòn của dụng cụ