Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt quá trình gia công tinh cạnh biên với ứng dụng siêu âm

Gia công có rung động trợ giúp đã được khẳng định là có thể nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền của dụng cụ cắt, đặc biệt rất hữu dụng để gia công một số vật liệu kh

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM

Giới thiệu về sóng siêu âm

Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ, có tần số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người Để phân biệt các mức độ giới hạn của rung động, thường sử dụng giá trị ngưỡng tần số rung động như minh họa trên hình 1.1 Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz Ngưỡng tần số rung động thấp hơn và cao hơn các giá trị giới hạn trên lần lượt được gọi là ngưỡng hạ âm và siêu âm Một số loài động vật như chó, mèo, cá voi hay dơi có khả năng nhận biết được tần số siêu âm (> 20 kHz) [4]

Hình 1.1 Khoảng tần số [https://rama.vn/song-sieu-am/]

Siêu âm đã được các nhà khoa học phát hiện và nghiên cứu từ rất sớm Năm

1794 nhà khoa học Lazzaro Spallanzani đã phát hiện ra loài dơi di chuyển và sằn mồi dựa vào âm thanh có tần số cao Năm 1893, Francis Galton đã phát minh ra còi Galton, loại còi có khả năng điều chỉnh tạo ra sóng siêu âm để đo thính giác của các loài động vật Đến năm 1880, hiện tượng áp điện được phát hiện bởi nhà vật lý Pierre Curie và anh trai của ông là Jacques Curie đã tạo ra một bước đột phá trong lĩnh vực công nghệ siêu âm, dựa vào đó các đầu dò siêu âm (thiết bị chuyển đổi năng lượng điện tần số cao thành năng lượng cơ học dưới dạng dao động tần số cao) đầu tiên

Thiết bị Sonar là ứng dụng thực tế đầu tiên của công nghệ siêu âm và áp điện được phát triển trong thế chiến thứ nhất để phát hiện tàu ngầm Đầu những năm 1900 là thời điểm khám phá và phát triển thú vị của siêu âm, tiềm năng của ngành vật lý và kỹ thuật này đã được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Ngày nay siêu âm được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống Các loại máy siêu âm, máy trị liệu siêu âm, máy diệt khuẩn, máy rửa siêu âm là các ứng dụng phổ biến trong y học Trong các lĩnh vực kỹ thuật sóng siêu âm cũng được ứng dụng rộng rãi như các loại cảm biến siêu âm, rada, các phương thức giao tiếp, kết nối không dây dùng sóng siêu âm, … có thể xem siêu âm là một công nghệ quan trọng và có tiềm năng phát triển trong mọi lĩnh vực.

Nguyên lý rung động siêu âm

Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện

Phương pháp từ giảo là một tính chất của các vật liệu sắt từ như sắt, coban, niken, khiên chúng nở ra hoặc co lại khi phản ứng với từ trường Nó cho phép chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học Các vật liệu này chứa các vùng biến dạng tự nhiên và các vùng không liên kết sở hữu cực từ được gọi là miền [5]

Phương pháp áp điện là hướng phổ biến nhất để tạo ra rung động siêu âm

Hiện tượng áp điện lần đầu được phát hiện năm 1817, sau đó được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà Curie vào những năm 1880 Vật liệu áp điện là một loại vật liệu đặc biệt có chứa các phân tử phân cực Khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu sẽ sinh ra điện áp tại hai cực của tấm Trái lại, nếu đặt một điện áp thay đổi lên hai mặt tấm vật liệu sẽ gây nên biến dạng trên vật liệu này Biến dạng thay đổi liên tục của tấm áp điện sẽ làm phát sinh rung động Vật liệu áp điện có đặc tính tuyệt vời là biến dạng rất nhạy với giá trị điện áp đặt lên nó Thêm nữa, vật liệu này có khả năng chịu nén rất cao

Mặc dù các thiết bị áp dụng rung động siêu sử dụng phương pháp từ giảo giúp thiết kế toàn bộ hệ thống linh hoạt hơn và dải tần làm việc rộng hơn, nhưng nhược điểm là hiệu suất tương đối thấp, chỉ ở mức 50-60% Thiết bị sử dụng phương pháp áp điện như hình 1.2 cần nhiều năng lượng hơn, nhưng hiệu suất cao hơn, ở mức 90- 96% [9] Do đó, vật liệu áp điện cho phép thiết bị dao động ở tần số rất cao khi cấu trúc của thiết bị cũng linh động hơn so với trước đây Do đó, các thiết bị siêu âm chủ yếu tạo ra rung động siêu âm bằng hiệu ứng áp điện

Hình 1 2 Hiệu ứng áp điện [9]

Nguyên lý truyền rung động siêu âm

Rung động được truyền trong môi trường dưới dạng sóng dọc Quỹ đạo của sóng được xác định vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động trong vật liệu mà nó truyền qua Khi năng lượng siêu âm truyền qua môi trường, nó sẽ dịch chuyển các nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng, dẫn đến sự mất cân bằng của các nguyên tử xung quanh Cứ như vậy, năng lượng dao động di chuyển qua môi trường đến bất kỳ không gian nào bên trong vật liệu Tuy nhiên, trong môi trường chân không không có hạt vật chất, nên năng lượng không thể truyền qua nó Các đại lượng đặc trưng liên quan đến sóng siêu âm bao gồm: tần số (f), biên độ (A), vận tốc (v) và bước sóng, trong đó tần số dao động là số chu kỳ mà một vật dao động hoàn thành trong một giây, biên độ dao động là độ dịch chuyển hoặc quãng đường lớn nhất được một điểm trên vật dao động điều hòa khỏi vị trí cân bằng Cụ thể hơn, vận tốc truyền phụ thuộc vào mật độ và môđun đàn hồi của vật liệu Do đó, vận tốc truyền trong một số loại môi trường được liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1 1 Tốc độ truyền sóng trong một số môi trường (tại 20 o C và 1 atm)

Sự truyền sóng rung động thường được mô tả dưới dạng các mode rung động Mỗi mode rung động là một hình ảnh của trạng thái sóng dung có dạng hình sin ở một tần số đặc trưng Mỗi hệ thống có thể được kích thích bởi nhiều mode rung động, được đặc trưng bởi tần số và hình dạng của mode đó Với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, các mode dao động có thể lan truyền theo bốn loại chế độ cơ bản dưới đây như ở bảng 1.2

Dạng truyền sóng Đặc điểm

Sóng dọc: dao động nén dọc theo phương truyền sóng

Sóng ngang: dao động vuông góc với phương truyền sóng

Sóng mặt- Rayleigh waves: dao động theo quỹ đạo elip

Sóng tấm-Lamb waves: sóng rung động kết hợp, đường truyền sóng luôn song song với bề mặt tấm.

Hệ thống thiết bị tạo rung động siêu âm

Hệ thống rung động siêu âm bao gồm bộ nguồn, bộ chuyển đổi (transducer), Đầu khuếch đại dao động (horn), trong đó dòng điện xoay chiều được cung cấp bởi bộ nguồn tới các miếng áp điện để tạo ra rung động siêu âm cơ học Sơ đồ cấu trúc của hệ thống rung siêu âm được minh họa trong hình 1.3 [7]

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc của một hệ gia công siêu âm [7]

1.4.1 Nguồn phát công suất siêu âm

Bộ nguồn có tác dụng chuyển đổi nguồn điện tần số thấp (thường là 50 Hz) thành năng lượng sóng sin tần số cao Bộ nguồn này có thể kiểm soát tần số cũng như công suất cấp cho hệ thống

1.4.2 Đầu phát siêu âm Đầu phát siêu âm (transducer) có tác dụng biến đổi năng lượng do bộ nguồn cung cấp thành năng lượng cơ học, tạo ra các dao động ở tần số siêu âm Việc chuyển

(magnetostrictive) và hiện tượng áp điện (piezoelectric) Đầu phát siêu âm sử dụng hiện tượng từ giảo cho phép thiết kế đầu rung linh hoạt hơn, dãi hoạt động rộng, tuy nhiên nhược điểm là hiệu suất khá thấp (50% -60%) Đầu dò sử dụng vật liệu áp điện tuy đòi hỏi năng lượng cao hơn nhưng hiệu suất cao (90% - 96%), ngoài ra vật liệu áp điện cho phép tạo các dao động ở tần số rất cao, kết cấu cũng gọn nhẹ hơn so với nguyên lý từ giảo như ở hình 1.4

Hình 1 4 Đầu phát rung siêu âm

1.4.3 Đầu khuyếch đại dao động Đầu khuếch đại dao động (booster): các đầu dò siêu âm thường cung cấp biên độ đầu ra khá thấp, do đó để đạt được biên độ dao động cần thiết cho gia công thường phải qua sự khuếch đại của booster Tuỳ thuộc vào kết cấu của hệ thống, một số có thể không có đầu khuếch đại dao động Đầu rung (ultrasonic horn) cũng có tác dụng khuếch đại biên độ dao động đầu ra, ngoài ra đầu rung được thiết kế hình dáng tuỳ theo mục đích sử dụng, đầu ra của đầu rung có thể mang thêm dụng cụ như dao cắt, mũi khoan, đầu hàn Vì vậy có thể nói đầu rung là bộ phận mấu chốt trong hệ thống siêu âm Việc thiết kế đầu rung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống

Bảng 1 3 Các dạng hình dạng của đầu rung siêu âm

Biên dạng tiêu chuẩn Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn

- Biên dạng đơn giản nhất

- Độ khuyết đại thấp nhất

- Độ khuyếch đại biên dạng lớn nhất

- Độ tập trung ứng suất cao nhất do biên dạng thay đổi đột ngột

- Ứng suất phân bổ đều do biên dạng thay đổi từ từ

- Năng lượng mất mát thấp

- Ứng suất thấp do biên dạng thay đổi đều

- Mất mát năng lượng thấp

- Độ khuyếch đại biên dạng thấp nhất

Biên dạng đặc biệt Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn

Biên dạng trụ - hàm mũ

- Phân bố ứng suất đều do biên dạng thay đổi chậm

Biên dạng trục bậc hàm mũ

- Phân bố ứng suất đều do biên dạng thay đổi chậm

Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật

Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Có thể kể đến một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sản xuất như dưới đây

1.5.1 Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm

Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm là biện pháp kết hợp sóng siêu âm truyền vào dung dịch làm sạch để tẩy rửa bề mặt chi tiết Bể rửa siêu âm thường dùng nguồn sóng âm tần số dao động trong khoảng từ 40 kHz đến 200 kHz Do chất lỏng có khả năng đi tới mọi ngóc ngách trên bề mặt chi tiết phức tạp, nguồn năng lượng của sóng siêu âm sẽ giúp loại bỏ các chất bám bẩn trên bề mặt cần làm sạch Làm sạch bằng siêu âm có thể được sử dụng cho một loạt các hình dạng, kích cỡ và vật liệu khác nhau Thiết bị này có thể làm sạch cả các vật phẩm kim loại, thủy tinh, gốm, nhựa, Một số dạng sản phẩm thường được làm sạch rất hiệu quả nhờ siêu âm như: các vi mạch điện tử, ổ đĩa cứng, thiết bị y tế; các chi tiết kim loại hình dáng phức tạp; đồ nữ trang, thiết bị quang học, gần đây siêu âm còn được ứng dụng trong xục rửa chế hòa khí, bugi của động cơ đốt trong; bóng golf; đồng hồ

Phương pháp làm sạch này cho phép giảm thời gian làm sạch chi tiết, rửa được nhiều chi tiết có hình dáng phức tạp, hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống Ngoài ra, cách tẩy rửa này còn tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, cho phép loại bỏ chất bẩn khử trùng cho rau củ, rửa nông sản; điều chế dược phẩm,

Có 2 nguyên tắc làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp với dung dịch làm sạch, bao gồm: Cơ chế tạo bóng khí (Cavitation) và dòng sóng siêu âm (Acoustic stream- ing)

Cơ chế tạo bóng khí: Làm sạch bằng siêu âm sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tạo ra bọt khí tạo bọt trong chất lỏng Những bọt khí này sau quá trình phát triển sẽ bám lên bề mặt chi tiết, khi phát nổ giải phóng năng lượng có hiệu ứng xói mòn trên các chất gây ô nhiễm dính vào các chất nền như kim loại, thủy tinh và gốm sứ Các bọt khí cũng xâm nhập vào các lỗ hổng, các vết nứt và các khe hở, có thể loại bỏ hoàn toàn các dấu vết nhiễm bẩn dính chặt hoặc nhúng vào bề mặt rắn Dưới tác dụng của sóng siêu âm, trong dung dịch tạo ra hàng nghìn các bọt không khí rất nhỏ luân phiên xuất hiện và mất đi vô cùng nhanh chóng Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan ra và sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là “hiện tượng tạo chân không” Sóng xung kích mà chúng sản ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi góc khuất của đối tượng cần tẩy rửa Ở tần số 20kHz, bọt khí khi nổ có thể tạo ra các tia năng lượng với tốc độ lên đến 400 km/h; áp suất đạt 35-70 MPa và nhiệt độ có thể lên tới 50000C trong thời gian rất nhanh (tính bằng micro giây)

1.5.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)

Hàn siêu âm là một quá trình hàn áp lực, có nguyên lý tương tự hàn ma sát Quá trình hàn sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm để nung nóng cục bộ vật liệu cần hàn đến trạng thái chảy dẻo tại vị trí bề mặt mối ghép Dao động tương đối của các bề mặt tiếp xúc phát sinh lực ma sát nung nóng cục bộ các bề mặt này Dưới tác dụng của lực ép các phần tử của chi tiết hàn được khuếch tán, thẩm thấu vào nhau tạo thành mối hàn Hàn siêu âm là một phương pháp gia công tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp điện - điện tử, hàng không vũ trụ và cơ khí chính xác…

1.5.3 Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm

Trong công nghệ thực phẩm, sóng siêu âm được ứng dụng để bảo quản, nâng cao chất lượng sản phẩm Dưới tác dụng của sóng siêu âm có tần số và cường độ xác định trong một thời gian phù hợp, chất lượng của một số loại thực phẩm được nâng cao rõ rệt Ngoài ra, siêu âm còn dùng để tiệt trùng, khử bỏ hóa chất có hại giúp bảo quản lâu hơn, chất lượng cao hơn Với các thực phẩm dẻo, xốp và dính việc thái cắt cần phải giữ được vật phẩm một cách nguyên vẹn, thẩm mỹ Các dao cắt được hỗ trợ rung động siêu âm để tạo chuyển động tương đối với thực phẩm, giảm khả năng bám dính, thuận lợi cho quá trình cắt lát

Cắt thực phẩm bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm nhờ những ưu điểm chính sau đây:

- Bề mặt cắt nhẵn phẳng, thẩm mỹ;

- Khả năng ứng dụng trên nhiều loại thực phẩm;

- Điều chỉnh kích thước lát cắt thuận tiện theo yêu cầu;

- Không giới hạn về kích thước đường kính, khối lượng, chiều dày vật phẩm;

- Dễ vệ sinh, bảo dưỡng;

- Khả năng tăng bề rộng cắt bằng cách ghép dao;

- Năng suất cắt cao, có thể đạt tốc độ cắt từ 60 đến 120 miếng / phút

Trong kỹ thuật sấy khô, nhiều loại vật phẩm với vật liệu không thể sấy nóng bằng nhiệt Vì nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi tính chất hóa lý của vật liệu Giải pháp sấy khô bằng công nghệ siêu âm cho thấy nhiều hiệu quả tối ưu Sóng siêu âm với cường độ đủ mạnh làm các phần tử trong vật liệu dao động với biên độ lớn Kết quả là các liên kết yếu bị phá vỡ, tách hơi ẩm và hơi nước dễ dàng thoát ra ngoài vật phẩm

Trong nông nghiệp, một số khâu quan trọng nhất quyết định đến năng suất cấy trồng là việc xử lý giống Phương pháp sử lý hạt nhờ sóng siêu âm cho thấy nhiều hiệu quả Sóng siêu âm có thể làm thay đổi các thành phần của các acide amin, đồng thời làm tăng quá trình oxy hóa hạt giống, làm tăng năng suất Bằng cách sử dụng sóng siêu âm, tác dụng kích thích các vi sinh vật có lợi phát triển làm tăng lượng mùn trong đất, tiêu diệt các ký sinh trùng gây hại cho cây trồng

1.5.4 Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm

Siêu âm cũng truyền được qua các vật rắn và phản xạ ở các mặt tiếp xúc giữa hai vật Do đó, có thể dùng siêu âm để phát hiện các khuyết tật trong một vật đúc, trong một kết cấu bêtông, phát hiện các tổ mối trong đê… Sơ đồ nguyên lý mô tả cơ chế xác định khuyết tật trong lòng vật thể

Dụng cụ sử dụng siêu âm để thăm dò dưới biển thông dụng hiện nay thường được gọi là Sonar, hoạt động theo nguyên tắc của rađa Sonar gồm một máy đặt ở mặt ngoài của đáy tàu, máy này phát một chùm siêu âm hẹp, gần song song; gặp đáy biển hoặc một đàn cá, một xác tàu đắm, … sóng âm phản xạ và rọi vào máy thu (đôi khi chính là máy phát, hoạt động luân phiên theo hai chế độ), được khuếch đại rồi tác động vào một máy tự động chuyển khoảng thời gian ∆t từ lúc phát sóng tới lúc thu sóng phản xạ thành khoảng cách từ tàu tới vật phản xạ sóng Do đó, Sonar có thể dùng để phát hiện tàu ngầm, các vật trôi dạt, các đàn cá, thăm dò và lập bản đồ độ sâu của đáy biển Thiết bị dò cá bằng siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển và vận tốc của đàn cá trong phạm vi hàng chục km Ngoài ra, thiết bị này còn cho biết mật độ, mức độ trọng lượng của từng loại cá Nhờ ứng dụng siêu âm, sản lượng khai thác thủy sản đã tăng lên đáng kể như hình 1.5

1.5.5 Siêu âm trong y học Ứng dụng trong y học siêu âm dựa trên nguyên tắc ghi lại hình ảnh bằng sóng siêu âm Một đầu dò siêu âm phóng vào cơ thể người bệnh một chùm siêu âm song song (tần số từ 1 đến 5 MHz), chu trỡnh rất ngắn (cỡ vài às), rồi ghi khoảng thời gian đi và về của xung; kết hợp với một máy vi tính xử lý thông tin Mỗi xung phản xạ cho ta một ảnh của một điểm trên vật đã phản xạ Máy phát chừng 1000 xung/giây và được di chuyển đều đặn tạo ảnh của toàn bộ vật thể cần quan sát Kỹ thuật này, hiện nay đã được sử dụng phổ biến trong các bệnh viện để quan sát các cơ quan nội tạng như gan, tuyến giáp, dạ dày, tuyến tiền liệt, thai nhi, thậm chí để quan sát chuyển động của van tim, nghiên cứu chuyển động của máu trong các động mạch, để phát hiện chỗ bong võng mạc, …

Do có tần số cao nên năng lượng truyền trong sóng siêu âm là khá lớn Vật hấp thụ năng lượng này có thể bị vỡ vụn thành nhiều mảnh nhỏ Do đó, trong y học, người ta còn dùng siêu âm để phá vỡ các viên sỏi trong thận, các cục máu đông, mà không phải dùng phẫu thuật Trong công nghiệp, máy đầm dùng siêu âm được sử dụng khá phổ biến để đầm bêtông, đầm đá rải đường, …

Hình 1 6 Dao mổ siêu âm Ứng dụng kỹ thuật rung siêu âm tích hợp với dụng cụ phẫu thuật được minh họa như hình 1.6 Năng lượng điện từ máy phát sẽ được chuyển thành sóng cơ học tại thân dao nhờ các đĩa sứ piezo-electric chuyển năng lượng điện thành chuyển động cơ học dọc theo chiều dài của dao và đạt tần số trên 55.000 lần/giây Dụng cụ mổ phẫu thuật được tích hợp rung động siêu âm, giúp cắt các mô mềm, cứng, xương, … giảm thiểu chảy máu và tổn thương đến các phần lân cận Thời gian phẫu thuật giảm, vết

Ngoài ra, công nghệ siêu âm còn được ứng dụng rất hiệu quả trong việc tổng hợp các loại vật liệu mới; giảm ma sát truyền động, nâng cao khả năng điền đầy kim loại lỏng cho quá trình đúc,

Rung động siêu âm trợ giúp gia công

Việc khai thác rung động siêu âm trong gia công đã được biết đến cách đây hơn

50 năm và tiếp tục được nghiên cứu phát triển ứng dụng cho đến tận ngày nay với thuật ngữ "gia công siêu âm" (Ultrasonic Machining)

Gần đây, rung động siêu âm đã được khai thác để trợ giúp cho các quá trình gia công truyền thống (tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng ), có nguyên tắc khác với "gia công siêu âm" nói trên Kỹ thuật này được biết đến với thuật ngữ “siêu âm trợ giúp gia công” hay “gia công có rung động siêu âm trợ giúp” (UAM-Ultrasonic As- sisted Machining) Ở đây, một rung động cưỡng bức (tần số siêu âm) có điều khiển được bổ sung thêm vào quá trình gia công cắt gọt kim loại Trên thực tế nhiều các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng, việc áp dụng dao động siêu âm vào quá trình cắt vật liệu cho nhiều ảnh hưởng tích cực như: lực cắt giảm đến 50% [10], giảm nhiệt cắt, giảm mài mòn dao, tăng tuổi thọ dao, cải thiện chất lượng bề mặt từ 25%-40% [9] Ngoài ra nhờ sự cải thiện về lực cắt cho phép gia công các các vật liệu cứng, giòn tiêu biểu như Titan Đây có thể xem là các đặc điểm cũng như ưu điểm nổi bật của phương pháp gia công hỗ trợ siêu âm

Hầu hết các báo cáo công bố về lĩnh vực gia công có trợ giúp của rung động siêu âm liên quan tới quá trình tiện siêu âm (UAT – Ultrasonic Assisted Turning), khoan siêu âm (UAD - Ultrasonic Assisted Drilling), phay siêu âm (Ultrasonic As- sisted Milling) [3] Hình 1.7 mô tả các ứng dụng rung động siêu âm trong các quá trình gia công thông dụng

Hình 1 7 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp [3]

Kết quả nghiên cứu về rung động trợ giúp một số lĩnh vực gia công sẽ được phân tích tổng quan trong các phần dưới đây

1.5.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp

Siêu âm trợ giúp khoan (UAD – Ultrasonic Assisted Drilling) là một trường hợp cụ thể của rung động trợ siêu âm trợ giúp gia công Trong gia công khoan có rung động siêu âm trợ giúp, một rung động siêu âm được đưa vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và phôi Thông thường quá trình này được thực hiện dưới sự kích thích của rung động theo phương dọc trục hoặc rung động xoắn quanh trục mũi khoan hoặc dạng kết hợp Các phương án bổ sung rung động cho quá trình khoan được mô tả trong các sơ đồ như trên hình 1.8

Hình 1 8 Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan

Nguyên tắc chung của UAD là bổ sung một rung động siêu âm vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và chi tiết gia công Có các phương án bổ sung rung động bao gồm: Bổ sung cho mũi khoan như ở Hình 1.8 (a, c), bổ sung cho chi tiết gia công ở hình 1.8 (b)

Trên hình 1.8 (a), phôi quay được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, đầu rung mang mũi khoan được gá trên ụ động hoặc trên bàn máy Trong mô hình này, rung động cưỡng bức được truyền đến mũi khoan Trên Hình 1.8 (b), phôi rung theo phương dọc trục (phương chạy dao) Trên hình 1.8 (c), mũi khoan vừa rung vừa quay trong khi phôi chuyển động tịnh tiến

Chern và Lee (2005) [6] đã thiết kế và phát triển hệ thống bổ sung rung động siêu âm cho mũi khoan trong quá trình khoan lỗ hợp kim nhôm Al 6061-T6 Kết quả thử nghiệm cho thấy khi hỗ trợ bởi rung động siêu âm bề mặt lỗ khoan tròn hơn, không có bavia Bề mặt thành lỗ khoan nhẵn hơn và giảm độ xiên của lỗ, độ xê dịch của tâm lỗ được cải thiện khi tăng cả biên độ và tần số rung

Amini và cộng sự (2013) [11] thực nghiệm so sánh giữa khoan có rung động trợ giúp và khoan thường trên hợp kim nhôm Al2024-T6 Lực dọc trục giảm đến 70% khi khoan có rung trợ giúp so với khoan thường đã được ghi nhận Lực dọc trục tăng khi lượng chạy dao tăng, ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực dọc trục là không đáng với cả hai kĩ thuật khoan khảo sát Tỉ số giữa vận tốc rung với tốc độ chạy dao càng lớn thì lực dọc trục càng giảm

Hình 1 9 So sánh độ tròn lỗ khoan và lực dọc trục (c) giữa (b) khoan siêu âm so với (a) khoan truyền thống

V Ostasevicius và cộng sự (2012) thực nghiệm đánh giá hiệu quả cải thiện của rung động đến quá trình khoan thép XC48 (độ cứng HB0) Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến mômen được khảo sát trong khoảng từ 600 v/ph đến 900 v/ph và 0.2 mm/v đến 0.25 mm/v Các kết quả cho thấy ở tần số rung 11.2kHz thì không có sự khác biệt về mômen giữa hai kĩ thuật khoan Ở tần số 16.6 kHz mômen khoan giảm từ 13% đến 20% khi khoan có rung trợ giúp so với khoan thường Sự khác biệt về mômen giữa hai kĩ thuật khoan càng rõ rệt khi tăng lượng chạy dao Quá trình khoan các lỗ sâu không dễ để thực hiện trên các vật liệu khó gia công như hợp kim cứng, vật liệu composite, vật liệu giòn Kỹ thuật khoan với rung động siêu âm trợ giúp cho thấy nhiều hiệu quả tích cực Khi càng khoan xuống chiều sâu lớn, việc thoát phoi càng trở nên khó khăn, làm gia tăng ma sát với mũi khoan, lực dọc trục và mô men khoan cần lớn để duy trì quá trình cắt Hình 1.9 (c) so sánh lực dọc trục khi sử dụng UAD so với khoan truyền thống Rõ ràng khi giảm lực dọc, giảm ma sát sẽ giảm mòn dụng cụ, giúp nâng cao tuổi thọ mũi khoan

1.5.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp

Phay có rung động siêu âm trợ giúp là một kỹ thuật bổ sung rung động cưỡng bức vào dao phay hoặc phôi, minh họa như Hình 1.10 Đã có nhiều nghiên cứu về gia công phay có rung động siêu âm trợ giúp [12] Các kết quả nghiên cứu cho thấy, rung động trợ giúp cũng làm giảm lực cắt [13], giảm ma sát, giảm mòn, tăng tuổi bền dụng cụ [3], cải thiện chất lượng bề mặt gia công [12], …

Hình 1 10 Mô hình phay có hỗ trợ siêu âm

1.5.2 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp

Trong quá trình tiện, dao tiện có thể được bổ sung rung động siêu âm theo 3 hướng chính độc lập nhau Các cách thức bổ sung rung động khi tiện trụ ngoài và tiện mặt đầu được mô tả như trên hình 1.11

Hình 1 11 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện

Trên Hình 1.11 rung động có thể truyền cho dụng cụ cắt theo một trong ba phương: Rung theo phương chạy dao, rung theo phương tiếp tuyến và rung theo phương hướng kính

- Kiểu 1: Rung theo phương tiếp tuyến Khi tiện trụ ngoài như hình 1.11.(a) đầu dao tiện được gá ngang tâm phôi sẽ dao động theo phương tiếp tuyến với mặt trụ phôi tại điểm cắt Khi tiện mặt đầu như hình 1.11 (b) rung động siêu âm của đầu dao nằm trên mặt đầu phôi

- Kiểu 2: Rung theo phương hướng kính Với tiện trụ ngoài, đầu mũi dao tiện nhận được rung động theo phương vuông góc với trục phôi trên mặt phẳng ngang tâm phôi Khi tiện mặt đầu, mũi dao sẽ dao động theo phương thẳng góc với mặt gia công

- Kiểu 3: Rung theo phương chạy dao Khi tiện ngoài, đầu dao tiện sẽ rung theo phương song song với chuyển động chạy dao dọc trục phôi Với tiện mặt đầu, đầu dao sẽ rung theo phương ăn dao hướng kính phôi, trên mặt phẳng phôi cần gia công

Có thể phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công theo hai loại sau đây:

(1) Hệ thống rung động theo một phương (1D): Rung động được bổ sung chỉ theo một phương duy nhất (1 trong 3 kiểu kể trên)

(2) Hệ thống rung động 2D: Là sự kết hợp của 2 hệ thống 1D để tạo rung động theo quĩ đạo elip trên dụng cụ cắt minh họa như hình 1.12 và bảng 1.4 mô tả hướng rung, quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt trong quá trình tiện rung

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu nguyên lý gia công hoàn thiện bề mặt ứng dụng dao động siêu âm Trong đó sử dụng các dụng cụ gia công hoàn thiện bề mặt ứng dụng dao động siêu âm được thiết kế sẵn để khảo sát thực nghiệm các thông số công nghệ ảnh hưởng đến nhám bề mặt và qua đó đánh giá tính khả thi của phương pháp nhẳm cải thiện một hoặc nhiều vấn đề còn tồn tại của gia công hoàn thiện truyền thống

Mục tiêu phụ của đề tài là đề xuất các định hướng cho việc cải tiến và tối ưu hoá dần kết cấu dụng cụ gia công có hỗ trợ rung siêu âm từ phân tích các khó khăn phát sinh khi tiến hành thực nghiệm có được Để có thể tích hợp được dao động siêu âm chủ động và có ích tham gia vào quá trình cắt, cần thiết kế một dụng cụ có khả năng dẫn truyền năng lượng cần có của đầu rung siêu âm đến đầu dụng cụ cắt tại khu vực gia công với yêu cầu về biên độ và tần cách hợp lý, thuận tiện Mỗi phương pháp gia công và biên dạng gia công khác nhau cũng đòi hỏi các kết cấu khác nhau sao cho phù hợp nhất

Kết quả nghiên cứu của đề tài được kỳ vọng sẽ:

- Làm chủ được công nghệ chế tạo đầu rung siêu âm theo ý muốn, nhằm trợ giúp cho quá trình gia công hoàn thiện bề mặt kích thước nhỏ, cách thức tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm hiệu quả, linh hoạt, chi phí thấp với điều kiện thiết bị hiện có trong nước

- Đánh giá được hiệu quả đầu rung đã chế tạo cho gia công bề mặt nhỏ có trợ giúp của rung động siêu âm về chỉ tiêu độ nhám bề mặt so với phương pháp gia công truyền thống

1.7.2 Nội dung Để giải quyết bài toán đánh giá, , nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận vấn đề như sau:

- Nghiên cứu nguyên lý tạo hình trong gia công, sự hình thành cấu trúc tế vi bề mặt

- Hiểu về cơ sở gia công hoàn thiện bề mặt của các phương pháp gia công truyền thống, các hạn chế còn tồn tại của các phương pháp truyền thống

- Phân tích các phương án bổ sung rung động cho quá trình tiện, phay; từ đó lựa chọn phương án bổ sung rung động thích hợp cho quá trình gia công

- Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán tham khảo được từ các tài liệu nước ngoài để thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung với tần số làm việc xác định

- Xây dựng kết cấu cụm đầu rung mang dao gia công gá trên đài dao máy tiện và máy phay;

- Sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá các giá trị tần số cộng hưởng và giá trị biên độ xoắn-dọc tại đầu dụng cụ cắt;

- Đề xuất phương pháp đo và thực nghiệm kiểm chứng giá trị tần số cộng hưởng làm việc và giá trị biên độ rung thực tại đầu dụng cụ bằng thiết bị sẵn có trong nước;

- Tiến hành thực nghiệm gia công trên vật liệu thép làm khuôn đã tôi cứng để đánh giá hiệu quả sử dụng của đầu rung thông qua hai chỉ tiêu là nhám bề mặt và lực cắt

1.7.3 Lợi ích và ý nghĩa của đề tài

Với kết quả có được, đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ gia công

Từ đó, có thể lựa chọn các thông số phù hợp để thiết kế, chế tạo các đầu rung ở các mức tần số khác nhau đi kèm với các bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer) khác nhau.

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Động học quá trình tạo hình và nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt

2.1.1 Động học tạo hình các bề mặt tự trượt

Một bề mặt được hình thành do một đường sinh nào đó chuyển động theo một quy luật nhất định, các chuyển động đó là động học hình thành bề mặt Lấy ví dụ, mặt phẳng là do một đường sinh thẳng chuyển động tịnh tiến song song với nó dựa trên một đường dẫn là đường thẳng

Dựa vào hình động học hình thành các bề mặt, có thể chọn lưỡi cắt của dụng cụ làm đường sinh để tạo hình bề mặt hoặc lưỡi cắt chuyển động tương đối với bề mặt cần tạo hình để hình thành nên đường sinh của bề mặt này

Chuyển động tạo hình là chuyển động tương đối của cặp bề mặt chi tiết và dụng cụ Với chuyển động đó sẽ hình thành bề mặt chi tiết theo quy luật hình động học tạo hình Tập hợp tất cả các chuyển động tuyệt đối của chi tiết đối với dụng cụ cắt hay ngược lại trong quá trình cắt (không tính các chuyển động chạy dao không cắt vật liệu) gọi là sơ đồ động học gia công

Các sơ đồ động học gia công thường được tổ hợp của hai chuyển động cơ bản được truyền cho phôi và dụng cụ Hai chuyển động đó là chuyển động quay tròn và chuyển động tịnh tiến Từ hai chuyển độ cơ bản này có thể tổ hợp thành các nhóm một chuyển động, nhóm hai chuyển động hay nhóm ba chuyển động [3]

Như vậy các bề mặt “tự trượt” được hình thành thông qua tổ hợp giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của cặp chi tiết và dụng cụ

2.1.2 Động học tạo hình các bề mặt tự do

Khác với gia công các bề mặt “tự trượt”, khi gia công các bề mặt tự do dụng cụ phải thực hiện các chuyển động phức tạp, tương đối so với phôi Các chuyển động tương đối này được xem như tổng hợp của các chuyển động tịnh tiến tức thới và quay tức thời Như vậy tại mỗi điểm của bề mặt dụng cụ phải xác định được các vector tiếp

Chính vì tính phức tạp trên mà các bề mặt tự do đòi hỏi nên gia công trên các máy điều khiển số (CNC)

2.1.1 Nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt

Trong thực tế, các chuyển động tạo hình có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất với các chuyển động gia công cắt gọt Điều này cho ta hai nguyên lý gia công cơ bản là gia công định hình và gia công bao hình

Gia công định hình: là phương pháp tạo hình bề mặt mà bề mặt chi tiết được chép lại theo biên dạng của bề mặt tạo bởi lưỡi cắt dụng cụ

Gia công bao hình: là phương pháp gia công tạo hình bề mặt mà bề mặt tạo thành là mặt bao của họ bề mặt tạo bởi lưỡi cắt của dụng cụ Phương pháp bao hình rất linh hoạt, có thể gia công bề mặt cho phép chuyển động “tự trượt” và các bề mặt tự do.

Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm và động lực học quá trình tạo hình

2.2.1 Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm

Hình dạng các loại dao cũng như số lưỡi cắt của dao rất đa dạng, tuỳ thuộc phương pháp gia công cũng như kích thước gia công, hình dạng gia công… Tuy nhiên, cơ bản mỗi lưỡi cắt đều có cấu tạo là một lưỡi cắt đơn như dao tiện Vì vậy để hiểu về cấu tạo hình học của dao cắt ở đây ta dùng mô hình dao tiện để phân tích Thành phần kết cấu dao tiện cơ bản như ở hình 2.1 được hình thành từ phần cắt (phần làm việc) và phần cáng dùng để gá đặt Trong thực tế hai lưỡi cắt chính và phụ không thể thẳng để giao điểm của chúng là một điểm mũi dao, do vậy quá trình chế tạo mũi dao thường có bán kính lượn tròn r

Hình 2 1 Cấu tạo dao tiện

2.2.2 Động học quá trình tạo hình

Các thông số cắt bao gồm [3]:

- Tốc độ cắt chính Vc (𝑚/𝑝ℎút) là chuyển động cắt chính tạo ra phoi Chuyển động cắt chính có thể là chuyển động quay tròn (tiện, phay…), có thể là chuyển động tịnh tiến (bào, xọc…)

- Tốc độ tiến dao (lượng chạy dao) F là lượng dịch chuyển theo phương của chuyển động chạy dao sau một vòng quay của chuyển động cắt chinh (mm/vòng), hoặc sau một phút (mm/phút)

- Chiều sâu cắt t(mm) là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia công đo theo phương vuông góc với bề mặt đã gia công

Phân tích lực trong quá trình cắt [3]:

Trong quá trình cắt, dao tác dụng lên lớp cắt một lực làm cho lớp cắt biến dạng và tạo thành phoi Để chống lại ngoại lực, lớp cắt tác dụng vào dao (mặt trước và mặt sau) một lực - lực do biến dạng Khi cắt phoi trượt lên mặt trước, mặt sau trượt trên bề mặt gia công tạo ra các lực ma sát Lực chống lại lực biến dạng và ma sát tác dụng lên dao là lực cắt Hợp các lực tác dụng lên mặt trước theo phương pháp tuyến với mặt trước là 𝑵 ⃗_𝟏 và theo tiếp tuyến với mặt trước là 𝑭 ⃗_𝟏 Hợp hai lực tác dụng lên mặt trước là lực 𝑸 ⃗_𝟏 = 𝑵 ⃗_𝟏+ 𝑭 ⃗_𝟏 như hình 2.2

Hình 2 2 Lực cắt - sơ dồ lực tác dụng lên dao [3]

Hợp các lực tác dụng lên mặt sau theo phương pháp tuyến là 𝑵 ⃗_𝟐, và theo hướng tiếp tuyến là 𝑭 ⃗_𝟐 Hợp hai lực 𝑵 ⃗_𝟐và 𝑭 ⃗_𝟐 là lực Q ⃗_2 = 𝑵 ⃗_𝟐+ 𝑭 ⃗_𝟐 tác dụng lên mặt sau Hợp hai lực 𝑸 ⃗_𝟏 và 𝑸 ⃗_𝟐 ta có lực cắt 𝑹 ⃗.

Sự hình thành bề mặt và chất lượng hình học tế vi bề mặt

2.3.1 Thông số hình học lớp kim loại bị cắt

Thông số hình học lớp cắt được định nghĩa như hình 2.3 [3]:

Chiều dày lớp cắt a (mm) là chiều dày lớp kim loại bị cắt đo theo phương vuông góc với hình chiếu của lưỡi cắt chính trên mặt đáy [3]

𝐚 = 𝐅 × 𝐬𝐢𝐧𝛗 (2.1) Chiều rộng cắt b(mm) là chiều rộng cắt đo theo chiều dài lưỡi cắt chính trên mặt đáy

Từ phương trình (2.1) và (2.2) ta tính được diện tích cắt A (mm2) như ở phương trình (2.3)

Hình 2 3 Thông số hình học lớp cắt [3]

2.3.2 Diện tích cắt dư - chiều cao nhấp nhô hình học H

Như đã phân tích ở trên, dụng cụ cắt là các lưỡi cắt đơn điểm hoặc tập hợp các lưỡi cắt đơn điểm Vì vậy diện tích cắt danh nghĩa và diện tích cắt thực là khác nhau Diện tích phần cắt thực ít hơn diện tích cắt danh nghĩa Phần diện tích chênh lệch được định nghĩa là diện tích cắt dư

Giả sử lưỡi cắt thẳng có bán kính r = 0 (hình 2.4 (a)), diện tích cắt danh nghĩa A= a×b là diện tích hình bình hành ABEF, diện tích cắt thực tế là diện tích hình tứ giác ACEF, do đó diện tích cắt dư ABC có chiều cao nhấp nhô H

Hình 2 4 Diện tích cắt dư và chiều cao nhấp nhô: (a) dao cắt có bán kính r=0; (b)

Thực tế dao cắt luôn có bán kính r > 0 (hình 2.4 (b)), tuy vậy vẫn sẽ tồn tại cùng diện tích cắt dư tại giữa 2 vị trí dao và tồn tại chiều cao nhấp nhô H

Như vậy có thể kết luận, các bề mặt hình học kỹ thuật được gia công bằng các dao cắt đơn điểm không phải là các bề mặt trơn nhẵn mà luôn tồn tại các đỉnh nhấp nhô có chiều cao H Từ các quan hệ hình học cũng như nghiên cứu thực nghiệm, người ta kết luận chiều cao nhấp nhô H phụ thuộc vào các yếu tố sau đây [18a]:

- Chiều cao nhấp nhô hình học của bề mặt H phụ thuộc vào trị số lượng chạy dao F, góc 𝜑, φ_1

- Chiều cao nhấp nhô hình học H sẽ giảm khi tăng bán kính mũi dao r và giảm lượng chạy dao F, góc 𝜑, φ_1

- Thực tế chiều cao nhấp nhô bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như: biên dạng dư, đàn hồi, rung động, …

Chiều cao nhấp nhô hình học H do dao cắt có bán kính r, cắt với tốc độ tiến dao

S có thể tính gần đúng như sau [3]:

Các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống

2.4.1 Cơ sở và các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống

Như ta đã phân tích ở trên, các nhấp nhô bề mặt để lại sau quá trình gia công là đặc điểm hình học đặc trưng của dao cắt đơn điểm trong phương pháp gia công bao hình Biết được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như chế độ cắt, hình học dao cắt nên cơ sở cho các phương pháp gia công hoàn thiện hoàn toàn dựa vào việc điều chỉnh các thông số trên

- Điều chỉnh chế độ cắt, giảm lượng chạy dao S (mm/vg), giảm chiều sâu cắt t (mm)

- Sử dụng dao cắt có bán kính mũi dao r > 0, tăng số lượng lưỡi dao, sử dụng các loại dao có góc sau bằng 0 (𝛼 = 0)

Một số phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống thực tế: Phương pháp tiện tinh, phay tinh… trong các quá trình này ta có thể nhận thấy các thông số cắt thường được điều chỉnh với lượng chạy dao S (mm/v) và chiều sâu cắt t (mm) rất nhỏ Các loại dao phay tinh thường có bán kính nhỏ, số lượng răng nhiều

Các phương pháp gia công tinh lỗ, rãnh như: doa, chuốt…cũng dựa trên các cơ sở trên, dao doa và dao chuốt có số lượng răng cắt lớn, chiều sâu cắt qua của mỗi lần doa khoảng 0.05mm Dao doa còn được làm với lưỡi cắt chính dài (đa điểm) thay vì lưỡi cắt đơn điểm

Phương pháp gia công mài là phương pháp gia công tinh cho độ hoàn thiện bề mặt tốt nhất có thể đạt đến 0,025 [12], gia công được đa dạng các dạng bề mặt với nhiều dạng gia công mài khác nhau Đặc điểm chung của phương pháp mài bao gồm [12]:

- Tốc độ cắt rất cao, một số phương pháp như mài ngoài, mài phẳng, đánh bóng,

…, vận tốc cắt có thể đạt từ 1000 - 2000 (m/ph) thậm chí lên đến trên 5000 (m/ph)

- Chiều sâu cắt t (mm) thấp có thể đạt tới 0,0075

- Về bản chất các hạt mài đa cạnh cũng như các dao cắt đơn điểm (có góc trước, góc sau)

2.4.2 Vấn đề tồn tại ở các phương pháp gia công hoàn thiện truyền thống Đề gia công các bề mặt tinh thì các phương pháp gia công hoàn thiện truyền thống dựa trên việc điều chỉnh cấu tạo hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt với vận tốc cắt rất cao, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt thấp Điều này dẫn đến một số khó khăn sau:

- Các loại dao phục vụ gia công tinh thường có cấu tạo phức tạp hơn dẫn đến chi phí chế tạo dao cao

- Phương pháp điều chỉnh chế độ cắt cũng có giới hạn riêng Để đảm bảo năng suất, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt không thể quá thấp

- Tuy nhiên, một vấn đề lớn của các phương pháp truyền thống là khi gia công tinh các bề mặt nhỏ như các rãnh, lỗ, lồng khuôn…Như đã phân tích ở trên, các phương pháp gia công tinh có vận tốc cắt rất cao Đơn cử như các phương pháp mài có thể lên đến 2400-5200 (m/phút) [12] Từ vận tốc cắt như ở phương trình (2.5), ta có thể tính tốc độ quay trục chính qua phương trình (2.6)

𝐒 = 𝟏 𝟎𝟎𝟎 × 𝐕𝐜/(𝛑 × 𝐝) (2.6) Trong đó, S (vòng/phút) là tốc độ quay trục chính; Vc (m/phút) là vận tốc cắt bề mặt; d(mm) là đường kính dao hoặc chi tiết

Như vậy có thể thấy khi diện tích cần gia công rất nhỏ như các lỗ, rãnh, hốc đòi hỏi đường kính dụng cụ nhỏ dẫn đến tốc độ quay trục chính rất cao, để có thể đạt được vận tốc cắt của các phương như mài, đánh bóng.

Xác định các thông số cơ bản của hệ siêu âm

2.5.1 Cơ sở chọn tần số và biên độ dao động Để có thể đạt hiệu quả tốt trong quá trình gia công cũng như có dữ liệu đầu vào cho cho việc thiết kế dụng cụ ta cần xác định tần số và biên độ dao động phù hợp

Vận tốc dao động cực đại được tính qua phương trình (2.7) [12]

Trong đó Vtmax (m/s) là vận tốc dao động cực đại; Ao(m) là biên độ dao động;

𝑓(𝐻𝑧) là tần số dao động

Trên cơ sở các nghiên cứu khoa học cho thấy, đối với phương pháp truyền dao động siêu âm theo phương vuông góc vận tốc cắt (phương tiến dao) sẽ có hiệu quả khi vận tốc dao động lớn hơn hoặc bằng vận tốc tiến dao [12],

𝐕 𝐭𝐦𝐚𝐱 (𝐦/𝐬) ≥ 𝟔𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐅×𝐒 (2.8) Trong đó F là lượng chạy dao vòng (mm/vg) và S (vòng/ph) là tốc độ quay trục chính

Trên thị trường hiện nay bán sẵn các đầu dò siêu âm (transducer) với các tần số khác nhau, vì vậy ta có thể cố định giá trị tần số 𝑓 và tính giá trị biên độ dao động Ao nhỏ nhất cần đạt được Từ phương trình (2.7) và (2.8) suy ra phương trình tính giá trị biên độ dao động Ao

Quá trình thiết kế sẽ không thể đạt được chính xác giá trị biên độ tính toán, tuy nhiên với tần số dao động xác định ta phải đảm bảo biên độ dao động lớn nhất có thể và lớn hơn giá trị tính toán tại phương trình (2.9)

Như vậy, ta có thể tính biên độ dao động tối thiểu ở các mức tần số khác nhau tương ứng với các mức vận tốc dao động cực đại khác nhau đồng thời kết hợp với mức công suất cần thiết để lựa chọn chế độ dao động phù hợp Về cơ bản, vận tốc dao động càng lớn khả năng xoá bỏ các đỉnh nhấp nhô càng cao

Bên cạnh đó, để có thể chọn tần số và biên độ dao động trước hết phải xác định được chế độ cắt Vật liệu dùng làm thực nghiệm và chế độ cắt được cho dưới Bảng 2.1

Bảng 2 1 Vật liệu thực nghiệm và thông số cắt

Vật liệu gia công Nhôm

Vận tốc cắt Vc – (m/ph) 100

Lượng chạy dao S – (mm/vg) 0.05

Tốc độ trục chính n (vg/ph) 1000

2.5.2 Cơ sở tính công suất nguồn siêu âm

Như đã trình bày ở chương tổng quan, các nguồn siêu âm có các mức công suất rất đa dạng tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng Đối với các ứng dụng thường thấy trong ngành kỹ thuật cơ khí như gia công siêu âm hay hàn siêu âm, công suất nguôn thường trên 500 W, tuy nhiên trong ứng dụng này nguồn siêu âm cần cung cấp đủ năng lượng lượng để làm phẳng các đỉnh nhấp nhô chỉ vài 𝜇𝑚 nên công suất nguồn sẽ không cao Để tính công suất bóc tách vật liệu có nhiều phương pháp khác nhau, ở đây sẽ sử dụng phương pháp tính công suất thông qua năng lượng cắt riêng

Năng lượng cắt riêng được định nghĩa là năng lượng cần thiết bóc tách một thể tích vật liệu trong đơn vị thời gian và được tính theo phương trình (2.10) [12]:

Trong đó, U (J/mm 3 ) là năng lượng lượng cắt riêng của vật liệu Pc (W) là công suất cắt cần thiết; MRR (mm 3 /s) là lượng vật liệu bóc tách MRR phụ thuộc vào chế độ cắt và được xác định bằng phương trình (2.11)

MRR (mm 3 /s) = Vw× 𝑡 × 𝑏 (2.11) Với: Vw (𝑚𝑚/𝑠) là vận tốc trên phương bóc tách vật liệu; t (mm) là chiều sâu lớp cắt và b (mm) là bề rộng lớp cắt

Từ phương trình (2.10) và (2.11) ta có thể xác định công suất cần thiết để bóc tách vật liệu như ở phương trình (2.12)

Bảng 2 2 Năng lượng cắt riêng của vật liệu với chiều sâu t = 0,25 mm

Giá trị được cho ở Bảng 2.2 dựa trên hai điều kiện giả định: (1) dụng cụ cắt vô cùng sắc và (2) chiều dài phoi trước khi cắt (chiều sâu lớp cắt) to = 0.25 mm Để có thể sử dụng ở các điều kiện cắt và các chiều sâu cắt khác nhau ta cần nhân thêm các hệ số ảnh hưởng Đối với quá trình gia công tinh cần nhân thêm hệ số ảnh hưởng với giá trị 1.1 [6] Đối với các độ dày to khác nhau hệ số ảnh hưởng tra theo biểu đồ cho ở hình 2.5 [12]

Hình 2 5 Biểu đồ hệ số ảnh hưởng chiều cắt đến năng lượng cắt riêng phần

Dựa vào cơ sở trên ta sẽ là lượt xác định các thông số tính công suất cho bộ nguồn siêu âm như ở bảng 2.3

Bảng 2 3 Giá trị các thông số tính công suất nguồn siêu âm

Năng lượng cắt riêng U (J/mm 3 ) 0,7

Chiều sâu cắt to (x10 –6 ) 0,6 Chiều rộng lớp cắt b (mm) 1

Hệ số ảnh hưởng chế độ cắt 1,1

Hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt 1,6

Trong đề tài này ta sử dụng vật liệu gia công là nhôm với năng lượng cắt riêng

U = 0,7 (J/mm 3 ), thực hiện ở chế độ gia công tinh nên hệ số ảnh hưởng chế độ gia công lấy 1,1

Trong một chu kỳ dao động, đầu dụng cụ sẽ đưa mũi dao đi qua các đỉnh sóng để loai bỏ các đỉnh sóng còn lại, như vậy vận tốc cắt cũng chính là vận tốc trên phương dao động, ở đây ta sẽ dùng vận tốc dao động cực đại Vw = Vcmax để tính công suất

Giá trị chiều dày phoi t0 (mm) trước khi cắt (chiều sâu lớp cắt) chính là chiều cao các đỉnh nhấp nhô để lại Đối với các phương pháp gia công như tiện, phay…chất lượng bề mặt đạt được giá trị tốt nhất từ 0,5 – 6 𝜇𝑚 Như vậy ta có thể lấy giá trị t0 = 6 Ứng với giá trị này, tra biểu đồ trong hình 2.5 ta xác định được giá trị hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt bằng 1.6 Đối với quá trình gia công tinh, các loại dao sử dụng có bán kính mũi dao r (mm) rất nhỏ, để có thể len vào giữa các đỉnh nhấp nhô và sang phẳng các đỉnh này bán kính mũi dao không lớn hơn 0.8 mm Ở đây ta chọn bề rộng lớp cắt bằng bán kính mũi dao với giá trị b = r =1 mm

Từ các thông số (bảng 2.3) và phương trình (2.12) ta có thể xác định phương trình tính công suất cần thiết cho bộ nguồn siêu âm như sau:

2.5.3 Tính toán công suất, tần số và biên độ dao động

Việc xác định tần số, biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có ảnh hưởng lẫn nhau, vì vậy cần xác định đồng thời để lựa chọn thông số phù hợp nhất cho hệ siêu âm Ở đây ta sẽ đồng thời xác định công suất, và biên độ dao động cho hai tần số phổ biến là 20 kHz và 40 kHz ở các mức vận tốc dao động Vtmax(𝑚/𝑝ℎút) khác nhau

Mục tiêu là tìm ra được chế độ dao động cân bằng với công suất và đạt Vtmax cao nhất

Từ phương trình (2.9) và (2.12) ta lập được số liệu như ở bảng 2.4

Bảng 2 4 Giá trị biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có tần số 20 kHz và

40 kHz ở các giá trị vận tốc dao động vtmax khác nhau

Vận tốc dao động vtmax (m/ph)

Biên độ dao động nhỏ nhất A (μm)

Từ Bảng 2.4 thấy được, công suất cần thiết cho nguồn siêu âm là không lớn vì vậy để phù hợp với nhu cầu cũng như bài toán về kinh tế hoàn toàn có thể chọn các nguồn có công suất dưới 100 W

Về giá trị tần số và biên độ dao động, như đã giới thiệu qua ở chương giới thiệu, các nguồn siêu âm có công suất thấp dễ dàng đạt được tần số cao, tuy nhiên việc chế tạo dụng cụ dao động ở biên độ lớn sẽ khó khăn hơn Ở cùng một vận tốc dao động, tần số 40 kHz sẽ yêu cầu biên độ dao động thấp hơn một nữa so với tần số 20 kHz

Do đó ở công suất thấp dưới 100 W ta ưu tiên chọn tần số dao động 40 kHz

KẾT CẤU ĐẦU RUNG

Mô hình đầu rung đề xuất

3.1.1 Kết cấu đầu rung siêu âm Đầu rung siêu âm đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được biên độ dao động khuếch đại, trở kháng, bảo vệ đầu dò siêu âm và dẫn hướng rung động trực tiếp vào bề mặt gia công Một đầu rung cần được thiết kế sao cho độ khếch đại biên độ đạt cực đại trong khi vẫn duy trì mức ứng suất trong ngưỡng cho phép Vì những lý do trên, chúng thường được làm bằng nhôm hoặc titanium vì những vật liệu này có trọng lượng nhẹ, trở kháng thấp cũng như có cơ tính tốt Để đạt được biên độ dao động lớn hơn, đầu rung siêu âm thường được thiết kế có nhiều biên dạng hình học kết hợp, như mô hình được Nguyễn Cao Sang và cộng sự [15] thiết kế như hình 3.1

Hình 3 1 Sơ đồ đầu rung siêu âm Thiết kế đầu rung bao gồm ba biên dạng hình học phổ biến nhất, bao gồm dạng trụ bậc có độ khuếch đại biên độ lớn nhất, chế tạo đơn giản nhưng ứng suất tập trung lớn, biên dạng hàm mũ có độ khuếch đại biên độ thấp nhưng diện tích mặt cắt giảm dần giúp dễ dàng len lõi vào các bề mặt nhỏ, hẹp Biên độ phần ren lắp với nút kẹp (hex nut) cũng được thiết kế theo dạng côn tương tự với biên dạng trong của nút kẹp, lưỡi cắt, đầu rung siêu âm thường được thiết kế bằng số nguyên lần nữa bước sóng [12] Vì tần số làm việc của đầu rung phải bằng tần số làm việc 40 kHz và biên độ dao động tối thiểu 8 àm, đảm bảo thiết bị gia cụng siờu õm (UVA) cú thể tiếp xỳc với phôi Các đầu rung nữa bước sóng có lợi thế là chúng có thể dễ dàng kết hợp với các bộ phận có chiều dài nữa bước sóng khác như đầu chuyển đổi siêu âm (transducer) mà không làm thay đổi kích thước hình học của mình Ngoài ra, mỗi bộ phận trong dụng cụ gia công siêu âm có thể chế tạo riêng lẽ rồi kết hợp thành một thể thống nhất

3.1.2 Ảnh hưởng của vật liệu đến cộng hưởng cơ học

Hiện nay rất nhiều vật liệu được thử nghiệm phù hợp cho việc chế tạo đầu rung siêu âm, ví dụ như molypden (Mo), titanium (Ti), Niken (Ni), Nhôm (Al) hoặc thép không gỉ…Nói chung, yêu cầu cho những vật liệu này thường là độ bền mỏi cao, trở kháng âm thấp, độ mất mát năng lượng thấp, vật liệu dễ gia công Trong thí nghiệm này, nhôm 6061 sẽ được chọn làm vật liệu chính chế tạo đầu rung siêu âm (horn) vì nó là vật liệu nhẹ, mềm dẻo, giới hạn đàn hồi cao và dễ gia công Các tính chất trên giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các nghiên cứu khoa học Bảng 3.1 liệt kê vật liệu đề xuất như dưới đây

Bảng 3 1 Bảng vật liệu cho đầu rung

Tungsten alloy Dao cắt 8.674,6 240 0,29 Đồng thau Nút kẹp 8267 102 0,345

Thép không gỉ Bulong kẹp, tấm kẹp sau, tấm kẹp trước 7750 193 0,31

PZT-4 Khối áp điện 7600 85 0,31 Đồng Điện cực 8.942,5 130 0,34

3.1.3 Các phương pháp nghiên cứu và kết quả

Phương pháp này sử dụng các phương trình toán học đại diện cho từng biên dạng hình học của đầu rung để tính toán chiều dài cộng hưởng của chúng Các phương trình này được đề cập dưới đây [9]

Trong đó 𝜆 là chiều dài bước sóng; 𝑓 là tần số làm việc; c là tốc độ truyền sóng;

D1 và D2 là chiều dài bán kính biên dạng hàm mũ b Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) được giới thiệu bởi Turner và các cộng sự vào năm 1956 Phương pháp này còn được gọi là phương pháp số, được dùng để xác định lời giải gần đúng của các bài toán kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp; có thể xử lý các mô hình có hình dáng, vật liệu, điều kiện biên và tải trọng bất kỳ Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là chia nhỏ các hình dạng phức tạp của đối tượng cần khảo sát thành một số lượng hữu hạn các phần tử nhỏ, sau đó tiến hành phân tích từng phần tử này Lời giải của bài toán thu được từ việc tổng hợp các kết quả tính toán trên

Phần mềm ANSYS là một trong những công cụ hữu hiệu nhằm giúp giải quyết các bài toán phân tích mô hình của các kết cấu cơ học Trong nghiên cứu này, cơ cấu đầu rung siêu âm hỗ trợ gia công bề mặt nhỏ được phân tích trên môi trường ANSYS Mục tiêu của quá trình phân tích là tìm ra tần số rung động cộng hưởng và biên độ rung cực đại tại dưỡi dao của thiết bị rung siêu âm Hai modul chính được sử dụng là xử điều hòa (Harmonic response analysis) Mô hình modal analysis được sử dụng để phân tích đặc tính động học của một kết cấu nhằm miều tả dải tần số dao động riêng

Mô hình harmonic response thì được dùng để xác định giá trị biên độ dao động ứng xử ứng với mỗi tần số dao động khảo sát

Các bước của việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được mô tả ở hình 3.2 dưới đây

Hình 3 2 Lưu đồ mô phỏng ANSYS c Kết quả nghiên cứu

Dựa vào 2 phương pháp phân tích và phần tử hữu hạn, kích thước tối ưu của

Từ kết quả mô phỏng này, ta cũng chọn được kính thước tối ưu của mô hình đầu rung như hình 3.4

Hình 3 3 Kết quả mô phỏng tối ưu

Từ kết quả mô phỏng bằng ANSYS của [15] như hình 3.3, ta thấy rằng biên độ dạo động chạm đỉnh 1.45 àm tại tần số cộng hưởng 40 kHz Ta cũng thấy được biờn độ này đạt giá trị cực đại tại lưỡi cắt trong khi mode dao động của toàn bộ kết cấu đầu rung siêu âm có dạng dọc trục và ổn định

Hình 3 4 Kích thước tối ưu của mô hình đầu rung siêu âm

Hình 3 5 Hình ảnh đầu dụng cụ sau khi đã chế tạo thành công

Hình 3 6 Hình ảnh đầu dụng cụ gia công khi lắp hoàn chỉnh vào đồ gá dao (BT40)

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Giới thiệu

Khi gia công tinh các hốc, rãnh hoặc lỗ có kích thước nhỏ, có đường kính qui đổi dưới 3mm khi mà ở điều kiện gia công này với kích thước gia công nhỏ sẽ khiến cho tốc độ vòng quay trục chính bị đẩy lên rất cao đặc biệt khi yêu cầu độ nhám bề mặt Ra về dưới 1,6 àm vớ dụ như khi gia cụng tinh nhụm, tốc độ vũng quay trục chính có thể lên đến trên 15.000 vòng/phút như trong Bảng 4.1

Bảng 4 1 Các thông số công nghệ khi gia công phay chi tiết nhôm Ở chương này, vật liệu nhôm được chọn để làm mẫu khảo sát Nhiệm vụ của nghiên cứu là xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt quá trình gia công tinh cạnh biên khi dùng dụng cụ cắt có thêm vào rung động siêu âm bằng phương pháp thực nghiệm Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được chọn đề xây dựng mô hình và phân tích thực nghiệm là phương pháp Taguchi Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu / nhiễu (Signal to Noise Ratio) được chuyển đổi từ hàm số mất mát L như ở phương trình (4.1), trong đó L là tồn thất do sai lệch giá trị đáp ứng Y nhận được so với giá trị đáp ứng mong muốn m với k là tỷ số Trong trường hợp khi đáp ứng Yi cần đạt càng nhỏ càng tốt thì tỷ số S/N được dùng như phương trình (4.2) Ưu điểm của phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đáp ứng được chọn [4] Đáp ứng được chọn trong nghiên cứu này chính là độ nhám bề mặt Ra (um) sau khi gia công tinh bằng dụng cụ có hỗ trợ siêu âm được thiết kế ở Chương 3 và giá trị Ra cần đạt được càng nhỏ càng tốt

Tốc độ cắt V m/phút 150 200 150 200 Đường kính dụng cụ cắt d mm 3 3 10 10 Tốc độ trục chính n vòng/phút 15.924 21.231 4.777 6.369

Thông số công nghệ Ký hiệu Đơn vị

Quy hoạch thực nghiệm

- Biến đáp ứng đầu ra (Response) là độ nhám bề mặt sau gia công Ra(um)

- Hàm mục tiêu (Objective Function) là độ nhám sau gia công Y = Ra càng bé càng tốt và khụng quỏ 1,6 àm

4.2.2 Xác định các nhân tố thí nghiệm (Factors)

- Nhân tố tần số f(kHz)

- Nhân tố điện áp cấp cho piezo U(V)

- Nhân tố tốc độ vòng quay trục chính n(vòng/phút)

- Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút)

- Các nhân tố gây nhiễu: Chất lượng vật liệu gia công, yếu tố gá đặt, độ đồng trục của đầu dụng cụ so với trục chính, độ chính xác vị trí của máy, khả năng liên kết điện giữa nguồn bên ngoài với dụng cụ thông qua vành góp điện (commutator brush), chất lượng đầu dụng cụ gia công, …

4.2.3 Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng

Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng đến mục tiêu thí nghiệm, các quan hệ giữa các nhân tố (bậc tự do – Degree of Freedom) và phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level)

- Miền giá trị của nhân tố tần số f(kHz) được chia làm 3 mức: 38; 40 và 42 kHz (khoảng giá trị này được xác định dựa trên tính toán dụng cụ cắt siêu âm)

- Nhân tố điện áp cấp cho piezo U(V) được chia làm 2 mức: 200 và 250 V (theo mức điện áp được khuyến cáo của nhà sản xuất đầu rung tiêu chuẩn được dùng cho thiết kế dụng cụ cắt của nhóm)

- Nhân tố tốc độ vòng quay trục chính n(vòng/phút): từ 120 đến 360 vòng/phút và được chia thành 3 nhóm tốc độ, mỗi nhóm có 3 mức cách nhau 30 vòng/phút (theo mục tiêu ban đầu là giảm tối đa tốc độ trục chính có thể mà vẫn đạt được hiệu quả nhỏm bề mặt như mong đợi là Ra khụng quỏ 1.6 àm)

- Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút) được giữ cố định 30 mm/phút (theo khuyến cáo của quá trình mài khôn)

Phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level) được mô tả trong bảng 4.2

Bảng 4 2 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm

4.2.4 Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm

Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm sẽ được thực hiện thông qua cong6 cụ hỗ trợ Minitab Ta chọn được 3 Ma trận quy hoạch L18 cho 3 mẫu thí nghiệm

Bảng 4 3 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm

STT Nhân tố Tự nhiên Mã hóa Dưới Cơ sở Trên Khoảng thay đổi

1 Tần số đầu rung (kHz) f X1 38 40 42 4

2 Nhân tố điện áp cấp cho piezo (V) V X2 200 - 250 50

3 Tốc độ vòng quay trục chính (vòng/phút) n X3 120 150 180 60

Ký hiệu Mức giá trị (Levels)

Thiết bị và vật tư thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm sử dụng nhôm định hình 20x20 bằng vật liệu nhôm A6063-T5 được cắt thành từng đoạn 200 mm Mỗi đoạn mẫu này là tổ hợp của một nhóm quy hoạch Trong mỗi mẫu thí nghiệm, chiều dài gia công của từng thí nghiệm sẽ được giới hạn trong phạm vi 10mm và được đánh số thứ tự như mô tả ở Hình 4.1

Hình 4 1 Mẫu thí nghiệm cho một nhóm quy hoạch

4.3.2 Đầu rung Đầu rung được thiết kế ở và chế tạo như mô tả ở Chương 3 Để đồng trục tâm đồ gá dụng cụ với tâm dụng cụ và tâm trục chính, việc gia công đồng trục mặt trụ ngoài định vị được tiến hành trực tiếp trên máy thí nghiệm như ở Hình 4.2

Hình 4 2 (a) Định vị và đồng trục đồ gá dụng cụ trên máy phay CNC (b) Dụng cụ gia công hoàn chỉnh

4.3.3 Máy gia công Để giảm thời gian thí nghiệm cũng như tương thích với thực tế ứng dụng của dụng cụ siêu âm Máy phay CNC sẽ được chọn để tiến hành thí nghiệm Việc thay đổi các thông số công nghệ liên quan đến chế độ cắt như tốc độ vòng quay trục chính S(vòng/phút), tốc độ tiến dao F(mm/phút) và xác định vị trí gia công sẽ do máy CNC đảm nhận

Máy CNC được chọn là máy phay CNC Bridgeport VMC 500 – 16 do Phòng thí nghiệm CAD/CAM-CNC, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM quản lý và hỗ trợ vận hành

4.3.4 Thiết bị tạo nguồn điện cho phần tử piezoelectric dao động

- Điện áp ra: 2 mức Thấp VL= 200V và Cao VH = 250V

- Tần số ra: biến đổi được từ 100 Hz đến 45kHz

- Công suất ra tối đa: 100W

Hình 4 3 Hộp phát nguồn biến tần 0,1 kHz – 45kHz hai mức 200V, 250V

4.3.5 Máy đo độ nhám bề mặt

Tiến hành thí nghiệm và kết quả đo

Hình 4 4 Kết quả mẫu 1 sau gia công

Bảng 4 4 Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu thí nghiệm của mẫu 1

Mẫu 1 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42

V (V) 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 n (vòng/phút) 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 Lần đo 1 Ra 2,083 2,460 1,621 1,568 1,831 1,970 1,374 2,097 1,812 3,825 2,057 1,337 2,692 1,712 2,772 3,487 4,002 3,380

Hình 4 7 Biểu đồ nhám bề mặt mẫu 1 qua 18 lần thí nghiệm với các chế độ công nghệ theo quy hoạch như ở bảng 4.3

Kết quả và phân tích kết quả

4.5.1 Kết quả phân tích Taguchi

Phân tích mô hình tuyến tính: So sánh tương quan tỉ số S/N với các nhân tố f,

Bảng 4 7 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho tỉ số S/N

Bảng 4 8 Tổng kết mô hình

Bảng 4 9 Phân tích phương sai (ANOVA) cho tỉ số S/N

Phân tích mô hình tuyến tính: So sánh tương quan giá trị trung bình với các nhân tố f, V, n

Bảng 4 10 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho giá trị trung bình

Bảng 4 11 Tổng kết mô hình

Bảng 4 12 Phân tích phương sai (ANOVA) cho giá trị trung bình

Bảng 4 13 Các điểm quan sát có ảnh hưởng đến giá trị trung bình

Bảng 4 14 Bảng đáp ứng cho tỉ số S/N

Bảng 4 15 Bảng đáp ứng cho giá trị trung bình

Hình 4 10 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến tỉ số S/N

Hình 4 11 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho tỉ số S/N

Hình 4 12 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến giá trung bình

Hình 4 13 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho giá trị trung bình

4.5.2 Kết quả hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng

Hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng (Response Surface Regression)

Bảng 4 20 Các hệ số phương trình hồi qui dạng mã hóa mẫu 1

Bảng 4 21 Tổng kết mô hình mẫu 1

Bảng 4 22 Phân tích phương sai (ANOVA) mẫu 1

Phương trình hồi qui cho mẫu 1

Hình 4 18 Biều đồ Pareto của các ảnh hưởng được chuẩn hóa của mẫu 1

Hình 4 19 Đồ thị biểu diễn các sai lệch của Ra của mẫu 1

Phương trình hồi qui mẫu 2

Phương trình hồi qui mẫu 3

4.5.3 Tìm thông số công nghệ tối ưu

Bảng 4 29 Các thông số tối ưu mẫu 1

Bảng 4 30 Phương án tối ưu mẫu 1

Bảng 4 31 Ước lượng đáp ứng mẫu 1

Hình 4 24 Đồ thị biều diễn kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ cho mẫu 1

Tiêu đề	Xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt quá trình gia công tinh cạnh biên với ứng dụng siêu âm
Tác giả	Phạm Văn Tuân
Người hướng dẫn	TS. Trần Hải Nam, TS. Trương Quốc Thanh
Trường học	Đại học Quốc gia TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	95
Dung lượng	2,93 MB