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

Trang 1

PHẠM VĂN TUÂN

XÉT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TINH CẠNH BIÊN

VỚI ỨNG DỤNG SIÊU ÂM

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số : 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2022

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học chính:TS Trần Hải Nam Cán bộ hướng dẫn khoa học phụ: TS Trương Quốc Thanh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phạm Quang Trung Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Trương Nguyên Luân Vũ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 02 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 TS Tôn Thiện Phương - Chủ tịch hội đồng 2 TS Lê Thanh Long - Thư ký hội đồng

3 TS Phạm Quang Trung - Uỷ viên phản biện 1

4 PGS.TS Trương Nguyên Luân Vũ - Uỷ viên phản biện 2 5 TS Phạm Hữu Lộc - Uỷ viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Văn Tuân MSHV: 1870216 Ngày, tháng, năm sinh: 02/06/1991 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 8520103

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan về gia công siêu âm.

2 Nghiên cứu cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học của gia công siêu âm.3 Thiết kế mẫu thực nghiệm và thiết kế thí nghiệm.

4 Thực hiện, phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm.

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2022

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Hải Nam - TS Trương Quốc Thanh

Tp HCM, ngày tháng năm 20

TS Trần Hải Nam TS Trương Quốc Thanh

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn Thầy Trần Hải Nam và Thầy Trương Quốc Thanh đã giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này Trong thời gian thực hiện luận văn, Thầy đã cố vấn cho tôi những lời khuyên thiết thực giúp tháo gỡ những khó khăn trong quá trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn này đúng thời hạn

Tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong khoa Cơ Khí đã tham gia giảng dạy chương trình Thạc sĩ trong thời gian tôi theo học ở trường Thầy/Cô đã trang bị cho tôi những kiến thức để có thể hoàn thành luận văn

Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Cao Sang (sinh viên Cơ khí chương trình OISP), Thầy Bùi Anh Quốc phòng thí nghiệm CAD/CAM-CNC đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm

Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp (nơi tôi đang làm việc) đã luôn thông cảm, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học Bách khoa TP.HCM

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, 13 tháng 06 năm 2022

Học Viên

Phạm Văn Tuân

Trang 5

TÓM TẮT

Siêu âm được định nghĩa là sóng âm có tần số cao từ 20.000 Hz trở lên, nằm ngoài khả năng nghe thấy của con người 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

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) Quá trình gia công dạng này thực chất là truyền rung động cho dụng cụ được ngâm trong dung dịch bột mài Lỗ được tạo thành do va đập của hạt mài với bề mặt gia công, có hình dạng giống với biên dạng dụng cụ

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 Assisted 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 Rung động siêu âm được bổ sung vào dụng cụ hoặc phôi, cũng có thể là cả hai để nâng cao hiệu quả quá trình cắt Quá trình này thực chất là làm thay đổi tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, nhằm thay đổi các hiện tượng vật lý trong vùng cắt Do vậy, phạm vi gia công được mở rộng hơn nhiều so với “gia công siêu âm” trước đây 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 khó gia công

Từ khóa: Gia công bằng siêu âm, UVA, USM

Trang 6

ABSTRACTS

Ultrasonic vibration-assisted machining (UVA) is a machining process that adds a micro-scale high-frequency vibration to the motion of a cutting tooltip to interrupt the continuous interaction of the tool-workpiece surface H N Tran et al [1] designed an ultrasonic machining device attaching a cutting tool that was analyzed and simulated by the finite element method Hence, this study first aims to re-design, manufacture and test the model of a UVA device using the principles and mathematical background of ultrasonic waves

The application of the torsional vibration into the longitudinal vibration to form a longitudinal-torsional composite vibration has been the most popular trend of ultrasonic machining investigation So, this paper also used the finite element method and statistical method in order to investigate the characteristics of a UVA system in two directions via engraving of several slots on its body

This paper has designed and analyzed the mechanical properties and successfully produced an ultrasonic horn that can tighten easily to the transducer and clamp to the jigs Moreover, statistical data on the effects of the helical slits on the horn was recorded

The results obtained played an important role in the research, development, and fabrication of the device, which could be improve the surface quality of the boundary finishing process with the assistance of ultrasonic vibration

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề

mặt quá trình gia công tinh cạnh biên với ứng dụng siêu âm” là công trình nghiên

cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Phạm Văn Tuân

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II LỜI CAM ĐOAN IV MỤC LỤC V DANH SÁCH HÌNH VẼ IX DANH SÁCH BẢNG BIỂU IX

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM 1

1.1 Giới thiệu về sóng siêu âm 1

1.1.1 Rung động siêu âm 1

1.2 Nguyên lý rung động siêu âm 2

1.3 Nguyên lý truyền rung động siêu âm 3

1.4 Hệ thống thiết bị tạo rung động siêu âm 5

1.4.1 Nguồn phát công suất siêu âm 5

1.4.2 Đầu phát siêu âm 5

1.4.3 Đầu khuyếch đại dao động 6

1.5 Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật 8

1.5.1 Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm 8

1.5.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding) 9

1.5.3 Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm 10

1.5.4 Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm 11

1.5.5 Siêu âm trong y học 12

1.6 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 13

Trang 9

1.5.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp 14

1.5.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp 17

1.5.2 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp 17

1.7 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 20

1.7.1 Mục tiêu 20

1.7.2 Nội dung 21

1.7.3 Lợi ích và ý nghĩa của đề tài 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC 23

2.1 Động học quá trình tạo hình và nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt 23

2.1.1 Động học tạo hình các bề mặt tự trượt 23

2.1.2 Động học tạo hình các bề mặt tự do 23

2.1.1 Nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt 24

2.2 Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm và động lực học quá trình tạo hình 24

2.2.1 Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm 24

2.2.2 Động học quá trình tạo hình 25

2.3 Sự hình thành bề mặt và chất lượng hình học tế vi bề mặt 26

2.3.1 Thông số hình học lớp kim loại bị cắt 26

2.3.2 Diện tích cắt dư - chiều cao nhấp nhô hình học H 27

2.4 Các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống 28

2.4.1 Cơ sở và các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống 28 2.4.2 Vấn đề tồn tại ở các phương pháp gia công hoàn thiện truyền thống 29 2.5 Xác định các thông số cơ bản của hệ siêu âm 30

2.5.1 Cơ sở chọn tần số và biên độ dao động 30

Trang 10

2.5.3 Tính toán công suất, tần số và biên độ dao động 34

CHƯƠNG 3 KẾT CẤU ĐẦU RUNG 38

3.1 Mô hình đầu rung đề xuất 38

3.1.1 Kết cấu đầu rung siêu âm 38

3.1.2 Ảnh hưởng của vật liệu đến cộng hưởng cơ học 39

3.1.3 Các phương pháp nghiên cứu và kết quả 39

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

4.1 Giới thiệu 44

4.2 Quy hoạch thực nghiệm 45

4.2.1 Mục tiêu 45

4.2.2 Xác định các nhân tố thí nghiệm (Factors) 45

4.2.3 Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng 45

4.2.4 Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm 46

4.3 Thiết bị và vật tư thí nghiệm 47

4.3.1 Mẫu thí nghiệm 47

4.3.2 Đầu rung 47

4.3.3 Máy gia công 48

4.3.4 Thiết bị tạo nguồn điện cho phần tử piezoelectric dao động 48

4.3.5 Máy đo độ nhám bề mặt 49

4.4 Tiến hành thí nghiệm và kết quả đo 49

4.5 Kết quả và phân tích kết quả 52

4.5.1 Kết quả phân tích Taguchi 52

4.5.2 Kết quả hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng 61

4.5.3 Tìm thông số công nghệ tối ưu 70

Trang 11

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

Trang 12

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Khoảng tần số [https://rama.vn/song-sieu-am/] 1

Hình 1 2 Hiệu ứng áp điện [9] 3

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc của một hệ gia công siêu âm [7] 5

Hình 1 4 Đầu phát rung siêu âm 6

Hình 1 5 Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển và dò tìm đàn cá 11

Hình 1 6 Dao mổ siêu âm 12

Hình 1 7 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp [3] 14

Hình 1 8 Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan 15

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 16

Hình 1 10 Mô hình phay có hỗ trợ siêu âm 17

Hình 1 11 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện 18

Hình 1 12 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D 19

Hình 2 1 Cấu tạo dao tiện 25

Hình 2 2 Lực cắt - sơ dồ lực tác dụng lên dao [3] 26

Hình 2 3 Thông số hình học lớp cắt [3] 27

Hình 2 4 Diện tích cắt dư và chiều cao nhấp nhô: (a) dao cắt có bán kính r=0; (b) dao cắt có bán kính r > 0 [2] 27

Hình 2 5 Biểu đồ hệ số ảnh hưởng chiều cắt đến năng lượng cắt riêng phần 33

Hình 2 6 Thông số dụng cụ cắt thô: 2 lưỡi cắt; đường kính DC=3.0-0.02 mm; chiều sâu lưỡi cắt tối đa APmx= 6 mm; Chiều dài dao LF= 50 và đường kính cán dao Dcon= 6,0 mm 36

Hình 2 7 Chế độ công nghệ S = 8,200 vòng/phút; F = 410 mm/phút 36

Hình 3 1 Sơ đồ đầu rung siêu âm 38

Hình 3 2 Lưu đồ mô phỏng ANSYS 41

Hình 3 3 Kết quả mô phỏng tối ưu 42

Trang 13

Hình 3 4 Kích thước tối ưu của mô hình đầu rung siêu âm 42

Hình 3 5 Hình ảnh đầu dụng cụ sau khi đã chế tạo thành công 43

Hình 3 6 Hình ảnh đầu dụng cụ gia công khi lắp hoàn chỉnh vào đồ gá dao (BT40) 43

Hình 4 1 Mẫu thí nghiệm cho một nhóm quy hoạch 47

Hình 4 2 (a) Định vị và đồng trục đồ gá dụng cụ trên máy phay CNC (b) Dụng cụ gia công hoàn chỉnh 48

Hình 4 3 Hộp phát nguồn biến tần 0,1 kHz – 45kHz hai mức 200V, 250V 49

Hình 4 4 Kết quả mẫu 1 sau gia công 49

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 51

Hình 4 10 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến tỉ số S/N 56

Hình 4 11 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho tỉ số S/N 56

Hình 4 12 Đồ thị biểu diễn các nhân tố ảnh hưởng chính đến giá trung bình 57

Hình 4 13 Đồ thị biểu diễn các sai lệch cho giá trị trung bình 57

Hình 4 18 Biều đồ Pareto của các ảnh hưởng được chuẩn hóa của mẫu 1 64

Hình 4 19 Đồ thị biểu diễn các sai lệch của Ra của mẫu 1 64

Trang 14

Hình 4 22 Biều đồ Pareto của các ảnh hưởng được chuẩn hóa của mẫu 2 69 Hình 4 23 Đồ thị biểu diễn các sai lệch của Ra của mẫu 3 70 Hình 4 24 Đồ thị biều diễn kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ cho mẫu 1 70 Hình 4 25 Đồ thị biều diễn kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ cho mẫu 2 71 Hình 4 26 Đồ thị biều diễn kết quả tối ưu hóa các thông số công nghệ cho mẫu 3 72

Trang 15

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Tốc độ truyền sóng trong một số môi trường (tại 20oC và 1 atm) 4

Bảng 1 2 Phương truyền sóng [6] 4

Bảng 1 3 Các dạng hình dạng của đầu rung siêu âm 6

Bảng 1 4 Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương 20

Bảng 2 1 Vật liệu thực nghiệm và thông số cắt 31

Bảng 2 2 Năng lượng cắt riêng của vật liệu với chiều sâu t = 0,25 mm 32

Bảng 2 3 Giá trị các thông số tính công suất nguồn siêu âm 33

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 34

Bảng 3 1 Bảng vật liệu cho đầu rung 39

Bảng 4 1 Các thông số công nghệ khi gia công phay chi tiết nhôm 44

Bảng 4 2 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm 46

Bảng 4 3 Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm 46

Bảng 4 4 Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu thí nghiệm của mẫu 1 50

Bảng 4 7 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho tỉ số S/N 53

Bảng 4 8 Tổng kết mô hình 53

Bảng 4 9 Phân tích phương sai (ANOVA) cho tỉ số S/N 53

Bảng 4 10 Các hệ số của mô hình được xấp xỉ cho giá trị trung bình 53

Bảng 4 11 Tổng kết mô hình 54

Bảng 4 12 Phân tích phương sai (ANOVA) cho giá trị trung bình 54

Trang 16

Bảng 4 15 Bảng đáp ứng cho giá trị trung bình 55

Bảng 4 16 Bảng đáp ứng cho tỉ số S/N 57

Bảng 4 18 Bảng đáp ứng cho tỉ số S/N 59

Bảng 4 20 Các hệ số phương trình hồi qui dạng mã hóa mẫu 1 62

Bảng 4 21 Tổng kết mô hình mẫu 1 62

Bảng 4 22 Phân tích phương sai (ANOVA) mẫu 1 62

Bảng 4 29 Các thông số tối ưu mẫu 1 70

Bảng 4 30 Phương án tối ưu mẫu 1 70

Bảng 4 31 Ước lượng đáp ứng mẫu 1 70

Trang 17

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM

1.1 Giới thiệu về sóng siêu âm 1.1.1 Rung động 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

Trang 18

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

1.2 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

Trang 19

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 1.1

Hình 1 2 Hiệu ứng áp điện [9]

1.3 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

Trang 20

Bảng 1 1 Tốc độ truyền sóng trong một số môi trường (tại 20oC 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

Bảng 1 2 Phương truyền sóng [6]

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

Trang 21

Sóng tấm-Lamb waves: sóng rung động

kết hợp, đường truyền sóng luôn song song với

bề mặt tấm

1.4 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

Trang 22

(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

Trang 23

Biên dạng hình trụ

- Biên dạng đơn giản nhất

- Chế tạo dễ dàng - Ứng suất thấp

- Độ khuyết đại thấp nhất

Biên dạng trục bậc

- Độ khuyếch đại biên dạng lớn nhất

- Thiết kế đơn giản

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

Biên dạng hàm mũ

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

- Năng lượng mất mát thấp

-

- Độ khuyếch đại thấp

Biên dạng hình côn

- Thiết kế đơn giản

- Ứng suất thấp do biên dạng thay đổi đều

- Mất mát năng lượng thấp

- Độ khuyếch đại biên dạng thấp nhất

Biên dạng

Trang 24

Biên dạng trụ - hàm mũ

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

- Thiết kế phức tạp - Độ khuyếch

đại thấp

Biên dạng trục bậc hàm mũ

- Độ khuyếch đại cao - Phân bố ứng suất

đều do biên dạng thay đổi chậm

- Thiết kế phức tạp

1.5 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

Trang 25

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…

Trang 26

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:

- Không dính dao;

- 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

Trang 27

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

Trang 28

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 trình rất ngắn (cỡ vài µs), 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 mổ chóng bình phục, giảm đau đớn cho bệnh nhân

Trang 29

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,

1.6 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

Trang 30

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

Trang 31

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

Trang 32

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

Trang 33

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

Trang 34

(a) (b)

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)

Trang 35

(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

Hình 1 12 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D

Dưới đây, trình bày tổng quan một số kết quả nghiên cứu gần đây về ứng dụng kỹ thuật tiện có rung động siêu âm trợ giúp Các kết quả công bố được tiến hành với nhiều phương cách khác nhau, từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và phân tích động lực học, sử dụng các mô hình phần tử hữu hạn, đến thực nghiệm kiểm chứng …

Shigeomi Koshimizu (2009) [14] tiến hành xây dựng mô hình tiện mặt đầu phôi hợp kim Titan để đánh giá hiệu quả chất lượng bề mặt sau gia công Dao tiện được hỗ trợ rung động siêu âm theo phương tiếp tuyến Với chế độ cắt thí nghiệm: chiều sâu cắt 0.1 mm, lượng chạy dao 0.1 mm/vòng, tốc độ cắt 30 m/phút, thông số rung ở tần số 19 kHz với biên độ rung 30 µm, độ nhám bề mặt thu được Ra = 0,55 µm so với tiện không có rung là Ra = 1,37 µm

Ngoài ra, kết quả thử nghiệm cũng cho thấy khi tiện có rung động siêu âm trợ giúp lực cắt giảm chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với tiện thông thường Hệ số ma sát được định nghĩa bằng tỉ số của lực cắt chính Fz so với lực dọc trục Fy Đối với tiện thông thường hệ số ma sát thu được là 0,84, gần gấp đôi so với khi có rung động siêu âm trợ giúp là 0,44 Báo cáo này cũng cho thấy khi tiện rung lượng mòn dụng cụ giảm

Trang 36

Bảng 1 4 Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương

1.7 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.7.1 Mục tiêu

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

Trang 37

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

Trang 38

- 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

Trang 39

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

2.1 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

Trang 40

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

2.2 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