Đồ án tốt nghiệp đề tài máy Đánh bóng dụng cụ

Với sự phát triển của công nghệ số hóa, các máy móc dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhà máy sản xuất. Để phục vụ nhu cầu thực tiễn trong sản xuất cũng như giảm bớt nhân công lao động, tăng năng suất chất lượng sản phẩm, các doanh nghiệp sản xuất luôn cải tiến công nghệ, xây dựng hệ thống máy theo xu hướng tự động hóa. Nắm bắt được xu thế phát triển đó cùng với những kiến thức quý báu được thầy cô truyền lại sau thời gian học tập tại trường và được sự đồng ý, hướng dẫn của thầy cô nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy trong hệ thống đánh bóng”. Bằng sự cố gắng nỗ lực của nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy giáo PGS. TS. Hoàng Tiến Dũng, nhóm em đã hoàn thành tốt đề tài được giao. Do kiến thức còn nhiều thiếu sót và thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận được những lời nhận xét cũng như các ý kiến của quý thầy cô. Nhóm em xin cảm ơn thầy cô, nhà trường đã tạo điều kiện để chúng em được thực hiện đề tài, tiếp thu thêm nhiều kiến thức hữu ích làm nền tảng vững chắc cho công việc sau này.

Trang 1

--

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐÁNH BÓNG DỤNG CỤ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Tiến Dũng

Sinh viên thực hiện : Phạm Văn Tú 2020608149 Nguyễn Thành Trung 2020606138

Hà Nội - 2024

Trang 2

1.1 Khái niệm về công nghệ đánh bóng cơ học 2

1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ đánh bóng cơ học 4

1.3 Phân loại các phương pháp đánh bóng 4

2.1 Tổng quan về thiết kế máy 35

2.2 Máy đánh bóng dụng cụ trên thị trường 37

2.3 Hợp chất hạt mài mòn polyelectrolyte-Al2O3SiO2 39

2.3.1 Khái quát chung 39

2.3.2 Cơ chế tổng hợp vật liệu mài composite Al2O3/SiO2 41

3.1.6 Mâm quay chứa chất mài 46

3.2 Tính toán lựa chọn thiết bị 46

3.2.1 Tính toán động cơ của vit me 46

3.2.2 Lựa chọn driver điều khiển 52

3.2.3 Lựa chọn bộ điều khiển PLC 53

3.2.4 Role trung gian 24VDC 56

3.2.5 Nút nhấn nhả có đèn LA38-11DN 58

Trang 3

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 62

3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 62

3.3.2 Thiết kế sơ đồ mạch điện 63

3.3.3 Lưu đồ thuật toán 67

3.3.4 Chương trình điều khiển 69

3.4 Giao diện điều khiển và giám sát 80

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ 81

4.1 Chế tạo mô hình cơ khí 81

4.2 Chế tạo mô hình hệ thống điều khiển 82

4.3 Thử nghiệm và đánh giá hoạt động hệ thống 83

4.3.1 Thử nghiệm đánh bóng 83

4.3.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống 86

Trang 4

Hình 1.1 Đánh bóng cơ học bằng phương pháp thủ công 3

Hình 1.2 Lịch sử hình thành máy đánh bóng 4

Hình 1.3 Sơ đồ máy đánh bóng hỗ trợ siêu âm 5

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của công cụ đánh bóng vòm 7

Hình 1.5 Phương pháp đánh bóng vòm 8

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống đánh bóng bằng tia chất lỏng 9

Hình 1.7 Sơ đồ đánh bóng tia chất lỏng 10

Hình 1.8 Máy đánh bóng từ trường 11

Hình 1.9 Ảnh SEM của các hạt sắt carbonyl 13

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý đánh bóng từ trường 14

Hình 1.11 Một số ứng dụng của đánh bóng từ tính 15

Hình 1.12 Sơ đồ đánh bóng điện phân 16

Hình 1.13 Đánh bóng bằng laze 18

Hình 1.14 Đánh bóng bằng tia ion 20

Hình 1.15 Hình ảnh bề mặt trước và sau khi đánh bóng Laser 21

Hình 1.16 Hình ảnh bề mặt trước và sau khi đánh bóng bằng tia ion 22

Hình 1.17 Điện thế anốt điển hình cho một kim loại trong chất điện phân 24

Hình 1.18 Bề mặt và độ nhám thấu kính quang học trước và sau khi đánh bóng siêu âm 25

Hình 1.19 Đánh bóng vòm 26

Hình 1.20 Bề mặt dụng cụ sau khi đánh bóng từ tính 28

Hình 1.21 Từ trường tại các vị trí khác nhau của vật cố định từ tính 29

Hình 1.22 Nguyên tắc đánh bóng từ tính 30

Hình 1.24 Biên dạng nhám bề mặt của bánh răng SB 31

Hình 1.23 Đánh bóng bánh răng côn răng thẳng bằng phương pháp từ tính 31

Hình 1.25 Biên dạng nhám bề mặt được đo bằng biên dạng quang học 32

Hình 2.1 Tổng quan thiết máy 35

Trang 5

Hình 3.1 Sơ đồ động học kết cấu máy mài 43

Hình 3.9 Thông số kích thước động cơ motor step 4242x33 51

Hình 3.10 Động cơ giảm tốc một chiều 51

Hình 3.11 Driver TB6600 53

Hình 3.12 PLC S7-1200 54

Hình 3.13 Cấu tạo hoạt động Rơ-le trung gian 57

Hình 3.14 Rơ-le MY2N - 24VDC 8 chân dẹt OMRON 58

Hình 3.15 Nút nhấn nhả có đèn 24VDC LA38-11DN 58

Hình 3.16 Bộ chuyển nguồn 24V 5A 60

Hình 3.17 MCB 2P 10A NXB-63 C10 62

Hình 3.18 Sơ đồ cấp nguồn hệ thống 63

Hình 3.19 Sơ đồ tín hiệu đầu vào PLC 64

Hình 3.20 Sơ đồ tín hiệu đầu ra PLC 64

Hình 3.21 Sơ đồ đấu nối Driver TB6600 65

Hình 3.22 Sơ đồ mạch lực 66

Hình 3.23 Giao diện giám sát wincc 80

Hình 4.1 Hình ảnh 3D của mô hình 81

Hình 4.2 Mô hình máy đánh bóng sau khi hoàn thiện 81

Hình 4.3 Phôi mẫu sử dụng trong mô hình 82

Trang 6

Hình 4.6 Máy ở vị trí home 84

Hình 4.7 Dụng cụ đưa đến vị trí đánh bóng 84

Hình 4.8 Dao được nhấc lên sau khi mài 85

Hình 4.9 Dụng cụ sau khi được đánh bóng 86

Trang 7

Bảng 1.1 So sánh đánh bóng nhiệt và đánh bóng lạnh 20

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật máy đánh bóng rung 38

Bảng 3.1 Bảng thông số kĩ thuật driver TB6600 52

Trang 8

1 GVHD: PGS TS Hoàng Tiến Dũng

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của công nghệ số hóa, các máy móc dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhà máy sản xuất Để phục vụ nhu cầu thực tiễn trong sản xuất cũng như giảm bớt nhân công lao động, tăng năng suất chất lượng sản phẩm, các doanh nghiệp sản xuất luôn cải tiến công nghệ, xây dựng hệ thống máy theo xu hướng tự động hóa

Nắm bắt được xu thế phát triển đó cùng với những kiến thức quý báu được thầy cô truyền lại sau thời gian học tập tại trường và được sự đồng ý, hướng dẫn của thầy cô nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp:

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy trong hệ thống đánh bóng” Bằng sự

cố gắng nỗ lực của nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy

giáo PGS TS Hoàng Tiến Dũng, nhóm em đã hoàn thành tốt đề tài được giao

Do kiến thức còn nhiều thiếu sót và thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm rất mong nhận được những lời nhận xét cũng như các ý kiến của quý thầy cô

Nhóm em xin cảm ơn thầy cô, nhà trường đã tạo điều kiện để chúng em được thực hiện đề tài, tiếp thu thêm nhiều kiến thức hữu ích làm nền tảng vững

chắc cho công việc sau này

Trang 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MÁY ĐÁNH BÓNG 1.1 Khái niệm về công nghệ đánh bóng cơ học

Đánh bóng là một phương pháp dùng để cải thiện chất lượng bề mặt sau khi gia công Giúp tăng tính hoàn thiện và thẩm mỹ cho sản phẩm thông qua việc ứng dụng các công cụ và hạt mài để tạo nên các bề mặt có độ nhám ở cấp độ nano và độ hoàn thiện cao không trầy xước

Phương pháp đánh bóng cơ học là sử dụng hạt mài với vận tốc quay phù hợp để tạo nên độ bóng theo yêu cầu Các hạt mài được sử dụng phổ biến đó là 𝐴𝐿2𝑂3, Si𝑂2, …Quá trình đánh bóng cơ học được thực hiện từ các hạt mài với kích thước lớn đến các hạt mài kích thước nhỏ hơn Để tạo ra được bề mặt bóng mịn Bước cuối cùng trong đánh bóng cơ học là sử dụng các hạt siêu mịn kết hợp với các loại bánh vải, bánh nỉ để tạo nên độ bóng tiêu chuẩn Nói chung đánh bóng siêu chính xác phải là quy trình cuối cùng trong chuỗi quy trình, sau khi tiện hoặc mài

Công nghệ đánh bóng từ tính sử dụng lực hút của từ trường hỗ trợ chuyển động của “kim từ làm sạch” giúp đánh bóng các chi tiết gia công một cách hiệu quả, chính xác trong thời gian ngắn nhất Máy thích hợp với các sản phẩm có kích thước nhỏ, cần xử lý bề mặt tinh xảo; các chi tiết mỏng, dẹt cần xử lý bề mặt sáng, bóng mà không gây ảnh hưởng tới biên dạng ví dụ như: linh kiện điện tử, chi tiết trong các thiết bị kỹ thuật số như máy ảnh, điện thoại, các hạt nhỏ như kíp nổ, đầu đạn trong quân đội

Trong những thập kỷ qua, những phương pháp đánh bóng đã nhận được nhiều nghiên cứu mạnh mẽ nhằm giải quyết những thách thức gặp phải trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm các mũi khoan, dao phay lưỡi làm bằng hợp kim, thép gió Để đáp ứng được các yêu cầu cao về độ bóng và cũng như các vật liệu biên dạng bề mặt đánh bóng để giải quyết những khó khăn đó một loạt phương pháp đánh bóng ra đời hai phương pháp chính là đánh bóng cơ học và đánh bóng phi cơ học

Trang 10

Mục đích của quy trình đánh bóng

Đánh bóng cơ học được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt chi tiết đã được định hình, xử lý phần thô… giúp vật thể sáng bóng phù hợp với yêu cầu của người sử dụng Đây là phương pháp sử dụng hạt mài với vận tốc quay phù hợp để tạo ma sát giữa các hạt mài và dụng cụ mài để làm nhẵn dụng cụ

Khi được đánh bóng, bề mặt của các dụng cụ cần đánh bóng sẽ được loại bỏ các khuyết tật giúp giảm tập trung ứng suất Xét về mặt hóa học, loại bỏ các khuyết tật vết xước của dụng cụ tránh được sự dính bám của phoi trên bề mặt làm việc gây ra phản ứng hóa học, hủy bỏ kết cấu ban đầu

Xét về mặt thẩm mĩ, đánh bóng về mặt giúp dụng cụ trở nên sáng bóng hơn, làm tăng giá trị thẩm mĩ Nhờ có quy trình này, các sản phẩm được tiêu thụ thường có tính thẩm mỹ cao, bề mặt mịn, sáng và bóng Cũng chính nhờ vậy mà giá thành của các sản phẩm sau khi đánh bóng sẽ cao hơn và có tính cạnh tranh tốt hơn trên thị trường so với những sản phẩm không được đánh bóng

Chính vì vậy đánh bóng là một bước vô cùng quan trọng của sản phẩm trong quy trình sản xuất trước khi đưa sản phẩm ra thị trường

Hình 1.1 Đánh bóng cơ học bằng phương pháp thủ công

Trang 11

1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ đánh bóng cơ học

Đánh bóng có lịch sử lâu đời có thể có từ thế kỷ 15, thời kỳ mà đánh nói chung là một công việc được thực hiện thủ công với cát đá tự nhiên Mãi đến những năm 1850, khái niệm ban đầu về máy đánh bóng được đưa ra Chiếc máy như vậy cần sự tham gia chuyên sâu của con người, khiến nó trở thành một nỗ lực bán tự động Với nhu cầu ngày càng cao về các bộ phận chính xác, đặc biệt là từ năm 1900 trở đi, máy nhiều trục đã được phát triển với mục đích đạt được độ chính xác cao hơn Tuy nhiên, người ta thấy rằng không phải lúc nào cũng có thể đảm bảo gia công xác định và các vết nứt trên bề mặt thường được tạo ra Điều này đặc biệt đúng khi đánh bóng các vật liệu cứng như thủy tinh và gốm sứ, nơi lực mài lớn cũng làm biến dạng máy và làm giảm độ chính xác của máy cũng như độ mòn dụng cụ cao

1.3 Phân loại các phương pháp đánh bóng 1.3.1 Đánh bóng cơ học

1.3.1.1 Đánh bóng hỗ trợ siêu âm

Đánh bóng hỗ trợ siêu âm là một phương pháp xử lý không dùng nhiệt, không dùng hóa chất và không dùng điện, được thiết kế để tránh thay đổi vật liệu, cấu trúc vi mô và tính chất hóa học Nó có nhiều ưu điểm, như hiệu quả cao, lực cắt thấp và chất lượng bề mặt cao

Hình 1.2 Lịch sử hình thành máy đánh bóng

Trang 12

Đánh bóng hỗ trợ siêu âm là một quá trình tích hợp rung siêu âm và đánh bóng cơ học Trong quá trình đánh bóng có hỗ trợ siêu âm, một chất bùn bao gồm chất mài mòn đánh bóng trong môi trường lỏng như nước khử ion được dẫn lên bề mặt và bị cuốn vào giữa bề mặt và miếng đánh bóng Áp suất giữa miếng đệm và bề mặt được kiểm soát bởi tốc độ quay của vật liệu và miếng đệm Với rung động siêu âm của miếng đánh bóng và đầu, các hạt mài liên tục tác động, cày và làm xước bề mặt với một tần số và biên độ nhất định Các tác động chính trên bề mặt là tác động cứng, thủy lực tác động và hiệu ứng xâm lấn Nó dẫn đến các phản ứng khác nhau ở bề mặt hoặc dưới bề mặt chẳng hạn như dòng chảy và đứt gãy vật liệu bao gồm cả việc loại bỏ vật liệu theo cơ chế để tạo ra bề mặt được đánh bóng

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng bao gồm các đặc tính mài mòn như hình dạng mài mòn, lực cắt, tốc độ cắt và các đặc tính vật lý, cơ học và thậm chí cả cấu trúc vi mô của vật liệu bề mặt

Hình 1.3 Sơ đồ máy đánh bóng hỗ trợ siêu âm

Trang 13

Như thể hiện trong Hình 1.3, hệ thống đánh bóng có hỗ trợ siêu âm bao gồm máy phát siêu âm, đầu dò siêu âm, còi siêu âm và dụng cụ đánh bóng Máy phát siêu âm, thường được gọi là nguồn cung cấp năng lượng siêu âm, chuyển đổi nguồn điện xoay chiều chính thành điện áp kích thích tần số cao cho đầu dò áp điện siêu âm dẫn đến đầu vào tần số cao cho còi siêu âm Chức năng chính của còi siêu âm là khuếch đại biên độ dịch chuyển hoặc vận tốc của đầu dò và tập trung năng lượng ở đầu dụng cụ

Việc áp dụng đánh bóng hỗ trợ siêu âm không bị giới hạn bởi đặc điểm vật chất Trong quá trình bóng, lực cắt của vật liệu mài nhỏ và những thay đổi dưới bề mặt được giảm thiểu bao gồm ứng suất dư trên bề mặt đánh bóng Vì rung động siêu âm có thể làm giảm trở kháng đánh bóng giống như lực cảm trở chuyển động tương đối giữa vật liệu mài mòn và vùng được đánh bóng, nó làm tăng đáng kể tốc độ tương đối giữa vật liệu mài mòn và bề mặt, rút ngắn thời gian đánh bóng và cải thiên hiệu quả làm việc Ngoài ra, các chất mài mòn được phân mảnh thành các hạt nhỏ hơn có kích thước tương đương, là quá trình mài sắc và góp phần nâng cao hiệu quả đánh bóng, điều này cũng dẫn đến lực cắt ổn định hơn và các vết xước trên bề mặt đồng đều hơn đảm bảo bề mặt mịn hơn Đánh bóng hỗ trợ siêu âm có thể dễ dàng điều chỉnh đầu vào năng lượng và biên độ rung của các công cụ đánh bóng Khi đánh bóng các vật liệu cứng và giòn, có thể dễ dàng loại bỏ độ dẻo và giảm vết nứt bề mặt

Do đó, đánh bóng bằng diêu âm có thể được sử dụng làm quy trình xử lý cuối cùng cho khuôn bằng vật liệu cứng giòn, đạt được độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công tốt

Việc đánh bóng hỗ trợ siêu âm không bị giới hạn bởi vật liêu đạt được chất lượng bề mặt tooits mà không có nhiều thay đổi về tổ chức Mặt khác, đánh bóng hỗ trợ siêu âm có yêu cầu nghiêm ngặt với các dụng cụ Còi siêu âm được thiết kế theo đầu đánh bóng Sự cổng hưởng của đầu đánh bóng với bộ tạo rung được người vận hành sửa lỗi, việc này cần một thời gian

Trang 14

1.3.1.2 Đánh bóng vòm

Với các cơ chế loại bỏ xác định hơn, đánh bóng vòm được sử dụng rộng rãi trong xử lý khuôn quang học Đánh bóng vòm sử dụng một công cụ đánh bóng nhỏ hơn phôi để đánh bóng một phần bề mặt và đạt được “sự hội tụ lỗi hình dạng” Nó được coi là một quá trình đánh bóng hiệu quả cao vì lý do này “Dụng cụ” đánh bóng vòm là một túi khí hình cầu (“quả bóng bay”) là một lớp vải dệt kim dẻo và cao su Đây là chất nền cho “màng đánh bóng”, góp phần thêm vào sự ổn định hình dạng khi được bơm căng như thể hiện trong Hình 1.3

Trong quá trình đánh bóng vòm, chất mài mòn trong dung dịch đánh bóng được vận chuyển vào khu vực giao diện giữa màng đánh bóng và bề mặt phôi Cơ chế được gán là một trong những loại bỏ vật liệu do mỏi dưới tác động của các hạt mài tuần hoàn cải thiện dần độ nhám bề mặt phôi Có thể đạt được hiệu quả đánh bóng và chất lượng bề mặt cao bằng cách điều chỉnh áp suất bơm túi khí và tốc độ trục chính

Trong đánh bóng vòm có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chất lương hoàn thiên của bề mặt sau khi đánh bóng như các yếu tố ảnh hưởng về lực cắt, kích thước mài mòn, mài mòn dụng cụ và điều kiện bề mặt trong quá trình đánh

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của công cụ đánh bóng vòm

Trang 15

bóng vòm Một số nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước mài mòn, tốc độ quay dụng cung và tình trạng bề mặt dụng cụ có thể ảnh hưởng đến lực và hệ số ma sát, ảnh hưởng hơn nữa đến việc loại bỏ vật liệu

Có ba tùy chọn cho đầu mài khi đánh bóng vòm như trong Hình 1.5 Trong Hình 1.5a, trục quay của túi khí vuông góc với bề mặt phôi, tạo thành vết đánh bóng tròn Hình 1.5b góc giữa trục quay của túi khí và phương pháp tiếp tuyến của phôi thường là 15−20°, tạo thành một vệt đánh bóng lệch tâm Sự hội tụ xử lý ở đây tương đối mạnh nên biến thể này đã được sử dụng rộng rãi trong đánh bóng chính xác Trong hình 1.5c, có hai trục quay; một phương vuông góc với phôi bề mặt và cái kia có một góc nhất định với bề mặt bình thường Tuy nhiên, thân quay thường là một cấu trúc không cân bằng và không phải lúc nào cũng có thể duy trì sự ổn định của vị trí đầu mài Do đó, nó vẫn chưa được sử dụng rộng rãi

Công nghệ đánh bóng vòm được phát minh ra từ những năm 2000, do phạm vi loại bỏ được kiểm soát lớn, nó có thể đạt được hiệu quả đánh bóng nhanh chóng với hiệu quả loại bỏ cao và sửa đổi chính xác với lượng loại bỏ nhỏ Với công nghệ này chỉ mất 167 phút để loại bỏ lớp khuyết tật 10 μm trên bề mặt phôi gia công hình lục giác có đường kính hiệu dụng 1m

Hình 1.5 Phương pháp đánh bóng vòm

Trang 16

Việc đánh bóng vòm có thể đạt được độ đánh bóng xác định phù hợp với phép đo bề mặt đánh bóng Cơ cấu đánh bóng túi khí có màng bám dính với các chất mài mòn khác nhau, điều chỉnh theo bề mặt vật liệu khác nhau Nhưng cá vòm thường được sử dụng trên thành phần quang học có khẩu độ lớn Nếu linh kiện nhỏ đánh bóng vòm có thể không phải là lựa chọn tối ưu

1.3.1.3 Đánh bóng bằng tia chất lỏng

Là một công nghệ xử lý cơ khí chính xác, đánh bóng bằng tia chất lỏng có thể đạt được độ chính xác rất cao Nó cũng có khả năng loại bỏ ngay lập tức sự biến dạng của kết cấu mài và cải thiện chất lượng bề mặt trong xử lý quang học

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống đánh bóng bằng tia chất lỏng

Như thể hiện trong Hình 1.6, hệ thống đánh bóng bằng tia chất lỏng bao gồm bộ nạp, bộ tích lũy, hệ thống cấp liệu, hệ thống đầu cắt và hệ thống thu hồi Hình 1.6 là sơ đồ đánh bóng bằng tia chất lỏng trong đó quá trình đánh bóng bị ảnh hưởng bởi sự tương tác giữa tia chất lỏng và vật liệu Chất lỏng đánh bóng về cơ bản là một hỗn hợp các hạt mài mòn, sau khi được điều áp, hướng vào bề mặt phôi với vận tốc cao Do đó, các chất mài mòn trong vòi phun tác động lên bề mặt phôi và đạt được sự loại bỏ vật liệu bằng một trong hai loại cơ chế Một liên quan đến tác động của các hạt mài ở tốc độ cao để tạo

Trang 17

ra ứng suất cục bộ lớn gây biến dạng dẻo Nó dẫn đến sự nhô ra của vật liệu xung quanh vết lõm do tác động của hạt Tuy nhiên, vật liệu nhô ra không bị

loại bỏ ngay lập tức mà do tác động tiếp theo của các hạt mài mòn khác trong tia Cơ chế khác, áp dụng cho vật liệu giòn, liên quan đến việc loại bỏ vật liệu do áp suất tác động cao, bắt đầu tạo vết nứt và lan truyền ngay lập tức hoặc sau đó tại hoặc xung quanh vị trí tác động

Hình 1.7 Sơ đồ đánh bóng tia chất lỏng

Theo một nghiên cứu thực nghiệm, đề xuất rằng vật liệu được loại bỏ và độ nhám bề mặt giảm chủ yếu thông qua tác động của chất mài mòn Hơn nữa, không xảy ra hiện tượng “mòn dụng cụ” trong khi “công cụ” cũng làm mát bề mặt và loại bỏ các mảnh vụn

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng bằng tia chất lỏng là đặc tính mài mòn và phản ứng thủy phân Hạt mài đa giác có khả năng loại bỏ vật liệu lớn hơn dạng hình cầu Các vật liệu mài đa giác loại bỏ vật liệu bằng cách cắt, nhưng các vật liệu hình cầu bằng cách cày biến dạng là chủ yếu Ở cùng một tốc độ, hạt mài càng lớn thì động năng càng lớn và hạt mài càng dễ thoát khỏi sự kiểm soát của lực cản Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng kích thước hạt mài mòn ảnh hướng đến tốc độ loại bỏ vật liệu thông qua cá mô

Trang 18

phỏng và thí nghiệm Với góc tác động lớn hơn, nhiều vật liệu sẽ được loại bỏ hơn với lực tác động lớn hơn

Trong quá trình đánh bóng, một số phản ứng hóa học thủy phân thường xảy ra trên bề mặt vật liệu và tính chất vật liệu thay đổi, dẫn đến hình thành lớp thủy phân Độ cứng của lớp thủy phân kéo dài đến độ sâu lớn hơn so với lớp không thủy phân và nói chung chất mài mòn loại bỏ lớp thủy phân dễ dàng hơn Nếu không xảy ra phản ứng thủy phân thì hiệu suất thường giảm đi rất nhiều

Đánh bóng bằng tia chất lỏng có một số đặc điểm độc đáo Một là gradient ranh giới chức năng loại bỏ thay đổi rất nhiều và trường ảnh hưởng nhỏ, đạt được khả năng loại bỏ dấu vết bề mặt trong phạm vi tối thiểu và với sự thay đổi cấu trúc vi mô tối thiểu Một lý do khác là áp suất phản lực trong quá trình đánh bóng bằng tia chất lỏng thấp và kim phun mòn khá chậm, dẫn đến thời gian bảo dưỡng lâu hơn trước khi cần thay dụng cụ

1.3.1.4 Đánh bóng từ trường

Đánh bóng từ trường là một công nghệ đánh bóng xác định, đánh bóng từ lưu biến sử dụng một “Đầu mài vi mô” để đánh bóng bề mặt vật liệu, để tạo ra bề mặt nhẵn bởi chất lỏng từ lưu biến với chất mài mòn đánh bóng trong từ trường bức xạ cao Được ứng dụng rộng rãi trên vật liệu cứng và giòn, nó được

Hình 1.8 Máy đánh bóng từ trường

Trang 19

coi là sự lựa chọn tối ưu cho phương pháp gia công bề mặt cuối cho các chi tiết cần yêu cầu độ bóng cao

Chất lỏng từ lưu biến ban đầu được sản xuất bởi Rabi vào những năm 1940 Kể từ đó, nó đã được sử dụng trong các hệ thống cơ khí khác nhau liên quan đến rung động, truyền mô-men xoắn, v.v Chúng thường được sử dụng, ví dụ, trong đầu máy xe lửa, phanh, ly hợp, bộ giảm rung địa chấn, van điều khiển Chất lỏng từ lưu biến thông thường là loại chất lỏng được tạo ra bằng cách kết hợp các hạt từ tính có kích thước micron vào môi trường mang Chất lỏng MR cho thấy sự thay đổi về độ nhớt rõ ràng với từ trường, dẫn đến ứng suất chảy

Chất lỏng từ lưu biến được gọi là “một khối ma thông minh” Nó có thể chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái gần như rắn một cách thuân nghịch và nhanh chóng dưới sự hiện diên của từ trường bên ngoài Nó bao gồm một chất lỏng không dẫn điện và các hạt từ tính nhỏ có độ thẩm thấu cao và độ trễ thấp Chất lỏng này có nhiều đặc tính của chất lỏng newton có độ nhớt thấp trong trường hợp phi từ tính, tính lưu động thấp trong từ trường mạnh Khi từ trường được bật hoặc tắt, hành vi lưu biến từ thời và có thể đảo ngược, và cường độ năng suất cắt tương ứng với cường độ từ trường ngoài đều

Chất lỏng từ thực chất là chất rắn, rất nhỏ, có đường kính khoảng 3 µm đến 10 µm, các hạt cực kỳ từ hóa nằm rải rác trong chất lỏng mang không từ tính Chất lỏng MR thường có thể giữ lại các đặc tính lưu biến của chúng trong một phạm vi nhiệt độ rộng và có từ hóa cao, từ hóa cưỡng bức hoặc từ hóa trung bình vừa phải Quá trình lắng đọng và oxy hóa chất lỏng MR cũng phải ổn định Các hạt được sử dụng chủ yếu là các hạt sắt Các hạt sắt thường được sử dụng nhất là các hạt sắt carbonyl (CIP), được tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt của các hạt sắt Đây là các pentacacbonyl sắt, Fe (CO)5 và được sử dụng chủ yếu do từ hóa mạnh của độ bão hòa và tính ổn định tương đối của quá trình oxy

Trang 20

hóa Chất lỏng mang thường được sử dụng bao gồm nước, dầu khoáng, polyethers và hydrocarbon tổng hợp

Chúng có thể được phân loại là chất lỏng dựa trên nước và dầu Chất lỏng mang gốc nước hoặc dầu có thể được sử dụng, tùy thuộc vào mục đích Chất lỏng mang gốc nước thường được sử dụng trong quá trình hoàn thiện kim loại khi cần tốc độ loại bỏ cao Trong khi chất lỏng mang gốc dầu được sử dụng rộng rãi hơn trong quang học Chất lỏng mang gốc dầu nhớt hơn so với chất lỏng mang gốc nước và dính hơn chất lỏng mang gốc nước, khiến việc làm sạch sau thí nghiệm trở nên khó khăn Đối với kỹ thuật từ tính của mỡ sắt carbonyl, độ nhớt cắt giảm khi vận tốc cắt tăng mà không cần sử dụng nam châm Tuy nhiên, độ nhớt cắt giảm khi dầu hỏa được thêm vào trong toàn bộ phạm vi tốc độ cắt Để ngăn chặn sự lắng đọng và kết tụ của CIP, đồng thời cung cấp thêm khả năng bôi trơn và khả năng chống ăn mòn và mài mòn, các chất phụ gia cũng nên được sử dụng Chất thixotropic và chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng phụ gia Mỡ và glycerol cũng được thêm vào để tăng cường tính ổn định của các thành phần nhớt như mỡ và glycerol Ngoài ra, chất lỏng MR ổn định có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các chất phụ gia axit

Chất lỏng từ lưu biến cứng lại và mang các đặc tính của chất lỏng đàn nhớt, và mức độ đàn hồi nhớt phụ thuộc nhiều vào mật độ từ thông được áp dụng Đối với một ứng dụng nhất định, có thể cần xem xét thêm khi nói đến các đặc tính lưu biến chẳng hạn như cường độ của mật độ từ thông và lượng hạt có thể từ hóa, và các thành phần phi từ tính có thể được yêu cầu Các hạt

Hình 1.9 Ảnh SEM của các hạt sắt carbonyl

Trang 21

không thể từ hóa cũng chịu trách nhiệm cho việc triệt tiêu MRF Các hạt có thể từ hóa (ví dụ: CIP) bị hút vào từ trường và khi làm như vậy, tạo thành một cấu

trúc bao gồm chuỗi dài các hạt được xếp dọc theo các hàng của đường sức từ

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý đánh bóng từ trường

Hình 1.10 là sơ đồ nguyên lý của máy đánh bóng từ lưu biến Đĩa dánh bóng được làm bằng sắt trên đó bố trí đồ đều các cục nam châm có kích thước quy định Trước khi đánh bóng một chất lỏng từ lưu biến hỗn hợp được đông nhất bôi lên đầu cực từ của đĩa đánh bóng Dưới tác động của từ trường, nam châm về cơ bản hoạt động gần như các đầu mài vi mô linh hoạt Phôi bị hạn chế về mặt động học trong giá đỡ được dẫn động bới một động cơ ăn khớp và quay ngược chiều của đĩa đánh bóng Chất lỏng đánh bóng được vận chuyển đến bề mặt phôi thông qua một thiết bị phân môi “Đầu mài siêu nhỏ” được hình thành bởi chất lỏng từ lưu biến với chất mài mòn đánh bóng, cuốn chất mài mòn vào chất lỏng đánh bóng và giữ chúng ở giao diện bề mặt trong chuyển động tương đối và dưới áp suất để tác động đến hoạt động đánh bóng Việc loại bỏ vật liệu bởi những gì đã được mô tả là công cụ cạo là một hành động cắt với việc loại bỏ dễ dành một lớp rộng Trong quá trình đánh bóng từ lưu biến, áp suất bình thường với bề mặt và lực cắt song song với bề mặt Trong quá trình này, lực cắt lớn hơn áp suất và lực cắt là lực chính tác động đến bề mặt và gây

Trang 22

ra các vết nứt nhỏ mở rộng đến một mức độ nhất định Bề mặt phôi dau đó sẽ loại bỏ vật liệu thông qua đứt gãy vật liệu Với tác động hỗn hợp của áp suất thủy động và áp suất đầu mài vi mô chất mài mòn liên tục đùn bề mặt phôi trong chất lỏng đánh bóng và dẫn đến các vết nứt nhỏ trên bề mặt phôi ngoài lực cắt đầu mài linh hoạt Với quá trình đánh bóng đang diễn ra, các chất mài mòn tiếp theo tác động liên tục lên vết nứt và vết nứt lan rộng Khi vết nứt mở rộng đến một mức độ nhất định, vật liệu bề mặt sẽ bị vỡ Với chuyển động tương đối của vật liệu mài mòn trên bề mặt phôi, vật liệu bề mặt bị nứt và bong ra khỏi bề mặt phôi Hơn nữa, sẽ có các phản ứng hóa học giữa chất lỏng từ lưu biến và chất nền phôi

Đánh bóng từ trường là kết quả của tác đông cơ học của các hạt mài mòn và tác động hóa học của chất longt đánh bóng Các vết nứt trên bề mặt chất nền do đùn hoặc cắt mài mòn có thể làm cho chất đánh bóng phản ứng tốt hơn với bề mặt chất nền và lớp mềm được hình thành do phản ứng hóa học giúp cải thiện hiệu quả loại bỏ tác động cơ học mài mòn, thúc đẩy lẫn nhau, bổ sung cho nhau và dẫn đến một bề mặt chất nền với độ nhám bề mặt giảm

Một số thí nghiệm đã chỉ ra rằng quy trình đánh bóng từ tính có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu bao gồm silica nung chảy canxi ﬂ uoride, vật liệu giãn nở nhiệt bằng không (kính Zerodurceramic, kính Corning) thạch anh, sapphire và kim loại

Hình 1.11 Một số ứng dụng của đánh bóng từ tính

Trang 23

Ngoài ra, đánh bóng từ tính có thể áp dụng cho các dạng hình học khác như con lăn, bề mặt và các vật liệu khác nhau bao gồm nhôm, silic nitrit, thủy tinh, hoặc thậm chí vật liệu từ tính Chất lượng trên kim loại, sử dụng thiết bị đánh bóng từ tính với khe hở điều chỉnh δ như trong hình 1.11 (a) Cụ thể, một công cụ mang nam châm được quay bởi một trục quay và vật liệu cần đánh bóng được đặt trên một bề mặt cao Kết quả chứng minh rằng khe hở lớn hơn một chút tránh được sự thoái hóa hoặc biến dạng dẻo của bề mặt được đánh bóng, và độ nhám bề mặt có thể được kiểm soát tốt trong vòng 10 nm Ra khi khe hở nằm trong khoảng từ 1 mm đến 4 mm, như thể hiện trong hình 1.11 (b)

1.3.2 Đánh bóng phi cơ học 1.3.2.1 Đánh bóng điện phân

Đánh bóng điện phân còn được gọi là đánh bóng điện hoặc điện đánh bóng hóa học, đề cập đến một công nghệ đánh bóng hòa tan có chọn lọc các đặc điểm bề mặt bằng phản ứng điện hóa để cuối cùng thu được bề mặt nhẵn

Hình 1.12 Sơ đồ đánh bóng điện phân

Hệ thống đánh bóng điện phân được thể hiện trong hình 1.12 Đánh bóng điện phân yêu cầu nguồn điện DC để tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa phôi và vật liệu catot không hòa tan được ngâm trong chất điện phân Do đó, quá trình đánh bóng điện phân được tao nên, phôi được nối với với cực dương của nguồn điện và kim loại hòa tan được nối với cực âm Cả hai đều nằm chìm trong chất

Trang 24

điện phân có tính axit và dòng điện một chiều đi qua hai điện cực Có hai quá trình trái ngược nhau trong quá trình đánh bóng điện phân đó là sự hình thành và hoa tan màng oxit trên bề mặt phôi Các ion kim loại tự do tạo thành một màng các chất hóa học trong dung dịch với chất điện phân và bám vào bề mặt phôi Phim dễ phản ứng với chất điện phân và bị ăn mòn để hòa tan Vì bề mặt hiểm vi bao gồm các độ nhám với các đặc điểm lõm và lồi, độ dày của “niêm mặc” hình thành trên bề mặt không giống nhau trong quá trình đánh bóng điện phân Niêm mạc ở đặc điểm lồi mỏng và mật độ dòng điện tương đối lớn nên kim loại tan nhanh hơn Tương tự, niêm mạc ở đặc điểm lõm dày, điện trở lớn và mật độ dòng điện tương đối nhỏ, do đó tốc độ hòa tan ở đặc điểm lõm tương đối chậm Do đó, có sự khác biệt về tốc độ hòa tan giữa các đặc điểm lồi và lõm dẫn đến việc tạo ra các bề mặt phẳng cục bộ đó là kết quả trong đánh bóng Các chất hóa học trong dung dịch góp phần thúc đẩy quá trình đánh bóng diễn ra và duy trì môi trường hóa chất cần thiết cho quá trình đánh bóng Trong quá trình đánh bóng điện, các ion kim loại tự do có thể tạo thành một màng mỏng với chất điện phân và hấp thụ trên bề mặt phôi Do bề mặt phôi dao động lớn, phần lồi của màng trở nên mỏng với chất điện phân và hấp thụ trên bề mặt phôi Do bề mặt phôi dao động lớn, phần lồi của màng trở nên mỏng, trong khi phẫn lõm trở nên dày Do đó, phần lồi có nhiều khả năng phản ứng với chất điện phân và bị ăn mòn, cuối cùng đạt được mục đích đánh bóng

Đánh bóng điện phân có thể làm giảm độ nhám bề mặt và thu được độ nhám bề mặt có độ bóng kim loại nhất định nó không nhạy cảm với hình dạng của phôi và phù hợp với phôi có kích thước lớn hoặc nhỏ Bề mặt sau khi đánh bóng điện phân cho khả năng chống ăn mòn tốt Qúa trình này sẽ ổn định, dễ vận hành và tương đối sạch sẽ

Trong đánh bóng điện phân còn một số hạn chế về hiệu quả đánh bóng bởi các điều kiện gia công đa dạng, điều kiện môi trường và tính chất vật liệu Vật liệu được đánh bóng phải dẫn điện và không thể phản ứng với chất điện

Trang 25

phân Tuổi thọ của dung dịch điện phân có hạn vì vậy việc thay thế dung dịch điện phận rất tốn kém

1.3.2.2 Đánh bóng bằng laze

Hình 1.13 Đánh bóng bằng laze

Đánh bóng laser, là một công nghệ xử lý đặc biệt mới, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là đối với các hình dạng bề mặt đặc biệt, khó đánh bóng bằng các kỹ thuật sản xuất truyển thống Là một quy trình đánh bóng không tiếp xúc, đánh bóng bằng laser sử dụng tia laser làm nguồn năng lượng để chiếu xá bề mặt phôi, loại bỏ các khuyết tật và độ nhám bề mặt phôi

Hiện tượng phản xạ, truyển và hấp thụ laser là kết quả của sự tương tác giữa các photon với các electron tự do buộc phải dao động và phát ra các sóng thứ cấp, và các sóng thứ cấp đó phải trải qua các phản xạ mạnh hơn và các hình chiếu yếu hơn Khi tia laser hồng ngoại chiếu lên bề mặt, năng lượng photon của tia laser yếu và chỉ có electron tự do trong vật liệu tương tác Các electron tự do truyền năng lượng đến mạng tinh thể thông qua va chạm, đạt được sự hấp thụ năng lượng Khi một tia cực tím bước sóng ngắn hoặc laser xung siêu ngắn chiếu vào bề mặt, photon laser có năng lượng lớn hoặc xảy ra hiệu ứng hai photon Nó tương tác với không chỉ các điện tử tự do mà còn với các điện tử liên kết, làm cho các điện tử vùng hóa trị di chuyển Năng lượng phản xạ giảm và năng lượng truyền tăng trong vật chất Tỷ lệ hấp thụ laser trên bề mặt vật liệu cũng nên xem xét lớp phủ bề mặt, độ nhám bề mặt, dấu vết còn lại của quá

Trang 26

trình xử lý trước, khuyết tật vật liệu, liệu vật liệu có bị oxy hóa hay không và các yếu tố khác

Đánh bóng bằng laser có thể phân thành hai loại: đánh bóng nhiệt và đánh bóng lạnh, theo những thay đổi vật lý và hóa học Đánh bóng nhiệt được đặt tên theo sự thay đổi vật lý và hóa học sau khi chiếu tia laser lên bề mặt vật liệu Nó bao gồm đánh bóng bằng cách nóng chảy lại Khi tia laser chiếu lên bề mặt phôi, nhiệt được tích tụ trên bề mặt vật liệu và lớp bề mặt mỏng cần đánh bóng được làm nóng chảy lại hoặc bốc hơi, làm giảm độ nhám bề mặt Các laser liên tục có bước sóng dài hoặc laser xung dài có bước sóng dài tương tác với vật liệu để đạt được hiệu ứng nhiệt lớn, đó là đánh bóng nhiệt Các bể nung chảy đánh bóng bằng laze của đánh bóng bằng laze xung và liên tục là khác nhau Sự tích tụ nhiệt do đánh bóng bằng nhiệt trên bề mặt vật liệu gây ra chênh lệch nhiệt độ lớn bên trong vật liệu, làm tăng ứng suất bên trong vật liệu và xuất hiện các vết nứt nhỏ trên bề mặt sau khi đánh bóng nhiệt Nó có ưu điểm là hiệu quả cao, thích hợp cho việc đánh bóng thô các vật liệu có tính chất vật lý tốt hơn

Đánh bóng nguội được đặt tên theo sự thay đổi hóa học sau khi tia laser chiếu lên bề mặt Nó bao gồm đánh bóng cắt bỏ diện rộng và đánh bóng cắt bỏ cục bộ Trong quá trình chiếu xạ laser, nếu các phân tử hấp thụ năng lượng photon đủ cao, liên kết hóa học giữa các phân tử sẽ bị phá vỡ Khi đánh bóng nguội, polyme cao trở thành polyme phân tử thấp, sau đó polyme phân tử thấp trở thành polyme nhỏ, thậm chí bốc hơi Bằng cách này, cấu trúc đỉnh bề mặt được loại bỏ, làm giảm độ nhám bề mặt Nhược điểm là hiệu quả đánh bóng nguội khá thấp Ưu điểm là điểm là độ dày đánh bóng dễ kiểm soát và hầu như không có vết nứt nhỏ trên bề mặt vật liệu, không ảnh hưởng đến tính chất vật lý của vật liệu Đánh bóng lạnh phù hợp với các vật liệu khóa đánh bóng bằng vật liệu, cũng như đánh bóng tinh xảo các dụng cụ chính xác

Trang 27

Ưu điểm Hiệu quả đánh bóng cao Dễ kiểm soát độ dày đánh bóng không có vết nứt nhỏ

Nhược điểm

Gradien nhiệt đó lớn, ứng suất bên trong tăng, vết nứt nhỏ

Hiệu quả đánh bóng thấp

Ứng dụng

Đánh bóng thô các vật liệu có tính chất vật lý tốt hơn

Vật liệu khó đánh bóng bằng nhiệt, đáng bóng tốt các dụng cụ chính xác

1.3.2.3 Đánh bóng bằng chùm tia ion

Trạng thái vật lý của một chất có thể được mô tả là rắn, lỏng hoặc khí và một chất chỉ có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng cách hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng Sau khi hấp thụ nhiều năng lượng hơn, một chất khí có thể bị kích thích thành plasma, thường được gọi là trạng thái chất thứ tư (hay trạng thái vật chất) Đánh bóng bằng chùm ion khai thác trạng thái thứ tư này để loại bỏ vật liệu ở quy mô nguyên tử

Hình 1.14 Đánh bóng bằng tia ion

Trang 28

Trong quá trình đánh bóng bằng chùm ion, chùm ion do nguồn ion phát ra có năng lượng và phân bố không gian nhất định tác động lên bề mặt vật liệu Các ion va chạm với các nguyên tử của phôi ở một độ sâu nhất định và truyền năng lượng của chúng tới các nguyên tử của phôi Khi năng lượng hấp thụ lớn hơn năng lượng liên kết mạng, các nguyên tử của phôi bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của chúng và đến lượt nó có thể va chạm với các nguyên tử khác để truyền bá hành động Nếu năng lượng mà nguyên tử thu được không đủ để vượt qua năng lượng liên kết mạng, thì năng lượng thu được sẽ được giải phóng dưới dạng photon Trong quá trình này, năng lượng được truyền giữa các ion và nguyên tử, hoặc nguyên tử và nguyên tử đánh bóng bằng chùm ion về mặt lý thuyết có thể đạt được khả năng loại bỏ vật liệu ở cấp độ nguyên tử Trong quá trình này, các nguyên tử bị loại bỏ khỏi bề mặt bởi một ion tới được gọi là hiệu suất phóng xạ Loại bỏ vật liệu trong quá trình đánh bóng bằng chùm ion là một đại diện vĩ mô của năng suất phóng xạ

1.4 Đánh giá bề mặt dụng cụ sau khi đánh bóng

Hình 1.15 Hình ảnh bề mặt trước và sau khi đánh bóng Laser

Trong đánh bóng chính xác yếu tố quyết định đến một vật có đạt được độ bóng cũng như yêu cầu kỹ thuật đó là độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt được đánh giá bằng phương pháp biên dạng bao gồm độ lệch trung bình số học (Ra) của đường cao tối đa (Rz) của đường bao và độ lệch bình phương trung bình gốc (Rq) Phương pháp diện tích cũng được sử dung để đánh giá, bao gồm, chiều cao trung số học (Sa), chiều cao bề mặt lớn nhất(Sz) và chiều cao bình phương trung bình gốc (Sq)

Trang 29

Dựa vào hình 1.15 kết quả phân tích bề mặt của đánh bóng laser trước và sau khi đánh bóng của nhà nghiên cứu Jiangsu University Tất cả độ nhám biên dạng của mẫu thử được đo song song và thẳng đứng với hướng đánh bóng bằng laser, được đánh dấu bằng mũi tên đỏ trong hình 1.15b Hướng của đường lắng đóng FDM được đánh dấu bằng mũi tên trắng trong hình 1.15a Trước khi đánh bóng bằng laser, độ nhám bề mặt theo hướng song song cao hơn và thẳng đứng so với hướng đánh bóng bằng laser Điều này có thể là do hướng lắng đọng cầu chì thẳng đứng với hướng đánh bóng laser và có nhiều đỉnh và thung lũng giữa các cầu chì liền kề Mộ số điểm nhấn lưu ý rằng sau khi đánh bóng bằng laser, độ nhám theo hướng thẳng đứng cao hơn và song song với hướng đánh bóng laser cho tất cả các vật mẫu Sau khi các mẫu vật được xử lý sau bằng đánh bóng laser, độ nhám bề mặt giảm đáng kể Dự trên phân tích hình ảnh trên cho thấy độ nhám bề mặt giảm tối đa là 90,4% đạt được nhờ công suất laser tương đối thấp và đường kính chùm tia laser lớn, cho thấy việc lựa chọn các thông số quy trình đánh bóng phù hợp có ảnh hướng lớn đến chất lượng bề mặt Các địa hình bề mặt 3D thể hiện các cấu trúc bề mặt khác nhau

Với phương pháp đánh bóng bằng chùm tia ion áp dụng trên bề mặt kim loại bao gồm cả loại năng lượng thấp (~2 keV) và năng lượng cao (~200 keV) Đánh bóng chùm ion còn được gọi là khắc chùm ion hoặc phay chùm ion Đánh bóng bằng tia ion năng lượng thấp không tạo ra nhiệt và do đó về nguyên tắc là

Hình 1.16 Hình ảnh bề mặt trước và sau khi đánh bóng bằng tia ion

Trang 30

khác với các phương pháp dựa trên tia laser và điện tử Quá trình đánh bóng bằng chùm ion năng lượng thấp khai thác các va chạm đàn hồi giữa các ion tới và hạt nhân nguyên tử của lớp bề mặt, truyền động năng và dẫn đến sự phún xạ của các nguyên tử khỏi bề mặt phôi Cơ chế loại bỏ trong quá trình đánh bóng bằng chùm ion phụ thuộc vào việc tăng nội năng của từng nguyên tử Để tách một nguyên tử khỏi mạng tinh thể, năng lượng bên trong của nó phải được tăng lên vượt quá năng lượng tự do Helmholtz ở bề mặt vật liệu, và điều này đạt được bằng cách cung cấp động năng thông qua bắn phá ion Năng lượng cần thiết để loại bỏ phải vượt quá tổng năng lượng liên kết mạng và năng lượng rào cản bề mặt chùm ion đánh bóng đã được chứng minh với độ chính xác ở quy mô sub-nm Tuy nhiên, do hiệu quả thấp của quy trình đánh bóng bằng chùm ion, nên việc đánh bóng với độ chính xác cao sử dụng năng lượng thấp như vậy có thể không thực tế Ti–6Al–4V được hoàn thiện bằng máy móc ở độ nhám trung bình ~0,2 μm được hoàn thiện bằng quá trình đánh bóng bằng chùm tia ion dòng điện cao Mặc dù bề mặt đã được đánh bóng trước đó, độ nhám trung bình 53 nm Ra được tạo ra sau khi đánh bóng bằng chùm ion (60 phút) Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ đánh bóng không tiếp xúc nên bề mặt sẽ không bị biến dạng do ứng suất sai số ít do dụng cụ đánh bóng và bề mặt phôi không khớp nhau, một công nghệ đánh bóng xác định Với phương pháp này cũng có một số nhược điểm như cần dụng cụ đánh bóng đắt tiền Chuyển độ của chùm ion có thể không được kiểm soát dễ dàng, điều này có thể cần được chú ý nhiều hơn

Trang 31

Hình 1.17 Điện thế anốt điển hình cho một kim loại trong chất điện phân

Với đánh bóng điện phân được áp dụng rộng rĩa cho kim loại để loại bỏ các khuyết tật bề mặt khi gia công, bằng cách làm phẳng các địa hình, loại bỏ cặn oxit và các tạp chất bề mặt khác, đồng thời loại bỏ các lớp bị ảnh hưởng về cấu trúc vi mô Việc hoàn thiện như vậy có thể làm giảm sự xuất hiện bề mặt của các chất khởi tạo điểm mỏi, cải thiện khả năng chống ăn mòn và loại bỏ các ứng suất dư phát sinh từ quá trình xử lý trước đó Việc loại bỏ này dựa trên ăn mòn điện hóa và các phản ứng hòa tan anot của vật liệu phôi Trong nguyên cứu của Mowat (1950) đã phân tích cơ chế đánh bóng điện phân theo các hiện tượng trong quá trình đánh bóng Họ đã giải thích tránh sự hình thành các hình ăn mòn trên bề mặt được làm nhẵn, trong đó lớp dung dịch bão hòa và chất rắt tương đối dày, di dộng hình thành trước màng thụ động tạo ra, và trong quá trình đánh bóng bằng điện tiếp tục hình thành với thành phần biến đổi và tiêu tan sau đó Đánh bóng điện phân bị ảnh hưởng bới nhiệt độ, thời gian đánh bóng, mật độ đánh bóng và độ nhám bề mặt trước khi đánh bóng Nếu bề mặt thô rát trước khi đánh bóng thể độ nhám có thể tăng lên sau khi đánh bóng Trong quá trình đánh bóng, nhiệt độ và mật độ dòng điện tăng theo thời gian

Trang 32

đánh bóng Nếu mật độ dòng điện thấp thì chỉ có sự ăn mòn điện hóa Mật độ dòng điện trong đánh bóng thường là 5,0–5,5 A/𝑚2 Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm ra các thông số quy trình phù hớp để cải thiện độ nhám mà độ ăn mòn không đồng đều cho một số vật liệu như thép trong quá trình đánh bóng điện phân Họ phát hiện ra độ nhám bề mặt được cải thiện gấp ba lần và độ ăn mòn đồng đều được cải thiện 60% với khoảng cách điện phân 5mm và thời gian đánh bóng là 5 phút

Phôi được ngâm vào dung dịch mài mòn và đặt trong trường siêu âm cùng nhau Đối với dao động siêu âm, chất mài mòn trên bề mặt phôi có thể mài và đánh bóng Lực gia công siêu âm nhỏ để không gây biến dạng của phôi, nhưng việc chế tạo và lắp đặt dụng cụ rất khó khăn Đánh bóng siêu âm có thể kết hợp với phương pháp hóa học hoặc điện phân Sau khi dung dịch ăn mòn và điện phân, dung dịch được khuấy và sau đó rung siêu âm được áp dụng, do đó chất tan trên bề mặt phôi khuôn sẽ rời ra.

Hình 1.18 Bề mặt và độ nhám thấu kính quang học trước và sau khi đánh bóng siêu âm

Trang 33

Đánh bóng hỗ trợ siêu âm là phương pháp xử lý không dùng nhiêt, không dùng hóa chất và không dùng điện, được thiết kế để tránh thay đổi vật liệu, cấu trúc vi mô và tính chất hóa học Bề mặt sau đánh bóng siêu âm thường đạt được hiệu quả cao Trong một nghiên cứu về đánh bóng hỗ trợ siêu âm trong lĩnh vực quang học của (Northeastern University) Thấu kính thủy tinh được đánh bóng bằng cách đánh bóng có hỗ trợ rung siêu âm bằng chất lỏng nguyên tử hóa siêu âm và có thể đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất bằng cách đo Một thí nghiệm đánh bóng thấu kính toàn bộ đã được thực hiện Và hình thái và độ nhám bề mặt được đo bằng kính hiển vi laser đo 3D Hình thái bề mặt của thấu kính quang học trước khi đánh bóng được thể hiện trong hình 1.19(a) Độ nhám bề mặt của thấu kính quang học trước khi đánh bóng được thể hiện trong hình 1.19 (b), độ nhám bề mặt của thấu kính thủy tinh quang học là 3,079μm Có thể thấy rằng bề mặt của thấu kính quang học tương đối thô Hình thái bề mặt của thấu kính quang học sau khi đánh bóng được thể hiện trong hình 1.19(c), có thể thấy rằng bề mặt của thấu kính quang học nhẵn và phẳng Như thể hiện trong hình 1.19 (d), độ nhám bề mặt của thấu kính thủy tinh quang học sau khi đánh bóng có thể đạt tới 2 nm Ngược lại, có thể thấy rõ rằng chất lượng bề mặt của thấu kính thủy tinh được đánh bóng được cải thiện rõ rệt

Hình 1.19 Đánh bóng vòm

Trang 34

Phương pháp đánh bóng vòm đã được chứng minh là đạt được độ hoàn thiện siêu chính xác trên vật liệu quang học và được sử dụng rộng rãi như niken không điện phân, sự giã nở nhiệt thấp Các nghiên cứu chỉ ra rằng độ nhám bề mặt và tốc độ loại bỏ vật liệu bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm áp suất không khí, tốc độ trục chính, loại đệm Một số nghiên cứu đã chỉ ra được hiệu quả của đánh bóng và được thể hiện ở hình 1.19(b) Độ sâu loại bỏ có thể nằm trong khoảng từ 0,1 μm đến 2 μm Một lợi ích từ việc loại bỏ ổn định trong khu vực khẩu độ phụ là quy trình đánh bóng này không chỉ có thể thực hiện loại bỏ đồng đều ở mọi nơi trên phôi mà còn thực hiện hiệu chỉnh hình thức xác định hình 1.19(c) cho thấy khuôn đúc hình parabol 200 × 200 mm làm bằng silica nung chảy Bề mặt đất ban đầu được đo có sai số dạng 36,7 μm trong PV, như thể hiện trong hình 1.19(d) Sử dụng các tham số quy trình được liệt kê trong hình 1.19(e), các lần đánh bóng hiệu chỉnh lặp đi lặp lại đã được tiến hành Đối với mỗi lần chạy, tốc độ nạp của máy được kiểm duyệt theo phép tính dựa trên việc giải mã chức năng ảnh hưởng và lỗi hình thức từ lần chạy trước đó Sai số dạng dần dần hội tụ thành 100 nm trong PV sau lần chạy thứ 6, như thể hiện trong hình 1.19(f), với độ nhám bề mặt cuối cùng là 0,6 nm Ra Đánh bóng nắp ca-pô hiệu chỉnh đã được áp dụng cho nhiều ứng dụng, bao gồm khuôn đúc tia X cứng (PV <50 nm, Ra: ~0,3 nm, hình cầu, mạ niken không điện phân), mặt nạ quang cực tím (PV < 50 nm, Ra: ~0,5 nm, plano, silica nung chảy), gương kính thiên văn (PV < 100 nm, Ra: ~0,3 nm, parabol, silica nung chảy) Nó cũng có thể được sử dụng để đánh bóng các bề mặt có dạng tự do nghiêm trọng như bộ phận cấy ghép đầu gối

Trang 35

Hình 1.20 Bề mặt dụng cụ sau khi đánh bóng từ tính

Trong đánh bóng từ tính các thí nghiệm khác nhau đã chỉ ra rằng quy trình đánh bóng từ tính có thể áp dụng vật liệu bao gồm silica nung chảy vật liệu giãn nở nhiệt bằng không, thạch anh, sapphire và kim loại Trong hầu hết các trường hợp, độ nhám bề mặt có thể dễ dàng hội tụ đến Ra 0,2 nm trong vòng 40-60 phút đánh bóng thậm chí đạt dưới Ra 0,1nm khi tiếp tục đánh bóng Các thí nghiệm về can xi fluoride cho ứng dụng cực tím sâu chỉ ra rằng công nghệ đánh bóng từ tính cũng có thể đạt được độ dày 30 nm trong PV (Hình 1.20a) Các mức độ bền tương tự có thể đạt được trên thủy tinh và gốm sứ Dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), như trong Hình 1.20 (b) và (c), người ta thấy rằng bề mặt dưới không bị hư hại trái ngược với các khuyết tật phụ quan sát được trong phương pháp đánh bóng tiếp xúc truyền thống

Đánh bóng từ lưu biến được đề xuất như một công nghệ xử lý quang học mới bởi Golini et al (1999), Kozhinova và cộng sự (2001) đã sử dụng chất lỏng

Trang 36

từ lưu biến có chứa kim cương và chất mài mòn alumina/spinel để nghiên cứu tính bất đẳng hướng của tốc độ loại bỏ sapphire đơn tinh thể Kết quả thí nghiệm cho thấy tính dị hướng của tốc độ loại bỏ phụ thuộc vào loại chất mài mòn và có ý nghĩa hơn đối với chất mài mòn alumina/spinel

Theo nghiên cứu của giáo sư Wu và nhóm của ông (Wu et al., 2011) đã đề xuất phương pháp đánh bóng chất lỏng hợp chất từ tính (MCF), có thể được sử dụng để đánh bóng các hình dạng ba chiều bằng cánh tay robot MCF là một loại chất lỏng chức năng phản ứng với từ trường MCF bao gồm chất lỏng từ tính (MF) và bột sắt carbonyl, và có thể kiểm soát độ nhớt trong phạm vi rộng bằng từ trường, cho thấy khả năng phân tán hạt cao Bằng cách này, họ có thể đạt được độ nhám bề mặt (Ra) 10 nm trong vài phút và tính khả thi của việc đánh bóng thiết bị định hình tự do bằng điều khiển cánh tay robot đã được xác nhận Trong một nghiên cứu của (Ghosh) của họ cho thấy rằng tốc độ đĩa và khoảng cách làm việc có ảnh hưởng đáng kể đến chức năng ảnh hưởng Đánh bóng từ lưu biến chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các bộ phận quang học Vương và cộng sự (2010) đã sử dụng công nghệ đánh bóng MR để đánh bóng lát cắt 6H-SiC Sau khi đánh bóng thô, độ nhám giảm xuống 5,9 nm Sau khi đánh bóng mịn, độ nhám giảm xuống 0,5 nm

Hình 1.21 Từ trường tại các vị trí khác nhau của vật cố định từ tính

Trang 37

Hình 1.22 Nguyên tắc đánh bóng từ tính

Trong đánh bóng từ tính cũng có thể tạo ra được bề mặt tốt với vật liệu gốm trong bài báo của (Wu-Le Zhu) cho thấy được minh họa của cơ cấu đánh bóng từ tính với vật liệu gốm trong hình 1.22(a), cơ cấu dẫn hướng có thể bao gồm một cấu trúc vòng đơn giản và chuyển động được điều khiển bởi lực từ Quá trình đánh bóng nổi từ tính này được phát triển đầu tiên bởi Umehara và Kato Một dãy nam châm vĩnh cửu (Nd-Fe-B) được sắp xếp bên dưới bộ nhận acrylic chứa đầy chất lỏng từ tính và chất mài mòn Chất lỏng từ tính là sự phân tán dạng keo của các hạt sắt từ cực mịn (10–15 nm 𝐹𝑒3𝑂4 ) Về nguyên tắc, khi một từ trường được áp dụng, các hạt từ tính bị hút xuống dưới và một lực nổi được tác dụng lên tất cả các vật liệu không có từ tính để đẩy chúng lên trên Các hạt mài mòn, phôi (bóng 𝑆𝑖3𝑁4 trong trường hợp này) và bộ tiếp nhận acrylic được nổi bởi lực nổi từ tính Các viên bi gốm được đánh bóng bằng các hạt mài mòn dưới lực nổi từ trường khi trục chính quay (Hình 1.22b) Khi quay trục chính ở tốc độ khoảng 4000 vòng/phút dưới lực nổi từ tính lành tính (1 N/bóng), có thể xử lý các bề mặt không bị hư hại Sử dụng hạt mài B4C mịn (1–2 μm), độ tròn tốt nhất đạt được là 0,25 μm đối với bóng gốm 1/2′′ có độ nhám khoảng Ra 30 nm Thấp tới 4 nm đã được báo cáo khi kết hợp quy trình

Trang 38

với đánh bóng cơ học hóa học Tốc độ loại bỏ vật liệu cơ bản thấp (0,01–0,06μm/phút), nhưng có thể được cải thiện lên tới 12,4 μm/phút bằng cách tăng tốc độ hoặc tải trọng với chi phí làm suy giảm bề mặt (lên tới Ra 100 nm) Ngoài ra, đánh bóng bằng phao từ tính có thể áp dụng cho các dạng hình học khác như con lăn, bề mặt phẳng và các vật liệu khác nhau bao gồm alumina, silicon nitride, thủy tinh hoặc thậm chí cả vật liệu từ tính

Hình 1.24 Đánh bóng bánh răng côn răng thẳng bằng phương pháp từ tính

Hình 1.23 Biên dạng nhám bề mặt của bánh răng SB

Trang 39

Các thông số về độ nhám bề mặt trên biên dạng răng bánh răng đã được đánh giá sau khi hoàn thiện bằng công cụ hoàn thiện biên dạng bánh răng MR (MRGPF) hiện tại Bề mặt biên dạng răng bánh răng ban đầu được hoàn thiện

Hình 1.25 Biên dạng nhám bề mặt được đo bằng biên dạng quang học

Trang 40

bằng máy mài bánh răng đĩa (cỡ hạt mài 800 mắt lưới), được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp Các tham số độ nhám diện tích bề mặt Sa và Sq trên biên dạng răng của bánh răng nối đất được tìm thấy là 242 nm và 304 nm như trong hình 1.25 (a) Ngoài ra, từng bề mặt biên dạng răng của bánh răng thúc đẩy được hoàn thiện lần lượt với vòng quay của bánh răng định vị cứ sau 20 phút bằng công cụ hoàn thiện MR được thiết kế mới hiện tại Độ nhám diện tích bề mặt tối thiểu (Sa) của cấu hình răng bánh răng đã giảm xuống 25,3 nm so với bề mặt nền ban đầu là 242 nm và chiều cao bình phương trung bình của chân răng (Sq) đã giảm xuống 35,2 nm so với bề mặt nền ban đầu là 304 nm sau 20 phút hoàn thiện với công cụ MRGPF mới được thiết kế Các giá trị độ nhám diện tích bề mặt của biên dạng bên trái và bên phải của răng bánh răng sau 20 phút hoàn thiện bằng công cụ MRGPF được thể hiện trong hình 1.25 (b) và (c) Những kết quả này cho thấy rằng các giá trị độ nhám bề mặt đã giảm gần như giống nhau ở cả biên dạng bên trái và bên phải của răng bánh răng Việc giảm đồng đều các giá trị độ nhám bề mặt trên cả biên dạng bên trái và bên phải của răng bánh răng cho thấy rằng công cụ MRGPF được thiết kế mới có khả năng tạo ra độ hoàn thiện mịn đồng đều trên biên dạng răng bánh răng sau quá trình mài bánh răng Điều này là do cường độ phân bố đồng đều của từ trường ở cả biên dạng bên trái và bên phải của răng bánh răng so với bề mặt biên dạng dụng cụ bị từ hóa là như nhau Hơn nữa, nhiệt độ cắt của dụng cụ MRGPF khi hoàn thiện bề mặt biên dạng răng bánh răng thấp hơn rất nhiều so với mài bánh răng đĩa Bởi vì việc đốt cháy biên dạng răng bánh răng là không thể trong quy trình hoàn thiện dựa trên chất lỏng MR hiện tại

1.5 Kết luận

Các công nghệ đánh bóng siêu chính xác trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Theo đặc điểm và ưu điểm của các công nghệ đánh bóng khác nhau, chúng phù hợp với các ứng dụng đánh bóng khác nhau Công nghệ đánh bóng siêu âm tận dụng rung động siêu âm để loại bỏ vật liệu và đánh bóng