Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt sản phẩm tiện siêu âm

Quy trình này được thực nghiệm trên máy tiện TUDA-MYLER và mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS để khảo sát độ nhám bề mặt giữa ở tiện thông thường và tiện siêu âm ở các điều kiện cắt khác nhau

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu

Có nhiều loại nguyên công gia công khác nhau như tiện, khoan, phay và mài, mỗi loại đều có khả năng tạo ra một hình dạng hình học và kết cấu bề mặt của một bộ phận nhất định Tiện, là một trong những nguyên công cơ bản nhất được thực hiện trên máy, được sử dụng trong ngành công nghiệp hiện đại để sản xuất một số lượng lớn chi tiết Khi tiện, một dụng cụ cắt một điểm được gắn trên trụ dụng cụ và ăn khớp với phôi quay để đạt được hình dạng mong muốn của các thành phần Quá trình tiện thông thường tạo ra lực cắt cao và nhiệt độ cao trong vùng quá trình do độ bền cắt cao và độ dẫn điện kém Để giảm thiểu các nhược điểm đó, phương pháp tiện sử dụng đầu rung siêu âm được coi như là một giải pháp thay thế cho tiện thông thường

Phương pháp tiện sử dụng đầu rung siêu âm là một kỹ thuật gia công được phát triển gần đây, trong đó có tới 20000 tác động rung ở năng lượng thấp được đặt lên dụng cụ cắt mỗi giây tương tác với phôi Kỹ thuật gia công mới này mang lại sự cải tiến đáng kể trong việc xử lý các hợp kim hiện đại Trong kỹ thuật này, lực cắt giảm đáng kể cũng như cải thiện đáng kể độ hoàn thiện bề mặt của phôi gia công đã đạt được, trong khi lực tức thời đỉnh trong tiện siêu âm bằng với mức của lực cắt trong tiện thông thường Trong vài thập kỷ qua, các kỹ sư đã không ngừng cải thiện thiết lập thử nghiệm của tiện siêu âm cũng như phát triển các mô hình số hóa của quá trình Việc áp dụng các kỹ thuật mới đó đã ảnh hưởng đến hình dạng phoi và cũng cải thiện độ nhám bề mặt của các thành phần được gia công

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Bài báo của thầy Ngô Quốc Huy [1] nghiên cứu thiết kế, chế tạo đầu rung siêu âm tiện lỗ Trong gia công tiện, rung động cưỡng bức có thể được bổ sung theo các phương khác nhau (Hình 1): a) phương hướng kính, b) phương vận tốc cắt, c) phương dọc trục phôi, d) kết hợp a) và b) để tạo rung ellip

Hình 1.1: Các hướng bổ sung rung động trợ giúp tiện

Cơ sở thiết kế của phương pháp dựa trên phương trình truyền song tổng quát dọc theo phân tử của thanh nhờ sử dụng bộ phát siêu âm

Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu cụm rung động khi gia công

Bộ chuyển đổi siêu âm (1) có nhiệm vụ biến nguồn năng lượng điện ở dạng xung thành rung động siêu âm Đầu khuếch đại biên độ rung (2) vừa có nhiệm vụ truyền sóng siêu âm đến đầu dao (5), vừa làm nhiệm vụ gá đỡ cho cụm đầu rung Dao tiện lỗ (5) được lắp với ống gá (3) bằng vít (4) Phôi (6) gá trên mâm cặp (7) Cả bộ đầu rung được kẹp trên đĩa (8), gắn cùng đài dao Sau khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, bài báo đã xác định sự ảnh hưởng của tần số cộng hưởng và biên độ dao động tại đầu mút của dao đối với chất lượng của phồi Theo kết quả bài báo thì các thống số diá trị biên độ rung động và các tần số cộng hưởng cho đầu rung ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt và lực cắt khi tiện Ngoài ra, hiện nay có rất ít các nghiên cứu và các tài liệu liên quan đến phương pháp tiện sử dụng đầu rung siêu âm Nổi bật có nhóm nghiên cứu do thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Hải (Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh) hướng dẫn tìm hiểu về đầu rung siêu âm sử dụng trong các phương pháp khác nhau

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện tại rung động siêu âm được áp dụng rất nhiều vào trong các quá trình gia công như phay, gia công bao hình,… việc áp dụng rung động siêu âm vào có rất nhiều điểm cải tiến

Theo bài báo [3] của nhóm tác giả Teimouri, Reza; Amini, Saeid, Mohagheghian, Nasrodin cho rằng, tiện bằng dụng cụ quay là phương pháp trong đó lưỡi cắt của hạt dao tròn quay quanh trục của nó, do đó lưỡi cắt được lập chỉ mục liên tục được đưa vào vùng cắt Các thí nghiệm trong bài báo được thiết kế bằng cách sử dụng thiết kế hỗn hợp trung tâm ba yếu tố và ba cấp có tính đến vận tốc cắt, tốc độ quay của dụng cụ và tốc độ tiến dao là các yếu tố liên tục và rung siêu âm gây ra là yếu tố phân loại Để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến lực cắt và độ nhám bề mặt, mô hình thực nghiệm của từng phản ứng đã được phát triển bằng cách sử dụng phương pháp luận bề mặt phản ứng Sau đó, tính đầy đủ của các mô hình đã phát triển được kiểm tra và xác minh bằng phân tích thống kê các phương sai Để tìm cài đặt thông số tối ưu liên quan đến lực cắt tối thiểu và độ nhám bề mặt, phương pháp tiếp cận chức năng mong muốn đã được sử dụng Kết quả chỉ ra rằng áp dụng rung tần số cao vào dụng cụ quay làm giảm đáng kể lực cắt và độ nhám bề mặt Bằng cách thực hiện tối ưu hóa đa phản hồi, người ta nhận được rằng trong quá trình quay (RT), cài đặt tốc độ cắt 5,94 m/phút, tốc độ quay dao 214,9 vòng/phút và tốc độ tiến dao

0,08 m/phút khiến đồng thời đạt được lực cắt và độ nhám bề mặt tối thiểu Trong khi, phương pháp tiện quay rung (VRT), cài đặt vận tốc cắt 9,71 m/phút, tốc độ quay dao 98,63 vòng/phút và tốc độ tiến dao 0,08 m/phút đồng thời giảm thiểu lực cắt và độ nhám bề mặt Trong thí nghiệm quá trình tiện rung, nhóm nghiên cứu Teimouri và cộng sự thiết kế đồ gá gắn lên máy tiện vạn năng TABRIZ model TN50 BR, phần phụ tùng quay tạo ra chuyển động quay của dụng cụ tròn cùng với chuyển động rung theo hướng vận tốc bao gồm động cơ DC, xích, đĩa xích, cơ cấu giữ và còi siêu âm (Ultrasonic horn) Động cơ điện một chiều chuyển đổi chuyển động quay sang dụng cụ tròn thông qua xích và đĩa xích Tốc độ quay của dụng cụ được điều khiển bằng bộ biến tần kỹ thuật số Trong thiết bị siêu âm, năng lượng điện từ nguồn điện (máy phát điện MPI) chuyển đổi sang bộ chuyển đổi và sau đó đến còi siêu âm làm bằng tay có công suất 3000W Trong quá trình này, còi có thể rung dụng cụ quay sao cho rung động không ảnh hưởng đến các bộ phận khác Điều đáng nói là biờn độ dao động từ đỉnh đến đỉnh được thiết lập trờn khoảng 10 àm thụng qua việc điều khiển công suất đầu ra của máy phát điện

Hình 1.3: Sơ đồ chi tiết thiết lập máy quay rung

Hình 1.4: Thiết lập gắn trên máy tiện CNC

Hình 1.5: So sánh sự hao mòn dụng cụ của phương pháp tiện quay và tiện quay rung

Qua thí nghiệm, nhóm nghiên cứu Teimouri và cộng sự kết luận được: áp dụng rung tần số cao làm giảm đáng kể lực cắt do thay đổi cơ chế tiếp xúc và cải thiện chất lượng bề mặt do ngăn ngừa rung động gây ra Ngoài ra, cơ cấu bẻ phoi từ kiểu liên tục chuyển sang kiểu phân đoạn có tác dụng tích cực trong việc giảm lực cắt và độ nhám bề mặt

Theo bài báo [4] của nhóm tác giả Feng Jiao, Xiang Liu, Chongyang Zhao, Xiong Zhang về thực nghiệm nghiên cứu bề mặt phôi khi áp dụng rung động siêu âm vào gia công tiện cho thấy sự ảnh hưởng của thông số siêu âm đến tốc độ tiến dao f; chiều sâu cắt, độ nhám bề mặt phôi và nhiệt độ phôi

Hình 1.6: Mối liên hệ giữa độ tiến dao và độ nhám bề mặt khi tiện thường và UVT

Hình 1.7: Mối liên hệ giữa chiều sâu cắt và độ nhám bề mặt khi tiện thường và UVT

(a) Tiện thông thường (b) Tiện siêu âm

Hình 1.8: Mô hình 3D giữa tiện thường và tiện siêu âm

Với những thực nghiệm trên bài báo đã cho thấy với việc áp dụng rung động siêu âm trong tiện sẽ làm cho độ nhám bề mặt phôi thấp hơn phương pháp tiện thông thường, Với cùng một điều kiện cắt thì tốc độ tiến dao của tiện siêu âm cũng ít ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Ngoài ra đặc điểm hình học 3D cũng cho ta thấy được nhiệt lượng sinh ra của phôi bằng tiện siêu âm thấp hơn nhiều so với phương pháp tiện thông thường

Nghiên cứu của Mohammad Lotfi, Saeid Amini, Mohsen Aghaei [5] về Mô phỏng 3D FEM sự mài mòn của dụng cụ cắt trong quá trình tiện có hỗ trợ siêu âm Trọng tâm của nghiên cứu là mô phỏng sự mài mòn của dụng cụ và phân tích nhiệt của dụng cụ cắt và phôi Bên cạnh đó thì độ nhám bề mặt phôi và lực cắt cũng được xem xét đánh giá

Với điều kiện cắt cụ thể người ta đã được mô phỏng khảo sát quá trình tiện trong ba phương pháp tiện thông thường, tiện xoay, tiện sử dụng siêu âm

Như thể hiện trong hình 1.9, Dụng cụ cắt được cố định trong tiện thông thường, chuyển động quay khi tiện xoay và chuyển động quay rung có sử dụng siêu âm tương ứng Người ta thấy rằng trong giai đoạn 1, mặt cặt dao không tiếp xúc với phôi, dao tiếp tục di chuyển và chạm vào phôi Càng tiến lên, ứng suất phân bố trong vùng cắt càng nhiều (giai đoạn 2 và 3) Ứng suất đạt giá trị lớn nhất trong giai đoạn 4 khi dao cắt đứt phôi Sau đó, dao chạy ngược về, trong đó ứng suất giảm dần trong vùng cắt (xem trong giai đoạn 5) Và ứng suất hầu như không còn ở trong giai đoạn 6

Kết quả mô phỏng trên cho thấy với việc áp dụng rung động siêu âm trong tiện sẽ giảm nhiệt độ, độ mòn dụng cụ cắt trong quá trình gia công Dựa trên mô hình mô phỏng, tiện siêu âm sẽ triệt tiêu nhiệt độ tập trung trong vùng tiếp xúc bằng cách phân bố nhiệt sinh ra xung quanh chu vi của dụng cụ Do đó, độ mòn dụng cụ thấp hơn Hơn nữa, phương pháp tiện siêu âm thì nhiệt độ của dao và phôi thấp hơn nhiều so với phương pháp tiện thông thường Trung bình, lực cắt của phương pháp tiện siêu âm giảm từ 30 đến 50% khi so sánh với phương pháp tiện thông thường Tuy nhiên, mức độ này giảm đi khi tiến gần đến tốc độ cắt tới hạn Áp dụng phương pháp tiện siêu âm sẽ làm giảm hơn 50% độ nhám bề mặt

Một mô hình thử nghiệm thực tế tiện hỗ trợ rung động như sau:

(a): Bộ chuyển đổi và khuếch đại (b) dụng cụ cắt

Hình 1.9: Các phần chính thiết bị tiện hỗ trợ siêu âm Quá trình mô phỏng tiện hỗ trợ siêu âm diễn ra ở 140 chu kỳ dao động ở tần số 20kHz Quá trình cắt ở ở một chu kỳ được thể hiện ở 4 bước sau:

Bước 1 : Ăn dao Bước 2: Tiếp xúc vào phôi

Bước 3: Dao thâm nhập vào phôi Bước 4: Tách khỏi phôi

Hình 1.10: Sự phân bố ứng suất các bước của quá trình mô phỏng

Khi sử dụng rung động siêu âm vào tiện thì ứng suất sẽ giảm 27% so với tiện thông thường

Hình 1.11: Ứng suất theo thời gian của tiện thông thường và tiện có hỗ trợ siêu âm

Vì ứng suất giảm nên lực cắt ở tiện siêu âm sẽ nhỏ hơn tiện thông thường

Nhận xét tình hình nghiên cứu

Qua những nghiên cứu trong và nước, có thể thấy phương pháp tiện có sự trợ giúp của rung động đã được khẳng định có nhiều ưu điểm nổi trội so với gia công truyền thống

Vì một số lý do mà phương pháp này còn khá mới đối với Việt Nam Dựa vào kinh nghiệm của nước ngoài, có thể áp dụng vào môi trường Việt Nam, dần dần có thể thay thế phương pháp tiện truyền thống vào các quy trình đòi hỏi tính chính xác cao như ngành hàng không, vũ trụ….

Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài

Trong những năm gần đây, sự hiểu biết ngày càng tăng về các vấn đề môi trường và gánh nặng chi phí ngày càng tăng đã dẫn đến việc cân nhắc rất nhiều đến việc bôi trơn làm mát thông thường được sử dụng trong hầu hết các hoạt động gia công Chi phí liên quan đến việc sử dụng chất lỏng cắt trong hoạt động sản xuất, tùy thuộc vào phôi và cấu trúc sản xuất là 16% tổng chi phí của quá trình sản xuất trong khi gia công các vật liệu máy khó, chúng lên tới 20% – 30%, trong khi một số nhà nghiên cứu cho rằng chi phí liên quan đến chất lỏng cắt cao hơn chi phí của dụng cụ cắt Hầu hết các chi phí liên quan đến việc cắt chất lỏng chủ yếu là do các mối quan tâm về môi trường; việc xử lý chất lỏng cắt cũng như thải bỏ chúng phải tuân theo các quy tắc nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường Do đó, phải cải tiến quy trình gia công để tiết kiệm chi phí liên quan đến chất lỏng cắt và đồng thời cải

26 thiện hiệu suất tổng thể của các hoạt động gia công Phương pháp tiện sử dụng đầu rung siêu âm có thể đáp ứng được yêu cầu đó, nhờ khả năng giảm nhiệt độ cắt đến 48% so với truyền thống [13]

1.3.2 Lý do chọn đề tài

Với những ưu điểm mà tiện sử dụng đầu rung siêu âm mang lại, việc đem phương pháp này trở nên phổ biến ở Việt Nam là một điều cần thiết, đồng thời tìm ra những cách cải thiện để đạt tối ưu nhất khi áp dụng ở Việt Nam

Một lý do chọn đề tài này nữa đó là để thực hiện hóa công cuộc cải tiến công nghệ ở Việt Nam sao cho tiệm cận với thế giới.

Mục tiêu luận văn

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu các thông số cơ bản một quy trình tiện sử dụng đầu rung siêu âm Quy trình này được thực hiện thực hiện và mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Cụ thể:

Khảo sát độ nhám bề mặt giữa ở tiện thông thường và tiện siêu âm ở các điều kiện cắt khác nhau và nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đó lên phôi;

Phát triển mô hình phần tử hữu hạn của tiện 2D trực giao để phân tích các lực cắt chính ở các điều kiện cắt khác nhau trong quá trình tiện thông thường và có hỗ trợ đầu rung siêu âm;

Thực hiện các quy hoạch các kết quả thực nghiệm để xem xét sự ảnh hưởng của các thông số siêu âm đến các thông số quyết định chất lượng phôi.

Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp dữ liệu

Trong phương pháp này, các bài báo, nghiên cứu thu thập bằng cách quan sát, theo dõi Để tổng hợp dữ liệu, các nhà nghiên cứu thường đặt ra các biến để quan sát và đo đạc (thu thập số liệu)

1.3.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm

Phân tích các mẫu, thí nghiệm thực tế, mô phỏng bằng phần mềm…

1.3.3 Phương pháp phân tích so sánh.

Ý nghĩa khoa học của luận văn

Nghiên cứu sử dụng đầu rung siêu âm vào tiện là vấn đề mà các kỹ sư trong và ngoài nước đang quan tâm và không ngừng cải tiến Nghiên cứu này góp phần làm rõ hơn về nguyên lý hoạt động của đầu rung siêu âm và cách thức hoạt động khi đưa vào phương pháp tiện.

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Kết quả mô phỏng của luận văn giúp kỹ sư có cái nhìn trực quan hơn về tính khả thi của phương pháp này nhằm sớm đưa phương pháp này phổ biến hóa, nâng cao chất lượng gia công tiện

Qua các kết quả thực nghiệm thì sẽ giúp cho kỹ sư có cái nhìn thực tế về công dụng cũng như là hiệu quả khi áp dụng siêu âm vào gia công tiện

Kết luận

Phương pháp tiện sử dụng đầu rung siêu âm có tính khả thi vì trên thực tế có rất nhiều nước đã áp dụng tiện siêu âm thay vì các phương pháp tiện thông thường, tuy nhiên ở Việt Nam thì chưa phổ biến, vì vậy cần nhiều hơn những nghiên cứu khoa học, bài báo liên quan đến đề tài này hơn để người kỹ sư Việt nhanh chóng tiếp cận với công nghệ đương thời Song song với đó là vấn đề về môi trường và gánh nặng chi phí ngày càng tăng, dẫn đến cần cân nhắc rất nhiều đến việc cải tiến phương pháp truyền thông, nhằm tiết kiệm chi phí và tránh những tác nhân có hại đến môi trường

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về phương pháp tiện

Máy tiện là máy được sử dụng chủ yếu trong các quy trình gia công tiện máy tiện có nhiều kích cỡ khác nhau, tùy vào nhu cầu gia công và sử dụng Trong khi hầu hết các máy tiện là máy tiện ngang, máy tiện dọc đôi khi được sử dụng, thường là cho các phôi có đường kính lớn Máy tiện cũng có thể được phân loại theo loại điều khiển được cung cấp Máy tiện bằng tay yêu cầu người vận hành điều khiển chuyển động của dụng cụ cắt trong quá trình tiện Máy tiện cũng có thể được điều khiển bằng máy tính, trong trường hợp này, chúng được gọi là máy tiện điều khiển số bằng máy tính (CNC) Máy tiện CNC xoay phôi và di chuyển dụng cụ cắt dựa trên các lệnh được lập trình trước và mang lại độ chính xác rất cao Trong nhiều loại máy tiện này, các bộ phận chính cho phép quay phôi và dụng cụ cắt được đưa vào phôi vẫn được giữ nguyên Các thành phần này bao gồm:

Hình 2.1: Máy tiện và thành phần cấu thành máy tiện

Bed (Thân máy): Thân của máy tiện chỉ đơn giản là một đế lớn đặt trên mặt đất hoặc bàn và đỡ các bộ phận khác của máy

HeadStock assembly (Ụ trục chính): Ụ trục chính là phần phía trước của máy được gắn vào thân máy Cụm này chứa động cơ và hệ thống truyền động cung cấp năng lượng cho trục chính Trục chính hỗ trợ và quay phôi, được giữ chặt trong giá đỡ hoặc vật cố định phôi, chẳng hạn như mâm cặp hoặc ống kẹp

Tailstock assembly - Cụm Ụ chống tâm là phần phía sau của máy được gắn vào thân máy Mục đích của việc lắp ráp này là cố định phôi của phôi, tăng độ cứng vững cho phôi

29 trong quá trình gia công Đối với một số hoạt động tiện, phôi không được hỗ trợ bởi ụ chống tâm để phoi có nơi để có thể thoát ra

Carriage (Hộp xe dao) Bàn xe dao là một bệ trượt dọc theo phôi, cho phép công cụ cắt cắt đi vật liệu khi nó di chuyển Bàn xe dao nằm trên thanh trượt nằm trên thân máy, được và được truyền động bằng một trục vít dẫn bằng động cơ hoặc thủ công bằng tay quay

Cross side (Trượt chéo) - Trượt chéo được gắn vào đầu hộp và cho phép dao di chuyển về phía hoặc ra khỏi phôi, thay đổi chiều sâu cắt Giống như hộp xe dao, trượt chéo được dẫn động bởi một động cơ hoặc quay thủ công bằng tay quay

Compound (Bàn xe dao) – Bàn xe dao được gắn trên đầu của thanh trượt chéo và hỗ trợ dụng cụ cắt Dụng cụ cắt được giữ chặt trong một trụ dụng cụ được cố định vào bàn xe dao Bàn xe dao có thể quay để thay đổi góc của dụng cụ cắt so với phôi

Dụng cụ tiện đơn điểm di chuyển dọc trục, dọc theo mặt bên của phôi, loại bỏ vật liệu để tạo thành các đặc điểm khác nhau, bao gồm các bước, côn, vát và đường viền Các tính năng này thường được gia công ở độ sâu cắt xuyên tâm nhỏ và thực hiện nhiều lần cho đến khi đạt được đường kính mong muốn

Dao tiện di chuyển hướng tâm dọc theo phần mặt đầu của phôi, loại bỏ một lớp vật liệu mỏng để tạo ra bề mặt phẳng nhẵn Chiều sâu của mặt, thường rất nhỏ, có thể được gia công trong một lần cắt hoặc có thể đạt được bằng cách gia công ở độ sâu cắt dọc trục nhỏ hơn và thực hiện nhiều lần

Hình 2.3: Tiện mặt đầu 2.2.4 Tiện rãnh

Tương tự như tạo rãnh, dụng cụ cắt di chuyển theo hướng tâm, vào mặt bên của phôi, và tiếp tục cho đến khi đạt đến tâm hoặc đường kính trong của phôi, do đó chia hoặc cắt một phần của phôi

Dụng cụ tiện ren thường có mũi nhọn 60 độ, di chuyển dọc trục, dọc theo mặt của phôi, cắt ren vào bề mặt ngoài Các đường ren có thể được cắt theo chiều dài và và chiều cao với độ xác định và có thể yêu cầu nhiều bước ren để được tạo thành

Tiện ren ngoài thường dễ dàng hơn và ít yêu cầu về dao hơn so với tiện ren trong, và có một số phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để đạt được kết quả mong muốn Các yếu tố của tiện ren ngoài:

- Tốc độ tiến dao phải bằng bước ren

- Chọn đủ số lượng đường cắt và độ sâu của vết cắt

- Có hình thành phoi để tránh phoi bị tắc xung quanh dụng cụ thành phần

- Tránh rung do các phần nhô ra dài của dụng cụ và các bộ phận mỏng hơn

- Căn chỉnh dao cắt và chiều cao tâm

Tiện ren trong có yêu cầu cao hơn tiện ren ngoài do yêu cầu cao về khả năng thoát phoi hiệu quả và thực tế là các dụng cụ thường cần dài hơn và mảnh hơn

Các yếu tố của tiện ren trong:

- Việc thoát phoi, đặc biệt là trong các lỗ khuất, được trợ giúp bằng cách sử dụng các công cụ bên trái cho các luồng bên phải và ngược lại (kéo luồng) Tuy nhiên, điều này cũng tạo ra nguy cơ cao hơn khi di chuyển chèn

- Sử dụng bộ tiến dao bên sườn đã sửa đổi để tạo ra một phoi xoắn ốc, dễ dàng dẫn hướng tới lối vào của lỗ khoan

- Chọn đủ số lượng đường cắt và độ sâu của vết cắt

- Tránh rung do các phần nhô ra dài của dụng cụ

- Căn chỉnh dao và chiều cao tâm

Khi tiện biên dạng, vết cắt có thể thay đổi tùy theo độ sâu cắt, tiến dao và tốc độ Các công cụ được sử dụng để tiện biên dạng phải chịu sự thay đổi lớn về ứng suất và độ sâu của vết cắt do các hướng gia công khác nhau và sự thay đổi đường kính

Hình 2.7: Tiện theo biến dạng

Các thông số ảnh hưởng đến nguyên công tiện

2.2.1 Tốc độ cắt (cutting speed)

Tốc độ cắt được định nghĩa là tốc độ mà công việc di chuyển liên quan đến dụng cụ (thường được đo bằng feet trên phút)

Tốc độ cắt, được biểu thị bằng FPM, không được nhầm lẫn với tốc độ trục chính của máy tiện được biểu thị bằng RPM Để có được tốc độ cắt đồng đều, trục chính của máy tiện phải quay nhanh hơn đối với nơi làm việc có đường kính nhỏ và chậm hơn đối với nơi làm việc có đường kính lớn

2.2.2 Bước tiến dao (feed rate):

Bước tiến dao được định nghĩa là khoảng cách mà công cụ di chuyển được trong một vòng quay của chi tiết

Tốc độ cắt và bước tiến dao xác định độ hoàn thiện bề mặt, yêu cầu về công suất, năng lượng cung cấp và tốc độ loại bỏ vật liệu Yếu tố chính trong việc chọn bước tiến dao và tốc độ cắt là vật liệu được cắt Tuy nhiên, người ta cũng nên xem xét vật liệu của dụng cụ, độ cứng của phôi, kích thước và tình trạng của máy tiện, và chiều sâu cắt Đối với hầu hết các hợp kim nhôm, trên đường cắt gia công thô (độ sâu cắt 010 đến 020 inch) chạy ở tốc độ 600 fpm Trên một vết cắt hoàn thiện (độ sâu cắt 0,002 đến 0,010) chạy ở tốc độ 1000 fpm Để tính toán tốc độ trục chính thích hợp, ta thường chia tốc độ cắt mong muốn cho chu vi của tác phẩm Thử nghiệm với tỷ lệ thức ăn để đạt được thành phẩm mong muốn Khi xem xét độ sâu của vết cắt, điều quan trọng cần nhớ là đối với mỗi độ sâu cắt phần nghìn, đường kính làm việc giảm đi hai phần nghìn

2.2.3 Chiều sâu cắt (depth of cut):

Chiều sâu của vết cắt là khoảng cách mà dao di chuyển hướng vuông góc vào phôi tính từ bề mặt phôi trở vào và thường được đo bằng phần nghìn inch hoặc milimét Đa phần, máy được sử dụng độ sâu cắt lên đến năm lần tốc độ tiến dao, chẳng hạn như thép không gỉ cắt thô sử dụng tiến dao 0,020 inch mỗi vòng quay và độ sâu cắt 0,100 inch điều này sẽ làm giảm đường kính đi 0,200 inch

Nó là tổng lượng kim loại được loại bỏ trên mỗi lần đi qua của dụng cụ cắt Chiều sâu cắt được thể hiện bằng mm Chiều sâu cắt có thể khác nhau và phụ thuộc vào loại công cụ và vật liệu làm việc

Chiều sâu cắt (t) = D-d / 2 mm trong đó, D = đường kính ngoài, (mm) d = Đường kính trong (mm)

2.2.4 Độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt thường viết tắt là độ nhám, là một thành phần của kết cấu bề mặt Nó được định lượng bằng độ lệch theo hướng của vectơ pháp tuyến của một bề mặt thực so với dạng lý tưởng của nó Nếu những sai lệch này lớn, bề mặt gồ ghề; nếu chúng nhỏ, bề mặt nhẵn Độ nhám đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định cách một vật thể thực sẽ tương tác với môi trường của nó Trong hệ thống ma sát, bề mặt nhám thường mòn nhanh hơn và có hệ số ma sát cao hơn bề mặt nhẵn Độ nhám thường là một yếu tố dự báo tốt về hiệu suất của một bộ phận cơ học, vì các điểm bất thường trên bề mặt có thể tạo thành các vị trí tạo mầm cho các vết nứt hoặc ăn mòn Mặt khác, độ nhám có thể thúc đẩy độ bám dính

Giá trị độ nhám có thể được tính toán trên một mặt cắt (đường) hoặc trên một bề mặt (diện tích)

Tham số độ nhám của biên dạng như (Ra- sai lệch trung bình, Rz-Độ cao nhấp nhô, Rq) thường được sử dụng phổ biến Các thông số về độ nhám của khu vực như Sa, Sq cho nhiều giá trị quan trọng hơn

Hình 2.8: Tiêu chuẩn về độ nhám bề mặt

Hình 2.9: Các cấp độ nhám của bề mặt

2.2.5 Lực cắt trong gia công kim loại và độ nhám bề mặt trên máy tiện:

Jadhav J.S.1 [1], có đề cập rằng lực cắt và lực ăn/ tiến dao có ảnh hưởng lớn đến việc tiệu thụ năng lượng điện năng Công thức chủ yếu thích hợp the việc đo lường này là:

Lực cắt được tinh bởi công thức:

DOC= Depth of cut (chiều sâu cắt) (mm)

Fc= feed (mm/rev): bước tiến dao kc: hệ số năng lượng cắt (N/mm 2 )

Một thông số quan trọng khác được quan tâm nghiên cứu là độ nhám bề mặt của sản phẩm được sản xuất, như một lớp hoàn thiện bề mặt tối ưu sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của các bộ phận cơ khí và chi phí sản xuất Độ hoàn thiện bề mặt của bất kỳ bộ phận nhất định nào được đo bằng các điều kiện về độ cao và độ sâu trung bình của các đỉnh và rãnh trên bề mặt của sản phẩm Nhưng về cơ bản có hai luồng luận cứ về các yếu tố ảnh hưởng của độ nhám bề mặt Một công thức được sử dụng phổ biến để ước tính giá trị độ nhám bề mặt là

Biểu đồ (Hình ) cho thấy tốc độ cắt hầu như không ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt ở các cấp cao hơn Tốc độ tiến dao có mối quan hệ tuyến tính với độ nhám bề mặt, nó tăng lên khi tốc độ tiến dao tăng lên do thực tế là nhiều lực hơn của dụng cụ trên phôi do tốc độ tiến dao cao hơn có xu hướng làm mất độ hoàn thiện bề mặt, vì vậy để có chất lượng bề mặt tốt tỷ lệ ăn dao ở mức thấp là điều cần thiết

Hình 2.10: Biểu đồ yếu tố chính để hoàn thiện bề mặt khi tiện [1]

Biểu đồ bên dưới cho thấy rằng ở tốc độ cắt cao hơn và tốc độ ăn dao cao hơn, độ nhám bề mặt tăng lên

Hình 2.11: Biểu đồ hoàn thiện bề mặt khi tiện

Bài báo cho thấy rằng tốc độ tiến dao có ảnh hưởng đáng kể đến cả Lực cắt và Độ nhám bề mặt Tốc độ cắt không ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt cũng như độ nhám bề mặt của chi tiết gia công đã chọn Độ sâu của vêt căt có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt, nhưng ảnh hưởng không đáng kể đến độ nhám bề mặt.

Lý thuyết cơ bản về tiện sử dụng đầu rung siêu âm

Tiện hỗ trợ siêu âm (UAT) là một kỹ thuật gia công tiên tiến, trong đó rung động vượt quá 20 KHz được chồng lên dụng cụ cắt Kỹ thuật gia công này giúp giảm nhiều lần lực cắt với sự cải thiện đồng thời về độ hoàn thiện bề mặt trong quá trình gia công các hợp kim hiện đại Trong quá trình di chuyển, dụng cụ cắt được gắn với bộ rung siêu âm như Hình 2.1 UAT là một quá trình gia công tiên tiến, đã cho thấy một số ưu điểm đặc biệt là trong việc gia công các vật liệu kỹ thuật có độ bền cao Trong UAT, các thông số gia công quan trọng là các thông số tương tác tác động rung, cụ thể là tần số và biên độ của dao động trong quá trình gia công Có ba hướng khả thi trong đó rung động siêu âm có thể được áp

36 dụng cho dụng cụ cắt trong quá trình tiện là: Hướng xuyên tâm, hướng tiếp tuyến, hướng chạy dao được thể hiện như Hình 2.2

Rung động được hỗ trợ bằng sóng siêu âm có thể được phủ lên dụng cụ cắt trong quá trình gia công hợp kim hiện đại để cải thiện khả năng gia công của nó Bảng 2.1 liệt kê tổng quan ngắn gọn về lịch sử phát triển của UAT Rung động hỗ trợ bằng sóng siêu âm lần đầu tiên được giới thiệu trong hoạt động cắt vào cuối những năm 1960 bởi Skeleton Rung động trên dụng cụ được chồng lên với sự trợ giúp của máy rung thủy lực trong đó dầu ở 1000 psi được bơm và bơm vào một thiết bị để làm rung dụng cụ cắt ở tần số 50-125 Hz Rung động theo hướng tiếp tuyến và hướng tâm được sử dụng trong nghiên cứu để phân tích lực cắt Đã quan sát thấy sự giảm đáng kể lực cắt khi xuất hiện dao động trên dụng cụ cắt Tuy nhiên, việc giảm lực cắt bị hạn chế ở tốc độ cắt rất thấp

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý của tiện siêu âm

Hình 2.13.Các hướng rung chính trong chuyển hướng được hỗ trợ siêu âm

Bảng 2-1: Tổng quan ngắn gọn về UAT

Tác giả Vật liệu Thông số Chất làm

Thông số rung động Thông số cắt mát Tần số,

Chiều sâu cắt, a (mm) Skelton R.C,

Sứ thủy tinh XSCrNiMo18 20 a = 8-12 b = 8-12 0-420 0,1 Không

Dầu khoáng Kim D J và cộng sự, 1993 CFRP 19,5 15 19-165 0,05-0,03 Không

Shamoto E và cộng sự, 1994 Đồng 0-0,006 a = 5 0,26 0,01 Không

Moriwaka T và cộng sự, 1995 Đồng không

Kim D J và cộng sự, 1997 CR-39 20 26,4 0-89,4 0,1

Không có thông tin Shamoto E và cộng sự, 1999

Dầu khô hoặc dầu khoáng

Hạt gia cố Kim Loại Ma trận

4,24- 12,72 0,1-0,5 Xiao M và cộng sự, 2002 Thép S45C 20 15 58 0,05 Không

Gao G F và cộng sự, 2002 19,46 15 5,4-44 0,1 Dầu hỏa

Không có thông tin Zhou M và cộng sự, 2003

Sương dầu Suzuki N và JIS: SUS20J2 19,6 3-6 0,25-0,7 0,001- Không

Ma C và cộng sự, 2004 Nhôm-52S 18,76 a = 4 15,75 0,05

Không có thông tin Mitrofenov

Ma C và cộng sự, 2005 Nhôm-52S 18,66 a = 3,5 a=3,94- 18,93 b = 3,5 0,05

Nhôm cơ bản Kim loại ma trận

Ahmed N và cộng sự, 2006 Inconel-718 20 15 18,6 0,4 Không

Ahmed N và cộng sự, 2006 Inconel-718 20 30 38 0,1 Không

Ahmed N và cộng sự, 2006 Inconel-718 20 15 5 0,1-0,4 Không

Không khí Nategh M.J và cộng sự, 2012 20 6-16 31,8-126 1-2 Không

Razavi H và cộng sự, 2012 20 6-16 31,8-126 1-2 Không

Razavi H và cộng sự, 2012 Nhôm 6061 30 6-16 31,8-126 1-2 Không

Chuyển động của các công cụ được điều chỉnh bởi các phương trình sau đây:

Với 𝑎, 𝑏̅, 𝑓,𝑡, 𝜑𝑦 là biên độ ngang, biên độ dọc, tần số, thời gian và độ lệch pha lần lượt Gần đây, nghiên cứu sử dụng gia công hỗ trợ dao động đơn hướng vẫn đang được tiếp tục UAT đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về bề mặt hình dạng gương so với CT Hơn nữa, rung động siêu âm được sử dụng để ngăn chặn tiếng ồn của công cụ trong quá trình gia công thép cacbon thấp Đã quan sát thấy sự giảm đáng kể trong tiếng ồn của dụng cụ khi so sánh với CT, dẫn đến độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn

Một nhóm từ Đại học Loughborough đã nghiên cứu sự tiện lợi của các hợp kim hiện đại được hỗ trợ siêu âm Nhóm đã phát triển một thiết lập thử nghiệm hiện đại cho UAT Vật liệu gốm Piezo được sử dụng trong bộ chuyển đổi để tạo ra mức độ rung cần thiết Hệ thống cú khả năng tạo ra dao động với tần số 20 kHz và biờn độ từ 8 àm-30 àm

Thiết lập thử nghiệm ở dạng đầy đủ chức năng và đã tạo ra kết quả với độ lặp lại tốt

Sự cải thiện nhiều lần về độ nhám bề mặt của bề mặt gia công đã được báo cáo với sự xuất hiện của rung động trên dụng cụ cắt Ảnh hưởng của các thông số rung động khác nhau, tức là biên độ và tần số dao động, lên lực cắt cũng được báo cáo đối với các điều kiện cắt khác nhau Hệ thống có khả năng giảm đáng kể lực cắt cho độ sâu cắt cao và có thể được sử dụng ở tốc độ cao lên đến 60 m / phút, đây là ưu điểm chính của hệ thống khi so sánh với hệ thống đã phát triển trước đó

Tranducer là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi một số dạng năng lượng khác thành dao động siêu âm Một số thiết bị được giới hạn ở tần số thấp và có nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm làm khô, làm sạch bằng sóng siêu âm và phun dầu nhiên liệu vào đầu đốt Bên cạnh đó, Tranducer điện cơ linh hoạt hơn nhiều và bao gồm các thiết bị áp điện và từ trở Bộ chuyển đổi từ tính sử dụng một loại vật liệu từ trong đó từ trường dao động tác dụng ép các nguyên tử của vật liệu lại với nhau, tạo ra sự thay đổi tuần hoàn về chiều dài của vật liệu và do đó tạo ra dao động cơ học tần số cao Cho đến nay, loại Tranducer siêu âm phổ biến và linh hoạt nhất là tinh thể áp điện, chuyển đổi điện trường dao động đặt vào tinh thể thành dao động cơ học Tinh thể áp điện bao gồm thạch anh, muối Rochelle và một số loại gốm

2.3.3 Một số ứng dụng liên quan của sóng siêu âm

Kiểm tra không phá hủy liên quan đến việc sử dụng định vị bằng tiếng vang siêu âm để thu thập thông tin về tính toàn vẹn của các cấu trúc cơ học Trong quá trình này, do những thay đổi trong vật liệu dẫn đến sự không phù hợp trở kháng mà từ đó sóng siêu âm bị phản xạ, kiểm tra siêu âm có thể được sử dụng để phát hiện lỗi, lỗ, vết nứt hoặc ăn mòn

40 trong vật liệu, để kiểm tra mối hàn, để xác định chất lượng đổ bê tông, và để theo dõi độ mỏi của kim loại

Các sai sót về cấu trúc trong vật liệu cũng có thể được nghiên cứu bằng cách cho vật liệu chịu lực và tìm kiếm sự phát xạ âm khi vật liệu bị căng

- Ứng dụng sóng siêu âm tần số cao:

Có nhiều ứng dụng quan trọng khác nhau bằng cách sử dụng sóng siêu âm cường độ cao

- Gia công kim loại ứng dụng siêu âm:

Trong gia công, tác động của dao động cường độ cao của bộ chuyển đổi để di chuyển dao/công cụ gia công đã được áp dụng Gia công siêu âm (USM) là một quá trình loại bỏ vật liệu cơ học với tỷ lệ loại bỏ vật liệu thấp, tuy nhiên ứng dụng của nó không bị giới hạn bởi các đặc tính điện hoặc hóa học của vật liệu gia công Nó được sử dụng để gia công cả vật liệu dẫn điện và vật liệu phi kim loại

Trong USM, năng lượng điện tần số cao được chuyển đổi thành các dao động cơ học thông qua một tổ hợp bộ chuyển đổi / bộ tăng cường, sau đó được truyền qua một thiết bị tập trung năng lượng, tức là horn / cụm siêu âm, điều này làm cho công cụ dao động dọc theo trục dọc của nó ở tần số cao (thường là > = 20 kHz) với biên độ 5–50 mm Xếp hạng công suất điển hình nằm trong khoảng 50–3000 W, có thể đạt 4 kW ở một số loại máy

- Hàn siêu âm (Ultrasonic soldering):

Hàn siêu âm đã trở nên quan trọng, đặc biệt là để hàn các vật liệu bất thường hoặc khó hàn và cho các ứng dụng rất sạch Các rung động siêu âm thực hiện chức năng làm sạch bề mặt, thậm chí loại bỏ lớp oxit trên nhôm để vật liệu có thể được hàn Bởi vì các bề mặt có thể được làm cực kỳ sạch sẽ và không có lớp oxit mỏng thông thường, nên chất trợ dung hàn trở nên không cần thiết

- Ứng dụng siêu âm trong tạo hình kim loại:

Tác động của kích thích siêu âm trong quá trình tạo hình kim loại đã được nghiên cứu bởi S.Abdul Aziz và M Lucas Nghiên cứu này dẫn đến sự đồng ý với các nghiên cứu trước đây về tạo hình kim loại rằng tải trọng tạo hình được giảm bằng cách kích thích siêu âm của dụng cụ tạo hình

2.3.4 Ảnh hưởng của rung siêu âm đến vật liệu

Khả năng của rung với biên độ để thay đổi tính chất vật liệu đã được nghiên cứu bởi Blaha và Langenecker vào năm 1955 bằng cách quan sát hiệu ứng Softening của rung siêu âm trên tinh thể kẽm nguyên chất Ngày nay hiện tượng này được gọi là acoustoplaticity hay hiệu ứng Blaha [7] Hiện tượng acoustoplasticity có thể được tổng hợp bằng cách quan sát ảnh hưởng của rung siêu âm trên hành vi của vật liệu trong quá trình biến dạng Bằng cách sử dụng rung siêu âm, softening trong vật liệu sẽ xảy ra dưới dạng sự giảm flow stress

Như trong Hình 2.3, sự khác biệt giữa flow stress tĩnh và flow stess trung bình sau khi áp dụng UV là bằng chứng cho Softening của vật liệu

.Langenecker đã đề ra rằng rung siêu âm dẫn đến sự tăng cường chuyển động của chuyển vị [8] Năng lượng của Acoustoplasticity được giả sử được chuyển thành một dạng nhiệt năng ở vùng biến dạng dẻo để giúp chuyển vị vượt qua các rào cản, vì thế nung nóng sẽ giúp làm biến dạng dễ dàng hơn Các nhà nghiên cứu bàn luận về việc chồng chất một ứng suất tuần hoàn có thể tính được trên ứng suất không dao động, trong đó ứng suất tuần hoàn và ứng suất tĩnh sẽ trùng nhau và sự chồng chất này sẽ xác định biến thể của ứng suất Hiệu ứng Stress superposition là khác nhau đối với vật liệu phụ thuộc và không phụ thuộc vào tỷ lệ Đối với vật liệu không phụ thuộc được mô tả trên Hình 2.4, đường đồ thị ứng suất dao động cực đại chạm tới đường cong ứng suất – biến dạng, tuy nhiên, đường ứng suất trung bình lại song song nhưng nằm thấp hơn đường tĩnh Mặt khác, Hình 2.4 cho vật liệu phụ thuộc, ứng suất cực đại cao hơn và song song với đường tĩnh, đường ứng suất trung bình thấp hơn đường cong ứng suất – biến dạng tĩnh

Trong tài liệu [20], tác giả đã cho rằng cơ chế khác dựa trên chuyển vị tỉ trọng Theo nghiên cứu, ứng dụng của UV có thể tạo ra sự thay đổi lớn trong chuyển vị và biến dạng ở mức mô hình phân tử trong các mẫu kim loại

+ Ưu điểm và hạn chế của UV

Hình 2.15: (a) Đường cong ứng suất – biến dạng cho vật liệu; (b) stress superposition cho vật liệu phụ thuộc; (c) stress superposition cho vật liệu không phụ thuộc

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là phương pháp được sử dụng rộng rãi để giải các phương trình vi phân trong các mô hình toán học và các bài toán kỹ thuật Các vấn đề thường bao gồm phân tích cấu trúc, truyền nhiệt, lưu chất

FEM là phương pháp toán học để giải các phương trình vi phân từng phần Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử) Các phần tử này được liên kết với nhau tại các điểm nút chung Trong phạm vi của mỗi phần tử Nghiệm được chọn là một hàm số nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả mãn điều kiện cân bằng của phần tử Tập tất cả các phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phần tử Kết quả đẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút Giải hệ phương trình này sẽ tìm được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác định trên mỗi một phần tử

FEM có thể được giải thích thông qua các ứng dụng của nó, được gọi là phân tích phần tử hữu hạn (FEA) FEA được ứng dụng trong kỹ thuật dưới dạng công cụ máy tính để thực hiện các phân tích kỹ thuật Bao gồm việc sử dụng kỹ thuật tạo lưới để chia bài toán phức tạp thành các phần tử nhỏ, và sử dụng phần mềm được lập trình với thuật toán FEM

Các phần mềm thương mại phổ biến sử dụng FEM bao gồm: ABAQUS, ANSYS, LSDYNA, COMSOL Multiphysics, UGS NX Nastran… Trong nghiên cứu này ta sử dụng phần mềm ABAQUS.

Chọn vật liệu

Thép C45 là một loại thép hợp kim có hàm lượng carbon cao lên đến 0,45% Ngoài ra loại thép này có chứa các tạp chất khác như silic, lưu huỳnh, mangan, crom… Có độ cứng, độ kéo phù hợp cho việc chế tạo khuôn mẫu Ứng dụng trong cơ khí chế tạo máy, các chi tiết chịu tải trọng cao và sự va đập mạnh Đặc điểm của thép C45: Thép C45 là loại thép có kết cấu chất lượng tốt, độ bền cao, độ kéo phù hợp Mác thép C45 là một trong những loại mác thép có tính ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí, xây dựng thông dụng để sản xuất ty ren, bánh đà, bulong ốc vít Thành phần mangan giúp thép có khả năng chống oxy hóa, ngăn hình thành chất sunfat sắt, tránh nứt vỡ thép Ưu điểm:

+ Do có độ bền kéo 570 – 690 Mpa, thép C45 có khả năng chống bào mòn, chống oxy hóa tốt và chịu được tải trọng cao

+ Tính đàn hồi tốt, vì có độ bền kéo cao và giới hạn chảy cao nên thép C45 có khả năng chịu được va đập tốt

+ Sức bền kéo cao giúp cho việc nhiệt luyện, chế tạo chi tiết máy, khuôn mầu + Mức giá thành thấp hơn so với các dòng thép nguyên liệu khác

Bảng 2-2: Bảng Thành phần hóa học của thép C45

Hàm lượng của các nguyên tố, % cacbon silic mangan

Phot- pho lưu huỳnh crom niken Không lớn hơn

Thép tròn đặc SKD11 là loại thép hợp kim có hàm lượng cacbon- crom cao, là loại thép công cụ Thép có khả năng chống bào mòn tốt, giữ được kích thước – bề mặt sau khi xử lý nhiệt, thích hợp trong môi trường lạnh… Đặc điểm của thép SKD11: Là dòng thép làm khuôn gia công nguội với độ chống mài mòn cao, cho sử dụng thông thường, độ thấm tôi tuyệt vời, ứng xuất tôi thấp nhất Ưu điểm: Thép tròn đặc SKD11

+ Mức độ dẻo dai và cường độ nén cao

+ Độ cứng sau khi nhiệt luyện đạt 63HR

+ Ứng dụng của thép SKD11:

+ Làm khuôn dập nguội, trục cán hình, lưỡi cưa, các chi tiết chịu mài mòn

+ Các chi tiết chịu tải trọng như đinh ốc, bulong, trục, bánh răng

+ Các chi tiết máy qua rèn dập nóng

+ Các chi tiết chuyển động hay bánh răng, trục pitton

+ Các chi tiết chịu mài mòn, chịu độ va đập cao

+ Dùng trong ngành chế tạo, khuôn mẫu, gia công cơ khí, cơ khí chính xác

+ Dao cắt tôn, khuôn dập nguội, khuôn dập inox…

Bảng 2-3: Thành phần hóa học của thép SKD11

C Cr Mo V Si Mn P S Ni Cu

SKD11 1.4-1.6 11-13 0.8-1.2 0.2-0.5 ≤0.4 ≤0.6 0.03 0.03 0.25 0.25 Bảng 2-4: Bảng xử lý nhiệt thép SKD11

Xử lý nhiệt Ủ Tôi Ram

Chọn dao

Theo tài liệu [24], chọn loại mảnh dao tiện của hãng MiPGS.TSubishi loại Breakers dành cho phôi thép, module 070204-AZ

Kết luận

Chương 2 trình bày tổng quan về phương pháp UAT Ảnh hưởng của UV đến vật liệu

Hiệu ứng Acoustoplasticity và sự ảnh hưởng của rung siêu âm đến vật liệu trong quá trình UAT

Thông số về loại hợp kim C45; SKD11 sẽ được sử dụng trong thực nghiệm và phần mô phỏng

Thông số về mảnh dao được sử dụng trong thực nghiệm và mô phỏng

Hình 2.16: Mảnh dao tiện loại Breakers dành cho phôi thép của hãng MiPGS.TSubishi

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Mô phỏng

3.3.1 Mô phỏng tiện siêu âm ở mẫu C45

3.1.1.1 Chuẩn bị cho mô phỏng tiện siêu âm C45

Mô phỏng này là mô phỏng đơn giản dùng để so sánh lực biến dạng chi tiết ở trường hợp có và không có rung siêu âm và áp dụng các thông số của mô phỏng này vào các mô phỏng có hình dáng phức tạp hơn để tiết kiệm thời gian mô phỏng và giảm bớt các lỗi xảy ra khi mô phỏng

3.1.1.1.1 Tạo hình chi tiết Thực hiện mô phỏng sử dụng mặt cắt chi tiết hình trụ tròn, chiều dài 150mm, bán kính 40 mm

Hình 3.1: Kích thước chi tiết

Chi tiết được gán là mô hình Deformable có thể biến dạng dùng vật liệu hợp thép C45 có module Young là 200 GPa và hệ số Poisson là 0,28 Tỉ trọng của C45 là 7800 kg/m 3 Để đơn giản hóa mô phỏng ta bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ, vật liệu của tấm được cho là vật liệu đẳng hướng Dụng cụ được gán là vật cứng tuyệt đối Analytical Rigid

Mô phỏng thực hiện dưới dạng 2D, là mặt cắt của chi tiết hình trụ chiếu từ trục Z như sau:

Hình 3.2: Mô hình của mô phỏng: bên trái là phôi, bên phải là mảnh dao Để rút ngắn thời gian mô phỏng, đặt Step time là 0,02 giây với số khung hình tính toán là 1000

Hình 3.3: Step time và số Frames mỗi Step của mô phỏng

Tiếp xúc được sử dụng là “Surface-to-surface (explicit)” giữa dao – chi tiết Ma sát giữa bề mặt tấm và dụng cụ là ma sát trượt, theo định luật ma sát Coulomb hệ số ma sát sẽ từ 0.05 đến 0.5 [7], ta chọn ma sát với hệ số 0,25 cho mô phỏng

Thực hiện 2 mô phỏng: Mô phỏng tiện có rung siêu âm và mô phỏng tiện không có rung siêu âm

2.2.6 Mô phỏng tiện không có siêu âm

Chọn điều kiện biên cho dao: Để thuận tiện cho việc mô phỏng nhiều trường hợp, ta chọn loại điều kiện biên cho dao là Velocity/Angular velocity bắt đầu từ Step 1, với trục

Oy và trục xoay Oz là 0, Region (vùng đặt điều kiện biên) là toàn bộ bề mặt dao

Hình 3.4: Điều kiện biên của dao Đặt biên độ cho điều kiện biên (Amplitude): Chọn loại biên độ là Tabular Đường cong Amplitude tạo ra từ các giá trị điểm và thời gian sẽ được Abaqus nội suy tuyến tính

Ta áp dụng và tạo Amplitude Tabular có tổng thời gian step là 0,01 giây: ở 0 giây amplitude là 0, ở 0,02 giây amplitude là 1

Hình 3.5:Biên độ loại Tabular và đồ thị cùa biên độ

Chọn điều kiện biên cho phôi: Chọn điều kiện biên Symmetry/Antisymmetry/Encastre và chọn Encastre, Region là cạnh đáy của phôi, điều kiện biên được đặt ngay tại Intilal

Hình 3.6: Điều kiện biên của dao

Thực hiờn mụ phỏng khụng cú siờu õm ở cỏc trường hợp: Chiều sõu cắt (100 àm, 150 àm, 200 àm, 250 àm, 300àm, 350àm); Bước tiến S= 0.06 mm/vũng, Tốc độ trục chớnh 900v/p  Tốc độ cắt 112,5 m/phút Tần số: 25 kHz

Mô phỏng tiện có siêu âm

Chọn điều kiện biên cho dao: Chọn loại điều kiện biên Displacement/Rotation, Region là điểm RP như hình 3.7, giá trị của U1 bằng giá trị biên độ dao động của siêu âm, U2 và UR3 bằng 0

Hình 3.7: Điều kiện biên của dao

Với biên độ cho điều kiện biên ta sử dụng loại biên độ Periodic

Amplitude Periodic có công thức:

51 Để đưa siêu âm vào dao, tạo Amplitude Periodic với tần số 20 kHz suy ra 𝜔 = 2𝜋𝑓 2𝜋 20000 = 125600, biên độ ban đầu và thời gian bắt đầu là 0, ta chọn sóng siêu âm hình sine với biên độ là 0,012mm

Hình 3.8: Thông số và độ thị Amplitude loại Periodic

Chọn điều kiện biên cho phôi: Trên thực tế quá trình tiện, dao sẽ di chuyển từ từ để cắt vào phôi, để đơn giản hóa việc mô phỏng, và các thông số ảnh hưởng về lực được bỏ qua khi ta gán cho dao là vật cứng tuyệt đối, thay vì chọn điều kiện biên di chuyển vào cho dao, ta làm ngược lại, chọn điều kiện biên di chuyển cho phôi Chọn loại điều kiện biên là Displacement/Rotation đặt ngay tại Step 1, Region là cạnh bên trái của phôi, bỏ dao động của trục Oy và trục xoay Oz, biên độ là loại Tabular

Hình 3.9: Điều kiện biên cho phôi

Thực hiện mụ phỏng tiện cú siờu õm ở cỏc trường hợp: Chiều sõu cắt (100 àm, 150 àm, 200 àm, 250 àm, 300àm, 350àm); Tốc độ cắt (112,5 m/phỳt); Tần số 20 kHz; Biờn độ 06 àm

3.1.1.1.3 Chia lưới Với dao là vật cứng tuyệt đối nên không cần chia vùng và vùng chuyển tiếp

Hình 3.10: Mặt cắt mảnh dao 2D Với phôi cần chia vùng mịn vùng cắt, vùng không cắt được chia thưa hơn

Hình 3.11: Chia lưới cho phôi

3.1.1.1.4 Xuất kết quả về lực

Vì dụng cụ được gán là vật cứng tuyệt đối nên không xảy ra sự hấp thụ năng lượng trong quá trình tiện Do đó phản lực đo được trên dụng cụ chính là lực biến dạng Để thu được giá trị lực ta chọn Create X/Y Data và chọn ODB Field Output

Hình 3.12: Điểm đỏ là điểm chọn để xuất giá trị lực

Hình 3.13: Các lựa chọn để xuất dữ liệu về lực

Trong ô Position chọn Unique Nodal và chọn các ô trong phần RF: Reaction Force (RF1, RF2tương ứng với Fx, Fy) Trong tab Elements/Nodes, chọn vào 1 điểm tham chiếu nằm trên mũi dao như Hình 3.12 và chọn Plot để tạo dữ liệu Sau khi chọn Plot, Abaqus sẽ chuyển sang viewpoint của đồ thị lực Dữ liệu sau khi được chiết xuất sẽ nằm trong phần

Hình 3.14: Xuất dữ liệu từ Abaqus sang Excel Để xuất giá trị lực, trên thanh tác vụ chọn Plug-ins, chọn Tools, chọn Excel Utilities… Xuất hiện bảng chọn Excel Utilities, trong phần Object chọn XY Data, trong phần Transfer Direction chọn From Abaqus/CAE to Excel, trong phần XY Data to Plot in Excel chọn From Current XY Plot

3.3.2 Mô phỏng tiện siêu âm với thép SKD11

3.2.2.1 Chuẩn bị cho mô phỏng tiện siêu âm

Phôi có thông số hình dáng, kích thước như phôi thực hiện ở các chương trước

Hình 3.15: Kích thước chi tiết

Thực nghiệm

Nguồn phát siêu âm biến nguồn điện xoay chiều 50Hz thành điện tần số 20kHz

Gốm áp điện nhận tín hiệu và biến nó thành dao động cơ học tần số cao

Dao tiện cộng hưởng với dao động của gốm áp điện

Dao tiện di chuyển vào chi tiết, do lực và ma sát tạo ra bởi năng lượng siêu âm kết hợp với tốc độ quay và tốc độ tiến dao, quá trình gia công xảy ra Chi tiết được tao thành theo mong muốn của người gia công

Bảng 3-1: Thông số cơ bản của máy tiện TUDA-MYLER

Hình 3.16: Mô hình tiện có hỗ trợ siêu âm

Kích thước Đường kính tiện trên băng 500 mm Đường kính tiện qua bàn dao ngang 270 mm

Kích thước tối đa giữa tâm 860 mm

Chiều rộng bàn dao 400 mm

Chiều dài bàn dao 2.010 mm

Chiều sâu (mm/rev) 0,038 => 0,269mm/ rev

Tịnh tiến Tình tiến tối đa theo trục x 290 mm

Chống tâm Tịnh tiến của chống tâm 150 mm

Mô hình đồ gá được thiết kế bằng phần mềm Solidworks Đồ gá bao gồm năm tấm thép AISI 1045, các tấm thép này được hàn lại với nhau Mỗi tấm thép cũng được khoan tạo hình để giảm khối lượng của đồ gá

Hình 3.18 : Mô hình 3D của đồ gá

+ Đầu dao tiếp súc trực tiếp với phôi

+ Đầu dao sau khi được lắp vào đầu siêu âm

Hình 3.19: Đầu dao tiện siêu âm

+ Chip dao dùng để gia công cắt gọt kim loại

+ Chuẩn bị cho việc lắp hệ siêu âm lên máy tiện

Nguồn phát siêu âm biến nguồn điện xoay chiều 50Hz thành điện tần số 20kHz

Hình 3.22: Bộ thiết bị thực hiện tiện siêu âm Hình 3.20: Đầu dao có gắn bộ hỗ trợ siêu âm

Mẫu 1: Thực hiện trên phôi thép C45

Mẫu 2: Thực hiện trên phôi thép SKD11 đã nhiệt luyện

Mẫu thép SKD11 có thành phần hóa học như sau:

Bảng 3-2 : Thành phần hóa học của SKD11

SKD11 là thép sau cùng tích nên nhiệt độ tôi thép dựa vào giản đồ trạng thái Fe-C được tính như sau:

Hình 3.24: Giản đồ trạng thái Fe-C

Trước khi tôi cần nung sơ bộ ở 2 cấp nhiệt độ là 650 o C và 850 o C

 Tính toán thông số nhiệt luyện của nguyên công tôi:

Kích thước mẫu được nhiệt luyện: hình trụ trơn, đường kính lớn nhất là 60 mm, chiều dài là 200 mm

Thời gian nung được tính theo công thức:

_ k1: hệ số loại thép, chọn k1 = 1 (thép hợp kim cao)

_ k2: hệ số hình dạng, chọn k2 = 0.8 (h́nh trụ)

_ k3: hệ số sắp xếp, chọn k3 = 2 (chi tiết sắp xếp cách nhau khoảng 0.5d)

_ a: chiều dày chi tiết (mm) Ta có 𝑎 = 𝑑 𝑥 0.5 = 60 𝑥 0.5 = 30 mm

_ T: thời gian tính thêm (phút), chọn T = 30 phút (thép hợp kim cao) với 𝜏

Thời gian tăng nhiệt cho quá trình nung nóng sơ bộ bằng với thời gian 𝜏 ; 𝜏

Thời gian tăng nhiệt trên 1000 theo công suất tối đa của lò = 10 – 20p

Thời gian nung trên 1000 độ:

Sau khi tôi thì lượng austennite dư khá lớn nên cần phải thực hiện ram lại 02 lần ở 2 cấp nhiệt độ khác nhau là 200 và 500

Thời gian Ram được tính như sau:

Hình 3.25: Sơ đồ nhiệt luyện SKD11 Độ cứng sau tôi đạt 58 - 62 HRC

- Bước 1: Tháo các bộ phận của máy tiện ra như ổ dao ta được hình bên dưới

- Bước 2: Lắp đồ gá lên máy tiện

- Bước 3: lắp đầu siêu âm lên đồ gá

T em pe ra tu re ( oC )

- Bước 4: Đấu dây kết nối giữa nguồn phát siêu âm và đầu siêu âm

- Bước 5: Gá phôi lên máy tiện

- Nguồn phát siêu âm biến nguồn điện xoay chiều 50Hz thành điện tần số 20kHz

- Gốm áp điện nhận tín hiệu và biến nó thành dao động cơ học tần số cao

- Dao tiện cộng hưởng với dao động của gốm áp điện

- Dao tiện di chuyển vào chi tiết, do lực và ma sát tạo ra bởi năng lượng siêu âm kết hợp với tốc độ quay và tốc độ tiến dao, quá trình gia công xảy ra Chi tiết được tao thành theo mong muốn của người gia công

3.3.4 Thực nghiệm trên mẫu thép C45

Chọn thông số máy tiện như sau:

Mẫu thực nghiệm số 1 : Chiều sâu cắt T= 0.15mm

- Mẫu thực nghiệm số 2: Chiều sâu cắt T= 0.25mm

- Mẫu thực nghiệm số 3: Chiều sâu cắt T= 0.35mm

Hình 3.28 Mẫu C45 chiều sâu cắt 0,35 mm Hình 3.26 Mẫu C45 chiều sâu cắt 0,15 mm

Hình 3.27 Mẫu C45 chiều sâu cắt 0,25 mm

Tiện siêu âm Tiện siêu âm

Tiện siêu âm Tiện thường

Mẫu thực nghiệm số 4 : Chiều sâu cắt T= 0.45mm

Tiến hành thực nghiệm với thông số máy tiện như sau:

Thực nghiệm chụp SEM bề mặt

Bảng 3-3 : Bảng thực nghiệm giữa tiện thường và tiện siêu âm

Hình ảnh Mẫu tiện thông thường Mẫu tiện có hỗ trợ rung

Tốc độ trục chính: 𝑁 900 vòng/phút

Có dung dịch tưới nguội

Hình 3.29 Mẫu C45 chiều sâu cắt 0,45 mm Tiện siêu âm

Tốc độ trục chính: N 900 vòng/phút

Có dung dịch tưới nguội

𝑎𝑝 = 0.2 mm - Có dung dịch tưới nguội

3.3.5 Thực nghiệm trên mẫu thép SKD11

+ Chế độ cắt của đoạn (1)

Hình 3.30 Tiện siêu âm cho phôi SKD11

Hình 3.31 Phôi SKD11 sau khi tiện ở chế độ 1/2/3

Hình 3.32 Phôi SKD11 sau khi tiện ở chế độ cắt 4/5/6

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả mô phỏng

4.1.1 Kết quả mô phỏng thép C45

Tiện không có siêu âm

Lực trung bỡnh với chiều sõu cắt 100 àm:

- Độ lớn của 𝐹 trung bình từ mô phỏng 𝐹 = 368,901 N

Ta tính được tổng lực trung bình của mô phỏng:

𝐹 = 𝐹 + 𝐹 = 1049,519 + 396,177 = 1121,805 N Tiện có hỗ trợ siêu âm

- Lực trung bình ở mỗi giá trị chiều sâu cắt khi có hỗ trợ siêu âm nhỏ hơn khi không có hỗ trợ siêu âm

- Khi tăng giá trị chiều sâu cắt, độ lớn lực trung bình khi không có hỗ trợ siêu âm tăng khoảng 40,08%; đối với khi có hỗ trợ siêu âm, độ lớn lực trung bình thay đổi rất nhỏ, khoảng 15,84%

- Đồ thị lực khi không có hỗ trợ siêu âm có sự giao động lớn và không ổn định; ngược lại khi có hỗ trợ siêu âm, đồ thị ổn định hơn, lực 𝐹 tăng ít, lực 𝐹 tăng dần

- Về kết quả mô phỏng, biểu đồ ứng suất Von-Miles khi không có hỗ trợ siêu âm có giá trị cực đại cao hơn so với khi có hỗ trợ siêu âm; ứng suất cực đại khi không có hỗ trợ siêu âm tập trung ở vị trí dao tiếp xúc với phôi, khi có hỗ trợ siêu âm, vị trí dao tiếp xúc với phôi không có ứng suất cực đại Hình dáng phoi khi có hỗ trợ siêu âm là những mảnh phoi vụn, trong khi đó là phoi xếp hoặc phoi dây khi không có hỗ trợ siêu âm

Hình 4.1: Biểu đồ so sánh giá trị lực trung bình của CT và UAT tại giá trị chiều sâu cắt

4.1.2 Kết quả mô phỏng SKD 11

- Độ lớn của 𝐹 trung bình từ mô phỏng 𝐹 = 180,256N

- Độ lớn của 𝐹 trung bình từ mô phỏng 𝐹 = 276,331N

Tiện có hỗ trợ siêu âm

𝐹 = 𝐹 + 𝐹 = 137,885 + 3,451 = 137,928 N Lực trung bỡnh với chiều sõu cắt 450 àm:

- Lực trung bình ở mỗi giá trị chiều sâu cắt khi có hỗ trợ siêu âm nhỏ hơn khi không có hỗ trợ siêu âm

- Khi tăng giá trị chiều sâu cắt, độ lớn lực trung bình khi không có hỗ trợ siêu âm tăng khoảng 87,51%; đối với khi có hỗ trợ siêu âm, độ lớn lực trung bình thay đổi rất nhỏ, khoảng 3,07%

- Đồ thị lực khi không có hỗ trợ siêu âm có sự giao động lớn và không ổn định; ngược lại khi có hỗ trợ siêu âm, đồ thị ổn định hơn, lực 𝐹 xấp xỉ 0, lực 𝐹 tăng dần

- Về kết quả mô phỏng, biểu đồ ứng suất Von-Miles khi không có hỗ trợ siêu âm có giá trị cực đại cao hơn so với khi có hỗ trợ siêu âm; ứng suất cực đại khi không có hỗ trợ siêu âm tập trung ở vị trí dao tiếp xúc với phôi, khi có hỗ trợ siêu âm, vị trí dao tiếp xúc với phôi không có ứng suất cực đại Hình dáng phoi khi có hỗ trợ siêu âm là những mảnh phoi vụn, trong khi đó là phoi xếp hoặc phoi dây khi không có hỗ trợ siêu âm

Hình 4.2: Biểu đồ so sánh giá trị lực trung bình của CT và UAT tại giá trị chiều sâu cắt

Lực trung bình với tốc độ cắt 62,5 m/phút:

Lực trung bình với tốc độ cắt 75 m/phút:

Tiện có hỗ trợ siêu âm

𝐹 , = 𝐹 + 𝐹 = 137,793 + 1,396 = 137,800 N Lực trung bình với tốc độ cắt 100 m/phút:

- Độ lớn của 𝐹 trung bình từ mô phỏng 𝐹 = 0 N

- Lực trung bình ở mỗi giá trị tốc độ cắt khi có hỗ trợ siêu âm nhỏ hơn khi không có hỗ trợ siêu âm

- Khi tăng giá trị tốc độ cắt, độ lớn lực trung bình khi không có hỗ trợ siêu âm giảm khoảng 18,78%; đối với khi có hỗ trợ siêu âm, độ lớn lực trung bình tăng gần như bằng nhau ở mọi giá trị tốc độ cắt, khoảng 0,62%

- Đồ thị lực khi không có hỗ trợ siêu âm có sự giao động lớn và không ổn định; ngược lại khi có hỗ trợ siêu âm, lực 𝐹 có giá trị bằng 0 hoặc xấp xỉ 0

- Về kết quả mô phỏng, biểu đồ ứng suất Von-Miles khi không có hỗ trợ siêu âm có giá trị cực đại cao hơn so với khi có hỗ trợ siêu âm; ứng suất cực đại tập trung ở vị trí dao tiếp xúc với phôi Hình dáng phoi khi có hỗ trợ siêu âm là những mảnh phoi vụn, trong khi đó là phoi dây khi không có hỗ trợ siêu âm

Hình 4.3: Biểu đồ so sánh giá trị lực trung bình của CT và UAT tại giá trị tốc dộ cắt

Lực trung bình với tần số 5 kHz:

- Ở tần số 5 kHz lực cắt rất nhỏ, tuy nhiên đồ thị cho thấy lực cắt ở tần số này không ổn định như các trường hợp khác Ngược lại, ở các tần số 10 kHz, 15 kHz, 20 kHz và 25 kHz, lực cắt nhỏ hơn 250 N, đồ thị lực cắt ổn định

- Về kết quả mô phỏng, tại vị trí dao tiếp xúc với phôi không có ứng suất cực đại, kết quả cho thấy khi sử dụng tần số cao, ứng suất tại vị trí tiếp xúc đó giảm Hình dáng phoi là phoi vụn

Hình 4.4: Biểu đồ so sánh giá trị lực trung bình của UAT tại giá trị tần số

Lực trung bỡnh với biờn độ 3 àm:

Hình 4.5: Biểu đồ so sánh giá trị lực trung bình của UAT tại giá trị biên độ dao động

- Khi tăng giá trị biên độ, độ lớn lực trung bình khi không có hỗ trợ siêu âm giảm khoảng 34,32%

- Đồ thị lực ở cỏc giỏ trị biờn độ 3 àm và 9 àm cú sự giao động lớn; trong khi đú ở các giá trị còn lại đồ thị lực 𝐹 có giá trị bằng 0, lực 𝐹 có dạng đường cong Parabol Vì vậy biờn độ 6 àm và 12 àm thớch hợp để sử dụng cho thớ nghiệm này

- Về kết quả mô phỏng, hình dạng phoi là phôi vụn

4.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tiện siêu âm

4.1.3.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Kết quả quan sát thấy lực cắt khi có hỗ trợ siêu âm thấp hơn so với khi không dùng siêu âm Các mô phỏng cho thấy rằng lực cắt tăng lên khí tăng giá trị chiều sâu cắt như mong đợi từ lý thuyết Hơn nữa khi sử dụng siêu âm vào mô phỏng thấy được lực cắt không thay đổi đáng kể ở từng giá trị chiều sâu cắt Do đó, cùng một giá trị chiều sâu cắt nhưng sử dụng lực ít hơn, tỷ lệ loại bỏ vật liệu của UAT cao hơn so với CT Ví dụ, lực cắt trên dụng cụ ở độ sõu cắt 150 àm trong CT là 390,895 N, trong khi ở độ sõu cắt 150 àm trong UAT, lực cắt quan sát được chỉ là 132,438 N Kết luận được, lực cắt giảm đi đáng kể khi sử dụng siêu âm vào phương pháp tiện, tuy nhiên yếu tố chiều sâu cắt khi thay đổi giá trị không ảnh hưởng nhiều đến siêu âm

Xu hướng hiện nay trong gia công là tăng tốc độ cắt càng nhiều càng tốt để tăng tốc độ loại bỏ vật liệu, về mặt này, sẽ có lợi khi khảo sát ảnh hưởng của UAT ở tốc độ cắt cao hơn Phần tiếp theo mô tả chi tiết ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực cắt trong UAT

4.1.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cắt

Trong quá trình CT, lực cắt giảm đi khi tăng tốc độ cắt Tuy nhiên, trong UAT, các lực cắt hầu như không thay đổi đối với các tốc độ cắt khác nhau Lý do chính là trong UAT ở tốc độ cắt cao, biên độ dao động rung và tốc độ cắt cộng hưởng, dẫn đến mức lực gần như không đổi

Lực cắt được giảm đáng kể khi sử dụng siêu âm, cụ thể ở tốc độ cắt 5 m/phút, lực cắt

Kết quả thực nghiệm

4.2.1 Kết quả Thực nghiệm trên mẫu thép C45

4.2.1.1 Thực nghiệm 1: a Đánh giá quá trình thực nghiệm Mẫu thép C45

Sử dụng máy đo độ nhám bề mặt T30 ta có kết quả so sánh độ nhám giữa tiện thường và tiện siêu âm như sau:

- Quá trình đo độ nhám bề mặt

+ Sử dụng máy đo độ nhám bề mặt ( T30 Máy đo độ bóng bề mặt SJ301 )

+ Chuẩn bị khối V và định vị chi tiết cần đo độ nhám lên khối V

+ Tiến hành di chuyển đầu đo đến vị trí cần đo

+ Lần lượt trên mỗi đường kính đo 4 vị trị đối xứng với nhau qua tâm của chi tiết

+ Lần lượt đo hết 3 chi tiết ta được bảng kết quả như sau:

Bảng 4-1: Kết quả đo độ nhám của mẫu thép (C45), chiều sâu cắt t=0,15mm

Có hỗ trợ siêu âm 1,05 1,13 1,06 1,12 6.54 7.04 6.44 6.47 Không có hỗ trợ siêu âm 3.67 3.80 3.71 3.46 22,56 22,78 22,31 22,08

Bảng 4-2: Giá trị trung bình của 4 lần đo

Có hỗ trợ siêu âm 1.09 6.225

Không hỗ trợ siêu âm 3.66 22.4325

Có hỗ trợ siêu âm 1,27 1,16 1,21 1,20 8.85 8.92 9.07 9.08 Không có hỗ trợ siêu âm 1.39 1.34 1.36 1.43 10.46 9.82 10.54 10.56

Không hỗ trợ siêu âm 3.485 21.3675 b Kết Luận:

- Biểu đồ so sánh về độ nhám bề mặt giữa tiện có hỗ trợ siêu âm và không có hỗ trợ siêu âm c Sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscopy) phân tích bề mặt ta có kết quả như sau

Hình 4.6 Ảnh chụp bề mặt phôi mẫu thực nghiệm 1 a) x 30; b) x 200; c) x 500

Thực nghiệm chụp SEM bề mặt Đánh giá quá trình thực nghiệm Mẫu thép C45

89 a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Hình 4.11: Hình ảnh thực tế của bề mặt chi tiết gia công a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Hình 4.12: Hình ảnh SEM của bề mặt chi tiết gia công (ap = 0.1 mm)

Chiều sâu cắt ap = 0.1 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là 74.27 μm và giảm dần 18.57 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.2a Trong khi đó, ở khu vực chính giữa độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 38.36 đến 46.03 μm và giảm dần 15.34 μm ở phía ngoài, trong hình 4.2b a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Hình 4.13: Hình ảnh SEM của bề mặt chi tiết gia công(ap = 0.15 mm)

Chiều sâu cắt ap = 0.15 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là trong khoảng 50.57 đến 75.86 μm và đạt giá trị nhỏ nhất là 25.29 μm ở phía ngoài rìa của bề mặt, thể hiện trong hình 4.3a Trong khi đó, ở khu vực chính giữa, độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 37.26 đến 55.89 μm và giảm dần 18.63 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.3b Tiện hỗ trợ siêu âm tạo ra bề mặt có các đường viền nhỏ có hình bán cầu, trong khi bề mặt tiện thường là những vết cắt dài a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Chiều sâu cắt ap = 0.2 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là trong khoảng 54.84 đến 71.30 μm và đạt giá trị nhỏ nhất là 21.94 μm tập trung ở phía ngoài rìa của bề mặt, thể hiện trong hình 4.4a Trong khi đó, ở khu vực chính giữa, độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 40.03 đến 52.04 μm và đạt giá trị nhỏ nhất 16.01 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.4b Bề mặt tiện hỗ trợ siêu âm có hình bán cầu và bề mặt của tiện thường là những vết cắt dài a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Chiều sâu cắt ap = 0.25 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là trong khoảng 42.42 đến 68.93 μm và đạt giá trị nhỏ nhất là 21.21 μm tập trung ở phía ngoài rìa của bề mặt, thể hiện trong hình 4.5a Trong khi đó, ở khu vực chính

Hình 4.14 Hình ảnh SEM của bề mặt chi tiết gia công (ap = 0.2 mm)

91 giữa, độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 37.56 đến 61.03 μm và đạt giá trị nhỏ nhất 18.87 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.5b Bề mặt tiện hỗ trợ siêu âm có vết cắt nhỏ, đều có hình bán cầu và bề mặt của tiện thường là những vết cắt dài và không đều a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Hình 4.6 Hình ảnh SEM của bề mặt chi tiết gia công a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm (ap = 0.3 mm)

Chiều sâu cắt ap = 0.3 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là trong khoảng 48.59 đến 72.89 μm và đạt giá trị nhỏ nhất là 24.30 μm ở phía ngoài rìa của bề mặt, thể hiện trong hình 4.6a Trong khi đó, ở khu vực chính giữa, độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 48.04 đến 62.45 μm và đạt giá trị nhỏ nhất 19.22 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.6b Bề mặt tiện hỗ trợ siêu âm có vết cắt nhỏ và đều có hình bán cầu đối với bề mặt của tiện thường là những vết cắt dài và có những chỗ không đều a) tiện truyền thống b) tiện hỗ trợ siêu âm

Chiều sâu cắt ap = 0.35 mm, độ nhấp nhô bề mặt ở khu vực chính giữa của tiện thường là trong khoảng 65.05 đến 78.06 μm và đạt giá trị nhỏ nhất là 26.02 μm tập trung ở phía ngoài rìa của bề mặt, thể hiện trong hình 4.7a Trong khi đó, ở khu vực chính giữa, độ nhấp nhô bề mặt của tiện hỗ trợ siêu âm trong khoảng 42.65 đến 55.44 μm và đạt giá trị nhỏ nhất 17.06 μm ở phía ngoài, thể hiện trong hình 4.7b Bề mặt tiện hỗ trợ siêu âm có vết cắt nhỏ, đều có hình bán cầu và bề mặt của tiện thường là những vết cắt dài và không đều

Bảng 4.1 Kết quả đo độ nhám giữa tiện hỗ trợ siêu âm và tiện thường

Hình 4.17 Biểu đồ so sánh giá trị độ nhám lớn nhất giữa tiện siêu âm và tiện thường

Chiều sâu cắt (mm)Tiện siêu âm Tiện thường

Hình 4.18:Biểu đồ so sánh giá trị độ nhám nhỏ nhất giữa tiện siêu âm và tiện thường

Sau khi thực nghiệm và phân tích các thông số từ hình ảnh SEM của bề mặt sản phẩm tiện, có thể kết luận:

• Hình ảnh SEM 3D cho thấy rằng bề mặt sản phẩm tiện có hỗ trợ siêu âm các vết cắt nhỏ, đều có hình bán cầu Còn bề mặt tiện thường có vết cắt dài, không đều

• Độ nhám bề mặt của tiện siêu âm giảm hơn so với độ nhám của bề mặt tiện thường

• Chiều sâu cắt càng tăng, bề mặt tiện thường có vết cắt không đều còn với bề mặt của tiện siêu âm giữ được độ ổn định và đều sau mỗi lần tăng chiều sâu cắt Tăng chiều sâu cắt, độ nhám bề mặt của tiện thường tăng nhiều, độ nhám bề mặt của tiện siêu âm tăng ít

4.2.2 Kết quả Thực nghiệm trên mẫu thép SKD11

4.2.2.1 Quy hoạch các kết quả thực nghiệm trên mẫu thép SKD11

Bảng 4-9: Bảng thông số thực nghiệm STT

Chiều sâu cắt (mm) x3 Độ nhỏm bề mặt (àm) y1

Chiều sâu cắt (mm)Tiện siêu âm Tiện thường

Bảng 4-10: Bảng ma trận quy hoạch khi k=3

STT Nhân tố Tương tác đôi Bậc 2 x 0 x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 2 x1 x 2 2 x 3 2

Từ đó ta xác định được phương trình hồi quy ở dạng mã hóa:

+ 0,05375𝑥 𝑥 + 0,32533𝑥 + 0,52533𝑥 + 0,31472𝑥 Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số phương trình hồi qui:

Xác định phương sai tái hiện :𝑠 {𝑦} = ∑ = , = 0,78

 Phương sai các hệ số 𝑠 {𝑏 } phương trình hồi quy:

 Trong đó: 𝑐 lần lượt là các phần tử đường chéo trong ma trận (X T X) -1

 Tỉ số phân tích ý nghĩa:

Trong đó: q = 0.05, số bậc tự do fy = N-1 , do không có thí nghiệm lặp, theo phục lục

Chỉ có 𝑡 , 𝑡 , 𝑡 , 𝑡 , 𝑡 , 𝑡 , 𝑡 < 𝑡 : 𝑡 không có ý nghĩa và bị loại khỏi phương trình hồi quy, chỉ còn lại các hệ số, b0, b3,b22

𝑦 = 1,66433 + 0,68107𝑥 + 0,52533𝑥 Kiểm tra lại kết quả bằng phần mềm Minitab

Các biểu đồ tối ưu của các thông số Vận tốc, bước tiến, chiều sâu cắt và độ nhám bề mặt:

Tiêu đề	Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt sản phẩm tiện siêu âm
Tác giả	Nguyễn Trường Hải
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	154
Dung lượng	10,97 MB