ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG

MỤC LỤCTrangLời cam đoan ....................................................................................................................iLời cảm ơn.......................................................................................................................iiTóm tắt .......................................................................................................................... iiiMục luc........................................................................................................................... ivCác ký hiệu viết tắt .........................................................................................................viDanh mục các hình ảnh ..................................................................................................viiDanh mục các bảng, biểu ................................................................................................ixGIỚI THIỆU ..................................................................................................................1Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CÓ RUNG ĐỘNGTRỢ GIÚP .....................................................................................................................51.1. Tiện cứng..................................................................................................................51.2 .Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia công tiện..................61.3.Cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm ...............................................................81.3.1. Cơ sở khai thác rung siêu âm..................................................................................81.3.2. Nguyên tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện...............................81.4. Độ chính xác gia công............................................................................................. 101.4.1. Khái niệm về độ chính xác gia công ..................................................................... 101.4.2. Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia công ........................................................... 111.5. Chất lượng bề mặt gia công..................................................................................... 111.5.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công ............................................................. 111.5.2. Tính chất hình học lớp bề mặt .............................................................................. 121.5.3. Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy..................................... 121.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM ........................................................................ 131.5.5. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt ............................................................. 131.5.6. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt ............................................................. 141.6. Kết luận chương...................................................................................................... 14Chương 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIACÔNG TIỆN ................................................................................................................ 152.1.Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung....................................................................... 152.1.1.Nguyên tắc tạo rung .............................................................................................. 152.1.2.Nguyên tắc tích hợp rung ...................................................................................... 162.2. Đề xuất thiết kế ....................................................................................................... 17v2.3. Sơ đồ nguyên lý gia công tiện cứng rung theo phương pháp tạo rung bằng các PZT.182.3.1. Thiết kế, chế tạo thân dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và chọn mảnh dao .......... 182.3.2. Lựa chọn, chế tạo và ghép nối bộ tạo rung siêu âm tần số cao PZT ...................... 192.3.3. Lắp ghép Piezo với thân dao tiện và bộ tạo xung.................................................. 202.3.4. Máy phát điện áp xung ......................................................................................... 212.4.Kiểm chứng ............................................................................................................. 222.5. Kết luận chương...................................................................................................... 22Chương 3. THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM............................................. 233.1.Thiết bị gia công ...................................................................................................... 233.1.1.Máy tiện MAZAK:................................................................................................ 233.1.2.Dao tiện có tích hợp rung ...................................................................................... 243.1.3. Phôi gia công........................................................................................................ 253.1.4. Máy cắt dây CW322S: ......................................................................................... 263.2.Thiết bị đo................................................................................................................ 273.2.1. Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe ................................................ 273.2.2. Đồng hồ so micromet ........................................................................................... 273.2.3.Máy đo độ cứng vật liệu phôi và máy đo độ nhám bề mặt phôi ............................. 283.2.4.Panme đo ngoài..................................................................................................... 283.2.5.Đồng hồ đo biên độ rung tại lưỡi cắt của dao tiện rung gắn mảnh hợp kim............ 283.3. Cách thu thập dữ liệu .............................................................................................. 293.4. Thiết kế thí nghiệm ................................................................................................. 293.4.1. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng tay ........................................................ 293.4.2. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng máy ...................................................... 303.5. Kết luận chương...................................................................................................... 30Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................... 314.1. Trình tự thực hiện thí nghiệm.................................................................................. 314.2. Các kết quả thực nghiệm ......................................................................................... 324.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.............................................................. 354.4. Kết luận chương...................................................................................................... 38KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.......................................................................................... 40TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 42

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Nguyên - 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

Mã số : 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PGS TS Nguyễn Văn Dự

Thái Nguyên - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Thái Nguyên, Tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thị Lệ Hằng

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của

tôi, thầy giáo - PGS.TS Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp

đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Thứ đến, tôi xin chân

thành cảm ơn thầy giáo, Ths Lê Duy Hội và Ths Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tôi rất

nhiều trong quá trình làm luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Dũng và các kỹ thuật viên trong DNTN của

anh Dũng đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm cho đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Tôi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trường ĐHKT Công nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và công nghệ vật liệu đã giúp tôi hoàn thành luận văn này

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, vì tất cả những gì mà mọi người đã dành cho tôi Mọi người đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện, hỗ trợ

và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này

TÓM TẮT

Qua việc phân tích một cách hệ thống các ưu điểm vượt trội của phương pháp gia công có rung động trợ giúp và các nguyên lý tạo rung động, nghiên cứu này giới thiệu một ứng dụng của rung động siêu âm với tần số cao nhằm trợ giúp gia công tiện tinh trên vật liệu là thép 9XC đã tôi đạt độ cứng 58 – 60 HRC Một Piezo tạo rung theo nguyên lý

áp điện có tần số rung động là 28 KHz, biên độ rung từ 2 đến 10 micromet được gắn vào đầu dao tiện nhằm tạo rung cho dao theo phương lực cắt Các phôi thép 9XC tôi cứng có đường kính 63 mm, chiều dài 40 mm đã được gia công bằng tiện tinh thường và tiện tinh

có trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao để so sánh đối chứng Các bộ thí nghiệm đã được thiết kế nhằm so sánh độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ và tuổi thọ của dao giữa hai chế độ gia công tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp Số liệu thực nghiệm về độ nhám bề mặt, độ tròn và độ trụ được phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 18 mẫu đo Kết quả cho thấy tiện cứng có sự trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao có thể làm giảm độ nhám bề mặt các mẫu gia công, tăng cấp độ nhẵn cho bề mặt chi tiết sau khi tiện tinh từ một đến hai cấp tạo chất lượng bề mặt tốt hơn Khi tiện có rung trợ giúp xuất hiện hiện tượng bẻ phoi hiệu qủa, các dạng phoi tiện có rung động trợ giúp thường phoi vụn Diện tích và chiều sâu vết lõm của bề mặt phần cắt mảnh dao tiện bị mòn khi sử dụng để gia công tiện cứng có rung trợ giúp chỉ bằng 30 so với khi tiện cứng truyền thống Khả năng nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt khi tiện có rung trợ giúp trên các vật liệu cứng khó gia công trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục luc iv

Các ký hiệu viết tắt vi

Danh mục các hình ảnh vii

Danh mục các bảng, biểu ix

GIỚI THIỆU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 5

1.1 Tiện cứng 5

1.2 Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia công tiện 6

1.3.Cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm 8

1.3.1 Cơ sở khai thác rung siêu âm 8

1.3.2 Nguyên tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện 8

1.4 Độ chính xác gia công 10

1.4.1 Khái niệm về độ chính xác gia công 10

1.4.2 Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia công 11

1.5 Chất lượng bề mặt gia công 11

1.5.1 Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công 11

1.5.2 Tính chất hình học lớp bề mặt 12

1.5.3 Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy 12

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM 13

1.5.5 Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt 13

1.5.6 Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt 14

1.6 Kết luận chương 14

Chương 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG TIỆN 15

2.1.Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung 15

2.1.1.Nguyên tắc tạo rung 15

2.1.2.Nguyên tắc tích hợp rung 16

2.2 Đề xuất thiết kế 17

2.3 Sơ đồ nguyên lý gia công tiện cứng rung theo phương pháp tạo rung bằng các PZT.18

2.3.1 Thiết kế, chế tạo thân dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và chọn mảnh dao 18

2.3.2 Lựa chọn, chế tạo và ghép nối bộ tạo rung siêu âm tần số cao PZT 19

2.3.3 Lắp ghép Piezo với thân dao tiện và bộ tạo xung 20

2.3.4 Máy phát điện áp xung 21

2.4.Kiểm chứng 22

2.5 Kết luận chương 22

Chương 3 THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM 23

3.1.Thiết bị gia công 23

3.1.1.Máy tiện MAZAK: 23

3.1.2.Dao tiện có tích hợp rung 24

3.1.3 Phôi gia công 25

3.1.4 Máy cắt dây CW322S: 26

3.2.Thiết bị đo 27

3.2.1 Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe 27

3.2.2 Đồng hồ so micromet 27

3.2.3.Máy đo độ cứng vật liệu phôi và máy đo độ nhám bề mặt phôi 28

3.2.4.Panme đo ngoài 28

3.2.5.Đồng hồ đo biên độ rung tại lưỡi cắt của dao tiện rung gắn mảnh hợp kim 28

3.3 Cách thu thập dữ liệu 29

3.4 Thiết kế thí nghiệm 29

3.4.1 Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng tay 29

3.4.2 Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng máy 30

3.5 Kết luận chương 30

Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 31

4.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm 31

4.2 Các kết quả thực nghiệm 32

4.3 Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm 35

4.4 Kết luận chương 38

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

UVC Cắt rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)

CUVC Cắt rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic Vibration

Cutting)

PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)

PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện)

USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining)

CLBM Chất lượng bề mặt

CTM Chi tiết máy

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

3.2 Mô hình thiết kế và thiết bị gá rung thực tế 25

3.6 Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe 27

3.8 Máy đo độ cứng và máy đo độ nhám Mitutoyo 201 28

3.10 Đồng hồ đo biên độ rung micromet 28 3.11 Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết 30

4.1 Phoi tạo ra khi tiện thường và tiện rung 32 4.2 Đo độ nhám mặt trụ và mặt đầu của phôi tiện cứng 33 4.3 Nhám bề mặt (a) phôi tiện thường và (b) phôi tiện rung 33 4.4 Đo độ tròn và độ trụ của phôi tiện cứng: (a) Đo bằng panme, (b) Đo

4.10 Kết quả so sánh độ tròn bề mặt tiện 37 4.11 Phân bố độ tròn bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt cho bề

4.12 Kết quả so sánh độ trụ bề mặt tiện 38 4.13 Phân bố độ trụ bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt cho bề

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

3.1 Thông số cơ bản của máy tiện sử dụng thí nghiệm 23 3.2 Cơ tính của phôi gia công và thành phần hóa học của phôi 26 4.1 Đường kính và độ nhám của các bề mặt tiện 33 4.2 Sai lệch độ tròn và độ trụ của các bề mặt tiện 37

GIỚI THIỆU

Phần này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài nghiên

cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt được Mục 0.1 trình bày về vấn đề nghiên cứu, hay tính cấp thiết của đề tài Mục 0.2 tóm tắt các thông tin tổng quan về các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về gia công có rung động trợ giúp Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu được thể hiện trong mục 0.3 Mục 0.4 tóm tắt các kết quả chính đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm Mục cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận văn

0.1 Vấn đề nghiên cứu

Trong gia công cơ khí vấn đề nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất cắt khi gia công các loại vật liệu có độ cứng cao đang là một lĩnh vực được các nhà chế tạo, các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu

Tiện cứng là phương pháp gia công tiện các loại vật liệu có độ cứng cao như thép đã qua tôi, gốm sứ, thủy tinh,…Nó là một phương pháp gia công phổ biến cần đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cắt cao.Tuy nhiên trong quá trình tiện cứng do phôi có độ cứng cao nên trong quá trình cắt ma sát sinh ra lớn làm cho dụng cụ cắt mòn nhanh, đồng thời tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau quá trình gia công [1]

Để khắc phục những hạn chế kể trên, gia công cắt rung nói chung hay công nghệ tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và công bố [2]

Cắt rung là một kỹ thuật sử dụng rung động với tần số cao hay thấp tác động lên dụng

cụ cắt hoặc phôi trong một hoạt động gia công để đạt được hiệu suất cắt tốt hơn.Kỹ thuật này đã được sử dụng trong gia công chính xác gỗ [3,4] và thép cacbon thấp [5]

Trong quá trình tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức là ta đưa thêm vào quá trình cắt một nguồn rung động chủ động với tần số cao và biên độ dao động theo hướng chuyển động chạy dao của dụng cụ cắt và phôi.Ở quá trình này thì nguồn tạo rung là các

cơ cấu ứng dụng hiệu ứng áp điện.Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ cấu chuyển đổi áp điện PZT( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và biên độ rung nhỏ.Vì vậy khi tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức có sử dụng các

cơ cấu này sẽ khắc phục được những nhược điểm mà gia công tiện cứng còn tồn tại kể

trên.Các PZT này đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành công trên nhiều loại máy

ở các nước trên thế giới [2, 6]

Các thực nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức

có 9 ưu điểm vượt trội so với tiện cứng truyền thống đó là [2, 6 ÷ 8] :

6 Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao

7 Quá trình cắt ổn định, loại bỏ hiện tượng va đập giữa dao và phôi khi cắt

8 Tuổi thọ của dụng cụ cắt tăng từ 3 đến 8 lần

9 Tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho chi tiết gia công Trong lĩnh vực gia công cơ khí ở Việt Nam hiện nay thì việc chế tạo được cơ cấu PZT ứng dụng phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước là một vấn đề khá mới mẻ đã được các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo đưa ra và bàn hướng tiếp cận tại hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ 3 vừa qua

Vì các lý do đã phân tích ở trên tôi mạnh dạn đề xuất đề tài “Đánh giá ảnh hưởng

của rung động tích cực đến tiện cứng” nhằm hiện thực hóa và kiểm chứng một số ưu

điểm của tiện cứng có tích hợp rung động trợ giúp tại Việt Nam

0.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm triển khai thực nghiệm bộ tạo rung động trợ giúp cho nguyên công tiện cứng nhằm khẳng định tính ưu việt của phương pháp gia công có rung động trợ giúp và hiện thực hóa phương pháp gia công tiên tiến này ở Việt Nam Mòn, độ nhám, độ tròn và độ trụ của bề mặt tiện được chọn là các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với tiện truyền thống Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:

1 So sánh hiệu quả của tiện cứng có rung động trợ giúp với tiện cứng truyền thống;

2 Đề xuất bộ thông số rung phù hợp với yêu cầu gia công cụ thể

0.3 Các kết quả đã đạt được

Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo được cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho tiện cứng theo nguyên lý tạo rung động siêu âm tần số cao (PZT) Các thí nghiệm đã được thực hiện để kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với tiện truyền thống Các kết quả mà đề tài đã đạt được bao gồm:

 Tổng quan về cơ sở và các nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp gia công cơ nói chung và nguyên công tiện nói riêng;

 Thực nghiệm triển khai thành công cơ cấu tạo rung với nguyên lý tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện vào tiện cứng;

 Vận hành và thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm, cho thấy ưu việt của rung động trợ giúp tiện cứng về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ so với tiện truyền thống thép 9XC đã tôi như sau:

o Rung động cưỡng bức làm tăng khả năng bẻ phoi cho tiện cứng, phoi tiện

có rung thường là phoi vụn;

o Sơ bộ đánh giá tuổi bền dao: Độ mòn mảnh dao của tiện cứng có rung chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện cứng truyền thống(so sánh trên cùng một thể tích kim loại bị bóc đi là 7.5 mm3);

o Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền thống không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,7054% so với 1,302%) mà còn có phạm vi p tán nhỏ hơn hẳn (Độ lệch chuẩn chỉ là 0,1187 so với 0,4455).Giảm cấp độ nhám từ 1 đến 2 cấp;

o Độ tròn trung bình của các bề mặt tiện cứng truyền thống là 0,014%; trong khi giá trị này ở tiện cứng rung khoảng 0,005% Nghĩa là, độ tròn của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/3 lần so với độ tròn bề mặt khi tiện thường;

o Độ trụ trung bình của các bề mặt tiện cứng truyền thống là 0,046%; trong khi giá trị này ở tiện cứng có tích hợp rung khoảng 0,026% Nghĩa là, độ trụ của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/2 lần so với độ trụ bề mặt khi tiện thường;

 Kiểm chứng được giả thuyết tiện cứng có rung động có ưu điểm hơn so với tiện cứng truyền thống theo các tiêu chí: nhám bề mặt, độ chính xác hình dáng hình học, tình trạng phoi và tuổi bền của dao;

 Thử nghiệm khả năng chủ động công nghệ tạo rung trợ giúp gia công tiện cứng

0.4 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung cơ bản từng chương như sau:

Trong chương 1, giới thiệu tổng quan về tiện cứng, gia công tiện cứng có rung động

trợ giúp có các ưu việt nổi trội so với tiện cứng truyền thống.Trình bày cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm

Chương 2, triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công tiện

cứng.Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung được nêu ở đây, phân tích và đưa ra đề xuất triển khai thực nghiệm và kiểm chứng cơ cấu rung siêu âm tần số cao tích hợp tiện cứng

Chương 3, thiết kế thí nghiệm tiện cứng.Chương này nói về các thiết bị gia công và

các thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm, cách thu thập số liệu thí nghiêm và thiết kế thí nghiệm

Chương 4, trình bày trình tự thực hiện thí nghiệm, kết quả thí nghiệm, phân tích và

đánh giá số liệu thí nghiệm Ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với tiện truyền thống được phân tích thông qua các thí nghiệm so sánh đối chứng

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối cùng của luận văn

Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN, PCD hoặc ceramic tổng hợp thay thế cho mài để gia công thép đã tôi (có độ cứng lớn hơn 45HRC) [1] Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2  4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài

Hình 1.1 Gia công tiện cứng

Tiện cứng có thể gia công được các loại vật liệu là thép rèn đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites… Hợp kim stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa Vật liệu điển hình được tiện cứng là thép 9XC (58  62HRC); X12M(60HRC); 5120 (62HRC); 1050(62HRC); …

Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng và trục bằng thép đã tôi sử dụng tiện cứng thay cho mài Tiện cứng có thể đạt dung sai kích thước đến ±0,01mm hoặc tốt hơn với thời gian chế tạo lâu và độ bóng bề mặt tuyệt vời Hơn nữa, máy mài có thể đắt gấp 2 - 3

lần máy tiện Trong nhiều nhà máy, tiện cứng đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống, giá đầu tư thiết bị chỉ bằng khoảng 1/3 Hơn nữa, thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều khi sử dụng máy tiện

Việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:

 Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm, giảm chi phí đầu tư thiết bị

 Tăng độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cho chi tiết gia công

 Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2  4 lần), nâng cao năng suất gia công

 Gia công được các contour phức tạp

 Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá

 Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội Gia công khô tránh được cho phí dung dịch trơn nguội và không có chất thải ra ra môi trường

Tuy nhiên trong quá trình tiện cứng do phôi có độ cứng cao nên trong quá trình cắt

ma sát giữa phôi và dụng cụ cắt lớn làm cho lực cắt lớn, dụng cụ cắt mòn nhanh, đồng thời tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau quá trình gia công [1, 3, 4]

Để khắc phục các nhược điểm của tiện cứng truyền thống nêu ở trên, việc ứng dụng rung động cưỡng bức vào quá trình tiện cứng nhằm nâng cao độ chính xác về kích thước, dộ chính xác về hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt cho gia công tiện cứng nói chung

1.2 Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia công tiện

Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một quá trình cắt tiên tiến đã được ứng dụng từ những năm 1960 Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các PZT(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác) Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện được tính ổn định khi cắt cũng như độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt (Skelton 1969; Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi, 1997;

Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự, 2004; Ma và cộng sự) Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc được các khó khăn về tính kinh tế trong các phương pháp gia công truyền thống như đã được đề cập ở trên và nó còn có thể nhận được độ chính xác gia công cao cho nhiều loại vật liệu gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự, 1979; Gao và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự 2002; Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007) Với các lý do đó, công nghệ UVC đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong tất cả các công nghệ gia công

Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang được kết hợp với các phương pháp gia công khác, như tiện, khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng để tạo ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002; Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005; Suzuki và cộng sự, 2006)

[8 ÷10]

Một cách tiếp cân khác giải quyết vấn đề này là sử dụng công nghệ rung động trợ giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) tác động lên phôi hoặc lên dụng cụ cắt khi tiện cứng [2, 5 ÷ 11] Nguyên tắc chung của các phương phương pháp này là bổ sung một nguồn rung động tương đối theo phương dọc trục dao tiện [10] hay theo phương của lực cắt khi tiện [11] Rung động được khai thác cho tiện cứng là rung siêu

âm, có tần số cao (f = 10 ÷ 40 KHz) và biên độ thấp (A = 2 ÷ 10 micromet) [10] Các kết qủa cho thấy gia công bằng tiện có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện bẻ phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dao tiện, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công

Gia công tích hợp rung siêu âm là phương pháp gia công có nguồn rung động trợ giúp với tần số rung động từ 15 ÷ 20 KHz trở lên, nguồn rung động với tần số càng cao thì hiệu quả của quá trình gia công các vật liệu dòn càng tốt [13] Nhiều nghiên cứu khác nhau đã có nhiều cải thiện đáng kể về lực cắt khi tiện, kích thước các bavia, mài mòn dụng cụ cắt thấp, giảm ồn, nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt sau tiện cứng

Như vậy, nói chung chất lượng tổng thể của phương pháp tiện được cải thiện đáng

kể với sự trợ giúp của rung siêu âm Việc sử dụng rung siêu âm trong các quá trình gia công đã tạo ra nhiều ưu thế cho gia công các loại vật liệu khó gia công Để tạo ra được quá trình tiện rung tích hợp siêu âm, cần phải có thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm

Piezoelectric và máy phát xung Hiện nay, ở Việt Nam chưa công bố khoa học cả về nghiên cứu gia công có tích hợp rung lẫn thí nghiệm cách gia công này Đề tài này được thực hiện nhằm hiện thực hóa cách thức gia công có tích hợp rung động tích cực; đồng

thời kiểm chứng một số ưu điểm của phương pháp này so với gia công truyền thống.Các kết quả được phân tích cho thấy chất lượng bề mặt tiện có tích hợp rung được cải thiện rõ rệt so với tiện truyền thống

1.3.Cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm

1.3.1 Cơ sở khai thác rung siêu âm

Dựa vào những phân tích đã trình bày ở mục 1.1 và mục 1.2 ở trên thấy rằng việc khai thác rung vào trong quá trình tiện cứng là một vấn đề khoa học có căn cứ và cần được áp dụng ngay vào lĩnh vực công nghệ chế tạo máy ở nước ta hiện nay.Trong phạm

vi của nghiên cứu này xin đề cập tới vấn đề nghiên cứu khai thác cơ cấu rung siêu âm áp dụng nguyên tắc rung hiệu ứng áp điện có tần số cao biên độ thấp vào trong gia công tiện cứng

1.3.2 Nguyên tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện được Jacques và Pierre Curie phát hiện và năm 1880 Họ thấy rằng nếu đặt một biến dạng cơ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực về điện và mức độ phân cực tỷ lệ với mức độ lớn biến dạng đặt vào Curie còn khám phám ra rằng, các vật liệu giống với vật liệu này sẽ bị biến dạng khi đặt vào chúng một điện trường Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện ngược Bản chất của hiệu ứng áp điện được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Hiện ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể trung tính như tinh thể thạch anh, Tuamalin,

Na, Kali, Tartrate và các tinh thể này đã được sử dụng nhiều để chế tạo các cơ cấu chuyển đổi áp điện (PZT) Ngoài ra, vật liệu đa tinh thể hiện nay được sử dụng rất rộng rãi, gọi là gốm áp điện Với các tinh thể thể hiện tính áp điện, cấu trúc của nó không nên

có tâm đối xứng Một ứng suất (kéo hoặc nén) được đặt lên tinh thể sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa các vị trí điện tích âm và dương trong mỗi ô phần tử dẫn đến sự phân cực mạng ở bề mặt tinh thể Hiệu ứng này thường là tuyến tính Sự phân cực thay đổi trực tiếp với ứng suất đặt vào và phụ thuộc vào hướng ứng suất, dẫn đến các ứng suất nén

thể được đặt vào một điện trường thì nó sẽ phát sinh một biến dạng dẻo làm cho chiều dài của tinh thể tăng hoặc giảm tương ứng với độ phân cực điện trường

Các cơ cấu làm việc theo phương dọc trục và theo phương ngang có độ cứng cao

và được tối ưu cho các chuyển động nhỏ và lực lớn Các cơ cấu hỗn hợp (tinh thể kép) sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển vị lớn

Nếu đặt lên cơ cấu một điện áp thì sẽ có một chuyển vị xuất hiện Khi chuyển vị này bị ngăn cản, một lực sẽ xuất hiện, gọi là lực cản, thực tế nó là thông số xác định độ cứng của cơ cấu Hình 1.3 đưa ra một minh họa về sự kết hợp khả thi giữa lực cản- hành trình

Hình 1.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và hành trình

Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính toán ở trên, nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học cũng như ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng Các loại PZT này thường được chế tạo thành hai dạng cơ bản sau:

- Dạng PZT dạng miếng đơn, được minh họa trên hình 1.4

Hình 1.4 PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp

Loại này gồm các số hiệu PZT-4, PZT-8 với các kích thước đa dạng phù hợp cho từng trường hợp cụ thể Đây là các miếng PZT được dùng để đo lực cắt, trọng lượng hoặc

sử dụng tạo rung động tần số cao và biên độ nhỏ vì mỗi miếng PZT chỉ có thể tạo ra rung động với biên độ 1.8 ÷ 2 (m) và tần số rất lớn (đến hàng chục, hàng trăm kHz)

- Dạng PZT xếp chồng, được thể hiện trên hình 1.5:

Hình 1.5 Các PZT xếp chồng

Loại PZT này được các công ty chế tạo sẵn thành các cột xếp chồng với các số hiệu PZT5A, PZT5K có thể tạo được rung động với biên độ lớn và tần số rất lớn (hàng chục đến hàng trăm, nghìn kHz)

Phương pháp tạo rung động bằng các PZTlà phương pháp tạo rung tiến tiến nhất hiện nay và đang được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp Ưu điểm của phương pháp chính là có thể tạo ra rung động với công suất rất lớn (đến hàng nghìn W) và tần số rung động rất cao, vượt qua tần số siêu âm nhiều lần (f > 20 kHz) Hơn nữa, các cơ cấu này thường cho biên độ rung thấp A = 2 ÷ 5 (m) nó thích hợp cho gia công tiện cứng nhằm nâng cao chất lượng bề mặt cho chi tiết sau tiện.Nhược điểm của phương pháp này chính

là chi phí chế tạo cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD)

Qua các phân tích ở trên kết hợp với mục tiêu của đề tài là nâng cao độ chính xác

và chất lượng bề mặt cho chi tiết khi tiện cứng, phương pháp tạo rung động siêu âm tần số cao bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

1.4 Độ chính xác gia công

Tiện cứng là quá trình tiện tinh Một trong những yêu cầu của gia công tiện tinh là

độ chính xác gia công Để đánh giá độ chính xác gia công giữa tiện cứng có rung trợ giúp

và tiện cứng truyền thống là so sánh các kết quả về độ nhám bề mặt gia công, độ tròn và

độ tru của bề mặt chi tiết sau tiện

1.4.1 Khái niệm về độ chính xác gia công

Sau khi gia công, các chi tiết có thể đạt được những mức độ khác nhau về các yếu

tố hình học với bản vẽ thiết kế đề ra Mức độ khác nhau đó gọi là độ chính xác gia công

1.4.2 Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công của mỗi chi tiết được đánh giá qua ba yếu tố sau :

+ Độ chính xác về kích thước ; + Độ chính xác về hình dạng hình học và vị trí tương quan giữa các bề mặt ;

+ Độ nhám bề mặt

Độ chính xác gia công khi tiện cứng có tích hợp rung động siêu âm tần số cao nâng cao được độ chính xác về kích thước, hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia công

1.5 Chất lượng bề mặt gia công

1.5.1 Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công

Chất lượng của lớp kim loại bề mặt ( CLBM) chịu ảnh hưởng bởi vật liệu gia công, phương pháp gia công cơ và chế độ công nghệ gia công CLBM ảnh hưởng rất lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy

Khái niệm về CLBM → ảnh hưởng của CLBM đến tính chất sử dụng của CTM → Các yếu tố ảnh hưởng đến đến CLBM → Phương pháp đánh giá CLBM →Phương pháp đảm bảo CLBM

1.5.2 Tính chất hình học lớp bề mặt

Nhám bề mặt

 Tập hợp các mấp mô tê vi bề mặt quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn được gọi là nhám bề mặt

 Một số chỉ tiêu đánh giá :Theo TCVN 2511-1995 nhám bề mặt được đánh giá theo

7 chỉ tiêu (*) Thường sử dụng 2 chỉ tiêu là Sai lệch số học trung bình của prôphin

Ra và Chiều cao mấp mô prôphin theo mười điểm Rz

 Theo Theo TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz Đối với độ nhám thô và rất tinh(từ cấp 1- cấp 5 và cấp 13,14), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Rz Đối với độ nhám trung bình (từ cấp 6 đến cấp 12), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Ra

Lớp biến cứng bề mặt được đặc trưng bởi mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư

1.5.3 Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy

Ảnh hưởng của nhám bề mặt

- Ảnh hưởng đến tính chống mòn

- Ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn

- Ảnh hưởng đến độ bền mỏi

- Ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép

Ảnh hưởng của biến cứng bề mặt

Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt

c Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt Ra, Rz , Rmax v.v bằng máy dò profin

1.5.5 2 Đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng

 Để đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng người ta chuẩn bị một mẫu kim tương rồi đưa mẫu này lên kiểm tra để đo độ cứng

 Để đo chiều sau biến cứng, dùng đầu kim cương tác động lần lượng xuống bề mặt mẫu từ ngoài vào trong, từ đó sẽ xác định được chiều sâu biến cứng

1.5.5 3.Đánh giá ứng suất dư

Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường dùng tia Rơnghen kích thích trên bề mặt mẫu một lớp dày 5 ÷ 10 µm và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị Rơnghen Phương pháp này cho phép đo được cả chiều sâu biến cứng Tuy nhiên,

phương pháp này rất phức tạp và tốn nhiều thời gian cho điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất khoáng 10 giờ trong một lần đo)

1.5.6 Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt

- Lựa chọn được phương pháp gia công hợp lý

- Lựa chọn được chế độ công nghệ hợp lý

1.6 Kết luận chương

Nhám bề mặt là một thông số quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt của một quá trình gia công, bởi vì sự thay đổi của nhám bề mặt kéo theo sự thay đổi của lực cắt, chất lượng bề mặt gia công Vì vậy cần nghiên cứu nhám bề mặt để đưa ra chế độ công nghệ hợp lí, sao cho quá trình tạo phoi là thuận lợi nhất và biến dạng kim loại nhỏ nhất

Việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ quá trình cắt một cách hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ cắt Do rung động siêu âm

hỗ trợ quá trình cắt có khả năng làm giảm ma sát giữa dao và phôi cũng như giữa dao và

bề mặt gia công, nên có thể làm giảm mòn một cách đáng kể

Hơn nữa, rung động siêu âm hỗ trợ quá trình cắt còn có khả năng làm giảm lực cắt

và nhiệt cắt như đã nói ở phần trên Nên việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ quá trình tiện cứng làm tăng độ chính xác, tăng chất lượng bề mặt gia công, tăng tuổi thọ của dao hay để giảm lượng mòn dao là rất cần thiết

Chương 2 TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG TIỆN CỨNG

Giới thiệu

Chương này trình bày về nguyên lý làm việc và các bước triển khai thực nghiệm

cơ cấu tạo rung động đặt lên dao khi tiện cứng Cơ cấu tạo rung động theo phương pháp tạo rung bằng các PZT được thiết kế, chế tạo và đưa vào thử nghiệm Các bước lắp ghép các chi tiết thành cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng được trình bày

Phần 2.1 trình bày về nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung khi tiện cứng Phần 2.2 trình bày về đề xuất thiết kế Phần 2.3 trình bày về triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động bằng việc sử dụng các tấm PZT Phần 2.4 kiểm chứng thiết kế và chế tạo.Phần cuối cùng của chương đưa ra các kết luận tóm tắt quan trọng của chương

2.1.Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung

Hình 2.1.(a) Mô hình tiện với rung động trợ giúp

2.1.1.Nguyên tắc tạo rung

Có hai nguyên tắc tạo rung khi tiện đó là nguyên tắc cộng hưởng và nguyên tắc không cộng hưởng

Rung động được tạo ra trong PZT từ việc ép hai miếng thạch anh được mài phẳng và chính xác lại với nhau.Linh kiện thạch anh này làm việc đựa trên hiệu ứng áp điện đã trình bày ở mục 1.3.2 Hiệu ứng áp điện này có tính thuận nghịch.Khi áp một điện áp vào hai mặt của thạch anh nó sẽ bị biến dạng.Ngược lại khi tạo sức ép vào hai bề mặt đó nó

sẽ phát ra điện áp.Như vậy nếu ta đặt một điện áp xoay chiều vào thì nó sẽ biến dạng theo

tần số của điện áp đó.Khi thay đổi tần số điện áp đặt vào PZT bằng với tần số của hai miếng thạch anh đã ghép nối thì nó sẽ cộng hưởng.Tần số cộng hưởng của thạch anh tùy thuộc vào hình dáng và kích thước của các miếng thạch anh.Mỗi tinh thể thạch anh có hai tần số cộng hưởng đó là tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song.Hai tần số này rất gần nhau và có trị số bền vững làm cho mạch dao động thạch anh có xung dao động chuẩn hầu như rất ít bị ảnh hưởng bởi các môi trường bên ngoài.Vì vậy tinh thể thạch anh còn được gọi là tinh thể gốm áp điện

Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phu thuộc vào chiều cuả hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ giãn ra hay nén lại Và nếu như ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục và môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm trong PZT hình 2.1.b Sóng âm tạo ra trên bề mặt các tinh thể thạch anh đã ghép nối được truyền trong Hon và lên trên bề mặt của Hon theo biên dạng hình sin như hình vẽ 2.1.b.Sóng âm được tạo ra này có đầy đủ các tính chất đặc trưng và các thông số ký thuật của một sóng cơ học được truyền trong vật rắn.Sóng siêu âm này có các thông số kỹ thuật ta có thể tính toán và tối ưu được