CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CƠ ppsx

Các thông số công nghệ chủ yếu của gia công bằng phương pháp siêu âmlà: năng suất, chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công, độ mòn của dụng cụ.Trong các thông số nêu trên có một số thôn

CHƯƠNG 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CƠ 2.1 GIA CÔNG SIÊU ÂM (Ultrasonic Machining - USM).

2.1.1 Cơ sở lý thuyết và nguyên lý gia công

a Một số khái niệm cơ bản.

Nguồn âm là một vật đàn hồi, nói chính xác hơn là một môi trường đàn hồi

có thể tạo ra và truyền dao động vào môi trường tiếp xúc với nó

Âm lượng là công suất âm tính trên đơn vị diện tích bề mặt (erg/s.cm2 = 10-7

W/cm2)

Aùp suất âm là áp suất âm sinh ra trong môi trường do sự dao động âm

(dyn/cm2 = bar)

Cường độ âm là một thông số vật lý do âm lượng và áp suất xác định (phôn).

Âm có thể nghe được có tần số từ 20 Hz đến 15 KHz Âm có tần số dưới 20

Hz gọi là âm hồng ngoại Âm có tần số trên 16KHz gọi là siêu âm Âm có cườngđộ trên 130 phôn gọi là siêu cao âm Hình 2.1 mô tả các vùng âm khác nhau :

- Trục tung ghi âm lượng

- Trục hoành ghi tần số

Hình 2.1 Các vùng âm thanh.

Nguồn phát dao động ở vùng siêu âm được khảo sát với tính cách là nguồnâm Cơ chế kích thích dao động không ảnh hưởng đến xác suất xuất hiện của dao

môi trường dao động Vì mọi nguồn âm đều có thể dùng để kích thích ra siêu âm,nếu âm lượng của nó giảm đến mức thích hợp Ngày nay đối với nguồn phát âm cơhọc, thay vì phải tạo tần số cao, người ta đòi hỏi nó phải cho âm lượïng lớn, bởi vìtrong vùng siêu cao âm việc gia công vật liệu tiến hành trong những điều kiệnthuận lợi.

Các yêu cầu đối với nguồn âm:

- Có khả năng hòa âm

- Âm lượng có thể biến đổi

- Ổn định

- Khả năng phát sóng tốt

- Có tần số thích hợp

- Công suất lớn

Trong kỹ thuật siêu âm, thông thường tác dụng vật lý của dòng điện đượcdùng để kích thích dao động Qui trình thuận là biến dao động điện thành dao động

cơ, còn qui trình nghịch thì biến dao động cơ thành dao động điện Như vậy thiết bịchuyển đổi không những được sử dụng như nguồn âm, mà còn được sử dụng nhưmột bộ thu âm

Công việc quan trọng nhất là phải lựa chọn chính xác những nguyên lý vàphương tiện để có thể làm ra bộ phát âm có hiệu suất cao, công suất lớn, có giảitần số phát âm rộng Chỉ có một ít bộ chuyển đổi dao động có thể thỏa mãn cácyêu cầu trên

Các thiết bị gia công sử dụng trong công nghệ chế tạo máy chủ yếu hoạtđộng với máy phát dùng từ giảo làm nguồn phát dao động, thỉnh thoảng dùng điệngiảo Do vậy dưới đây chỉ đề cập đến loại từ giảo

b Hiện tượng từ giảo.

Khi đặt một thanh hoặc một ống vật liệu từ trong từ trường song song vớitrục dọc của nó, thì chiều dài của nó bị biến đổi Sự biến đổi này được xác địnhbằng công thức sau:

lmaxlo

h

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hiện tượng từ

giảo

r =  ( , r ) ;  =  ( , r ) (2.1)Trong đó:

r : Ứng suất đàn hồi do từ trường gây ra, r : Biến đổi hình dáng do từ trường,

H : Cường độ từ trường

Đạo hàm toàn phần hàm r và H :

Ký hiệu:

Hệ số hiệu ứng từ giảo thuận và nghịch có quan hệ với nhau như sau:

 = 4  (2.2) Từ thẩm chân không:

o = 4.10-7 Vo Am-1 = 4 10-7 Henry / m (2.3)

(4 sinh ra từ hệ số từ thẩm)

Vậy trạng thái của vật liệu từ với sự biến đổi hình dạng trong từ trường có thể diễn đạt bằng phương trình:

dr = dB + Edr (thuận) (2.4)Phương trình (2.4) thể hiện sự biến đổi từ năng sang cơ năng:

r = B nếu dr = 0 (bị nén) (2.6)

r r

r r

H H

Được gọi là hệ số hiệu ứng từ giảo thuận,

Được gọi là hệ số hiệu ứng từ giảo nghịch,Được gọi là môđun đàn hồi,

Được gọi là hệ số nghịch đảo của từ thẩm

r= -B/E= -B nếu dr = 0 (tự do) (2.7) Phương trình (2.6) cho ta quan hệ biến đổi từ cơ năng sang từ năng :

B= -4r nếu dH = 0 (2.8)

H = 4r = 4r nếu dB = 0 (2.9) Mức độ của hiệu ứng từ giảo được biểu thị bằng thông số, gọi là tỉ lệ từ giãntừ giảo l/lo.

Trong đó :

l : Độ biến đổi kích thước,

l0 : Chiều dài của thanh vật liệu sắt từ

Phương trình biến dạng đàn hồi có thể được viết như sau:

Độ biến đổi kích thước độc lập với hướng của từ trường, chỉ phụ thuộc vàocường độ của từ trường, nhiệt độ trạng thái từ hóa trước đó, và chất lượng của vậtliệu

Độ biến đổi kích thước tương đối r có độ lớn 10-5 – 10-6 chỉ có thể ghi bằngphương pháp quang học (hình 2.3)

Hình 2.3 cho thấy độ biến đổi kích thước dọc tương đối phụ thuộc như thếnào vào cường độ từ trường

l   

Hình 2.3 Biến đổi chiều dài tương đối và cường độ từ trườngvới những

vật liệu có từ tính khác nhau

Trên hình vẽ trị số dương chỉ sự giãn dài, trị số âm chỉ sự co rút

Hiệu ứng từ giảo không những gây nên biến đổi kích thước chiều dài, màcòn gây nên biến đổi thể tích với cường độ từ trường nhỏ, chỉ có biến đổi kíchthước chiều dài, thông thường chúng ta lợi dụng hiện tượng này để tạo ra siêu âm

c Sự ăn mòn xâm thực.

Nếu siêu âm được phóng qua chất lỏng, thì trong đó sẽ phát sinh áp lực cụcbộ Với âm lượng thích hợp thì có thể tạo nên sự biến đổi áp lực làm sinh nội ứngsuất lớn đến mức làm mất đi sự liên kết giữa các phân tử của chất lỏng và làm chochất lỏng bị phá hủy Hiện tượng này có thể biết được khi thấy những bọt khí, đượcgọi là bọt khí xâm thực Những bọt khí chỉ tồn tại trong thời gian ngắn Khi chúng

bị tan thì có áp lực cục bộ rất lớn, gần 1000 atm

Người ta ứng dụng hiện tượng này để làm sạch các chi tiết, để đánh sạch rỉ,xúc tiến nhanh các quá trình hóa học Hiện tượng này cũng xảy ra trong quá trìnhgia công bằng siêu âm

d Tác dụng cơ học.

Khi phân tích tác dụng của siêu âm đối với môi trường mang siêu âm, người

ta liên tưởng đến quá trình cọ xát cơ học nào đó Âm trường có thể kích thích daođộng của những phần tử nhỏ, rắn trong môi trường, có trọng lượng riêng khác nhauvà khác với môi trường

7 : Ni - Zn - Ferrit

7

Những phần tử nhỏ này trong khi chuyển động, với khối lượng quán tínhriêng sẽ cọ xát với những phần tử lớn hơn đang đứng yên và sự cọ xát này làm nảysinh ra tác dụng cọ xát đặc trưng bằng siêu âm (h 2.4).

(a) (b)

Hình 2.4 Âm trường và sự chuyển động của những phần tử nhỏ lơ lững

trong âm trường

a Những phần tử nhỏ chuyển động theo âm trường

b Những phần tử lớn hơn chuyển động chậm hơn

Trên hình 2.4 có thể thấy trạng thái của những phân tử rắn nhỏ lơ lửng trongâm trường siêu âm Tất cả các phân tử nhỏ này chuyển động đúng như âm lượngquy định Vì vậy trên hình chụp tế vi ta thấy những vạch Trên hình 2.2 b có thểthấy lẫn lộn những phân tử nhỏ lẫn những phân tử lớn Những phần tử nhỏ chuyểnđộng giống như trường hợp trước, những phần tử lớn hơn thì không theo đúng hoàntoàn sự chuyển động của trường Có duy nhất một phân tử có khối lượng lớn khôngchuyển động, điều đó thể hiện trên hình chụp tế vi một chấm tròn hoàn toàn

Hiện tượng này luôn luôn có trong những hệ thống hai pha Sự chuyển độngtương đối giữa các phân tử cũng xảy ra cả khi những phân tử lơ lững do quán tínhlớn không hoàn toàn theo kịp sự chuyển động của môi trường Trong trường hợpnày các phân tử cũng chuyển động đi lại do quán tính của chúng và trong quá trìnhđó chúng gây nên cọ xát

Tùy theo tính chất, ma sát trong hai môi trường, kích cỡ của các phân tử nhỏ,sự đồng nhất về kích thước của các phân tử nhỏ, v.v…, mà sẽ có một nhóm cáchiện tượng khác nhau, hệ quả của chúng là tạo ra sự hóa động, sựï chuyển thể và sựphân tán do tác dụng của siêu âm ( còn gọi là sự tán sắc)

e Nguyên lý gia công.

Gia công bằng siêu âm các vật thể rắn chủ yếu là ứng dụng tán sắc của siêuâm

Gia công bằng siêu âm các vật thể rắn thực chất là ứùng dụng sự cọ xát cơhọc của môi trường hai pha để tạo nên tác dụng gia công.

Giả thiết trong một môi trường chất lỏng tồn tại chất rắn có sợi xốp Dướitác dụng của sóng siêu âm có tần số trung bình, các phân tử của chất lỏng chuyểnđộng theo đúng chuyển động của âm trường, còn phân tử chất sợi thì đứng yên Sauđó do tác dụng cọ xát của chất lỏng, có những phân tử nhỏ rơi rụng từ các sợi vậtthể rắn Người ta có thể tăng cường tác dụng đó bằng cách rắc thêm vào bột thạchanh mịn như là một pha thứ ba Các bột thạch anh cứng, sắc cạnh, lơ lửng sẽchuyển động theo âm trường, và chất lỏng với mức độ chuyển động nhiều hay íttương ứng với kích thước của chúng Trong quá trình chuyển động, chúng gọt giũavật thể rắn

Sơ đồ nguyên lý gia công kim loại bằng siêu âm :

6 Máy phát siêu âm

7 Dung dịch hạt mài

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý gia công bằng siêu âm.

Dao động có tần số từ 18 – 25 kHz được phát máy phát siêu âm (6) truyềnđến bộ biến từ (5) Tại đây dao động điện biến thành dao động cơ học, có cùng tầnsố, còn biên độ dao động trong khoảng 5 – 10 m Để có thể nhận được dao độngcần thiết cho việc gia công (30 – 80 m) cần phải có thanh truyền (4) đặt sau bộbiến từ (5) Dụng cụ (3) có hình dạng theo yêu cầu bề mặt gia công, được lắp ngayvào đầu ra của thanh truyền (4) Dung dịch hạt mài (7) được đưa vào vùng gia công

ở phía đầu dụng cụ Tổng hợp chuyển động dao động của đầu dụng cụ và tác dụnghạt mài sẽ chép lại hình thù của dụng cụ (3) trên vật (2) được gá đặt trên bàn máy(1) Bàn máy có khả năng chuyển động theo hai phương nằm vuông góc với nhauvà một chuyển động theo phương thẳng đứng do đầu máy thực hiện

Khi chi tiết gia công cố định có thể thực hiện được lỗ thông hoặc lỗ khôngthông, lỗ định hình hoặc cong, cắt rãnh, cắt đứt… Nếu cung cấp cho phôi hoặc dụngcụ thêm một chuyển động phụ thì có thể thực hiện được các nguyên công phay,

7

Hình 2.6 giới thiệu một thiết bị gia công bằng siêu âm.

1- Dụng cụ2- Đầu nối3- Thanh truyền sóng 4- Đầu từ giảo

5- Vỏ máy

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị gia công bằng siêu âm

Bên dưới dụng cụ còn có bàn máy, mặt đáy của bồn chứa dung dịch hạt màivà một số phụ kiện khác

- Dụng cụ : Thường dụng cụ có nhiều hình dạng và kích thước khác nhautùy theo yêu cầu Sử dụng nhiều nhất vẫn là dụng cụ có biên dạng giốngnhư biên dạng của chi tiết gia công Vật liệu làm dụng cụ là thép 45,thép dụng cụ Y8A, Y10A,…

- Đầu nối : Giao tiếp giữa thanh truyền sóng và dụng cụ có một bộ phậngọi là đầu nối Đầu nối được chế tạo đặc biệt sao cho có thể lắp được cácdụng cụ vào thanh truyền sóng

- Thanh truyền sóng : là bộ phận truyền dao động từ đầu từ giảo cho dụngcụ

Một công việc mà người ta cũng hết sức quan tâm đó là giải quyết nhiệtlượng sinh ra trong quá trình làm việc ở đầu từ giảo bằng cách thổi gió hoặc lưuchuyển dòng chất lỏng Để đạt âm lượng lớn trong đầu từ giảo thì phải chú ý đếnlàm mát vì nhiệt lượng sinh ra rất lớn Có thể tăng âm lượng bằng cách điều chỉnhbiên độ và tần số Việc nâng cao tần số sẽ bị giới hạn, không phải lúc nào cũnghợp lý bởi vì :

- Tác dụng siêu âm tốt nhất vào khoảng 20 kHz

- Trường hợp sinh ra cộng hưởng trong khi gia tăng tần số sẽ làm giảmcông suất

- Chủ yếu gia tăng âm lượng bằng biên độ

4

Dao động có thểõ gây nên ứng suất cơ học lớn trong vật liệu làm đầu từ giảo.

Vì vậy đầu từ giảo phải có sức bền cơ học lớn, đồng thời phải có tổn hao từ và cơnhỏ Nếu lựa chọn vật liệu thích hợp, công nghệ gia công, lắp ráp tốt, làm mát thiết

bị tốt, thì hiệu suất của thiết bị có thể đạt 70 Hiệu suất cao chỉ có thể đạt được ởnhững thiết bị được thiết kế và chế tạo sau khi được xem xét cân nhắc mọi mặt

Đầu chấu bắt dụng cụ không đơn thuần chỉ có ren để vặn vào, mà cần đánhbóng và bôi trơn một lớp mỡ mỏng khắp các bề mặt tiếp xúc để có thể truyền hếtdao động Trong màng mỡ sẽ sinh ra ứng suất kéo và còn gây ra hiện tượng xâmthực, bên cạnh đó, phải ép chặt bộ phận nối dài (thanh truyền sóng) và chấu bắtdụng cụ có ren nối vào thanh truyền sóng, có đường sinh dạng hình nón mà chópcủa nó ở phía đầu lắp dụng cu Công việc như vậy có ý nghĩa làm cho âm lượngtăng về phía đầu dụng cụ và ta có thể khuếch đại dao động của từ giảo lên đến 100lần Điểm đặc biệt ở đây là biên độ dao động ở hai đầu thiết bị rất chênh lệch vàđó là nguyên nhân sinh ra ứng suất cơ học lớn

Một thiết bị hoàn chỉnh là sau khi thử với những dụng cụ khác nhau, sẽ códao động cơ học đúng với tần số cộng hưởng

2.1.3 Các thông số công nghệ

Các thông số công nghệ chủ yếu của gia công bằng phương pháp siêu âmlà: năng suất, chất lượng bề mặt, độ chính xác gia công, độ mòn của dụng cụ.Trong các thông số nêu trên có một số thông số có liên quan với nhau và ảnhhưởng lẫn nhau

a Năng suất.

Năng suất gia công siêu âm là thể tích vật liệu (phoi) được lấy đi trong mộtđơn vị thời gian: Vd (mm3/phút)

Gọi:

e : tốc độ tiến dụng cụ (mm/phút)

v : một thông số được xác định trên cơ sở thể tích phôi trung bình.Năng suất gia công còn phụ thuộc vào độ sâu gia công và mặt cắt ngang củadụng cụ Vì vậy ngoài thông số Vd và e để đánh giá chính xác năng suất còn phảinêu rõ năng suất đó đạt được với độ sâu gia công bao nhiêu và dụng cụ có prô-phin mặt cắt gì

Trường hợp gia công lỗ có đáy không sâu, tốc độ tiến dao trung bình (khôngkể đến việc nâng dụng cụ lên) là:

t1: Thời gian gia công (phút).

Trường hợp gia công lỗ sâu có đáy, tốc độ tiến dao trung bình (có kể đếnviệc nâng dụng cụ lên) là:

Trong đó:

n: số lần nâng dụng cụ

t2: thời gian 1 lần nâng dụng cụ (phút)Thể tích vật liệu được lấy đi trong đơn vị thời gian trường hợp dùng dụng cụđặc biệt là:

Vd = e.Asz (2.14)

Trong đó:

Asz: Diện tích làm việc của dụng cụ (mm2)

Trường hợp gia công lỗ thông, với dụng cụ hình xuyến, thông số năng suấtđặc trưng là tốc độ tiến dao e

Năng suất trung bình là thể tích vật liệu được lấy đi trong đơn vị thời gianđược tính trên diện tích làm việc của dụng cụ:

Như vậy tốc độ tiến dao cũng bằng với năng suất trung bình

So sánh phoi với độ mòn dụng cụ :

Với: Vsz: Độ mòn của dụng cụ (mm3/ph)

Tỉ lệ mòn của dụng cụ có thể phân tích thành:

 Tỉ lệ mòn theo chiều dọc, tức là tỉ số giữa chiều dài bị mòn đi st với độsâu của lỗ f:

Tỉ lệ mòn theo chiều ngang, tức độ côn bề mặt bị mòn đi do tác dụng củabột mài:

Trong đó:

sz l sz d nk

d sz

ph

mm sz

x sz V D

V

% 100

x f

st

(2.18)

dnk : Đường kính ban đầu của dụng cụ (mm).

dsz : Đường kính của dụng cụ đã bị mòn đo ở đầu mút (mm)

lsz : Chiều dài làm việc của dụng cụ (mm)

Trường hợp lỗ có đáy, thì nên dùng thông số để xác định độ mòn của dụngcụ

Thông số quan trọng của gia công đánh bóng bằng siêu âm là độ chính xácgia công có thể xác định bằng độ côn của lỗ đã gia công:

Trong đó:

Da : Đường kích lỗ, đo ở đầu đưa dụng cụ vào (mm)

Db : Chiều sâu gia công (mm)

Ở mặt đầu lỗ có tính đến cạnh được lượn tròn và ở mặt cuối lỗ có đáy lõm,trường hợp hợp kim cứng có khi có vành nón

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất gia công:

Năng suất gia công chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

 Biên độ và tần số dao động

 Tính chất cơ lý của vật liệu cần gia công

 Phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật liệu cần gia công

 Loại bột mài và nồng độ nhũ tương của bột mài

 Cách cho nhũ tương vào bột mài

 Tiết diện dụng cụ

 Vật liệu làm dụng cụ và độ mòn của nó

 Độ sâu của lỗ

Aûnh hưởng của biên độ và dao động.

Các yếu tố âm học (biên độ, tần số) quyết định tốc độ theo phương thẳng gócvới vật liệu gia công (h 2.7, h 2.8) mà tốc độ này ảnh hưởng rất lớn đến năng suất

l b

D a

D 

125 100 75

e mm/ph

(2.19)

Hình 2.7 Năng suất trung bình biến thiên với biên độ dao động của dụng

cụ : 1-15 kHz; 2-25 kHz

Hình 2.8 Năng suất trung bình biến thiên với tần số dao động có biên

độ không đổi

Hình 2.9 trình bày sự biến thiên của năng suất trung bình phụ thuộc vào tốcđộ chính, trong trường hợp gia công lỗ không sâu

Hình 2.9 Biến thiên của năng suất trung bình với tốc độ chuyển động

chính khi gia công thủy tinh

Năng suất không những có thể tăng bằng cách thay đổi biên độ dao động, màcòn bằng cách tăng tần số dao động một cách giới hạn nhất định

Khi phân tích mối quan hệ giữa tần số và năng suất gia công cần phải chú ýđến quan hệ giữa biên độ (A) và kích thước trung bình của hạt mài (ba)

0.0025 0.0250 0.2500

125 250000

10 6

10 1

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.2

e,mm/s

Hình 2.10 Biến thiên của năng suất trung bình e với tỉ số 2A / ba

1&2 : vật liệu thủy tinh; 3 : vật liệu gốm; 4 : vật liệu hợp kim cứng.Các số liệu trên thu được khi phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật gia công là tối

ưu Đường 1 ứng với vật liệu gia công là thủy tinh, đường 2 cũng với vật liệu giacông là thủy tinh nhưng dụng cụ cắt có tiết diện vuông 80 mm2, đường 3 tương ứngvới dụng cụ bằng ống gốm rất cứng có đường kính 3 mm, đường 4 với dụng cụ ốngbằng hợp kim BK8 6x8 mm Có thể thấy rằng trị số tối ưu của 2A/ ba trong khoảng0,6 – 0,8

Aûnh hưởng của tính chất cơ lý của vật liệu cần gia công

Vật liệu càng rắn thì gia công siêu âm càng dễ (điều này chỉ đúng với mộtchủng loại vật liệu giống nhau) Trong trường hợp gia công germanium thì năngsuất bằng 2- 2,5 lần lớn hơn so với gia công thủy tinh

Không những tính chất cơ lý của vật liệu mà độ bền cơ, độ cứng tế vi củahạt mài và vật liệu gia công, cấu trúc vật liệu, các tính chất đàn hồi cũng ảnhhưởng đến năng suất, những thông số đó cũng không đặc trưng đầy đủ khả nănggia công của vật liệu

Aûnh hưởng của phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật cần gia công

Phụ tải không những ảnh hưởng đến cường độ xung lực va đậptruyền từ hạtmài ở trên bề mặt gia công, mà còn ảnh hưởng đến nồng độ nhũ tương của bột mài

ở dưới mặt đầu của dụng cụ và ảnh hưởng đến trạng thái của hạt mài

Các thực nghiệm chứng minh rằng hiệu suất gia công giảm khi phụ tải tĩnhnhỏ (h 2.11)

1

2

3

4 0

1 2 3 4 5 6

e, mm/ ph

2A/ b a

Hình 2.11 Biến đổi áp suất trung bình với áp lực bề mặt giữa dụng cụ và vật

gia công Nguyên liệu : Thủy tinh

1 : A = 0,048 mm2; 2 : A = 0,030 mm2; 3 : A = 0,022 mm2; Asz = 50 mm2.Phụ tải tĩnh tối ưu (Popt) cho năng suất tối đa, trị số đó phụ thuộc vào tiếtdiện dụng cu, biên độ dao động, cỡ hạt mài, hình dạng dụng cụ và tính chất vật liệucần gia công

Khi đường kính của dụng cụ giảm thì Popt tăng lên nhiều theo số liệu thựcnghiệm thì phụ tải tối ưu tỉ lệ nghịch với đường kính dụng cụ Phụ tải tối khôngnhững phụ thuộc vào đường kính mà còn phụ thuộc vào hình dạng của nó

Phụ tải tĩnh tối ưu khi nào sự luân chuyển của bột mài giữa mặt đầu củadụng cụ và bề mặt gia công được tốt nhất

Aûnh hưởng của loại bột mài và nồng độ nhũ tương.

Carbid bor thường được làm bột đánh bóng trộn với nước

Carbid silic và corun điện chỉ dùng đối vật liệu dễ gia công bằng siêu âmnhư thủy tinh, germanium, …

Nếu lấy thủy tinh được gia công bằng carbid bor làm đơn vị để so sánh thìtrong trường hợp với carbid silic khả năng gia công bằng 0,84 - 0,85 và với corunđiện f= 0,7 –0,75 chất lỏng thường được dùng là nước có độ nhớt nhỏ nhất, có khảnăng làm ướt vừa phải, khả năng làm mát tốt, nên cho vào nước một chất chống ănmòn Hình 2.13 cho thấy ảnh hưởng của độ nhớt đến năng suất

Hình 2.12 Sự biến đổi năng suất trung bình với độ nhớt.

Bằng thực nghiệm người xác định rằng nồng độ bột mài sẽ cho năng suất cao hơn, đến một trị số tối ưu (hình 2.13)

Hình 2.13 ï Biến đổi của năng suất trung bình với nồng độ K%.

1: Hạt carbid cỡ 100, 2: Hạt carbid cỡ 200

Điều kiện tối ưu đạt được với tỉ lệ bột mài nước là 1:4 –1: 2.5 theo thể tíchvà 1:1 – 1:1,5 theo khối lượng, nếu tiếp tục tăng nồng độ bột mài thì nhũ tương sẽtrở nên đặc hơn, và hạt mài bị ăn mòn sẽ cản trở sự thẩm thấu của hạt mới

Năng suất phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt mài (h 2.14)

1.5

e, mm/ph

K %

2 1

Hình 2.14 Biến đổi của độ

sâu có thể đạt theo thời gian với nhiều cỡ hạt khác nhau.1: Cỡ hạt 100 2: Cỡ hạt 400 3: Cỡ hạt 500 4: Cỡ hạt 600

Kích thước hạt mài giảm thì năng suất giảm, nếu kích thước của hạt so vớibiên độ dao động là nhỏ Ngoài ra với tiết diện và hình dạng giống nhau của dụngcụ, cỡ hạt nhỏ đòi hỏi phụ tải tĩnh nhỏ, cỡ hạt thông thường là 100 – 400.

Aûnh hưởng của tiết diện dụng cụ (A sz )và của chiều sâu lỗ (1) đến năng suất.

Hình 2.15 Aûnh hưởng của tiết diện dụng cụ đến năng suất trung bình.

Năng suất trung bình khi gia công bằng siêu âm thay đổi theo tiết diện củadụng cụ Nếu diện tích dụng cụ tăng thì năng suất giảm vì việc bổ sung bột màicũng như việc lấy phoi trở nên khó khăn hơn

Thành ống của dụng cụ rỗng tăng thì sẽ làm giảm e và v

Khi tăng thành ống thì e giảm nhưng không phải lúc nào cũng kéo theo vgiảm Thậm chí sự biến đổi của e và v có khi ngược lại với nhau Năng suất biểuthị bằng v, sẽ tăng khi đường kính trong của dụng cụ (dd) đến một giới hạn nào đó,sau đó sẽ giảm (h 2.16)

Hình 2.16 Quan hệ giữa năng suất và đường kính trong của dụng cụ.

Aûnh hưởng của độ sâu gia công đến năng suất.

Hình 2.17 cho thấy quan hệ giữa độ sâu gia công và năng suất Trong trườnghợp gia công thuỷ tinh, với hình dạng khác nhau của dụng cụ và tương quan độnghọc khác nhau giữa dụng cụ và vật gia công Năng suất cao nhất đạt được với độsâu 1 – 2 mm Đưa dụng cụ xuống sâu hơn sẽ làm giảm năng suất theo mức độ khókhăn hơn trong việc bổ sung bột mài và việc lấy ra phoi mòn của dụng cụ

Hình 2.17 Quan hệ giữa độ sâu gia công và năng suất.

Hình 2.18 cho thấy thời gian gia công tỉ lệ thuận với năng suất và độ sâu giacông

2 4 6 8 10

14 16

12

l, mm

e, mm/ph

1 2

3

45 35 25 15

Hình 2.18 Aûnh hưởng của độ sâu gia công đến năng suất.

Aûnh hưởng của vật liệu dụng cụ và độ mòn của nó.

Năng suất giảm chủ yếu do dụng cụ bị mòn theo chiều dọc, một phần domòn theo chiều ngang, bởi vì cộng hưởng và theo đó biên độ dao động cũng giảm.Để có độ chính xác cần thiết thì phải gia công bổ sung thêm một hoặc nhiều lần

Độ mòn của dụng cụ quyết định tuổi thọ của nó và đặc biệt ảnh hưởng lớnđến độ chính xác gia công

Độ mòn tương đối theo chiều dọc của dụng cụ phụ thuộc vào:

 Tính chất cơ lý của dụng cụ và của vật liệu cần gia công

 Bề dày thành ống của dụng cụ

 Cỡ hạt bột mài

 Độ sâu gia công

Độ mòn theo chiều ngang phụ thuộc vào các yếu tố như trên, ngoài ra cònphụ thuộc vào:

 Dao động có hại theo chiều ngang của dụng cụ

 Hình dạng của dụng cụ

Trên hình 2.19 có thấy prô-phin của dụng cụ bằng thép sau 10 phút gia côngtâm thép BK6 dày 3.5mm Đường vẽ đứt đoạn cho thấy prô-phin của dụng cụ trướclúc gia công Ngoài mòn theo chiều dọc, còn bị mòn theo chiều ngang, độ côn ởđầu mút dụng cụ tối đa là 5o Dụng cụ rỗng hình xuyến cũng bị mòn tương tự, mặttrong và mặt ngoài đều bị mòn theo dạng côn

Mòn theo chiều dọc là do tác động gọt mài của hạt mài, mòn theo chiềungang là do tác động gọt mài phụ giữa hai bên của dụng cụ và thành của lỗ

Độ mòn theo chiều dọc (h)

2 4 6 8 10

Tmin

l, mm

Bảng 2.1 trình bày ảnh hưởng của vật liệu làm dụng cụ đối với mòn theochiều dọc, trong trường hợp gia công hợp kim cứng và thủy tinh.

Vật liệu

làm dụng

cụ

Vật liệu cần gia công

Mòn theochiều dọc(mm)

Độ sâugia công(mm)

Độ mòntương đối(mm)

Mòn theochiều dọc(mm)

Độ sâugia công(mm)

Độ mòntương đối(mm)

Bảng 2.1 Độ mòn của dụng cụ chế tạo bằng các vật liệu khác nhau, trong

trường hợp gia công hợp kim cứng và thủy tinh

Hình 2.19 cho thấy độ mòn của dụng cụ làm các vật liệu khác nhau, trongtrường hợp khoan lỗ sâu trên sứ rất cứng

Hình 2.19 Biến đổi của độ mòn theo hướng dọc (h) của dụng cụ với chiều

sâu trong trường hợp gia công trên sứ

Cỡ hạt của bột mài tăng làm độ mòn của dụng cụ tăng theo Độ mòn củadụng cụ tất nhiên phụ thuộc vào điều kiện luân lưu của nhũ tương bột đánh bóng

Độ mòn theo chiều ngang (d)

Độ mòn theo chiều ngang ảnh hưởng chủ yếu đến độ chính xác khi giacông lỗ có đáy Do bị mòn, dụng cụ trở nên côn Nguyên nhân là ở mặt đầu củadụng cụ tác dụng mài mòn của hạt mài mạnh hơn so với những phần xa hơn ở mặtđầu Khi gia công lỗ nhỏ, hiện tượng mài là tác dụng bờ ảnh hưởng rất lớn đến sựmòn mặt bên (nồng độ hạt lớn nhất ở bờ) Tác dụng này thể hiện rõ khi kích thướcdụng cụ hoặc bề dày thanh nhỏ, tương đương kích thước hạt mài

Thực nghiệm chứng minh rằng độ công của dụng cụ phụ thuộc vào khảnăng chịu mài mòn của vật liệu làm dụng cụ

Độ nhẵn của bề mặt làm việc của dụng cụ (mặt đầu) thực tế cũng ảnhhưởng đến độ nhẵn của bề mặt gia công, vì nó là bản sao của dụng cụ Vì vậy khigia công tinh thì độ nhẵn của bề mặt dụng cụ phải tốt hơn độ nhẳn của bề mặt giacông cần đạt

Cỡ hạt của bột mài và tính chất của vật liệu gia công có ảnh hưởng lớn nhấtđối với độ nhẵn của vật gia công

Trong trường hợp gia công carbid vonfram và các loại hợp kim cứng, thì độnhám chỉ bằng 50% độ nhám khi gia công thủy tinh.

b Dung dịch và hạt mài.

Dung dịch và hạt mài cũng là một vấn đề quan trọng vì nó là tác nhân trựctiếp gia công vật liệu Hạt mài thường dùng cacbid bo, cacbid silic, côrun điện vàbột kim cương Trong điều kiện như nhau nếu dùng hạt mài là cacbid bo thì năngsuất đạt cao nhất Ngoài ra chất lỏng dạng huyền phù cũng rất quan trọng Có thể

1

2

3 4

5 0.2

0.4 0.6

h, mm

Dung dịch hạt mài có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác và độ nhám bềmặt Bảng thống kê cho thấy điều đó.

Bảng 2.2 Aûnh hưởng của dung dịch hạt mài đến độ chính xác

và độ nhám bề mặt

c Chất lượng bề mặt gia công.

Thực tế cho đến nay, trên bề mặt đã được gia công bằng siêu âm không thểhiện sự biến đổi cấu trúc và độ cứng tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt hoặc mộtứng suất dư nào Trong trường hợp gia công bằng siêu âm, trái với trường hợp màivà cắt bằng tia lửa điện, không thấy có dấu vết rạn nứt hay vết cháy trên bề mặtgia công Chính vì vậy mà chất lượng bề mặt gia công chỉ liên quan đến độ nhámbề mặt

Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào :

- Kích thước hạt mài

- Tính chất cơ lý của vật liệu gia công

- Biên độ dao động của dụng cụ

- Độ nhám dụng cụ

- Chất lỏng chứa bột mài

Phụ tải tĩnh giữa dụng cụ và vật liệu gia công thông thường biến đổi tronggiới hạn rộng không có ảnh hưởng gì đến độ nhám bề mặt Trong trường hợp phụtải tĩnh biến thiên từ p = 0,4 kg/ mm2 đến p = 2,5 kg/ mm2, Rmax biến thiên trongphạm vi 3,6 m – 4,3 m Với vật liệu gia công bằng thủy tinh cở hạt 100, biên độdao động 30 m.Biên độ dao động tăng thì khả năng độ sâu thâm nhập của hạttăng Ví dụ vật liệu gia công là thủy tinh, nếu biên độ biến thiên từ 38 m – 8 mthì Rmax= 32m – 20 m

Nếu thay nước bằng dầu máy thì Rmax sẽ giảm, nhưng cần lưu ý rằng trongtrường hợp gia công cần đạt độ nhám cao thì không nên thay nước bằng dầu vì nhưthế thì năng suất sẽ giảm xuống gấp bội lần, điều kiện bổ sung và luân chuyển củavật liệu đánh bóng cũng xấu đi, chỉ khi nào dùng biện pháp khác vẫn không đạtđược độ nhám như mong muốn thì lúc đó mới thay nước bằng dầu

Sự khác biệt càng rõ rệt hơn khi dùng bột mài có cở hạt lớn ( cở hạt 280,

320, 360, 400…) thì không có sự khác biệt đối với gia công lỗ Thực nghiệm chothấy rằng, độ nhám thành lỗ cũng tăng một ít Bằng cách hạn chế tác dụng bàomài phụ (bổ sung hạt mài qua trụ rỗng của dụng cụ…) ta không thể làm giảm bớt sựkhác biệt giữa thành và đáy lỗ

d Độ chính xác gia công :

Độ chính xác của các chi tiết bằng vật liệu cứng, rắn dòn; gia công bằngsiêu âm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, các yếu tố này có thể chia làm hai nhóm nhưsau :

 Những yếu tố phụ thuộc vào thiết bị và độ chính xác điều chỉnh máy :

- Độ chính xác của thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào sai số trong chuyểnđộng theo hướng tiến của dụng cụ và sự điều chỉnh đầu dao động so vớibàn máy

- Sự ăn khớp và độ đồng trục của các bộ phận của đầu từ giảo tạo daođộng, bộ phận nối, dụng cụ

- Độ chính xác của các cơ cấu dùng để điều chỉnh chi tiết

- Độ chính xác vị trí tương đối giữa dụng cụ và chi tiết gia công Trước khigia công, phải kiểm tra độ chính xác của máy và tất cả dụng cụ phụ trợnêu trên nhằm giảm đến mức tối thiểu các sai số

 Các yếu tố phụ thuộc vào đặc tính công nghệ :

- Kích cỡ hạt mài

- Sự ổn định của khe hở giữa dụng cụ và vật gia công

- Độ mòn của dụng cụ

- Hình dáng hình học của dụng cụ

- Độ sâu gia công

Đối với gia công lỗ, do đặc điểm khác nhau mà người ta phân biệt gia cônglỗ thông và lỗ không thông

 Độ chính xác gia công lỗ thông.

Độ chính xác của lỗ thông có tiết diện không đổi do 3 yếu tố quyết định:

- Độ chính xác chế tạo dụng cụ

- Độ chính xác chép hình của dụng cụ

- Dao động có hại thẳng góc với trục dọc của dụng cụ

Đối với lỗ côn hoặc lỗ có bậc thì ngoài 3 yếu tố trên, độ mòn của dụng cụcó tác động rất lớn đến độ chính xác Tuỳ theo độ chính xác của lỗ mà chọn cấpchính xác chế tạo của dụng cụ nhất thiết phải chú ý rằng lỗ sẽ có kích thước lớnhơn dụng cụ (H.146) Ví dụ với hạt cỡ 120 thì kích thước lớn hơn với 0.4 + 0.5 mm;Cỡ hạt 320, thì 0.03 + 0.04 mm, so với kích thước của dụng cụ.

 Độ chính xác của lỗ không thông

Ngoài các yếu tố nói trên độ chính xác gia công lỗ có đáy còn phụ thuộcvào độ mòn của dụng cụ

Độ côn cũng như sai lệch hình dáng của dụng cụ đều sao chép sang bề mặtgia công Do đó dụng cụ phải làm bằng vật liệu chịu mòn

Gia công chính xác lỗ có đáy chỉ thực hiện được bằng một loại phương phápgần đúng, nhiều lần thay dụng cụ với dụng cụ làm bằng vật liệu chịu mòn

Nếu phải gia công lỗ có đáy trên vật liệu khó gia công (hơp kim cứng, théptôi) thì đáy lỗ sẽ lồi Độ lồi tăng với độ sâu gia công Lý do là ở giữa nồng độ củabột mài loảng hơn ở xung quanh Độ chính xác của lỗ (đặc biệt ở đáy lỗ) không đạtđược 0.05mm/

2.1.4 Một số công nghệ gia công bằng siêu âm

a Khoan

Khoan siêu âm cũng dựa trên cơ sở ứng dụng tác dụng cọ xát và gọt giũacủa sóng siêu âm Thiết bị khoan gồm có đầu từ giảo dao động với tần số 20-30kHz và bộ cầu nối được nối với đầu dao động Dao động được truyền sang cầu nốiqua dụng cụ và đến vật cần khoan (hình 2.20)

Hình 2.20 Nguyên lý khoan bằng siêu âm.

b c

g f

e

e

a

a Đầu từ giảo dao động; b Cầu nối; c Dụng cụ; d Bộ làm mát.

e Chất lỏng lảm mát; f Vật gia công; g Nhũ tương có hạt mài đánh bóng

Khác với mũi khoan quay thông thường, ở đây dụng cụ khoan dao động dọcthẳng góc với mặt của vật gia công Do tác dụng dao động đó, những hạt mài nhỏtrộn lẫn lơ lững trong chất lỏng rạch vật gia công, mỡ ra theo lỗ privet của dụngcụ Từ cơ chế khoan như vậy có thể suy ra rằng không nên khoan lỗ thủng xuyênbằng mũi khoan đặc, mà bằng mũi khoan ống (xem hình 2.21), nếu kích thước vàhình dạng lỗ cho phép tạo hình mũi khoan như vậy Bằng mũi khoan này, nhữngphần vật liệu được lấy đi có chổ để dồn lại

Trên hình 2.21 có thể thấy nguyên lý khoan siêu âm trong một số trườnghợp cụ thể

Hình 2 21 Khoan siêu âm với các dụng cụ khác nhau.

a Phoi không bị hút đi

b Phoi bị hút đi

Hạt đánh bóng thường là hạt cacbid borlum lơ lửng trong nước

Chúng ta có thể gia tăng công suất của máy khoan siêu âm Nếu chúng tahút đi phoi vụn tồn động trong mũi khoan ống (hình 2.21b) Bằng cách này có thểkhoan lỗ sâu từ 4 mm đến 30 mm, tốc độ khoan tăng lên 5 lần

Bảng 2.3 so sánh công suất khoan trong trường hợp không hút phoi vụn vàtrong trường hợp có hút

Vật cần khoan Năng suất khoan mm 3 /phút Mức độ hao mòn

Không có phôi Có hút phôi

Bảng 2.3 Số liệu về năng suất của mũi khoan siêu âm và độ bào

mòn của nó

Khoan bằng siêu âm không những có ưu điểm là có thể khoan bất cứ vậtliệu có độ cứng nào và lỗ khoan có bất cứ biên dạng nào mà còn có thể khoanđược vật liệu có khả năng dẫn điện

Nếu lựa chọn loại bột mài có độ mịn thích hợp và không có tạp chất, thì độnhám tối đa (Rmax) của bề mặt gia công siêu âm không quá 1 m Đường kính lỗ lớnhơn đường kính mũi khoan khoảng 60 100 m tùy thuộc vào độ mịn của hạt mài.Đường kính của lỗ khoan không thể nhỏ hơn 100 m Độ chính xác tối đa có thểđạt được là 10 m với máy tốt nhất Các máy thường dùng hiện nay có thể có công

suất 3 5kW Năng suất lấy phoi là 1500  2000 mm3/ph khi gia công thủy tinh; là

40  50 mm3/ph đối với hợp kim cứng

b Mài mặt phẳng bằng siêu âm.

Khác với khoan lỗ, khi mài mặt phẳng gia công có thể chuyển động dướidụng cụ

Trong trường hợp phải mài những chổ chật khó mài trên những vật gia côngbằng vật liệu rắn giòn (như sứ ) hoặc hợp kim cứng thì mài trên mặt phẳng bằngsiêu âm có tầm quan trọng rất lớn, ở đây ta cần lưu ý tốc độ chuyển động của vậtgia công ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác

Để có thể chọn tốc độ một cách tối ưu trên vật gia công (e) thì nên phân tíchmối quan hệ VD = F(e) trên hình 2.26

500 750 1000

e, mm/ph

a b

Hình 2.22 Sơ đồ mài mặt phẳng bằng siêu âm.

a Vật gia công b Dụng cụ

Hình 2.23 Biến đổi của phoi lấy đi với vận tốc tiến của vật gia công.

Từ hình 2.23 ta có thể rút ra một số kết luận sau :

Trên giai đoạn 1 của các đường cong năng suất lớn, nhưng dụng cụ mauhỏng vì coi như đã gia công xong Tăng e thì năng suất giảm đến tối thiểu

Ở đầu giai đoạn 2 năng suất rất nhỏ sau đó tiến lên với e và đạt trị số năngsuất khi e = 0, đó là năng suất khoan bằng siêu âm Sở dĩ năng suất giảm tối thiểu

vì với trị số giới hạn e nào đóhoặc gần với trị số đó trong khoảng thời gian nhấtđịnh, dụng cụ dịch chuyển do tác động cộng hưởng theo hướng ngược với hướngchuyển động của vật gia công Sự chuyển động ngược này thực tế nhất quán với sựgiảm bề mặt làm việc của dụng cụ

Giai đoạn 3 tốc độ tiếp tục tăngthì không còn làm tăng năng suất nữa

Tốc độ tiến phải sao cho trong khi dụng cụ tiếp xúc với vật gia công ở mộtthời điểm thì độ ăn dao (f) không vượt quá giới hạn (bk) mà kích thước hạt màiquyết định, điều đó biểu thị bằng biểu thức sau đây :

Phụ tải tĩnh cũng là một thành phần trong xung lực trực tiếp tạo ra sự phântán vật liệu Phụ tải tĩnh tối ưu chủ yếu do bề rộng của bề mặt làm việc của dụngcụ quyết định Trong trường hợp chung quanh hệ này theo hàm mũ e Với hạt màiquan hệ này là : Popt = 2m0.45

Có thể thay thế bằng hàm parabol, ở đó am là bề rộng của bề mặt làm việccủa dụng cụ

Khi mài bằng siêu âm chất lượng bề mặt không những phụ thuộc vào cáctính chất giống như khoan mà còn phụ thuộc nhiều vào tốc độ dao động và độ tiếncủa dụng cụ

2.1.5 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng.

a Ưu điểm.

- Cho phép gia công được những vật liệu vô cùng cứng, rắn, dòn

- Cho phép gia công được những vật liệu phi kim loại

- Không gây ra hiện tượng nứt tế vi bề mặt

- Không gây ra tai nạn lao động

e bk

lm ef



b Nhược điểm.

Độ lớn của bề mặt có thể gia công.

Bề mặt có thể gia công được là nhỏ, và thực hiện những thao tác phức tạpthì khó khăn Máy gia công siêu âm của Liên Xô và các nước khác có thể thựchiện gia công ví dụ khoan trên bề mặt tối đa là 750 – 2000 mm2, với một năng suấtcó thể chấp nhận được Phần lớn vật liệu có thể gia công được trên vật liệu rắndòn như thủy tinh, thạch anh, ferit, gecmeni v.v là ứng với vật liệu từ hợp kimcứng, thép đã tôi

Có thể tăng tiết diện gia công bằng cách nâng cao công suất ra của đầu từgiảo hiện nay thì việc tăng công suất của nó đòi hỏi phải giải quyết những vấn đềâm học phức tạp

Độ sâu có thể gia công được.

Chỉ có thể gia công lỗ và hốc không sâu lắm, giới hạn hợp lý là 25 – 40

mm Tăng độ sâu thì giảm nhiều năng suất, do làm tăng vai trò của quá trình màigọt phụ, và làm xấu đi nhiều việc đưa bột mài vào vùng làm việc cũng như việclấy đi sản phẩm mài mòn của dụng cụ

Lỗ sâu chỉ có thể khoan bằng bậc thang (cứ khoan được 2 – 3 mm thì nângdụng cụ lên) nên năng suất giảm Lỗ sâu xuyên có thể gia công từ hai đầu

Nhu cầu năng lượng.

Nhu cầu năng lượng biểu thị bằng tỉ số công suất lấy vào hoặc công suấtphát ra của máy phát siêu âm và lượng phôi trung bình trong một giờ

Nhu cầu năng lượng (qki) tính với công suất ra (Nki) :

Tính với công suất vào:

Trong đó:

VD: lượng phôi trung bình trong một giờ (cm3/ph)

3

/ cm KWh D

v ik

N ik

q 

3

/ cm KWh

Nvào = 2.5Nki

qvào = 2.5 qki cho hiệu suất thấp

Hiệu suất sẽ thấp hơn khi gia công với độ sâu hơn

Năng suất.

Năng suất thấp khi gia công vật liệu từ hợp kim cứng và thép đã tôi, bằng1/20 – 1/50 năng suất khi gia công thủy tinh, thạch anh, v.v Bên cạnh đó dụng cụmòn nhiều hơn

Khi sử dụng siêu âm để bổ sung cho các công nghệ truyền thông để giacông vật liệu cứng và khó gia công, thì cần phải chú ý đến những nhược điểm củacông nghệ gia công siêu âm đã nêu ở trên

Ngoài ra làm việc với những thiết bị gia công bằng siêu âm tần số tương đốithấp (<16KH2) Người công nhân chóng mệt mỏi

c Phạm vi ứng dụng khá của gia công bằng siêu âm và đặc tính công nghệ.

Gia công chỉ bằng siêu âm

 Mài, mài tinh, mài bằng đĩa

 Mài bóng bằng ma sát

Gia công không cắt gọt

 Hàn

 Làm sạch kim loại

 Lắp ghép bằng ép