Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ

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, 2 cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi

PHAN VĂN NGHỊ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ

GIÚP GIA CÔNG CƠ

2012

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

Phan Văn Nghị

Tháng 12 năm 2012

Lời cám 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 cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long và các kỹ thuật viên của DNTN Thái Long 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 cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng như bộ môn Chế tạo máy, 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

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với vợ và 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 cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp

đỡ trong thời gian học tập của tôi

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, 2 cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan đã được mô hình, tính toán, thiết kế và chế tạo Hai cơ cấu tạo rung này được thiết kế lần lượt theo 2 nguyên lý: Cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện

Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm cơ khí

đã được chọn để tạo rung động trợ giúp cho quá trình thí nghiệm khoan hợp kim nhôm Cơ cấu lệch tâm đã chế tạo có thể tạo rung động với tần số từ 26 đến 60

Hz, biên độ từ 2 đến 12 micromet, được tích hợp vào hệ thống gia công nhằm tạo rung cho phôi theo phương dọc trục mũi khoan Các lỗ có đường kính 1,5

mm, chiều sâu 13 mm (L/D = 9) đã được gia công đối chứng cả bằng khoan thường và khoan có bổ sung rung động

Các bộ thí nghiệm đã được thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ và năng suất giữa hai chế độ gia công khoan truyền thống và khoan có rung động trợ giúp Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khi khoan nhôm và hợp kim nhôm gần như đã được khắc phục hoàn toàn Số liệu thực nghiệm về độ lay động đường kính và độ tròn lỗ khoan được phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 36 mẫu đo Kết quả cho thấy khoan có rung có thể làm giảm độ lay rộng đường kính lỗ đến 3 lần, làm giảm độ không tròn của lỗ đến 2 lần so với khoan truyền thống

Trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thường được thực hiện nhờ các

bộ tạo rung dùng động cơ servo cồng kềnh hoặc các tinh thể áp điện rất đắt tiền Kết quả nghiên cứu này đã đem lại khả năng chủ động thiết bị, công nghệ cho phương pháp gia công có rung động trợ giúp trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam, khắc phục được vấn đề cơ bản về chủ động vật tư, thiết bị và giá thành

Mục lục

Lời cam đoan 1

Lời cám ơn 2

Tóm tắt 3

Các ký hiệu viết tắt 7

Danh mục các hình ảnh 8

Danh mục các bảng, biểu 11

GIỚI THIỆU 12

0.1 Vấn đề nghiên cứu 12

0.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây 13

0.3 Mục tiêu nghiên cứu 16

0.4 Các kết quả đã đạt được 16

0.5 Cấu trúc luận văn 17

Chương 1 19

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 19

1.1 Giới thiệu 19

1.2 Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp 19

1.3 Các phương pháp gia công có rung động trợ giúp 21

1.3.1 Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) 21

1.3.2 Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) 22

1.3.3 So sánh giữa các phương pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và UECV 23

1.4 Các phương pháp tạo rung động trợ giúp gia công 24

1.4.1 Tạo rung động bằng li tâm cơ khí 24

1.4.3 Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm 27

1.4.4 Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực 28

1.4.5 Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện 28

1.4.5.1 Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm 28

1.4.5.2 Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT 30

1.4.5.3 Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ 31

1.5 So sánh, lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm 34 1.6 Kết luận chương 35

Chương 2 37

CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ 37

TRÊN HỢP KIM NHÔM 37

2.1 Giới thiệu 37

2.2 Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm 37

2.1.2 Tính gia công của hợp kim nhôm 41

2.3 Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm 42

2.3.1 Các vấn đề chung 42

2.3.1.1 Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm 42

2.3.1.2 Sự hình thành và tách phoi 42

2.3.2 Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm 44

2.3.2.1 Biến dạng phoi khi khoan 45

2.3.2.2 Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc 48

2.3.2.3 Lực di chuyển phoi cho phoi dải 50

2.3.2.4 Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc 51

2.3.2.5 Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải 53

2.4 Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo 54

2.4.1 Mô hình toán cho khoan rung 54

2.4.2 Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp 56

2.5 Kết luận chương 57

Chương 3 58

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN 58

3.1 Giới thiệu 58

3.2 Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan 58

3.3 Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan 59

3.3.1 Lựa chọn, tính toán các PZT 60

3.3.2 Bệ gá cơ sở 61

3.3.3 Ống kẹp 62

3.3.4 Ống truyền rung động 63

3.4 Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan 65

3.4.1 Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1) 67

3.4.2 Bánh lệch tâm (chi tiết số 7) 68

3.4.3 Quả nặng để thay đổi khối lượng lệch tâm (chi tiết số 8) 69

3.4.4 Bệ gá cơ sở ( chi tiết số 5) 70

3.4.5 Giá đỡ sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 9) 71

3.4.6 Sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 3) 72

3.4.7 Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4) 72

3.4.8 Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hướng chữ V (chi tiết số 2) 74

3.4.9 Ống gá động cơ 75

3.4.10 Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) 76

3.4.11 Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh 76

3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động 77

3.5 Kết luận chương 81

Chương 4 83

THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM 83

4.1 Giới thiệu 83

4.2 Thiết lập thí nghiệm 83

4.2.1 Các trang thiết bị thí nghiệm 83

4.2.2 Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm 88

4.2.3 Trình tự thực hiện thí nghiệm 88

4.3 Kết quả thí nghiệm 89

4.3.1 Đặc tính của phoi 89

4.3.2 Độ lay rộng lỗ khoan 90

4.3.3 Độ không tròn của lỗ khoan 93

4.3.4 Độ ổn định của kích thước lỗ khoan 96

4.3.5 Độ xiên của lỗ khoan 97

4.3.6 Chất lượng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ khoan 97

4.4 Kết luận chương 99

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100

Các kết quả chính đã đạt được 100

Đề xuất các hướng nghiên cứu 100

Tài liệu tham khảo 102

PHỤ LỤC 105

Các ký hiệu viết tắt

UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)

CUVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional

Ultrasonic Vibration Cutting) UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration

Cutting) PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)

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

ELID Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process

Dressing) USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining)

EDM Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining)

ECM Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining)

Danh mục các hình ảnh

1.1 Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công 22

1.6 Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung 27

1.9 Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện 30 1.10 Quan hệ giữa lực cản và hành trình (biên độ) 31 1.11 Ứng xử của một PZT làm việc theo hướng trục 31

2.2 Các sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm A5052 40 2.3 Mức độ ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến lực cắt 42

2.5 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi 44 2.6 Các kích thước phoi khác nhau trong thí nghiệm 48 2.7 Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc 48

2.9 Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc 52

2.11 Mô hình quỹ đạo 2 lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan 55

3.8 Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT 64

3.10 (Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí 65 3.11 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan 66 3.12 Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động 67

3.14 Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều 68

3.16 Các cặp quả nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm: 69

3.26 Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí 78

4.2 Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm 85 4.3 Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan 85

4.9 Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan thường 89 4.10 Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp 89

4.13 Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a Khoan thường, b Khoan

Danh mục các bảng, biểu

1.1 So sánh các phương pháp gia công tích hợp rung siêu âm 24 2.1 Phôi hợp kim nhôm tấm với thành phần hóa học cơ bản 40

4.1 Thông số cơ bản của máy phay sử dụng thí nghiệm 84

4.3 Thành phần hợp kim nhôm A5052 thí nghiệm 85

4.5 Độ lay rộng lỗ khoan cho cả 2 phương pháp khoan 92 4.6 Độ không tròn của lỗ khoan cho cả 2 phương pháp khoan 95

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

Hiện nay, hợp kim nhôm đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp Gia công cắt gọt hợp kim nhôm nói chung thường dễ dàng

và có năng suất cắt cao hơn so với gia công thép và các hợp kim đen Tuy nhiên,

do tính dẻo của hợp kim nhôm, gia công khoan vật liệu này thường gặp phải các vấn đề về năng suất và chất lượng lỗ khoan [1] Trong quá trình khoan, phoi không thể thoát ra khỏi vùng cắt một cách tự do như trong các dạng gia công khác Phoi (thường là phoi dây) có ma sát mạnh với mặt trước mũi khoan, rãnh xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi thoát ra, bám chặt vào rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn và do vậy lực ma sát làm tăng đáng kể lực cắt

[2] Điều này có thể gây kẹt hoặc gãy mũi khoan Hơn nữa, dòng ma sát của phoi dây lên thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xước vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ nhám bề mặt lỗ khoan Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trước, với rãnh xoắn mũi khoan và với thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây mòn mũi khoan và cháy xém bề mặt lỗ khoan Do hiện tượng phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hướng kính xuất hiện còn làm tăng hiện tượng lay rộng lỗ, méo lỗ và làm tăng độ không thẳng của lỗ khoan [3]

Để khắc phục các vấn đề trên, thông thường, mũi khoan dùng để gia công nhôm và hợp kim nhôm cần có những lưu tâm đặc biệt về mặt kết cấu và công

nghệ chế tạo [4] Tuy nhiên, trong đề tài này, một cách tiếp cận mới để giải quyết các vấn đề khi khoan các vật liệu dẻo đã được nghiên cứu Đó chính là ứng dụng rung động cưỡng bức vào quá trình khoan này Đây là một vấn đề không mới trên thế giới nhưng rất mới tại Việt Nam, chưa có một ứng dụng nào về rung động trong gia công được triển khai Đề tài này tập trung nghiên cứu lý thuyết về các ưu điểm vượt trội khi khoan vật liệu dẻo có rung động trợ giúp và thiết kế, chế tạo một cơ cấu tạo rung động cho khoan và tiến hành thử nghiệm để hiện

thực hóa gia công có rung động trợ giúp tại Việt Nam

0.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây

Kỹ thuật cắt tích hợp rung (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) Khi các chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể được sản xuất bằng hệ thống phôi – dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này giảm được cả thời gian gia công (5-

10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất nhiên làm tăng năng suất gia công (Ma và cộng sự, 2004) Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng, dụng cụ kim cương có thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm khuôn, trong khi các phương pháp truyền thống rất khó thực tế do tác động hóa học cao hơn giữa kim cương và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto

và cộng sự, 1997& 1999) 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 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) [5]

Khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, ngoài vấn đề ma sát thì vấn đề ba via cũng là một vấn đề lớn Nghiên cứu của K Adachi và cộng sự đã chỉ ra rằng, khi khoan các loại vật liệu dẻo như nhôm và hợp kim nhôm, thường xuất hiện các ba via ở mép đầu và đặc biệt là ở mép cuối lỗ khoan làm giảm chất lượng lỗ khoan

và thường sau khi khoan cần phải có các nguyên công phụ để xử lý các ba via đó Ngoài ra, với các loại vật liệu dẻo như nhôm và hợp kim nhôm, do hiện tượng phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hướng kính xuất hiện làm đẩy mũi khoan làm lay rộng lỗ, méo lỗ và xiên lỗ [6]

Gần đây, đã có những nghiên cứu về kỹ thuật khoan tích hợp rung động cưỡng để khắc phục những hạn chế trên [3, 5-13] Nguyên lý chung của kỹ thuật này là đưa thêm vào quá trình cắt một nguồn rung động chủ động với biên độ f

và biên độ dao động A (A= 2- 30 m) theo hướng chuyển động chạy dao của dụng cụ hoặc phôi Quá trình cắt như thế này chính là điều khác biệt của khoan rung và quá trình này gọi là khoan tích hợp rung động Bản chất của kỹ thuật này chính là tạo ra sự dao động tương đối gữa dụng cụ cắt và phôi gia công Do vậy,

có thể đặt nguồn rung động lên phôi hoặc dụng cụ cắt tùy vào từng điều kiện cụ thể

Nghiên cứu của Gwo-Lianq Chern và Han-Jou Lee đã chỉ ra rằng độ tròn, độ lay rộng lỗ và độ xiên của lỗ khi khoan hợp kim nhôm Al 6061-T6 và thép kết cấu SS41 đã được cải thiện rõ rệt (độ lay rộng lỗ có thể đạt dưới 2m khi tần số rung lớn hơn 10kHz) khi khoan có rung động trợ giúp [7] B Azarhoushang, J AkbariA và các nhà khoa học khác đã tiến hành nghiên cứu về gia công tích hợp

rung Kết quả đã cho thấy, nguồn rung động với tần số càng cao (tần số siêu âm) thì hiệu quả của quá trình gia công càng cao [8]

Gia công tích hợp rung siêu âm là phương pháp gia công có nguồn rung động trợ giúp với tần số rung động từ 13-15 kHz trở lên, chỉ áp dụng cho các loại vật liệu dòn [8] Tuy nhiên, khoan với siêu âm trợ giúp lại là phương pháp kết hợp kết hợp rung siêu âm với khoan truyền thống nên có thể gia công hiệu quả với cả vật liệu dòn và vật liệu dẻo Nhiều nghiên cứu khác nhau đã có nhiều cải tiến đáng kể về lực dọc trục khi khoan, kích thước các ba via, mài mòn mũi khoan, giảm ồn, chất lượng bề mặt sau khoan

Chang và Bone đã chỉ ra rằng khoan nhôm với rung siêu âm có thể giảm đáng kể các ba via [9] Neugebauer và Stoll đã thực nghiệm và chỉ ra rằng khi khoan siêu âm hợp kim nhôm thì cả lực cắt và mô men đều giảm đến 30-50%, lực cắt tác dụng lên lưỡi cắt chính cũng giảm làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt lên đến 20 lần so với khoan truyền thống Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để chỉ ra rằng, tồn tại một điều kiện cắt tối ưu để giảm thiểu lực cắt và mô men xoắn khi khoan [10] Còn Onikura và các cộng sự đã sử dụng một Piezoelectric (PZT) để tạo ra được tần số rung 40 kHz cho trục mũi khoan Họ thấy rằng, việc sử dụng rung siêu âm đã làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước dụng cụ, điều này làm cho phoi mỏng hơn nên lực cắt sẽ nhỏ hơn [11, 12] Jin và Murakawa thấy rằng, mẻ lưỡi cắt có thể được ngăn ngừa hiệu quả với việc áp dụng rung siêu âm và do vậy tăng được tuổi thọ dụng cụ cắt Takeyama

và Kato thấy rằng, lực cắt trung bình khi khoan cũng giảm khi kết hợp với rung siêu âm Phoi khi khoan mỏng hơn và dễ bóc tách hơn Các ba via hình thành ở phần vào và ra giảm rất nhiều do lực cắt thấp [13]

Như vậy, nói chung chất lượng tổng thể của phương pháp khoan 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 Tuy nhiên, để tạo ra được quá trình khoan tích hợp siêu âm, cần phải có thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm Piezoelectric và máy phát xung Các thiết bị này đắt tiền và lắp nối khá phức tạp Nhiều tác giả nghiên cứu và thấy rằng, gia công

tích hợp rung tần số thấp cũng cải thiện đáng kể hiệu quả quá trình gia công, nhất

là khi khoan vật liệu dẻo như nhôm và hợp kim nhôm [6, 7]

Các kết quả cho thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện thoát phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ méo lỗ khoan Tuy vậy, các thiết bị tạo rung nói trên có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền Chính vì vậy, ứng dụng khai thác ưu điểm của rung động trợ giúp gia công khoan vẫn chưa được phổ biến, đặc biệt là ở Việt Nam, khi mà điều kiện mua sắm các thiết bị tinh xảo rất khó khăn Đề tài “ Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ” này được thực hiện nhằm hiện thực hóa việc khai thác cơ cấu rung tần số thấp, sử dụng kết cấu bánh lệch tâm, có giá thành thấp cho gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm Các kết quả được phân tích cho thấy chất lượng lỗ khoan được cải thiện rõ rệt so với khoan thông thường

0.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm thiết kế chế tạo

bộ tạo rung động trợ giúp cho nguyên công khoan 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 Năng suất, độ tròn và độ thẳng của lỗ khoan được chọn là các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ưu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan truyền thống Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:

1 Đánh giá tính khả thi của gia công khoan có rung động trợ giúp;

2 Thiết kế, chế tạo được bộ tạo rung động trợ giúp cho khoan;

3 Tiến hành thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp để so sánh năng suất và chất lượng quá trình khoan này với quá trình khoan thường

0.4 Các kết quả đã đạt được

Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo được 2 cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho khoan theo 2 nguyên lý tạo rung động là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí (tần số thấp) và rung siêu âm (tần số cao) Các thí nghiệm đã được thực hiện để

kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ưu việt của khoan có rung động trợ giúp Các kết quả mà đề tài đã đạt được bao gồm:

1 Tổng quan cơ sở, nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp khoan;

2 Thiết kế, chế tạo được 2 cơ cấu tạo rung: cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện;

3 Vận hành, thí nghiệm khoan với sự trợ giúp của rung động bằng cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí;

4 Khẳng định được ưu điểm vượt trội của khoan có rung động trợ giúp

so với khoan thường thông qua các số liệu thực nghiệm;

5 Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung hỗ trợ khoan các vật liệu dẻo;

6 Công bố 01 bài báo ("Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp của rung động tần số thấp") trên tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 95

0.5 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, tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các ưu việt

nổi trội của phương pháp này sẽ được trình bày Phần cốt lõi của chương chính là

so sánh các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

Chương 2 tóm tắt các dạng ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm trong công

nghiệp Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp kim nhôm và hướng xử lý các khó khăn đó bằng phương pháp khoan có rung động trợ giúp cũng được phân tích cụ thể

Nguyên lý làm việc, thiết kế mô hình và các bước thiết kế cũng như chế tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan được trình bày

trong chương 3 Nguyên tắc thiết kế, chế tạo hai cơ cấu tạo rung theo hai phương

pháp tạo rung động là phương pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phương

pháp tạo rung động bằng các PZT được diễn đạt chi tiết Các bước lắp ghép các chi tiết máy để hoàn chỉnh cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng được trình bày trong chương này

Chương 4 trình bày cách thức thiết kế, triển khai, thu thập và phân tích số liệu

thí nghiệm Ưu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thường 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

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP

1.1 Giới thiệu

Chương này trình bày tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các

ưu việt nổi trội của nó So sánh các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

Phần 1.2 giới thiệu lịch sử, bối cảnh và sự cần thiết của việc xuất hiện phương pháp gia công có rung động trợ giúp Phần 1.3 thể hiện các kiểu tích hợp rung động khi gia công theo phương pháp này Phần 1.4 giới thiệu về các phương pháp tạo rung đã được áp dụng trong công nghiệp Phần 1.5 đưa ra các so sánh về các phương pháp tạo rung đó và quyết định chọn phương pháp để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm Phần cuối cùng của chương chính là tóm tắt các kết luận chính của chương này

1.2 Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp

Gia công chất lượng cao các loại vật liệu khó gia công như WC, thủy tinh, gốm sứ, các hợp kim trên nên Ni và Ti, thép đã tôi và thép không gỉ chính là một trong những hướng tiếp cận chính của ngành công nghiệp chế tạo Những loại vật liệu này sở hữu những đặc tính vật lý, cơ học, nhiệt học và hóa học riêng biệt và đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, công nghiệp hàng không, công nghiệp hóa học và nhiều ngành khác Chẳng hạn như các loại dụng cụ cắt, khuôn mẫu, các thiết bị quang học, thiết bị điện, các bộ phận của máy bay, các bộ phận có độ bền tiếp xúc cao, các bộ phận cho lò phản ứng hạt nhân và các thiết bị dùng trong gia đình Tuy nhiên, các phương pháp gia công truyền thống không thể sử dụng cho việc gia công chính xác các loại vật liệu này (Kumabe và cộng sự, 1989; Xiao và cộng sự, 2003; Shamoto và Moriwaki, 1994; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007) Trong các phương pháp gia công truyền thống, hầu hết các loại vật liệu khó gia công này gây ra các vấn đề khi gia công như rung động, lẹo dao, biến dạng phoi và mòn dụng cụ cắt do các

đặc tính cứng và giòn trên bề mặt gia công, độ bền cơ học, hóa học cao và khả năng dẫn nhiệt kém của vật liệu gia công (Liu và cộng sự, 2002; Xiao và cộng

sự, 2003; Baibtsky và cộng sự, 2004; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007), điều này làm cản trở quá trình gia công Chẳng hạn, ống dẫn hướng của máy ảnh chính là một bộ phận rất mỏng với yêu cầu độ nhẵn bề mặt trong phạm vi 0.8m để có thể xoay và trượt thấu kính, không thể được chế tạo bằng các phương pháp gia công truyền thống (Gao và cộng sự, 2003) Ngoài ra, với các trường hợp gia công các loại vật liệu nhẹ, phương pháp tiện truyền thống bằng dao kim cương không thể cho độ chính xác như yêu cầu (Kim và Choi, 1997) Tương tự, thủy tinh và các loại gốm yêu cầu một quá trình gia công lại như đánh bóng, mài, mài nghiền và mài bóng cho bề mặt cuối cùng, do vậy làm tăng thời gian và giá thành gia công

và tất nhiên làm giảm năng suất gia công (Shamoto và cộng sự, 2007)

Các phương pháp gia công tiên tiến như -EDM, ăn mòn hóa học, công nghệ laze, mài ELID, USM, gia công điện- hóa học (ECM), đánh bóng hóa- cơ học có thể áp dụng để gia công các loại vật liệu khó gia công khác nhau Tuy nhiên, chúng không đảm bảo vấn đề kinh tế khi gia công bởi vì năng suất gia công rất thấp và chi phí gia công cao Hơn nữa, -EDM, ăn mòn hóa học và các công nghệ laze không thể ứng dụng để gia công các bề mặt bóng như gương (Suzuki và cộng sự, 2007) Ngoài ra, các phương pháp như mài ELID, USM và đánh bóng không thể ứng dụng để gia công chính xác với các biên sắc cạnh và các mặt 3D phức tạp (Shamoto và cộng sự, 2005; Suzuki và cộng sự, 2007)

Kỹ thuật cắt tích hợp rung (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một quá trình cắt tiên tiến đã được ứng dụng từ những năm 1960 bởi Voronin và Marknov 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 công sự) Khi các chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể được sản xuất bằng hệ thống phôi – dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này giảm được cả thời gian gia công (5-10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất nhiên làm tăng năng suất gia công (Ma và cộng sự, 2004) Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng, dụng cụ kim cương có thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC (gia công siêu âm) để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm khuôn, trong khi các phương pháp truyền thống rất khó thực hiện do tác động hóa học cao hơn giữa kim cương và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto và cộng sự, 1997& 1999) Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc phục 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 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) [5]

1.3 Các phương pháp gia công có rung động trợ giúp

1.3.1 Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC)

Kỹ thuật CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) lần đầu tiên được đề xuất bởi Voronin và Marknov năm 1960 Trong 3 hướng rung có thể được cung cấp trên đầu dụng cụ cắt bởi các cơ cấu rung áp điện- PZT, như được thể hiện trên hình 1.1, chỉ có hướng tiếp tuyến với chi tiết thường được các nhà nghiên cứu sử dụng để thực nghiệm Để đơn giản, gọi đây là phương pháp UVC (Ultrasonic Vibration Cutting) Tuy nhiên, không ít các nhà nghiên cứu (Balamuth, 1966; Skelton, 1969; Kim và Choi, 1997; và Astachev và Babitsky,

1998) đã thực hiện các thực nghiệm trên hướng rung theo phương chạy dao và thấy rằng năng suất cắt không được cải thiện rõ ràng khi so sánh với phương pháp UVC tiếp tuyến

Hình 1.1 Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công

Không có một nghiên cứu nào sử dụng UVC theo phương hướng kính chi tiết bởi vì rung động theo hướng này không khả thi khi cắt vật liệu Trong nhiều nghiên cứu, UVC theo phương tiếp tuyến được sử dụng Trong 3 thập kỷ gần nhất, phương pháp CUVC đã được ứng dụng thành công cho nhiều loại vật liệu khó gia công khác nhau bởi nhiều nhà nghiên cứu (Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Babitsky và cộng sự, 2003 & 2004; Zhou và cộng sự, 2002; Kim và choi, 1997; Gao và cộng sự, 2002; Xiao và cộng sự, 2002) Trong phương pháp này, tần số siêu âm khoảng 20 kHz và biên độ rất nhỏ, khoảng 10-15 m được đặt lên chuyển động liên tục của dụng cụ cắt (Babitsky và cộng sự, 2002) Tốc độ cắt trong kỹ thuật UVC được đặt thấp hơn tốc độ rung lớn nhất của dụng cụ để dụng

cụ có thể tách ra khỏi bề mặt phôi gia công trong từng chu kỳ rung Do sự tiếp xúc không liên tục giữa dụng cụ cắt và phôi, lực cắt trong phương pháp này giảm đến khoảng vài lần khi so sánh với phương pháp truyền thống và tuổi thọ dụng cụ lớn hơn, quá trình cắt ổn định hơn và chất lượng bề mặt cao hơn [5]

1.3.2 Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)

Phương pháp UEVC(hoặc 2-D UVC) lần đầu tiên được đề xuất bởi Shamoto và Moriwaki vào năm 1993 Phương pháp này đã phát triển để trở thành một công nghệ hứa hẹn vượt trội hơn nhiều so với các phương pháp CC (gia

công truyền thống) và CUVC và lợi ích hơn nhiều so với các phương pháp gia công tiên tiến khác cho việc gia công siêu chính xác các loại vật liệu khó gia công Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cắt này là dụng cụ cắt rung trong theo quỹ tích hình elip trong mặt phẳng tạo bởi phương cắt gọt và hướng của dòng phoi, như được thể hiện trên hình 1.2 Do vậy, mặt trược dụng cụ cắt có thể tương trợ

để kéo các phoi ra từ phôi trong chuyển động thẳng đứng của nó thuộc rung động Ngoài ra, ma sát giữa mặt trước dụng cụ cắt và phoi trong hướng chuyển động thẳng của dụng cụ cắt trong mỗi chu kỳ rung cũng giảm làm giảm đáng kể lực cắt và năng lượng để cắt (Shamoto và Moriwaki, 1994; và Ma và cộng sự, 2004), làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện được công suất cắt trong tất cả các khía cạnh (Shamoto và cộng sự, 1997 & 2005)

Hình 1.2 Mô hình cắt rung theo kiểu elip [5]

1.3.3 So sánh giữa các phương pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và UECV

Qua các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã thực hiện, lực cắt, mòn dụng cụ cắt, tuổi bền dụng cụ cắt, chiều dày phoi, vấn đề giảm ba via, độ tròn của chi tiết cũng như độ nhẵn bề mặt gia công đạt được đã được so sánh giữa các phương pháp gia công: phương pháp gia công truyền thống, phương pháp gia công tích hợp rung truyền thống và phương pháp gia công tích hợp rung kiểu elip

Các kết quả đã cho thấy, phương pháp gia công truyền thống tồn tại nhiều nhược điểm như lực cắt lớn, gây mòn nhanh dụng cụ cắt và giảm tuổi bền của dụng cụ cắt; chiều dày phoi còn chưa cải thiện được, trong khi chất lượng chi tiết

sau gia công còn chưa cao Trong khi đó, áp dụng phương pháp gia công tích hợp rung, mà đặc biệt là phương pháp gia công tích hợp rung kiểu elip, chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công được cải thiện rất đáng kể So sánh cụ thể được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh các phương pháp gia công tích hợp rung siêu âm

STT Phương pháp

Thôngsố

Gia công truyền thống

Gia công với rung siêu âm truyền thống

Gia công với rung siêu âm kiểu elip

6 Độ tròn của chi tiết Thấp Hợp lý Độ chính xác

cao

7 Độ nhẵn bề mặt, Ra > 1 m

Có thể < 0.1

m < 0.1 m

1.4 Các phương pháp tạo rung động trợ giúp gia công

Để thiết kế, chế tạo bộ tạo rung, cần thiết phải lựa chọn được nguyên lý tạo rung động Theo các nguyên lý khác nhau, hiện nay có 5 phương pháp tạo rung động đã được ứng dụng nhiều trong công nghiệp gồm: tạo rung bằng ly tâm

cơ khí, bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi), bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực, bằng điện từ và bằng siêu âm

1.4.1 Tạo rung động bằng li tâm cơ khí

Hình 1.3 Nguyên lý hình thành lực ly tâm

Sơ đồ trên dựa trên nguyên lý tạo rung bằng lực li tâm do bánh lệch tâm quay

do Tasaplin đề xuất vào năm 1949 [14] Cho một khối lượng lệch tâm m (kg) đặt

cách tâm quay một khoảng r (m), quay với vận tốc góc không đổi  (rad/s); giá

trị lực ly tâm tác dụng lên trục quay sẽ là:

r m

F lt  2. (N) (1.1) Vec-tơ lực ly tâm này có phương thay đổi đều trong mặt phẳng vuông góc với trục quay Thành phần lực chiếu lên một phương bất kỳ được xác định theo công thức:

) cos(

F

F  lt  (N) (1.2) Khi chiếu lên phương thẳng đứng, thành phần lực này có dạng:

Với n là tốc độ quay của khối lượng m quanh trục quay (v/ph)

- Biên độ rung A (mm) chính là li độ dao động lớn nhất của bộ phận rung Biên

độ A sẽ được xác định khi xây dựng kết cấu và đặc tính của cơ cấu rung

1.4.2 Tạo rung động bằng lực từ trường

Hình 1.4 Nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường

Để tạo ra rung động bằng lực từ trường, sử dụng nguyên lý dao động từ trường để tạo ra lực hút, đẩy theo chu kỳ thay đổi của chiều từ trường trong các nam châm điện Đây là nguyên lý tạo rung đã được Franca và Weber đề xuất

[15] Như vậy, có thể sử dụng nguyên lý này để tạo rung khi gia công như được thể hiện trên hình 1.4.a Trên hình này, sử dụng một nam châm điện xoay chiều

để tạo ra lực từ xoay chiều Nam châm điện xoay chiều này được tạo ra bằng cách dùng một ống dây quấn quanh một lõi thép kỹ thuật điện (thép Si), rồi nối 2 đầu cuộn dây với một nguồn điện áp xoay chiều (UAC) Như vậy, với nam châm này, có thể tạo ra lực từ thay đổi chiều theo tần số dòng điện Để tiếp nhận lực hút, đẩy thay đổi này, bố trí một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện nam châm điện xoay chiều này Nam châm vĩnh cửu có cấu tạo giống với nam châm điện xoay chiều, nhưng nguồn cung cấp cho nó phải là nguồn điện một chiều (UDC) Khi cố định nam châm xoay chiều và gắn nam châm vĩnh cửu với phôi gia công ở trạng thái có thể di chuyển, lực từ thay đổi sẽ hút, đẩy nam châm vĩnh cửu, dẫn đến phôi gia công sẽ dao động (rung) theo tần số thay đổi chiều của lực Một thiết bị tạo rung theo nguyên lý này được mô tả trên hình 1.4.b Trên hình này, nam châm điện 1 với các cuộn dây 4 lắp vào thanh ngang 8 Lõi 2 lắp trên khung Thanh 8 được đỡ trên khung bằng các lò xo 5 Dây điện hình lò xo cấp điện cho cuộn dây 4 Điều chỉnh khe hở giữa các cực bằng đai ốc 6 Điều chỉnh bộ rung bằng chi tiết 7 lắp trên stator

Thông số rung gồm biên độ A phụ thuộc vào độ lớn lực từ và các đặc tính

cơ học của hệ thống; còn tần số rung f phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều đƣa vào nam châm điện xoay chiều Với nguyên lý nhƣ vậy, để tạo đƣợc rung động trên phôi gia công, cần bố trí một cơ cấu tạo rung sử dụng nam châm điện đƣợc thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5 Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trường

Cơ cấu này gồm một bệ cơ sở để cố định 4 trục ren xỏ 4 lò xo đàn hồi để duy trì lực rung, đồng thời cố định nam châm điện xoay chiều và kẹp toàn bộ cơ cấu rung lên bàn máy gia công Để tạo đƣợc rung động trên phôi, gắn phôi lên một tấm gá gắn chặt với nam châm điện một chiều (nam châm này dao động do lực từ do nam châm điện xoay chiều tác dụng lên) và toàn bộ tấm gá này đƣợc đặt lên 4 lò xo trên để duy trì rung động

1.4.3 Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi)

Thiết bị này gồm các cơ cấu cơ khí biến chuyển động quay thành chuyển động đi lại (khứ hồi), dùng cho các máy rung tần số thấp

Hình 1.6 Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung

Hình 1.6 là ví dụ truyền dẫn lệch tâm trong máy tải rung Khung 2 và 4 mang vật cần tải nối với nhau bằng hai biên 5 và các thanh díp 6 Biên 5 có ổ bằng cao su hai đầu nối với khung 2 và 4, ổ giữa nối giá Cơ cấu truyền dẫn lệch tâm 3 có biên lò xo nối với khung 4, biên hướng theo phương cần gây dao động

1.4.4 Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực

Năng lượng khí nén hay thủy lực tạo chuyển động đi lại của bộ tạo rung

để gây rung

Hình 1.7 Tạo rung bằng thủy lực, khí nén

Trên hình 1.7.a, khí nén từ ngoài vào buồng phải của pít tông 8 qua lỗ 3 và

4, nén lò xo 9, đưa pít tông 8 sang trái Khí ở buồng trái qua lỗ 7 thoát ra khí trời Gần cuối vị trí tận cùng bên trái của pít tông 8, lỗ 7 và 4 bị đóng lại, 2 và 6 mở

ra, pít tông 8 đảo chiều Tần số rung của pít tông được điều chỉnh bằng áp suất khí và độ cứng của lò xo 5 và 9

Ở hình 1.7.b, bơm 4 qua từng chu kỳ cho chất lỏng vào xi lanh 1 qua ống

3 và hút chất lỏng qua ống 5 làm pít tông 2 di chuyển Cần 7 có chèn lò xo để thêm bậc tự do cho cơ cấu Lực kích thích từ cần 7 truyền cho bộ phận làm việc của máy rung Biên độ dao động được điều chỉnh bằng thay đổi năng suất bơm

1.4.5 Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện

1.4.5.1 Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm

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 1.8

Hình 1.8 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 và kéo sẽ phát sinh điện trường và do vậy điện áp bị phân cực ngược Ngược lại, nếu tinh 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

Việc chuyển đổi từ năng lượng điện sang chuyển vị cơ học được thể hiện bằng công thức sau [16]:

S=dE=dU/l (1.5)

Ở đây, S là biến dạng cơ học phát sinh do điện trường E hoặc điện áp V đặt

vào miếng vật liệu áp điện (xem hình 1.9) còn l là chiều cao của miếng áp điện

đó

Hình 1.9 Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện

1.4.5.2 Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT

Các cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Tranducers- PZT) là các tấm được chế tạo bằng các loại vật liệu áp điện để tạo ra các biến dạng (tạo ra rung động) khi có sự phân cực điện áp đặt vào hoặc phát ra tín hiệu điện áp khi có biến dạng do ngoại lực Các cơ cấu PZT biến đổi tín hiệu điện như điện áp hoặc điện tích thành chuyển vị cơ học hoặc lực Dãy tần số điều khiển của các cơ cấu

từ tĩnh đến khoảng 1/2 tần số cộng hưởng của hệ thống cơ học Giống như một cảm biến, cần biết mối quan hệ tuyến tính hợp lý giữa tín hiệu đầu vào và chuyển

vị cơ học Mặt khác, có một loại cơ cấu đặc biệt được điều khiển tại tần số cộng hưởng của chúng, được gọi là bộ chuyển đổi siêu âm Những bộ chuyển đổi này biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học

Các cơ cấu PZT được chia thành 3 nhóm chính sau:

- Các cơ cấu làm việc theo phương dọc trục - mô hình d33;

- Các cơ cấu làm việc theo phương ngang - mô hình d31;

- Các cơ cấu làm việc theo kiểu hỗn hợp

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 1.10 đưa ra một minh họa về sự kết hợp khả thi giữa lực cản- hành trình

Hình 1.10 Quan hệ giữa lực cản và hành trình ( biên độ)

1.4.5.3 Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ

Ứng xử của một miếng PZT làm việc theo phương dọc trục (phương 3) được thể hiện trên hình 1.11

Hình 1.11 Ứng xử của một PZT làm việc theo hướng trục

Đây là loại PZT được sử dụng nhiều trong thực tế để tạo ra rung động do các biến dạng cơ học của PZT này tạo ra Các tính toán về loại PZT này được trình bày như sau:

Hành trình- chính là biên độ rung khi F=0 (không có tải):

h=d33.U (1.6)

Lực cản (lực phát sinh bởi việc nén tấm PZT) khi h=0:

h s

lw d

lw h

h

N f D

r

3

 (1.9) Tần số cộng hưởng khi phần đáy của PZT được gắn vào một bệ cố định:

h

N f D

2

1

T g

W tot  T (1.10) Với các loại miếng PZT dạng trụ tròn xoay, thông số l.w được thay bằng 2r Trong các công thức trên thì ý nghĩa các thông số là:

- D ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện lượng dịch chuyển điện cố định,

- E ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện điện trường cố định;

(5) d33 là hệ số biến dạng cơ theo phương dọc (m/V) hay là độ phân cực theo phương 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phương 3;

(6) d31 là hệ số biến dạng cơ theo phương ngang (m/V) hay là độ phân cực theo hướng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phương 1;

(7) g31 là hằng số điện áp áp điện theo phương ngang (Vm/N) hay là lượng điện trường được tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hướng 1;

(8) g33 là hằng số điện áp áp điện theo phương dọc (Vm/N) hay là lượng điện trường được tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hướng 3; (9) g15, đơn vị Vm/N, là lượng điện trường gây ra theo chiều 1 trên 1 đơn vị ứng suất trượt tác dụng theo hướng 2;

(10) keff là hệ số thể hiện hiệu suất chuyển đổi cơ-điện do việc liên kết giữa các PZT và phần kẹp:

- k33 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phương dọc (%),

- k31 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phương ngang (%);

(11) Nlà hệ số tần số phụ thuộc vào kích thước các tấm PZT, đơn vị là m/s:

- Dạng PZT dạng miếng đơn, được minh họa trên hình 1.12:

Hình 1.12 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 1.13:

Hình 1.13 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)

1.5 So sánh, lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử

nghiệm

Các mục trên đã trình bày 5 phương pháp tạo rung động cơ bản đã được

sử dụng trong thực tế Để lựa chọn phương pháp thích hợp để tạo ra rung động áp dụng cho nguyên công khoan, cần so sánh các ưu nhược điểm của từng phương pháp trên

- Phương pháp tạo rung động bằng bánh lệch tâm:

Phương pháp này có ưu điểm là có thể thiết kế chế, tạo đơn giản, chi phí thấp, dễ dàng điều khiển được biên độ rung bằng cách điều khiển tốc độ quay của động cơ quay lệch tâm (có thể sử dụng động cơ vô cấp), điều chỉnh biên

độ rung khá dễ dàng bằng cách thay đổi lực quán tính li tâm khi thay đổi khối lượng hoặc khoảng cách lệch tâm Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó điều chỉnh phương rung động và tần số rung tạo được thường không cao (thường f không lớn hơn 100 Hz do giới hạn của tốc độ quay động cơ)

- Phương pháp tạo rung động bằng lực từ trường:

Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thiết kế, chế tạo thấp; có thể điều

khiển tần số và biên độ rung dễ dàng bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp và tần số điện áp đặt vào các nam châm điện Để điều chỉnh giá trị điện áp, sử dụng các biến áp; còn để điều chỉnh tần số dòng điện, sử dụng bộ biến tần Nhược điểm của phương pháp này chính là công suất rung thường nhỏ và thiết bị thường bị nóng lên do tác dụng của dòng Fuco khi vận hành

- Phương pháp tạo rung bằng dẫn động lệch tâm (khứ hồi):

Ưu điểm là kích thước gọn mà cho lực kích thích lớn khi vận tốc quay bé

Có thể làm việc với vận tốc cao nhưng thết bị phải được cân bằng và làm việc

ở chế độ cộng hưởng

- Phương pháp tạo rung bằng thủy lực, khí nén:

Truyền dẫn khí nén nên dùng cho máy rung tần số cao, nhất là nơi dễ cháy

nổ như thiết bị tải rung trong hầm mỏ Việc đồng bộ các bộ tạo rung của thiết

bị có nhiều bộ truyền dẫn là khó khăn

- Phương pháp tạo rung động bằng các PZT

Đây là 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 (> 20 kHz) Nhược điểm của phương pháp này chính là chi phí chế tạo rất cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD) Hơn nữa, các cơ cấu này thường cho biên độ rung thấp Ngoài ra, việc điều khiển tối ưu quá trình rung động này còn khá phức tạp

Qua các phân tích ưu nhược điểm trên kết hợp với điều kiện thực tế, phương pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phương pháp tạo rung bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

tạo rung bằng thủy lực, khí nén, tạo rung bằng lực điện từ và tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện

Cuối cùng, bằng các phân tích và kết hợp với điều kiện thực tế, phương pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phương pháp tạo rung bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

Chương 2 CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ

TRÊN HỢP KIM NHÔM

Phần 2.2 giới thiệu các ứng dụng của nhôm, hợp kim của chúng nói chung

và nói riêng về hợp kim nhôm A5052 Phần 2.3 trình bày về các khó khăn khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, nhất là hợp kim nhôm A5052 Phần 2.4 đề xuất hướng giải quyết các vấn đề khó khăn đó và phần cuối cùng của chương đưa ra các kết luận chính của chương

2.2 Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm

Ngày nay, nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai sau thép về sản xuất

và ứng dụng [17] Sở dĩ có điều này là do nhôm và hợp kim nhôm có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trường hợp ứng dụng của hợp kim nhôm không thể thay thế được như trong công nghệ chế tạo máy bay và các thiết bị ngành hàng không khác Các chi tiết được sử dụng cho ngành hàng không yêu cầu phải nhẹ nhưng phải đáp ứng được yêu cầu về độ bền khi làm việc Yêu cầu này được hợp kim nhôm đáp ứng tương đối tốt

Nhôm và hợp kim nhôm còn có vị trí khá quan trọng trong ngành chế tạo cơ khí và xây dựng như ứng dụng cho các khung gầm cho thiết bị điện tử cho các máy tính xách tay, ti vi, máy ảnh ; chế tạo bình áp lực, các chi tiết yêu cầu

độ bền và tính ổn định cao như các chi tiết trên máy bay

Hình 2.1 Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm

Nhôm đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do các tính chất cơ bản quan trọng sau đây của chúng:

- Khối lƣợng riêng nhỏ (xấp xỉ 2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt đƣợc chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lƣợng (trong ngành hàng không, vận tải );

- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ;

- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhƣng do nhôm nhẹ hơn nên chúng đƣợc sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn;

- Tính dẻo: Nhôm rất dẻo nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản nhiệt rất thuận tiện khi sản xuất);

- Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc, nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được

ở nhiệt độ cao hơn 300-400 C;

- Độ bền, độ cứng: Nói chung độ bền và độ cứng của nhôm và hợp kim nhôm thấp hơn so với thép nên tính công nghệ của nhôm và tính của nhôm ở một số nguyên công cơ bản cao hơn so với thép như các nguyên công tiện, phay, bào

Trong kỹ thuật, thường ứng dụng các hợp kim với lượng Mg nhỏ hơn 6%

Để nâng cao chất lượng của chúng người ta hợp kim hóa thêm Mn, Ti, Cr, Zr…

Ngoài ra, các nguyên tố này còn ngăn cản pha  (Al3Mg2) phân bố ở dạng mạng theo biên giới hạt  Do vậy, chúng nâng cao khả năng chống ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất Silic với hàm lượng nhỏ có tác dụng tốt cải thiện tính hàn

Hợp kim hệ Al-Mg có cơ tính tốt, độ bền đảm bảo, độ dẻo cao, tính ổn định chống ăn mòn và tính hàn cao Ngoài ra, các hợp kim hệ này còn có khả năng chống rung động tốt, giới hạn mỏi -1 khá lớn, do vậy chúng thường dùng

để làm các sản phẩm cần tính chống ăn mòn cao như: ống chứa xăng dầu, thùng chứa que hàn

 Hợp kim nhôm A5052

Hợp kim nhôm A5052 (AA-5052- H34) được gọi tên theo tiêu chuẩn AA, còn theo UNS là A95052, và theo tiêu chuẩn ISO là AlMg2.5 Đây là loại hợp kim nhôm chứa hàm lượng Mg cao với độ bền cơ học cao Hợp kim này có tính chống ăn mòn và tính hàn tốt Nó chủ yếu được sử dụng cho các khung gầm cho