THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CƠNG LỖ SÂU Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng Thái Nguyên, 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng Xác nhận tổ chức chủ trì (ký tên, đóng dấu) KT.HIỆU TRƯỞNG PHĨ HIỆU TRƯỞNG Chủ nhiệm đề tài Chu Ngọc Hùng PGS.TS Vũ Ngọc Pi Thái Nguyên, 10/2018 i DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Chu Ngọc Hùng Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN Nguyễn Văn Dự Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN Lê Duy Hội Trường Cao đẳng KTKT, ĐHTN Phan Văn Nghị Trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp, ĐHTN ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii 0.1 Tính cấp thiết 0.2 Mục tiêu cách tiếp cận 0.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 0.2.2 Cách tiếp cận vấn đề 0.2.3 Phương pháp nghiên cứu 0.2.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 0.3 Các kết đạt 0.4 Cấu trúc nội dung báo cáo Chương TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Ứng dụng siêu âm gia công 1.2.1 Gia công siêu âm 1.2.2 Gia công siêu âm quay 1.2.3 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 11 1.3 Siêu âm trợ giúp khoan 16 1.3.1 Nguyên tắc chung 16 1.3.2 Cơ chế trình siêu âm trợ giúp khoan 18 1.4 Kết luận chương 21 Chương 22 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 22 2.1 Giới thiệu 22 2.2 Một số khái niệm dao động, rung động siêu âm 22 2.2.1 Bản chất sóng âm 23 2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 24 2.2.3 Các phương pháp tạo rung động siêu âm 27 2.2.4 Siêu âm công suất 30 iii 2.2.5 Cơ sở lí thuyết truyền sóng vật liệu 32 2.3 Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 35 2.3.1 Máy phát điện siêu âm 35 2.3.2 Bộ chuyển đổi siêu âm 36 2.3.3 Đầu khuếch đại biên độ 39 2.4 Xác định thông số cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 42 2.4.1 Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng 42 2.4.2 Xác định biên độ rung 46 2.5 Chế tạo, lắp ráp cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 49 2.5.1 Nguyên tắc gá kẹp mũi khoan với chuyển đổi 49 2.5.2 Lựa chọn thiết bị siêu âm 50 2.5.3 Cấu tạo nguyên lí làm việc cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 53 2.5.4 Mơ hình phân tích phần tử hữu hạn cho cấu rung 54 2.5.5 Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 56 2.5.6 Thực nghiệm xác định biên độ rung dụng cụ cắt 63 2.6 Kết luận chương 67 Chương 68 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ CƠ CẤU RUNG 68 3.1 Giới thiệu 68 3.2 Thiết bị thí nghiệm 68 3.3 Thiết kế thí nghiệm 76 3.4 Kết thảo luận 78 3.4.1 Thực nghiệm so sánh 80 3.4.2 Lựa chọn thông số gia cơng hợp lí 87 3.5 Kết luận chương 91 Chương 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 4.1 Kết luận 92 4.2 Kiến nghị 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Nguyên lý gia công siêu âm Hình Ngun lí gia cơng siêu âm quay [76]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt Hình Rung động siêu âm trợ giúp tiện [75] 11 Hình Các phương án bổ xung rung động vào q trình gia cơng [54][41] 13 Hình Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [77][37] 15 Hình Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [77][37] 16 Hình Kiểu rung UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp .17 Hình Mơ hình mũi khoan rung-phôi quay [8] .17 Hình Mơ hình phơi rung mũi khoan quay [9][45] 18 Hình 10 Mơ hình mũi khoan vừa rung vừa quay [66] 18 Hình 11 Cơ chế rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58] 19 Hình 12 Mơ hình liên kết nguyên tử 24 Hình 13 Hình dạng số mode truyền sóng 26 Hình 14 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 28 Hình 15 Ảnh hưởng từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính để tạo rung động học .28 Hình 16 Hiệu ứng áp điện 29 Hình 17 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng xếp chồng .30 Hình 18 Hệ thống siêu âm cơng suất [26][60] 32 Hình 19 Mơ hình rung động dọc trục vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung ứng suất; (b) ứng suất chuyển vị phân tố [27][61] 33 Hình 20 Hệ thống rung siêu âm .35 Hình 21 Cấu tạo chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] 36 Hình 22 Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc [12][63] .39 Hình 23 Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc 40 Hình 24 Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc 40 Hình 25 Mơ hình hóa chuyển đổi siêu âm mạch vòng Mason 43 Hình 26 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở .45 Hình 27 Phương pháp I - V 46 Hình 28 Sơ đồ mạch cầu tự cân đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng khuếch đại 46 Hình 29 Ngun lí đo rung động LDV [73][69] .47 Hình 30 Ngun lí đo rung động cảm biến sợi quang (hình ảnh từ trang web https://www.mtiinstruments.com/technology-principles/fiber-optic-sensors/) 48 Hình 31 Ngun lí đo rung động cảm biến dòng cảm ứng (hình ảnh từ trang web https://www.shinkawaelectric.com/en/column/20170807.html) .48 Hình 32 Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: (a) sử dụng ống kẹp (collet) [43][53], (b) sử dụng ren vít cố định trực tiếp vào đầu khuếch đại biên độ [70] 49 Hình 33 Bộ chuyển đổi siêu âm YP-5020-4Z 52 Hình 34 Máy phát điện MPI WG3000 .52 Hình 35 Cấu tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan: (1) Mâm cặp, (2) ống gá, (3) chuyển đổi siêu âm, (4) đầu khuếch đại biên độ, (5) bích kẹp, (6) vít trí, (7) collet kẹp mũi khoan, (8) mũi khoan, (9) nòng trục máy tiện, (10) chổi than-cổ góp 53 Hình 36 Thiết bị thực: (a) – chổi than cổ góp, (b) – cấu rung siêu âm trợ giúp khoan .54 Hình 37 Các kích thước đầu khuếch đại biên độ gắn collet mũi khoan 55 Hình 38 Mơ hình phân tích mơ đầu khuếch đại biên độ gắn collet mũi khoan 55 v Hình 39 Thiết bị sóng PicoScope 2204A 56 Hình 40 Biểu đồ Bode phân tích phần mềm FRA4PS 58 Hình 41 Dữ liệu xử lí phần mềm OriginLab 58 Hình 42 Phổ trở kháng chuyển đổi phân tích phần mềm Originlab 59 Hình 43 Thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR .60 Hình 44 Phổ trở kháng cấu rung phân tích thiết bị HIOKI3532-50 LCR 61 Hình 45 Xác định tần số cộng hưởng đầu rung máy phát MPI-WG3000 63 Hình 46 Đo biên độ rung sử dụng micrometer S M Hoseini J Akbari [62][79] 65 Hình 47 Đo biên độ rung sử dụng micrmeter W L Cong T Z.J.Pei [23] 65 Hình 48 Đo biên độ rung đồng hồ so (MИΓ) độ phân giải µm 66 Hình 49 Đo biên độ rung Panme .67 Hình 50 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .68 Hình 51 Ảnh chụp phơi thí nghiệm 69 Hình 52 Mũi khoan thí nghiệm 70 Hình 53 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc IRTP_300LS .70 Hình 54 Quan hệ điện áp cảm biến (V) với nhiệt độ đo phơi (0C) .71 Hình 55 Ảnh chụp Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA 72 Hình 56.Q uan hệ điện áp cảm biến (V) lực dọc trục (N) 72 Hình 57 Cảm biến mô men PCB 2508-106-03A .73 Hình 58 Quan hệ điện áp cảm biến (V) mô men (Ncm) 73 Hình 59 Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A 74 Hình 60 Bộ thu thập liệu NI PCI-6010 cổng kết nối NI-CB-37F-LP 75 Hình 61 Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm 76 Hình 62 Các thông số lực momen lớn nhất, lực momen cắt 79 Hình 63 Biểu đồ so sánh mô men CD UAD: (a) mô men cắt, (b) mô men lớn 80 Hình 64 Biểu đồ so sánh lực dọc trục CD UAD: (a) lực dọc trục cắt, (b) lực dọc trục lớn 81 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Quĩ đạo rung dụng cụ cắt (DCC) siêu âm trợ giúp gia công [77][37] 14 Bảng Phân loại ứng dụng sóng âm dựa dải tần số 23 Bảng Vận tốc truyền âm số vật liệu kĩ thuật .24 Bảng Trở kháng âm số vật liệu kĩ thuật 27 Bảng Thông số rung chuyển đổi siêu âm sử dụng số công bố 51 Bảng Thông số chuyển đổi siêu âm 52 Bảng Thông số máy phát điện siêu âm 52 Bảng Bảng thông số kĩ thuật thiết bị sóng PicoScope 2204A 56 Bảng Thông số kĩ thuật máy HIOKI3532-50 LCR 60 Bảng 10 Tần số cộng hưởng cấu rung siêu âm trợ giúp khoan độ dài mũi khoan thay đổi 61 Bảng 11 Thông số máy tiện .69 Bảng 12 Thành phần hóa học Al6061 70 Bảng 13 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt .70 Bảng 14 Thông số kĩ thuật cảm biến lực 72 Bảng 15 Thông số cảm biến mô men 73 Bảng 16 Thơng số khuếch đại tín hiệu 74 Bảng 17 Thông số kỹ thuật thu thập liệu 75 Bảng 18 Các mức giá trị thơng số thí nghiệm 76 Bảng 19 Ma trận thí nghiệm Taguchi L27 77 Bảng 20 Giá trị thơng số đầu thí nghiệm Taguchi L27 79 Bảng 21 Tỉ số S/N tiêu chuẩn hóa khoảng [0-1] .88 Bảng 22 Hệ số quan hệ xám .89 Bảng 23 Mức độ ảnh hưởng thông số gia công đến độ xám .90 vii THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thơng tin chung - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia cơng lỗ sâu - Mã số: ĐH2013-TN02-09 - Chủ nhiệm: Chu Ngọc Hùng - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN - Thời gian thực hiện: 2013 - 2015 Mục tiêu Thiết kế, chế tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, đảm bảo nâng cao suất chất lượng lỗ khoan Tính sáng tạo - Nghiên cứu triển khai thành cơng bước tính tốn thiết kế chế tạo thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia cơng khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu đường kính 10 Hệ thống chưa thấy công bố nước - Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu hợp kim nhôm Al6061 Kết nghiên cứu công bố 06 báo khoa học quốc gia quốc tế, có 01 tạp chí thuộc danh mục Scopus Kết nghiên cứu - Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính tốn, chế tạo lắp ráp thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia cơng khoan lỗ sâu; - Thiết bị thí nghiệm sử dụng triển khai thí nghiệm cho 06 báo khoa học nước quốc tế, Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước công nhận Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học Công bố 06 báo khoa học, có 04 báo quốc gia, 01 báo danh mục Scopus 01 báo quốc tế có số ISSN Cụ thể là: viii - Van-Du Nguyen, Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep holes”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), 9(6), pp 899–908, ISSN: 0976-6340; - Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu, Van-Du Nguyen (2018), "A Study on Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp 283-296, ISSN: 2454-2377; - Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng (2015), "Giải pháp khoan lỗ sâu hợp kim nhơm có trợ giúp rung động tần số thấp", Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 6, tr 14-17; - Chu Ngọc Hùng, Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Thị Thảo (2016), "Một số kết thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực gia cơng khoan lỗ sâu tích hợp rung", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr 9-13; - Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh (2016), "Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng kích thước đầu rung siêu âm cơng suất lớn đến tần số cộng hưởng rung động", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr 19-23; - Chu Ngọc Hùng, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự (2017), "Đánh giá hiệu ứng giảm ma sát trượt thép gió nhơm bổ sung rung động siêu âm", Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên, 176(16), tr 3136 5.2 Sản phẩm đào tạo Kết đề tài trực tiếp phục vụ nội dung nghiên cứu Chủ nhiệm đề tài q trình làm nghiên cứu sinh, nội dung 02 chuyên đề NCS - Chu Ngọc Hùng (2014), Chế tạo cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp