Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động hỗ trợ tới quá trình gia công tiện

Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động hỗ trợ tới quá trình gia công tiện Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động hỗ trợ tới quá trình gia công tiện Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động hỗ trợ tới quá trình gia công tiện Nghiên cứu ảnh hưởng của dao động hỗ trợ tới quá trình gia công tiện

TĨM TẮT Phương pháp gia cơng dao động hỗ trợ (VAM) kỹ thuật cắt hiệu cho vật liệu khó gia cơng Người ta thấy phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ (VAM) bị ảnh hưởng bốn thông số quan trọng: tần số rung dao, biên độ rung dao, tốc độ cắt phôi lượng chạy dao xác định độ nhám bề mặt Tuy nhiên, mối quan hệ độ nhám bề mặt tham số VAM chưa thiết lập rõ ràng Bài viết trình bày trước hết chế làm tham số ảnh hưởng đến VAM Với lý thuyết nghiên cứu, thiết lập tỷ lệ tốc độ cắt theo tần số tốc độ nạp theo biên độ dao động đóng vai trị quy trình VAM, giúp cải thiện chất lượng bề mặt Bài viết thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tham số biên độ tần số chất lượng bề mặt q trình cắt thép khơng gỉ 304 cách áp dụng phương pháp VAM phương pháp tiện thông thường (CT) Người ta quan sát phương pháp VAM hứa hẹn bề mặt tốt so với phương pháp CT Các kết luận rút điều kiện định, biên độ dao động nhỏ hơn, chất lượng bề mặt xấu tần số rung cao chất lượng bề mặt tốt Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2020 NGUYỄN NGỌC HÒA iv SUMMARY The vibration assisted machining (VAM) method is an efficient cutting technique for difficult-to-machine materials It is found that the VAM mechanism is influenced by four important parameters: tool vibration frequency, tool vibration amplitude, workpiece cutting speed and feed rates that determine the surface roughness However, the relation between the surface roughness and these parameters in the VAM is not clearly established This paper presents firstly the mechanism how these parameters effect the VAM With theories studied, it’s established that ratio of cutting speed to frequency vibration, and feed rates to amplitude vibration plays a key role in the VAM process, which improves surface quality This paper also experimentally investigates the effect of cutting parameters on cutting performances in the cutting of SUS 304 by applying both the VAM and the conventional turning (CT) methods It is observed that the VAM method promises better surface as compared to the CT method The conclusions are draw in given conditions, the smaller amplitude of the vibration, the worse the surface quality and the higher vibrating frequency, the better surface quality HCM April 15,2020 NGUYEN NGOC HOA v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv SUMMARY v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ xii Chương 13 TỔNG QUAN 13 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 14 1.3 Tổng quan độ nhám bề mặt 14 1.4 Khớp mềm-Flexure hinge 20 1.5 Giới thiệu thiết bi dao động PZT-Lead zirconate titanate 22 1.6 Tổng quan vật SUS304 23 1.7 Tổng quan dao động hỗ trợ gia công (VAM) 23 1.8 Nghiên cứu tổng quan 27 1.9 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 31 vi 1.10 Mục tiêu nghiên cứu 32 Chương 32 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 32 2.1 Lý thuyết cắt gọt phương pháp gia công tiện 32 2.2 Độ nhám bề mặt 35 2.3 Động học dao động hỗ trợ gia công tiện 39 2.4 Ảnh hưởng tần số dao động hỗ trợ tới độ nhám bề mặt 41 2.5 Ảnh hưởng biên độ dao động hỗ trợ tới độ nhám bề mặt 42 2.6 Ảnh hưởng góc lệch pha ban đầu tới độ nhám bền mặt 𝑺 ≤ 𝟐𝑨 44 Chương 46 THỰC NGHIỆM 46 3.1 Thiết bị thực nghiệm 46 3.2 Thiết lập thực nghiệm 52 3.3 Kết thảo luận 54 Chương 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 4.1 Kết Luận 57 4.2 Hướng Phát Triển 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 64 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VAT: Vibration Assisted Turning VAM: Vibration Assisted Machining UVC: Ultrasonic Vibration Cutting LVAT: Low-frequency Vibration Asissted Turning EDM: Electric Discharge Machining ECM: Electrochemical Machining LBM: Laser Beam Machining PZT: Lead Zirconate Titanate EVA: Elliptical Vibration Asissted 1D: Direction 2D: Direction TWCR: Tool workpiece contact ratio BUE: Built Up Edge viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình.1 Ảnh hưởng điều kiện làm mát khác lên độ nhám bề mặt [11] 15 Hình.2 (a) Cơng cụ máy tương tác trình cắt chế (b)cơ chế dao động gia công tiện [24] 16 Hình.3 Các loại hao mịn dụng cụ cắt 18 Hình.4 BUE ảnh hướng tới bề mặt gia công 19 Hình.5 Một số loại khớp mềm-Flexure hinge 21 Hình.6 Cán dao thiết kế thêm Flexure hinge 21 Hình.7 Cách lắp đặt PZT cách không cách 22 Hình.8 Các hướng dao động VAM 24 Hình.9 Cấu tạo của1D VAM 25 Hình.10 a 2D VAM với PZT xếp vng góc; b 2D VAM với PZT xếp song song [5] 26 Hình.11 a VAM D theo phương xuyên tâm, b VAM 1D theo phương vận tốc cắt, c VAM 1D theo phương tiến dao [2] 27 Hình.12 VAM2D [5] 27 Hình.13 Các dạng dao động VAM [5] 27 Hình.14 Mơ tả thơng số cắt gọt 33 Hình.15 Lượng chạy dao s 34 ix Hình.16 Chiều cao nhấp nhô với dao r=0 r≠0 35 Hình.17 a Ra, b Rz, Rt theo ISO 4287 36 Hình.18 Độ cao lớn gia cơng tiện 38 Hình.19 Độ nhám bề mặt gia cơng tiện sử dụng dao có mũi cắt r 38 Hình.20 Tiện trục với dao động dọc trục 40 Hình.21 Vết dao VAM 41 Hình.22 Mơ vết dao trường hợp s2A 43 Hình.23 Các trạng thái cắt a cắt liên tục, b cắt khơng liên tục 44 Hình.24 Hai vết cắt tiếp tuyến với 45 Hình.25 Máy tiện Jassey Studturn 47 Hình.26 Thông số PZT 48 Hình.27 Máy tạo xung AFG 1022 48 Hình.28 Thơng số kỹ thuật E421 49 Hình.29 Cán dao có khớp mềm 49 Hình.30 Thiết lập đo biên độ khớp mềm 50 Hình.31 Kích thước hình sau gia cơng ball tip 51 Hình.32 Quan sát kính hiển vi điện tử 52 Hình.33 Mơ tả thiết lập thực nghiệm 52 Hình.34 a gia cơng truyền thống; b gia cơng có dao động hỗ trợ (F=1KHz, A=6μm); c.VAM (F=0.5KHz, A=6μm); d VAM (F=0.25KHz, A=6μm) 57 Hình.35 a Phoi gia cơng truyền thống b Phoi gia cơng có dao động hỗ trợ 57 x DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng.1 Các cấp độ nhám chiều dài chuẩn 36 Bảng.2 Thông số tương đương Vpp biên độ 49 Bảng.3 Thông số kỹ thuật SJ-210 51 Bảng.4 Thống số mảnh dao 53 Bảng.5 Cơ tính SUS 304 (DIN 1.4301) 53 Bảng.6 Thành phần hóa học SUS304 53 Bảng.7 Thông số cắt thông số dao dộng 54 Bảng.8 Bảng thông số thực nghiệm kết đo Ra 54 xi DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ Biểu Đồ.1 Ảnh hưởng tần số dao động tới độ nhám 56 xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Những năm đầu kỷ XXI, nhân loại chứng kiến nhiều biến đổi sâu rộng giới, phát triển mạnh mẽ cách mạng khoa học công nghệ đại Mà đặc trưng ngành công nghệ cao công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu - công nghệ nano, công nghệ lượng mới, công nghệ hàng không vũ trụ ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực đời sống, kinh tế, trị quốc tế, làm thay đổi diện mạo giới ngày Trong phát triển vĩ đại đó, ngành cơng nghiệp khí chế tạo đóng vai trị có tính tảng có diện tất lĩnh vực kinh tế - xã hội cộng đồng quốc tế Chính vậy, phát triển ngành khí điều kiện cần để phát triển ngành kỹ thuật khác Nhu cầu ngày cao chi tiết với độ xác cao, làm vật liệu cứng giịn kính, thấu kính, gốm sứ tiên tiến, hợp kim cường độ cao, vật liệu tinh thể đơn, v.v vv Do đó, phát triển gia cơng có độ xác cao năm gần tập trung vào gia công chi tiết nhỏ với yêu cầu cao độ nhám bền mặt Khi gia công chi tiết này, phương pháp gia công truyền thống không đáp ứng yêu cầu ngành công nhiệp đại ngày Hơn nữa, phương pháp gia công tiên tiến EDM, gia công điện hóa (ECM – Electrochemical Machining), phương pháp gia cơng chum tia laser (LBM-Laser Beam Machining), không sử dụng nhiều chi phí cao, tiêu hao nhiều lượng, hạn chế vật liệu gia cơng, nhiệt sinh q trình gia cơng làm hóa cứng bề mặt gia cơng gây khó cho ngun cơng khác Vì thế, việc kiết hợp phương pháp đại truyền thống xem xét pháp triển Một phương pháp kết hợp thêm dao động gia công Từ vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu dao động hỗ trợ cho phương pháp gia công tiện môt hướng nghiển cứu có thực tiễn cao 13 d c a gia cơng truyền thống; b gia cơng có dao động hỗ trợ (F=1KHz, Hình.34 A=6μm); c.VAM (F=0.5KHz, A=6μm); d VAM (F=0.25KHz, A=6μm) Một vấn đề khác gia công truyền thống phoi bị kẹt dụng cụ cắt chi tiết gia cơng Nó làm xước bề mặt gia công tăng độ nhám bề mặt Gia cơng có dao động hỗ trợ khơng quan sát thấy tượng bị kẹt phoi, q trình cắt khơng liên tục nên phoi ln bị gãy a b a Phoi gia công truyền thống b Phoi gia cơng có dao động hỗ trợ Hình.35 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết Luận Bài luận nêu lên lý thuyết ảnh hưởng tần số dao động hỗ trợ gia cơng tiện Dựa lý thuyết thực nghiệm thành công vật liệu SUS304 rút số kết luận sau: 57 Việc áp dụng VAM với tần số thấp F=0.25-1kHz biên độ nhỏ A=1-6μm vào gia công tiện theo phương dọc trục đạt đươc độ bóng bề mặt tốt so với gia công truyền thống từ 8-18% Độ nhám bề mặt chi tiết gia công tỉ lệ nghịch với tần số dao động hỗ trợ Tỉ số Vc/F nhỏ cho giá tri độ nhám tốt Độ nhám bề mặt chi tiết gia công tỉ lệ nghịch với biên độ dao động hỗ trợ Tỉ số S/A nhỏ cho giá tri độ nhám tốt 4.2 Hướng Phát Triển Tìm phương pháp đo để xác định tần số dao động dụng cụ cắt với chi phí thấp Nghiên cứu thay đổi Vc/F S/A muốn giảm thời gian gia công độ nhám không đổi Nghiên cứu thêm ảnh hưởng hính dáng hình học dao, vật liệu, thông số cắt vận tốc cắt, lượng ăn dao, chiều sâu cắt dao dộng hỗ trợ theo phương dọc trục nhằm hoàn thiện lý thuyết để đưa vào thực tế sản xuất Thêm thí nghiệm với tần số biên độ lớn để quan sát tượng cắt lại cắt không liên tục Thực thí nghiệm để chế tạo tạo dao động nhỏ gọn có tần số cao, khoảng biên độ lớn, giá thành thấp để dễ áp dụng vào thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Milton C Shaw Metal Cutting Principles Oxford University Press,2005, pages [2] Andreas Nestler, Andreas Schubert Surface Properties in Ultrasonic Vibration Assisted Turning of Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites Procedia CIRP 13, 2014 [3] V.I Babitsky, A.N Kalashnikov, A Meadows, A.A.H.P Wijesundara Ultrasonically assisted turning of aviation materials Materials Processing Technology, Vol.132, pp.157–167, 2003 58 [4] Reza Nosouhi, Saeed Behbahani, Saeed Amini, Mohammad Reza Khosrojerdi An experimental study on the cutting forces, surface roughness and the hardness of Al 6061 in 1D and 2D ultrasonic assisted turning Applied Mechanics and Materials, Vol.680, pp.224-227, 2014 [5] Wei-Xing Xu, Liang-Chi Zhang Ultrasonic vibration-assisted machining: principle, design and application Advances in Manufacturing, Vol.3, pages 173–192, 2015 [6] Feng Jiao, Xiang Liu, Chong yang Zhao and Xiong Zhang Experimental Study on the Surface Micro-Geometrical Characteristics of Quenched Steel in Ultrasonic Assisted Turning Advanced Materials Research, Vol.189-193, pp 4059-4063, 2011 [7] A Schubert, A Nestler, S Pinternagel, H Zeidler Influence of ultrasonic vibration assistance on the surface integrity in turning of the aluminum alloy AA2017 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2011 [8] R Muhammad, A Maurotto, A Roy, V V Silbe rschmidt Ultrasonically assisted turning of Ti -6Al-2Sn-4Zr-6Mo Journal of Physics, Vol.382,2012 [9] Agostino Maurotto, Riaz Muhammad, Anish Roy, Vadim V Silberschmidt Enhanced ultrasonically assisted turning of a β-titanium alloy Ultrasonic, Vol.53, pp.1242–1250, 2013 [10] K Vivekananda, G.N Arka, S.K Sahoo Finite element analysis and process parameters optimization of ultrasonic vibration assisted turning (UVT) 3rd Procedia Material Science, Vol 6, pp.1906-1914, 2014 [11] Vadim V Silberschmidt, Sameh M A Mahdy, Moustafa A Gouda, Ahmed Naseer, Agostino Maurotto, Anish Roy Surface-roughness improvement in ultrasonically assisted turning 2nd CIRP 2nd CIRP Conference on Surface Integrity (CSI), 2014 [12] Qiang Wanga, Yongbo Wub, Jia Gu, Dong Lu, Yuebo Ji, Mitsuyoshi Nomura Fundamental Machining Characteristics of the In-base-plane Ultrasonic Elliptical Vibration assisted Turning of Inconel 718 Procedia CIRP, Vol.42, pp.858-862, 2016 59 [13] Varun Sharma, Pulak M Pandey Optimization of machining and vibration parameters for residual stresses minimization in ultrasonic assisted turning of 4340 hardened steel Ultrasonics, Vol.70, pp 172–182, 2016 [14] S.A Sajjady, H Nouri Hossein Abadi, S Amini, R Nosouhi Analytical and experimental Study of topography of surface texture in ultrasonic vibration assisted turning, Material and design, Vol.5, pp.311-323, March 2016 [15] Naresh Kumar Maroju, Krishna P Vamsi, Jin Xiaoliang Investigations on feasibility of low-frequency vibration-assisted turning Advanced Manufacturing Technology, Vol.91, pp.3775-3788, 2017 [16] Shamoto E, Suzuki N Development of elliptical vibration cutting technology and its application to ultraprecision/micro machining of hard/brittle materials Ultra-Precis Mach Technol, 2009 [17] Khan, M M A.; Mithu, M A H.; Dhar, N R Effects of Minimum Quantity Lubrication on Turning AISI 9310 Alloy Steel Using Vegetable Oil-Based Cutting Fluid.J Mater Proc Tech, 209(15–16), 5573–5583 2009 [18] D.E Brehl, T.A Dow Review of vibration-assisted machining Precision Engineering, Vol.32, pp.153–172, 2008 [19] Maroju Naresh Kumar, Kanmani Subbu S., Vamsi Krishna P.and Venugopal A Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining Procedia Engineering, Vol 97, pp.1577 – 1586, 2014 [20] J.C Outeiroa, J.P Costesa, J.R Kornmeierb, Cyclic variation of residual stress induced by tool vibration in machining operations Procedia CIRP, Vol.8, pp.493– 497,2013 [21] Inigo Llanos, Angela Campa, Ariance Iturbe, Pedro J Arrazola, Oier Zelaieta Experimental Analysis of Cutting Force Reduction During Ultrasonic Assisted Turning of Ti6Al4V Procedia CIRP, Vol.77, pp 86-89, 2018 60 [22] Xinggang Jiang, Xiangyu Zhang, Xianbin Zhu, He Sui, and Deyuan Zhang Study of Phase Shift Control in High-Speed Ultrasonic Vibration Cutting IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL 65, NO 3, 2018 [23] Xiangyu Zhang, He Sui, Deyuan Zhang, Xinggang Jiang Study on the separation effect of high-speed ultrasonic vibration cutting Ultrasonics, Vol 87, pp.166–181, 2018 [24] Xianfu Liu, Debao Wu, Jianhua Zhang, Xiangyi Hu, Ping Cui Analysis of surface texturing in radial ultrasonic vibration-assisted turning Journal of Materials Processing Tech, Vol.267, pp 186–195, 2019 [25] Zhang Xiangyu, Lu Zhenghui, Sui He, Zhang Deyuan Surface Quality and Residual Stress Study of hight speed ultrasonic Vibration turning Ti6Al4V Alloys Procedia CIRP, Vol.71, 79-82, 2018 [26] Zhenghui Lu, Deyuan Zhang, Xiangyu Zhang, Zhenlong Peng Effects of highpressure coolant on cutting performance of high-speed ultrasonic vibration cutting titanium alloy Journal of Materials Processing Tech, 2019 [27] Siddhpura, M.; Paurobally, R A Review of Chatter Vibration Research in Turning Tools &Manuf, Vol.61, pp.27–47,2012 [28] Tobias, S A Machine Tool Vibration Research Tool Des & Res, Vol.1, pp 1–14, 1961 [29] XianfuLiu, JianhuaZhang, XiangyiHua, DebaoWua Influence of tool material and geometryonmicro-textured surface in radial ultrasonic vibration-assisted turning International Journal of Mechanical Sciences, Vol 152, pp.545–557, 2019 [30] Qiang Wanga, Yongbo Wub, Jia Gu, Dong Lu, Yuebo Ji, Mitsuyoshi Nomura Fundamental Machining Characteristics of the In-base-plane Ultrasonic Elliptical Vibration assisted Turning of Inconel 718 Procedia CIRP, Vol 42, pp 858 – 862, 2016 [31] Varun Sharma and Pulak M Pandey Recent advances in ultrasonic assisted turning: A step towards sustainability Cogent Engineering, 2016 61 [32] Varun Sharma, Pulak M Pandey Optimization of machining and vibration parameters for residual stresses minimization in ultrasonic assisted turning of 4340 hardened steel Ultrasonics, Vol 70, pp 172–182, 2016 [33] Lai Zou, Yun Huang, Ming Zhou & Lian Duan Investigation on Diamond Tool Wear in Ultrasonic Vibration Assisted Turning Die Steels, Materials and Manufacturing Processes, 2017 [34] Dogra, M.; Sharma, V S.; Dureja, J Effect of Tool Geometry Variation on Finish Turning- A Review International Conference of Advance Research and Innovation, 2011 [35] Piyu Wang, Qingsong Xu Design of a flexure-based constant-force XY precision positioning stage, Mechanism and Machine Theory, Vol.108, pages 1-13, 2017 [36] MM Ratnam Factors Affecting Surface Roughness in Finish Turning Materials Science and Materials Engineering, 2017 [37] Chandra Nath, M Rahman Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol.48, pp 965– 974, 2008 [38] Chandra Nath, Mustafizur Rahman, Ken Soon Neo A study on the effect of tool nose radius in ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide, Journal of Materials Processing Technology, Vol 209, pp 5830–5836, 2009 [39] Wuyi Chen Cutting forces and surface finish when machining medium hardness steel using CBN tools International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol 40, pp 455–466, 2000 [40] Masahiko Jin, Masao Murakawa Development of a practical ultrasonic vibration cutting tool system Journal of Materials Processing Technology, Vol.113, pp 342347, 2011 [41] G.F Gao, B Zhao, F Jiao, C.S Liu Research on the influence of the cutting condition on the surface microstructure of ultra-thin wall parts in ultrasonic vibration cutting Journal of Materials Processing Technology, Vol 129, pp 66-70, 2002 62 [42] M Xiaoa, K Sato, S Karube, T Soutome The effect of tool nose radius in ultrasonic vibration cutting of hard metal International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol 43, pp 1375–1382, 2003 [43] V.I Babitsky, A.N Kalashnikov, A Meadows, A.A.H.P Wijesundara Ultrasonically assisted turning of aviation materials Journal of Materials Processing Technology, Vol 132, pp.157–167, 2003 [44] M Xiaoa, Q.M Wang, K Sato, S Karube, T Soutome, H.Xu The effect of tool geometry on regenerative instability in ultrasonic vibration cutting International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol 46, pp 492–499, 2006 [45] Chandra Nath, M Rahman Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol 48, pp 965– 974, 2008 [46] Chandra Nath, Mustafizur Rahman, Ken Soon Neo A study on the effect of tool nose radius in ultrasonic elliptical vibration cutting of tungsten carbide Journal of Materials Processing Technology, Vol 209, pp 5830–5836, 2009 [47] M J Nategh, S Amini, H Soleimanimehr Modeling the Force, Surface Roughness and Cutting Temperature in Ultrasonic Vibration-Assisted Turning of Al7075 Advanced Materials Research, Vols 83-86, pp 315-325, 2010 [48] Shigeomi Koshimizu Ultrasonic Vibration-Assisted Cutting of Titanium Alloy Key Engineering Materials, Vols 389-390, pp 277-282, 2009 [49] Zhou Zhimin, Zhang Yuanliang, Li Xiaoyan, Zhou Huiyuan, and Sun Baoyuan Influences of Various Cutting Parameters on the Surface Roughness during Turnings Stainless Steel Acoustical Physics, Vol 57, No 1, pp 114–120, 2011 [50] S.A Sajjady, H Nouri Hossein Abadi, S Amini, R Nosouhi Analytical and experimental study of topography of surface texture in ultra-sonic vibration assisted turning, Materials & Design Vol 93, pp 311-323, 2016 [51] Hanmin Shi Metal Cutting Theory New Perspectives and New Approaches Switzerland: Springer Nature, 2018 63 [52] Dauid Whitehouse Surface and their Measurement Hermes Penton Ltd, 2002 [53] V I Babitsky Theory of Vibro-Impact Systems and Applications Berlin: SpringerVerlag, 1998 PHỤ LỤC …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 64 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG HỖ TRỢ TỚI Q TRÌNH GIA CƠNG TIỆN RESEARCH ON THE INFLUENCES OF VIBRATION ASSISTED TURNING ON SURFACE ROUGHNESS Hoang Trung Kien1, Nguyen Ngoc Hoa2 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TĨM TẮT Phương pháp gia cơng dao động hỗ trợ (VAM) kỹ thuật cắt hiệu cho vật liệu khó gia cơng Người ta thấy phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ (VAM) bị ảnh hưởng bốn thông số quan trọng: tần số rung dao, biên độ rung dao, tốc độ cắt phôi lượng chạy dao xác định độ nhám bề mặt Tuy nhiên, mối quan hệ độ nhám bề mặt tham số VAM chưa thiết lập rõ ràng Bài viết trình bày trước hết chế làm tham số ảnh hưởng đến VAM Với lý thuyết nghiên cứu, thiết lập tỷ lệ tốc độ cắt theo tần số tốc độ nạp theo biên độ dao động đóng vai trị quy trình VAM, giúp cải thiện chất lượng bề mặt Bài viết thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tham số biên độ tần số chất lượng bề mặt q trình cắt thép khơng gỉ 304 cách áp dụng phương pháp VAM phương pháp tiện thông thường (CT) Người ta quan sát phương pháp VAM hứa hẹn bề mặt tốt so với phương pháp CT Các kết luận rút điều kiện định, biên độ dao động nhỏ hơn, chất lượng bề mặt xấu tần số rung cao chất lượng bề mặt tốt Từ khóa: Dao động hỗ trợ; độ nhám bề mặt; tần số dao động, biên độ dao động, lượng chạy dao ABSTRACT The vibration assisted machining (VAM) method is an efficient cutting technique for difficult-to-machine materials It is found that the VAM mechanism is influenced by four important parameters: tool vibration frequency, tool vibration amplitude, workpiece cutting speed and feed rates that determine the surface roughness However, the relation between the surface roughness and these parameters in the VAM is not clearly established This paper presents firstly the mechanism how these parameters effect the VAM With theories studied, it’s established that ratio of cutting speed to frequency vibration, and feed rates to amplitude vibration plays a key role in the VAM process, which improves surface quality This paper also experimentally investigates the effect of cutting parameters on cutting performances in the cutting of SUS 304 by applying both the VAM and the conventional turning (CT) methods It is observed that the VAM method promises better surface as compared to the CT method The conclusions are draw in given conditions, the smaller amplitude of the vibration, the worse the surface quality and the higher vibrating frequency, the better surface quality Keywords: vibration assited machining, surface roughness, frequency vibration;amplitude vibration, feed rates thiết bị đo lường không phá hủy, làm công nghệ y tế Khi sử dụng rung siêu âm cho quy trình sản xuất, quy trình siêu âm phân loại thành quy trình dựa Chương GIỚI THIỆU Có nhiều ứng dụng cho thiết bị siêu âm Các ứng dụng điển hình bao gồm 65 siêu âm hàn siêu âm quy trình hỗ trợ siêu âm, ví dụ micro EDM (gia cơng phóng điện) Các q trình cắt với lưỡi cắt hỗ trợ dao động báo cáo có lợi ích đáng kể Nhiệt độ q trình thấp làm giảm hao mịn dao [2] khả gia công thép cứng lưỡi cắt kim cương [6] Hơn nữa, vật liệu dễ vỡ thủy tinh cắt dao cắt kim cương đơn tinh thể thêm dao động hỗ trợ vào lưỡi cắt [3] Lực cắt giảm rõ rệt trình áp dụng dao động hỗ trợ so với trình cắt mà truyền thống Điều chứng minh cho việc khoan lỗ sâu hợp kim nhôm silicon hypereutectic [4] ứng dụng cho vật liệu nhôm composite [7] Một lợi khác việc cắt vật liệu dẻo xu hướng giảm việc hình thành lẹo dao Chương THỰC NGHIỆM 6.1 Lý thuyết dao động hỗ trợ (VAM) Hình minh họa ứng dụng dao động theo phương dọc trục tiện trụ Một điểm bể mặt cắt chọn để miêu ta phương trình động học dao cắt Phương trình vị trí vận tốc đầu dao thời điểm t x(t) x’(t): 𝑧(𝑡) = 𝐴𝑠𝑖𝑛(𝑤𝑡) + 𝑣𝑓 𝑡 (1) 𝑧’(𝑡) = 𝑤𝐴𝑐𝑜𝑠(𝑤𝑡) + 𝑣𝑓 (2) Phương trình điểm p hình viết sau: 𝑟 = 𝑟𝑝 𝑛.𝜋 { 𝜃 = 𝑤𝑛 𝑡 = 30 𝑡 𝑧 = 𝐴𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝐹𝑡) + 𝑣𝑓 𝑡 Trong gia cơng khí, chất lượng bề mặt yêu cầu cụ thể khách hàng Độ nhám bề mặt yếu tố để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công Độ nhám bề mặt thông số quan trọng đại diện cho chất lượng bề mặt phơi gia cơng siêu xác [6] Nhiều nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm độ nhám bề mặt sản phẩm gia công báo cáo Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết tiện, thông số cắt, vật liệu dao cắt, thơng số hình học dao độ mài mịn nó, cấu trúc vật liệu đặc tính chuyển động dao phôi, bôi trơn điều kiện làm mát, độ cứng vững hệ thống Điều quan trọng hiệu suất tiện độ nhám bề mặt phải cân nhắc nhằm đảm bảo chất lượng gia công giảm chi phí gia cơng [6] Có nhiều nghiên cứu xây dựng mơ hình dự đốn xác cho độ nhám bề mặt độ mòn dụng cụ gia cơng truyền thống Mục đích nghiên cứu ứng dụng dao động hỗ trợ theo phương dọc trục gia công tiện để khám phá ảnh hưởng thông số dao động biên độ tần số tới độ nhám bề mặt tiện thép không gỉ Những kết cho thấy ảnh hưởng đáng kể tần số biên độ đến độ nhám bề mặt (3) Trong đó, A biên độ dao động (mm), F tần số dao động (Hz), Vf vận tốc chạy dao (mm/s), W=2πF tần số góc (rad/s) rp bán kính bề mặt cắt (mm); ap chiều sâu cắt (mm); wn vận tốc góc trục (rad/s); n tốc độ quay trục (vịng/ phút); s lượng chạy dao (mm/vòng) Dao động hỗ trợ dọc trục tiện Thời gian để quay góc θ vận tốc chạy dao 𝑡= 30.𝜃 𝑛.𝜋 ; 𝑣𝑓 = (4) 𝑛.𝑠 60 Thay vào phương trình z: 𝑧 = 𝐴𝑠𝑖𝑛 ( 60.𝐹 𝑛 𝑠 𝜃) + 2𝜋 𝜃 (5) Ảnh hưởng biên độ dao động hỗ trợ lên 66 độ nhám bề mặt Từ phương trình ta có tần số cắt: 𝑤𝑓 = 60𝐹 𝑛 (6) =𝐾+𝜀 K biểu diễn chu kỳ nguyên, 𝜀 biểu diễn cho phần lẻ chu kỳ ≤ 𝜀 ≤ Nếu 𝜀 = vết cắt hai đường dao liền kề song song với Nó có nghĩa pha ban đầu hai vết cắt giống nhau, khơng có tượng lệch pha Nếu 𝜀 ≠ vết cắt hai đường dao liền kề giao với Nó có nghĩa pha ban đầu hai vết cắt khác nhau, có tượng lệch lệch pha Lệch pha φ, tính sau: Mơ vết dao trường hợp s2A Ảnh hưởng tần số dao động tới độ nhám bề măt Kích thước bước sóng tính cơng thức (7) φ = 2πε Phương trình động học vết cắt thứ N, tính: zN = Asin (wf θ + (N − 1)φ) + s θ + (N − 1) s 2π 𝜆= (9) Để dao không tiếp xúc liên tục với bề mặt gia cơng vết cắt N N+1 phải giao nhau, hay giá trị nhỏ 𝑧𝑁+1 − 𝑧𝑁 ≤ −2𝐴 + 𝑠 ≤ ⟹ 𝑠/2𝐴 ≤ (10) Để dao tiếp xúc liên tục với bề mặt gia cơng vết cắt N N+1 không giao nhau, hay 𝑧𝑁+1 − 𝑧𝑁 > −2𝐴 + 𝑠 ≤ ⟹ 𝑠/2𝐴 ≤ (12) 𝐹 Nếu tần số giảm dẫn đến gia tăng tính tuyến tính cấu trúc theo hướng chu vi Khi tần số thấp, cấu trúc bề mặt VAM cho thấy khơng có khác biệt đáng kể so với cấu trúc bề mặt tạo gia công truyền thống Khi tần số lớn tạo nên cấu trúc vi mơ hình sin bề mặt gia cơng Ảnh hưởng góc lệch pha trường hợp s≤2A Theo biểu thức 9, hệ số biện độ dao động A, lượng chạy dao s độ lệch pha φ hệ số quan trọng để tao điều kiện chạy dao không liên tục Theo hình 3, 𝑆 ≤ 2𝐴 hai vết dao khơng giao Do tượng cắt không liên tục chưa xảy Xét mối quan hệ N N+1 hai điềm tiếp tuyến A B 𝑧𝑁+1 = 𝑧𝑁 Ә𝑧 { 𝑁+1 = Ә𝑧𝑁 (13) (8) Mối liên hệ vết cắt thứ N N+1 𝑧𝑁+1 − 𝑧𝑁 = 𝐴[𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑓 𝜃 + (𝑁)φ) − 𝑠𝑖𝑛 (𝑤𝑓 𝜃 + (𝑁 − 1)φ)] + 𝑠 𝑣 (11) 𝑠 Khi ≤ vết dao hai vịng liên 2𝐴 tiếp giao nhau, dao tách khỏi bề mặt cắt theo phương chạy dao hình 𝑠 Khi 2𝐴 > 1thì vết dao hai vịng liên tiếp không giao nhau, tượng cắt liên tục Ә𝜃 Ә𝜃 Thay biểu thức 2.8 vào 2.12 (14) 𝑠 { 67 𝜑1 = arcsin (2𝐴) 𝑠 𝜑2 = 2𝜋 − arcsin (2𝐴) (m/min) 16 (mm) 0.1 0.03 (KHz) 0.25-1 2.5 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Theo kết hình 4, độ nhám bề mặt gia cơng thơng thường có Ra=0,61 Ảnh hưởng tần số biên độ dao động hỗ trợ tới độ nhám bề mặt CT 0.75 𝑠 ) 2𝐴 𝜋 < 𝜀 < 1− Độ Nhám Ra(μm) Hai vết cắt tiếp tuyến với Vậy để hiển tứợng cật liển tục xậy góc lểch pha phậi nậm khoậng: arcsin( (15) 𝑠 ) 2𝐴 arcsin( 𝜋 Tứ 10 15, điểu kiển để có hiển tứợng cật khơng liên tục xậy áp dụng dao động hộ trợ vào gia cộng tiển: MEGACOAT NANO s (mm) F 0.25 0.5 0.75 1.25 Ảnh hưởng tần số dao động tới độ nhám Theo kết hình 4, độ nhám bề mặt gia công truyền thống thực nghiệm có Ra=0,61 Khi vận tốc cắt cố định biên độ dao động không đổi, với tần số dao động tăng tì số Vc/F giảm hay bước sóng nhỏ đi, điều làm cho diện tích mà bề mặt gia cơng mũi dao chà xát tăng lên giúp cho bề mặt gia cơng bớt nhấp nhơ tế vi, mà chất lượng bề mặt cải thiện Giá trị độ nhám bề mặt tần số F=1; Vc/F=0.26 cải thiện tốt F=0.5; Vc/F=0.52 F=0.25; Vc/F=1.04 dao động biên độ Bên cậnh đó, lý tậi bể mật nhận đứợc tậo q trình tiển thơng thứợng đứợc chuyển thành q trình tiển có rung động tận sộ cao, tứ làm giậm dung động tứ nhiên trình gia cộng tậo Góc sau ( ֯) Rc 0.4 Hình 5, cấu trúc bề mặt chi tiết gia cơng có dao động hỗ trợ Thơng số cắt ap 0.55 (16) Vật liệu thực nghiệm SUS304 đường kính 30mm, tốc độ cắt chọn bảng Các thông số cắt vận tốc cắt, chiều sâu cắt lượng chạy dao giữ nguyên Các thông số dao động thay đổi theo thứ tự, tần số F=0.25;0.5;1 KHz biên độ A=2.5μm Dao động theo phương dọc trục Vc 0.57 0.60 Thơng số mảnh dao Carbide 0.66 0.45 Thí nghiệm thực máy tiện Jessey Studturn xưởng thực tập Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Thiết bị tạo dao động dùng PZT hãng PI với model P-225-10, tạo dao động theo phương chạy dao Dụng cụ cắt dung thí nghiệm có thơng sơ bảng Góc trước ( ֯) 0.70 0.650.61 0.50 6.2 Thiết lập quy trình thực nghiệm Lớp mạ 0.70 Tần số dao động (kHz) 𝑠 ≤ 2𝐴 𝑠 𝑠 {arcsin(2𝐴 ) arcsin( ) 2𝐴