Gia công bằng siêu âm và xu hướng phát triển

Bài viết này giới thiệu phương pháp gia công siêu âm - nguyên lý cơ bản của hệ thống rung động siêu âm đồng thời tiến hành phân tích hiện trạng ứng dụng kỹ thuật và xu hướng phát triển của gia công bằng siêu âm.

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN ULTRASONIC MACHINING AND ITS DEVELOPMENT NGUYỄN TIẾN DŨNG Viện Cơ khí - Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Tóm tắt: Bài viết giới thiệu phương pháp gia công siêu âm - nguyên lý hệ thống rung động siêu âm đồng thời tiến hành phân tích trạng ứng dụng kỹ thuật xu hướng phát triển gia cơng siêu âm Từ khóa: Hệ thống chấn động siêu âm; gia công chấn động siêu âm; gia cơng tích hợp siêu âm Abstract: This paper introduces the ultrasonic machining method - the fundamentals of ultrasonic vibration system also elaborates detailed the application actuality and development trends of machining technology based on ultrasonic Keywords: ultrasonic vibration system; ultrasonic vibration cutting; ultrasonic combined machining MỞ ĐẦU Phương pháp gia công siêu âm phương pháp gia công phát triển khoảng vài chuc năm trở lại Nó khơng gia cơng loại vật liệu kim loại cứng giòn vật liệu hợp kim cứng, thép tơi cứng, mà cịn thích hợp với loại vật liệu cứng giòn phi kim loại bán dẫn không dẫn điện gốm sứ, thủy tinh…Đối với vật liệu khó gia cơng, gia cơng tinh phương pháp gia công siêu âm cho hiệu cao nhiều so với phương pháp gia công thông thường Phương pháp có phạm vi ứng dụng rộng rãi NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM Kỹ thuật gia công siêu âm ứng dụng rộng rãi, ứng dụng nhiều phương pháp mài nghiền chấn động siêu âm, viết dùng phương pháp mài nghiền chấn động siêu âm để mô tả phương pháp gia công siêu âm Kết cấu phương pháp gia công siêu âm thể hình Kết cấu bao gồm phận chủ yếu máy phát sóng siêu âm, biến từ, truyền sóng, hệ thống cung cấp dung dịch mài, hệ thống tăng áp, hệ thống bàn máy gia công… Khi gia công, máy phát siêu âm phát dao động điện từ tần số cao, thường từ 2040 kHz, tín hiệu qua phận biến từ chuyển thành dao động khí, độ lớn biên độ dao động khí thường từ 0,0050,01mm, nên trực tiếp gia công siêu âm Do đó, thơng qua truyền sóng biên độ dao động khuyếch đại lên 0,010,1mm truyền cho dụng cụ Dụng cụ gắn trực tiếp với mặt đầu truyền sóng Ở khoảng không gian dụng cụ chi tiết có chứa đầy hỗn hợp dung dịch mài (bao gồm dung dịch hạt mài) Dưới tác dụng áp lực dụng cụ cắt, hạt mài lơ lửng dung dịch mài chịu tác động dao động dụng cụ, không ngừng bắn phá với tốc độ cao vào bề mặt gia công chi tiết gia công Do mà bề mặt gia công chịu áp lực cục lớn, làm cho vật liệu cục bề mặt chi tiết gia công bị biến hình Khi lực tác dụng cục đạt tới cường độ giới hạn vật liệu, bề mặt chi tiết gia công bị phá hủy vỡ nát thành vi hạt nhỏ, đồng thời vi hạt dòng dung dịch mài mang khỏi khu vực gia cơng Q trình lặp lại liên tục để tạo bề mặt gia công theo yêu cầu Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 68 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý gia công siêu âm 1-Máy phát siêu âm 2-Bộ biến từ 3-Thanh truyền sóng 4-Dụng cụ 5-Dung dịch hạt mài 6-Chi tiết 7-Bàn máy gia công 8-Thùng chứa dầu 9-Máy bơm dầu 10-Ống phun dầu Đồng thời với trình này, tác dụng siêu âm dung dịch mài làm xuất hiện tượng “khơng hóa” Hiện tượng “khơng hóa” tượng lúc dụng cụ lên với tốc độ lớn, làm cho áp suất vùng gia công giảm đột ngột, hình thành bọt khí chân khơng, bọt khí xâm nhập vào khe hở tế vi bề mặt vật liệu chi tiết Lúc dụng cụ xuống làm bọt khí đột ngột tạo áp lực sóng xung kích, làm tăng tốc độ va đập hạt mài vào bề mặt chi tiết gia cơng, làm tăng hiệu suất cắt hạt mài ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM Đối với nguyên lý gia công mô tả trên, ta thấy phương pháp có số đặc điểm ứng dụng sau: Thích hợp gia cơng với loại vật liệu cứng giịn: gia công vật liệu kim loại cứng, kim loại chịu nhiệt hợp kim cứng, hợp kim Titan, thép không gỉ, đặc biệt vật liệu phi kim loại bán dẫn không dẫn điện thủy tinh, gốm, kim cương nhân tạo… hiệu suất gia công thấp Đặc biệt thích hợp gia cơng bề mặt hình dạng phức tạp: q trình gia cơng siêu âm, hình dạng dụng cụ định đến hình dạng chi tiết gia cơng vật liệu dụng cụ không cần độ cứng cao (như thép 45, 65Mn, 40Cr), gia cơng chi tiết vật liệu cứng, hình dạng phức tạp dễ dàng tạo hình dáng dụng cụ theo u cầu Lực cắt nhỏ, gia cơng đạt độ bóng độ xác cao: q trình gia công cắt, chủ yếu dựa vào hạt mài tác dụng cục tức thời vào bề mặt chi tiết nên lực cắt vĩ mô bề mặt chi tiết nhỏ, nhiệt cắt nhỏ, khơng làm bề mặt gia công bị biến dạng tổn thương nhiệt nên đạt độ bóng cao Ra 0,630,08m, độ xác kích thước đạt 0,010,02mm So với gia cơng điện giải, gia cơng tia lửa điện gia cơng siêu âm có hiệu suất thấp Gia cơng siêu âm thích hợp với bề mặt nhỏ, q trình gia cơng dụng cụ bị hao mòn nhanh, thường áp dụng với gia công tinh XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG SIÊU ÂM Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 69 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 Trong gia công siêu âm phương pháp gia cơng theo kiểu chấn động phương pháp xuất phương pháp Vì mà cịn nhiều mặt hạn chế như: cơng suất thấp, hình dáng sản phẩm gia cơng chưa thực đa dạng, khó điều khiển di chuyển trục chính…Để khắc phục nhược điểm này, vài năm trở lại số nước bước nghiên cứu phát triển, kết hợp phương pháp gia công siêu âm với số phương pháp khác tạo thành phương pháp gia công Trung Quốc nước tích hợp gia cơng siêu âm với gia công tia lửa điện để khắc phục nhược điểm hai phương pháp Gia cơng tia lửu điện khó khăn việc phoi, gia cơng siêu âm nhờ có tạo thành tượng “khơng hóa” làm tăng khả phoi, làm tăng hiệu suất gia cơng Hiện tượng “khơng hóa” có tác dụng loại trừ tạp chất bề mặt chi tiết bề mặt dụng cụ, làm tăng khả phóng điện chi tiết dụng cụ Nhật Bản tích hợp hệ thống điều khiển kỹ thuật số cho máy gia cơng siêu âm, làm tăng độ xác suất gia cơng Hệ thống điều khiển kỹ thuật số trục làm tăng tính mềm hóa gia cơng nên gia cơng chi tiết có hình dạng phức tạp Máy UM-50VNR2 loại máy gia công siêu âm dùng hệ thống điều khiển kỹ thuật số tự động hóa q trình cao, mà gia cơng lỗ có đường kính nhỏ 0.1 mm, độ xác đạt 3m, thao tác đơn giản… Từ phân tích thấy rằng, với khoa học công nghệ ngày phát triển, xu hướng phát triển phương pháp gia công siêu âm rộng rãi, gia công siêu âm kết hợp với nhiều phương pháp gia cơng khác tích hợp gia cơng siêu âm với gia cơng tia lửu điện, tích hợp gia cơng siêu âm với gia công điện giải…, tích hợp với hệ thống điều khiển tiên tiến để làm tăng hiệu suất gia công độ bóng độ xác gia cơng Phương pháp gia công tia lửa điện kết hợp với siêu âm tạo lượng lớn hạt phoi rỗng nhỏ (từ vài nm đến vài trăm m), mà hạt rỗng ứng dụng nhiều làm vật liệu quang dẫn, vật liệu tàng hình hấp thụ sóng rada… KẾT LUẬN Bài viết đưa nguyên lý, số đặc điểm trình cắt gọt phương pháp gia công siêu âm, có trình bày cụ thể mơ hình cắt chấn động siêu âm Ngoài ra, báo tổng kết đưa vài xu hướng phát triển phương pháp gia công siêu âm số nước giới Tài liệu tham khảo [1] 曹凤国 “超声加工技术” 北京：化学工业出版，2004 [2] 戴向国, 傅水根, 王先逵 “旋转超声加工机床的研究” 中国机械工程, 2003:289- 292 [3] Guzzo PL, Raslan AA, De Mello JDB “Ultrasonic Abrasion of Quartz Crystals” [ J] Wear, 2003, 255: 67 -77 [4] 胡传炘 “特种加工手册” 北京: 北京工业大学出版社, 2001 [5] 刘白 “几种特种加工方法的原理及应用” 长沙大学学报, 1997 ( 4) [6] 刘金华 “ 超声磨削加工机及其模块化设计研究 ” [硕士学位论文] 天津: 天津大学, 2001 [7] T B Thoe, D K Aspin wall, M L H Wise “Reviewon ultrasonic machining International” Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998, 38 ( 4) : 2392 255 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 70 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 [8] Thoe TB, Aspin wall DK, Killey N “Combined Ultrasonic and Electrical Discharge Machining of Ceramic Coated Nickel Alloy” [ J] Journal of Materials Processing Technology, 1999, 92: 323-328 [9] S G Amin, M H M Ahmed, H A Youssef “Computer - aided design of acoustic horns for ultrasonic machining using finite-element analysis” Journal of Materials Processing Technology, 1995: 2542 260 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 02 – 11/2016 71 ... công nghệ ngày phát triển, xu hướng phát triển phương pháp gia công siêu âm rộng rãi, gia công siêu âm kết hợp với nhiều phương pháp gia cơng khác tích hợp gia cơng siêu âm với gia cơng tia lửu... nước bước nghiên cứu phát triển, kết hợp phương pháp gia công siêu âm với số phương pháp khác tạo thành phương pháp gia công Trung Quốc nước tích hợp gia công siêu âm với gia công tia lửa điện để... trình cắt gọt phương pháp gia cơng siêu âm, có trình bày cụ thể mơ hình cắt chấn động siêu âm Ngồi ra, báo tổng kết đưa vài xu hướng phát triển phương pháp gia công siêu âm số nước giới Tài liệu