3.2.1 Công nghệ miết tấm có dao động hỗ trợ
Hiện nay đã có nhiều phương pháp gia công có trợ giúp của siêu âm đã được áp dụng cho hầu hết các phương pháp cắt gọt truyền thống, chẳng hạn phay (Ultrasonic Assisted Milling), tiện (Ultrasonic Assisted Turning), mài (Ultrasonic Assisted Grinding), khoan (Ultrasonic Assisted Drilling), ta-rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping) v.v. Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến (Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng tia lửa điện và gia công bằng lazer có trợ giúp của siêu âm. Công nghệ miết tấm có dao động hỗ trợ là một phương pháp gia công mà ở đó, rung động cưỡng bức có tần số cao, biên độ rất nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ và chi tiết trong quá trình gia công. Sự kết hợp giữa chuyển động rung cưỡng bức này với chuyển động miết bằng áp lực làm cho sự tiếp xúc giữa đầu dao miết và phôi thay đổi theo chu kỳ. Điều này dẫn đến sự thay đổi
tương tác ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết gia công, do đó có thể làm giảm lực miết, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dụng cụ.
3.2.2 Nguồn dao động tự nhiên
Trong quá trình gia công miết luôn xảy ra các rung động. Hiện tượng này xảy ra trên toàn bộ hệ thống công nghệ: máy móc, dao miết, đồ gá, chi tiết gia công….
Các nguyên nhân gây ra rung động:
- Do độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
- Do thành phần của vật liệu, chi tiết gia công không đồng đều.
- Do lượng xuống dao gia công không đồng đều hoặc do rung động từ các bộ
phận máy móc khác truyền tới….
Tác hại, ảnh hưởng của sự rung động:
- Rung động làm cho chất lượng bề mặt gia công xấu.
- Giảm tuổi thọ của dao cắt, mũi khoan.
- Giảm tuổi thọ trung bình của vòng đời máy.
Khắc phục rung động bằng những biện pháp cụ thể sau:
Để có thể khắc phục tốt hiện tượng rung động thì trước hết cần phải tìm hiểu rõ nguyên nhân gây nên những rung động đó để có được biện pháp loại trù nó tốt nhất.
- Làm móng cục bộ cho những máy gây ra rung động lớn trong quá trình gia công.
- Cân bằng động các chi tiết, bộ phận của máy.
- Cân bằng, cố định chi tiết khi gá nó trên bàn máy.
- Tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ: tăng khối lượng thân máy, tăng độ
cứng vững của đồ gá, gá dao, thu gọn chi tiết.…
3.2.3 Nguyền dao động cưỡng bức
Động cơ PZT (piezoelectric): Là loại động cơ điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, trong đó khi có điện trường đặt lên khối vật liệu áp điện sẽ làm thay đổi hình dạng của khối đó, tạo ra cơ năng.
Ưu điểm của động cơ áp điện là kích thước nhỏ, có tỷ số công suất trên khối lượng rất cao,, hoạt động không cần từ trường, và làm việc được trong chân không. Nó được ứng dụng trong các thiết bị điện tử thông dụng và trong nghiên cứu vũ trụ.
3.2.3 Miết có dao động hỗ trợ PZT
- Các nghiên cứu về khoa học gần đây đã chỉ ra việc giảm hệ số ma sát của các thành
phần trong quá trình gia công sản phẩm góp phần hoàn thiện bề mặt sản phẩm.
- Trong gia công cơ khí vấn đề nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất là một lĩnh
vực được các nhà chế tạo, các nhà khoa học đang nghiên cứu.
- Nó là một phương pháp gia công phổ biến cần đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất
cắt cao. Để khắc phục những hạn chế kể trên, gia công tấm có tích hợp rung động cưỡng bức đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và công bố. Miết rung là một kỹ thuật sử dụng rung động với tần số cao hay thấp tác động lên dụng cụ cắt hoặc phôi trong một hoạt động gia công để đạt được hiệu suất tốt hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trong qúa trình gia công tấm có tích hợp rung động cưỡng bức là ta đưa thêm vào
một nguồn rung động chủ động với tần số cao và biên độ dao động theo hướng chuyển động của dao và phôi. Ở qúa trình này thì nguồn tạo rung là các cơ cấu ứng dụng hiệu ứng áp điện. Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ cấu chuyển đổi áp điện PZT ( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và biên độ rung nhỏ.Vì vậy khi miết có tích hợp rung động cưỡng bức có sử dụng các cơ cấu này sẽ khắc phục được những nhược điểm mà gia công miết còn tồn tại kể trên.Các PZT này đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành công trên nhiều loại máy ở các nước trên thế giới.
- Các thực nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng khi gia công có tích hợp rung động cưỡng
bức có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống khác đó là:
- Lực cắt giảm.
- Nhiệt cắt thấp.
- Không tạo nên hiện tượng lẹo dao, biến dạng ít
- Độ nhám bề mặt thấp
- Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao.
- Tuổi thọ của dụng cụ từ 3 đến 8 lần
- Tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho dụng cụ.
Trong lĩnh vực gia công cơ khí ở Việt Nam thì việc chế tạo được cơ cấu PZT ứng dụng phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước là một vấn đề mới mẻ đã được
các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu và chế tạo bàn luận đưa ra hướng tiếp cận tại hội nghị cơ học.
3.2.4 Nguyên tắc khai thác rung siêu âm và ứng dụng hiệu ứng áp điện
- 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 2.4.
- 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 khơng 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 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. 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.
- Việc chuyển đổi từ năng lương điện sang chuyển vị cơ học đươc thể hiện bằng công
thức sau [20]:
S=dE=dU/l (2)
Ở đây, S là biến dạng cơ học phát sinh do điện trường E hoặc điện áp V đặt vào miếng
Hình 3.2: Hiệu ứng điện áp thuận và nghịch
3.2.5 Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT
Các cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Tranducers- PZT) là các tấm đươc 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 nhờ 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 hƣởng của hệ thống cơ học. Giống nhƣ 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 đươc điều khiển tại tần số cộng hưỡng của chúng, đươc gọi là bộ chuyển đổi siêu âm. Những bộ chuyển đổi này biến đổi năng lương điện thành năng lương cơ học.
- Các cơ cấu PZT đươc chia thành 3 nhóm chính sau:
- Các cơ cấu làm việc theo phương dọc trục
- Các cơ cấu làm việc theo phương ngang
- 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
3.2.6 Các cơ cấu PZT
- Ứng xử của một miếng PZT làm việc theo phương dọc trục (phương 3) được thể hiện
trên hình.
- 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 [20]:
Hành trình - chính là biên độ rung khi ∆F=0 (không có tải):
Lực cản (lực phát sinh bởi việc nén tấm PZT) khi ∆h=0:
=
Tần số cộng hưởng cho PZT tự do với w và l < h:
= 3
(6)
ℎ
Tần số cộng hưởng khi phần đáy của PZT được gắn vào một bệ cố định:
= 3
2ℎ Trong các công thức trên thì ý nghĩa các thông số là:
- 33chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trường trong hướng 3 dưới điều kiện ứng suất cố định, đơn vị là F/m;
- 11chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trường trong hướng 1 dưới điều kiện biến dạng cố định, đơn vị là F/m;
- 33là độ mềm của ứng suất và sự kết hợp với biến dạng theo hướng 3 khi điện trường cố định, đơn vị là m2/N;
- 33là độ mềm với ứng suất trượt theo trục 3 và kết hợp với biến dạng theo hướng 3 dưới điều kiện độ dịch chuyển điện cố định, đơn vị là m2/N:
- D (chỉ số trên) thể hiện điều kiện lương dịch chuyển điện cố định,
- E (chỉ số trên) thể hiện điều kiện điện trường cố định;
- 33là 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.
- 33là 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;
- N là hệ số tần số phụ thuộc vào kích thước các tấm PZT, đơn vị là m/s:
- 3là hệ số tần số theo phương 3 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không thay đổi.
3.2.7 Các dạng PZT
- Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính tốn ở trên, nhiều công ty trên (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học cũng như ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng.
- PZT này thường được chế tạo thành hai dạng cơ bản sau:
Dạng PZT dạng miếng đơn, được thể hiện ở hình 3.3:
Hình 3.3: PZT dạng miếng đơn
- 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 ở hình 3.4.
- 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).
- Phương pháp tạo rung động bằng các PZT 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 hang nghìn W) và tần số rung động rất cao, vượt qua tần số siêu âm nhiều lần (f > 20 kHz). Hơn nữa, các cơ cấu này thường cho biên độ rung thấp A = 2 ÷ 5 ( m) nó thích hợp cho gia công tấm nhằm nâng cao chất lượng bề mặt cho chi tiết sau gia công. Nhược điểm của phương pháp này chính là chi phí chế tạo cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD). Qua các phân tích ở trên kết hợp với mục tiêu của đề tài là nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt cho chi tiết khi miết, phương pháp tạo rung động siêu âm tần số cao bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
3.3 Các thông số PZT 3.3.1 Kích thước.
- PZT được sử dụng là: P-225.1x [21]
3.3.2 Thông số cần thiết.
- Thiết bị phát dao động được sử dụng trong đề tài này là loại PZT có ký hiệu P-225 có các đặc điểm sau [21]:
- Độ cứng cực cao
- Lực đẩy công suất lên đến 12500 N
- Lực kéo công suất lên đến 2000 N
- Phạm vị dao động 15 µm
- Sử dụng được trong môi trường chân không, chống thấm nước.
- Thiết bị này được gắn trược tiếp vào 2 bộ điều khiển:
- Bộ tạo ra xung điện: là nơi ta có thể nhập các dữ liệu đầu vào cho thiết bị PZT bao gồm: Tần sô (f), biên độ (A).
Hình 3.6: Bộ tạo xung
- Bộ khuếch đại: bộ này được gắn trước tiếp vào thiết bị PZT thông qua dây dẫn.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ GÁ DAO MIẾT CÓ THIẾT BỊ DAO ĐỘNG PZT 4.1 Thiết kế sơ bộ từ ý tưởng:
- Qua khảo sát thiết bị và máy miết CNC nhóm đề ra ý tưỡng với 2 phương án được
hình thành và phác họa trên inventor và solidwork.
+ Bộ phận đỡ: Có nhiệm vụ liên kết giữa các chi tiết trên bộ gá và thiết bị PZT vào máy.
+ Bộ phận kẹp chặt: Có nhiệm vụ giữ chặt thiết bị rung PZT.
+ Bộ phận dẫn hướng (bạc trượt): Dần hướng cho dao miết trong quá trình thực hiện miết tấm kim loại.
+ Một số chi tiết phụ: Dùng để tháo nhanh sản phẩm, tăng độ cứng vững của đồ gá (ốc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});