b. Phương pháp đo tiếp xúc
5.3. Kết quả đánh giá quá trình tiện lỗ
5.3.1. Đánh giá về độ nhám bề mặt
Bảng 5.8 trình bày kết quả đo nhám bề mặt trên thiết bị SJ-210 đối với cả hai trường hợp tiện lỗ có rung và tiện truyền thống không có rung, với cùng một chế độ cắt. Hình 5.10 biểu diễn tương quan độ nhám bề mặt khi tiện có rung so với tiện truyền thống.
Trên hình 5.10 thể hiện rằng ở tất cả các lỗ thí nghiệm bề mặt lỗ khi tiện có rung động trợ giúp luôn có độ nhám bề mặt cao hơn ít nhất một cấp nhám so với quá trình tiện truyền thống. Với bộ thí nghiệm này, chế độ cắt rung cho phôi thứ 19 thu được độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất, đạt Ra = 0,089 µm.
Phần mềm Minitab cũng được sử dụng để phân tích mối tương quan ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt (n,s,t) đến độ nhám bề mặt của chi tiết sau gia công. Kết quả minh họa như hình 5.11. Trên hình 5.11a cho thấy, nếu giữ nguyên chiều sâu cắt t = 0,075 mm, các thông số tốc độ cắt và lượng chạy dao được thay đổi trong dải thí nghiệm, thì vùng “màu sáng nhất” – quanh tốc độ cắt 1500 vòng/phút, lượng chạy dao 0,05 – 0,055 mm/vòng đạt độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất. Hình 5.11b thể hiện ảnh hưởng của tốc độ quay và chiều sau cắt tới độ nhám bề mặt khi cố định lượng chạy dao s = 0,0675 mm. Hình 5.11c thể hiện ảnh hưởng
của tốc độ chạy dao và chiều sâu cắt đến Ra khi cố định tốc độ cắt n = 1500 vòng/phút. Hình 5.11d biểu diễn đồ thị dạng mặt ảnh hưởng của n và s đến giá trị Ra khi cố định chiều sâu cắt là t = 0,05 mm.
Bảng 5.7. Trình tự thực hiện thí nghiệm được thiết kế (DOE)
Bảng 5.8 . Kết quả thí nghiệm đo nhám các mẫu tiện lỗ khi có rung hỗ trợ so với tiện truyền thống
STT Tốc độ quay n Lượng chạy dao v Chiều sâu cắt t Nhám khi tiện thường Nhám Ra khi tiện rung Số cấp độ nhám tăng Mức độ giảm nhám bề mặt Đơn vị v/ph mm/v mm Ra (µm) Cấp độ Ra (µm) Cấp độ Tiện rung – Tiện thường % 1 1750 0.085 0.075 0.760 7 0.319 9 2 58 2 1750 0.0675 0.1 0.708 7 0.319 9 2 54.9 3 1750 0.0675 0.075 0.703 7 0.311 9 2 55.8 4 1750 0.0675 0.075 0.716 7 0.316 9 2 55.9 5 1750 0.0675 0.075 0.700 7 0.313 9 2 55.3 6 2000 0.0675 0.075 0.654 7 0.187 9 2 71.4 7 1750 0.05 0.075 0.640 7 0.204 9 2 68.1 8 1500 0.085 0.1 0.827 7 0.334 8 1 59.6 9 1500 0.05 0.05 0.476 8 0.137 10 2 71.2 10 2000 0.085 0.1 0.587 7 0.351 8 1 40.2 11 1500 0.085 0.05 0.684 7 0.164 9 2 76 12 1750 0.0675 0.075 0.509 8 0.155 10 2 69.5 13 2000 0.05 0.1 0.503 8 0.144 10 2 71.4 14 2000 0.05 0.05 0.645 7 0.207 9 2 67.9 15 1750 0.0675 0.075 0.629 8 0.178 9 1 71.7 16 2000 0.085 0.05 0.694 7 0.235 9 2 66.1 17 1750 0.0675 0.05 0.490 8 0.189 9 1 61.4 18 1750 0.0675 0.075 0.358 8 0.119 10 2 66.8 19 1500 0.05 0.1 0.304 9 0.089 11 2 70.7
Hình 5.10. Tương quan độ nhám bề mặt khi tiện có rung so với tiện truyền thống
Hình 5.11c. cho thấy khi cắt với cùng tốc độ vòng 1500 vòng/phút thì độ nhám càng tăng khi tăng chiều sâu cắt và lượng chạy dao.
Qua phân tích Response Optimizeer, chế độ cắt tối ưu trong dải thí nghiệm nhằm đạt mục tiêu độ nhẵn bóng bề mặt (target) là 0,16 µm, thấp nhất là 0,1 µm và cao nhất là 0,32 µm được minh họa như hình 5.12. Kết quả phân tích cho thấy chế độ cắt tối ưu sẽ có thông số (n,s,t) lần lượt là (1500, 0.0824, 0.0559). Các kết quả phân tích này có thể dùng làm cơ sở để chọn được chế độ cắt phù hợp cho gia công nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 5.11. Sự ảnh hưởng của các thông số cắt đến độ nhám bề mặt Ra
Hình 5.12. Chế độ cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất trong dải thí nghiệm (Tốc độ cắt n = 1500 v/ph; lượng chạy dao s =0.0824 mm/vòng; ciều sâu cắt t = 0.0559 mm)
5.3.2. Đánh giá về lực cắt
Thiết bị đo lực ba thành phần Kistler được sử dụng để khảo sát các thành phần lực cắt khi tiện lỗ có rung và không có rung được thể hiện như hình 5.5. Đầu Kistler được gá trên bàn dao ngang, đài dao phụ dùng để kẹp đâu rung siêu âm gá trên bề mặt cảm biến đo lực. Thiết bị được kết nối trực tiếp với máy tín, qua giao diện của phần mềm NI SignalExpress 2014. Tín hiệu thu được dưới dạng điện áp. Bằng phép quy đổi tương đương giữa điện áp ra giá trị lực cho phép xác định được các thành phần lực cắt khi tiện.
Đồ thị thể hiện giá trị các thành phần lực cắt khi tiện lỗ trong hai trường hợp có rung và không có rung, với chế độ cắt khảo sát: tốc độ quay trục chính n = 1500 v/ph; lượng chạy dao s = 0,065 mm/vòng; chiều sâu cắt t = 0,1 mm; được thể hiện trên hình 5.13.
Hình 5.13. Tương quan giá trị lực cắt khi tiện có rung trợ giúp và tiện truyền thống
Hình 5.13 cho thấy, trường hợp tiện lỗ có rung động siêu âm trợ giúp các thành phần lực cắt đều nhỏ hơn so với tiện không rung và thành phần lực cắt tiếp tuyến là lớn nhất. Thành phần lực dọc giảm tới 30 %, lực hướng tâm giảm 25 %, lực tiếp tuyến giảm 20 % so với lực cắt khi tiện không có rung. Kết quả bước đầu cho thấy hiệu quả của thiết bị đầu rung hỗ trợ cho dao tiện lỗ về chất lượng bề mặt chi tiết sau gia công, khả năng giảm lực cắt khi tiện. Đây là tiền đề để hiệu chỉnh, phát triển mẫu đầu rung cho tiện lỗ trụ nhỏ và lỗ côn.
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
6.1. Kết luận
Đề tài đã thực hiện thành công, đạt được các mục tiêu đã đặt ra. Cụ thể là:
Đã tổng quan các nghiên cứu được thực hiện gần đây trong lĩnh vực gia công cắt gọt có rung động trợ giúp, đặc biệt là gia công bằng tiện có rung động trợ giúp. Các ưu việt của giải pháp gia công này cũng như các vấn đề còn tồn tại ở khía cạnh tính toán, thiết kế, chế tạo đầu rung cũng như đồ gá dùng để gá kẹp đầu rung trên máy công cụ đã được phân tích nhằm tham khảo, áp dụng cho đề tài;
Đã phân tích, hệ thống hóa cách thức tính toán xác định kích thước đầu khuếch đại rung siêu âm từ các công trình nghiên cứu trên thế giới. Các kiến thức cơ sở này đã được áp dụng để tính toán thiết kế đầu khuếch đại rung phù hợp cho bài toán khai thác rung động siêu âm để trợ giúp quá trình tiện cứng;
Đã tiến hành xây dựng kết cấu, phân tích đánh giá bằng hai phương pháp: tính toán giải tích và mô phỏng số. Các kết quả cho thấy sự phù hợp tương đối giữa các giải pháp, khẳng định khả năng sử dụng công cụ số để kiểm nghiệm kết cấu đầu khuếch đại rung có gắn thêm dao tiện lỗ là phù hợp;
Đã tiến hành thiết lập các hệ thống đo phù hợp với điều kiện hiện có trong nước, khắc phục khó khăn về thiết bị đo. Các số liệu đo được nằm trong khoảng dự đoán, phù hợp với khoảng làm việc thường được báo cáo trong các công bố khoa học quốc tế;
Kết quả cắt thử với đầu rung siêu âm cho quá trình tiện tinh lỗ cho thấy bề mặt khi tiện rung có độ nhám cao hơn so với quá trình gia công truyền thống ít nhất một cấp nhám. Lực cắt đối với quá trình tiện có rung động siêu âm trợ giúp giảm khoảng 20 -30 % so với tiện truyền thống.
6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
Các kết quả thu được đóng vai trò cơ sở quan trọng cho việc phát triển nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh dụng cụ cho gia công tiện lỗ có rung động trợ giúp. Các định hướng tiếp tục phát triển đề tài bao gồm:
- Phát triển và kiểm chứng các thiết bị đo biên độ, tần số ứng xử rung động; gửi mẫu sang các đối tác nghiên cứu nước ngoài để đối chứng;
- Chủ động phát triển hoàn thiện bộ nguồn phát điện áp có tần số siêu âm, công suất lớn đáp ứng các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo;
- Triển khai nghiên cứu ứng dụng cho các sản phẩm thực;
- Nghiên cứu bản chất quá trình tương tác dao-phoi dưới tác dụng của rung động bổ sung.
References
[1] D. E. a. L. J. Bond, "Ultrasonics- Fundamentals, Technologies, and Applications,"
Taylor & Francis Group, International Standard Book Number-13: 978-1-4200- 2027-4 2012.
[2] J. A. G.-J. r. a. K. F. Graff, "Power Ultrasonics Applications of High-intensity Ultrasound," Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, vol. 66, 2015.
[3] M. N. Kumar, S. K. Subbu, P. V. Krishna, and A. Venugopal, "Vibration Assisted Conventional and Advanced Machining: A Review," Procedia Engineering, vol. 97, pp. 1577-1586, 2014.
[4] B. Lauwers, F. Klocke, A. Klink, A. E. Tekkaya, R. Neugebauer, and D. McIntosh, "Hybrid processes in manufacturing," CIRP Annals, vol. 63, pp. 561-583, 2014. [5] S. O. Melih Cemal Kuşhan, Yağız Uzunonat, "Ultrasonic Assisted Machining
Methods - A review," International Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA-ERA), vol. 3, pp. 294-302, 2017.
[6] L. D. Rozenberg, "Sources of High-intensity Ultrasound," Spinger.
[7] W.-X. Xu and L.-C. Zhang, "Ultrasonic vibration-assisted machining: principle, design and application," Advances in Manufacturing, vol. 3, pp. 173-192, 2015. [8] A. Abdullah, Shahini, Mohsen, "An approach to design a high power piezoelectric
ultrasonic transducer," Journal of Electroceramics, vol. 22, pp. 369-382, 2008. [9] N. I. M. Alexandru Sergiu Nanu, Daniel Ghiculescu, "Study on ultrasonic stepped
horn geometry design and FEM simulation," Nonconventional Technologies Review, vol. 4, 2011.
[10] S. K. S. B.C.Behera , L.N. Patra, M.P.Rout, K.K.Kanaujia, "Finite Element Analysis of Ultrasonic Stepped Horn," 2011.
[11] D.-A. Hai-Dang Tam Nguyen, "Design of an ultrasonic steel horn with a bézier profile," International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2012.
[12] M. Nad, "Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies," Applied and Computational Mechanics vol. 4, pp. 79-88, 2010.
[13] I. Romaniuc, "Development of a Magnetostrictive Vibromotor," Advances in Production, Automation and Transportation Systems, pp. 184-187, 2007.
[14] V. Sharma, P. M. Pandey, and S. Dubey, "Recent advances in ultrasonic assisted turning: A step towards sustainability," Cogent Engineering, vol. 3, 2016.
[15] P. J. Liew, A. Shaaroni, N. A. C. Sidik, and J. Yan, "An overview of current status of cutting fluids and cooling techniques of turning hard steel," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 114, pp. 380-394, 2017.
[16] V. I. Babitsky, V. K. Astashev, and A. Meadows, "Vibration excitation and energy transfer during ultrasonically assisted drilling," Journal of Sound and Vibration,
vol. 308, pp. 805-814, 2007.
[17] S. Amini, A. F. Tehrani, A. Barani, and H. Paktinat, "Vibration Drilling Process on Al2024," Advanced Materials Research, vol. 445, pp. 79-83, 2012.
[18] X.-H. Shen, J. Zhang, D. X. Xing, and Y. Zhao, "A study of surface roughness variation in ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 58, pp. 553-561, 2011.
[19] X. Shen and J. Zhang, "Studies on friction and wear properties of surface produced by ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 67, pp. 349-356, 2012.
[20] X.-H. Shen, J.-H. Zhang, H. Li, J.-J. Wang, and X.-C. Wang, "Ultrasonic vibration- assisted milling of aluminum alloy," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 63, pp. 41-49, 2012.
[21] D. Xing, J. Zhang, X. Shen, Y. Zhao, and T. Wang, "Tribological Properties of Ultrasonic Vibration Assisted Milling Aluminium Alloy Surfaces," Procedia CIRP,
vol. 6, pp. 539-544, 2013.
[22] G. Tao, C. Ma, X. Shen, and J. Zhang, "Experimental and modeling study on cutting forces of feed direction ultrasonic vibration-assisted milling," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 90, pp. 709- 715, 2016.
[23] C. Tian, X. Chen, D. Li, W. Zhang, and S. Guan, "Analysis of Surface Formation of Rotary Ultrasonic Milling of Quartz Glass Based on Nano-indentation Experiment," Procedia Engineering, vol. 174, pp. 470-476, 2017.
[24] S. Koshimizu, "Ultrasonic Vibration-Assisted Cutting of Titanium Alloy," 2009. [25] C. Nath, M. Rahman, and S. S. K. Andrew, "A study on ultrasonic vibration cutting
of low alloy steel," Journal of Materials Processing Technology, vol. 192-193, pp. 159-165, 2007.
[26] C. Nath and M. Rahman, "Effect of machining parameters in ultrasonic vibration cutting," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 48, pp. 965-974, 2008.
[27] A. Maurotto, R. Muhammad, A. Roy, and V. V. Silberschmidt, "Enhanced ultrasonically assisted turning of a beta-titanium alloy," Ultrasonics, vol. 53, pp. 1242-50, Sep 2013.
[28] V. V. Silberschmidt, S. M. A. Mahdy, M. A. Gouda, A. Naseer, A. Maurotto, and A. Roy, "Surface-roughness Improvement in Ultrasonically Assisted Turning,"
Procedia CIRP, vol. 13, pp. 49-54, 2014.
[29] Ostasevicius, "Experiments and simulations of ultrasonically assisted turning tool,"
Mechanika, 2009.
[30] C. Zhang, P. Guo, K. F. Ehmann, and Y. Li, "Effects of ultrasonic vibrations in micro-groove turning," Ultrasonics, vol. 67, pp. 30-40, Apr 2016.
[31] V. Sharma and P. M. Pandey, "Optimization of machining and vibration parameters for residual stresses minimization in ultrasonic assisted turning of 4340 hardened steel," Ultrasonics, vol. 70, pp. 172-82, Aug 2016.
[32] I. Rasidi, E. A. Rahim, M. I. Ghazali, M. H. Chai, and Z. O. Goh, "Experimental Analysis on Ultrasonic Assisted Turning (UAT) Based on Innovated Tool Holder in the Scope of Dry & Wet Machining," Applied Mechanics and Materials,
vol. 660, pp. 104-108, 2014.
[33] N. V. Dự. Ngô Quốc Huy, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh, "Thực nghiệm đánh ảnh hưởng của kích thước đầu rung siêu âm công suất lớn đến tấn số cộng hưởng rung động," Khoa học và công nghệ - ĐH Thái Nguyên, vol. 154 (9), pp. 19-23, 2016. [34] Y. Zhao, L. Lu, Z. Du, B. Yang, W. Zhang, J. Zhou, et al., "Research on micro-
vibration measurement by a laser diode self-mixing interferometer," Optik - International Journal for Light and Electron Optics, vol. 124, pp. 4707-4711, 2013. [35] W. L. Cong, Z. J. Pei, N. Mohanty, E. Van Vleet, and C. Treadwell, "Vibration Amplitude in Rotary Ultrasonic Machining: A Novel Measurement Method and
Effects of Process Variables," Journal of Manufacturing Science and Engineering,
vol. 133, p. 034501, 2011.
[36] J. Kováčik and Š. Emmer, "Steels as Materials for Sonotrode Tools," Key Engineering Materials, vol. 601, pp. 21-24, 2014.