Ứng dụng kỹ thuật rung siêu âm tích hợp với dụng cụ phẫu thuật được minh họa như hình 2.15. Năng lượng điện từ máy phát sẽ được chuyển thành sóng cơ học tại thân dao nhờ các đĩa sứ piezo-electric chuyển năng lượng điện thành chuyển động cơ học dọc theo chiều dài của dao và đạt tần số trên 55.000 lần/ giây. Dụng cụ mổ phẫu thuật được tích hợp rung động siêu âm, giúp cắt các mô mềm, cứng, xương … giảm thiểu chảy máu và tổn thương đến các phần lân cận. Thời gian phẫu thuật giảm, vết mổ chóng bình phục, giảm đau đớn cho bệnh nhân.
Ngoài ra, công nghệ siêu âm còn được ứng dụng rất hiệu quả trong việc tổng hợp các loại vật liệu mới; giảm ma sát truyền động, nâng cao khả năng điền đầy kim loại lỏng cho quá trình đúc.... Các ứng dụng rung động siêu âm trong gia công cắt gọt kim loại sẽ được trình bày cụ thể trong phần 2.4 và 2.5.
2.4. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
Việc khai thác rung động siêu âm trong gia công đã được biết đến cách đây hơn 50 năm và tiếp tục được nghiên cứu phát triển ứng dụng cho đến tận ngày nay với thuật ngữ "gia công siêu âm" (Ultrasonic Machining). Quá trình gia công dạng này thực chất là truyền rung động cho dụng cụ được ngâm trong dung dịch bột mài. Lỗ được tạo thành do va đập của hạt mài với bề mặt gia công, có hình dạng giống với biên dạng dụng cụ.
Gần đây, rung động siêu âm đã được khai thác để trợ giúp cho các quá trình gia công truyền thống (tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng...), có nguyên tắc khác với "gia công siêu âm" nói trên. Kỹ thuật này được biết đến với thuật ngữ “siêu âm trợ giúp gia công” hay “gia công có rung động siêu âm trợ giúp” (UAM-Ultrasonic As- sisted Machining). Ở đây, một rung động cưỡng bức (tần số siêu âm) có điều khiển
được bổ sung thêm vào quá trình gia công cắt gọt kim loại. Rung động siêu âm được bổ sung vào dụng cụ hoặc phôi, cũng có thể là cả hai để nâng cao hiệu quả quá trình cắt. Quá trình này thực chất là làm thay đổi tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, nhằm thay đổi các hiện tượng vật lý trong vùng cắt. Do vậy, phạm vi gia công
được mở rộng hơn nhiều so với “gia công siêu âm” trước đây. Gia công có rung động trợ giúp đã được khẳng định là có thể nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền của dụng cụ cắt, đặc biệt rất hữu dụng để gia công một số vật liệu khó gia công [3-5, 14, 15].
Nguồn rung động có biên độ nhỏ (khoảng từ vài đến vài chục micromet), có tần số siêu âm (từ 15 đến 80 kHz) được bổ sung cưỡng bức vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công. Gia công có rung động trợ giúp đã được áp dụng cho hầu hết các loại hình gia công cắt gọt truyền thống như: gia công tiện, khoan, phay, bào, cưa … cũng như cho gia công không truyền thống như gia công tia lửa điện, cắt dây, gia công bằng tia nước, hạt mài… Sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu và nhu cầu gia tăng năng suất lẫn hiệu quả gia công đem đến thách thức đối với ngành công nghệ gia công nói chung và ngành cắt gọt kim loại nói riêng. Rung động siêu âm trợ giúp gia công đã được áp dụng cho gia công chính xác và gia công các vật liệu khó cắt như thép sau nhiệt luyện, các hợp kim niken, titanium và các loại vật liệu composite, titan và nhôm.
Có một số hạn chế tồn tại khi ứng dụng siêu âm trợ giúp gia công. Thứ nhất, dụng cụ cắt luôn phải duy trì sự rung động do đó tuổi bền của dụng cụ dưới ảnh hưởng của ứng suất cao khi gia công. Thứ hai, khi áp dụng công nghệ này, việc giữ ổn định trạng thái rung ở tần số cao là tương đối khó khăn, hiện nay vấn đề này đã được giải quyết bằng cách áp dụng các kĩ thuật điều khiển tiên tiến tuy nhiên đi cùng với đó là vấn đề về chi phí.
Hầu hết các báo cáo công bố về lĩnh vực gia công có trợ giúp của rung động siêu âm liên quan tới quá trình tiện siêu âm (UAT – Ultrasonic Assisted Turning), khoan siêu âm (UAD - Ultrasonic Assisted Drilling), phay siêu âm (Ultrasonic As- sisted Milling) … [2] Hình 2.16 mô tả các ứng dụng rung động siêu âm trong các quá trình gia công thông dụng.
Kết quả nghiên cứu về rung động trợ giúp một số lĩnh vực gia công sẽ được phân tích tổng quan trong các phần dưới đây.
2.4.1. Khoan có rung động siêu âm trợ giúp
Siêu âm trợ giúp khoan (UAD – Ultrasonic Assisted Drilling) là một trường hợp cụ thể của rung động trợ siêu âm trợ giúp gia công. Trong gia công khoan có rung siêu âm trợ giúp, một rung động siêu âm được đưa vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và phôi. Thông thường quá trình này được thực hiện dưới sự kích thích của rung động theo phương dọc trục hoặc rung động xoắn quanh trục mũi khoan hoặc dạng kết hợp. Các phương án bổ sung rung động cho quá trình khoan được mô tả trong các sơ đồ như trên Hình 2.17.
(a) (b) (c)