Chương 2 Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
2.4. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
2.4.3. Tiện có rung động siêu âm trợ giúp
Trong quá trình tiện, dao tiện có thể được bổ sung rung động siêu âm theo 3 hướng chính độc lập nhau. Các cách thức bổ sung rung động khi tiện trụ ngoài và tiện mặt đầu được mô tả như trên hình 2.20.
(a) Tiện trụ ngoài (b) Tiện khỏa mặt đầu Hình 2.20. Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện
Trên hình 2.20 rung động có thể truyền cho dụng cụ cắt theo một trong ba phương: Rung theo phương chạy dao, rung theo phương tiếp tuyến và rung theo phương hướng kính.
Kiểu 1: Rung theo phương tiếp tuyến. Khi tiện trụ ngoài (hình 16.14a) đầu dao tiện được gá ngang tâm phôi sẽ dao động theo phương tiếp tuyến với mặt trụ phôi tại điểm cắt. Khi tiện mặt đầu (Hình 16.14b) rung động siêu âm của đầu dao nằm trên mặt đầu phôi.
Kiểu 2: Rung theo phương hướng kính. Với tiện trụ ngoài, đầu mũi dao tiện nhận được rung động theo phương vuông góc với trục phôi trên mặt phẳng ngang tâm phôi. Khi tiện mặt đầu, mũi dao sẽ dao động theo phương thẳng góc với mặt gia công.
Kiểu 3: Rung theo phương chạy dao. Khi tiện ngoài, đầu dao tiện sẽ rung theo phương song song với chuyển động chạy dao dọc trục phôi. Với tiện mặt đầu, đầu dao sẽ rung theo phương ăn dao hướng kính phôi, trên mặt phẳng phôi cần gia công.
Có thể phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công theo hai loại sau đây: (1) Hệ thống rung động theo một phương (1D): Rung động được bổ sung chỉ theo một phương duy nhất (1 trong 3 kiểu kể trên).
(2) Hệ thống rung động 2D: Là sự kết hợp của 02 hệ thống 1D để tạo rung động theo quĩ đạo elip trên dụng cụ cắt minh họa như hình 2.21. Bảng 2.4 mô tả hướng rung, quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt trong quá trình tiện rung.
Hình 2.21. Sơ đồ kĩ thuật rung 2D
Dưới đây, trình bày tổng quan một số kết quả nghiên cứu gần đây về ứng dụng kỹ thuật tiện có rung động siêu âm trợ giúp. Các kết quả công bố được tiến hành với nhiều phương cách khác nhau, từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và phân tích động lực học, sử dụng các mô hình phần tử hữu hạn, đến thực nghiệm kiểm chứng …
Shigeomi Koshimizu (2009) [24] tiến hành xây dựng mô hình tiện mặt đầu
phôi hợp kim Titan để đánh giá hiệu quả chất lượng bề mặt sau gia công. Dao tiện được hỗ trợ rung động siêu âm theo phương tiếp tuyến, minh họa như hình 2.22. Với chế độ cắt thí nghiệm: chiều sâu cắt 0.1 mm, lượng chạy dao 0.1 mm/vòng, tốc độ cắt 30 m/phút, thông số rung ở tần số 19 kHz với biên độ rung 30 µm, độ nhám bề mặt thu được Ra = 0,55 µm so với tiện không có rung là Ra = 1,37 µm.
Ngoài ra, kết quả thử nghiệm cũng cho thấy khi tiện có rung động siêu âm trợ giúp lực cắt giảm chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với tiện thông thường. Hệ số ma sát
thông thường hệ số ma sát thu được là 0.84, gần gấp đôi so với khi có rung động siêu âm trợ giúp là 0.44. Báo cáo này cũng cho thấy khi tiện rung lượng mòn dụng cụ giảm đáng kể so với tiện truyền thống, như minh họa trên hình 2.23.
Bảng 2.4. Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương pháp gia công
Phương pháp gia công
Hướng rung của DCC Quỹ đạo rung của DCC Phương trình chuyển động của DCC
Gia công thông thường x(t) = vt
z(t) = 0
Rung 1D
Rung theo phương chạy dao (CDVA-cutting directional vibration- assisted) x(t) = vt + a.cos(2πft) z(t) = 0
Rung theo phương tiếp tuyến (NDVA-normal- directional vibration- assisted) x(t) = vt z(t) = b.sin(2πft) Rung 2D (EVA-Elliptic vibration- assisted cutting) x(t) = vt + a.cos(2πft) z(t) = b.sin(2πft)
Hình 2.22. Sơ đồ tiện có trợ giúp rung theo phương tiếp tuyến
Chandra Nath (2007) [25] nghiên cứu thực nghiệm tiện có rung động trợ giúp, gia công bề mặt trụ ngoài bằng thép hợp kim dụng cụ (DF2) được tôi đạt độ cứng HB = 220, đường kính 120 mm, chiều dài 600 mm. Dao tiện gắn mảnh CBN được bổ sung rung động siêu âm theo phương tiếp tuyến phôi (phương chạy dao – hình 2.24) nhờ bộ tạo rung SB-150 với tần số f = 19 kHz, biên độ a = 15 µm. Tốc độ rung tại đầu dao tiện v = 2af = 107,4 m/phút (lớn hơn tốc độ vòng của phôi). Kết quả thực nghiệm cho thấy cả 3 thành phần lực cắt đều nhỏ hơn khoảng 50% so với tiện truyền thống ở cả hai tốc độ thử nghiệm 0,1 mm/vòng và 0,2 mm/vòng. Lực tiếp tuyến là lớn nhất trong 3 thành phần lực. Kết quả cũng cho thấy, trong dải chế độ cắt thử nghiệm khi lượng chạy dao và tốc độ cắt càng cao thì độ nhám bề mặt càng lớn. Khi có rung hỗ trợ khi lượng chạy dao 0,1 mm/vòng thì độ nhám bề mặt không vượt quá 2 µm. Lượng mòn dụng cụ theo thời gian khi tiện có rung so với không rung ở lượng chạy dao 0,1 mm/vòng; các tốc độ cắt a, b, c lần lượt là 50,70,90 m/phút. u – UVT cắt có rung nhỏ hơn đáng kể so với c – UVC cắt truyền thống.
(a) (b)
Hình 2.24. Mô hình bổ sung rung động (a) và đánh giá lực cắt tiếp tuyến khi tiện có rung so với tiện truyền thống (b)
Chandra Nath (2008) [26] tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ (Tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt) đến quá trình tiện có rung động trợ giúp thép hợp kim Inconel 718 và không rung. Mô hình trợ giúp rung động cho dụng cụ cắt như (2007). Thông số tỉ lệ thời gian tiếp xúc của dao với phôi
(Tool–Workpiece Contact Ratio -‘‘TWCR’’) đóng vai trò quan trọng đối với quá trình UVT. Khi thực hiện tăng cả thông số rung ( tần số, biên độ) và giảm tốc độ cắt thì đều làm ‘‘TWCR’’ giảm, tức lực cắt và lượng mòn cũng giảm. Mối quan hệ giữa TWCR với biên độ rung và chế độ cắt được minh họa như hình 2.25. Kết quả cũng cho thấy khả năng tăng độ nhẵn bóng bề mặt và nâng cao tuổi thọ dụng cụ khi tiện cứng ở tốc độ cắt thấp, so với tiện truyền thống.
Kết quả cho thấy để nâng cao hiệu quả UVT, thông số TWCR cần thấp nhất có thể, với cách tăng cả biên độ, tần số rung và giảm tốc độ cắt.
Hình 2.25. Quan hệ giữa TWCR với biên độ rung (a), với chế độ cắt (f =20kHz, a=15 µm)(b)
Hình 2.26. Phân tích so sánh hiệu quả khi tiện có rung siêu âm ( f =19 kHz, a = 15µm) tốc độ cắt 10 m/phút; 0,1mm/vòng, chiều sâu cắt 0,1 mm so với tiện truyền thống.
Với quá trình UVT, lực cắt giảm từ 12- 25 % so với tiện truyền thống. Lượng mòn cũng giảm khoảng 15 -25% khi cắt với tốc độ 10 m/phút, trong thời gian 10 phút. Tuổi thọ dụng cụ tăng từ 4 -8 lần so với tiện truyền thống. Về chất lượng bề mặt, kết quả cũng cho thấy độ nhám bề mặt giảm tới 75 – 80% so với tiện không rung trợ giúp. Tổng hợp các kết quả đánh giá được minh họa như hình 2.26.
Agostino Maurotto, Vadim V. Silberschmidt ( 2013) [27, 28] đánh giá hiệu quả của quá trình UAT đến lực và chất lượng bề mặt sau gia công hợp kim - Titan (còn kỹ hiệu là Ti-15-3-3-3), hình 2.27A. Đây là một vật liệu khó gia công có độ cứng nóng cao, tỉ lệ độ bền với khối lượng tốt, độ chịu mài mòn cao, khả năng chịu nhiệt và chống chịu ăn mòn hóa học. Sơ đồ bổ sung rung động cho dao tiện theo phướng tiếp tuyến với phôi như hình …. Với tần số rung f = 17,9 kHz; biên độ a = 10 µm. Tốc độ cắt khảo sát 10 – 70 m/phút. Lượng chạy dao là 0,1 mm/vòng. Chiều sâu cắt khảo sát từ 0,05 – 0,5 mm. Kết quả cho thấy quá trình tiện rung, độ nhám bề mặt được cải thiện rõ rệt so với tiện truyền thống, minh họa hình 2.27B.
Lực cắt trung bình khi thực hiện UVT giảm tới 70 % với chiều sâu cắt 0,5 mm so với tiện không có rung.
(A) (B)
Hình 2.27. (A) Sơ đồ thí nghiệm; (B) So sánh độ nhám bề mặt khi tiện truyền thống (a) với UVT (b) với diện tích quét 0,53 mm x 0,7 mm
Thông số quá trình cắt thử nghiệm: vận tốc cắt V = 10 m/phút, chiều sâu cắt t = 300 µm, lượng chạy dao s = 0.1 mm/vòng. Thông số UAT: f = 17.9 kHz; a = 10 µm. Kết quả đánh giá các thành phần lực cắt so với gia công truyền thống được minh họa trên hình 2.28, 2.29.
J. Rimkevičienė và cộng sự (2009) [29] xây dựng mô hình lý thuyết và tiến hành mô phỏng kiểm chứng mô hình tiện rung có trợ giúp rung động siêu âm. Rung động được bổ sung theo phương dọc trục dao sử dụng bộ tạo rung kiểu Langevin, hình 2.30. Trong đó, (1) - Bulông kẹp, (2) - Tấm kẹp sau, (3) - Tấm áp điện và điện cực, (4) - Tấm kẹp trước, (5) - Đài gá dao, (6) Đầu dao tiện, (7) - Vị trí nút kẹp. Bằng cách mô hình hóa các điểm nút kẹp trên dụng cụ dạng lò xo, với độ cứng tổng được chọn bằng mô đun đàn hồi của thép 45. Kết quả khảo sát bằng cả mô hình số, và thí nghiệm mô phỏng FEA xác định được mối quan hệ giữa biên độ rung với tần số cộng hưởng với các mode khác nhau. Tần số cộng hưởng với mode rung dọc trục dao (tức theo phương hướng kính phôi) được thể hiện như hình 2.31. Kết quả cho thấy mô hình đề xuất hoàn toàn phù hợp, có thể phát triển cho các bài toán phân tích động lực học.
Hình 2.30. Mô hình bổ sung rung động cho dao tiện với chiều dài cả bước sóng
Quan hệ giữa biên độ và tần số cộng hưởng với Mode 12 rung dọc trục dao
Kết quả phân tích FEA tìm tần số cộng hưởng và biên độ mode rung dọc trục
Hình 2.31. Kết quả phân tích tần số cộng hưởng với mode dọc trục
Chen Zhang và cộng sự (2016) [30] đưa ra mô hình bổ sung rung động theo phương kết hợp rung Elip cho quá trình tiện tinh trụ ngoài, minh họa hình 2.32. Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện đứng Mori Seiki TV30. Phôi làm từ vật liệu thép không gỉ 0Cr18Ni9, đường kính 19,05; chiều dài 80 mm. Mảnh dao tiện là Carbide tungsten, với bán kính mũi dao là 200 µm. Dao tiện được bổ sung rung động theo phương Elip kết hợp, với thông số UVT: f = 28,1 kHz; a = 3 µm. Thông
số cắt thử nghiệm với dải chiều sâu cắt 10 – 50 µm; tốc độ cắt 200 – 600 vòng/ phút; lượng chạy dao s = 0,1 – 0,5 mm/vòng. Kết quả thực nghiệm cho thấy so với việc hỗ trợ rung động 1D, khi cắt UVT dạng Elip các thành phần lực cắt giảm từ 10- 30 %.
Hình 2.32. Mô hình thí nghiệm bổ sung rung động theo quỹ đạo Elip cho dao tiện
Về độ nhám bề mặt tác giả sử dụng phương pháp tính toán bằng công thức lý thuyết và đo thực nghiệm với rung Elip có rung tuyến tính 1D ở các tốc độ khảo sát. Cụ thể, với rung tuyến tính 1D biên độ 1,25µm, khi tốc độ trục chính là 400 và 600 vòng/ phút, độ nhám tính bằng lý thuyết tương ứng là 250 nm và 167 nm; còn giá trị đo thực tế thu được nhấp nhô lớn nhất Rmax lần lượt là 618 nm và 682 nm. Với rung Elip với biên độ kết hợp theo phương dọc trục phôi và phương cắt hướng tâm lần lượt là 2 và 7,8 µm; tốc độ cắt tương tự; kết quả tính toán độ nhám bằng lý thuyết lần lượt là 427 nm và 1862 nm; kết quả đo thực tế lại thu được là 473 nm và 1143 nm.
Varun Sharma, Pulak M. Pandey (2016) [31] xây dựng mô hình UVT với
rung theo phương tiếp tuyến (hình 2.33), đưa ra đánh giá ảnh hưởng của thông số rung và các thông số cắt gọt vật liệu thép sau nhiệt luyện 4340 đến việc sinh ứng suất dư. Ứng suất dư sinh ra trên chi tiết gia công ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi, khả năng chống mòn và đặc tính ma sát. Phân tích XRD được sử dụng để đo giá trị ứng suất dư. Phương pháp chỉ tiêu bề mặt (RSM) cũng được dùng để đánh giá các thông số ảnh hưởng.
Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNMA 120404. Thông số UVT của đầu rung UP -1200 (Chromtech) f = 20 kHz, a = 20 µm; cường độ công suất phát 5 mức từ 20 -100%. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy cường độ rung và lượng chạy dao ảnh hưởng đáng kể đến việc tạo ứng suất dư. Giá trị giảm ứng suất dư trên mô hình dự đoán với sai số lớn nhất ± 27,79 %. Giá trị ứng suất dư lớn nhất và nhỏ nhất lần lượt là 802,29 MPa và -696 MPa. Dữ liệu phân tích thí nghiệm đạt mức tin cậy tới 95%. Chế độ cắt tối ưu (lượng chạy dao 0,1 mm/vòng; tốc độ cắt 30 m/phút) và cường độ công suất phát khoảng 60% được xác định để đảm bảo hiệu quả giảm ứng suất dư cao nhất.
M. R. Ibrahim (2014) [32] phân tích thí nghiệm UVT với một đề xuất dụng cụ cải tiến khi tiện hợp kim nhôm 6061-T6. Sử dụng bộ phát rung PPA10M dạng các tấm mỏng xếp chồng (piezo stack actuator) với tần số 20 kHz, minh họa như hình 2.34. Thí nghiệm được tiến hành ở hai chế độ có rung siêu âm trợ giúp và không có rung, có và không bôi trơn, trên máy tiện Mitutoyo SJ400. Thông số UVT được thiết lập bao gồm: biên độ rung của bộ phát rung là 0,5 – 1 µm (ứng với điện áp đặt vào 15 V và 7,5 V) trên dải tần số 20, 40 và 50 kHz; tốc độ trục chính 540 vòng /phút; lượng chạy dao 0,1 mm/vòng; chiều sâu cắt 0,3 mm. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhám bề mặt khi tiện bằng UAT nhỏ hơn so với tiện truyền thống ở cả hai chế độ có và không bôi trơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra trong dải khảo sát, khi tần số rung càng cao thì độ nhám càng lớn.
Hình 2.34. Mô hình thí nghiệm với kết cấu dao tiện mới cho tiện trụ ngoài [32]
Tiểu kết: Đã có rất nhiều nghiên cứu triển khai, đánh giá ứng dụng rung động siêu âm trợ giúp các loại hình gia công khác nhau. Các nghiên cứu đều chỉ ra các lợi ích do bổ sung rung động siêu âm mang lại. Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hầu hết các bộ gá kẹp đầu rung mang dụng cụ trong các nghiên cứu đều chưa được quan tâm đến khuôn khổ kích thước và tính tiện dụng. Đặc biệt khi gia công trên máy tiện vạn năng, đầu rung nên được gá kẹp trên đài dao thay vì thay thế đài dao như trong nhiều nghiên cứu. Việc gá dao tiện rung trên đài dao sẽ cho phép gia công được nhiều bề mặt nhờ sử dụng nhiều dụng cụ tại các vị trí khác nhau. Thêm nữa, khi gia
công đồng thời cả mặt trụ hay mặt đầu, hay gia công mặt lỗ côn bằng bàn trượt dọc, việc gá được dao trên đài dao sẽ thuận tiện hơn hẳn so với phương án thay thế đài dao bằng cụm đầu rung. Nghiên cứu của Ibrahim [32] (Hình 2.34) đề xuất một kết cấu khá nhỏ gọn, tuy nhiên công suất của bộ phát rung dạng Piezo nhiều tấm mỏng là rất yếu; đồng thời rất khó ứng dụng cho tiện lỗ. Kết cấu của Rimkevičienė [29] (Hình 2.30) rất tiện lợi khi gá đặt, gia công nhưng đòi hỏi tính toán và chế tạo thân dao chính xác về kích thước, đồng thời rất khó khăn khi cần mài lại dao. Nghiên cứu này sẽ đề xuất một kết cấu phù hợp hơn, khắc phục những tồn tại trên.
Thiết kế mới được đề xuất dựa trên cơ sở phân tích, đảm bảo nguyên lý hoạt động của bộ phận tạo rung và khuếch đại rung. Các nguyên tắc kết cấu được trình bày như dưới đây.