Đối chiếu với hiệu quả giảm mô men và nhiệt độ chi tiết của UAD so với CD trên đồ thị hình 4.9, có thể đặt ra giả thuyết rằng, rung động trợ giúp có thể hỗ trợ khả năng thốt phoi, do đó làm giảm mơ men và nhiệt độ chi tiết gia công so với khoan thường. Các phân tích dưới đây sẽ cung cấp minh chứng hỗ trợ kiểm định giả thuyết này.
Như đã phân tích ở trên, trong chế độ khoan có trợ giúp của rung được khảo sát, khi lực tiến dao là 9 kg thì tác dụng giảm mơ men và nhiệt là kém hơn so với khi áp dụng lực tiến dao là 6 kg hoặc 12 kg. Do vậy, tiến hành khảo sát đối chứng mô men và
nhiệt độ chi tiết khi khoan cùng với độ sâu lỗ khi khoan có rung trợ giúp ở lỗ khoan thứ 5 ứng với hai chế độ lực tiến dao là 9 kg và 12 kg, như mơ tả trên hình 4.11. Như có thể thấy trên biểu đồ, chế độ khoan UAD1 dễ dàng khoan hết độ sâu của lỗ ứng với L/D=13,3, nhưng chế độ khoan UAD2 chỉ đạt được độ sâu lỗ L/D9. Thời điểm lượng tiến dao bắt đầu dừng (vị trí mũi tên hướng lên trên hình 4.11a) cũng là thời điểm đồ thị mô men tăng dốc đứng và đạt mức trên 200 Ncm. Tại thời điểm này, đồ thị nhiệt độ trên chi tiết cũng bắt đầu tăng nhanh hơn nhiều giai đoạn trước (xem hình 4.11b). Mặc dù mũi khoan không tiến sâu hơn vào chi tiết, tức là mô men và nhiệt sinh ra do quá trình bóc tách kim loại (q trình cắt) gần như khơng cịn, nhưng nhiệt độ vẫn duy trì tốc độ tăng cao và đạt đến giá trị trên 150 C. Kết hợp với việc phân tích ảnh chụp mũi khoan trên đây, có thể khẳng định rằng, ma sát giữa phoi bị kẹt trong rãnh với thành lỗ là nguyên nhân làm tăng nhanh nhiệt độ trên chi tiết gia cơng. Giá trị mơ men duy trì ở mức cao mặc dù q trình cắt khơng diễn ra cũng là một minh chứng cho sự tồn tại của mô men do lực ma sát gây nên.
(a) (b)
Hình 4.11 Biến động của lượng tiến dao và mô men (a), của lượng tiến dao và nhiệt chi tiết của hai cặp thí nghiệm (b)
Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, ở cùng một mức lực tiến dao, càng gia cơng các lỗ sau thì nhiệt độ trên chi tiết càng cao. Hình 4.12 mơ tả hai ví dụ về mức độ thay đổi nhiệt độ lớn nhất trên chi tiết gia cơng. Trên hình 4.12a, dưới tác dụng của lực tiến dao 9 kg, nhiệt độ sinh ra trên chi tiết gia công khi khoan bốn lỗ đầu tiên đều thấp hơn 150 C. Lưu ý là cả bốn lỗ này đều khoan được hết độ sâu tối đa. Lỗ khoan thứ năm, là lỗ khoan không thực hiện được hết độ sâu, có nhiệt độ sinh ra trên chi tiết lớn hơn 150 C.
Nếu coi mức 150 C là ngưỡng đánh giá, cả bốn lỗ khoan ở chế độ khoan thường với lực tiến dao 12 kg cũng đều có nhiệt độ chi tiết cao hơn ngưỡng. Bốn lỗ này cũng đều không thể khoan hết độ sâu tối đa.
(a) (b)
Hình 4.12 Biến động của nhiệt độ chi tiết gia cơng: khoan có rung trợ giúp với lực tiến dao 9 kg (a); khoan thường với lực tiến dao 12 kg (b)
Như vậy, có thể nhận định rằng, khi độ sâu lỗ khoan càng lớn, phoi càng có khả năng kẹt trong rãnh thoát phoi. Phoi bị kẹt làm tăng ma sát giữa phoi và thành lỗ khoan, làm nhiệt và mô men tăng khi khoan. Rung động được bổ sung có tác dụng làm giảm ma sát, do đó giảm mơ men và nhiệt độ sinh ra trên chi tiết gia công. Khi áp dụng lực tiến dao nhỏ (chẳng hạn mức 6 kg), phoi mỏng nên dễ thốt ra ngồi hơn khi có bổ sung rung động. Khi lực tiến dao lớn hơn (ở mức 9 kg), lượng tiến dao lớn hơn dẫn đến phoi bị kẹt nhiều hơn, do vậy khi mũi khoan bị mòn (lỗ 5), mũi khoan không đủ khả năng khoan hết độ sâu đã định. Với lực tiến dao lớn (mức 12 kg), lực đẩy lớn đủ khả năng đẩy phoi ra khỏi rãnh, do vậy cả năm lỗ đều khoan được hết độ sâu. Bản chất quá trình tương tác giữa lực tiến dao, mức độ kẹt phoi và ma sát là rất phức tạp, hy vọng có thể được giải thích chi tiết hơn trong các nghiên cứu tiếp sau.
Để đánh giá chi tiết hơn ảnh hưởng của rung động làm giảm mô men khi khoan lỗ sâu, dữ liệu đo mơ men của các thí nghiệm khoan được phân tích sâu hơn như dưới đây.
Hình 4.13 Đồ thị biến thiên mô men theo độ sâu lỗ của hai q trình khoan
Hình 4.13 mơ tả đồ thị biến thiên của mô men sinh ra khi khoan của hai quá trình khoan, một CD và một UAD, biểu diễn theo hệ số độ sâu lỗ khoan L/D. Có thể nhận thấy, mô men khi khoan chỉ tương đối ổn định trong khoảng L/D [0; 2,6] (trong khoảng từ 0 đến R1 được đánh dấu bằng đường nét đứt màu đỏ). Khi độ sâu của lỗ tiếp tục tăng, L/D [2.6, 5] (khoảng từ R1 đến R2), mô men bắt đầu tăng nhẹ. Sau đó, khi độ sâu lỗ tiếp tục tăng lên với L/D>5, mô men tăng lên rất đáng kể, đặc biệt là với CD.
Như đã biết, mô men cắt khi khoan là mô men của thành phần lực cắt theo phương tiếp tuyến quanh trục mũi khoan. Giá trị mô men cắt có thể xác định trên đồ thị đo kết quả thực nghiệm, là giá trị mô men lớn nhất sau khi cả hai lưỡi cắt đã hoàn toàn ăn vào chi tiết gia cơng. Nói chung trong các tài liệu về gia cơng cắt gọt, khi tính tốn mô men khoan thường bỏ qua thành phần ma sát giữa phoi và thành lỗ, tức là chỉ xét đến thành phần mô men cắt. Do vậy, mô men khoan chỉ cịn chứa thành phần mơ men cắt và do đó, được coi là khơng phụ thuộc độ sâu của lỗ khoan. Đối chứng với đồ thị biến thiên của mơ men theo độ sâu lỗ trên hình 4.13, dễ thấy quan niệm mô men không phụ thuộc độ sâu lỗ khoan chỉ phù hợp khi khoan lỗ nông (L/D < 5).
Với giả thiết lực cắt khi khoan là không đổi, giá trị tăng thêm của mô men sinh ra khi độ sâu lỗ tăng phản ánh xu hướng tăng của lực cần thiết nhằm đẩy phoi ra khỏi lỗ khoan, khi lượng phoi lấp đầy rãnh xoắn càng lớn (theo các nhà nghiên cứu đã mô tả trong [89, 90] [93, 101]). Trong các công bố trước đây về vấn đề này, các tác giả thường phân tách mô men tổng sinh ra khi khoan lỗ sâu thành hai thành phần: mô men cắt
(cutting torque) có giá trị khơng đổi và mơ men thốt phoi (chip-evacuation torque) có giá trị tăng dần theo độ sâu lỗ khoan. Tuy vậy, các kết quả thực nghiệm của các tác giả đó cũng như của nghiên cứu này thực hiện đều cho thấy mơ men thực tăng nhưng khơng tăng đều, có chứa thành phần biến động khá lớn. Các tác giả trước thường cố gắng làm trơn đường cong biểu diễn mô men bằng các giải pháp làm trơn như lấy trung bình điểm, sử dụng bộ lọc lấy tần số thấp (low pass filter). Nghiên cứu này đề xuất chia tách mô men tổng sinh ra khi khoan lỗ sâu thành ba thành phần như mơ tả trên hình 4.14.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 4.14 Ba thành phần mơ men (a,b) và hiện tượng bám dính phoi (c,d)
Như mơ tả trong hình 4.14, tổng mơ men T sinh ra trong q trình khoan được phân tách thành ba thành phần sau:
TT1T2T3 (4.4)
Trong đó: T1 là thành phần mơmen cắt, được coi là có giá trị khơng đổi và khơng phụ thuộc vào độ sâu của lỗ khoan. T2 là thành phần mô men tăng liên tục theo độ sâu của
niệm trong các nghiên cứu trước đây của các tác giả khác trên thế giới. T3 là thành phần mô men biến động một cách ngẫu nhiên. Thành phần này thường được bỏ qua trong các nghiên cứu trước. Trong nghiên cứu này, T3 được gọi là mơ men dính-trượt (stick-slip), một thuật ngữ thường được sử dụng để mô tả 1 hiện tượng khi hai bề mặt tiếp xúc và trượt tương đối với nhau.
Một minh chứng rõ ràng cho sự tồn tại của mơ men thốt phoi có thể thấy trên hình 4.14a, một ví dụ mơ men khi khoan thường. Tại thời điểm A trên hình (t=31 giây), mũi khoan đã hoàn toàn xuyên qua lỗ (ký hiệu "Feed out" trên hình vẽ) nhưng chưa được rút ra khỏi lỗ. Mặc dù lúc này q trình cắt khơng cịn xảy ra, nhưng có thể thấy giá trị mơ men vẫn cao hơn nhiều lần so với mô men cắt (khoảng 150 Ncm so với mô men cắt khoảng 20 Ncm). Rõ ràng, khi này lưỡi cắt của mũi khoan đã hồn tồn khơng tiếp xúc với vật liệu gia công, cho nên mô men phát sinh trên mũi khoan chỉ có thể sinh ra do ma sát giữa phoi dính trên dụng cụ với thành lỗ khi mũi khoan vẫn đang quay. Mô men này thường được các nghiên cứu trước gọi là mô men thốt phoi. Để tiện cho tính tốn phân tích, nghiên cứu này tách mơ men thoát phoi thành hai thành phần: thành phần tăng liên tục T2 và thành phần biến động ngẫu nhiên T3.
Quan sát mô men khoan trong một trường hợp UAD như mơ tả trên hình 4.14b, tại thời điểm lỗ khoan thủng (điểm A, "Feed out" trên hình vẽ), mơ men lập tức rơi xuống giá trị bằng 0. Điều này minh chứng cho khả năng giảm ma sát do rung động được bổ sung trong UAD, giúp cải thiện khả năng thoát phoi. Các ảnh chụp mũi khoan trên hình 4.14(c,d) minh chứng thêm cho khả năng phát sinh mô men cản trên mũi khoan. Hiện tượng phoi dính bết ở CD như những miếng chêm cản trở chuyển động quay của mũi khoan (hình 4.14c). Hiện tượng này hầu như khơng xuất hiện với UAD (hình 4.14d).
Qua các phân tích ở trên, có thể rút ra một số nhận xét sau:
- Khi độ sâu lỗ khoan càng tăng, mô men sinh ra khi khoan càng lớn;
- Trên lỗ khoan được thực hiện bằng CD, giá trị mô men lớn hơn nhiều so với mô men cắt vẫn tồn tại ngay cả khi quá trình cắt đã kết thúc nhưng mũi khoan chưa được rút ra khỏi lỗ. Hiện tượng này khơng có khi gia cơng bằng UAD.
Từ nhận định trên, giả thuyết để giải thích ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu có thể phát biểu như sau: rung động siêu âm được bổ sung có thể làm giảm ma sát giữa
phoi với rãnh xoắn mũi khoan và thành lỗ, dẫn đến khả năng làm giảm mô men sinh ra (do ma sát) khi khoan lỗ sâu. Nghiên cứu này tập trung phân tích các bằng chứng
thực nghiệm để hỗ trợ giả thuyết này.
Để thuận tiện cho phân tích, tiến hành mơ hình hóa quy luật thay đổi của mơ men thốt phoi theo độ sâu lỗ khoan. Để tăng tính khái quát, độ sâu lỗ khoan L được chuyển thành giá trị không thứ nguyên thơng qua tỉ số độ sâu trên đường kính lỗ khoan L/D. Theo đó, quy luật thay đổi của mơ men thốt phoi theo độ sâu lỗ đã được các nghiên cứu trước [88], [121], [122] phát triển dưới dạng hàm mũ như sau:
B(L/D)
Tchip A.e (4.5)
Trong đó: Tchip là mơ men thốt phoi, được xác định là thành phần mô men phát sinh lớn hơn mô men cắt, A và B là các tham số phụ thuộc vật liệu gia cơng, điều kiện gia cơng, đặc tính dụng cụ, chế độ cắt v.v và được xác định từ thực nghiệm. Tuy nhiên, mơ men thốt phoi thường được coi là một đại lượng và xử lý làm trơn như đã phân tích ở trên. Trong nghiên cứu này, mô men thoát phoi được tách thành 2 thành phần Tchip=T2+T3, trong đó, chỉ có thành phần T2 được mơ hình hóa dưới dạng hàm mũ (4.6).
B(L/D)
T2 A.e (4.6)
Các bước phân tích dữ liệu thực nghiệm được tiến hành như sau, thành phần mơ men T2 được mơ hình hóa từ đường cơ sở (Baseline) của tín hiệu thu được. Dữ liệu của đường cơ sở thu được sau đó đã được trừ (loại bỏ) thành phần mô men cắt. Tiếp theo, một phép hồi quy phi tuyến được thực hiện để mơ hình tốn cho T2 như một hàm phụ thuộc vào độ sâu của lỗ khoan.
Hình 4.15 minh họa một quá trình hồi qui T2. Trước hết, đồ thị mơ men tổng được vẽ với trục hồnh là tỷ số L/D khoan được. Tiếp đó, kỹ thuật lấy đường cơ sở (Baseline) được áp dụng nhằm tự động lựa chọn có điều chỉnh để lấy một số điểm đáy (thấp nhất) của các giá trị mơ men (xem hình 4.15a). Tung độ của các điểm hồi quy mô men được xác định bằng cách lấy tung độ các điểm cơ sở trừ đi giá trị mô men cắt của thí nghiệm
đang xét. Các cặp tọa độ điểm cơ sở được dùng để hồi quy xác định quan hệ mơ men T2 theo L/D (xem hình 4.15b).
(a) (b)
Hình 4.15 Một ví dụ về cách thức lấy điểm cơ sở và hồi quy T2
Như có thể thấy trên hình 4.15, do tách riêng thành phần biến động ngẫu nhiên ra khỏi quy luật tăng của mô men, nên đường cơ sở gần với dạng đồ thị hàm mũ hơn. Kết quả là dữ liệu thu được khớp rất tốt với hàm hồi quy. Thống kê cho thấy hệ số R2 của các số liệu thực nghiệm đều đạt từ 0,94 đến 0,99, chứng tỏ mơ hình khớp với dữ liệu tốt hơn so với các nghiên cứu trước do các tác giả trước hồi quy toàn bộ dữ liệu mô men tăng thêm được làm trơn. Hình 4.16 mơ tả ví dụ kết quả hồi quy của Mellinger [89] và của Han [121]. Dễ thấy quan hệ hồi quy thu được trên hình 4.15b sát với dữ liệu thí nghiệm hơn so với kết quả trên hình 4.16.
(a) (b)
Sự biến động của các thành phần mô men
Sử dụng kết quả hồi quy T2 cho mỗi lỗ khoan, có thể dễ dàng xác định được tính ưu việt về khả năng làm giảm mơ men thốt phoi của UAD so với CD. Trước hết, giá trị thống kê trung bình và phạm vi biến động của các thành phần mô men cắt và mơ men thốt phoi được xếp chồng và so sánh từng cặp. Hình 4.17a mơ tả một ví dụ đồ thị dạng này tại giá trị L/D=6. Như mô tả trên biểu đồ, trong từng cặp có cùng lực tiến dao, tổng mô men T1+T2 của UAD luôn nhỏ hơn của CD. Thành phần mô men cắt (phản ánh công hữu ích để bóc tách vật liệu) của UAD ln lớn hơn của CD. Điều này lý giải tại sao năng suất gia công của UAD cao hơn của CD khi áp đặt cùng một giá trị lực tiến dao (như đã trình bày trong mục 4.3.1). Dù vậy, mơ men thốt phoi của UAD lại thấp hơn của CD, chứng tỏ phoi thoát ra dễ dàng hơn khi gia công bằng UAD. Lưu ý rằng mơ men thốt phoi phản ánh năng lượng tiêu tốn khơng có ích cho q trình bóc tách vật liệu. Mơ men thốt phoi nhỏ hơn trong khi năng suất gia công cao hơn là minh chứng thuyết phục về hiệu quả của UAD so với CD. Ngồi ra, như có thể thấy trên hình vẽ, phạm vi phân tán (biểu diễn bằng các thanh đứng) của mơ men thốt phoi CD cũng lớn hơn nhiều so với UAD.
(a) (b)
Hình 4.17 Thống kê trung bình (cột xếp chồng) của mơ men T1+T2 (a) và tỷ lệ trung bình T2/T1 của các kết quả thí nghiệm (b)
Để làm rõ hiệu quả của UAD, tỷ lệ giữa mơ men thốt phoi trung bình và mơ men cắt trung bình so với tổng của 2 thành phần này trong từng điều kiện lực tiến dao được tính tốn và mơ tả trên hình 4.17b. Như có thể thấy, trong khi tỷ lệ mơ men thốt phoi
trong gia công bằng UAD chỉ chiếm từ 18% đến 23% so với tổng T1+T2 thì tỷ lệ này chiếm từ 46% đến 71% trong gia cơng bằng CD.
Để khẳng định hơn tính ưu việt của UAD trong khoan lỗ sâu, tiếp tục phân tích đánh giá tốc độ tăng mô men theo độ sâu lỗ. Trước hết, tiến hành chuẩn hóa (phi thứ ngun hóa) mơ men tổng và các thành phần mơ men bằng cách chia chúng cho giá trị mô men cắt, tức là đặt: T T T1 T2 3 RT ; R1 1;R2 ; R3 T1 T1 T1 T1 (4.7)
Với lưu ý rằng, chỉ có mơ men cắt T1 là thành phần hữu ích duy nhất phản ánh năng lượng tiêu hao khi bóc tách vật liệu. Một q trình khoan được đánh giá là có hiệu quả hơn so với quá trình khoan khác khi tỉ số R2 và R3 nhỏ hơn. Nói cách khác, một quá