Hình 4.5 mơ tả kết quả lượng tiến dao (tính theo tỷ số L/D) khi khoan gồm khoan thường (CD1 lỗ 1, CD3 lỗ 5) và khoan có trợ giúp của rung động siêu âm (UAD1 lỗ 1, UAD3 lỗ 5). Như có thể thấy trên hình 4.5, lượng tiến dao khi khoan tăng gần như tuyến tính theo thời gian. Dưới cùng một giá trị lực tiến dao tác động, khoan có trợ giúp của rung động siêu âm có tốc độ tiến dao nhanh hơn khoan thường. Chẳng hạn, với cặp lỗ cùng khoan bằng mũi khoan mới (lỗ 1) với giá trị lực 58,86 N (CD1, UAD1), đường đồ thị UAD1 lỗ 1 dốc hơn nhiều đường CD1 lỗ 1. Tương tự, với giá trị lực 117,72 N, đường UAD3 lỗ 5 dốc hơn đường CD3 lỗ 5. Bên cạnh đó, có hiện tượng mũi khoan khơng tiến sâu thêm được sau khi khoan được một độ sâu nào đó. Chẳng hạn trên biểu đồ, lỗ khoan CD3 lỗ 5 gần như không tiến được thêm sau 18,039 giây.
Do các q trình khoan được khảo sát có cùng đường kính lỗ, nên tốc độ tiến dao tỷ lệ bậc nhất với năng suất gia công. Năng suất gia cơng là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá hiệu quả của một quá trình khoan, đặc biệt là khoan lỗ nhỏ, lỗ sâu và khoan từ phôi đặc, khi mà không thể áp dụng lượng tiến dao lớn.
Ký hiệu lượng tiến dao là Lk, năng suất gia cơng trung bình MRR sau một khoảng thời gian cắt Tk có thể được tính như sau:
2 D Lk MRRk 4 Tk (4. 1)
Trong đó: D là đường kính mũi khoan (mm). Để dễ so sánh giữa các quá trình khoan, Lk và Tk lần lượt được xác định là lượng tiến dao và thời gian tương ứng trong giai đoạn lượng tiến dao tăng gần như bậc nhất theo thời gian.
Hình 4.6 và bảng 4.4 mô tả kết quả thống kê năng suất cắt trung bình thu được từ các thí nghiệm.
Bảng 4.4 Số liệu thống kê năng suất gia cơng trung bình
Lực tiến dao (N) MRR(UAD) (mm3/s) MRR(CD) (mm3/s) MRR(UAD) MRR(CD) Độ lệch chuẩn MRR(UAD) Độ lệch chuẩn MRR(CD) 58,86 1,01102 0,43609 2,32 0,06297 0,07153 88,29 0,90751 0,61662 1,47 0,06878 0,08986 117,72 1,56158 1,04944 1,49 0,14563 0,15651
Hình 4.6 Kết quả thống kê năng suất gia cơng trung bình
Như có thể thấy trên hình 4.6 và bảng 4.4, ở tất cả các mức lực tiến dao, năng suất gia cơng trung bình của UAD đều cao hơn so với CD (từ 1,47 lần ở mức 88,29 N đến 2,32 lần ở mức 58,86 N). Ngoài ra, mức độ phân tán của giá trị năng suất gia công của các lỗ khoan (xem cột “Độ lệch chuẩn”) trong UAD phân bố trong phạm vi nhỏ hơn so với CD. Tức là, năng suất của các q trình khoan có trợ giúp của rung động ổn định hơn các quá trình khoan thường.
4.3.2 Độ sâu lỗ đạt được
Kết quả thực nghiệm cho thấy, hầu hết các lỗ khoan, đặc biệt là khi khoan thường bằng các mũi khoan cũ (lỗ thứ 2, 3, 4 và 5 trong các thí nghiệm), mũi khoan hầu như không thể tiến thêm vào chi tiết (xem mơ tả trên hình 4.7a).
(a) (b)
Hình 4. 7 Độ sâu lỗ đạt được: khoan thường (a), khoan có rung trợ giúp (b)
Hình 4.7a và 4.7b lần lượt mô tả các độ sâu lỗ đạt được khi khoan thường và khoan có trợ giúp của rung động. Như có thể thấy trên hình 4.7a (khoan thường), chỉ có lỗ khoan thứ nhất (mũi khoan mới) mới khoan được hết độ sâu định sẵn (L/D=13,3). Độ sâu đạt được của các lỗ khoan tiếp sau giảm dần, phản ánh sự suy giảm khả năng cắt của mũi khoan. Ở lỗ khoan thứ năm, mũi khoan ở chế độ lực tiến dao nhỏ nhất (CD1) đạt được độ sâu lớn hơn ở hai chế độ cịn lại (CD2 và CD3). Điều này có thể do mũi khoan ở chế độ CD1 lâu bị suy giảm khả năng cắt hơn do làm việc với tải nhẹ hơn. Khi khoan có trợ giúp của rung động siêu âm như mơ tả trên hình 4.7b, hầu hết các lỗ khoan đều đạt được độ sâu tối đa, trừ lỗ cuối cùng ở chế độ UAD2, ứng với lực tiến dao 88,29 N (9 kg). Đây là chế độ khoan có khả năng gia cơng thấp nhất, sẽ được phân tích chi tiết trong phần sau. Kết quả các giá trị độ sâu lỗ thu được từ thí nghiệm cho phép kết luận rằng, khoan có trợ giúp của rung động có thể cải thiện khả năng gia cơng lỗ sâu xét theo chỉ tiêu độ sâu lớn nhất có thể đạt được. Một số nghiên cứu của các tác giả khác cũng có kết luận tương tự, nhưng sử dụng tiêu chí độ sâu đạt được khi gãy mũi khoan trong điều kiện duy trì tốc độ tiến dao khơng đổi [120]. Có thể nhận thấy, thí nghiệm duy trì
lực tiến dao khơng đổi cho phép đánh giá độ sâu lớn nhất đạt được với độ phân giải mịn hơn so với thí nghiệm duy trì tốc độ tiến dao không đổi.
4.3.3 Mô men và nhiệt độ chi tiết khi khoan
Như đã trình bày ở trên, dữ liệu mô men khi khoan là giá trị mơ men tổng sinh ra trong q trình khoan, được thu thập nhờ cảm biến đo lực, quy đổi thành mơ men và lưu trữ trên máy tính phục vụ q trình phân tích so sánh. Nhiệt độ chi tiết được đo bằng cảm biến nhiệt không tiếp xúc đặt cách chi tiết một khoảng cố định trong tất cả các thí nghiệm. Giá trị nhiệt đo được khơng phải là nhiệt độ sinh ra tại vùng cắt. Dù vậy, do kích thước và đặc tính dẫn nhiệt của các chi tiết gia cơng là như nhau trong tất cả các thí nghiệm, mức độ chênh lệch nhiệt độ chi tiết đo được cũng cho phép đánh giá ưu việt nếu có của UAD so với CD về vấn đề nhiệt cắt. Nhiệt cắt của một quá trình lớn hơn dẫn đến nhiệt độ đo được trên chi tiết lớn hơn.
Hình 4.8 mơ tả sự biến động của mơ men và nhiệt trên chi tiết ở một số lỗ khoan.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 4.8 Diễn biến lượng tiến dao, mơ men và nhiệt độ trên chi tiết khi khoan thường (a, c) và khoan có rung trợ giúp (b, d); điều kiện gia cơng với lực tiến dao 6 kg, lỗ 4 (a, b) và 12 kg, lỗ
Có thể dễ dàng nhận thấy các ưu việt cả về lượng tiến dao, mô men khoan và nhiệt của UAD so với CD. Nói chung, mơ men khoan và nhiệt độ của chi tiết gia công đều tăng theo độ sâu của lỗ khoan. Mô men và nhiệt càng tăng cao khi độ sâu lỗ khoan càng lớn. Tuy nhiên, tốc độ tăng của cả mô men và nhiệt trong CD cao hơn đáng kể so với UAD. Với lực tiến dao 6 kg, trong khi UAD chỉ mất 40 giây để hoàn thành độ sâu lỗ 40 mm (hình 4.8b), thì mũi khoan ở chế độ CD (hình 4.8a) chỉ tiến được dưới 20 mm sau 47 giây, sau đó gần như bị dừng lại. Điểm đáng lưu ý là cả mô men và nhiệt đo được ở CD đều có bước tăng đột ngột sau thời điểm mũi khoan không thể tiến thêm được. Trái lại, mô men và nhiệt chi tiết đều tăng nhẹ và ổn định trong UAD. Khác biệt tương tự cũng thấy rõ ở cặp CD-UAD khi tác động lực tiến dao 12 kg. Trên hình 4.8c (khoan thường), mũi khoan tiến nhanh được khoảng 17,5 mm trong 15 giây đầu, sau đó chỉ tiến rất chậm được khoảng 2 mm sau 25 giây tiếp sau. Trái lại, ở khoan có trợ giúp của rung (hình 4.8d), mũi khoan tiến được khoảng 23 mm trong 15 giây đầu, sau đó duy trì tốc độ tiến dao ổn định và hoàn thành lỗ khoan với độ sâu lỗ 40 mm trong 12 giây tiếp sau. Mô men và nhiệt chi tiết lớn nhất ở CD lần lượt đạt đến giá trị 600 Ncm và trên 200C; trong khi đó ở UAD, mơ men lớn nhất chỉ ở mức dưới 200 Ncm, nhiệt độ cao nhất trên chi tiết là khoảng dưới 80C.
Để đánh giá cụ thể mức độ giảm mô men khoan và nhiệt độ chi tiết của các thí nghiệm UAD so với các thí nghiệm CD, sử dụng các tỷ số mô men và nhiệt độ cho từng cặp thí nghiệm như sau:
ij ij ij Tmax_ CD RT Tmax_ UAD (4.2)
Trong đó: RT_ij là tỷ số giữa mơ men lớn nhất đo được khi khoan thường Tmax_CD_ij và mô men lớn nhất đo được khi khoan có trợ giúp của rung Tmax_UAD_ij; mỗi giá trị RT_ij tính cho từng cặp chế độ lực tiến dao (i=1-3) và thứ tự lỗ khoan (j=1-5). Tổ hợp có 15 cặp giá trị RT_ij cho 30 thí nghiệm.
ij 0 ij ij 0 t max_CD Rt 0 t max_ UAD (4.3)
Trong đó: Rt_ij là tỷ số giữa nhiệt độ lớn nhất trên chi tiết đo được khi khoan thường tmax_CD_ij và nhiệt độ lớn nhất trên chi tiết đo được khi khoan có trợ giúp của rung tmax_UAD_ij; mỗi giá trị Rt_ij tính cho từng cặp chế độ lực tiến dao (i=1-3) và thứ tự lỗ khoan (j=1-5). Cũng có tất cả 15 cặp giá trị Rt_ij cho 30 thí nghiệm.
Hình 4.9 mơ tả các tỷ số RT_ij và Rt_ij của các cặp thí nghiệm. Giá trị các tỷ số này càng cao thì ưu việt của UAD làm giảm mơ men khoan và nhiệt độ chi tiết càng lớn.
(a) (b)
Hình 4.9 Tỷ số mơ men (a) và tỷ số nhiệt độ chi tiết (b) của các cặp thí nghiệm
Quan sát đồ thị tỷ số mơ men (hình 4.9a), có thể thấy mức giảm mơ men khi tác động lực tiến dao 9 kg là ít nhất – gần như việc bổ sung rung động không làm giảm mô men khi khoan. Đồ thị tỷ số nhiệt độ chi tiết gia cơng (hình 4.9b) cũng phản ánh đặc điểm này. Mức độ giảm mô men khoan và nhiệt độ chi tiết tốt nhất nhận được khi áp dụng lực tiến dao 6 kg (cao nhất là giảm mô men khoảng 6 lần, giảm nhiệt khoảng trên 5 lần). Khi áp dụng lực tiến dao 12 kg, UAD mang lại hiệu quả làm giảm mô men từ 1,5 đến 2,5 lần, làm giảm nhiệt độ chi tiết từ 2 đến 3 lần so với CD. Luận giải về những hiện tượng này được trình bày chi tiết trong phần sau.
4.3.4 Luận giải ưu việt của UAD
1) Phoi bị dính bết, điền đầy rãnh thốt phoi ở tất cả các trường hợp khoan thường (CD1, CD2 và CD3);
2) Phoi cũng dính bết và điền đầy rãnh thốt phoi ở trường hợp khoan có trợ giúp của rung khi lực tiến dao là 9 kg (UAD2). Tuy nhiên, khơng quan sát thấy có phoi bám dính trên rãnh thốt phoi ở khoan có rung trợ giúp khi lực tiến dao là 6 kg (UAD1) và 12 kg (UAD3).
Từ những quan sát trên, có thể tạm kết rằng, khả năng phoi thốt ra khỏi rãnh xoắn trên mũi khoan ở các chế độ khoan có trợ giúp của rung khi lực tiến dao là 6 kg hoặc 12 kg là tốt hơn so với các chế độ khoan thường và khoan có trợ giúp của rung ở mức lực tiến dao 9 kg.
Hình 4.10 Ảnh chụp mũi khoan sau lỗ khoan thứ 5
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 q 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 khơng 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, mơ 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 mơ 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 hồn tồn ăn vào chi tiết gia cơng. Nói chung trong các tài liệu về gia cơng cắt gọt, khi tính tốn mơ men