Thiết kế đầu rung bao gồm ba biên dạng hình học phổ biến nhất, bao gồm dạng trụ bậc có độ khuếch đại biên độ lớn nhất, chế tạo đơn giản nhưng ứng suất tập trung lớn, biên dạng hàm mũ có độ khuếch đại biên độ thấp nhưng diện tích mặt cắt giảm dần giúp dễ dàng len lõi vào các bề mặt nhỏ, hẹp. Biên độ phần ren lắp với nút kẹp (hex nut) cũng được thiết kế theo dạng côn tương tự với biên dạng trong của nút kẹp,
lưỡi cắt, đầu rung siêu âm thường được thiết kế bằng số nguyên lần nữa bước sóng [12]. Vì tần số làm việc của đầu rung phải bằng tần số làm việc 40 kHz và biên độ dao động tối thiểu 8 µm, đảm bảo thiết bị gia cơng siêu âm (UVA) có thể tiếp xúc với phơi. Các đầu rung nữa bước sóng có lợi thế là chúng có thể dễ dàng kết hợp với các bộ phận có chiều dài nữa bước sóng khác như đầu chuyển đổi siêu âm (transducer) mà khơng làm thay đổi kích thước hình học của mình. Ngồi ra, mỗi bộ phận trong dụng cụ gia cơng siêu âm có thể chế tạo riêng lẽ rồi kết hợp thành một thể thống nhất.
3.1.2! Ảnh hưởng của vật liệu đến cộng hưởng cơ học
Hiện nay rất nhiều vật liệu được thử nghiệm phù hợp cho việc chế tạo đầu rung siêu âm, ví dụ như molypden (Mo), titanium (Ti), Niken (Ni), Nhơm (Al) hoặc thép khơng gỉ…Nói chung, u cầu cho những vật liệu này thường là độ bền mỏi cao, trở kháng âm thấp, độ mất mát năng lượng thấp, vật liệu dễ gia cơng. Trong thí nghiệm này, nhơm 6061 sẽ được chọn làm vật liệu chính chế tạo đầu rung siêu âm (horn) vì nó là vật liệu nhẹ, mềm dẻo, giới hạn đàn hồi cao và dễ gia cơng. Các tính chất trên giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các nghiên cứu khoa học. Bảng 3.1 liệt kê vật liệu đề xuất như dưới đây
Bảng 3. 1. Bảng vật liệu cho đầu rung
Vật liệu Chi tiết
Tỷ trọng (��. �� ) Modul đàn hồi (Gpa) Hệ số poison Al 6061 Đẩu rung 2.713 70 0,33 Tungsten alloy Dao cắt 8.674,6 240 0,29 Đồng thau Nút kẹp 8267 102 0,345 Thép không gỉ Bulong kẹp, tấm kẹp sau,
tấm kẹp trước 7750 193 0,31 PZT-4 Khối áp điện 7600 85 0,31 Đồng Điện cực 8.942,5 130 0,34
Phương pháp này sử dụng các phương trình tốn học đại diện cho từng biên dạng hình học của đầu rung để tính tốn chiều dài cộng hưởng của chúng. Các phương trình này được đề cập dưới đây [9].
Trục bậc: L6 =7 != 8 !9 (3.1) Dạng hàm mũ: �: =; !φ1 + (<=∀#∀! > )! (3.2) Dạng côn: �; = 1.1�: (3.3)
Trong đó � là chiều dài bước sóng; � là tần số làm việc; c là tốc độ truyền sóng; D1 và D2 là chiều dài bán kính biên dạng hàm mũ.
b. Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) được giới thiệu bởi Turner và các cộng sự vào năm 1956. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp số, được dùng để xác định lời giải gần đúng của các bài toán kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp; có thể xử lý các mơ hình có hình dáng, vật liệu, điều kiện biên và tải trọng bất kỳ. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là chia nhỏ các hình dạng phức tạp của đối tượng cần khảo sát thành một số lượng hữu hạn các phần tử nhỏ, sau đó tiến hành phân tích từng phần tử này. Lời giải của bài toán thu được từ việc tổng hợp các kết quả tính tốn trên.
Phần mềm ANSYS là một trong những công cụ hữu hiệu nhằm giúp giải quyết các bài tốn phân tích mơ hình của các kết cấu cơ học. Trong nghiên cứu này, cơ cấu đầu rung siêu âm hỗ trợ gia công bề mặt nhỏ được phân tích trên mơi trường ANSYS. Mục tiêu của q trình phân tích là tìm ra tần số rung động cộng hưởng và biên độ rung cực đại tại dưỡi dao của thiết bị rung siêu âm. Hai modul chính được sử dụng là
xử điều hịa (Harmonic response analysis). Mơ hình modal analysis được sử dụng để phân tích đặc tính động học của một kết cấu nhằm miều tả dải tần số dao động riêng. Mơ hình harmonic response thì được dùng để xác định giá trị biên độ dao động ứng xử ứng với mỗi tần số dao động khảo sát.
Các bước của việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn được mơ tả ở hình 3.2 dưới đây.
Hình 3. 2. Lưu đồ mô phỏng ANSYS
c. Kết quả nghiên cứu
Từ kết quả mô phỏng này, ta cũng chọn được kính thước tối ưu của mơ hình đầu rung như hình 3.4
Hình 3. 3. Kết quả mơ phỏng tối ưu
Từ kết quả mô phỏng bằng ANSYS của [15] như hình 3.3, ta thấy rằng biên độ dạo động chạm đỉnh 1.45 µm tại tần số cộng hưởng 40 kHz. Ta cũng thấy được biên độ này đạt giá trị cực đại tại lưỡi cắt trong khi mode dao động của toàn bộ kết cấu đầu rung siêu âm có dạng dọc trục và ổn định.
Hình 3. 5. Hình ảnh đầu dụng cụ sau khi đã chế tạo thành công
CHƯƠNG 4! PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1! Giới thiệu
Khi gia cơng tinh các hốc, rãnh hoặc lỗ có kích thước nhỏ, có đường kính qui đổi dưới 3mm khi mà ở điều kiện gia cơng này với kích thước gia cơng nhỏ sẽ khiến cho tốc độ vịng quay trục chính bị đẩy lên rất cao đặc biệt khi yêu cầu độ nhám bề mặt Ra về dưới 1,6 µm. ví dụ như khi gia cơng tinh nhơm, tốc độ vịng quay trục chính có thể lên đến trên 15.000 vịng/phút như trong Bảng 4.1.
Bảng 4. 1. Các thông số công nghệ khi gia công phay chi tiết nhôm
Ở chương này, vật liệu nhôm được chọn để làm mẫu khảo sát. Nhiệm vụ của nghiên cứu là xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt q trình gia cơng tinh cạnh biên khi dùng dụng cụ cắt có thêm vào rung động siêu âm bằng phương pháp thực nghiệm. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được chọn đề xây dựng mơ hình và phân tích thực nghiệm là phương pháp Taguchi. Phương pháp Taguchi sử dụng tỷ số tín hiệu / nhiễu (Signal to Noise Ratio) được chuyển đổi từ hàm số mất mát L như ở phương trình (4.1), trong đó L là tồn thất do sai lệch giá trị đáp ứng Y nhận được so với giá trị đáp ứng mong muốn m với k là tỷ số. Trong trường hợp khi đáp ứng Yi cần đạt càng nhỏ càng tốt thì tỷ số S/N được dùng như phương trình (4.2). Ưu điểm của phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đáp ứng được chọn [4]. Đáp ứng được chọn trong nghiên cứu này chính là độ nhám bề mặt Ra (um) sau khi gia công tinh bằng dụng cụ có hỗ trợ siêu âm được thiết kế ở Chương 3 và giá trị Ra cần đạt được càng nhỏ càng tốt.
L = k × (Y − m)!
(4.2)
Thô Tinh Thô Tinh
Tốc độ cắt V m/phút 150 200 150 200 Đường kính dụng cụ cắt d mm 3 3 10 10 Tốc độ trục chính n vịng/phút 15.924 21.231 4.777 6.369 Trường hợp 1, d=3 Trường hợp 2, d=10
? ≅= −10 × logΑΒοΑ Χ∑ YD ! Χ DΕΑ θ (4.2)
4.2! Quy hoạch thực nghiệm 4.2.1.!Mục tiêu 4.2.1.!Mục tiêu
-! Biến đáp ứng đầu ra (Response) là độ nhám bề mặt sau gia công Ra(um). -! Hàm mục tiêu (Objective Function) là độ nhám sau gia công Y = Ra càng bé
càng tốt và khơng q 1,6 µm.
4.2.2.!Xác định các nhân tố thí nghiệm (Factors)
-! Nhân tố tần số f(kHz)
-! Nhân tố điện áp cấp cho piezo U(V)
-! Nhân tố tốc độ vịng quay trục chính n(vịng/phút) -! Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút)
-! Các nhân tố gây nhiễu: Chất lượng vật liệu gia công, yếu tố gá đặt, độ đồng trục của đầu dụng cụ so với trục chính, độ chính xác vị trí của máy, khả năng liên kết điện giữa nguồn bên ngồi với dụng cụ thơng qua vành góp điện (commutator brush), chất lượng đầu dụng cụ gia công, …
4.2.3.!Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng
Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng đến mục tiêu thí nghiệm, các quan hệ giữa các nhân tố (bậc tự do – Degree of Freedom) và phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level).
-! Miền giá trị của nhân tố tần số f(kHz) được chia làm 3 mức: 38; 40 và 42 kHz (khoảng giá trị này được xác định dựa trên tính tốn dụng cụ cắt siêu âm). -! Nhân tố điện áp cấp cho piezo U(V) được chia làm 2 mức: 200 và 250 V (theo
mức điện áp được khuyến cáo của nhà sản xuất đầu rung tiêu chuẩn được dùng cho thiết kế dụng cụ cắt của nhóm).
-! Nhân tố tốc độ vịng quay trục chính n(vịng/phút): từ 120 đến 360 vịng/phút và được chia thành 3 nhóm tốc độ, mỗi nhóm có 3 mức cách nhau 30 vòng/phút (theo mục tiêu ban đầu là giảm tối đa tốc độ trục chính có thể mà vẫn đạt được hiệu quả nhám bề mặt như mong đợi là Ra khơng q 1.6 µm).
-! Nhân tố tốc độ tiến dao F(mm/phút) được giữ cố định 30 mm/phút (theo khuyến cáo của q trình mài khơn).
Phân bố toàn bộ miền giá trị của các nhân tố thành các mức (Level) được mô tả trong bảng 4.2.
Bảng 4. 2. Các thông số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm
4.2.4.!Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm
Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm sẽ được thực hiện thông qua cong6 cụ hỗ trợ Minitab. Ta chọn được 3 Ma trận quy hoạch L18 cho 3 mẫu thí nghiệm.
Bảng 4. 3. Các thơng số công nghệ khi gia công chi tiết nhôm
Mẫu 1
(Factor)
STT Nhân tố Tự nhiên Mã hóa Dưới Cơ sở Trên Khoảng thay đổi
1 Tần số đầu rung (kHz) f X1 38 40 42 4
2 Nhân tố điện áp cấp cho piezo (V) V X2 200 - 250 50 3 Tốc độ vịng quay trục chính (vịng/phút) n X3 120 150 180 60 Mẫu 2
(Factor)
STT Nhân tố Tự nhiên Mã hóa Dưới Cơ sở Trên Khoảng thay đổi
1 Tần số đầu rung (kHz) f X1 38 40 42 4
2 Nhân tố điện áp cấp cho piezo (V) V X2 200 - 250 50 3 Tốc độ vịng quay trục chính (vịng/phút) n X3 210 240 270 60 Mẫu 3
(Factor)
STT Nhân tố Tự nhiên Mã hóa Dưới Cơ sở Trên Khoảng thay đổi
1 Tần số đầu rung (kHz) f X1 38 40 42 4
2 Nhân tố điện áp cấp cho piezo (V) V X2 200 - 250 50 3 Tốc độ vịng quay trục chính (vịng/phút) n X3 300 330 360 60
Ký hiệu Mức giá trị (Levels)
Ký hiệu Mức giá trị (Levels)
Ký hiệu Mức giá trị (Levels)
Mẫu 1 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42 V (V) 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 n (vòng/phút) 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 Mẫu 2 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42 V (V) 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 n (vòng/phút) 210 240 270 210 240 270 210 240 270 210 240 270 210 240 270 210 240 270 Mẫu 3 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42 V (V) 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 n (vòng/phút) 300 330 360 300 330 360 300 330 360 300 330 360 300 330 360 300 330 360
4.3! Thiết bị và vật tư thí nghiệm 4.3.1.!Mẫu thí nghiệm 4.3.1.!Mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm sử dụng nhơm định hình 20x20 bằng vật liệu nhôm A6063-T5 được cắt thành từng đoạn 200 mm. Mỗi đoạn mẫu này là tổ hợp của một nhóm quy hoạch. Trong mỗi mẫu thí nghiệm, chiều dài gia cơng của từng thí nghiệm sẽ được giới hạn trong phạm vi 10mm và được đánh số thứ tự như mơ tả ở Hình 4.1.
(a)
(b)
Hình 4. 1. Mẫu thí nghiệm cho một nhóm quy hoạch.
4.3.2.!Đầu rung
Đầu rung được thiết kế ở và chế tạo như mô tả ở Chương 3. Để đồng trục tâm đồ gá dụng cụ với tâm dụng cụ và tâm trục chính, việc gia cơng đồng trục mặt trụ ngồi định vị được tiến hành trực tiếp trên máy thí nghiệm như ở Hình 4.2.
(a) (b)
Hình 4. 2. (a) Định vị và đồng trục đồ gá dụng cụ trên máy phay CNC (b) Dụng cụ gia cơng hồn chỉnh
4.3.3.!Máy gia cơng
Để giảm thời gian thí nghiệm cũng như tương thích với thực tế ứng dụng của dụng cụ siêu âm. Máy phay CNC sẽ được chọn để tiến hành thí nghiệm. Việc thay đổi các thơng số cơng nghệ liên quan đến chế độ cắt như tốc độ vịng quay trục chính S(vịng/phút), tốc độ tiến dao F(mm/phút) và xác định vị trí gia cơng sẽ do máy CNC đảm nhận.
Máy CNC được chọn là máy phay CNC Bridgeport VMC 500 – 16 do Phịng thí nghiệm CAD/CAM-CNC, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp.HCM quản lý và hỗ trợ vận hành.
4.3.4.!Thiết bị tạo nguồn điện cho phần tử piezoelectric dao động
- Điện áp vào: 220V@50Hz
- Điện áp ra: 2 mức Thấp VL= 200V và Cao VH = 250V - Tần số ra: biến đổi được từ 100 Hz đến 45kHz.
- Công suất ra tối đa: 100W
Hình 4. 3. Hộp phát nguồn biến tần 0,1 kHz – 45kHz hai mức 200V, 250V
4.3.5.!Máy đo độ nhám bề mặt
Mitutoyo SJ-210
4.4! Tiến hành thí nghiệm và kết quả đo
Hình 4. 5. Kết quả mẫu 2 sau gia cơng
Hình 4. 6. Kết quả mẫu 1 sau gia công
Bảng 4. 4. Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu thí nghiệm của mẫu 1
Mẫu 1 Thí nghiệm số 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f (kHz) 38 38 38 38 38 38 40 40 40 40 40 40 42 42 42 42 42 42 V (V) 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 200 200 200 240 240 240 n (vòng/phút) 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 120 150 180 Lần đo 1 Ra 2,083 2,460 1,621 1,568 1,831 1,970 1,374 2,097 1,812 3,825 2,057 1,337 2,692 1,712 2,772 3,487 4,002 3,380 Rq 2,498 3,015 2,086 1,896 2,320 2,355 1,699 2,615 2,265 4,773 2,525 1,599 3,282 2,171 3,488 4,512 4,846 4,313 Rz 11,029 12,049 8,436 7,837 10,087 9,262 7,271 12,016 8,800 20,952 10,541 7,299 13,079 10,629 15,438 21,209 20,030 19,724 Lần đo 2 Ra 2,212 2,329 1,834 1,428 1,960 2,054 1,565 1,783 1,489 4,209 2,342 1,562 2,580 1,974 3,000 4,240 4,099 3,647 Rq 2,630 2,944 2,280 1,754 2,321 2,536 1,876 2,276 1,970 5,152 2,929 1,951 3,296 2,419 3,599 5,308 5,038 4,617 Rz 11,403 12,775 8,653 7,084 8,280 9,943 7,899 10,117 8,768 19,789 13,351 7,763 14,616 9,983 13,286 22,539 21,444 20,827 Lần đo 3 Ra 2,252 1,943 1,807 1,549 1,868 2,599 1,848 1,855 1,359 4,022 2,313 1,064 2,349 1,885 2,706 3,953 3,991 3,828 Rq 2,663 2,422 2,231 1,860 2,208 3,192 2,345 2,422 1,692 5,566 2,967 1,360 2,995 2,439 3,319 4,886 4,990 4,703 Rz 11,427 10,835 8,358 7,280 8,682 11,185 9,841 11,671 7,028 27,975 13,459 7,145 13,538 10,860 11,968 21,563 22,215 20,144 Trung bình Ra 2,182 2,244 1,754 1,515 1,886 2,208 1,596 1,912 1,553 4,019 2,237 1,321 2,540 1,857 2,826 3,893 4,031 3,618 Rq 2,597 2,794 2,199 1,837 2,283 2,694 1,973 2,438 1,976 5,164 2,807 1,637 3,191 2,343 3,469 4,902 4,958 4,544 Rz 11,286 11,886 8,482 7,400 9,016 10,130 8,337 11,268 8,199 22,905 12,450 7,402 13,744 10,491 13,564 21,770 21,230 20,232
Hình 4. 7. Biểu đồ nhám bề mặt mẫu 1 qua 18 lần thí nghiệm với các chế độ công