Như đã trình bày ở chương tổng quan, các nguồn siêu âm có các mức cơng suất rất đa dạng tuỳ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng. Đối với các ứng dụng thường thấy trong ngành kỹ thuật cơ khí như gia cơng siêu âm hay hàn siêu âm, công suất nguôn thường trên 500 W, tuy nhiên trong ứng dụng này nguồn siêu âm cần cung cấp đủ năng lượng lượng để làm phẳng các đỉnh nhấp nhô chỉ vài �� nên công suất nguồn sẽ không cao. Để tính cơng suất bóc tách vật liệu có nhiều phương pháp khác nhau, ở đây sẽ sử dụng phương pháp tính cơng suất thơng qua năng lượng cắt riêng.
Năng lượng cắt riêng được định nghĩa là năng lượng cần thiết bóc tách một thể tích vật liệu trong đơn vị thời gian và được tính theo phương trình (2.10) [12]:
U(J/mm4
Trong đó, U (J/mm3) là năng lượng lượng cắt riêng của vật liệu. Pc (W) là công suất cắt cần thiết; MRR (mm3/s) là lượng vật liệu bóc tách. MRR phụ thuộc vào chế độ cắt và được xác định bằng phương trình (2.11).
MRR (mm3/s) = Vw× � × � (2.11) Với: Vw (��/�) là vận tốc trên phương bóc tách vật liệu; t (mm) là chiều sâu lớp cắt và b (mm) là bề rộng lớp cắt.
Từ phương trình (2.10) và (2.11) ta có thể xác định cơng suất cần thiết để bóc tách vật liệu như ở phương trình (2.12).
�c (�) = � × MMR = �× Vw× �×� (2.12)
Bảng 2. 2. Năng lượng cắt riêng của vật liệu với chiều sâu t = 0,25 mm
Giá trị được cho ở Bảng 2.2 dựa trên hai điều kiện giả định: (1) dụng cụ cắt vô cùng sắc và (2) chiều dài phoi trước khi cắt (chiều sâu lớp cắt) to = 0.25 mm. Để có thể sử dụng ở các điều kiện cắt và các chiều sâu cắt khác nhau ta cần nhân thêm các hệ số ảnh hưởng. Đối với q trình gia cơng tinh cần nhân thêm hệ số ảnh hưởng với giá trị 1.1 [6]. Đối với các độ dày to khác nhau hệ số ảnh hưởng tra theo biểu đồ cho ở hình 2.5 [12].
Hình 2. 5. Biểu đồ hệ số ảnh hưởng chiều cắt đến năng lượng cắt riêng phần Dựa vào cơ sở trên ta sẽ là lượt xác định các thơng số tính cơng suất cho bộ Dựa vào cơ sở trên ta sẽ là lượt xác định các thơng số tính cơng suất cho bộ nguồn siêu âm như ở bảng 2.3.
Bảng 2. 3. Giá trị các thơng số tính cơng suất nguồn siêu âm
Thông số Giá trị
Năng lượng cắt riêng U (J/mm3) 0,7 Vận tốc cắt Vcmax Chiều sâu cắt to (x10–6) 0,6 Chiều rộng lớp cắt b (mm) 1 Hệ số ảnh hưởng chế độ cắt 1,1 Hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt. 1,6
Trong đề tài này ta sử dụng vật liệu gia công là nhôm với năng lượng cắt riêng U = 0,7 (J/mm3), thực hiện ở chế độ gia công tinh nên hệ số ảnh hưởng chế độ gia công lấy 1,1 .
Trong một chu kỳ dao động, đầu dụng cụ sẽ đưa mũi dao đi qua các đỉnh sóng để loai bỏ các đỉnh sóng cịn lại, như vậy vận tốc cắt cũng chính là vận tốc trên phương dao động, ở đây ta sẽ dùng vận tốc dao động cực đại Vw = Vcmax để tính cơng suất.
Giá trị chiều dày phoi t0 (mm) trước khi cắt (chiều sâu lớp cắt) chính là chiều cao các đỉnh nhấp nhô để lại. Đối với các phương pháp gia công như tiện, phay…chất lượng bề mặt đạt được giá trị tốt nhất từ 0,5 – 6 ��. Như vậy ta có thể lấy giá trị t0 = 6. Ứng với giá trị này, tra biểu đồ trong hình 2.5 ta xác định được giá trị hệ số ảnh hưởng chiều sâu cắt bằng 1.6.
Đối với q trình gia cơng tinh, các loại dao sử dụng có bán kính mũi dao r (mm) rất nhỏ, để có thể len vào giữa các đỉnh nhấp nhô và sang phẳng các đỉnh này
bán kính mũi dao khơng lớn hơn 0.8 mm. Ở đây ta chọn bề rộng lớp cắt bằng bán kính mũi dao với giá trị b = r =1 mm.
Từ các thông số (bảng 2.3) và phương trình (2.12) ta có thể xác định phương trình tính cơng suất cần thiết cho bộ nguồn siêu âm như sau:
�c (W) = 1,1×1,6×�×Vcmax× �×� (2.12) = 7,392×Vcmax