Nguyên tắc chung của UAD là bổ sung một rung động siêu âm vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và chi tiết gia cơng. Có các phương án bổ sung rung động bao gồm: Bổ sung cho mũi khoan như ở Hình 1.8 (a, c), bổ sung cho chi tiết gia cơng ở hình 1.8 (b).
Trên hình 1.8 (a), phơi quay được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, đầu rung mang mũi khoan được gá trên ụ động hoặc trên bàn máy. Trong mơ hình này, rung động cưỡng bức được truyền đến mũi khoan. Trên Hình 1.8 (b), phơi rung theo phương dọc trục (phương chạy dao). Trên hình 1.8 (c), mũi khoan vừa rung vừa quay trong khi phôi chuyển động tịnh tiến.
Chern và Lee (2005) [6] đã thiết kế và phát triển hệ thống bổ sung rung động siêu âm cho mũi khoan trong quá trình khoan lỗ hợp kim nhơm Al 6061-T6. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi hỗ trợ bởi rung động siêu âm bề mặt lỗ khoan trịn hơn, khơng có bavia. Bề mặt thành lỗ khoan nhẵn hơn và giảm độ xiên của lỗ, độ xê dịch của tâm lỗ được cải thiện khi tăng cả biên độ và tần số rung.
Amini và cộng sự (2013) [11] thực nghiệm so sánh giữa khoan có rung động trợ giúp và khoan thường trên hợp kim nhôm Al2024-T6. Lực dọc trục giảm đến 70% khi khoan có rung trợ giúp so với khoan thường đã được ghi nhận. Lực dọc trục tăng khi lượng chạy dao tăng, ảnh hưởng của tốc độ cắt đến lực dọc trục là không đáng với cả hai kĩ thuật khoan khảo sát. Tỉ số giữa vận tốc rung với tốc độ chạy dao càng lớn thì lực dọc trục càng giảm.
(a) (b)
(c)
Hình 1. 9. So sánh độ tròn lỗ khoan và lực dọc trục (c) giữa (b) khoan siêu âm so với (a) khoan truyền thống
V. Ostasevicius và cộng sự (2012) thực nghiệm đánh giá hiệu quả cải thiện của rung động đến quá trình khoan thép XC48 (độ cứng HB=170). Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến mômen được khảo sát trong khoảng từ 600 v/ph đến 900 v/ph và 0.2 mm/v đến 0.25 mm/v. Các kết quả cho thấy ở tần số rung 11.2kHz thì khơng có sự khác biệt về mơmen giữa hai kĩ thuật khoan. Ở tần số 16.6 kHz mômen khoan giảm từ 13% đến 20% khi khoan có rung trợ giúp so với khoan thường. Sự khác biệt về mômen giữa hai kĩ thuật khoan càng rõ rệt khi tăng lượng chạy dao.
Q trình khoan các lỗ sâu khơng dễ để thực hiện trên các vật liệu khó gia cơng như hợp kim cứng, vật liệu composite, vật liệu giòn. Kỹ thuật khoan với rung động siêu âm trợ giúp cho thấy nhiều hiệu quả tích cực. Khi càng khoan xuống chiều sâu lớn, việc thốt phoi càng trở nên khó khăn, làm gia tăng ma sát với mũi khoan, lực dọc trục và mơ men khoan cần lớn để duy trì quá trình cắt. Hình 1.9 (c) so sánh lực dọc trục khi sử dụng UAD so với khoan truyền thống. Rõ ràng khi giảm lực dọc, giảm ma sát sẽ giảm mòn dụng cụ, giúp nâng cao tuổi thọ mũi khoan.
1.5.2. Phay có rung động siêu âm trợ giúp
Phay có rung động siêu âm trợ giúp là một kỹ thuật bổ sung rung động cưỡng bức vào dao phay hoặc phơi, minh họa như Hình 1.10. Đã có nhiều nghiên cứu về gia cơng phay có rung động siêu âm trợ giúp [12]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, rung động trợ giúp cũng làm giảm lực cắt [13], giảm ma sát, giảm mòn, tăng tuổi bền dụng cụ [3], cải thiện chất lượng bề mặt gia công [12], …