Các phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống

2.4! Các phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống.

2.4.1! Cơ sở và các phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống.

Như ta đã phân tích ở trên, các nhấp nhơ bề mặt để lại sau q trình gia cơng là đặc điểm hình học đặc trưng của dao cắt đơn điểm trong phương pháp gia cơng bao hình. Biết được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt như chế độ cắt, hình học dao cắt nên cơ sở cho các phương pháp gia cơng hồn thiện hoàn toàn dựa vào việc điều chỉnh các thông số trên.

- Điều chỉnh chế độ cắt, giảm lượng chạy dao S (mm/vg), giảm chiều sâu cắt t (mm).

- Sử dụng dao cắt có bán kính mũi dao r > 0, tăng số lượng lưỡi dao, sử dụng các

Một số phương pháp gia cơng hồn thiện bề mặt truyền thống thực tế: Phương pháp tiện tinh, phay tinh… trong các quá trình này ta có thể nhận thấy các thơng số cắt thường được điều chỉnh với lượng chạy dao S (mm/v) và chiều sâu cắt t (mm) rất nhỏ. Các loại dao phay tinh thường có bán kính nhỏ, số lượng răng nhiều.

Các phương pháp gia công tinh lỗ, rãnh như: doa, chuốt…cũng dựa trên các cơ sở trên, dao doa và dao chuốt có số lượng răng cắt lớn, chiều sâu cắt qua của mỗi lần doa khoảng 0.05mm. Dao doa cịn được làm với lưỡi cắt chính dài (đa điểm) thay vì lưỡi cắt đơn điểm.

Phương pháp gia công mài là phương pháp gia cơng tinh cho độ hồn thiện bề mặt tốt nhất có thể đạt đến 0,025 [12], gia công được đa dạng các dạng bề mặt với nhiều dạng gia công mài khác nhau. Đặc điểm chung của phương pháp mài bao gồm [12]:

- Tốc độ cắt rất cao, một số phương pháp như mài ngồi, mài phẳng, đánh bóng, …, vận tốc cắt có thể đạt từ 1000 - 2000 (m/ph) thậm chí lên đến trên 5000 (m/ph).

- Chiều sâu cắt t (mm) thấp có thể đạt tới 0,0075.

- Về bản chất các hạt mài đa cạnh cũng như các dao cắt đơn điểm (có góc trước, góc sau).

2.4.2! Vấn đề tồn tại ở các phương pháp gia cơng hồn thiện truyền thống.

Đề gia cơng các bề mặt tinh thì các phương pháp gia cơng hồn thiện truyền thống dựa trên việc điều chỉnh cấu tạo hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt với vận tốc cắt rất cao, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt thấp. Điều này dẫn đến một số khó khăn sau:

- Các loại dao phục vụ gia cơng tinh thường có cấu tạo phức tạp hơn dẫn đến chi phí chế tạo dao cao.

- Phương pháp điều chỉnh chế độ cắt cũng có giới hạn riêng. Để đảm bảo năng suất, tốc độ tiến dao và chiều sâu cắt không thể quá thấp.

- Tuy nhiên, một vấn đề lớn của các phương pháp truyền thống là khi gia công tinh các bề mặt nhỏ như các rãnh, lỗ, lồng khn…Như đã phân tích ở trên, các phương pháp gia cơng tinh có vận tốc cắt rất cao. Đơn cử như các phương pháp mài

có thể lên đến 2400-5200 (m/phút) [12]. Từ vận tốc cắt như ở phương trình (2.5), ta có thể tính tốc độ quay trục chính qua phương trình (2.6).

�� = � × � × �/�. ��� (2.5) � = �. ��� × ��/(� × �) (2.6) Trong đó, S (vịng/phút) là tốc độ quay trục chính; Vc (m/phút) là vận tốc cắt bề mặt; d(mm) là đường kính dao hoặc chi tiết.

Như vậy có thể thấy khi diện tích cần gia cơng rất nhỏ như các lỗ, rãnh, hốc địi hỏi đường kính dụng cụ nhỏ dẫn đến tốc độ quay trục chính rất cao, để có thể đạt được vận tốc cắt của các phương như mài, đánh bóng.

2.5! Xác định các thơng số cơ bản của hệ siêu âm. 2.5.1! Cơ sở chọn tần số và biên độ dao động.

Để có thể đạt hiệu quả tốt trong q trình gia cơng cũng như có dữ liệu đầu vào cho cho việc thiết kế dụng cụ ta cần xác định tần số và biên độ dao động phù hợp. Vận tốc dao động cực đại được tính qua phương trình (2.7) [12].

V∃%&∋(m/s) = 2 × π × Ao × f (2.7) Trong đó Vtmax (m/s) là vận tốc dao động cực đại; Ao(m) là biên độ dao động;

�(��) là tần số dao động.

Trên cơ sở các nghiên cứu khoa học cho thấy, đối với phương pháp truyền dao động siêu âm theo phương vng góc vận tốc cắt (phương tiến dao) sẽ có hiệu quả khi vận tốc dao động lớn hơn hoặc bằng vận tốc tiến dao [12],

�����(�/�) ≥ �×�

����� (2.8) Trong đó F là lượng chạy dao vòng (mm/vg) và S (vòng/ph) là tốc độ quay trục chính.

Trên thị trường hiện nay bán sẵn các đầu dò siêu âm (transducer) với các tần số khác nhau, vì vậy ta có thể cố định giá trị tần số � và tính giá trị biên độ dao động Ao nhỏ nhất cần đạt được. Từ phương trình (2.7) và (2.8) suy ra phương trình tính giá trị biên độ dao động Ao.

�� ≥ �×�

Q trình thiết kế sẽ khơng thể đạt được chính xác giá trị biên độ tính tốn, tuy nhiên với tần số dao động xác định ta phải đảm bảo biên độ dao động lớn nhất có thể và lớn hơn giá trị tính tốn tại phương trình (2.9).

Như vậy, ta có thể tính biên độ dao động tối thiểu ở các mức tần số khác nhau tương ứng với các mức vận tốc dao động cực đại khác nhau đồng thời kết hợp với mức công suất cần thiết để lựa chọn chế độ dao động phù hợp. Về cơ bản, vận tốc dao động càng lớn khả năng xố bỏ các đỉnh nhấp nhơ càng cao.

Bên cạnh đó, để có thể chọn tần số và biên độ dao động trước hết phải xác định được chế độ cắt. Vật liệu dùng làm thực nghiệm và chế độ cắt được cho dưới Bảng 2.1.

Bảng 2. 1. Vật liệu thực nghiệm và thông số cắt.

Thông số Giá trị

Vật liệu gia công Nhôm Vận tốc cắt Vc – (m/ph) 100 Lượng chạy dao S – (mm/vg) 0.05 Chiều sâu cắt t – (mm) 0.1 Tốc độ trục chính n (vg/ph) 1000

2.5.2! Cơ sở tính cơng suất nguồn siêu âm.

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 cơng suất nguồn sẽ khơng 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

Thơng 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 công suất cần thiết cho bộ nguồn siêu âm như sau:

�c (W) = 1,1×1,6×�×Vcmax× �×� (2.12) = 7,392×Vcmax

2.5.3! Tính tốn cơng suất, tần số và biên độ dao động.

Việc xác định tần số, biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có ảnh hưởng lẫn nhau, vì vậy cần xác định đồng thời để lựa chọn thông số phù hợp nhất cho hệ siêu âm.

Ở đây ta sẽ đồng thời xác định công suất, và biên độ dao động cho hai tần số phổ biến là 20 kHz và 40 kHz ở các mức vận tốc dao động Vtmax(�/�ℎút) khác nhau. Mục tiêu là tìm ra được chế độ dao động cân bằng với công suất và đạt Vtmax cao nhất.

Từ phương trình (2.9) và (2.12) ta lập được số liệu như ở bảng 2.4.

Bảng 2. 4. Giá trị biên độ dao động và công suất nguồn siêu âm có tần số 20 kHz và 40 kHz ở các giá trị vận tốc dao động vtmax khác nhau

Vận tốc dao động vtmax (m/ph)

Công suất cần thiết Pc (W) Biên độ dao động nhỏ nhất A (μm) 20 kHz 40 kHz 50 6.16 6.6 3.3 100 12.32 13.4 6.7 200 24.64 26.5 13.25 300 36.96 40 20

500 61.6 66 33

Từ Bảng 2.4 thấy được, công suất cần thiết cho nguồn siêu âm là khơng lớn vì vậy để phù hợp với nhu cầu cũng như bài toán về kinh tế hồn tồn có thể chọn các nguồn có cơng suất dưới 100 W.

Về giá trị tần số và biên độ dao động, như đã giới thiệu qua ở chương giới thiệu, các nguồn siêu âm có cơng suất thấp dễ dàng đạt được tần số cao, tuy nhiên việc chế tạo dụng cụ dao động ở biên độ lớn sẽ khó khăn hơn. Ở cùng một vận tốc dao động, tần số 40 kHz sẽ yêu cầu biên độ dao động thấp hơn một nữa so với tần số 20 kHz. Do đó ở cơng suất thấp dưới 100 W ta ưu tiên chọn tần số dao động 40 kHz.

Trong thực tế, việc chế tạo được một đầu rung hoạt động tốt nhất ở tần số thiết kế cũng như đạt được biên độ dao động chính xác theo u cầu là khơng dễ, việc này phụ thuộc vào hình dáng đầu rung, độ khuếch đại cơ học, biên độ ban đầu của đầu siêu âm, mơi trường vận hành, …. Vì vậy mặt dù các thơng số tính tốn theo lý thuyết là khơng lớn ta vẫn cần tính đến các yếu ảnh hưởng khác.

Trong giới hạn của nghiên cứu, một bài toán giả định được đặt ra như sau: Cần gia công các hốc khn khơng thơng suốt, nhỏ, hẹp có đường kính qui đổi dưới 3,0 mm, các bề mặt của hốc khuôn này sẽ được gia ông thô và tinh bằng dao thép gió HSS. Vật liệu chi tiết gia ơng giả định là nhôm 6061 hoặc 6063. Độ nhám bề mặt cần đạt Rt dưới 1.6µm.

Giải pháp và chế độ công nghệ gia công thô như sau: Dao cắt Mitsubishi mã số S2SDA0300. Theo thông số của nhà sản xuất như ở hình 2.6 và 2.7 sẽ cho phép cắt nhôm A5052 - A7071 với chế độ cơng nghệ S= 8,200 vịng/phút; F= 410 mm/phút tức là Vc= 77 m/phút, frăng= 0,025 mm/răng. Tuy nhiên với tốc độ cắt này một số thiết bị gia cơng có thể khơng đáp ứng được khi S quá lớn. Giả sử số vịng quay trục chính được điều chỉnh cịn S= 3500 vịng/phút thì các thơng số cơng nghệ sẽ được điều chỉnh lại là Vc= 33 m/phút, F= 175 mm/phút, và chiều sâu cắt theo phương đường kính dao DC= 0,1mm.

Hình 2. 6 Thơng số dụng cụ cắt thơ: 2 lưỡi cắt; đường kính DC=3.0-0.02 mm; chiều sâu lưỡi cắt tối đa APmx= 6 mm; Chiều dài dao LF= 50 và đường kính cán dao Dcon

= 6,0 mm

Hình 2. 7. Chế độ cơng nghệ S = 8,200 vịng/phút; F = 410 mm/phút

Giải pháp và chế độ công nghệ gia công tinh như sau: Một dụng cụ gia cơng tinh có hỗ trợ rung động siêu âm được nghiên cứu và thiết kế ở một nghiên cứu khác

sẽ được dùng để gia công tinh trong trường hợp giả định này. Thông số của dụng cụ như sau:

• Tần số làm việc: 40 kHz.

• Vận tốc cực đại: Vtmax = 120 m/phút = 2 m/s

• Biên độ dao động yêu cầu tối thiểu: Aomin = 8,10–6 m

Dao động kết hợp này được kỳ vọng trợ giúp gia cơng hồn thiện đáng kể chất lượng bề mặt cũng như làm giảm lực cắt và tốc độ quay của trục chính [1]. Q trình thiết kế dụng cụ gia công và quy hoạch các thơng số thí nghiệm của hệ thống cơng nghệ để tìm ra phương trình hồi qui của độ nhám Ra theo các thông số công nghệ như tần số f(kHz) của đầu rung, điện áp U(V), tốc độ quay trục chính S(vịng/phút) sẽ được làm rõ trong các Chương 3, 4 và 5.

CHƯƠNG 3! KẾT CẤU ĐẦU RUNG

Dụng cụ được dùng trong nghiên cứu này dựa trên kết quả của nghiên cứu của nhóm trước đó. Mơ hình đầu rung siêu âm đã được thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công [15]. Chương này chỉ mô tả q trình thiết kế dụng cụ gia cơng sẽ được sử dụng.

3.1! Mơ hình đầu rung đề xuất 3.1.1! Kết cấu đầu rung siêu âm 3.1.1! Kết cấu đầu rung siêu âm

Đầu rung siêu âm đóng vai trị quan trọng trong việc đạt được biên độ dao động khuếch đại, trở kháng, bảo vệ đầu dò siêu âm và dẫn hướng rung động trực tiếp vào bề mặt gia công. Một đầu rung cần được thiết kế sao cho độ khếch đại biên độ đạt cực đại trong khi vẫn duy trì mức ứng suất trong ngưỡng cho phép. Vì những lý do trên, chúng thường được làm bằng nhơm hoặc titanium vì những vật liệu này có trọng lượng nhẹ, trở kháng thấp cũng như có cơ tính tốt. Để đạt được biên độ dao động lớn hơn, đầu rung siêu âm thường được thiết kế có nhiều biên dạng hình học kết hợp, như mơ hình được Nguyễn Cao Sang và cộng sự [15] thiết kế như hình 3.1

Hình 3. 1. Sơ đồ đầu rung siêu âm

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