CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MÁY GIA CÔNG ISF
2.7 Ảnh hưởng của thông số gia công lên khả năng tạo hình – chất lượng bề mặt và độ chính xác
2.7.2. Ảnh hưởng của vận tốc tiến dụng cụ F đến khả năng biến dạng và chật lượng bề mặt
Khi tốc độ tiến dụng cụ tăng thì các ứng suất kéo sẽ tăng lên ảnh hưởng đến khả năng biến dạng khi gia công. Nếu F quá lớn thì lực biến dạng sẽ tăng lên làm rung động dụng cụ tạo hình. Máy gia công bị rung động, giật cục nếu gặp biên dạng phức tạp làm tăng độ nhám và giảm góc giới hạn.
Như vậy nên chọn F ở mức cao trong điều kiện dụng cụ tạo hình có thể chịu được
để giảm độ nhám và tăng góc giới hạn. Tăng F cũng có nghĩa là giảm thời gian gia công, tăng năng suất biến dạng tạo hình. Thực tế tăng giá trị F ở mức cao cũng rất khó khăn vì máy phay CNC 3 trục bình thường và lập trình với phầm mềm CAM thông dụng thì máy chỉ chạy đúng giá trị F đối với quỹ đạo thẳng, đường cong. Đối với biên dạng phức tạp, gấp khúc, để đảm bảo độ chính xác, máy phay CNC phải giảm tốc độ thấp mới có thể chuyển hướng di chuyển. Vì thế trong quá trình thiết kế sản phẩm cần chú ý đến điều này và hạn chế bằng cách tránh thiết kế nhiều đường gấp khúc, nếu được nên bo tròn các cạnh gấp khúc bằng một cung lớn hơn bán kính dụng cụ tạo hình.
2.7.3 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính n lên khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt
Khi ta tăng n sẽ xảy ra sự tỏa nhiệt cục bộ tại vị trí gia công làm tăng khả năng biến dạng, do đó sẽ làm tăng khả năng gia công. Tuy nhiên, nếu làm như vậy thì dụng
cụ sẽ bị mài mòn rất nhanh và chất bôi trơn sẽ bị đốt cháy. Điều này ảnh hưởng đến an toàn khi gia công.
Trong thí nghiệm của nhóm tác giả M. Durante, A. Formisano, A. Langella, F. Memola Capece Minutolo đã cung cấp những đánh giá ban đầu về hệ số ma sát. Khi dụng cụ không quay thì hệ số ma sat sẽ là 0,19; dụng cụ quay với tốc độ 200 hoặc 400 vòng/phút thì hệ số ma sát sẽ là 0,11; dụng cụ quay với tốc độ 600 hoặc 800 vòng/phút thì hệ số ma sát là 0,06. Thông số n còn ảnh hưởng đến lực tạo hình, ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của vật liệu. Các giá trị lực đo được trong thí nghiệm là 460, 440, 390N ứng với tốc độ trục chính lần lượt là 0 vòng/phút, 600 vòng/phút theo chiều kim đồng hồ, vào 600 vòng/phút ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy có thể tính được tổng lực từ việc suy ra lực biến dạng theo phương dọc từ những kết luận trên. Thông sô n còn ảnh hưởng đến nhiệt độ. Nhiệt độ sẽ tăng lên khi số vòng quay tăng.
Như vậy, số vòng quay trục chính có ảnh hưởng lên nhiều thông số, ảnh hưởng đến khả năng biến dạng trong quá trình gia công SPIF. Ta cần chọn số vòng quay thích
hợp để có được khả năng biến dạng tốt nhất, mang lại độ chính xác cao cho sản phẩm gia công.
2.7.4 Ảnh hưởng của bước tiến dao dọc ∆ đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt
Bước tiến ∆Z là bước tiến của dụng cụ tạo hình phương Z của máy CNC, để lại các vết trên bề mặt được hình thành sau mỗi vòng chạy. Để đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu và cải thiện được góc giới hạn biến dạng thì cần lưu ý một số lựa chọn ∆Z và ảnh hưởng của các lựa chọn đó như sau:
- Nếu vẫn giữ nguyên thông số khác, giảm bước tiến ∆Z nhỏ xuống thì độ nhám giảm xuống nhưng sẽ dẫn đến thời gian biến dạng tạo hình lâu hơn.
- Tăng bước tiến ∆Z lên thì thời gian gia công giảm đi rõ rệt (có thể giảm đi 50% hoặc hơn nữa) và góc giới hạn biến dạng cũng tăng lên vì bề mặt tấm không bị mài mòn, nhưng độ nhám lại tăng không đáng kể (nếu thay bước tiến ∆Z từ 0.1 lên 0.2, thì thời gian gia công sẽ giảm đi một nữa mà không làm ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt).
- Tuy nhiên tăng bước tiến lớn hơn thì lực biến dạng cũng lớn hơn, do đó cần chú ý
đến độ cứng của tấm, bề dày tấm, khả năng chịu quá tải của trục chính và của dụng cụ tạo hình mà chọn bước tiến ∆Z. Tránh tình trạng quá tải làm ảnh hưởng trục vít me hoặc gãy dụng cụ tạo hình. Thường chọn ∆Z < 1mm.
2.7.5 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ tạo hình d đến khả năng biến dạng và chật lượng bề mặt
Đường kính dụng cụ tạo hình cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm. Vì thế đây cũng là một thông số quan trọng cần phải tính toán ký trước khi lựa chọn.
Theo như đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm dựa trên sự thay đổi đường kính dụng cụ tạo hình trong trường hợp giữ nguyên các thông số công nghệ khác thì:
+ Đường kính dụng cũ nhỏ -> tăng góc giới hạn, tăng độ chính xác biên dạng và hình dạng sản phẩm, tăng độ nhám bề mặt.
+ Đường kính dụng cụ lớn -> giảm góc giới hạn, giảm độ chính xác biên dạng, giảm độ nhám bề mặt.
Do đó tùy theo kích thước và hình dạng của từng sản phẩm mà ta chọn giá trị kích thước của đầu dụng cụ tạo hình sao cho thỏa mãn tương đối hai yếu tố trên. Để khắc phục ta có thể sử dụng nhiều đường kính dụng cụ tạo hình cho một sản phẩm.
17
2.7.6 Ảnh hưởng của loại vật liệu gia công đến khả năng biến dạng và chất lượng
bề mặt
Đối với một loại vật liệu, nếu khi gia công ta biết được góc biến dạng giới hạn ∝ max, ta có thể xác định được quy trình gia công hợp lý cho chi tiết trong quá trình thiết kế. Điều này giúp quá trình gia công đảm bảo đạt yêu cầu, không xảy ra hiện tượng rách chi tiết.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các biểu đồ giới hạn biến dạng (FLD) ứng với các vật liệu khác nhau. Các yếu tố đầu vào trong biểu đồ FLD là tất cả các yếu tố ảnh hưởng lên khả năng biến dạng tấm kim loại trong quá trình gia công ISF. Các yếu tố này được đưa ra dựa trên các cơ sở của quá trình biến dạng như ứng suất, giới hạn chảy của vật liệu và lực tạo hình và bao gồm tốc độ quay của trục chính
n, tốc độ tiến theo phương xy của dụng cụ tạo hình Vf, bước xuống của dụng cụ z và đường kính dụng cụ d.
2.7.7 Ảnh hưởng của bôi trơn đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt
Bôi trơn xuất hiện là một nhân tố quan trọng trong tạo hình kim loại tấm. Nó có tác dụng giảm ma sát tại mặt tiếp xúc giữa dụng cụ chi tiết và cải thiện chất lượng bề mặt. Quá trình bôi trơn khác nhau tùy thuộc vào vật liệu tấm và quá trình tạo hình khác nhau (ASM, 2006). Thí nghiệm đã cho thấy, nếu dầu bôi trơn có đặc tính thấp thì vật liệu sẽ bị cào xước và hạt nhỏ kim loại bị chùi. Nó có thể để lại các vết hằn trên bề mặt sản phẩm. Vì vậy, bôi trơn trong ISF khá quan trọng. Tuy nhiên việc lựa chọn thành phần bôi trơn cho những loại vật liệu khác nhau cần nghiên cứu thêm.
Nếu quá trình gia công không đủ chất bôi trơn, nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ tạo hình và phôi sẽ tăng cao cục bộ làm tăng khả năng biến dạng, tăng khả năng tạo hình nhưng sẽ gây mòn dụng cụ rất nhanh, chất bôi trơn có khuynh hướng bị đốt cháy, gây ảnh hưởng đến môi trường và tốn kém chi phí trong quá trình gia công.
2.7.8 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ lên độ nhám bề mặt
Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được mô tả trên hình 2.11. Tất cả các hệ thống CAM 3 trục hiện đại đều có khả năng tạo được dụng cụ đường chạy này.
18
Hình 2.11: Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được sử dụng trong ISF
Cách đơn giản nhất để dịch chuyển theo một đường thằng ở đây dụng cụ di chuyển đến vị trí của phân đoạn tiếp theo mà không tiến xuống (giống tiến theo trục z)
và sau đó thực hiện bước xuống dụng cụ. Cách này gây ra đường xuống dụng cụ có thể nhìn thấy được, làm xấu chất lượng của chi tiết đáng kể.
2.7.9 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ tới năng suất gia công
Đường chạy dụng cụ trong công nghệ ISF có ảnh hưởng rất rõ đến năng suất gia công, với cùng một biên dạng tạo hình mỗi một đường chạy dụng cụ sẽ có một thời gian khác nhau.
Hình 2.12: Hai kiểu đường chạy dụng cụ khác nhau ảnh hưởng khác nhau
lên thời gian gia công [13]
Rõ ràng với chiến lược chạy dụng cụ như hình 2.12 (a) thì thời gian gia công sẽ ngắn hơn nhiều so với chiến lược như trong hình 2.12 (b). Nhưng có một vấn đề đặt ra
là thời gian nhanh hơn nhưng với chiến lược 2.12 (a) thì độ nhám bề mặt lại tăng rất là nhiều. Do vậy, tùy vào yêu cầu của sản phẩm đặt ra mà chúng ta lựa chọn chiến lược chạy dụng cụ cho phù hợp.
2.8 Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF
Độ dày của sản phẩm là một giá trị cần được kiểm soát. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến giá trị này mà ảnh hưởng lớn nhất là góc biến dạng. Chiều dày của sản phẩm dọc theo thành tuân theo quy luật sin [4].
tf = tisinα
Hình 2.13: Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF [4]
Như vậy, khi sản phẩm có yêu cầu về chiều dày sau khi gia công thì ta có thể kiểm soát được thông qua góc giới hạn biến dạng. Từ đó, có thể đảm bảo được cơ tính, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm sau cùng.
2.9 Độ chính xác hình học trong công nghệ ISF
Nét đặc trưng của công nghệ tạo hình cục bộ liên tục là sự đơn giản của trang thiết
bị, tuy nhiên kết quả dẫn tới là sự thiếu chính xác của thành phẩm [4] [16]. Trong công nghệ ISF thì các phần của vật liệu không bị biến dạng đồng đều trong suốt quá trình gia công và do đó hình dạng hình học cuối cùng có thể rất khác biệt so với mô hình CAD mong muốn [17]. Trong tài liệu [18], nhóm của Ambrogio tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình lên mô hình thực nghiệm dạng kim tử tháp cụt. Việc đo đạc được thực hiện trên nhiều mặt cắt, kết quả đã chỉ ra sự khác biệt giữa mô hình CAD và sản phẩm thực:
Hình 2.14: So sánh giữa mô hình lý thuyết và biên dạng thực đo theo các mặt cắt
A-O và B-O [18]
Trong công trình nghiên cứu ở tài liệu [19] chỉ ra rằng độ chính xác hình học của sản phẩm chủ yếu phụ thuộc vào bước tiến dụng cụ và đường kính dụng cụ. Khi ta tăng bước tiến dụng cụ thì hiện tượng trượt sẽ xảy ra mạnh hơn và sự vác mỏng cũng xảy ra mạnh hơn, hai điều kiện này gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt của sản phẩm.
Ngoài ra, còn có sai lệch kích thước hình học trên phương biến dạng phụ do đặc tính co giãn của tấm.
Hình 2.15: Hiệu ứng biến dạng ngược (springback) và hiệu ứng gối
(pillow) cùng các thông số đầu ra K1, K2 để đo đạc hai hiệu ứng [18] Trong trường hợp này, ta có thể nhận ra rằng trong suốt quá trình thực hiện biến dạng gia tăng, biến dạng xảy ra trên đường di chuyển liên tục ba chiều của dụng cụ tạo hình và đường này thường là tiếp tuyến với các mắt CAD thiết kế.
Chính vì vậy mà ngoài biến dạng đàn hồi ngược (Springback) thông thường, sau khi ta dỡ dụng cụ tạo hình ra khỏi chi tiết sẽ còn xuất hiện các hiệu ứng “gối” (pillow- effect) có thể quan sát trên vùng biến dạng phụ. Quan sát trong hình 2.15 ta thấy được ảnh hưởng của hai hiệu ứng khi cắt ngang mô hình côn thẳng với đường màu đỏ là hình biến dạng sau gia công. Hiệu ứng Springback làm cho đáy hình côn thẳng không thể đạt được độ cao như mong muốn (thông số K1), còn hiệu ứng gối thì làm cho đáy hình côn bị vênh với cao độ thấp nhất ở tâm của đáy (thông số K2). Sai số do biến dạng ngược (K1) chịu ảnh hưởng chủ yếu là do độ dày của tấm kim loại và chiều sâu gia công.
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ THIẾT BỊ DAO ĐỘNG PZT.
3.1 Giới thiệu chung
Động cơ PZT (piezoelectric): Là loại động cơ điện hoạt động dựa trên hiệu ứng
áp điện, trong đó khi có điện trường đặt lên khối vật liệu áp điện sẽ làm thay đổi hình dạng của khối đó, tạo ra cơ năng.
Hình 3.1: Các loại PZT 3.2 Đề xuất sử dụng thiết bị dao động và qua trình miêt CNC
3.2.1 Công nghệ miết tấm có dao động hỗ trợ
Hiện nay đã có nhiều phương pháp gia công có trợ giúp của siêu âm đã được áp dụng cho hầu hết các phương pháp cắt gọt truyền thống, chẳng hạn phay (Ultrasonic Assisted Milling), tiện (Ultrasonic Assisted Turning), mài (Ultrasonic Assisted Grinding), khoan (Ultrasonic Assisted Drilling), ta-rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping) v.v. Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến (Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng tia lửa điện và gia công bằng lazer có trợ giúp của siêu âm. Công nghệ miết tấm có dao động hỗ trợ là một phương pháp gia công mà ở đó, rung động cưỡng bức có tần số cao, biên độ rất nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ và chi tiết trong quá trình gia công. Sự kết hợp giữa chuyển động rung cưỡng bức này với chuyển động miết bằng áp lực làm cho sự tiếp xúc giữa đầu dao miết và phôi thay đổi theo chu kỳ. Điều này dẫn đến sự thay đổi
tương tác ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết gia công, do đó có thể làm giảm lực miết, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dụng cụ.
3.2.2 Nguồn dao động tự nhiên
Trong quá trình gia công miết luôn xảy ra các rung động. Hiện tượng này xảy ra trên toàn bộ hệ thống công nghệ: máy móc, dao miết, đồ gá, chi tiết gia công….
Các nguyên nhân gây ra rung động:
- Do độ cứng vững của hệ thống công nghệ.
- Do thành phần của vật liệu, chi tiết gia công không đồng đều.
-Do lượng xuống dao gia công không đồng đều hoặc do rung động từ các bộ
phận máy móc khác truyền tới….
Tác hại, ảnh hưởng của sự rung động:
- Rung động làm cho chất lượng bề mặt gia công xấu.
- Giảm tuổi thọ của dao cắt, mũi khoan.
- Giảm tuổi thọ trung bình của vòng đời máy.
Khắc phục rung động bằng những biện pháp cụ thể sau:
Để có thể khắc phục tốt hiện tượng rung động thì trước hết cần phải tìm hiểu rõ
nguyên nhân gây nên những rung động đó để có được biện pháp loại trù nó tốt nhất.
- Làm móng cục bộ cho những máy gây ra rung động lớn trong quá trình gia công.
- Cân bằng động các chi tiết, bộ phận của máy.
- Cân bằng, cố định chi tiết khi gá nó trên bàn máy.
-Tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ: tăng khối lượng thân máy, tăng độ cứng vững của đồ gá, gá dao, thu gọn chi tiết.…
3.2.3 Nguyền dao động cưỡng bức
Động cơ PZT (piezoelectric): Là loại động cơ điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, trong đó khi có điện trường đặt lên khối vật liệu áp điện sẽ làm thay đổi hình dạng của khối đó, tạo ra cơ năng.
Ưu điểm của động cơ áp điện là kích thước nhỏ, có tỷ số công suất trên khối lượng rất cao,, hoạt động không cần từ trường, và làm việc được trong chân không. Nó được ứng dụng trong các thiết bị điện tử thông dụng và trong nghiên cứu vũ trụ.
3.2.3 Miết có dao động hỗ trợ PZT
- Các nghiên cứu về khoa học gần đây đã chỉ ra việc giảm hệ số ma sát của các thành phần trong quá trình gia công sản phẩm góp phần hoàn thiện bề mặt sản phẩm.
- Trong gia công cơ khí vấn đề nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất là một lĩnh vực được các nhà chế tạo, các nhà khoa học đang nghiên cứu.
-Nó là một phương pháp gia công phổ biến cần đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cắt cao. Để khắc phục những hạn chế kể trên, gia công tấm có tích hợp rung động cưỡng bức đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và công bố. Miết rung
là một kỹ thuật sử dụng rung động với tần số cao hay thấp tác động lên dụng cụ cắt hoặc phôi trong một hoạt động gia công để đạt được hiệu suất tốt hơn.
- Trong qúa trình gia công tấm có tích hợp rung động cưỡng bức là ta đưa thêm vào một nguồn rung động chủ động với tần số cao và biên độ dao động theo hướng chuyển động của dao và phôi. Ở qúa trình này thì nguồn tạo rung là các cơ cấu ứng dụng hiệu ứng áp điện. Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ cấu chuyển đổi áp điện PZT ( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và biên độ rung nhỏ.Vì vậy khi miết có tích hợp rung động cưỡng bức có sử dụng các cơ cấu này sẽ khắc phục được những nhược điểm mà gia công miết còn tồn tại kể trên.Các PZT này
đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành công trên nhiều loại máy ở các nước trên thế giới.
- Các thực nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng khi gia công có tích hợp rung động cưỡng bức có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống khác đó là:
- Lực cắt giảm.
- Nhiệt cắt thấp.
- Không tạo nên hiện tượng lẹo dao, biến dạng ít
- Độ nhám bề mặt thấp
- Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao.
- Tuổi thọ của dụng cụ từ 3 đến 8 lần
- Tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho dụng cụ.
Trong lĩnh vực gia công cơ khí ở Việt Nam thì việc chế tạo được cơ cấu PZT ứng dụng phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước là một vấn đề mới mẻ đã được các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu và chế tạo bàn luận đưa ra hướng tiếp cận tại hội nghị cơ học.