Để lỗ sau khoan đạt yêu cầu khi làm việc, độ thẳng của lỗ là một thông số quan trọng. Khi khoan thƣờng (không có rung động trợ giúp), do hiện tƣợng phoi dây dính bám lên rãnh xoắn mũi khoan gây ra hiện tƣợng đẩy ngang mũi khoan làm mũi khoan bị xiên. Trong khi khoan tích hợp rung, phoi tạo ra là phoi vụn nên mũi khoan ít bị xiên.
Để đánh giá sơ bộ về độ không thẳng (độ xiên) của lỗ, sử dụng máy cắt dây CW322S cắt dọc lỗ khoan, rồi chụp ảnh so sánh trên hình 4.19.
Ở hình 4.19.a, ứng với khoan thƣờng, lỗ khoan bị xiên đáng kể và xiên theo các hƣớng khác nhau. Trong khi ở hình 4.19.b ứng với khoan rung, các lỗ khoan ít bị xiên hơn và đều xiên theo một hƣớng cố định.
Hình 4.19. Hiện tượng xiên lỗ khoan: a. Khoan thường, b. Khoan rung
Dựa vào hình 4.19, có thể kết luận sơ bộ rằng khoan tích hợp rung không những cải thiện đƣợc độ lay rộng lỗ, nâng cao độ tròn lỗ, cải thiện độ phân tán kích thƣớc lỗ mà còn cải thiện đƣợc độ xiên của lỗ khoan đáng kể so với khoan thƣờng.
4.3.6. Chất lượng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ khoan
Sử dụng kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe chụp bề mặt thành lỗ, dễ dàng nhận thấy rằng, chất lƣợng bề mặt khi khoan tích hợp rung đƣợc cải thiện đáng kể so với khoan thƣờng.
Hình 4.20.Chất lượng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ khoan: a. Khoan thường, b. Khoan rung
Khi khoan không có tích hợp rung động, nhất là đối với các loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim của chúng, do tính dẻo của vật liệu gia công nên phoi thoát ra ma sát rất lớn với mặt trƣớc mũi khoan, với rãnh xoắn và cả thành lỗ khoan làm nhiệt độ tại vùng cắt và khu vực phoi ma sát với thành lỗ tăng lên rất lớn, gây cháy xém bề mặt lỗ khoan. Hơn nữa, phoi dây thoát ra còn cào xƣớc mãnh liệt lên thành lỗ gây nên các vết cào xƣớc làm tăng độ nhấp nhô bề mặt lỗ. Trên hình 4.19.a và hình 4.20.a, bề mặt thành lỗ khoan xuất hiện nhiều vùng màu đen, đó chính là những khu vực cháy xém do nhiệt cắt cao. Càng về cuối lỗ thì tần suất xuất hiện cháy xém càng cao do lỗ khoan càng sâu, phoi càng khó thoát nên nhiệt cắt càng lớn. Hình 4.19.b và hình 4.20.b thể hiện chất lƣợng bề mặt lỗ khoan khi khoan tích hợp rung động. Ở đây, hiện tƣợng cháy xém bề mặt lỗ giảm rõ rệt, các vết xƣớc trên thành lỗ cũng ít xuất hiện hơn khi khoan thƣờng. Bề mặt lỗ ít cháy xém do khi khoan tích hợp rung, phoi tạo ra là phoi vụn nên ma sát phoi với thành lỗ giảm và thời gian tiếp xúc thực giữa dụng cụ cắt và phoi giảm (gián đoạn theo rung động) nên điều kiện thoát nhiệt đƣợc cải thiện. Hiệu quả là nhiệt cắt khi khoan rung giảm đáng kể. Ngoài ra, khi khoan rung, phoi vụn thoát
ra dễ dàng nên sự cào xƣớc của phoi lên thành lỗ cũng giảm, kết quả là nhấp nhô bề mặt giảm đáng kể so với khoan thƣờng.
Quan sát ảnh chụp trên hình 4.20.a thấy rằng, ở mép cuối bề mặt lỗ, ba via xuất hiện với kích thƣớc lớn làm giảm chất lƣợng quá trình khoan và cần có nguyên công phụ để loại bỏ các ba via này. Hiện tƣợng ba via xuất hiện nhiều khi khoan các vật liệu dẻo. Khi mũi khoan tiến về phía cuối mép lỗ, do phần thể tích vật liệu gia công phần cuối lỗ ít đƣợc giữ bởi khối vật liệu chi tiết, hơn nữa, do tính dẻo của vật liệu cao nên thể tích vật liệu này hầu nhƣ không bị cắt mà bị đẩy xuống theo chuyển động của mũi khoan, tạo ra ba via ở mép cuối lỗ. Với trƣờng hợp khoan có rung động trợ giúp, kích thƣớc ba via này giảm đáng kể, nhƣ thể hiện trên hình 4.20.b. Nhờ có thêm chuyển động dao động của rung, quá trình cắt phoi (tạo phoi) khi khoan rung xảy ra khác với khoan thƣờng. Khi khoan thƣờng, vật liệu phải trải qua các bƣớc là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi mới đến biến dạng phá hủy (đứt phoi). Vật liệu gia công là vật liệu dẻo nên cả quá trình biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo đều dài. Nhƣng với khoan rung, quá trình biến dạng dẻo sẽ ngắn hơn, phoi nhanh bị đứt hơn do chịu tác động của năng lƣợng do rung động tạo ra. Do đó, phần thể tích kim loại ở cuối mép lỗ dễ bị đứt hơn so với khoan thƣờng.
4.4. Kết luận chương
Chƣơng này trình bày các bƣớc chuẩn bị thí nghiệm cũng nhƣ quá trình thí nghiệm khoan theo 2 phƣơng pháp: khoan thƣờng và khoan có rung động trợ giúp trên 2 mẫu phôi hợp kim nhôm A5052, đại diện cho loại vật liệu dẻo. Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo đƣờng kính tất cả các mẫu khoan để tiến hành xử lý kết quả trên phần mềm Minitab16.0. Kết quả đo đạc, xử lý số liệu cho kết luận quan trọng: Khoan có rung động trợ giúp có thể giảm độ lay rộng lỗ đến 3 lần so với khoan thƣờng; còn với việc giảm độ không tròn của lỗ khoan, phƣơng pháp khoan rung giảm đƣợc 2 lần so với khoan thƣờng. Các kết quả thí nghiệm còn chứng tở rằng, khoan có rung động trợ giúp cải thiện đáng kể độ ổn định kích thƣớc lỗ khoan, độ xiên lỗ, dạng phoi, chất lƣợng bề mặt cũng nhƣ vấn đề ba via thành lỗ so với phƣơng pháp khoan thƣờng.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Các kết quả chính đã đạt được
Hai cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho khoan theo 2 nguyên lý tạo rung động là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí (tần số thấp) và rung siêu âm (tần số cao) đã đƣợc phân tích, lựa chọn thiết kế và chế tạo cũng nhƣ thực nghiệm khoan trên hợp kim nhôm. Các cơ cấu đƣợc thiết kế nhỏ gọn, vận hành dễ dàng nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc khả năng làm việc trong điều kiện thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm đã khẳng định đƣợc sự vƣợt trội của phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp so với phƣơng pháp khoan thông thƣờng. Dƣới đây là các thành tựu cơ bản đề tài đã đạt đƣợc:
Tổng quan về cơ sở và các nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp gia công cơ nói chung và nguyên công khoan nói riêng;
Thiết kế, chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung với 2 nguyên lý khác nhau: cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện;
Vận hành và thu thập số liệu thực nghiệm cơ cấu rung trợ giúp khoan hợp kim nhôm;
Khẳng định đƣợc tính ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thƣờng thông qua việc phân tích có hệ thống các số liệu thực nghiệm ;
Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung động trợ giúp nguyên công khoan các vật liệu dẻo.
Đề xuất các hướng nghiên cứu
Mặc dù nghiên cứu đã phân tích và chứng minh đƣợc những ƣu điểm vƣợt trội của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thông thƣờng thông qua các thực nghiệm cụ thể trên cơ cấu tạo rung đã thiết kế, chế tạo nhƣng còn có một số vấn đề cần thiết đƣợc nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn cho cơ cấu này ở các bƣớc kế tiếp. Cụ thể là:
Nghiên cứu động lực học của cơ cấu và hệ thống gia công;
Hoàn thiện kết cấu cơ cấu rung nhỏ gọn, đơn giản hơn, phù hợp với khả năng chế tạo và sử dụng trong nƣớc;
Tối ƣu hóa thông số rung, thông số công nghệ đa mục tiêu; Thử nghiệm gia công lỗ sâu có tỷ số L/D lớn hơn;
Tài liệu tham khảo
[1]. Gilbert Kaufman, Applications for Aluminum Alloys and Tempers, ASM International, 2000, pp. 87-118;
[2]. Feng Ke, Jun Ni, D.A Stephenson, Continuous chip formation in drilling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005); pp. 1562-1568
[3]. Gwo-Lianq Chern, Han-Jou Lee, Using workpiece vibration cutting for micro- drilling, International Journal of Advance Manufacturing Technology 27 (2006); pp 688-692;
[4]. ASM- Machining processes- Handbook
[5]. Chandra Nath, A study on ultrasonic vibration cutting of difficult – to - cut materials, PhD, Nation University of Singapore, 2008
[6]. Adachi K.; Arai N.; Harada S.; Okita K.; Wakisaka S., A study on burr in low frequency vibration drilling – Drilling of aluminum, Bulletin of JSPE, 21 (4); pp. 258–264;
[7]. G.-L. Chern, J.M. Liang, Study on boring and drilling with vibration cutting, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(1), 2007, pp.133- 140;
[8]. B. Azarhoushang, J. Akbari, Ultrasonic-assisted drilling of Inconel 738-LC, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(7–8), 2007, pp. 1027–1033;
[9]. S.S.F. Chang, G.M. Bone, Burr size reduction in drilling by ultrasonic assistance, International Journal of Robotics Computer-Integrated Manufacturing (21) (2004) 442–450
[10]. Zhang DY, et al. (1994), Study on the drill skidding motion in ultrasonic vibration microdrilling, International Journal of Machine Tools and Manufacture 34(6), pp. 847–857;
[11]. H. Onikura, O. Ohnishi, J.H. Feng, T. Kanda, T. Morita, U. Bopp, Effects of ultrasonic vibration on machining accuracy in microdrilling, International Journal of JSPE 30 (3) (1996), pp. 210–216;
[12]. H. Onikura, O. Ohnishi, Drilling mechanisms in ultrasonic-vibration assisted micro drilling, Journal of JSPE 64 (11) (1998) 1633–1637 (in Japanese)
[13]. H. Takeyama, S. Kato, Burrless drilling by means of ultrasonic vibration, Annals of CIRP 40 (1) (1991) 83–86
[14]. Erofeev L.V., Russian Impact-Vibration Pile driving Equipment. Available online at http://www.vulcanhammer.net/info/udarvib.php
[15]. Franca L.F.P., Weber H.I.,(2004), Experimental and numerical study of a new resonance hammer drilling model with drift, Chaos, Solitons and Fractals 21, 789-801.
[16]. J. W. Waanders, Piezoelectric Ceramics: Properties and Applications, 1991. 91 pages
[17]. Metals Handbook, Vol.2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International 10th Ed. 1990.
[18]. Structural Alloys Handbook, 1996 edition, John M. (Tim) Holt, Technical Ed; C. Y. Ho, Ed., CINDAS/Purdue University, West Lafayette, IN, 1996.
[19]. Số liệu của Ban kiểm nghiệm, xí nghiệp cơ khí 59 ( Thái Nguyên), bộ quốc phòng
[20]. V. Songmene, R. Khettabi, I. Zaghbani, J. Kouam, and A. Djebara ; Machining and Machinability of Aluminum Alloys, DepartmentofMechanicalEngineering, 1100Notre-DameStreetWest,MontrealQuebecH3C1K3, Canada
[21]. J.S. Zhoul, B.Y. Ye, X.Y. Lai, A study on chip breakage in mini-pore vibration drilling for hard-to-cut material of austenitic stainless steel, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China
[22]. Matthew w.Hooker, Properties of PZT – Based piezoelectric ceramics between 150-250C, NASA, Lockheed Martin Engineering and Science, Co., Hampton, Virginia,
[23]. Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình, Quy hoạch thực nghiệm trong kỹ thuật, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2011.
PHỤ LỤC