Hiệu ứng áp điện đƣợc Jacques và Pierre Curie phát hiện và năm 1880. Họ thấy rằng nếu đặt một biến dạng cơ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực về điện và mức độ phân cực tỷ lệ với mức độ lớn biến dạng đặt vào. Curie còn khám phám ra rằng, các vật liệu giống với vật liệu này sẽ bị biến dạng khi đặt vào chúng một điện trƣờng. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện ngƣợc. Bản chất của hiệu ứng áp điện đƣợc thể hiện trên hình 1.8.
Hình 1.8. Hiện ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể trung tính nhƣ tinh thể thạch anh, Tuamalin, Na, Kali, Tartrate và các tinh thể này đã đƣợc sử dụng nhiều để chế tạo các cơ cấu chuyển đổi áp điện (PZT). Ngoài ra, vật liệu đa tinh thể hiện nay đƣợc sử dụng rất rộng rãi, gọi là gốm áp điện. Với các tinh thể thể hiện tính áp điện, cấu trúc của nó không nên có tâm đối xứng. Một ứng suất (kéo hoặc nén) đƣợc đặt lên tinh thể sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa các vị trí điện tích âm và dƣơng trong mỗi ô phần tử dẫn đến sự phân cực mạng ở bề mặt tinh thể. Hiệu ứng này thƣờng là tuyến tính. Sự phân cực thay đổi trực tiếp với ứng suất đặt vào và phụ thuộc vào hƣớng ứng suất, dẫn đến các ứng suất nén và kéo sẽ phát sinh điện trƣờng và do vậy điện áp bị phân cực ngƣợc. Ngƣợc lại, nếu tinh thể đƣợc đặt vào một điện trƣờng thì nó sẽ phát sinh một biến dạng dẻo làm cho chiều dài của tinh thể tăng hoặc giảm tƣơng ứng với độ phân cực điện trƣờng.
Việc chuyển đổi từ năng lƣợng điện sang chuyển vị cơ học đƣợc thể hiện bằng công thức sau [16]:
Ở đây, S là biến dạng cơ học phát sinh do điện trƣờng E hoặc điện áp V đặt vào miếng vật liệu áp điện (xem hình 1.9) còn l là chiều cao của miếng áp điện đó.
Hình 1.9. Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện
1.4.5.2. Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT
Các cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Tranducers- PZT) là các tấm đƣợc chế tạo bằng các loại vật liệu áp điện để tạo ra các biến dạng (tạo ra rung động) khi có sự phân cực điện áp đặt vào hoặc phát ra tín hiệu điện áp khi có biến dạng do ngoại lực. Các cơ cấu PZT biến đổi tín hiệu điện nhƣ điện áp hoặc điện tích thành chuyển vị cơ học hoặc lực. Dãy tần số điều khiển của các cơ cấu từ tĩnh đến khoảng 1/2 tần số cộng hƣởng của hệ thống cơ học. Giống nhƣ một cảm biến, cần biết mối quan hệ tuyến tính hợp lý giữa tín hiệu đầu vào và chuyển vị cơ học. Mặt khác, có một loại cơ cấu đặc biệt đƣợc điều khiển tại tần số cộng hƣởng của chúng, đƣợc gọi là bộ chuyển đổi siêu âm. Những bộ chuyển đổi này biến đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng cơ học.
Các cơ cấu PZT đƣợc chia thành 3 nhóm chính sau: - Các cơ cấu làm việc theo phƣơng dọc trục - mô hình d33; - Các cơ cấu làm việc theo phƣơng ngang - mô hình d31; - Các cơ cấu làm việc theo kiểu hỗn hợp.
Các cơ cấu làm việc theo phƣơng dọc trục và theo phƣơng ngang có độ cứng cao và đƣợc tối ƣu cho các chuyển động nhỏ và lực lớn. Các cơ cấu hỗn hợp (tinh thể kép) sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển vị lớn.
Nếu đặt lên cơ cấu một điện áp thì sẽ có một chuyển vị xuất hiện. Khi chuyển vị này bị ngăn cản, một lực sẽ xuất hiện, gọi là lực cản, thực tế nó là thông số xác định độ cứng của cơ cấu. Hình 1.10 đƣa ra một minh họa về sự kết hợp khả thi giữa lực cản- hành trình.
Hình 1.10. Quan hệ giữa lực cản và hành trình ( biên độ)
1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ
Ứng xử của một miếng PZT làm việc theo phƣơng dọc trục (phƣơng 3) đƣợc thể hiện trên hình 1.11.
Hình 1.11. Ứng xử của một PZT làm việc theo hướng trục
Đây là loại PZT đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế để tạo ra rung động do các biến dạng cơ học của PZT này tạo ra. Các tính toán về loại PZT này đƣợc trình bày nhƣ sau:
Hành trình- chính là biên độ rung khi F=0 (không có tải):
Lực cản (lực phát sinh bởi việc nén tấm PZT) khi h=0: h s lw d Fb E . . 33 33 (1.7) Độ cứng (hằng số lò xo): h s lw h F CE E . 33 (1.8) Tần số cộng hƣởng cho PZT tự do với w và l < h: h N f D r 3 (1.9)
Tần số cộng hƣởng khi phần đáy của PZT đƣợc gắn vào một bệ cố định:
h N f D r 2 3 , 2 3 2 33 33 2 1 T g Wtot T (1.10)
Với các loại miếng PZT dạng trụ tròn xoay, thông số l.w đƣợc thay bằng 2r. Trong các công thức trên thì ý nghĩa các thông số là:
(1) T
11
chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong hƣớng 1 dƣới điều kiện ứng suất cố định, đơn vị là F/m;
(2) S
22
chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong hƣớng 3 dƣới điều kiện biến dạng cố định, đơn vị là F/m;
(3) E
S11 là độ mềm của ứng suất và sự kết hợp với biến dạng theo hƣớng 1 khi điện trƣờng cố định, đơn vị là m2/N;
(4) D
S36 là độ mềm với ứng suất trƣợt theo trục 3 và kết hợp với biến dạng theo hƣớng 3 dƣới điều kiện độ dịch chuyển điện cố định, đơn vị là m2/N:
- D ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện lƣợng dịch chuyển điện cố định, - E ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện điện trƣờng cố định;
(5) d33 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng dọc (m/V) hay là độ phân cực theo phƣơng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 3;
(6) d31 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng ngang (m/V) hay là độ phân cực theo hƣớng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 1;
(7) g31 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng ngang (Vm/N) hay là lƣợng điện trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 1;
(8) g33 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng dọc (Vm/N) hay là lƣợng điện trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 3; (9) g15, đơn vị Vm/N, là lƣợng điện trƣờng gây ra theo chiều 1 trên 1 đơn vị ứng
suất trƣợt tác dụng theo hƣớng 2;
(10) keff là hệ số thể hiện hiệu suất chuyển đổi cơ-điện do việc liên kết giữa các PZT và phần kẹp:
- k33 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng dọc (%), - k31 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng ngang (%);
(11) Nlà hệ số tần số phụ thuộc vào kích thƣớc các tấm PZT, đơn vị là m/s: - D
N3 là hệ số tần số theo phƣơng 3 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không thay đổi,
- D
N1 là hệ số tần số theo phƣơng 1 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không thay đổi.
Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính toán ở trên, nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp nhƣ gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học... cũng nhƣ ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lƣợng...Các loại PZT này thƣờng đƣợc chế tạo thành hai dạng cơ bản sau:
- Dạng PZT dạng miếng đơn, đƣợc minh họa trên hình 1.12:
Hình 1.12. PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp
Loại này gồm các số hiệu PZT-4, PZT-8... với các kích thƣớc đa dạng phù hợp cho từng trƣờng hợp cụ thể. Đây là các miếng PZT đƣợc dùng để đo lực cắt,
trọng lƣợng hoặc sử dụng tạo rung động tần số cao và biên độ nhỏ vì mỗi miếng PZT chỉ có thể tạo ra rung động với biên độ 1.8 – 2 (m) và tần số rất lớn (đến hàng chục, hàng trăm kHz).
- Dạng PZT xếp chồng, đƣợc thể hiện trên hình 1.13:
Hình 1.13. Các PZT xếp chồng
Loại PZT này đƣợc các công ty chế tạo sẵn thành các cột xếp chồng với các số hiệu PZT5A, PZT5K...có thể tạo đƣợc rung động với biên độ lớn và tần số rất lớn (hàng chục đến hàng trăm, nghìn kHz).
1.5. So sánh, lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm
Các mục trên đã trình bày 5 phƣơng pháp tạo rung động cơ bản đã đƣợc sử dụng trong thực tế. Để lựa chọn phƣơng pháp thích hợp để tạo ra rung động áp dụng cho nguyên công khoan, cần so sánh các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp trên.
- Phƣơng pháp tạo rung động bằng bánh lệch tâm:
Phƣơng pháp này có ƣu điểm là có thể thiết kế chế, tạo đơn giản, chi phí thấp, dễ dàng điều khiển đƣợc biên độ rung bằng cách điều khiển tốc độ quay của động cơ quay lệch tâm (có thể sử dụng động cơ vô cấp), điều chỉnh biên độ rung khá dễ dàng bằng cách thay đổi lực quán tính li tâm khi thay đổi khối lƣợng hoặc khoảng cách lệch tâm. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là khó điều chỉnh phƣơng rung động và tần số rung tạo đƣợc thƣờng không cao (thƣờng f không lớn hơn 100 Hz do giới hạn của tốc độ quay động cơ).
- Phƣơng pháp tạo rung động bằng lực từ trƣờng:
khiển tần số và biên độ rung dễ dàng bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp và tần số điện áp đặt vào các nam châm điện. Để điều chỉnh giá trị điện áp, sử dụng các biến áp; còn để điều chỉnh tần số dòng điện, sử dụng bộ biến tần. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này chính là công suất rung thƣờng nhỏ và thiết bị thƣờng bị nóng lên do tác dụng của dòng Fuco khi vận hành.
- Phƣơng pháp tạo rung bằng dẫn động lệch tâm (khứ hồi):
Ƣu điểm là kích thƣớc gọn mà cho lực kích thích lớn khi vận tốc quay bé. Có thể làm việc với vận tốc cao nhƣng thết bị phải đƣợc cân bằng và làm việc ở chế độ cộng hƣởng.
- Phƣơng pháp tạo rung bằng thủy lực, khí nén:
Truyền dẫn khí nén nên dùng cho máy rung tần số cao, nhất là nơi dễ cháy nổ nhƣ thiết bị tải rung trong hầm mỏ. Việc đồng bộ các bộ tạo rung của thiết bị có nhiều bộ truyền dẫn là khó khăn.
- Phƣơng pháp tạo rung động bằng các PZT
Đây là phƣơng pháp tạo rung tiến tiến nhất hiện nay và đang đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Ƣu điểm của phƣơng pháp chính là có thể tạo ra rung động với công suất rất lớn (đến hàng nghìn W) và tần số rung động rất cao, vƣợt qua tần số siêu âm nhiều lần (> 20 kHz). Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này chính là chi phí chế tạo rất cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD). Hơn nữa, các cơ cấu này thƣờng cho biên độ rung thấp. Ngoài ra, việc điều khiển tối ƣu quá trình rung động này còn khá phức tạp.
Qua các phân tích ƣu nhƣợc điểm trên kết hợp với điều kiện thực tế, phƣơng pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng các PZT đã đƣợc chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
1.6. Kết luận chương
Chƣơng này trình bày về tầm quan trọng và tính cấp thiết của phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp. Các phƣơng pháp tạo rung động cƣỡng bức đã đƣợc liệt kê và phân tích. Hiện có 5 phƣơng pháp tạo rung động lần lƣợt theo các nguyên lý: tạo rung bằng li tâm cơ khí, tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm,
tạo rung bằng thủy lực, khí nén, tạo rung bằng lực điện từ và tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện.
Cuối cùng, bằng các phân tích và kết hợp với điều kiện thực tế, phƣơng pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng các PZT đã đƣợc chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
Chương 2
CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ TRÊN HỢP KIM NHÔM
2.1. Giới thiệu
Chƣơng này trình bày về ứng dụng rộng rãi của nhôm và hợp kim nhôm trong công nghiệp. Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp kim nhôm và hƣớng xử lý các khó khăn bằng phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp cũng đã đƣợc đƣợc trình bày.
Phần 2.2 giới thiệu các ứng dụng của nhôm, hợp kim của chúng nói chung và nói riêng về hợp kim nhôm A5052. Phần 2.3 trình bày về các khó khăn khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, nhất là hợp kim nhôm A5052. Phần 2.4 đề xuất hƣớng giải quyết các vấn đề khó khăn đó và phần cuối cùng của chƣơng đƣa ra các kết luận chính của chƣơng.
2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm
Ngày nay, nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai sau thép về sản xuất và ứng dụng [17]. Sở dĩ có điều này là do nhôm và hợp kim nhôm có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trƣờng hợp ứng dụng của hợp kim nhôm không thể thay thế đƣợc nhƣ trong công nghệ chế tạo máy bay và các thiết bị ngành hàng không khác. Các chi tiết đƣợc sử dụng cho ngành hàng không yêu cầu phải nhẹ nhƣng phải đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ bền khi làm việc. Yêu cầu này đƣợc hợp kim nhôm đáp ứng tƣơng đối tốt.
Nhôm và hợp kim nhôm còn có vị trí khá quan trọng trong ngành chế tạo cơ khí và xây dựng nhƣ ứng dụng cho các khung gầm cho thiết bị điện tử cho các máy tính xách tay, ti vi, máy ảnh...; chế tạo bình áp lực, các chi tiết yêu cầu độ bền và tính ổn định cao nhƣ các chi tiết trên máy bay...
Hình 2.1. Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm
Nhôm đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do các tính chất cơ bản quan trọng sau đây của chúng:
- Khối lƣợng riêng nhỏ (xấp xỉ 2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt đƣợc chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lƣợng (trong ngành hàng không, vận tải...);
- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ;
- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhƣng do nhôm nhẹ hơn nên chúng đƣợc sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn;
- Tính dẻo: Nhôm rất dẻo nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng, màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản nhiệt...rất thuận tiện khi sản xuất);
- Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy tƣơng đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc, nhƣng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng đƣợc ở nhiệt độ cao hơn 300-400 C;
- Độ bền, độ cứng: Nói chung độ bền và độ cứng của nhôm và hợp kim nhôm thấp hơn so với thép nên tính công nghệ của nhôm và tính của nhôm ở một số nguyên công cơ bản cao hơn so với thép nhƣ các nguyên công tiện, phay, bào...
* Hợp kim hệ Al- Mg
Hợp kim nhôm loại này đƣợc dùng để chế tạo sản phẩm yêu cầu có độ chống mài mòn cao nhƣ ống dẫn xăng dầu, thùng chứa que hàn.
Mg có tác dụng hóa bền hợp kim khá mạnh. Khi tăng hàm lƣợng Mg, độ bền tăng và đạt mức cực đại với 16%Mg. Độ dẻo giảm khi hàm lƣợng Mg tăng nhƣng vẫn giữ đƣợc giá trị khá lớn ở vùng nồng độ 11- 12%Mg. Tổ chức của