THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

Kết quả nghiên cứu - Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính toán, chế tạo và lắp ráp thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia công khoan lỗ sâu; - Thiết bị t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng

Thái Nguyên, 10/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

Mã số: ĐH2013-TN02-09 Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Đơn vị công tác

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii

0.1 Tính cấp thiết 1

0.2 Mục tiêu và cách tiếp cận 3

0.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

0.2.2 Cách tiếp cận vấn đề 3

0.2.3 Phương pháp nghiên cứu 4

0.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

0.3 Các kết quả đạt được 4

0.4 Cấu trúc của nội dung báo cáo 4

Chương 1 6

TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ 7

1.2.1 Gia công siêu âm 7

1.2.2 Gia công siêu âm quay 9

1.2.3 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 11

1.3 Siêu âm trợ giúp khoan 16

1.3.1 Nguyên tắc chung 16

1.3.2 Cơ chế của quá trình siêu âm trợ giúp khoan 18

1.4 Kết luận chương 21

Chương 2 22

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Một số khái niệm về dao động, rung động và siêu âm 22

2.2.1 Bản chất của sóng âm 23

2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 24

2.2.3 Các phương pháp tạo rung động siêu âm 27

2.2.4 Siêu âm công suất 30

2.2.5 Cơ sở lí thuyết truyền sóng trong vật liệu 32

2.3 Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 35

2.3.1 Máy phát điện siêu âm 35

2.3.2 Bộ chuyển đổi siêu âm 36

2.3.3 Đầu khuếch đại biên độ 39

2.4 Xác định thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện 42

2.4.1 Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng 42

2.4.2 Xác định biên độ rung 46

2.5 Chế tạo, lắp ráp cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 49

2.5.1 Nguyên tắc gá kẹp mũi khoan với bộ chuyển đổi 49

2.5.2 Lựa chọn thiết bị siêu âm 50

2.5.3 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 53

2.5.4 Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung 54

2.5.5 Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 56

2.5.6 Thực nghiệm xác định biên độ rung của dụng cụ cắt 63

2.6 Kết luận chương 67

Chương 3 68

THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ CƠ CẤU RUNG 68

3.1 Giới thiệu 68

3.2 Thiết bị thí nghiệm 68

3.3 Thiết kế thí nghiệm 76

3.4 Kết quả và thảo luận 78

3.4.1 Thực nghiệm so sánh 80

3.4.2 Lựa chọn bộ thông số gia công hợp lí 87

3.5 Kết luận chương 91

Chương 4 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

4.1 Kết luận 92

4.2 Kiến nghị 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Nguyên lý gia công siêu âm 8

Hình 2 Nguyên lí gia công siêu âm quay [76]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt 9

Hình 3 Rung động siêu âm trợ giúp tiện [75] 11

Hình 4 Các phương án bổ xung rung động vào quá trình gia công [54][41] 13

Hình 5 Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [77][37] 15

Hình 6 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [77][37] 16

Hình 7 Kiểu rung trong UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp 17

Hình 8 Mô hình mũi khoan rung-phôi quay [8] 17

Hình 9 Mô hình phôi rung mũi khoan quay [9][45] 18

Hình 10 Mô hình mũi khoan vừa rung vừa quay [66] 18

Hình 11 Cơ chế của rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58] 19

Hình 12 Mô hình liên kết nguyên tử 24

Hình 13 Hình dạng một số mode truyền sóng 26

Hình 14 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 28

Hình 15 Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính để tạo rung động cơ học 28

Hình 16 Hiệu ứng áp điện 29

Hình 17 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng tấm xếp chồng 30

Hình 18 Hệ thống siêu âm công suất [26][60] 32

Hình 19 Mô hình rung động dọc trục của thanh vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung và ứng suất; (b) ứng suất và chuyển vị của một phân tố [27][61] 33

Hình 20 Hệ thống rung siêu âm 35

Hình 21 Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] 36

Hình 22 Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc [12][63] 39

Hình 23 Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác nhau giữa các loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc 40

Hình 24 Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc 40

Hình 25 Mô hình hóa bộ chuyển đổi siêu âm bằng mạch vòng Mason 43

Hình 26 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở 45

Hình 27 Phương pháp I - V 46

Hình 28 Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng bộ khuếch đại 46

Hình 29 Nguyên lí đo rung động bằng LDV [73][69] 47

Hình 30 Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến sợi quang (hình ảnh từ trang web https://www.mtiinstruments.com/technology-principles/fiber-optic-sensors/) 48

Hình 31 Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến dòng cảm ứng (hình ảnh từ trang web https://www.shinkawaelectric.com/en/column/20170807.html) 48

Hình 32 Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: (a) sử dụng ống kẹp (collet) [43][53], (b) sử dụng ren vít cố định trực tiếp vào đầu khuếch đại biên độ [70] 49

Hình 33 Bộ chuyển đổi siêu âm YP-5020-4Z 52

Hình 34 Máy phát điện MPI WG3000 52

Hình 35 Cấu tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan: (1) Mâm cặp, (2) ống gá, (3) bộ chuyển đổi siêu âm, (4) đầu khuếch đại biên độ, (5) bích kẹp, (6) vít trí, (7) collet kẹp mũi khoan, (8) mũi khoan, (9) nòng trục chính máy tiện, (10) chổi than-cổ góp .53

Hình 36 Thiết bị thực: (a) – chổi than cổ góp, (b) – cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan 54

Hình 37 Các kích thước chính của đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan 55

Hình 38 Mô hình phân tích mô phỏng đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan 55

Hình 39 Thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A 56

Hình 40 Biểu đồ Bode khi phân tích bằng phần mềm FRA4PS 58

Hình 41 Dữ liệu được xử lí trên phần mềm OriginLab 58

Hình 42 Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab 59

Hình 43 Thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR 60

Hình 44 Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR 61

Hình 45 Xác định tần số cộng hưởng của đầu rung bằng máy phát MPI-WG3000 63

Hình 46 Đo biên độ rung sử dụng micrometer của S M Hoseini và J Akbari [62][79] 65

Hình 47 Đo biên độ rung sử dụng micrmeter của W L Cong T và Z.J.Pei [23] 65

Hình 48 Đo biên độ rung bằng đồng hồ so (MИΓ) độ phân giải 1 µm 66

Hình 49 Đo biên độ rung bằng Panme 67

Hình 50 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 68

Hình 51 Ảnh chụp phôi thí nghiệm 69

Hình 52 Mũi khoan thí nghiệm 70

Hình 53 Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc IRTP_300LS 70

Hình 54 Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) với nhiệt độ đo được trên phôi (0C) 71

Hình 55 Ảnh chụp Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA 72

Hình 56.Q uan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và lực dọc trục (N) 72

Hình 57 Cảm biến mô men PCB 2508-106-03A 73

Hình 58 Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và mô men (Ncm) 73

Hình 59 Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A 74

Hình 60 Bộ thu thập dữ liệu NI PCI-6010 và cổng kết nối NI-CB-37F-LP 75

Hình 61 Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm 76

Hình 62 Các thông số lực và momen lớn nhất, lực và momen cắt 79

Hình 63 Biểu đồ so sánh mô men giữa CD và UAD: (a) mô men cắt, (b) mô men lớn nhất 80

Hình 64 Biểu đồ so sánh lực dọc trục giữa CD và UAD: (a) lực dọc trục cắt, (b) lực dọc trục lớn nhất 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Quĩ đạo rung của dụng cụ cắt (DCC) trong siêu âm trợ giúp gia công [77][37] 14

Bảng 2 Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số 23

Bảng 3 Vận tốc truyền âm trong một số vật liệu kĩ thuật 24

Bảng 4 Trở kháng âm của một số vật liệu kĩ thuật 27

Bảng 5 Thông số rung của bộ chuyển đổi siêu âm đã được sử dụng trong một số công bố 51

Bảng 6 Thông số của bộ chuyển đổi siêu âm 52

Bảng 7 Thông số máy phát điện siêu âm 52

Bảng 8 Bảng thông số kĩ thuật của thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A 56

Bảng 9 Thông số kĩ thuật của máy HIOKI3532-50 LCR 60

Bảng 10 Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan khi độ dài mũi khoan thay đổi .61

Bảng 11 Thông số của máy tiện 69

Bảng 12 Thành phần hóa học chính Al6061 70

Bảng 13 Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt 70

Bảng 14 Thông số kĩ thuật của cảm biến lực 72

Bảng 15 Thông số của cảm biến mô men 73

Bảng 16 Thông số bộ khuếch đại tín hiệu 74

Bảng 17 Thông số kỹ thuật của bộ thu thập dữ liệu 75

Bảng 18 Các mức giá trị thông số thí nghiệm 76

Bảng 19 Ma trận thí nghiệm Taguchi L 27 .77

Bảng 20 Giá trị các thông số đầu ra của thí nghiệm Taguchi L27 79

Bảng 21 Tỉ số S/N của các chỉ tiêu và chuẩn hóa trong khoảng [0-1] 88

Bảng 22 Hệ số quan hệ xám 89

Bảng 23 Mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ xám 90

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia công lỗ sâu

- Mã số: ĐH2013-TN02-09

- Chủ nhiệm: Chu Ngọc Hùng

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

- Thời gian thực hiện: 2013 - 2015

2 Mục tiêu

Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, đảm bảo nâng cao năng suất

và chất lượng lỗ khoan

3 Tính mới và sáng tạo

- Nghiên cứu triển khai thành công các bước tính toán thiết kế và chế tạo thành công

hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu trên đường kính trên 10 Hệ thống này chưa thấy công bố trong nước

- Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm Al6061 Kết quả nghiên cứu được công bố trên 06 bài báo khoa học quốc gia và quốc tế, trong đó có 01 bài trên tạp chí thuộc danh mục Scopus

4 Kết quả nghiên cứu

- Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính toán, chế tạo và lắp ráp thành công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia công khoan lỗ sâu;

- Thiết bị thí nghiệm đã được sử dụng triển khai thí nghiệm cho 06 bài báo khoa học trong nước và quốc tế, được Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước công nhận

5 Sản phẩm:

5.1 Sản phẩm khoa học

Công bố được 06 bài báo khoa học, trong đó có 04 bài báo quốc gia, 01 bài

báo trong danh mục Scopus và 01 bài báo quốc tế có chỉ số ISSN Cụ thể là:

- Van-Du Nguyen, Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep holes”,

International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET),

- Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng (2015), "Giải pháp khoan lỗ sâu trên hợp

kim nhôm có trợ giúp của rung động tần số thấp", Tạp chí Cơ khí Việt Nam,

- Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh (2016),

"Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của kích thước đầu rung siêu âm công

suất lớn đến tần số cộng hưởng rung động", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr 19-23;

- Chu Ngọc Hùng, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự (2017), "Đánh giá hiệu ứng giảm ma sát trượt giữa thép gió và nhôm khi bổ sung rung động siêu

âm", Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 176(16), tr

31-36

5.2 Sản phẩm đào tạo

Kết quả đề tài trực tiếp phục vụ nội dung nghiên cứu của Chủ nhiệm đề tài trong quá trình làm nghiên cứu sinh, là nội dung chính của 02 chuyên đề NCS

- Chu Ngọc Hùng (2014), Chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan,

Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp

- Chu Ngọc Hùng (2014), Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng hệ thống thí nghiệm, Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp

7 Khả năng áp dụng và phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu:

Kết quả nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện để chuyển giao, ứng dụng trong sản xuất

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Design, manufacturing of experimental device for vibration assisted deep hole machining

Code number: ĐH2013-TN02-09

Coordinator: Chu Ngoc Hung

Implementing institution: TNU-Thai Nguyen University of Technology

Duration: from 2013 to 2015

2 Objective:

To design and manufacture a device for ultrasonic assisted drilling, which can enhance the production rate and quality of drilled holes

3 Creatives and innovativeness:

- Sucessfully implemented the designing calculation and manufacturing steps for the ultrasonic assisted deep hole drilling with respect ratio larger than 10 This kind

of research has not been found in national publications

- Practically drilled deep holes on Al6061 aluminum alloy The experiemental results have been published in 06 scientific papers, including 01 papers in Scopus indexed journals

The study published 06 scientific paper, including 01 paper in an Scopus papers and

01 paper in an international journal, as following:

- Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep

holes”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), 9(6), pp 899–908, ISSN: 0976-6340;

- Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu and Van-Du Nguyen (2018), "A Study on Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring

With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp 283-296,

ISSN: 2454-2377;

- Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2015), "A solution of manufacturing deep holes on aluminum alloy by low-frequency vibration assisted drilling",

Viet Nam Mechanical Engineering Journal, 6, pp 14-17;

- Chu Ngoc Hung, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thao (2016), "An experimental study on influences of vibration assisted drilling deep holes on stainless steel SUS304", Journal of Science and Technology – Thai Nguyen University, 154 (09), pp 9-13;

- Ngo Quoc Huy, Nguyen Van Du, Chu Ngoc Hung and Ho Ky Thanh (2016),

"An experimental study on influences of power ultrasonic transducer

dimension on the resonance frequency", Journal of Science and Technology – Thai Nguyen University, 154 (09), pp 19-23;

- Chu Ngoc Hung, Ngo Quoc Huy and Nguyen Van Du (2017), "Evaluation of sliding friction reduction between high speed steel and aluminum in presence

of ultrasonic vibration", Journal of Science and Technology – Thai Nguyen University, 176(16), pp 31-36

- Chu Ngoc Hung (2014), Experimental research and experimental system construction, Ph.D special subject, Thai Nguyen Univesity of Technology

5.3 Applied products

The experimental ultrasonic vibratory can be used to clamp several kinds of cutting tools such as turning, drilling, can be fixed on conventional lathes to assist different types of machining

6 Effects:

The results directly supported the PhD study of this project coordinator and established a potentional team for further projects in this field

7 Transfer alternatives of reserach results andapplic ability:

The results are promissing to be developed, completed in order to transfer and apply in practical industry

MỞ ĐẦU

Nội dung chương này giới thiệu các thông tin tóm tắt về cơ sở lý luận của đề tài Mục thứ nhất, mục 0.1, giới thiệu tóm tắt tính cấp thiết của đề tài Mục 0.2 trình bày mục tiêu nghiên cứu; cách tiếp cận vấn đề; phương pháp nghiên cứu; đối tượng

và phạm vi nghiên cứu Mục 0.3 trình bày các kết quả đạt được của đề tài Mục 0.5

là cấu trúc nội dung của báo cáo

0.1 Tính cấp thiết

Siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining - UAM) là một phương pháp gia công lai giữa gia công siêu âm và gia công cắt gọt Trong phương pháp gia công này, một rung động cưỡng bức có tần số cao (≥20 kHz), biên độ rất nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết trong quá trình gia công [18] Mũi dao hoặc phôi sẽ thực hiện dao động theo một phương (1D) hoặc theo quĩ đạo elip (2D) so với phương của vận tốc cắt Sự kết hợp giữa rung động cưỡng bức này và vận tốc cắt làm cho sự tiếp xúc giữa mũi dao và chi tiết thay đổi chu kỳ, khác hẳn với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống Kết quả của quá trình tiếp xúc thay đổi vi mô này làm giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dụng cụ

Hiện nay, siêu âm trợ giúp gia công đã được ứng dụng trong hầu hết các phương pháp cắt gọt truyền thống như siêu âm trợ giúp phay (Ultrasonic Assisted Milling-UAM), siêu âm trợ giúp tiện (Ultrasonic Assisted Turning-UAT), siêu âm trợ giúp mài (Ultrasonic Assisted Grinding-UAG), siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted Drilling-UAD), siêu âm trợ giúp ta rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping), siêu âm trợ giúp đánh bóng (Ultrasonic Assisted Polishing-UAP) 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 la de [35][2]

Nhiều ưu điểm của UAM so với gia công cắt gọt thông thường đã được quan sát ở hầu hết các phương pháp gia công: lực cắt trung bình giảm 77% khi

tiện hợp kim Titan Ti-15333 [52][3], giảm 70% khi tiện hợp kim β-titanium [47]

Độ nhám bề mặt giảm tới 265% khi phay hợp kim nhôm Al2A12 [68] Lực cắt theo hai phương X và Y giảm lần lượt 44.5% và 31.6%, độ nhám giảm 42.3% khi mài phẳng bằng mặt đầu của đá mài ngón trên hợp kim Nikel Rene [70][69][6], lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến giảm lần lượt 56.0% và 51.9% khi mài vật liệu Inconel 718bằng mặt trụ của đá mài ngón [38][7] Trong siêu âm trợ giúp gia công bằng tia lửa điện (UAEDM), quá trình thoát các hạt kim loại bám dính vào dụng

cụ dễ dàng hơn khi bổ sung rung động siêu âm do đó cải thiện sự phóng điện Tốc

độ bóc tách vật liệu tăng 11% và độ mòn dụng cụ giảm 21% [73][72][8] v.v

Trong siêu âm trợ giúp khoan, ưu điểm của UAD so với kĩ thuật khoan truyền thống (CD) đã được ghi nhận qua nhiều nghiên cứu trên nhiều loại vật liệu

Sự khác biệt mang lại nhiều ưu điểm của UAD so với CD đó là hiệu ứng giảm ma

sát khi rung động được bổ sung: cải thiện quá trình thoát phoi khi khoan các vật

liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm ngay cả ở trường hợp khoan không tưới nguội

[5, 16][5][10] v.v ; giảm lực cắt, nhiệt cắt và nâng cao tuổi bền dụng cụ khi

khoan các vật liệu siêu bền và vật liệu cứng [79][78][11], [29][12], [1] v.v ; giảm biến dạng do giảm lực dọc trục khi khoan các tấm mỏng [10] Đặc biệt, trong

trường hợp khoan lỗ nhỏ (Micro-Drilling), công nghệ UAD chứng tỏ khả năng

vượt trội so với CD: lực dọc trục giảm 4 lần, tuổi bền dụng cụ tăng hơn 20 lần tương ứng với 200 lỗ khi khoan lỗ có đường kính 20 µm trên vật liệu hợp kim nhôm Al2017 [51][15], lực dọc trục trung bình giảm 60% khi khoan lỗ có đường kính 1mm trên vật liệu PCB gia cố bằng sợi thủy tinh v.v

Hiện tại UAM vẫn đang nhận được sự chú ý bởi nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới: chế tạo đầu rung trợ giúp khoan cho trung tâm gia công 5 trục của Andrea Stoll và cộng sự (2017) [6], chế tạo đầu rung trợ giúp khoan nhằm cải thiện năng suất của trung tâm gia công đứng của M A Moghaddas và cộng sự (2018) [50] v.v

Ở Việt Nam hiện nay, ứng dụng của siêu âm công suất cao đã được giới thiệu và thương mại hóa thông qua nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài trong một

số lĩnh vực như hàn siêu âm (Ultrasonic Welding), siêu âm làm sạch (Ultrasonic

Cleaning) v.v Hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu áp điện nhằm sản xuất các bộ chuyển đổi siêu âm cũng mới được triển khai những năm gần đây tại Đại học Khoa học Huế [1] Tuy nhiên, ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ khí vẫn chưa được cập nhật, công bố khoa học về kỹ thuật ứng dụng rung động siêu âm trợ giúp gia công chưa thấy xuất hiện trong nước

Đề tài này được ưu tiên phê duyệt cho nghiên cứu sinh nhằm tạo dựng thiết

bị tạo rung động siêu âm phù hợp cho khoan lỗ sâu, tạo cơ sở triển khai hướng nghiên cứu khai thác rung động siêu âm trong trợ giúp gia công cơ khí

0.2 Mục tiêu và cách tiếp cận

0.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm thí nghiệm trợ giúp khoan nhằm hỗ trợ đề tài nghiên cứu sinh, khẳng định và đánh giá khả năng nâng cao năng suất và chất lượng

lỗ khoan Cơ cấu rung thí nghiệm cần đạt được các yêu cầu cơ bản sau:

- Tạo được rung động siêu âm và truyền đến dụng cụ cắt, tương tự như trong các công bố của nhiều nhà nghiên cứu quốc tế;

- Phù hợp với điều kiện chế tạo hiện có;

- Hệ thống thí nghiệm có khả năng điều chỉnh các thông số vào (biên độ, tần

số rung, chế độ cắt) theo các mức định trước Có khả năng thu thập các giá trị tương ứng của các hàm đầu ra

0.2.2 Cách tiếp cận vấn đề

Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài từ các nghiên cứu trước, trong đó bao gồm các nội dung chính sau: ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ; cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng gốm áp điện; nguyên tắc, phương án và mô hình bổ sung rung động siêu âm cho quá trình khoan; phương pháp xác định tần số rung và biên độ rung của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan; những vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây

Từ nghiên cứu tổng quan, lựa chọn mô hình và xây dựng hệ thống thí nghiệm; xác định đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu

0.2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng và thực nghiệm so sánh; phân tích thống kê và phát triển mô hình lý thuyết-thực nghiệm

0.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi khoan lỗ sâu có tỉ số độ sâu lỗ trên đường kính L/D ≥10 Phạm vi khảo sát được giới hạn trên vật liệu hợp kim nhôm Al6061, sử dụng mũi khoan xoắn thép gió đường kính 3 mm Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm, cơ cấu rung-quay trợ giúp khoan được thiết kế và gá đặt trên máy tiện vạn năng

Sử dụng cơ cấu rung được chế tạo, thực nghiệm khoan sâu trong điều kiện không tưới nguội trên vật liệu hợp kim nhôm Al6061, khẳng định ưu việt của công nghệ siêu âm trợ giúp khoan

0.4 Cấu trúc của nội dung báo cáo

Báo cáo tổng kết đề tài bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận

Phần mở đầu trình bày một cách tóm tắt nghiên cứu tổng quan nhằm nêu bật nhu cầu, tính cấp thiết của đề tài; các cơ sở phương pháp luận như mục tiêu, cách tiếp cận, phạm vi nghiên cứu và các kết quả chính

Trong Chương 1, nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm phục vụ cho việc triển khai đề tài Trong đó bao gồm các nôi dung chính sau: tính gia công (Machinability)

và khả năng khoan (Drillability) của hợp kim nhôm; Đặc trưng của mô men và lực dọc trục khi khoan (phụ thuộc và không phụ thuộc vào độ sâu lỗ khoan); Ứng dụng, lịch sử và phát triển của công nghệ siêu âm trong gia công cơ: gia công siêu âm (Ultrasonic Machining-USM), gia công siêu âm quay (Rotary Ultrasonic Machining-RUM), rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration Assisted Machining-UVAM) và siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted Drilling); Cơ chế của siêu âm trợ giúp khoan; Tóm tắt và hệ thống kết quả của một

số nghiên cứu đã công bố trên các tạp chí uy tín, kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu

Chương 2 trình bày các kiến thức cơ sở cho việc tính toán thiết kế cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan.Trong đó bao gồm những nội dung chính sau: bản chất của sóng âm, nguyên tắc truyền rung động siêu âm và cơ sở lí thuyết truyền sóng trong vật liệu; Nguyên lí làm việc của hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công, các kiến thức cơ bản về thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer) sử dụng gốm áp điện kiểu Lagevin và đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic Horn); Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng và biên độ rung của bộ chuyển đổi siêu âm; Chế tạo, lắp ráp và đo kiểm một số thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan

Chương 3 trình bày ứng dụng của hệ thống rung trong thiết kế và triển khai một số thí nghiệm nhằm vừa đánh giá hiệu quả của việc khai thác rung trợ giúp khoan, vừa tổng kiểm tra đánh giá khả năng làm việc của hệ thống rung đã chế tạo

Phần Kết luận và kiến nghị tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN

1.1 Giới thiệu chung

Khoan là một quá trình thông dụng nhất để gia công lỗ do tính đơn giản, thời gian gia công ngắn và chi phí thấp Theo đó, một quy trình gia công điển hình thường bao gồm: khoan (30%), tiện (20%), phay (16%), cắt ren (15%), chép hình (6%) và các loại khác (13%) [61] Tuy nhiên, khoan cũng là một trong những quá trình cắt phức tạp nhất Đặc điểm chính để phân biệt giữa khoan với các quá trình gia công khác là quá trình cắt trong gia công bằng khoan xảy ra đồng thời với quá trình đẩy phoi ra khỏi lỗ khoan Song song với đó là những khó khăn gặp phải, đặc biệt khi khoan lỗ sâu trên vật liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm Đã có nhiều biện pháp công nghệ đã và đang được sử dụng nhằm cải thiện quá trình khoan, chẳng hạn như cải thiện chất lượng và bề mặt dụng cụ, sử dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tiên tiến [25][18], [30], [33], [17][21], rung tần số thấp trợ giúp khoan [58][22][57][23] [46] v.v Gần đây, công nghệ rung động siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Vibration Assisted Drilling-UVAD) đã được áp dụng thành công khi khoan các vật liệu khó gia công So với công nghệ khoan truyền thống, công nghệ UVAD được biết đến với nhiều ưu điểm đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu đã được công bố Một số ưu việt nổi trội được tóm tắt như dưới đây

- Mở rộng tính gia công bằng khoan một số loại vật liệu khó gia công hoặc không gia công được [18], [8];

- Lực dọc trục giảm 70% so với khoan theo cách thông thường trên vật liệu Al 2024-T6 [4];

- Mô men giảm từ 30% đến 50% so với khoan theo cách thông thường trên vật liệu nhôm [55], và giảm đến 94% khi khoan trên vật liệu composite CFRP [44];

- Nhiệt độ trung bình giảm 46% so với khoan theo cách thông thường [28];

- Độ trụ và độ tròn được cải thiện 50% và 80% tương ứng, độ nhám giảm 52%

[15];

- Chiều cao và chiều rộng trung bình của ba via ở mặt thoát lỗ khoan giảm lần

lượt 83.2% và 24% so với khoan theo cách thông thường khi khoan vật liệu

composite Al/SiC [32][31];

- Cải thiện điều kiện thoát phoi [56][32] Đây được xem là một sự khác biệt lớn mang lại nhiều lợi ích của khoan có rung trợ giúp so với khoan theo cách thông thường;

- Tuổi bền của mũi khoan tăng 2,7 lần khi khoan trên vật liêu Inconel 718 [79][78][11]

Trong những năm gần đây, công nghệ gia công không dùng hoặc giảm thiểu sử dụng chất bôi trơn làm nguội (bôi trơn làm nguội tối thiểu) đang là một xu hướng được quan tâm [34] Chính vì vậy, giải pháp UVAD còn có một số ý nghĩa quan trọng nữa là giúp giảm thiểu chi phí sản xuất do sử dụng chất bôi trơn làm nguội và các vấn đề liên quan đến việc tái chế phoi, giảm ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe của công nhân

1.2 Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ

Việc áp dụng siêu âm công suất vào các máy công cụ, thuộc lĩnh vực gia công siêu

âm Do sự đa dạng và phát triển của công nghệ này, nhiều thuật ngữ được sử dụng

và có thể gây nhầm lẫn Công nghệ thường được tìm thấy trong các tài liệu được

biết đến với thuật ngữ gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) là một qui trình

gia công dựa trên các hạt mài chứa trong dung dịch được sử dụng để khoan các lỗ

có biên dạng phức tạp trên các vật liệu cứng như thủy tinh và gốm sứ v.v Thuật

ngữ siêu âm trợ giúp (Ultrasonically Assisted) được sử dụng với nhiều biến thể

khác nhau, mục đích vẫn là đưa rung động siêu âm vào dụng cụ cắt truyền thống như siêu âm trợ gúp tiện (UAT), siêu âm trợ gúp khoan (UAD) và siêu âm trợ gúp phay (UAM) v.v

1.2.1 Gia công siêu âm

Gia công bằng siêu âm (Ultrasonic Machining-USM) là truyền rung động vào vùng cắt dưới tần số siêu âm Rung động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia công Bản chất là dùng năng lượng va đập đồng

thời của một số rất lớn các hạt mài có tần số va đập cao lên bề mặt gia công để tách những hạt kim loại nhỏ, có kích thước vài µm Nguyên lí gia công bằng siêu âm được thể hiện như trên Hình 1

Hình 1 Nguyên lý gia công siêu âm

Đến đầu những năm 1960 đã có khoảng bốn trăm bài báo được công bố bao gồm các khía cạnh khác nhau về USM [22][34] Phần lớn các tài liệu này được bao quát bởi hai tài liệu chuyên khảo Gia công siêu âm vật liệu khó gia công (Ultrasonic machining of intractable materials) được viết bởi AI Markov và cắt bằng siêu âm (Ultrasonic cutting) được viết bởi L.D Rozenberg, cả hai ban đầu được xuất bản ở Nga năm 1962 và sau đó được dịch sang tiếng Anh [Markov 1966; Rozenberg và cộng sự 1964] Gia công siêu âm cũng được gọi là siêu âm tác động mài (ultrasonic impact grinding) [Moore 1986; Tyrrell năm 1970; Kohls 1984; Shaw 1956], mài siêu âm (ultrasonic grinding) [Schwatrz 1992] và gia công mài siêu âm (ultrasonic abrasive machining) [Anonymous 1964]

So với quá trình gia công thông thường như mài và khoan, gia công bằng siêu âm

có những ưu điểm sau Thứ nhất, có thể gia công được cả vật liệu dẫn điện và không dẫn điện một cách nhanh chóng các chi tiết có biên dạng phức tạp như những chi tiết đơn giản Thứ hai, quá trình này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hoặc không gây

ra thay đổi nào về hóa tính trên bề mặt phôi Thứ ba, gia công bằng siêu âm không

bị ảnh hưởng bởi ứng suất dư trên bề mặt chi tiết Tuy nhiên trong gia công bằng siêu âm, hạt mài được đưa vào giữa khoảng cách dụng cụ và phôi để bóc tách vật liệu Từ thực tế đó, phương pháp này có một số nhược điểm Thứ nhất, tốc độ bóc

tách vật liệu chậm đáng kể và thậm chí dừng lại khi tăng độ sâu Thứ hai, hạt mài có thể gây mòn thành lỗ cũng như bề mặt đã gia công, đây là sự giới hạn về độ chính xác của phương pháp gia công bằng siêu âm, đặc biệt là với các lỗ nhỏ Thứ ba, dưới tác động của hạt mài cũng gây ra mài mòn đáng kể cho dụng cụ, do đó rất khó khăn để giữ được khoảng cách giữa dụng cụ và phôi

Để khắc phục những nhược điểm của gia công siêu âm, gia công bằng siêu âm quay được phát minh vào năm 1964 do Percy Legge, một nhân viên kỹ thuật tại cơ quan năng lượng nguyên tử Vương quốc Anh (UKAEA)

1.2.2 Gia công siêu âm quay

Gia công siêu âm quay (Rotary ultrasonic machining-RUM) là một quá trình gia công cơ học phi truyền thống được sử dụng để gia công các loại vật liệu khó gia công, bao gồm vật liệu dẻo, cứng và giòn, gốm sứ, composit v.v Trong RUM, quá trình bóc tách vật liệu được kết hợp bởi gia công bằng siêu âm và mài kim loại thông thường [69] Nguyên lí của RUM như được thể hiện trên hình 1.12

Hình 2 Nguyên lí gia công siêu âm quay [77]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt

RUM được trình bày lần đầu tiên năm 1964 bởi Percy Legge [22][34] Ý tưởng ban đầu của việc kết hợp khoan với sự trợ giúp của rung động đã được đề xuất bởi GC Brown và các cộng sự (US Patent 2.942.383) Trong sáng chế của Brown và cộng

sự, quá trình khoan được trợ giúp bởi một rung động tần số thấp hơn 1 kHz Ngoài

ra quá trình khoan này chỉ đề xuất cho gia công vật liệu là gỗ Trong thiết bị siêu âm quay đầu tiên của Percy Legge, hạt mài đã được loại bỏ và thay thế bằng một dụng

cụ được phủ kim cương Do phôi được kẹp trên mâm cặp nên thiết bị này có những hạn chế sau: (1) chỉ có có thể gia công được lỗ trụ tròn, (2) chỉ có thể khoan được phôi tương đối nhỏ Cải tiến hơn nữa được thực hiện tại cơ quan năng lượng nguyên

tử Vương quốc Anh, một máy gia công mang bộ chuyển đổi siêu âm có thể quay (rotating ultrasonic transducer) đã được phát triển và cho phép gia công với độ chính xác cao Với các dụng cụ khác nhau, phạm vi hoạt động có thể mở rộng để phay, cắt ren, mài tròn trong và mài tròn ngoài Nghiên cứu tại UKAEA trở thành nguồn tài liệu tiếng Anh duy nhất nói về RUM trong những năm 1960 [Anonymous

1966, Legge 1966, Hards 1966, Dawe Instruments Ltd 1967, Chechines và Tikhonov 1968] Nhiều năm sau, tài liệu tiếng Nga nói về RUM mới xuất hiện [Markov 1969, Petruka và cộng sự 1970], nghiên cứu được thực hiện tại học viện hàng không Moscow Trong năm 1970, các công bố về RUM tại Mỹ bắt đầu xuất hiện [Cleave 1976, Kohls 1984 1973], nghiên cứu được thực hiện tại Công ty Điện lực Branson Sonic

Hầu hết trong các công bố trên đều tập trung giải thích các nguyên tắc của RUM,

mô tả các thiết bị và dụng cụ kim cương Khảo sát thực nghiệm về mối quan hệ giữa các biến đầu vào của quá trình (biên độ rung, tốc độ quay, kích thước hạt mài v.v) với các biến đầu ra (tốc độ bóc tách vật liệu, mòn dụng cụ, chất lượng bề mặt v.v) được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Nga và Nhật Bản công bố trong các bài báo những năm 1970 [Markov và Ustinov 1972, Markov 1977, Kubota 1977]

Trong một thời gian dài, RUM đã được xem đơn giản như một sự cải tiến của USM Một quan điểm khác, RUM được xem như một quá trình lai, kết hợp của hai quá trình gia công là mài kim cương và USM [Anonymous 1964, Prabhakar 1992, Dam

1993, Legge 1964] RUM đôi khi được gọi là mài rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Grinding) [Moore 1986, Kohls 1984], khoan siêu âm (Ultrasonic Drilling) [Anonymous 1964, Legge 1964], khoan xoắn siêu âm (Ultrasonic Twist Drilling) [McGeough 1988] và mài siêu âm (Ultrasonic Grinding) [Suzuki và cộng sự 1988]

1.2.3 Rung động siêu âm trợ giúp gia công

Rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration Assisted UVAM) là quá trình sử dụng một rung động có tần số cao và biên độ rất nhỏ bổ sung vào quá trình cắt nhằm nâng cao hiệu quả bóc tách vật liệu [78][77][37] Rung động siêu âm đã được áp dụng như một công nghệ trợ giúp cho các quá trình gia công truyền thống như tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng v.v còn được biết đến với thuật ngữ siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining-UAM) UAM xảy ra khi rung động siêu âm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng

Machining-cụ cắt và phôi đang trong quá trình gia công

Nguyên tắc của UVAM là làm cho sự tương tác giữa dụng cụ và phôi một cách không liên tục, do đó tạo điều kiện tách phoi và giảm lực cắt Nó cũng có thể làm giảm vùng biến dạng của phôi khi gia công, qua đó cải thiện chất lượng bề mặt của chi tiết gia công

Hình 3 Rung động siêu âm trợ giúp tiện [76]

Hình 3 mô tả quá trình siêu âm trợ giúp tiện Bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng các tấm gốm áp điện (Piezoceramic) đã gắn đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic horn), dụng cụ cắt được gắn với đầu khuếch đại Bộ chuyển đổi mang dụng cụ có thể được kẹp chặt bởi một đồ gá và cố định trên bàn dao máy tiện hoặc trên đài gá dao như cách thực hiện thông thường Khi tín hiệu điện tần số cao từ máy phát điện

được cấp vào bộ chuyển đổi, hiệu ứng áp điện xảy ra và rung động truyền tới dụng

cụ cắt

Công nghệ UAM đã được áp dụng cho cả hai ứng dụng, gia công chính xác

và gia công các vật liệu khó cắt như thép sau nhiệt luyện, các hợp kim niken, titanium, các loại vật liệu composite titan và hợp kim nhôm [37][40] So với gia công truyền thống, gia công có rung động siêu âm trợ giúp cho thấy lực cắt giảm đáng kể và tạo ra phoi ngắn hơn [76] Bên cạnh đó, rung động siêu âm trợ giúp có thể nâng cao chất lượng bề mặt (độ nhám giảm đến 50%)

Một số hạn chế của công nghệ UAM

Dụng cụ cắt luôn phải duy trì rung động với tần số cao do đó tuổi bền của dụng cụ dưới ảnh hưởng của ứng suất là một vấn đề đầy thách thức Một hạn chế khác khi áp dụng công nghệ này đó là việc giữ ổn định trạng thái rung ở tần số cao

là tương đối khó khăn, hiện nay vấn đề này đã được giải quyết bằng cách áp dụng các kĩ thuật điều khiển tiên tiến tuy nhiên đi cùng với đó là vấn đề về chi phí

Cơ chế của quá trình cắt có rung động siêu âm rợ giúp

Trong quá trình cắt có rung động siêu âm trợ giúp (Utrasonic Assisted Cutting-UAC), dịch chuyển x của dụng cụ cắt khi có rung được mô tả bởi phương trình (1.3) dưới đây

Trong đó a, f, và  tương ứng với biên độ, tần số và vận tốc góc của dụng cụ cắt

Do đó, vận tốc rung của dụng cụ cắt được xác định bởi phương trình (2)

Tùy thuộc vào từng phương pháp gia công cụ thể như tiện, phay hoặc mài

v.v Phương án bổ sung rung động vào quá trình cắt thông qua phôi hoặc dụng cụ cắt cũng như kĩ thuật bổ sung rung động theo một phương (1D-VAM) hoặc theo hai phương (2D-VAM) sẽ được lựa chọn như sơ đồ được biểu diễn trên Hình 4

Hình 4 Các phương án bổ xung rung động vào quá trình gia công [41]

(a) rung động trợ giúp tiện [Babitsky và Kalashnikov 2003], (b) rung động trợ giúp phay [Shen và cộng sự 2012], (c) rung động trợ giúp mài [Zhao và cộng sự 2008], (d) rung động trợ giúp xung điện [DeGarmo và cộng sự 2010]

Như minh họa trên Hình 4, gia công phay có thể tích hợp rung vào dụng cụ cắt hoặc vào phôi Trong gia công tiện, phương án tích hợp rung vào dụng cụ cắt là lựa chọn duy nhất và khá đơn giản, có thể áp dụng kĩ thuật rung 1D hoặc rung 2D Trong gia công mài phẳng, phương án rung phôi sẽ được ưu tiên do việc tích hợp rung vào đá mài (thực chất là vào trục mang đá) tương đối khó khăn Gia công khoan, có thể tích hợp rung vào mũi khoan hoặc vào phôi Do đặc trưng của quá trình khoan nên chỉ thể áp dụng kĩ thuật rung 1D hoặc kết hợp giữa rung dọc trục và rung xoắn

Phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công

Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công điển hình bao gồm ba phần chính: Máy phát điện (chuyển đổi dòng điện tần số thấp thành dòng điện tần số cao

≥ 20 kHz), bộ điều khiển, thiết bị tạo rung (gốm áp điện dạng tấm xếp chồng-Piezo Ceramic hoặc piezo dạng màng mỏng-Piezo Actuator) Dựa trên trên quỹ đạo của mũi dụng cụ cắt, có thể chia hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công thành ba

hệ thống dưới đây

Hệ thống cộng hưởng 1D: dụng cụ cắt chỉ rung theo một phương duy nhất so với

hướng cắt Trong hệ thống này, máy phát điện siêu âm được sử dụng để tạo ra tín hiệu điện có tần số trùng với tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi siêu âm mang dụng cụ

Hệ thống cộng hưởng 2D: là sự kết hợp của 02 hệ thống cộng hưởng 1D để tạo

rung động theo quĩ đạo elip trên dụng cụ cắt

Hệ thống không cộng hưởng 2D: là sự kết hợp của cơ cấu truyền động áp điện

dạng piezo màng mỏng được kích thích bởi tín hiệu điện áp dạng sin với một cơ cấu

cơ khí để chuyển sự giãn nở tuyến tính của cơ cấu truyền động thành quĩ đạo elip

Sự khác nhau về quĩ đạo rung của dụng cụ cắt giữa kĩ thuật rung 1D và 2D như được sơ đồ hóa trên bảng 1

Bảng 1 Quĩ đạo rung của dụng cụ cắt (DCC) trong siêu âm trợ giúp gia công [78][77][37]

Phương pháp gia công

Hướng rung của DCC

Qũy đạo rung của DCC

Dịch chuyển của DCC

Gia công thông thường x(t) = vt

Phương pháp gia công

Hướng rung của DCC

Qũy đạo rung của DCC

Dịch chuyển của DCC

Rung theo phương

Rung 2D

(EVA-Elliptic

vibration-assisted cutting)

x(t) = vt + acos (2πft) z(t) = bsin(2πft)

Kĩ thuật rung 1D

Kĩ thuật rung 1D lần đầu tiên được đề xuất bởi Voronin và Marknov (1960) Có thể

bổ sung rung động vào quá trình cắt theo ba phương: phương chạy dao, phương tiếp tuyến và phương hướng kính Rung động tần số siêu âm với biên độ rất nhỏ từ 10-

15 µm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi như mô

tả trên hình 1.16 Tốc độ cắt thấp hơn so với vận tốc rung của dụng cụ do đó sự tiếp xúc không liên tục giữa dụng cụ và phôi làm lực cắt giảm nhiều lần so với phương pháp cắt gọt truyền thống và kết quả là tuổi bền của dụng cụ nâng cao, quá trình cắt

ổn định và chất lượng bề mặt tốt hơn [53][42]

Hình 5 Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [78][77][37]

Một số nghiên cứu (Balamuth, 1966; Skelton, năm 1969, Kim và Choi năm 1997; và Astachev và Babitsky, 1998) đã tiến hành thí nghiệm rung trên các phương khác nhau cho thấy không có cải thiện đáng kể về hiệu suất cắt so với phương tiếp tuyến Rung theo phương tiếp tuyến được gọi là 1-D UVC hoặc CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting)

Kĩ thuật rung 2D

Kĩ thuật rung siêu âm trợ giúp gia công dạng 2D hoặc dạng Elip (Elliptic Ultrasonic Vibration Assisted Cutting – EUVAC) lần đầu tiên được đề xuất bởi Shamoto và Moriwaki (1993) Nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật cắt này là dụng cụ cắt rung trong một quĩ đạo elip trên mặt phẳng hình thành bởi hướng cắt và hướng

thoát phoi như được mô tả trên Hình 6

Hình 6 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [78][77][37]

1.3 Siêu âm trợ giúp khoan

1.3.1 Nguyên tắc chung

Siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted Drilling-UAD) là một trường hợp cụ thể của rung động siêu âm trợ giúp gia công Trong đó một rung động cưỡng bức có tần số siêu âm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và phôi Thông thường, quá trình UAD được thực hiện dưới sự kích thích của rung

động theo phương dọc trục, xoắn quanh trục mũi khoan hoặc kết hợp rung dọc và rung xoắn như được mô tả trên Hình 7

Hình 7 Kiểu rung trong UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp

Các phương án bổ sung rung động cho quá trình khoan

Có 03 phương án bổ sung rung động vào quá trình khoan thường được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu Các phương án sẽ được mô tả và minh họa trên các

hình 8, 9 và 10

Phương án thứ nhất, mũi khoan rung - phôi quay [8], [31] Trong phương án này,

phôi sẽ được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, đầu rung mang mũi khoan được gá trên ụ động hoặc trên bàn máy

Hình 8 Mô hình mũi khoan rung-phôi quay [8]

Phương án thứ hai, phôi rung - mũi khoan quay [9, 20, 21, 31, 59, 80] Trong

phương án này, phôi sẽ rung do đó với mỗi phôi có hình dáng hình học khác nhau,

kích thươc và vật liệu khác nhau thì thông số rung sẽ thay đổi, việc phải thiết kế phôi là cần thiết vì vậy phương án này phù hợp cho mục đích thử nghiệm

Hình 9 Mô hình phôi rung mũi khoan quay [9][45]

Phương án thứ ba, mũi khoan vừa rung vừa quay [31], [48][50], [64], [40][52],

[43][53], [39][54], [72], [2], [16], [67] Trong phương án này, mũi khoan vừa rung vừa quay còn phôi chuyển động tịnh tiến Do đó với mỗi phôi khác nhau (hình học, kích thước và vật liệu khác nhau) sẽ không ảnh hưởng tới các thông số rung

Hình 10 Mô hình mũi khoan vừa rung vừa quay [67]

1.3.2 Cơ chế của quá trình siêu âm trợ giúp khoan

Trong quá trình siêu âm trợ giúp khoan (UAD), mũi khoan rung theo phương dọc trục và quay đồng thời Phôi được kẹp chặt bởi đồ gá và tiến vào mũi khoan

Giả sử rung động tại đỉnh mũi khoan là một dao động điều hòa và ổn định, có thể viết được được phương trình chuyển động sau:

Hình 11 Cơ chế của rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58]

Hình 11 minh họa chuyển động của mũi dụng cụ trong quá trình rung Phôi

dịch chuyển với tốc độ tiến dao V về phía mũi khoan Đỉnh mũi khoan dao động điều hòa với biên độ lớn nhất a xung quanh điểm gốc rung O Trong quá trình này,

mũi khoan tiếp xúc với phôi gia công ban đầu tại điểm A ở thời điểm t1 và tiếp tục thâm nhập đến khi đạt tới dịch chuyển tối đa với vận tốc bằng 0 thì bắt đầu tách khỏi phôi Tại điểm B ở thời điểm t2, mũi khoan được tách ra khỏi phôi và tiếp tục rung Điểm tiếp xúc thứ hai giữa mũi khoan và phôi gia công diễn ra tại điểm C ở

thời điểm t3 và đỉnh mũi khoan được tách ra khỏi phôi gia công tại điểm D ở thời điểm t4 Trong quá trình này, trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 và từ t3 đến t4, mũi khoan tiếp xúc với phôi Ngược lại, trong khoảng thời gian từ t2 đến t3, mũi khoan được tách ra khỏi phôi Đây là bản chất ảnh hưởng của hiệu ứng rung động (vibro-impact) và là điều cần thiết xảy ra trong UAD Dịch chuyển của phôi trong quá trình khoan được biểu thị là xD, chu kì rung siêu âm là T

Để duy trì ảnh hưởng tích cực của rung động trong quá trình UAD, mối quan

hệ giữa tốc độ tiến dao của phôi gia công V và vận tốc rung của mũi khoan cần được

điều chỉnh chính xác Quan sát hình 11 có thể thấy ở cả hai điểm B và D tốc độ tiến dao của phôi và vận tốc rung của mũi khoan là tương đương vì mũi khoan đang trong thời điểm tách ra khỏi phôi Sự tồn tại của hiệu ứng rung động là do vận tốc rung tối đa của mũi khoan về cơ bản là lớn hơn tốc độ tiến dao của phôi gia công

Do đó, vận tốc rung tới hạn của mũi khoan khi nó bằng tốc độ tiến dao có thể viết như sau:

c

V c là vận tốc rung tới hạn của mũi khoan, có thể được tính từ phương trình (1 5) Hiệu ứng rung chỉ xảy ra nếu tốc độ rung tối đa của mũi khoan lớn hơn tốc độ tiến

dao liên tục của phôi, tức là a > V Ngược lại, khi a < V, mũi khoan tiếp xúc với

phôi gia công tương tự như quá trình khoan thông thường (CD) Tuy nhiên, trong quá trình UAD, tốc độ tiến dao nhỏ hơn rất nhiều so với vận tốc rung siêu âm của

Trong công thức (1 8): A là biên độ rung (mm), F là tần số rung (Hz/phút), N là tốc

độ cắt (vòng/phút), f là tốc độ tiến dao (mm/vòng)

1.4 Kết luận chương

Chương này đã tóm lược một số khái niệm và cơ sở lý thuyết cơ bản nhất của rung động siêu âm và nguyên tắc khai thác rung động siêu âm trợ giúp gia công, trong đó có khoan lỗ Những nguyên tắc này sẽ được ứng dụng để thiết kế và chế tạo hệ thống rung trợ giúp gia công khoan Những vấn đề này sẽ được trình bày trong Chương 2 tiếp sau đây

Chương 2 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN

2.1 Giới thiệu

Các nội dung chính của chương này bao gồm các vấn đề sau:

1 Một số khái niệm cơ bản về siêu âm và hệ thống siêu âm công suất;

2 Lựa chọn phương án, thiết kế và chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan

gá đặt trên máy tiện;

3 Hiệu chỉnh các thông số rung sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong môi trường CAE (Computer Aided Engineering);

4 Thực nghiệm kiểm chứng các thông số rung của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan

2.2 Một số khái niệm về dao động, rung động và siêu âm

Dao động (Oscillation) là khái niệm mô tả trạng thái chuyển động qua lại của đối tượng được xét quanh một vị trí cân bằng, có chu kỳ ở một giá trị tần số Rung động (Vibration) là khái niệm mô tả nhóm các dao động không theo một phương xác định, có biên độ nhỏ so với kích thước vật thể và có nhiều thành phần tần số Trong thực tế, rung động là trạng thái phổ biến hơn dao động

Rung động siêu âm (Ultrasonic vibration) là thuật ngữ chỉ rung động có tần

số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người Thuật ngữ Ultrasonics thường được dùng trong kỹ thuật để chỉ những rung động có tần số lớn, thay vì

"Ultrasound" thông thường Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số được trình bày trong Bảng 2

Bảng 2 Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số

Tất cả các sóng âm dao động với tần số riêng, hoặc số các dao động hay chu

kỳ trong một giây Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số cao nhất khoảng 20000 chu kỳ trên giây (20 kHz), phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp như phát hiện khuyết tật được thực hiện với tần số khoảng (500 kHz tới 10 MHz), siêu âm làm sạch (20 kHz tới 40 kHz), hàn siêu âm (15 kHz tới 20 kHz) v.v Ở các tần số trong dải Mz, năng lượng âm không truyền tốt qua không khí nhưng truyền hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuật thông thường Vận tốc của sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trường mà nó truyền qua, ảnh hưởng bởi mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường

2.2.1 Bản chất của sóng âm

Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật của sóng

cơ Rung động siêu âm được lan truyền trong các môi trường đàn hồi dưới dạng sóng cơ Có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm Sự hình thành sóng cơ trong các môi trường chất đàn hồi và liên tục (khí, lỏng, rắn) gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Ở trạng thái bình thường mỗi phần tử có một vị trí cân bằng Nếu tác dụng lực lên một phần tử A về

vị trí cân bằng nào đó của môi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng Do tương tác, các phần tử bên cạnh, một mặt kéo phần tử A một mặt cũng chịu lực tác

dụng và do đó cũng thực hiện dao động Hiện tượng tiếp tục xảy ra đối với các phần

tử khác của môi trường Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi gọi là sóng cơ

2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm

Nguyên tắc truyền rung động siêu âm trong môi trường truyền âm dưới dạng sóng và không truyền trong môi trường chân không do không có hạt vật chất Có thể mô tả liên kết giữa các nguyên tử với nhau bởi các lò xo như minh họa trên Hình 12 Khi năng lượng siêu âm truyền đến, năng lượng này làm xô lệch các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng, kéo theo sự mất cân bằng của các nguyên tử lân cận

Cứ như vậy, năng lượng rung động được truyền qua vật liệu đến các vị trí khác trong vật thể

Hình 12 Mô hình liên kết nguyên tử

Các đại lượng đặc trưng đối với sóng (rung động) siêu âm bao gồm: tần số (f), biên độ (A), vận tốc (c) và chiều dài bước sóng () Vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào đặc tính khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu truyền rung động Chiều dài bước sóng được xác định trực tiếp từ vận tốc truyền sóng và tần số (= c/f) Vận tốc truyền âm trong một số loại môi trường được tóm tắt trong bảng

3

Bảng 3 Vận tốc truyền âm trong một số vật liệu kĩ thuật

Vật liệu Tỉ khối kg/m3 Vận tốc truyền sóng dọc Vận tốc truyền sóng ngang

(m/s) x103(in/s) (m/s) x103(in/s)

Vật liệu Tỉ khối kg/m3 Vận tốc truyền sóng dọc Vận tốc truyền sóng ngang

mô tả trên Hình 13, trong đó các điểm nút là các điểm có biên độ bằng không và các điểm bụng sóng là điểm có biên độ lớn nhất

Hình 13 Hình dạng một số mode truyền sóng

Với dạng mode truyền sóng dọc (sóng nén) được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt cùng hướng với phương truyền sóng, vận tốc truyền sóng được xác định bởi công thức:

 1 2 L

Với mode truyền sóng ngang được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có

hướng vuông góc với phương truyền sóng, vận tốc truyền sóng được xác định bởi công thức:

T

G c



Trong công thức (2 1) và (2 2): c là vận tốc truyền âm (m/s), E là mô đun đàn hồi của vật liệu (N/m2), G là mô đun cắt (N/m2),  là khối lượng riêng của vật liệu truyền âm (kg/m3)

Khoảng cách sóng âm truyền được phụ thuộc vào vật liệu mà nó truyền qua Theo nguyên lý chung, vật liệu cứng và đồng nhất sẽ truyền âm tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất hoặc hạt thô Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trường bao gồm: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán

xạ Khi truyền, chùm tia trở nên rộng hơn, năng lượng sóng âm lan toả trên diện tích lớn hơn do đó năng lượng âm giảm Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của