Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu ứng dụng hỗ trợ của đầu rung siêu âm trong gia công tiện

LỜI CẢM ƠN Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.Vũ Toàn Thắng đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho em kiến thức và giúp đỡ triển khai những ý tưởng thiết kế, thực nghiệm trong suốt thời gian em thực hiện đồ án. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã truyền đạt cho em những kiến thức, những thành tựu khoa học của xã hội và của ngành để em có thể thực hiện đề tài này. Cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn cho việc thực hiện đồ án này. Trong thời gian làm đồ án do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận được những lời góp ý từ thầy cô và các bạn để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quá trình làm việc sau này. Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng 1 năm 2021 Sinh viên thực hiện Tóm tắt nội dung đồ án Gia công cắt gọt có sự trợ giúp của rung động đã được khẳng định có nhiều ưu điểm nổi trội so với gia công truyền thống. Một vấn đề tồn tại khi khai thác rung động trợ giúp gia công tiện là khó bố trí đầu rung – thường có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước gia công. Đồ án này trình bày kết quả nghiên cứu và triển khai thiết kế, chế tạo và đánh giá thực nghiệm bộ đồ gá rung siêu âm có gắn dụng cụ cắt hỗ trợ quá trình tiện mặt đầu. Một bộ đồ gá rung siêu âm mang dao tiện có kết cấu thuận tiện cho việc gá kẹp trên đài dao máy tiện đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Đồ gá được phân tích về tần số cộng hưởng, và biên độ rung động tại vị trí đầu dụng cụ nhờ phương pháp Phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys 19.2. Đồ gá đã chế tạo được sử dụng để gia công thử nghiệm tiện mặt đầu trên vật liệu thép C45, đường kính 24 mm, có độ cứng 23 HRC. Kết quả cho thấy, rung động trợ giúp gia công cải thiện ít nhất 1 cấp nhám so với tiện truyền thống (không có rung động trợ giúp).

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế, chế tạo đồ gá rung siêu âm cho bàn xe dao máy

tiện Hoàng Thế Cường

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 1/2021

LỜI CẢM ƠN

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.Vũ Toàn Thắng đã tậntình hướng dẫn, truyền đạt cho em kiến thức và giúp đỡ triển khai những ý tưởngthiết kế, thực nghiệm trong suốt thời gian em thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Cơ khí chính xác vàQuang học, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã truyền đạt cho

em những kiến thức, những thành tựu khoa học của xã hội và của ngành để em

có thể thực hiện đề tài này

Cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn cho việc thựchiện đồ án này Trong thời gian làm đồ án do thời gian và kiến thức còn hạn chếnên không thể tránh khỏi những thiếu xót, em rất mong nhận được những lời góp

ý từ thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng 1 năm 2021

Sinh viên thực hiện

Tóm tắt nội dung đồ án

Gia công cắt gọt có sự trợ giúp của rung động đã được khẳng định có nhiều

ưu điểm nổi trội so với gia công truyền thống Một vấn đề tồn tại khi khai thácrung động trợ giúp gia công tiện là khó bố trí đầu rung – thường có kích thướclớn hơn nhiều so với kích thước gia công

Đồ án này trình bày kết quả nghiên cứu và triển khai thiết kế, chế tạo và đánhgiá thực nghiệm bộ đồ gá rung siêu âm có gắn dụng cụ cắt hỗ trợ quá trình tiệnmặt đầu

Một bộ đồ gá rung siêu âm mang dao tiện có kết cấu thuận tiện cho việc gákẹp trên đài dao máy tiện đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm Đồ gá đượcphân tích về tần số cộng hưởng, và biên độ rung động tại vị trí đầu dụng cụ nhờ

phương pháp Phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys 19.2.

Đồ gá đã chế tạo được sử dụng để gia công thử nghiệm tiện mặt đầu trên vậtliệu thép C45, đường kính 24 mm, có độ cứng 23 HRC Kết quả cho thấy, rungđộng trợ giúp gia công cải thiện ít nhất 1 cấp nhám so với tiện truyền thống(không có rung động trợ giúp)

MỤC LỤ

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 9

1.1 Giới thiệu chung 9

1.2 Mục tiêu thiết kế 10

1.3 Cách tiếp cận 11

1.4 Các kết quả đạt được 11

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP GIA CÔNG 12

2.1 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm 12

2.1.1 Rung động siêu âm 12

2.1.2 Siêu âm công suất 13

2.1.3 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm 13

2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 16

2.3 Các thông số công nghệ 21

2.3.1 Năng suất gia công siêu âm 21

2.3.2 Chất lượng bề mặt gia công siêu âm 21

2.3.3 Đặc điểm và phạm vi ứng dụng 22

2.3.4 Độ chính xác gia công 22

2.4 Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật 23

2.4.1 Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm 23

2.4.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding) 25

2.4.3 Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm 26

2.4.4 Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm 27

2.4.5 Siêu âm trong y học 28

2.5 Rung động siêu âm trợ giúp gia công 28

2.5.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp 30

2.5.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp 31

2.5.3 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp 32

2.6 Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công 34

2.6.1 Nguồn phát công suất siêu âm 35

2.6.2 Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor) 37

2.6.2.1 Chức năng 37

2.6.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 37

2.6.2.3 Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin 39

2.6.3 Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster và Horn) 44

2.6.3.1 Chức năng, cấu tạo 44

2.6.3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán đầu khuếch đại biên độ rung 46

2.7.Kết luận chương 54

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ĐỒ GÁ 55

3.1 Giới thiệu 55

3.2 Nguyên lý cấu trúc bộ tạo rung trợ giúp quá trình tiện 56

3.3 Lựa chọn bộ phát rung siêu âm thương mại 57

3.4 Thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung dạng trụ 58

3.5 Thiết kế kết cấu đồ gá mang cơ cấu rung cho quá trình tiện 58

3.6 Mô hình phân tích các bộ phận cho cơ cấu rung siêu âm 59

3.6.1 Phân tích phần tử 59

3.6.2 Mô hình phân tích tần số dao động riêng ( Modal Analysis) 60

3.6.3 Mô hình phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic response analysis) 64

3.6.4 Kết quả mô phỏng 65

3.7 Kết luận chương 67

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TẦN SỐ, BIÊN ĐỘ RUNG 69

4.1 Giới thiệu 69

4.2 Xác định tần số cộng hưởng 69

4.2.1 Phương pháp xác định mạch cầu 69

4.2.2 Sử dụng mạch đo độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện (I-V Methods) 70

4.2.3 Phương pháp cầu tự cân bằng (Auto-balancing bridge method) 71

4.2.4 Sử dụng thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer .71

4.3 Đánh giá biên độ rung động 72

4.3.1 Phương pháp đo không tiếp xúc 73

4.3.1.1.Phương pháp đo trực tiếp biên độ bằng kính hiển vi 73

4.3.1.2 Sử dụng thước đo Laser 73

4.3.2 Phương pháp đo tiếp xúc 74

4.3.2.1 Sử dụng cảm biến khoảng cách 74

4.3.2.2 Sử dụng đồng hồ so 75

4.3.2.3 Sử dụng panme đo ngoài 75

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ ĐỒ GÁ RUNG SIÊU ÂM 77

5.1 Giới thiệu về vật liệu sử dụng 77

5.2.Thiết bị thí nghiệm 78

5.2.1 Máy tiện 78

5.2.2 Mẫu thí nghiệm 79

5.2.3 Qúa trình thực nghiệm 79

5.3 Các bước tiến hành 81

5.4 Kết quả thực nghiệm 82

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 84

Tài liệu tham khảo ……… 85

Danh mục hình ản Hình 2.1 Các ngưỡng tần số rung 12

Hình 2.2 Mạch từ giả tạo rung siêu âm 14

Hình 2.3 Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính tạo ra dao động cơ học 14

Hình 2.4 Hiệu ứng áp điện 15

Hình 2.5 Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b) 15

Hình 2.6 Mô hình liên kết nguyên tử 16

Hình 2.7 Hình dạng một số mode truyền sóng 18

Hình 2.8 Bể rửa siêu âm 24

Hình 2.9 Hiệu quả làm sạch rửa siêu âm so với các phương pháp rửa truyền thống 24

Hình 2.10 Quá trình hình thành và phát triển bóng khí 25

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm 25

Hình 2.12 Dụng cụ thái lát bánh nhờ siêu âm 26

Hình 2.13 Kiểm tra khuyết tật nhờ siêu âm 27

Hình 2.14 Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển và dò tìm đàn cá 27

Hình 2.15 Dao mổ siêu âm 28

Hình 2.16 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp 30

Hình 2.17 Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan 30

Hình 2.18 So sánh độ tròn lỗ khoan (a) và lực dọc trục (b) giữa khoan siêu âm so với khoan truyền thống 31

Hình 2.19 Sơ đồ bổ sung rung động cho phay 32

Hình 2.20 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện 32

Hình 2.21 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D 33

Hình 2.22 Sơ đồ cấu tạo chung một hệ thống rung hỗ trợ gia công 35

Hình 2.23 Máy phát điện siêu âm MPI_ WG3000W 36

Hình 2.24 Cấu trúc bộ tạo rung siêu âm kiểu Langevin 38

Hình 2.25 Các dạng kết cấu đầu chuyển đổi rung động siêu âm khác 38

Hình 2.26 Mô hình 3D bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer) 39

Hình 2.27 Sơ đồ tính bộ tạo rung siêu kiểu Langevin 40

Hình 2.28 Mạch vòng Mason của bộ phát rung siêu âm 43

Hình 2.29 Vai trò của "hộp số" Booster 45

Hình 2.30 Khả năng khuếch đại biên độ của đầu Booster nối tiếp Horn 45

Hình 2.31 Hình dáng một số đầu khuếch đại biên độ 46

Hình 2.32 Sơ đồ tính truyền sóng cho thanh tiết diện thay đổi 47

Hình 2.33 Sơ đồ tính bộ khuếch đại hình trụ tiết diện không đổi 47

Hình 2.34 Sơ đồ đồ bộ khuếch đại dạng trụ bậc 49

Hình 2.35 Kết cấu nút kẹp 51

Hình 2.36 Sơ đồ tính Horn điểm kẹp ở vị trí khác giữa 52

Hình 2.37 Sơ đồ tính đầu khuếch đại dạng côn thẳng 54

Hình 3.1 Các nguyên tắc bổ sung rung động trợ giúp tiện 56

Hình 3.2 Sơ đồ kết cấu cụm đầu rung khi tiện 57

Hình 3.3 Đầu phát siêu âm 58

Hình 3.4 Kết cấu đồ gá 59

Hình 3.5 Môi trường làm việc trên Ansys Workbench 61

Hình 3.6 Đồ gá chuyển từ Solidworks sang Ansys 62

Hình 3.7 Mode 2 62

Hình 3.8 Mode 1 63

Hình 3.9 Mode 3 63

Hình 3.10 Mode 4 63

Hình 3.11 Mode 5 63

Hình 3.12 Giao diện và trình tự thực hiện Harmonic response 65

Hình 3.13 Thiết lập lời giải Harmonic Response 65

Hình 3.14 Biên độ dao động mũi dao theo tần số 67

Hình 4.1 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở 70

Hình 4.2 Phương pháp I-V 70

Hình 4.3 Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng hợp 71

Hình 4.4 Thiết bị phân tích tổng trở và tần số cộng hưởng TRZ 72

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý đo biên độ bằng kính hiển vi 73

Hình 4.6 Hệ thống đo Laser vibrometer 74

Hình 4.7 Sơ đồ cảm biến đo biên độ rung siêu âm 74

Hình 4.8 Sơ đồ đo biên độ rung 75

Hình 5.1 Máy tiện SD-25 78

Hình 5.2 Phôi thép C45 79

Hình 5.3 Nguồn phát sóng siêu âm 80

Hình 5.4 Mạch phát sóng siêu âm 80

Hình 5.5 Đồ gá 81

Hình 5.6 Kết quả đo 83

Danh mục bảng biểu

Bảng 2.1 Vận tốc truyền âm của một số loại vật liệu (Sổ tay CRC) 17

Bảng 2.2 Các dạng mode truyền sóng 19

Bảng 2.3 Trở kháng âm của một số môi trường 20

Bảng 2.4 Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương pháp gia công 34

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của nguồn phát điện siêu âm 36

Bảng 2.6 Bảng xác định hệ số tập trung ứng suất theo bán kính chuyển tiếp 50

Bảng 2.7 Bảng tra hệ số tập trung ứng suất theo r, h 52

Bảng 3.1 Tần số rung tự nhiên ứng với các mode rung động 63

Bảng 3.2 Bảng thông số biên độ mũi dao theo tần số 66

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật một số mác thép 78

Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm 82

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

Rung động siêu âm được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhiều ngành sảnxuất công nghiệp, chẳng hạn: Gia công cắt gọt cơ khí; tẩy rửa siêu âm; hàn siêuâm; bôi trơn, giảm ma sát; sản xuất ô tô; chế biến thực phẩm Kỹ thuật rungđộng siêu âm trợ giúp quá trình gia công cắt gọt đã cho thấy nhiều ưu điểm nổitrội, chẳng hạn: Giảm lực cắt, nâng cao tuổi bền dụng cụ, cải thiện chất lượng bềmặt gia công, cắt được nhiều loại vật liệu khó gia công (thép sau nhiệt luyện,thép không gỉ, hợp kim độ bền cao…), giảm thiểu sử dụng dung dịch trơnnguội… Mặc dù công nghệ này đã được quan tâm từ những năm 1950 và hiệnđang thu hút nhiều nghiên cứu hoàn thiện và phát triển, nhưng cho đến nay hầunhư chưa có tài liệu tiếng Việt nào được công bố trong lĩnh vực này Đây vừa làkhó khăn, đồng thời vừa là động lực thúc đẩy tác giả thực hiện nghiên cứu này.Trong hệ thống gia công có bổ sung rung động siêu âm, đầu rung siêu âm làmột thiết bị quan trọng nhất, quyết định đến hiệu quả và chất lượng gia công.Mỗi quá trình gia công có rung trợ giúp, tùy thuộc vật liệu chi tiết, thường yêucầu một chế độ gia công phù hợp Các thông số công nghệ bao gồm: vận tốc cắt,lượng chạy dao, chiều sâu cắt, tần số và biên độ rung hỗ trợ, công suất phátrung cần thiết Điều này dẫn đến một thực tế là cần nhiều kiểu loại đầu rung siêu

âm tương ứng với từng quá trình gia công khác nhau Trong quá trình thiết kế,ứng dụng công nghệ siêu âm, vấn đề cần thiết là phải nắm bắt được nguyên tắcbiến đổi và kỹ thuật điều chỉnh biên độ rung ứng với dải tần số lầm việc Đầurung mang dụng cụ cũng cần đủ cứng vững, kết cấu thuận lợi cho quá trình gáđặt Hiệu quả của quá trình cắt của các máy gia công hỗ trợ rung động siêu âmphụ thuộc trực tiếp vào việc thiết kế và điều khiển đầu rung siêu âm

Việc phát triển ứng dụng siêu âm trong quá trình gia công cắt gọt cơ khí cóhai hướng Thứ nhất, đầu tư các máy có tích hợp sẵn chế độ gia công có rungđộng siêu âm bổ trợ Dòng máy này chi phí cao, cần đầu tư vốn lớn Thứ hai, sửdụng các máy công cụ truyền thống và tích hợp thêm một bộ hỗ trợ tạo rung siêu

âm Rung động siêu âm được truyền trực tiếp vào dụng cụ cắt gắn với đầu rung.Giải pháp này rất phù hợp với xu hướng cải tiến và mở rộng khả năng ứng dụngvới các công nghệ hiện thời ở nước ta

Các loại đầu rung siêu âm phổ biến nhất hiện nay thường sử dụng bộ tạorung kiểu Langevin Bộ phận truyền và khuếch đại biên độ rung thường có cácdạng: hình trụ, hình nón, biên dạng cong hoặc dạng bậc Hiện nay ở nước ta, một

số đầu rung siêu âm đã được ứng dụng trong các thiết bị hàn và rửa siêu âm Cácứng dụng rung động siêu âm trong quá trình gia công cắt gọt kim loại, vật liệudẻo (tiện, phay, khoan, mài…) hầu như chưa có Việc phát triển nghiên cứu, khaithác ứng dụng kỹ thuật gia công mới này là một hướng rất cần thiết Hơn nữa,các đầu rung siêu âm hiện đang sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm hoàntoàn là nhập từ nước ngoài Giá thành đắt, khó khăn trong việc đặt hàng và kémtính linh hoạt khi muốn thay đổi thông số trong quá trình thực nghiệm Vì vậy,

việc chủ động trong công nghệ thiết kế, chế tạo và đánh giá các đầu rung siêu âm

Trong công nghiệp, các vật liệu có cơ tính đặc biệt như độ cứng cao, giònnhư Inconel, thép không gỉ, thép hợp kim sau nhiệt luyện, hợp kim nhôm, titan ngày càng được sử dụng rộng rãi Với các vật liệu khó gia công, nếu sử dụngphương pháp gia công truyền thống sẽ sinh nhiệt lớn tại đầu dụng cụ Nhiệt độcao dẫn đến hiện tượng dính bết, chóng mòn dụng cụ, tăng lực cắt, giảm độchính xác gia công, chất lượng bề mặt thấp Với sự ra đời của nhiều loại vật liệumới, vật liệu khó gia công, cùng nhu cầu nâng cao hiệu quả quá trình cắt, kỹthuật ứng dụng rung động siêu âm trợ giúp gia công là một giải pháp đầy hứahẹn

1.2 Mục tiêu thiết kế

Đề tài này thực hiện việc tính toán thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu

âm có gắn dụng cụ cắt cho máy tiện Nghiên cứu đề xuất một giải pháp kết cấu

đồ gá mới thuận tiện cho quá trình gá đặt dao và đầu rung lên máy tiện vạn năngtruyền thống Hiệu quả của quá trình gia công tiện có rung động siêu âm trợ giúpnhờ đồ gá được thiết kế, chế tạo so với các phương pháp gia công truyền thốngcũng được đánh giá thực nghiệm

Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép khẳng định được những lợi ích sau:a) Làm chủ cách thức tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu

âm hiệu quả, linh hoạt, chi phí thấp với điều kiện thiết bị hiện có trongnước

b) Đánh giá ảnh hưởng của hình dáng, kích thước và vật liệu đến biên độ của

bộ phận khuếch đại rung khi gá thêm dụng cụ cắt

c) Chủ động được công nghệ để có thể chế tạo đầu rung siêu âm theo ýmuốn, nhằm trợ giúp cho quá trình tiện Đồ gá tạo rung có kết cấu đơngiản, thuận lợi cho gá đặt và điều chỉnh vận hành;

d) Thiết kế và triển khai kế hoạch thí nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả đầu

rung đã chế tạo cho gia công tiện có trợ giúp của rung động siêu âm về chỉtiêu độ nhám bề mặt và lực cắt, so với tiện truyền thống

Kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đầu rung siêu âmcho quá trình tiện có thể làm cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng rung độngsiêu âm trong gia công tiện côn, phay, mài… trong nước; tạo ra các thiết bị giacông siêu âm với chi phí thấp và khả năng chủ động về công nghệ

1.3 Cách tiếp cận

Để giải quyết bài toán thiết kế, nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận như sau:

- Phân tích các phương án bổ sung rung động cho quá trình tiện; từ đó lựachọn phương án bổ sung rung động thích hợp;

- Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán tham khảo được từ các tài liệu nướcngoài để thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung với tần số làm việc xácđịnh;

- Xây dựng kết cấu cụm đầu rung mang dao tiện gá trên đài dao máy tiện;

- Sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá các giá trị tần số cộng hưởng vàgiá trị biên độ rung tại đầu dụng cụ cắt;

- Đề xuất phương pháp đo và thực nghiệm kiểm chứng giá trị tần số cộnghưởng làm việc và giá trị biên độ rung thực tại đầu dụng cụ bằng thiết bịsẵn có trong nước;

- Tiến hành thực nghiệm tiện trên vật liệu thép đã tôi cứng để đánh giáhiệu quả sử dụng của đầu rung thông qua hai chỉ tiêu là nhám bề mặt vàlực cắt

1.4 Các kết quả đạt được

Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán, thiết kế thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, cho phép đánh giá hiệu quả của cụm đầu rung cho tiện Cụ thể, đề tài đã thu được một số kết quả như sau:

 Xác định được ảnh hưởng của hình dáng, kích thước và vật liệu của cácđầu Horn đến khả năng khuếch đại biên độ rung động và tần số của cụmđầu rung;

 Kết hợp thành công bộ đầu rung siêu âm mang dụng cụ cắt cho tiện với kếtcấu đơn giản, thuận tiện cho việc gá đặt lên máy công nghệ;

 Kết quả thực nghiệm với đầu rung siêu âm hỗ trợ quá trình tiện tinh chothấy:

 Bề mặt sau gia công có độ nhẵn bóng cao hơn (1 đến 2 cấpnhám);

 Lực cắt giảm khoảng 20 – 30 % so với tiện truyền thống;

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM

TRỢ GIÚP GIA CÔNG

Chương này trình bày một số kết quả tổng quan tài liệu về rung động siêu âm

và một số ứng dụng kỹ thuật của rung siêu âm Kết cấu các bộ phận chính củamột hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công được tập trung làm rõ về cấu tạo,nguyên lý hoạt động và cơ sở tính toán thiết kế Nội dung chính của chương baogồm các phần sau đây:

Phần 2.1 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm

Phần 2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm

Phần 2.3 Một số ứng dụng của siêu âm trong kỹ thuật

Phần 2.4 Rung động siêu âm trợ giúp gia công

Phần 2.5 Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công

Phần 2.6 Kết luận chương

2.1 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm

2.1.1 Rung động siêu âm

Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ, có tần số vượt quá ngưỡngnghe của thính giác con người Để phân biệt các mức độ giới hạn của rung động,thường sử dụng giá trị ngưỡng tần số rung động như minh họa trên hình 2.1.Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20

kHz Ngưỡng tần số rung động thấp hơn và cao hơn các giá trị giới hạn trên lần lượt được gọi là ngưỡng hạ âm và siêu âm Một số loài động vật như chó, mèo,

cá voi hay dơi có khả năng nhận biết được tần số siêu âm (> 20 kHz)

Kỹ thuật về sóng siêu âm là một nhánh của lĩnh vực âm học, liên quan đếnviệc tạo và khai thác ứng dụng các sóng siêu âm Sóng siêu âm và ứng dụng của

nó thực sự được quan tâm nghiên cứu, phát triển từ sau thế chiến thứ nhất (1918),sau khi Langevin phát minh ra bộ tạo rung siêu âm sử dụng vật liệu áp điện (tinhthể thạch anh)

Hình 2.1 Các ngưỡng tần số rung động

2.1.2 Siêu âm công suất

Rung động siêu âm đã và đang tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiềulĩnh vực của đời sống Tùy mục đích sử dụng, rung động siêu âm được chia thànhhai nhóm lớn là siêu âm công suất thấp và siêu âm công suất lớn (còn được gọitắt là siêu âm công suất)

Rung động siêu âm công suất thấp là rung động tạo ra sóng siêu âm đượctruyền đi với năng lượng thấp Loại này thường được ứng dụng trong kỹ thuậtchụp ảnh y tế (chẳng hạn siêu âm kiểm tra thai nhi), kiểm tra khuyết tật sảnphẩm, thử nghiệm không phá hủy (kiểm tra các vết nứt trên cấu trúc máy bay, tàuthủy), … Kỹ thuật siêu âm công suất lớn được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹthuật làm sạch, tẩy rửa, gia công cắt gọt và hàn kim loại và chất dẻo… Wood vàLoomis (1927) là những người có những đóng góp đầu tiên tới sự phát triển ứngdụng sóng siêu âm và hệ thống siêu âm công suất lớn Kỹ thuật này được sửdụng để thay đổi các đặc tính vật lý, hóa học, sinh học của vật liệu Các ứng dụngcủa siêu âm công suất nói chung dựa trên nguyên tắc truyền các sóng siêu âm cócường độ cao, nhằm tạo bóng khí trong chất lỏng hoặc hình thành dòng chuyểnđộng của vật chất trong chất rắn để truyền năng lượng siêu âm Tùy theo mức độyêu cầu mà tần số rung động có thể từ hàng chục kHz đến hàng trăm kHz.Khoảng biên độ rung động thường từ vài µm đến vài chục µm

2.1.3 Nguyên tắc tạo rung động siêu âm

Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương phápkhai thác hiệu ứng từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện

Phương pháp từ giảo: Tạo rung động siêu âm bằng cách chuyển đổi nănglượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học Một bộ phát rung bằng tửgiảo có cấu tạo gồm một lõi phát rung đặt trong lòng một ống dây Lõi phát runglàm bằng vật liệu kim loại từ tính, chẳng hạn sắt từ, Cobalt, Niken Điện áp cótần số siêu âm được đặt lên ống dây Sơ đồ mạch tạo rung động siêu âm bằngphương pháp từ giảo được mô tả như hình 2.2 Khi nằm trong vùng chịu từtrường, các vật liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định hướngdưới tác dụng của lực từ trường theo chiều đường sức từ Việc thay đổi hướngcủa từ trường do điện áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng giữahai trạng thái dãn và nén của tấm vật liệu, minh họa như hình 2.3 Hiện tượng

này được nhà khoa học Joule khám phá ra năm 1982

Hình 2.2 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm

Phương pháp tạo rung động siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện: Làphương pháp phổ biến nhất hiện nay Hiệu ứng áp điện (Piezoelectricphenomena) là một hiện tượng vật lý được phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau

đó được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà Pierre và Jacques Curie vào nhữngnăm 1880 Vật liệu áp điện là một loại vật liệu đặc biệt có chứa các phân tử phâncực Khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu sẽ sinh ra điện áp tại hai cực củatấm Trái lại, nếu đặt một điện áp thay đổi lên hai mặt tấm vật liệu sẽ gây nênbiến dạng thay đổi trên vật liệu này Biến dạng thay đổi liên tục của tấm áp điện

sẽ làm phát sinh rung động Vật liệu áp điện có đặc tính tuyệt vời là biến dạng rấtnhạy với giá trị điện áp đặt lên nó Thêm nữa, vật liệu này có khả năng chịu nénrất cao Hình 2.4 mô tả ứng xử cơ - điện của tấm vật liệu áp điện

Hình 2.4 Hiệu ứng áp điện

So với phương pháp từ giảo, phương pháp tạo ra rung động siêu âm nhờ hiệuứng áp điện có nhiều ưu điểm vượt trội, chẳng hạn như: hiệu suất cao hơn, không

bị ảnh hưởng của từ trường xung quanh, phát sinh nhiệt ít hơn, kết cấu đơn giản,

Hình 2.3 Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu

mang từ tính tạo ra dao động cơ học

độ cứng vững cao… Vì vậy, các thiết bị ứng dụng siêu âm hiện nay chủ yếu sửdụng phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện.

Có hai kết cấu phổ biến để tạo rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện là: sửdụng các biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) và dạng bản gốmxếp chồng kiểu “Sandwich”( Hình 2.5b) Thuật ngữ “biến tử” được hiểu là phần

tử trong hệ thống có chức năng biến đổi năng lượng (ở đây là từ điện sang cơ vàngược lại)

Kết cấu biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) sử dụng cáctấm áp điện có chiều dày không quá 2 mm được ghép xen kẽ với các điện cựckim loại

(a) (b)

Hình 2.5 Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b)Thiết bị tạo rung nhiều lớp thường có công suất nhỏ, hay được sử dụng để tạorung động không yêu cầu chịu tải lớn, hoặc để điều khiển vị trí đối tượng mộtcách chính xác Lượng dịch chuyển thu được là tuyến tính theo phương dọc trục,thường có độ lớn từ 0,1 đến 0,15 % chiều dài của bộ tạo rung Tần số thay đổidịch chuyển có thể lên tới vài kHz

Thiết bị tạo rung dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich” do Langevin đềxuất năm 1918 Kết cấu bộ tạo rung gồm một số chẵn tấm vật liệu áp điện cóchiều dày khoảng 5 – 10 mm, được kẹp giữa hai tấm kim loại (xem minh họatrên hình 2.5b) Các tấm kim loại và vật liệu được gọi chung là các “biến tử”.Thiết bị tạo rung dạng này chỉ phát được rung động có biên độ lớn ở một vài giátrị tần số tương ứng với hiện tượng cộng hưởng của cơ hệ Vấn đề này sẽ đượctrình bày chi tiết trong phần 2.5 Với cấu trúc này, tần số làm việc của hệ biến tửkhông phụ thuộc vào kích thước ngang của tấm áp điện, mà chỉ phụ thuộc vàochiều dày của toàn cụm biến tử Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tửtheo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dày của hai tấm kim loại mà không cầnthay đổi chiều dày của tấm gốm áp điện Đây là đặc tính quan trọng, giúp kết cấunày được sử dụng phổ biến hiện nay

2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm

Rung động siêu âm được truyền trong môi trường dưới dạng sóng Dạng quỹđạo truyền sóng được xác định dựa vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rungđộng trong các vật liệu mà nó truyền qua Trong lòng bất kỳ vật liệu nào cũngchứa các nguyên tử được liên kết với nhau Có thể mô tả liên kết giữa các nguyên

tử dưới dạng gắn móc với nhau bởi các lò xo như minh họa trên Hình 2.6 Khinăng 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 lòng vậtthể

Hình 2.6 Mô hình liên kết nguyên tử

Trong môi trường chân không, do không có hạt vật chất nên không có cácnguyên tử đảm nhận vai trò truyền năng lượng Vì vậy, sóng rung động khôngthể truyền qua môi trường chân không được Các đại lượng đặc trưng đối vớisóng rung động siêu âm bao gồm: Tần số (f), biên độ (A), vận tốc (c) và chiềudài bước sóng ()

Tần số rung là số chu kỳ truyền sóng rung theo một đơn vị thời gian Vớirung động siêu âm thì giá trị tần số rung ở ngưỡng siêu âm Biên độ rung động làgiá trị lớn nhất của chuyển vị khi có rung động kích thích Vận tốc truyền sóngphụ thuộc vào đặc tính khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu truyềnrung 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 liệt kêtrongbảng2.1

Bảng 2.1 Vận tốc truyền âm của một số loại vật liệu (Sổ tay CRC)

và các điểm bụng sóng (điểm có dao động với biên độ lớn nhất) Kiến thức vềmode truyền sóng sẽ được sử dụng khi phân tích trạng thái rung động của hệthống thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu này

Với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, các sóng rung động có thể truyền với

4 dạng mode cơ bản dựa vào cách dao động của các phần tử Đặc tính của cácmode này được trình bày trong bảng 2.2 dưới đây

Trong đó: 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)

Ngoài ra, một đại lượng quan trọng khác cần sử dụng trong quá trình tính

toán thiết kế đầu rung siêu âm là trở kháng âm (Acoustic Impedance) Trở

kháng âm (Z) là đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền dẫn rung động qua vậtliệu Giá trị trở kháng âm của một vật liệu được xác định phụ thuộc vào khốilượng riêng và vận tốc truyền âm của vật liệu [2]:

Z=ρ c PT 2.3

Trong đó: Z là trở kháng âm (kg/s.m2 hoặc N.s/m3);  là khối lượng riêng(kg/m3), c là vận tốc truyền âm (m/s) Trở kháng âm của một số môi trường đượctrình bày trong bảng 2.3

điểm luôn vuông góc

với phương truyền

Bảng 2.3 Trở kháng âm của một số môi trường

2.3 Các thông số công nghệ

Các thông số công nghệ chủ yếu của gia công bằng phương pháp siêu âm là : năng suất , chất lượng bề mặt , độ chính xác gia công , độ mòn của dụng cụ

2.3.1 Năng suất gia công siêu âm

Năng suất gia công siêu âm phụ thược chủ yếu các thông số sau :

 Tính chất cơ lý của vật liệu cần gia công

 Loại tải tĩnh giữa dụng cụ và vật liệu cần gia công

 Loại bột mài và nồng độ nhũ tương của bột mài ( nếu có )

 Các cho nhũ tương vào vị trí gia công ( nếu dùng )

 Tiết diện dụng cụ

 Vật liệu làm dụng cụ và độ mòn của nó

 Độ sâu phần gia công

Vd = e.ASZ Với ASZ – Diện tích làm việc của dụng cụ (mm2)

Vd - Khối lượng phoi trong một đơn vị thời gian

2.3.2 Chất lượng bề mặt gia công siêu âm

Gia công bằng sóng siêu âm không thể hiện sự biến đổi cấu trúc và độ cứng

tế vi của lớp vật liệu trên bề mặt hoặc một ứng suất dư nào do nhiệt độ không lớn

ở vùng gia công không gây ra sai số do biến dạng nhiệt

Gia công bằng sóng siêu âm trái với trường hợp mài và cắt bằng tia lửa điện ,không thấy có vết rạn nứt hay vết cháy trên bề mặt gia công

Chất lượng bề mặt gia công chỉ liên quan đến độ nhám bề mặt Độ nhám bềmặt phụ thuộc vào :

 Kích thước hạt mài ( dùng trong công nghiệp)

 Tính chất cơ lý của vật liệu gia công

 Biên độ dao động của dụng cụ

 Độ nhám dụng cụ

 Chất lỏng chứa bột mài ( trong công nghiệp )

Xác suất có khuyết tật cũng giảm đi nhiều , nếu ta làm giảm độ nhám bề mặt bên của dụng cụ và chế tạo dụng cụ bằng vật liệu chống mòn

 Khi bề mặt gia công nhỏ thao tác thực hiện khá phức tạp , khó khăn

 Nhu cầu năng lượng : tốn hao nhiều năng lượng

3 Xu hướng phát triển

 Nhu cầu phát triển công nghiệp ngày càng đòi hỏi gia công các vật liệubán dẫn , gốm , hợp kim cứng và nhiều vật liệu siêu cứng rắn , dòn khác

 Đang nghiên cứu phát triển các mạch điện đa mạch , các đầu phát siêu âm

và bộ nối có thể gia công bề mặt lớn , ít tổn thất

Bằng các phối hợp gia công siêu âm , gia công ăn mòn điện và gia công điệnhóa với nhau để gia công các vật liệu có khả năng dẫn điện người ta có thể tăngnăng suất và giảm hao mòn dụng cụ

2.3.4 Độ chính xác gia công

Đối các vật liệu rắn và giòn:

Những yếu tố chính phụ thuộc vào độ chính xác của thiết bị điều chỉnh máy

 Độ chính xác của thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào sai số chuyển động theohướng tiến của dụng cụ và sự điều chỉnh đầu dao động so với bàn máy

 Sự ăn khớp và độ đồng trục cùa các bộ phận của đầu phát dao động sóngsiêu âm , bộ phận nối , dụng cụ

 Độ chính xác của các cơ cấu dùng để điều chỉnh chi tiết

 Độ chính xác vị trí tương đối giữa dụng cụ và chi tiết gia công

Trước khi gia công phải kiểm tra độ chính xác của máy và tất cả dụng cụ phụtrợ nêu trên nhằm đến năng suất công cao

Các yết tố chính xác phụ thuộc và đặc tính công nghệ:

 Kích cỡ hạt mài

 Sự ổn định của khe hở giữa dụng cụ và vật gia gia công

 Độ òn của dụng cụ

 Hình dáng hình học của dụng cụ

 Độ sâu gia công

2.4 Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật

Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Có thể kể đến một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sảnxuất như dưới đây

2.4.1 Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm

Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm là biện pháp kết hợp sóng siêu âm truyềnvào dung dịch làm sạch để tẩy rửa bề mặt chi tiết Bể rửa siêu âm thường dùngnguồn sóng âm tần số dao động trong khoảng từ 40 kHz đến 200 kHz Do chấtlỏng có khả năng đi tới mọi ngóc ngách trên bề mặt chi tiết phức tạp, nguồn nănglượng của sóng siêu âm sẽ giúp loại bỏ các chất bám bẩn trên bề mặt cần làmsạch Làm sạch bằng siêu âm có thể được sử dụng cho một loạt các hình dạng,kích cỡ và vật liệu khác nhau Thiết bị này có thể làm sạch cả các vật phẩm kimloại, thủy tinh, gốm, nhựa, Một số dạng sản phẩm thường được làm sạch rấthiệu quả nhờ siêu âm như: các vi mạch điện tử, ổ đĩa cứng, thiết bị y tế; các chitiết kim loại hình dáng phức tạp; đồ nữ trang, thiết bị quang học, gần đây ứngdụng trong xục rửa chế hòa khí, bugi của động cơ đốt trong; bóng golf; đồng hồ Hình 2.8 minh họa nguyên lý làm sạch bằng sóng siêu âm

Hình 2.8 Bể rửa siêu âm

Hình 2.9 Hiệu quả làm sạch rửa siêu

âm so với các phương pháp rửa truyền thống a Rửa siêu âm, b Đánh rửa bằng tay, c Làm sạch dầu mỡ bằng hơi nước, d Sức chuyển động của chất lỏng, e.Tia nước

Phương pháp làm sạch này cho phép giảm thời gian làm sạch chi tiết, rửađược nhiều chi tiết có hình dáng phức tạp, hiệu quả hơn nhiều so với các phươngpháp truyền thống (xem hình 2.9) Ngoài ra, cách tẩy rửa này còn tiết kiệm nănglượng, thân thiện với môi trường, cho phép loại bỏ chất bẩn khử trùng cho rau củ,rửa nông sản; điều chế dược phẩm

Có 2 nguyên tắc làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp với dung dịch làm sạch,bao gồm: Cơ chế tạo bóng khí (Cavitation) và dòng sóng siêu âm (Acousticstream- ing)

Cơ chế tạo bóng khí: Làm sạch bằng siêu âm sử dụng sóng âm thanh tần sốcao để tạo ra bọt khí tạo bọt trong chất lỏng Những bọt khí tạo bọt này sau quátrình phát triển sẽ bám lên bề mặt chi tiết, khi phát nổ giải phóng năng lượng cóhiệu ứng xói mòn trên các chất gây ô nhiễm dính vào các chất nền như kim loại,thủy tinh và gốm sứ Các bọt khí cũng xâm nhập vào các lỗ hổng, các vết nứt vàcác khe hở, có thể loại bỏ hoàn toàn các dấu vết nhiễm bẩn dính chặt hoặc nhúngvào bề mặt rắn Sự phát triển của các bóng khí có thể minh họa như hình 2.10dưới đây Dưới tác dụng của sóng siêu âm, trong dung dịch tạo ra hàng nghìn cácbọt không khí rất nhỏ luân phiên xuất hiện và mất đi vô cùng nhanh chóng.Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan ra và sinh ra những luồng sóng xungkích nhỏ rất mạnh, được gọi là “hiện tượng tạo chân không” Sóng xung kích màchúng sản ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rấtmạnh lan tới, chải quét mọi góc khuất của đối tượng cần tẩy rửa Ở tần số 20kHz,bọt khí khi nổ có thể tạo ra các tia năng lượng với tốc độ lên đến 400 km/h; ápsuất đạt 35-70 MPa và nhiệt độ có thể lên tới 50000C trong thời gian rất nhanh(tính bằng micro giây)

Hình 2.10 Quá trình hình thành và phát triển bóng khí

Ngoài cơ chế làm sạch bằng các bọt khí, các dòng sóng siêu âm còn có thể giúp lưu chuyển toàn bộ năng lượng len lỏi tới tất cả các điểm trên bề mặt cần tẩyrửa, tạo hiệu quả khác biệt so với các phương pháp tẩy rửa khác

2.4.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)

Hàn siêu âm là một quá trình hàn áp lực, có nguyên lý tương tự hàn ma sát.Quá trình hàn sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm để nung nóngcục bộ vật liệu cần hàn đến trạng thái chảy dẻo tại vị trí bề mặt mối ghép Daođộng tương đối của các bề mặt tiếp xúc phát sinh lực ma sát nung nóng cục bộcác bề mặt này Dưới tác dụng của lực ép các phần tử của chi tiết hàn đượckhuếch tán, thẩm thấu vào nhau tạo thành mối hàn Hàn siêu âm là một phươngpháp gia công tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế,công nghiệp điện - điện tử, hàng không vũ trụ và cơ khí chính xác… Sơ đồnguyên lý hàn siêu âm được minh họa trên hình 2.11

Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm

Trên hình 2.11, rung động siêu âm 8 được tạo ra từ bộ tạo rung 1, đượctruyền qua bộ khuếch đại 2 và bộ dẫn hướng 4 đến đầu hàn Chi tiết hàn 5 đượckẹp giữa các đầu kẹp 6 và 7 Khi có rung động siêu âm, bề mặt chi tiết cần hàn 5tiếp xúc với đầu hàn có dao động gây ma sát lớn và bị nung nóng đến trạng tháichảy dẻo cục bộ Kết hợp với tác dụng của lực ép, vật liệu chi tiết cần hàn ở vùngtiếp xúc bị ép lại tạo thành mối hàn

Hàn siêu âm được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm chính sau đây:

 Có khả năng tự phá bỏ lớp oxit bề mặt kim loại

 Hàn tốt những kim loại có điện trở nhỏ (nhôm, đồng, vàng, bạc …)

 Hàn được các lá kim loại mỏng (cỡ micromet), các kim loại khác vớinhau, kim loại với phi kim, hàn chất dẻo, hàn xương,…

 Tiêu tốn ít năng lượng, dễ tự động hóa, giảm thời gian gia công…

2.4.3 Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm

Trong công nghệ thực phẩm, sóng siêu âm được ứng dụng để bảo quản, nângcao chất lượng sản phẩm Dưới tác dụng của sóng siêu âm có tần số và cường độxác dịnh trong một thời gian phù hợp, chất lượng của một số loại thực phẩmđược nâng cao rõ rệt Ngoài ra, siêu âm còn dùng để tiệt trùng, khử bỏ hóa chất

có hại giúp bảo quản lâu hơn chất lượng cao hơn Với các thực phẩm dẻo, xốp vàdính việc thái cắt cần phải giữ được vật phẩm một cách nguyên vẹn, thẩm mỹ.Các dao cắt được hỗ trợ rung động siêu âm để tạo chuyển động tương đối vớithực phẩm, giảm khả năng bám dính, thuận lợi cho quá trình cắt lát, (xem hinhhọa trên hình 2.12)

Hình 2.12 Dụng cụ thái lát bánh nhờ siêu âm

Cắt thực phẩm bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thựcphẩm nhờ những ưu điểm chính sau đây:

 Không dính dao;

 Bề mặt cắt nhẵn phẳng, thẩm mỹ;

 Khả năng ứng dụng trên nhiều loại thực phẩm;

 Điều chỉnh kích thước lát cắt thuận tiện theo yêu cầu;

 Không giới hạn về kích thước đường kính, khối lượng, chiều dày vậtphẩm;

 Dễ vệ sinh, bảo dưỡng;

 Khả năng tăng bề rộng cắt bằng cách ghép dao;

 Năng suất cắt cao, có thể đạt tốc độ cắt từ 60 đến 120 miếng / phút.Trong kỹ thuật sấy khô, nhiều loại vật phẩm với vật liệu không thể sấy nóng

bằng nhiệt Vì nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi tính chất hóa lý của vật liệu Giảipháp sấy khô bằng công nghệ siêu âm cho thấy nhiều hiệu quả tối ưu Sóng siêu

âm với cường độ đủ mạnh làm các phần tử trong vật liệu dao động với biên độlớn Kết quả là các liên kết yếu bị phá vỡ, tách hơi ẩm và hơi nước dễ dàng thoát

ra ngoài vật phẩm

Trong nông nghiệp, một số khâu quan trọng nhất quyết định đến năng suấtcấy trồng là việc xử lý giống Phương pháp sử lý hạt nhờ song siêu âm cho thấynhiều hiệu quả Sóng siêu âm có thể làm thay đổi các thành phần của các acideamin, đồng thời lầm tăng quá trình oxy hóa hạt giống, làm tăng năng suất Ngoài

ra, sóng siêu âm có thể xử lý trồng Bằng cách sử dụng sóng siêu âm, tác dụngkích thích các vi sinh vật có lợi phát triển làm tăng lượng mùn trong đất, tiêu diệtcác ký sinh trùng gây hại cho cây trồng

2.4.4 Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm

Siêu âm cũng truyền được qua các vật rắn và phản xạ ở các mặt tiếp xúc giữahai vật Do đó, có thể dùng siêu âm để phát hiện các khuyết tật trong một vật đúc,trong một kết cấu bêtông, phát hiện các tổ mối trong đê… Sơ đồ nguyên lý mô tả

cơ chế xác định khuyết tật trong lòng vật thể minh họa như hình 2.13

(a) (b)

Hình 2.13 Kiểm tra khuyết tật nhờ siêu âm (a) Sơ đồ nguyên lý cách xác định vết nứt

gãy trong lòng vật thể (b) Kiểm tra kết cấu lõi thép dầm bê tông.

Dụng cụ sử dụng siêu âm để thăm dò dưới biển thông dụng hiện nay thườngđược gọi là Sonar, hoạt động theo nguyên tắc của rađa, minh họa như hình 2.14a.Sonar gồm một máy đặt ở mặt ngoài của đáy tàu, máy này phát một chùm siêu

âm hẹp, gần song song; gặp đáy biển hoặc một đàn cá, một xác tàu đắm,… sóng

âm phản xạ và rọi vào máy thu (đôi khi chính là máy phát, hoạt động luân phiêntheo hai chế độ), được khuếch đại rồi tác động vào một máy tự động chuyểnkhoảng thời gian ∆t từ lúc phát sóng tới lúc thu sóng phản xạ thành khoảng cách

từ tàu tới vật phản xạ sóng Do đó, sôna có thể dùng để phát hiện tàu ngầm, cácvật trôi dạt, các đàn cá, thăm dò và lập bản đồ độ sâu của đáy biển Thiết bị dò cábằng siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển và vận tốc của đàn cátrong phạm vi hàng chục km Ngoài ra, thiết bị này còn cho biết mật độ, mức độtrọng lượng của từng loại cá Nhờ ứng dụng siêu âm, sản lượng khai thác thủysản đã tăng lên đáng kể (hình 2.14b)

Hình 2.14 Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển và dò tìm đàn cá

2.4.5 Siêu âm trong y học

Ứng dụng trong y học siêu âm dựa trên nguyên tắc ghi lại hình ảnh bằng sóngsiêu âm Một đầu dò siêu âm phóng vào cơ thể người bệnh một chùm siêu âmsong song (tần số từ 1 đến 5 MHz), chu trình rất ngắn (cỡ vài µs), rồi ghi khoảngthời gian đi và về của xung; kết hợp với một máy vi tính xử lý thông tin Mỗixung phản xạ cho ta một ảnh của một điểm trên vật đã phản xạ Máy phát chừng

1000 xung/giây và được di chuyển đều đặn tạo ảnh của toàn bộ vật thể cần quansát Kỹ thuật này, hiện nay đã được sử dụng phổ biến trong các bệnh viện đểquan sát các cơ quan nội tạng như gan, tuyến giáp, dạ dày, tuyến tiền liệt, thainhi, thậm chí để quan sát chuyển động của van tim, nghiên cứu chuyển động củamáu trong các động mạch, để phát hiện chỗ bong võng mạc,…

Do có tần số cao nên năng lượng truyền trong sóng siêu âm là khá lớn Vậthấp thụ năng lượng này có thể bị vỡ vụn thành nhiều mảnh nhỏ Do đó, trong yhọc, người ta còn dùng siêu âm để phá vỡ các viên sỏi trong thận, các cục máuđông, mà không phải dùng phẫu thuật Trong công nghiệp, máy đầm dùng siêu

âm được sử dụng khá phổ biến để đầm bêtông, đầm đá rải đường,…

Hình 2.15 Dao mổ siêu âm

Ứng dụng kỹ thuật rung siêu âm tích hợp với dụng cụ phẫu thuật được minhhọa như hình 2.15 Năng lượng điện từ máy phát sẽ được chuyển thành sóng cơhọc tại thân dao nhờ các đĩa sứ piezo-electric chuyển năng lượng điện thànhchuyển động cơ học dọc theo chiều dài của dao và đạt tần số trên 55.000 lần/giây Dụng cụ mổ phẫu thuật được tích hợp rung động siêu âm, giúp cắt các mô

mềm, cứng, xương… giảm thiểu chảy máu và tổn thương đến các phần lân cận.Thời gian phẫu thuật giảm, vết mổ chóng bình phục, giảm đau đớn cho bệnhnhân.

Ngoài ra, công nghệ siêu âm còn được ứng dụng rất hiệu quả trong việc tổnghợp các loại vật liệu mới; giảm ma sát truyền động, nâng cao khả năng điền đầykim loại lỏng cho quá trình đúc Các ứng dụng rung động siêu âm trong giacông cắt gọt kim loại sẽ được trình bày cụ thể bên dưới

2.5 Rung động siêu âm trợ giúp gia công

Việc khai thác rung động siêu âm trong gia công đã được biết đến cách đâyhơn 50 năm và tiếp tục được nghiên cứu phát triển ứng dụng cho đến tận ngàynay với thuật ngữ "gia công siêu âm" (Ultrasonic Machining) Quá trình giacông dạng này thực chất là truyền rung động cho dụng cụ được ngâm trong dungdịch bột mài Lỗ được tạo thành do va đập của hạt mài với bề mặt gia công, cóhình dạng giống với biên dạng dụng cụ

Gần đây, rung động siêu âm đã được khai thác để trợ giúp cho các quá trìnhgia công truyền thống (tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng ), có nguyên tắc khácvới "gia công siêu âm" nói trên Kỹ thuật này được biết đến với thuật ngữ “siêu

âm trợ giúp gia công” hay “gia công có rung động siêu âm trợ giúp” Ultrasonic Assisted Machining) Ở đây, một rung động cưỡng bức (tần số siêu

(UAM-âm) có điều khiển được bổ sung thêm vào quá trình gia công cắt gọt kim loại.

Rung động siêu âm được bổ sung vào dụng cụ hoặc phôi, cũng có thể là cả hai đểnâng cao hiệu quả quá trình cắt Quá trình này thực chất là làm thay đổi tương tácgiữa dụng cụ cắt và phôi, nhằm thay đổi các hiện tượng vật lý trong vùng cắt

Do vậy, phạm vi gia công được mở rộng hơn nhiều so với “gia công siêu âm”trước đây Gia công có rung động trợ giúp đã được khẳng định là có thể nâng caonăng suất, chất lượng bề mặt gia công, tuổi bền của dụng cụ cắt, đặc biệt rất hữudụng để gia công một số vật liệu khó gia công

Nguồn rung động có biên độ nhỏ (khoảng từ vài đến vài chục micromet), cótần số siêu âm (từ 15 đến 80 kHz) được bổ sung cưỡng bức vào chuyển độngtương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công Gia công có rung động trợ giúp

đã được áp dụng cho hầu hết các loại hình gia công cắt gọt truyền thống như: giacông tiện, khoan, phay, bào, cưa … cũng như cho gia công không truyền thốngnhư gia công tia lửa điện, cắt dây, gia công bằng tia nước, hạt mài… Sự pháttriển của ngành công nghệ vật liệu và nhu cầu gia tăng năng suất lẫn hiệu quả giacông đem đến thách thức đối với ngành công nghệ gia công nói chung và ngànhcắt gọt kim loại nói riêng Rung động siêu âm trợ giúp gia công đã được áp dụngcho gia công chính xác và gia công các vật liệu khó cắt như thép sau nhiệt luyện,các hợp kim niken, titanium và các loại vật liệu composite, titan và nhôm

Có một số hạn chế tồn tại khi ứng dụng siêu âm trợ giúp gia công Thứ nhất,dụng cụ cắt luôn phải duy trì sự rung động do đó tuổi bền của dụng cụ dưới ảnhhưởng của ứng suất cao khi gia công Thứ hai, khi áp dụng công nghệ này, việcgiữ ổn định trạng thái rung ở tần số cao là tương đối khó khăn, hiện nay vấn đềnày 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.

Hầu hết các báo cáo công bố về lĩnh vực gia công có trợ giúp của rung độngsiêu âm liên quan tới quá trình tiện siêu âm (UAT – Ultrasonic AssistedTurning), khoan siêu âm (UAD - Ultrasonic Assisted Drilling), phay siêu âm(Ultrasonic As- sisted Milling) … Hình 2.16 mô tả các ứng dụng rung động siêu

âm trong các quá trình gia công thông dụng

Hình 2.16 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp

Kết quả nghiên cứu về rung động trợ giúp một số lĩnh vực gia công sẽ đượcphân tích tổng quan trong các phần dưới đây

2.5.1 Khoan có rung động siêu âm trợ giúp

Siêu âm trợ giúp khoan (UAD – Ultrasonic Assisted Drilling) là một trườnghợp cụ thể của rung động trợ siêu âm trợ giúp gia công Trong gia công khoan córung siêu âm trợ giúp, một rung động siêu âm được đưa vào chuyển động tươngđối giữa mũi khoan và phôi Thông thường quá trình này được thực hiện dưới sựkích thích của rung động theo phương dọc trục hoặc rung động xoắn quanh trụcmũi khoan hoặc dạng kết hợp Các phương án bổ sung rung động cho quá trìnhkhoan được mô tả trong các sơ đồ như trên Hình 2.17

(a) (b) (c)

Hình 2.17 Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan.

Nguyên tắc chung của UAD là bổ sung một rung động siêu âm vào chuyển

động tương đối giữa mũi khoan và chi tiết gia công Có các phương án bổ sungrung động bao gồm: Bổ sung cho mũi khoan (Hình 2.17a,c), bổ sung cho chi tiếtgia công (hình 2.17b).

Trên hình 2.17a, phôi quay được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, đầu rungmang mũi khoan được gá trên ụ động hoặc trên bàn máy Trong mô hình này,rung động cưỡng bức được truyền đến mũi khoan Trên hình 2.17b, phôi rungtheo phương dọc trục (phương chạy dao) Trên hình 2.17c, mũi khoan vừa rungvừa quay trong khi phôi chuyển động tịnh tiến

Từ các nghiên cứu cho thấy khoan có dung động siêu âm có những kết quảđáng kể sau:

 Kết quả thử nghiệm cho thấy khi hỗ trợ bởi rung động siêu âm bề mặt

lỗ khoan tròn hơn, không có bavia Bề mặt thành lỗ khoan nhẵn hơn

và giảm độ xiên của lỗ, độ xê dịch của tâm lỗ được cải thiện khi tăng

cả biên độ và tần số rung

 Lực dọc trục giảm đến 70% khi khoan có rung trợ giúp so với khoanthường đã được ghi nhận ( tỉ số giữa vận tốc rung với tốc độ chạy daocàng lớn thì lực dọc trục càng giảm)

so sánh lực dọc trục khi sử dụng UAD so với khoan truyền thống Rõ ràng khigiảm lực dọc, giảm ma sát sẽ giảm mòn dụng cụ, giúp nâng cao tuổi thọ mũikhoan

2.5.2 Phay có rung động siêu âm trợ giúp

Phay có rung động siêu âm trợ giúp là một kỹ thuật bổ sung rung độngcưỡng bức vào dao phay hoặc phôi, minh họa như hình 2.19 Đã có nhiều nghiên

cứu về gia công phay có rung động siêu âm trợ giúp Các kết quả nghiên cứu chothấy, rung động trợ giúp cũng làm giảm lực cắt , giảm ma sát, giảm mòn, tăngtuổi bền dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

Hình 2.19 Sơ đồ bổ sung rung động cho phay

2.5.3 Tiện có rung động siêu âm trợ giúp

Trong quá trình tiện, dao tiện có thể được bổ sung rung động siêu âm theo 3hướng chính độc lập nhau Các cách thức bổ sung rung động khi tiện trụ ngoài vàtiện mặt đầu được mô tả như trên hình 2.20

(a)Tiện trụ ngoài (b) Tiện khỏa mặt đầu Hình 2.20 Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện

Trên hình 2.20 rung động có thể truyền cho dụng cụ cắt theo một trong baphương: Rung theo phương chạy dao, rung theo phương tiếp tuyến và rung theophương hướng kính

 Kiểu 1: Rung theo phương tiếp tuyến Khi tiện trụ ngoài (hình 16.14a) đầudao tiện được gá ngang tâm phôi sẽ dao động theo phương tiếp tuyến vớimặt trụ phôi tại điểm cắt Khi tiện mặt đầu (Hình 16.14b) rung động siêu

âm của đầu dao nằm trên mặt đầu phôi

 Kiểu 2: Rung theo phương hướng kính Với tiện trụ ngoài, đầu mũi daotiện nhận được rung động theo phương vuông góc với trục phôi trên mặt

phẳng ngang tâm phôi Khi tiện mặt đầu, mũi dao sẽ dao động theophương thẳng góc với mặt gia công.

 Kiểu 3: Rung theo phương chạy dao Khi tiện ngoài, đầu dao tiện sẽ rungtheo phương song song với chuyển động chạy dao dọc trục phôi Với tiệnmặt đầu, đầu dao sẽ rung theo phương ăn dao hướng kính phôi, trên mặtphẳng phôi cần gia công

Có thể phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công theo hai loạisau đây:

(1) Hệ thống rung động theo một phương (1D): Rung động được bổ sung chỉtheo một phương duy nhất (1 trong 3 kiểu kể trên)

(2) Hệ thống rung động 2D: Là sự kết hợp của 02 hệ thống 1D để tạo rungđộng theo quĩ đạo elip trên dụng cụ cắt minh họa như hình 2.21

Hình 2.21 Sơ đồ kĩ thuật rung 2D

Bảng 2.4 Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương pháp gia công

Phương pháp gia công

Hướng rung của DCC

Quỹ đạo rung của DCC

Phương trình chuyển động của DCC

Rung theo phương

tiếp tuyến(NDVA-normal-

directional

vibration-assisted)

x(t) = vtz(t) = b.sin(2πft) ft)

Rung 2D

(EVA-Elliptic

vibration-assisted cutting) x(t) = vt + a.cos(2πft) ft) z(t) = b.sin(2πft) ft)

2.6 Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo chung của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công nói chung, được minh họa như hình 2.22

Hình 2.22 Sơ đồ cấu tạo chung một hệ thống rung hỗ trợ gia công

(5) - Đầu dụng cụ gia công: là spindle 1.5kw

Các bộ phận nói trên được giới thiệu chi tiết như dưới đây

2.6.1 Nguồn phát công suất siêu âm

Nguồn phát công suất siêu âm là thiết bị phát nguồn điện thay đổi có tần số siêu

âm, có điện áp và công suất lớn để cung cấp cho đầu phát rung Hình 2.23 là ảnhchụp một nguồn phát công suất siêu âm có mã hiệu MPI WG3000W

Hình 2.23 Máy phát điện siêu âm MPI_ WG3000W

Máy phát nguồn siêu âm MPI WG3000W tương thích với hầu hết các bộ chuyểnđổi hiện nay và được lựa chọn cho nghiên cứu này Thiết bị này có phạm vi hoạtđộng trong dải tần số từ 19 kHz đến 100 kHz; có khả năng tự động dò tìm tần sốcộng hưởng và chọn chế độ vận hành tối ưu cho mỗi bộ chuyển đổi Do đó,thiết bịnày cho phép chủ động trong quá trình gia công, việc sửa chữa cơ khí như mài dụng

cụ cắt hoặc thay đổi dụng cụ cắt Máy có thể giao tiếp với máy tính thông qua bộ kếtnối USB-RS485 và phần mềm điều khiển MPI-Ultrasonic generators software thíchhợp với hệ điều hành Windows XP hoặc Windows 7 Thiết bị này được sử dụngtrong suốt quá trình vận hành thử nghiệm cơ cấu tạo rung siêu âm

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của nguồn phát điện siêu âm

2.6.2 Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor)

2.6.2.1 Chức năng

Bộ chuyển đổi siêu âm (còn gọi là bộ phát rung) là bộ phận không thể thiếutrong thiết bị tạo rung động siêu âm Bộ phát rung siêu âm có chức năng chuyểnđổi dao động điện thành dao động cơ với tần số siêu âm Chức năng này thườngđược thực hiện nhờ hiệu ứng áp điện (Xem phần 2.6.2.2) Dao động cơ với tần sốsiêu âm dùng để trợ giúp các quá trình gia công, siêu âm chuẩn đoán, thăm dò,sục rửa,

Bộ phát rung kiểu Langevin được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tạo rungsiêu âm nhờ hiệu quả phát rung và kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tiện lợi.Các thông số quan trọng đánh giá hiệu quả của một đầu phát rung bao gồm:tần số cộng hưởng cơ; biên độ rung động đầu ra và công suất rung siêu âm Biên

độ rung siêu âm là một chỉ tiêu quan trọng nhất của bộ phát rung Biên độ rungthu được phụ thuộc vào hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng

cơ (hay giá trị phẩm chất cơ học Qm) của vật liệu áp điện Giá trị tần số cộnghưởng cơ phụ thuộc trực tiếp vào giá trị tổng trở của đầu rung Tín hiệu đầu racủa bộ phát rung sẽ được truyền tới bộ phận khuếch đại và định hướng trợ giúpcho dụng cụ trong quá trình gia công Công suất cơ của đầu siêu âm được xácđịnh theo công thức:

P=1

2ρ c ξ A

2 PT 2.4

Trong đó: , c lần lượt là khối lượng riêng và vần tốc truyền âm của tải tiếp nhậnrung; A là biên độ của đầu chuyển đổi siêu âm

2.6.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu tạo rung kiểu Langevin bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng rộng rãi chocác thiết bị siêu âm công suất lớn Kiểu đầu rung này có dải tần số cộng hưởng rungđộng siêu âm rộng, hệ số phẩm chất cơ học cao, có thể tạo công suất lớn phù hợpvới các ứng dụng đối với đầu rung chịu tải Vật liệu áp điện có thể làm phát sinhrung động có tần số bằng tần số nguồn điện, biên độ tỷ lệ thuận với điện áp

Thiết kế hình 2.24 là một dạng kết cấu cơ bản nhất của bộ tạo rung kiểuLangevin với chiều dài nửa bước sóng Một thiết kế khác sử dụng kết cấu bộchuyển đổi có chiều dài bằng số nguyên lần nửa bước sóng dọc