Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính

Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính

TÓM TẮT

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chất bán dẫn, thiết

bị quan sát, quang điện tử đã làm tăng nhu cầu sử dụng thấu kính Hệ thống hình ảnh quang học thường dùng nhiều thấu kính cầu để điều chỉnh độ lệch Điều này làm tăng

sự phức tạp, kích thước và chi phí cho một thiết bị quang học Sử dụng thấu kính phi cầu là một giải pháp làm giảm sự phức tạp, khối lượng, chi phí và nâng cao độ phân giải cho thiết bị quang học

Trước đây việc gia công các thấu kính quang học thường sử dụng phương pháp tiện, phay trên các máy CNC, sau đó mài tinh Phương pháp này đòi hỏi qui trình công nghệ phức tạp, chi phí đầu tư cao, độ chính xác phụ thuộc nhiều vào khả năng công nghệ của máy cũng như thông số hình học của dao

Sự ra đời của công nghệ khuôn mẫu đã tạo ra bước tiến lớn trong ngành công nghiệp chế tạo thấu kính, nhờ khả năng tương thích, tính linh hoạt và hiệu suất cao Tuy nhiên độ chính xác và đặc tính quang học của thấu kính bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ trong quá trình ép khuôn

Công nghệ gia công biến dạng đàn hồi được chứng minh là công nghệ gia công

có qui trình đơn giản, chi phí đầu tư thấp Xuất phát từ điều này tác giả chọn đề tài

“Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính”

Để thực hiện nhiệm vụ đề tài, tác giả đã nghiên cứu về lý thuyết biến dạng đàn hồi của tấm tròn, cũng như lý thuyết về phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

Tiếp theo đó tác giả đã dùng phần mềm Abaqus mô phỏng nhằm xác định dạng

bề mặt phù hợp cũng như áp lực chân không cần thiết để tạo ra biến dạng nhằm giúp

bề mặt chi tiết có thể tiếp xúc tốt nhất với bề mặt của khuôn Quá trình mô phỏng tác giả thực hiện với 5 dạng bề mặt khác nhau, áp lực chân không gây ra biến dạng thay đổi từ -100kPa đến -80kPa Sau khi mô phỏng tác giả nhận thấy trong số các dạng bề

mặt mô phỏng thì bề mặt có dạng phương trình 2

2 2

cr z

c r



  ,(k = -3) có giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng so với bề mặt khuôn là nhỏ nhất, trong quá trình mô phỏng cũng thấy rằng khi áp suất chân không càng giảm thì khả năng biến dạng càng tốt, nhưng khi áp suất đạt -95kPa và -100kPa thì lượng biến dạng không thay đổi nhiều, giá trị sai lệch như nhau Tuy nhiên giá trị sai lệch vẫn còn khá cao vào khoảng 15,731m tại vị trí chi tiết có bán kính 17,5mm đến 18mm Vì vậy tác giả chọn giải pháp hiệu chỉnh bề mặt khuôn, sau khi hiệu chỉnh bề mặt khuôn, tác giả mô phỏng với áp suất -95kPa thì thấy rằng giá trị sai lệch đã giảm đáng kể, sai lệch lúc này vào khoảng 0,5 m

Sau khi chọn được dạng bề mặt và áp suất chân không cần thiết tác giả tiến hành gia công thực nghiệm Sau khi thực nghiệm, khuôn và chi tiết gia công được chuyển sang công ty TNHH THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP VÀ GIÁO DỤC Chi Nhánh Tại Tp Hồ Chí Minh (AIE), tại đây các kỹ thuật viên dùng máy đo quang học, scan khuôn và chi tiết, sau đó sử dụng phần mềm chuyên dụng để đo bề dày của khuôn và chi tiết

Kết quả thu được sau khi đo cho thấy: Khi thực nghiệm với khuôn chưa hiệu chỉnh, sai số giữa bề mặt chi tiết so với bề mặt khuôn vào khoảng 17m tại vị trí chi tiết có bán kính khoảng 17,5mm đến 18mm Khi gia công với khuôn được hiệu chỉnh giá trị sai lệch giữa bề mặt chi tiết với bề mặt khuôn vào khoảng 1m tại vị trí chi tiết có bán kính khoảng 14mm đến 21,5mm

Từ kết quả thực nghiệm ta thấy có thể ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi để chế tạo thấu kính

SUMMARY

Nowadays, the strong development of the semiconductor industry, observed and optoelectronics equipments has been increased the use of lenses Optical imaging

systems often use multiple lenses to adjust the difference This results in an increase

of the complexity, size and cost for an optical device The use of aspherical lens has been considering as a solution to decrease the complexity, volume and cost and improving the resolution of optical equipment

Previously, the optical lenses had been commonly processed by the methods

of turning or milling on CNC machines, and thereafter they are polished by the fine grind This method requires a complex process technologies, high investment costs and the accuracy depends on the technological capabilities of the machine as well as the geometric parameters of the tool

The appearance of the molding technology has created a strong development

of the industry of the lens design thanks to the compatibility, flexibility and high performance However the precision and optical characteristics of the lens are significantly affected by the temperature during the molding

The elastic deformation technology has been proven to be a simple process, low investment costs From this point, we chose the topic "Study the possibility of processing the application method elastic deformation in lens design."

To carry out this work, we has studied the theory of elastic deformation for circular plates as well as the theory of the elastic deformation processing method

Subsequently we choose the software Abaqus for simulation to determine the appropriate surface shape as well as the vacuum pressure needed to generate a deformation so that the part surface has the best contact with the mold surface Process simulation had been undertaken with five different surface types, the vacuum pressure caused deformation from -100kPa to -80kPa After simulating we figured

out that the surface is expressed by equation , (k = -3) has the

smallest difference between the simulation results and the mold surface Moreover, it also pointed out that the more the vacuum pressure decreases the more the capability

of deformation is fine But when the vacuum pressure reached the values of -95kPa and -100kPa so the amount of deformation have not change much and the same difference However this difference is still high about 15,731m at the location where radius is from 17,5mm to 18mm So we select the solution to calibrate the mold surface After completing this, we redo simulations with the vacuum pressure of -95kPa then that difference is significantly decreased, its value around 0,5m

After selecting the surface and vacuum pressure needed, we conducted experiment Since the experiment finished, the mold and the workpiece (part) is sent

to the Advanced Industry and Education Equipment Company Limited (AIE) branched in Ho Chi Minh City, where technicians use the optical measuring machine

to scan the mold and workpiece, then use the specialized software to measure their thickness

The results obtained after the measurement indicates: experiments with unadjusted mold, the difference between the workpiece and mold surfaces about 17m at the location where the radius is from 17,5mm to 18mm When the processing with the adjusted molds the difference of 1m at the location the radius ranging from 14mm to 21,5mm

Based on the experimental results we could apply method the elastic deformation processing method for designing the lens

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Chương 4 THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 44

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.2: Độ lệch của thấu kính cầu và khả năng của thấu kính phi cầu trong chỉnh

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa của một quá trình mài ELID 7

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa của một quá trình đánh bóng truyền thống 9

Hình 2.4: a Sơ đồ của một hệ thống MRF/ b cận cảnh khu vực đánh bóng thực

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống máy đánh bóng kim loại bằng dòng từ lưu

Hình 2.6: Sơ đồ minh họa của một hệ thống đánh bóng bằng chùm tia Ion 12

Hình 2.7: Sơ đồ minh họa hệ thống đánh bóng laser 13

Hình 2.8: Sơ đồ minh họa của một quá trình đánh bóng "tiến động" 14

Hình 2 10: Mô tả quá trình gia công thấu kính bằng phương pháp biến dạng không

Hình 2.11: Mô tả quá trình gia công bằng phương pháp biến dạng đàn hồi trong

Hình 3.2: Mô hình mô phỏng với chi tiết chưa gia công 28

Hình 3.3: Mô hình mô phỏng với bề mặt có dạng phương trình dạng paraboloid

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng với bề mặt có dạng phương trình dạng Hyperboloid

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng với bề mặt có dạng phương trình dạng Oblate eliposid

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -1) 31

Hình 3.10: Đường cong biến dạng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -1) 32 Hình 3.11: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn (k = -1) 32

Hình 3.12: Giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng với biên dạng khuôn (k = - 1) 33 Hình 3.13: Kết quả mô phỏng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -0,5) 33

Hình 3.14: Đường cong biến dạng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -0,5) 34

Hình 3.15: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn (k = -0,5) 34

Hình 3.16: Giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng với biên dạng khuôn (k = -0,5) 34 Hình 3.17: Kết quả mô phỏng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -2) 35

Hình 3.18: Đường cong biến dạng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -2) 36

Hình 3.19: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn (k = -2) 36

Hình 3.20: Giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng với biên dạng khuôn (k = -2) 36 Hình 3.21: Kết quả mô phỏng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -3) 37

Hình 3.22: Đường cong biến dạng ứng với áp suất P = -95kPa (k = -3) 37

Hình 3.23: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn (k = -3) 38

Hình 3.24: Giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng với biên dạng khuôn (k = -3) 38 Hình 3.25: Kết quả mô phỏng ứng với áp suất P = -95kPa (k = 0,25) 39

Hình 3.26: Đường cong biến dạng ứng với áp suất P = -95kPa (k = 0,25) 39

Hình 3.27: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn (k = 0,25) 40

Hình 3.28: Giá trị sai lệch giữa kết quả mô phỏng với biên dạng khuôn (k= 0,25) 40 Hình 3.29: Lượng biến dạng khi mô phỏng với P = - 95kPa của các dạng khuôn 41 Hình 3.30: Giá trị sai lệch lớn nhất ứng với khuôn có hệ số k khác nhau khi mô phỏng

Hình 3.31: So sánh kết quả biến dạng với biên dạng khuôn được hiệu chỉnh 42

Hình 3.32: So sánh giá trị sai lệch kết quả biến dạng của khuôn chưa hiệu chỉnh và

Hình 4.4: Hạt mài dùng để gia công và dung dịch hạt mài 45

Hình 4.5: Hạt mài dùng để đánh bóng và dung dịch hạt mài dùng để đánh bóng 46

Hình 4.11: Chi tiết gia công bằng khuôn chưa chỉnh sửa 50

Hình 4.12: Chi tiết gia công bằng khuôn được chỉnh sửa 51

Hình 4.14: Kết quả kiểm tra khuôn đã được chỉnh sửa 52

Hình 4.15: Kết quả kiểm tra chi tiết gia công bằng khuôn chưa chỉnh sửa 53

Hình 4.16: Kết quả kiểm tra cắt nửa chi tiết gia công bằng khuôn chưa chỉnh sửa 53 Hình 4.17: Kết quả kiểm tra chi tiết gia công bằng khuôn được chỉnh sửa 54

Hình 4.18: Kết quả kiểm tra cắt nửa chi tiết gia công bằng khuôn được chỉnh sửa 54 Hình 4.19: Biểu đồ biểu diễn độ lệch giữa chi tiết và khuôn gia công bằng khuôn

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tı́nh cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chất bán dẫn, thiết

bị quan sát, dụng cụ quang học và quang điện tử đã làm tăng nhu cầu đối với thiết bị quang học Hình 1.1 Cho ta thấy những ứng dụng trong thực tế của thấu kính phi cầu

Hình 1.1: Ứng dụng của thấu kính phi cầu

Thấu kính quang học là thiết bị khúc xạ, có công dụng tái cấu trúc sóng ánh sáng chiếu đến Đặc tính của chùm tia sáng khúc xạ bị ảnh hưởng bởi các thành phần cấu tạo của thấu kính như pha, hướng truyền, cường độ và trạng thái phân cực Một

số đặc điểm chính mà thấu kính chịu ảnh hưởng đó là việc chế tạo thấu kính: đường kính, hình dạng bề mặt, độ nhẵn, độ chính xác hình dáng, những khuyết tật sinh ra trong quá trình chế tạo bề mặt phụ, đặc tính cơ lý của vật liệu quang học và những điều kiện quang học khác như: góc của chùm tia tới, sự hấp thu, phản xạ ánh sáng, những ảnh hưởng của môi trường

Để thu được ảnh có chất lượng cao thì đòi hỏi thấu kính phải có độ chính xác hình dạng cao, bề mặt nhẵn bóng, bề mặt phụ ít bị rỗ

Hệ thống hình ảnh quang học thường dùng nhiều thấu kính cầu để điều chỉnh

độ lệch Điều này làm tăng sự phức tạp, kích thước và chi phí cho một thiết bị quang học

Hình 1.2: Độ lệch của thấu kính cầu và khả năng của thấu kính phi cầu trong chỉnh

độ lệch

Vì vậy, sử dụng thấu kính phi cầu không những làm giảm số lượng thấu kính

sử dụng trong một thiết bị quang học mà còn giúp giảm chi phí, kích thước, trọng lượng của thiết bị đồng thời cho độ phân giải cao Hình 1.2 cho thấy độ lệch của thấu kính cầu và khả năng của thấu kính phi cầu trong chỉnh độ lệch

Trước đây việc gia công các thấu kính quang học thường sử dụng phương pháp tiện, phay trên các máy CNC, sau đó mài tinh [1,2] Do thủy tinh có tính dòn cao nên

ít bị biến dạng dẻo, vì vậy độ nhẵn bóng bề mặt chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các yếu

tố hình học của dụng cụ cắt cũng như chế độ cắt, đồng thời phương pháp gia công truyền thống cũng đòi hỏi phải đầu tư máy CNC với chi phí ban đầu khá lớn

Sự ra đời của công nghệ khuôn mẫu đã tạo ra bước tiến lớn trong kỹ thuật chế tạo thấu kính quang học, với các ưu điểm hơn gia công truyền thống như khả năng tương thích, tính linh hoạt và hiệu suất cao [3] Tuy nhiên độ chính xác và đặc tính quang học của thấu kính bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ trong quá trình ép khuôn [4]

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi đã được chứng minh là một phương pháp mới trong gia công thấu kính quang học với ưu điểm là giảm chi phí và đơn giản hóa quá trình gia công [5-7]

Chính vì lý do trên mà tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương

pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính”

1.2 Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước

Experimental study on elastic deformation molding process for generating aspheric surface glass -Ducnam Nguyen, Julong Yuan, Zhe Wu - The International Journal of Advanced Manufacturing Technology- Vol.82 (5), pp: 859 - 866, 2015

Nhóm tác giả đã thí nghiệm, nghiên cứu gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp biến dạng đàn hồi trong khuôn Nhóm tác giả đã xác định được áp lực tốt nhất để tạo ra biến dạng tiếp xúc tốt nhất với khuôn [5]

Experimental study on elastic deformation machining process for aspheric surface glass- Ducnam Nguyen, Binghai Lv, Julong Yuan, Zhe Wu, Huizong Lu - International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol.65 (1-4), pp: 525

- 531, 2013

Nhóm tác giả đã thí nghiệm, nghiên cứu gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp biến dạng đàn hồi không dùng khuôn Nhóm tác giả đã mô phỏng xác định được áp lực tốt nhất để tạo ra hình dáng của thấu kính có độ chính xác cao so với hình dáng lý thuyết [6]

Experimental study on aspheric surface machining using elastic deformation moulding method- Zhe Wu, Binghai Lv, Julong Yuan, Ducnam Nguyen, Ping Zhao, Qianfa Deng – Int.J.Nano manufacturing, Vol 9, No 5/6, 2013

Nhóm tác giả đã thí nghiệm, nghiên cứu biến dạng đàn hồi của thấu kính phi cầu trong khuôn bằng sứ với những thấu kính kích thước nhỏ [7]

1.3 Mu ̣c đı́ch, nhiê ̣m vu ̣ và giới hạn của đề tài

1.3.1 Mục đích

Mục đích của đề tài là nghiên cứu phương pháp gia công thấu kính bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi, qua đó xác định dạng bề mặt phù hợp cũng như áp lực cần thiết để tạo ra biến dạng của chi tiết, đảm bảo bề mặt của chi tiết tiếp xúc tốt nhất với bề mặt của khuôn Từ đó tiến hành thí nghiệm để kiểm tra độ chính xác của phương pháp gia công

1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài

Từ mục đích nghiên tác giả đưa ra nhiệm vụ của đề tài:

- Nghiên cứu các phương pháp gia công thấu kính truyền thống

- Nghiên cứu lý thuyết biến dạng đàn hồi của tấm tròn

- Nghiên cứu phương pháp gia công thấu kính bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

- Mô phỏng, xác định dạng bề mặt phù hợp cũng như áp lực cần thiết để tạo ra biến dạng đàn hồi, đảm bảo bề mặt chi tiết tiếp xúc tốt nhất với bề mặt khuôn

- Thực nghiệm gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

- Rút ra kết luận và đưa ra các đề xuất

1.3.3 Giới hạn đề tài

Do còn hạn chế về mặt thời gian cũng như trang thiết bị phục vụ cho thí nghiệm, tác giả chỉ giới hạn nghiên cứu trong phạm vi sau:

- Tìm hiểu về biến dạng của tấm tròn

- Nghiên cứu thấu kính phi cầu với dạng bề mặt bậc 2

- Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus để xác định dạng bề mặt phù hợp đồng thời xác định áp lực cần thiết để tạo ra biến dạng cho chi tiết nhằm đảm bảo bề mặt của chi tiết tiếp xúc tốt nhất với bề mặt của khuôn

- Thí nghiệm gia công thấu kính với đường kính tổng 50mm, đường kính thực 45mm, chiều dày của thấu kính 1,55mm vật liệu thủy tinh BK7 để từ đó kiểm tra độ chính xác hình dạng

- Bán kính cơ sở của thấu kính R = 2500mm

- Áp lực gây ra biến dạng p = -100kPa đến -80kPa

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tổng hợp các phương pháp gia công thấu kính

- Nghiên cứu lý thuyết biến dạng đàn hồi của tấm tròn

- Mô phỏng bằng phần mền Abaqus để xác định dạng bề mặt và áp lực phù hợp để tạo ra biến dạng tốt nhất đảm bảo bề mặt chi tiết tiếp xúc tốt nhất với bề mặt khuôn

- Thực nghiệm gia công thấu kính phi cầu

1.5 Đóng góp mới của đề tài

Hiện nay việc gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi đã được một số nước trên thế giới nghiên cứu, tuy nhiên ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào, đề tài là cơ sở giúp tiếp cận phương pháp chế tạo thấu kính phi cầu bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi, nhằm gia công thấu kính đạt yêu cầu kỹ thuật với qui trình đơn giản, chi phí đầu tư thấp

Đề tài đã xây dựng được mô hình mô phỏng và xác định được biên dạng khuôn phù hợp cho quá trình gia công thấu kính phi cầu

1.6 Kết cấu của luận văn

Kết cấu của luận văn gồm năm chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô phỏng

Chương 4: Thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

1.7 Tiến độ thực hiện

Bảng 1.1: Tiến độ thực hiện

Tháng 9/2015 10/2015 11/2015 12/2015 1/2016 2/2016 Nội dung Chương 1 Chương 2 Chương 3 Chương 4 Chương 4 Chương 5

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các phương pháp chế tạo thấu kính

2.1.1 Chế tạo thấu kính phi cầu bằng quá trình cắt

Việc sản xuất thấu kính thủy tinh phi cầu sử dụng kỹ thuật cắt thường được biết đến với quy trình tiện và phay Quá trình này bao gồm một máy điều khiển số (CNC) được sử dụng để tạo ra hình dạng phi cầu trên một thấu kính như mong muốn sau đó bề mặt được mài nghiền để đảm bảo độ nhẵn bề mặt

Phương pháp này có ưu điểm:

Nói chung, thủy tinh dòn, ít bị biến dạng dẻo Vì vậy độ nhám bề mặt trong quá trình gia công thủy tinh chịu ảnh hưởng bởi thông số hình học của dụng cụ cắt lớn hơn so với kim loại Trong quá trình nghiền, thủy tinh có thể được gia công mà không bị vỡ do tính chất giòn và không bị biến dạng với độ dày nhỏ hơn một micromet [8]

Nhược điểm:

Trong quá trình mài nghiền, nếu lượng dư gia công nhỏ hơn chiều sâu cần thiết của chế độ cắt, lớp vật liệu được tách ra ít giúp giảm độ nhám bề mặt

Trong quá trình mài chính xác các thấu kính thủy tinh, các bánh mài liên kết với hạt mài giữ cho hạt mài không bị tách ra, tuy nhiên hạt mài sẽ bị mòn một phần làm bề mặt mài bị thay đổi Việc thay bánh mài mới đòi hỏi phải tính toán khá phức tạp

2.1.2.2 Quá trình mài mòn điện phân (ELID)

Kỹ thuật mài mòn điện phân (ELID) được sử dụng, giúp giảm bớt mài mòn bánh mài và hạt mài Hệ thống mài ELID gồm bánh mài với hạt mài bằng kim cương, một nguồn cung cấp năng lượng điện, một điện cực và hệ thống làm mát Bánh mài kim cương được kết nối với đầu cực dương của nguồn cung cấp năng lượng thông qua tiếp xúc điện và một điện cực cố định được kết nối với đầu cực âm của nguồn cung cấp năng lượng Khoảng cách giữa bánh mài và điện cực cố định được duy trì một khoảng 0,1mm [10,11]

Hình 2.1: Sơ đồ minh họa quá trình mài ELID

Hình 2.1 minh họa sơ đồ của quá trình mài ELID Quá trình điện phân ban đầu

di chuyển các hạt mài trên bánh mài, tạo thành lớp Oxít nhô ra từ bề mặt đá mài Khi lớp mài nhô ra bị bào mòn trong quá trình mài, các lớp Oxít sẽ trở nên mỏng hơn

Lớp Oxít mỏng làm tăng tính dẫn điện của các bánh mài, bánh mài sẽ bị oxy hóa và tiếp tục tạo thành lớp Oxít mới Nhờ quá trình điện phân này, độ dày của lớp Oxít được duy trì, giúp ổn định quá trình mài [12]

2.1.3 Phương pháp gia công phát xạ đàn hồi (EEM)

Hình 2.2: Sơ đồ minh họa của một quá trình EEM

Phương pháp này hạn chế tối đa diện tích tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và bề mặt chi tiết gia công Phương pháp gia công phát xạ đàn hồi (EEM) là phương pháp đánh bóng mà ở đó dụng cụ cắt (một quả cầu polyurethane) nổi trên lớp chất lỏng có chứa các hạt mài [13,14] Độ dày của lớp chất lỏng này bằng bội số đường kính của các hạt mài và các thông số quá trình xác định bao gồm áp suất thủy lực được tạo ra bởi dụng cụ cắt và động năng của các hạt mài Bằng cách đó, tạo ra vùng đánh bóng [15] EEM là một phương pháp gia công mà cơ chế của nó dựa trên các phản ứng hóa học giữa hai bề mặt rắn Quá trình bắt đầu bằng cách tiếp xúc hai vật liệu rắn với nhau và tạo ra liên kết hóa học tại bề mặt tiếp xúc giữa chúng Chất rắn này có thể mang đi các nguyên tử của bề mặt chất rắn khác khi chúng được tách ra Khi sử dụng bột siêu mịn có đường kính rất nhỏ trên bề mặt chi tiết giới hạn trong một dòng chảy của nước

tinh khiết, bột hóa học sẽ phản ứng với bề mặt chi tiết gia công Hình 2.2 Mô tả quá trình gia công bằng phương pháp phát xạ đàn hồi Bột hóa học phản ứng với bề mặt chi tiết gia công có thể loại bỏ các nguyên tử khi nó được tách ra bởi các dòng nước tinh khiết Quá trình EEM đạt hiệu quả khi các trạng thái điện tử bề mặt giúp giảm liên kết các nguyên tử bề mặt

2.1.4 Chế tạo thấu kính phi cầu bằng phương pháp đánh bóng

2.1.4.1 Gia công bằng đánh bóng sạch

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa của một quá trình đánh bóng truyền thống

Gia công bằng đánh bóng sạch là một kỹ thuật chế tạo được sử dụng để gia công các bề mặt quang học phẳng và cầu [16,17] Hình 2.3 Sơ đồ minh họa quá trình gia công bằng đánh bóng sạch Như thể hiện trong hình, một đầu hình cầu có độ cong phù hợp với hình dạng mong muốn của thấu kính cần đánh bóng Các thấu kính được đặt trên đầu của một khối quay Các công cụ đánh bóng đặt trên đầu của các bề mặt thấu kính và tiếp xúc với thấu kính khi quá trình đánh bóng bắt đầu Đầu mài có chứa các hạt mài nhỏ, chẳng hạn như oxit xerium, oxit nhôm, hoặc kim cương Vùng tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ được duy trì liên tục bởi đầu mài

Tỷ lệ tách bỏ vật liệu được tính bằng phương trình của Preston [18] và phụ thuộc vào áp lực tải trọng, diện tích tiếp xúc và tốc độ chuyển động tương đối giữa

dụng cụ cắt và chi tiết Đối với các bề mặt phi cầu có độ chênh lệch nhỏ so với bề mặt hình cầu gần nhất, nó có thể sử dụng quá trình đánh bóng tự điều chỉnh diện tích tiếp xúc thông thường bằng cách kiểm soát chuyển động đá mài và phân phối áp lực trên bề mặt chi tiết

Gia công bằng đánh bóng sạch có thể cải thiện độ bóng bề mặt mà không làm sai lệch độ chính xác hình dạng

2.1.4.2 Đánh bóng bằng máy từ lưu biến (MRF)

Đánh bóng bằng máy từ lưu biến (MRF) là phương pháp gia công thấu kính phi cầu có độ chính xác cao bằng cách kiểm soát khẩu độ [20,21] Hình 2.4 a là sơ đồ minh họa của một hệ thống MRF và hình 2.4 b mô tả là thực tế quá trình cắt bỏ vật liệu tại vùng đánh bóng

Hình 2.4: a Sơ đồ của một hệ thống MRF b cận cảnh khu vực đánh bóng thực tế

Hệ thống MRF có một máy bơm liên tục bơm chất lỏng từ lưu biến Các chất lỏng được đưa vào vùng đánh bóng nhờ vào một vòi phun chất lỏng Chất lỏng từ lưu biến kết hợp với các hạt từ tính như cerium oxide (CeO2) và nano-kim cương Một nam châm điện được sử dụng để tạo ra hướng từ trường Nó được đặt ở dưới bánh mài Khi chất lỏng từ lưu biến đi qua vùng từ trường, nó liên kết lại và hoạt động như một dụng cụ đánh bóng Một vùng đánh bóng được hình thành nhờ dòng từ lưu biến chèn vào giữa thấu kính và bánh mài Thấu kính quay trên trục chính và đồng thời

nghiêng theo các hướng khác nhau thông qua điều khiển máy Các máy tính sẽ kiểm soát và duy trì một khoảng cách không đổi giữa bề mặt bánh mài và thấu kính Quá trình liên kết của các hạt từ lưu biến và tốc độ quay của chi tiết phải được kiểm soát

để loại bỏ vật liệu như mong muốn Trong vùng có từ trường, các hạt từ tính sẽ đánh bóng và tạo ra bề mặt như mong muốn

2.1.4.3 Đánh bóng bằng dòng từ lưu biến

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống máy đánh bóng kim loại bằng dòng từ lưu

biến Đây là phương pháp ổn định dòng, theo đó dòng chất lỏng từ lưu biến được từ hóa bởi từ trường dọc trục khi nó chảy ra khỏi vòi phun [22,23] Vùng từ trường này tạo ra một cấu trúc bên trong chất lỏng và tăng độ nhớt trong các phần tiếp giáp với vòi phun, tạo ra dòng chảy ổn định Kết quả là, các chất lỏng từ lưu biến sau khi được phun ra khỏi vòi phun sẽ tạo thành tia có áp lực cao, liên tục Hình.2.5 mô tả hệ thống đánh bóng bằng dòng từ lưu biến Nó được xây dựng trên nền tảng máy CNC 5 trục

trường tối ưu hóa cho các tính chất của các chất lỏng từ lưu biến nằm dưới trục chính bàn máy CNC và ổn định dòng Khi kích hoạt nam châm, các dòng tia sẽ bắn thẳng đến bề mặt chi tiết theo phương trục chính Chất lỏng sử dụng được thu hồi và tái tuần hoàn [24]

2.1.3.4.4 Đánh bóng bằng chùm tia ion

Hình 2.6: Sơ đồ minh họa của một hệ thống đánh bóng bằng chùm tia Ion

Đánh bóng bằng chùm tia ion (IBF) là một phương pháp tạo hình bằng cách bắn một chùm tia ổn định vào bề mặt quang học để loại bỏ vật liệu từ bề mặt chi tiết thông qua việc truyền năng lượng [25,26] Trong IBF, chi tiết quang học được đặt bên trong một buồng cao áp Một chùm ion argon (Ar +) được tạo ra từ một máy bắn ion Các phần tử thủy tinh được loại bỏ bằng phương pháp bức xạ của chùm tia trên

bề mặt quang học thông qua một máy tính điều khiển vùng đánh bóng trong phạm vi của chùm tia ion Quá trình của phương pháp này được thể hiện trong hình 2.6

Quá trình này có thể được điều khiển bằng máy tính để thay đổi thời gian dừng hay năng lượng của chùm tia tới

2.1.3.4.5 Đánh bóng bằng Laser

Đánh bóng bằng Laser được sử dụng để đánh bóng những viên kim cương 28], sản phẩm quang học như mắt kính, thấu kính, sợi [29, 30] Đánh bóng laser ít

[27-được sử dụng để đánh bóng kim loại Đánh bóng Laser là một quá trình nhiệt động lực học phức tạp liên quan đến tính chất vật liệu, hình dạng bề mặt, và sự tương tác giữa Laser với vật liệu và hiện tượng nhiệt,… Hai phương pháp đánh bóng Laser nổi bật đó là sự bay hơi của chất liệu bề mặt [31] và làm mềm hoặc tan chảy vật liệu dưới tác dụng của sức căng bề mặt Các nguyên tắc đánh bóng Laser dựa trên điều khiển bức xạ của một chùm tia laser làm tan chảy một phần rất nhỏ vật liệu trên lớp bề mặt Thông số tối ưu của quá trình là các chùm tia laser chỉ làm tan chảy vật liệu ở phần đỉnh, vật liệu nóng chảy ở phần đỉnh sẽ lấp đầy các phần trũng, tạo ra một bề mặt phẳng hơn so với trước [32] Kết quả của quá trình này phụ thuộc trực tiếp vào lượng vật liệu nóng chảy, mà điều này phụ thuộc vào mật độ năng lượng bức xạ và hệ số hấp thụ bức xạ Các nguyên tắc cơ bản của đánh bóng với bức xạ bằng laser được thể hiện trong hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ minh họa hệ thống đánh bóng laser

2.1.3.4.6 Đánh bóng "tiến động"

Đánh bóng "tiến động" là một quá trình đánh bóng tự động bằng cách sử dụng máy CNC 7 - trục để đánh bóng và tạo hình phẳng, hình cầu, phi cầu [33,34] Hình 2.8 là sơ đồ minh họa quá trình đánh bóng "tiến động"

Hình 2.8: Sơ đồ minh họa của một quá trình đánh bóng "tiến động"

Quá trình đánh bóng chi tiết được bắt đầu bằng cách cho chi tiết tiếp xúc với dụng cụ đánh bóng tại một điểm, dưới sự kiểm soát lực của cảm biến đo lực, bề mặt

sẽ được đánh bóng cho đến khi đạt được kích thước và độ bóng mong muốn, sau đó dụng cụ đánh bóng sẽ di chuyển từng bước đến các vùng tiếp theo trên bề mặt Áp lực tác dụng giữa dụng cụ đánh bóng và chi tiết được điều khiển bởi nam châm điện

và cơ cấu piston thủy lực

Việc điều khiển các kích thước và điểm đánh bóng trên chi tiết (bằng cách thay đổi áp lực nước) Có hai chế độ đánh bóng đó là chế độ đánh bóng tinh và chế độ đánh bóng điều chỉnh hình dạng chính xác, vận hành ở chế độ nào là phụ thuộc vào việc thay đổi các thông số khác nhau của quá trình Trong khi chế độ đánh bóng tinh được sử dụng để tạo ra bề mặt quang học chất lượng cao, chế độ điều chỉnh hình dạng chính xác được sử dụng để sửa các sai lệch hình dạng của các bề mặt chi tiết [35]

2.1.5 Chế tạo thấu kính bằng phương pháp Đúc

Các phương pháp đúc nén đã được sử dụng để chế tạo thấu kính thủy tinh [36,37] Hình 2.9 thể hiện sơ đồ minh họa quá trình đúc thấu kính

Quá trình bắt đầu bằng cách đặt lượng lớn thủy tinh lên trên khuôn dưới (Hình 2.9a) Thủy tinh và khuôn được làm nóng đến một nhiệt độ trên nhiệt độ nóng chảy

của thủy tinh (hình 2.9b) Khi nhiệt độ thủy tinh và khuôn đã đạt đến một trạng thái nhiệt độ đúc ổn định, khuôn trên và khuôn dưới được ép vào nhau bằng cách cho khuôn dưới chuyển động (hình 2.9c) Nhiệt độ được giữ không thay đổi trong giai đoạn ép Tất cả các bước của quy trình được thực hiện trong một môi trường chân không Sau đó, giữ quá trình ép một thời gian ngắn và giảm nhiệt độ Các thấu kính thủy tinh hình thành được làm lạnh nhanh đến nhiệt độ môi trường xung quanh Cuối cùng thấu kính được tháo ra khỏi khuôn (hình 2.9d) [38]

Hình 2.9: sơ đồ minh họa quá trình đúc thấu kính 2.1.6 Phương pháp gia công thấu kính bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi là áp dụng kỹ thuật làm biến dạng một tấm phẳng thành dạng phi cầu bằng cách sử dụng tính đàn hồi của vật liệu Độ võng của chi tiết được tính toán bằng cách sử dụng lý thuyết biến dạng đàn hồi Ba loại đỡ cạnh của tấm thường dùng là: cố định cạnh, đỡ cạnh đơn, đỡ cạnh đơn kết hợp với tâm của tấm Ngoài ra, các thí nghiệm trên tấm kính hình tròn với cạnh của tấm được đỡ bởi giá đỡ

2.2 Cơ sở lý thuyết biến dạng đàn hồi của tấm thủy tinh

Với những tiến bộ gần đây trong ngành công nghiệp như chất bán dẫn, thiết bị quan sát và thiết bị tạo ảnh, quang điện tử, làm tăng nhu cầu đối với thiết bị quang học Hệ thống hình ảnh quang học thường sử dụng nhiều thấu kính để điều chỉnh độ lệch mà chủ yếu là sử dụng thấu kính hình cầu Điều này làm tăng sự phức tạp, trọng lượng và chi phí cho một thiết bị quang học Sử dụng thấu kính phi cầu có thể làm giảm đáng kể số lượng thấu kính sử dụng trong một thiết bị quang học mà không làm ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của thiết bị Bằng việc sử dụng các thấu kính phi cầu có thể làm cho các thiết bị quang học tốt hơn, nhẹ hơn, và nhỏ hơn Vật liệu thuỷ tinh có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các sản phẩm nhựa như giá trị chỉ số khúc

xạ quang học của thấu kính cao hơn, đa dạng trong lựa chọn chất liệu, và khả năng chịu nhiệt cao Tính đàn hồi của vật liệu thủy tinh là ưu điểm nổi bật nhất để làm thấu kính phi cầu sử dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi là áp dụng kỹ thuật làm biến dạng một tấm phẳng thành dạng phi cầu bằng cách sử dụng tính đàn hồi của vật liệu Ứng suất của biến dạng đàn hồi tạo ra độ võng của chi tiết Độ võng có thể được tính toán bằng cách sử dụng lý thuyết biến dạng đàn hồi của tấm tròn [39]

2.2.1 Phương trình cơ bản cho biến dạng đàn hồi của tấm tròn

Trong phần này sẽ trình bày các phương trình cơ bản để tính toán ứng suất và

độ võng của tấm tròn Có nhiều tài liệu liên quan để xây dựng phương trình Tuy nhiên, để đạt được yêu cầu đề ra, ta đặt ra một số giả thuyết:

1) Các tấm phẳng có độ dày như nhau

2) Các tấm được làm bằng vật liệu đẳng hướng và đồng nhất

3) Các ứng suất vẫn trong giới hạn đàn hồi

4) Tất cả các tải vuông góc với tấm

5) Các tấm được xem là "mỏng" (nghĩa là độ dày của tấm ít hơn 20% đường kính) 6) Độ võng được xem là "nhỏ" (nghĩa là độ võng ít hơn 30% bề dày [40])

Ba loại đỡ cạnh của tấm thường dùng là:

1) Cố định cạnh

2) Đỡ cạnh đơn

3) Đỡ cạnh đơn kết hợp với tâm của tấm

Trong trường hợp đơn giản khi uốn tấm tròn, các biến dạng ở giữa mặt phẳng của tấm có thể bỏ qua, giả định biến dạng nhỏ so với tấm dày Theo những điều kiện này, lý thuyết đàn hồi tuyến tính có thể được sử dụng để tạo ra phương trình vi phân cho tải trọng đều nằm ngang Phương trình vi phân biến dạng ω của một tấm mỏng

có độ dày không đổi h là:

3 (1 ).

16.

Từ phương trình (2.20) chúng ta có thể thấy rằng độ võng tối đa của chi tiết

có liên quan đến đường kính a và tỷ lệ giữa đường kính a và độ dày h Khi đường kính là một giá trị cố định, với chi tiết có tỷ lệ a/h lớn sẽ có một độ võng tối đa lớn hơn; và khi tỷ lệ a/h được xác định, đường kính lớn hơn có nghĩa là độ võng lớn hơn

Từ phương trình (2.4) và phương trình (2.5), momen uốn có thể được viết dưới dạng,

Ứng suất tương đương lớn nhất tại r = a được tính như sau,

2

2 2

2.2.2 Cạnh của tấm được đỡ đơn

Các điều kiện biên cho trường hợp này là;

Thế

3 2

Từ phương trình (2.33) chúng ta có thể thấy rằng độ võng tối đa của chi tiết

có liên quan đến đường kính a và tỷ lệ giữa đường kính a và độ dày h Khi đường kính là một giá trị cố định, với chi tiết có tỷ lệ a/h lớn sẽ có một độ võng tối đa lớn hơn; và khi tỷ lệ a/h được xác định, đường kính lớn hơn có nghĩa là độ võng lớn hơn

Từ phương trình (2.4) và phương trình (2.5), momen uốn có thể được viết dưới dạng,

Các ứng suất pháp tuyến σr trong trường hợp cạnh của tấm được đỡ đơn ở bất

kỳ khoảng cách r tính từ tâm có thể được tính toán bằng cách sử dụng phương trình,

2.2.3 Cạnh và tâm của tấm được đỡ đơn

Các điều kiện biên cho trường hợp này là;

Để đánh giá sự phù hợp của các mô hình lý thuyết, chúng ta sử dụng nhân tố

S để đánh giá độ võng giữa kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết,

2.3 Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn

Trong hơn năm thập kỷ, một số nghiên cứu đã thực hiện theo hướng phát triển phương pháp biến dạng đàn hồi để chế tạo thấu kính thủy tinh Việc chế tạo bề mặt quang học phi đối xứng chất lượng cao gặp nhiều khó khăn hơn so với sản xuất các

bề mặt đối xứng Có nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất tấm quang học đặc biệt theo phương pháp của Benard Smidth trong đó các tấm quang học bị uốn cong bằng cách giảm áp lực khí nén tác động lên một trong những bề mặt của các tấm quang học [41,42]

Theo phương pháp này, một tấm quang học phẳng hình tròn được lắp đồng trục trên đầu giữ có bán kính ngoài nhỏ hơn bán kính thấu kính, mặt phẳng của tấm quang học và đầu giữ tạo thành một khoảng không khép kín, sau đó bơm chân không

sẽ hút không khí bên trong khoang tròn Do chênh lệch áp suất giữa bên trong khoang tròn và áp suất khí quyển bên ngoài làm biến dạng tấm quang học, trong khi chênh lệch áp suất duy trì biến dạng tấm quang học chúng ta sử dụng những dụng cụ mài và đánh bóng phù hợp để cắt bỏ vật liệu, tạo ra bề mặt cần gia công

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không sử dụng khuôn là phương pháp ứng dụng kỹ thuật tác động các tải trọng cụ thể lên từng vị trí của bề mặt quang học

để tạo ra các biến dạng khác nhau tại các vị trí khác nhau nhằm tạo dạng bề mặt phi cầu, sau đó mài và đánh bóng phần phi cầu Có thể chế tạo các loại thấu kính có hình dạng bề mặt khác nhau bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn được dùng để tạo ra biến dạng bề mặt

chi tiết thành một dạng bề mặt phi cầu mong muốn Sau khi đánh bóng, phần cong vênh được loại bỏ và bề mặt đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu với hình dạng bề mặt phi cầu mong muốn Quá trình gia công bề mặt cầu nhanh hơn nhiều so với dạng phi cầu vì các dụng cụ lớn hơn nhiều và toàn bộ bề mặt được làm việc cùng một lúc [80] Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn cho phép đánh bóng bề mặt quang học phi cầu bằng cách sử dụng dụng cụ đánh bóng hình cầu lớn

Công nghệ này được ứng dụng để gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn Hình 2.10 minh họa sơ đồ của một quá trình gia công thấu kính bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn

Hình 2 10: Mô tả quá trình gia công thấu kính bằng phương pháp biến dạng không

có khuôn

Chi tiết là một mặt phẳng hình tròn với hai bề mặt được gia công đến độ phẳng nhất định (hình 2.10a) Khi hút chân không tại mặt sau của chi tiết thông qua lỗ tâm tại đầu giữ, chi tiết bị biến dạng lớn nhất ở tâm Các cạnh của chi tiết được đỡ bởi mặt phẳng của đầu giữ, do đó sẽ không biến dạng Kết quả của biến dạng là tạo ra dạng phi cầu (hình 2.10b) Trong khi chân không giữ chi tiết ở trạng thái biến dạng, chi tiết và đầu giữ bắt đầu xoay và được đưa xuống tiếp xúc với đĩa mài tạo ra quá trình cắt tại vị trí bị nhô ra để tạo ra bề mặt phẳng (hình 2.10c, d), Khi áp suất chân không bị ngắt, chi tiết được tháo ra khỏi đầu giữ (hình 2.10e.) Bề mặt đáy của chi

tiết sẽ hình thành dạng phi cầu (hình 2.10f) Bề mặt trên trở về dạng bề mặt phẳng ban đầu do tính đàn hồi của vật liệu

Phương pháp này có nhược điểm khi bề dày của chi tiết thay đổi trong quá trình gia công làm cho độ cứng vững của chi tiết bị giảm, trong khi áp lực tác dụng không thay đổi, nên gặp nhiều khó khăn trong việc xác định và khống chế chính xác được biên dạng cần biến dạng

2.4 Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi dùng khuôn

Trong quá trình gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn, các tấm thủy tinh được biến dạng tự do dưới tác dụng của áp suất chân không để tạo bề mặt phi cầu mong muốn Trong quá trình này, khó duy trì áp lực chân không ổn định liên tục,

do đó ảnh hưởng đến hình dạng bề mặt chi tiết, đặc biệt là bề mặt có độ chính xác cao Trong quá trình mài, độ dày của chi tiết giảm và áp lực chân không cố gắng duy trì không thay đổi Vì vậy, biến dạng của chi tiết sẽ tăng lên so với bề mặt cần mong muốn Điều này làm cho bề mặt phi cầu của chi tiết sau gia công có độ võng lớn hơn

so với bề mặt tính toán lý thuyết

Để nâng cao độ chính xác trong gia công biến dạng đàn hồi, người ta sử dụng khuôn với bề mặt giống với bề mặt mong muốn của thấu kính Bề mặt trên của tấm

sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của áp lực chân không và tiếp xúc với bề mặt khuôn Sau khi kết thúc quá trình mài nghiền và đánh bóng, khi ngắt áp suất chân không, bề mặt trên sẽ khôi phục lại thành bề mặt phẳng do tính đàn hồi của vật liệu, do đó làm cho bề mặt phía dưới có hình dạng của bề mặt khuôn Trong phương pháp này bề mặt trên của chi tiết sẽ tiếp xúc với bề mặt của khuôn, vì vậy trong quá trình mài, khi bề dày của tấm thay đổi thì giá trị biến dạng cũng không thay đổi [43,44]

Công nghệ này được ứng dụng để gia công thấu kính phi cầu bằng phương pháp biến dạng đàn hồi sử dụng khuôn Hình 2.11 minh họa sơ đồ quá trình gia công thấu kính bằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi dùng khuôn

Quá trình này bắt đầu bằng cách đưa tấm thủy tinh vào khuôn Chi tiết là hình tròn với hai bề mặt đánh bóng đến độ phẳng nhất định (hình 2.11.a) Khi hút chân không, tại mặt sau của chi tiết thông qua các lỗ của khuôn, chi tiết sẽ bị biến dạng đàn hồi và đạt giá trị lớn nhất ở tâm Các cạnh của chi tiết được giữ bởi bề mặt cạnh

của khuôn và bề mặt trên của chi tiết được tiếp xúc với bề mặt phi cầu của khuôn Kết quả là tạo ra biến dạng (hình 2.11.b) Trong khi áp suất chân không được giữ cố định không đổi, chi tiết và khuôn bắt đầu xoay và được đưa xuống tiếp xúc với đĩa mài Đĩa mài sẽ loại bỏ phần vật liệu nhô ra để tạo thành mặt phẳng ở mặt bên dưới (hình 2.11 c, d) Khi chân không được ngắt, chi tiết được tháo ra từ khuôn (hình 2.11e.) Bề mặt dưới của chi tiết sẽ hình thành dạng phi cầu (hình 2.11f) Bề mặt trên trở về dạng bề mặt phẳng ban đầu do tính đàn hồi vật liệu

Hình 2.11: Mô tả quá trình gia công bằng phương pháp biến dạng đàn hồi trong

khuôn

Chương 3

MÔ PHỎNG

3.1 Phương trình thấu kính phi cầu

Phương trình chung dùng để biểu diễn hình dạng của bề mặt quang học được

xác định bằng độ võng Z của bề mặt tại một điểm r bất kỳ, ở đây r là khoảng cách

tính từ trục quang học đến điểm đang xét

Một mặt phi cầu có thể được biểu diễn ở các dạng khác nhau, nhưng với việc biểu diễn cho mục đích thiết kế và chế tạo thì nó được biểu diễn làm hai phần, phần thứ nhất xuất phát từ phương trình hình cầu, sau đó ta thêm vào phần phi cầu với các

đa thức bậc cao hơn [45, 46]

Hình 3.1: Bề mặt phi cầu

2

2 2

2 2 2

.

n i i i

r x y :là khoản cách từ điểm đang xét đến trục thấu kính

Z: là chiều cao tính từ đỉnh thấu kính đến vị trí đang xét

1

c

R

 : Độ cong cơ sở (tại đỉnh của thấu kính)

R: Bán kính cong của bề mặt cầu

k: hằng số bậc hai (conic constant)

A2i: là các hằng số biến dạng phi cầu

A2ir2i: Điều kiện phi cầu bậc cao

Ở đây chỉ xét với các hệ số phi cầu Ai = 0 (xét đến dạng bề mặt bậc 2)

Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa hằng số bậc 2 và loại bề mặt

Hằng số bậc 2 k = 0 k = -1 k < -1 -1 < k < 0 k > 0

Loại bề mặt Bề mặt cầu Paraboloid Hyperboloid Ellipsoid Oblate

eliposid Trong qúa trình mô phỏng ta chọn dạng bề mặt với hệ số k = 0,25, k = -0,5, k = -1, k

= - 2, k = -3, để tiến hành mô phỏng [46]

3.2 Mẫu mô phỏng

Mẫu chi tiết mô phỏng là tấm kính tròn có đường kính ngoài D = 50 mm; chiều dày b = 1,55mm, bề rộng viền cạnh: a = 2,5mm, rmax = 22,5mm, sau khi gia công thấu kính có bề dày lớn nhất là 1,28mm Để tránh trường hợp chi tiết bị phá hủy Ta chọn

R = 2500mm

Hình 3.2: Mô hình mô phỏng với chi tiết chưa gia công

Trong phương pháp này, độ biến dạng của chi tiết phụ thuộc vào giá trị áp suất chân không Trong quá trình gia công, độ dày của chi tiết bị thay đổi do quá trình mài phẳng trong khi giá trị áp suất được giữ cố định Vì vậy, để kết quả mô phỏng đạt độ chính xác thì bề mặt trên chi tiết được thiết kế giống như bề mặt khuôn Quá trình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Abaqus/Explicit Đặc tính vật liệu của chi tiết

mô phỏng được cho ở bảng 3.2

50

45

1,55

1,28

50

45

1,178748975 q

1,28

50

40

1,17875205 q

1,28

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng với bề mặt có dạng phương trình dạng

Hyperboloid (k = -3)

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng với bề mặt có dạng phương trình dạng

Oblate eliposid (k = 0,25) Các mô hình trong quá trình mô phỏng được thiết lập với điều kiện như nhau Trong quá trình mô phỏng, khuôn được giả thiết rằng là cứng tuyệt đối (rigid body)

và chi tiết là biến dạng Điều kiện biên của mô hình là khuôn được chọn có chuyển

vị bằng 0 (cứng tuyệt đối) Các phần tử của chi tiết được chia lưới với phần tử tuyến tính (CPS4R) Chi tiết được chia thành 500 phần tử Tải trọng tác động lên chi tiết là

áp suất chân không có giá trị lần lượt là - 80kPa, - 85kPa, - 90kPa, - 95kPa, - 100kPa

Mô hình mô tả quá trình mô phỏng được thể hiện ở hình 3.8

50

45

0,17875205 q

1,28

50

45

1,178747437 q

Hình 3.8: Mô hình mô phỏng 3.3 Kết quả mô phỏng

Trong quá trình mô phỏng, áp suất chân không tác động lên chi tiết được thay đổi lần lượt từ - 80kPa đến -100kPa