Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHAN VĂN NGHỊ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG CƠ

2012

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn

này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ

một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân,

chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ

những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.

Tháng 12 năm 2012

Phan Văn Nghị

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Lời cám ơn

Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa

học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, ngƣời đã tận tình chỉ bảo,

động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt

nghiệp. Thứ đến, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths. Lê Duy Hội và Ths.

Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Tôi

cũng xin cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long và các kỹ thuật viên của DNTN Thái

Long đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực

hiện thí nghiệm cho đề tài này.

Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng nhƣ bộ

môn Chế tạo máy, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham gia và hoàn thành khóa học này.

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với vợ và gia đình tôi, vì tất cả những

gì mà mọi ngƣời đã dành cho tôi. Mọi ngƣời đã chăm sóc, động viên tôi trong

suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn.

Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong

trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp

Thực hiện: Phan Văn Nghị

đỡ trong thời gian học tập của tôi.

2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Tóm tắt

Qua việc phân tích một cách hệ thống các ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng

pháp gia công có rung động trợ giúp và các nguyên lý tạo rung động, 2 cơ cấu tạo

rung động đặt lên phôi khi khoan đã đƣợc mô hình, tính toán, thiết kế và chế tạo.

Hai cơ cấu tạo rung này đƣợc thiết kế lần lƣợt theo 2 nguyên lý: Cơ cấu tạo rung

theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện.

Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm cơ khí

đã đƣợc chọn để tạo rung động trợ giúp cho quá trình thí nghiệm khoan hợp kim

nhôm. Cơ cấu lệch tâm đã chế tạo có thể tạo rung động với tần số từ 26 đến 60

Hz, biên độ từ 2 đến 12 micromet, đƣợc tích hợp vào hệ thống gia công nhằm

tạo rung cho phôi theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Các lỗ có đƣờng kính 1,5

mm, chiều sâu 13 mm (L/D = 9) đã đƣợc gia công đối chứng cả bằng khoan

thƣờng và khoan có bổ sung rung động.

Các bộ thí nghiệm đã đƣợc thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ và

năng suất giữa hai chế độ gia công khoan truyền thống và khoan có rung động

trợ giúp. Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khi khoan nhôm và hợp kim nhôm

gần nhƣ đã đƣợc khắc phục hoàn toàn. Số liệu thực nghiệm về độ lay động

đƣờng kính và độ tròn lỗ khoan đƣợc phân tích so sánh thông qua kiểm

nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 36 mẫu đo. Kết quả cho thấy khoan có

rung có thể làm giảm độ lay rộng đƣờng kính lỗ đến 3 lần, làm giảm độ không

tròn của lỗ đến 2 lần so với khoan truyền thống.

Trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thƣờng đƣợc thực hiện nhờ các

bộ tạo rung dùng động cơ servo cồng kềnh hoặc các tinh thể áp điện rất đắt tiền.

Kết quả nghiên cứu này đã đem lại khả năng chủ động thiết bị, công nghệ cho

phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam,

Thực hiện: Phan Văn Nghị

khắc phục đƣợc vấn đề cơ bản về chủ động vật tƣ, thiết bị và giá thành.

3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Mục lục

Lời cam đoan .................................................................................................................... 1 Lời cám ơn ........................................................................................................................ 2 Tóm tắt .............................................................................................................................. 3 Các ký hiệu viết tắt ........................................................................................................... 7 Danh mục các hình ảnh ..................................................................................................... 8 Danh mục các bảng, biểu ................................................................................................ 11 GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 12 0.1. Vấn đề nghiên cứu .......................................................................................... 12 0.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây ..................................................................... 13 0.3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 16 0.4. Các kết quả đã đạt đƣợc .................................................................................. 16 0.5. Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 17 Chƣơng 1 ........................................................................................................................ 19 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP ................................... 19 1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 19 1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp .................................................... 19 1.3. Các phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp ............................................... 21 1.3.1. Phƣơng pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) .................... 21 1.3.2. Phƣơng pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) .......................... 22 1.3.3. So sánh giữa các phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và UECV... 23 1.4. Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công .............................................. 24 1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí ................................................................. 24 1.4.3. Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm ..................................................... 27 1.4.4. Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực .................................. 28 1.4.5. Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện ................................... 28 1.4.5.1. Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm .............................................. 28 Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT ......................................... 30 1.4.5.2. 1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ ........................................... 31 1.5. So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm . 34 1.6. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 35 Chƣơng 2 ........................................................................................................................ 37 CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ .................................................................. 37 TRÊN HỢP KIM NHÔM ............................................................................................... 37 2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 37 2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm ......................................................... 37 2.1.2. Tính gia công của hợp kim nhôm ................................................................. 41 2.3. Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm .............................................................. 42 2.3.1. Các vấn đề chung .......................................................................................... 42 2.3.1.1. Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm ...................................................... 42 2.3.1.2. Sự hình thành và tách phoi..................................................................... 42 2.3.2. Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm ............................................ 44 2.3.2.1. Biến dạng phoi khi khoan ............................................................... 45 2.3.2.2. Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc .................................................... 48 2.3.2.3. Lực di chuyển phoi cho phoi dải............................................................ 50 2.3.2.4. Ảnh hƣởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc ......................................................................................................................... 51

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

2.3.2.5. Ảnh hƣởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải .. 53 2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo .................... 54 2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung ................................................................. 54 2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp ..................................... 56 2.5. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 57 Chƣơng 3 ........................................................................................................................ 58 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN ............. 58 3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 58 3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan ................................................ 58 3.3. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan ................. 59 3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT ......................................................................... 60 3.3.2. Bệ gá cơ sở .................................................................................................... 61 3.3.3. Ống kẹp ......................................................................................................... 62 3.3.4. Ống truyền rung động ................................................................................... 63 3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan ....... 65 3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1) .......................................................... 67 3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7) ......................................................................... 68 3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lƣợng lệch tâm (chi tiết số 8) ............................. 69 3.4.4. Bệ gá cơ sở ( chi tiết số 5) ............................................................................ 70 3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 9) ................................................ 71 3.4.6. Sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 3) ........................................................... 72 3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4) .................................................... 72 3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2) .............................. 74 3.4.9. Ống gá động cơ ............................................................................................. 75 3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) .......................................................... 76 3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh ................................ 76 3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động ..................... 77 3.5. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 81 Chƣơng 4 ........................................................................................................................ 83 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM .......................................................................................................... 83 4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 83 Thiết lập thí nghiệm ........................................................................................ 83 4.2. 4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 83 4.2.2. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm ...................................................................... 88 4.2.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm ....................................................................... 88 4.3. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................... 89 4.3.1. Đặc tính của phoi .......................................................................................... 89 4.3.2. Độ lay rộng lỗ khoan .................................................................................... 90 4.3.3. Độ không tròn của lỗ khoan .......................................................................... 93 4.3.4. Độ ổn định của kích thƣớc lỗ khoan ............................................................. 96 4.3.5. Độ xiên của lỗ khoan .................................................................................... 97 4.3.6. Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ khoan ....... 97 4.4. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 99 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 100 Các kết quả chính đã đạt đƣợc .................................................................................. 100 Đề xuất các hƣớng nghiên cứu ................................................................................. 100 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 102

Thực hiện: Phan Văn Nghị

5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 105

Thực hiện: Phan Văn Nghị

6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Các ký hiệu viết tắt

UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)

CUVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional

Ultrasonic Vibration Cutting)

UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration

Cutting)

PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)

PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện)

ELID Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process

Dressing)

USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining)

EDM Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

ECM Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining)

7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Danh mục các hình ảnh

TT hình

Nội dung

Trang

Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công 1.1 22

1.2 Mô hình cắt rung theo kiểu elip 23

1.3 Nguyên lý hình thành lực ly tâm 24

1.4 Nguyên lý tạo rung bằng lực từ trƣờng 26

1.5 Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trƣờng 27

1.6 Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung 27

1.7 Tạo rung bằng thủy lực, khí nén 28

1.8 Hiện ứng áp điện 29

1.9 Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện 30

1.10 Quan hệ giữa lực cản và hành trình (biên độ) 31

1.11 Ứng xử của một PZT làm việc theo hƣớng trục 31

1.12 PZT đơn trong công nghiệp 33

1.13 Các PZT xếp chồng 34

2.1 Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm 38

2.2 Các sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm A5052 40

2.3 Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ cắt và lƣợng chạy dao đến lực cắt 42

2.4 Phoi khi khoan vật liệu dẻo 43

2.5 Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi 44

2.6 Các kích thƣớc phoi khác nhau trong thí nghiệm 48

2.7 Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc 48

Thực hiện: Phan Văn Nghị

2.8 Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn 51

8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

2.9 Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc 52

2.10 Hình dạng phoi dạng dải 53

2.11 Mô hình quỹ đạo 2 lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan 55

3.1 Mô hình khoan với rung động trợ giúp 58

3.2 Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện 59

3.3 61

Kích thƣớc PZT và cách đấu điện áp Chồng PZT- đã ghép nối 3.4 61

3.5 Bệ gá cơ sở của cơ cấu tạo rung 62

3.6 Ống kẹp của cơ cấu tạo rung 63

3.7 Ống truyền rung động của cơ cấu tạo rung 64

3.8 Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT 64

3.9 Máy phát điện áp xung, công suất 1200W 65

3.10 (Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí 65

3.11 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan 66

3.12 Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động 67

3.13 Động cơ dẫn động quay lệch tâm 68

3.14 Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều 68

3.15 Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm 69

3.16 Các cặp quả nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm: 69

3.17 Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá cơ sở 71

3.18 Giá đỡ sống dấn hƣớng chữ V 71

3.19 Sống dẫn hƣớng chữ V 72

3.20 Lò xo duy trì rung động 73

3.21 Cụm chi tiết I sau khi chế tạo, lắp ráp 74

3.22 Tấm gá động cơ, phôi và rãnh dẫn hƣớng 75

3.23 Ống gá động cơ 76

3.24 Động cơ đƣợc lắp vào tấm gá sau khi chế tạo 76

Thực hiện: Phan Văn Nghị

3.25 Đồ gá kẹp phôi 77

9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí 78 3.26

Các lực tác dụng lên phôi gia công 78 3.27

Xác định tọa độ khối tâm 79 3.28

Các lực cắt khi khoan 81 3.29

Máy phay đứng Mazak M-800 84 4.1

Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm 85 4.2

Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan 85 4.3

Phôi hợp kim nhôm gá đặt khi thí nghiệm 86 4.4

Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe 86 4.5

Máy cắt dây CW322S 87 4.6

Đồng hồ so 87 4.7

Lắp đặt cơ cấu tạo rung lên máy phay 88 4.8

Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan thƣờng 89 4.9

Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp 89 4.10

Phoi dây khi khoan thƣờng 90 4.11

Phoi vụn khi khoan có rung động trợ giúp 90 4.12

4.13 Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thường, b. Khoan rung 91

Tính toán số lƣợng mẫu thí nghiệm cần thiết 91 4.14

Kết quả so sánh độ lay rộng 93 4.15

4.16 Hiện tƣợng lỗ không tròn (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thƣờng, b. Khoan rung 93

Kết quả so sánh độ không tròn 95 4.17

Phân bố độ lay rộng lỗ; nét liền cho lỗ khoan thƣờng, nét đứt cho 4.18

lỗ khoan rung 96

Hiện tƣợng xiên lỗ khoan: a. Khoan thƣờng, b. Khoan rung 97 4.19

Chất lƣợng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ khoan 97

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4.20

10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Danh mục các bảng, biểu

TT bảng

Nội dung

Trang

1.1 So sánh các phƣơng pháp gia công tích hợp rung siêu âm. 24

2.1 Phôi hợp kim nhôm tấm với thành phần hóa học cơ bản 40

2.2 Cơ tính của hợp kim nhôm A5052 41

3.1 Kết quả thử chuyển vị của lò xo 73

4.1 Thông số cơ bản của máy phay sử dụng thí nghiệm 84

4.2 Thông số mũi khoan thí nghiệm 84

4.3 Thành phần hợp kim nhôm A5052 thí nghiệm 85

4.4 Cơ tính của phôi gia công 86

4.5 Độ lay rộng lỗ khoan cho cả 2 phƣơng pháp khoan 92

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4.6 Độ không tròn của lỗ khoan cho cả 2 phƣơng pháp khoan 95

11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

GIỚI THIỆU

Phần này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài

nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc. Mục 0.1 trình bày

về vấn đề nghiên cứu, hay tính cấp thiết của đề tài. Mục 0.2 tóm tắt các thông

tin tổng quan về các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về gia công có

rung động trợ giúp. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu đƣợc thể hiện trong

mục 0.3. Mục 0.4 tóm tắt các kết quả chính đã đạt đƣợc về cả lý thuyết và thực

nghiệm. Mục cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận văn.

0.1. Vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, hợp kim nhôm đang đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong các

lĩnh vực công nghiệp. Gia công cắt gọt hợp kim nhôm nói chung thƣờng dễ dàng

và có năng suất cắt cao hơn so với gia công thép và các hợp kim đen. Tuy nhiên,

do tính dẻo của hợp kim nhôm, gia công khoan vật liệu này thƣờng gặp phải các

vấn đề về năng suất và chất lƣợng lỗ khoan [1]. Trong quá trình khoan, phoi

không thể thoát ra khỏi vùng cắt một cách tự do nhƣ trong các dạng gia công

khác. Phoi (thƣờng là phoi dây) có ma sát mạnh với mặt trƣớc mũi khoan, rãnh

xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi thoát ra, bám chặt vào

rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn và do vậy lực ma sát làm tăng đáng kể lực cắt

[2]. Điều này có thể gây kẹt hoặc gãy mũi khoan. Hơn nữa, dòng ma sát của phoi

dây lên thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xƣớc vào bề mặt lỗ khoan làm

tăng độ nhám bề mặt lỗ khoan. Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trƣớc, với rãnh

xoắn mũi khoan và với thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây

mòn mũi khoan và cháy xém bề mặt lỗ khoan. Do hiện tƣợng phoi dây gây ma

sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hƣớng kính xuất hiện còn làm tăng hiện

tƣợng lay rộng lỗ, méo lỗ và làm tăng độ không thẳng của lỗ khoan [3].

Để khắc phục các vấn đề trên, thông thƣờng, mũi khoan dùng để gia công

Thực hiện: Phan Văn Nghị

nhôm và hợp kim nhôm cần có những lƣu tâm đặc biệt về mặt kết cấu và công

12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

nghệ chế tạo [4]. Tuy nhiên, trong đề tài này, một cách tiếp cận mới để giải quyết

các vấn đề khi khoan các vật liệu dẻo đã đƣợc nghiên cứu. Đó chính là ứng dụng

rung động cƣỡng bức vào quá trình khoan này. Đây là một vấn đề không mới

trên thế giới nhƣng rất mới tại Việt Nam, chƣa có một ứng dụng nào về rung

động trong gia công đƣợc triển khai. Đề tài này tập trung nghiên cứu lý thuyết về

các ƣu điểm vƣợt trội khi khoan vật liệu dẻo có rung động trợ giúp và thiết kế,

chế tạo một cơ cấu tạo rung động cho khoan và tiến hành thử nghiệm để hiện

thực hóa gia công có rung động trợ giúp tại Việt Nam.

0.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây

Kỹ thuật cắt tích hợp rung (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một

quá trình cắt tiên tiến đã đƣợc ứng dụng từ những năm 1960. Trong kỹ thuật cắt

này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các

PZT(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969,

và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi

nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện đƣợc tính ổn

định khi cắt cũng nhƣ độ chính xác gia công, chất lƣợng bề mặt...(Skelton 1969;

Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi, 1997; Shamoto và Moriwaki,

1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự, 2004; Ma và cộng sự). Khi các

chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể đƣợc sản xuất bằng hệ thống phôi

– dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này giảm đƣợc cả thời gian gia công (5-

10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất nhiên làm tăng năng suất gia công

(Ma và cộng sự, 2004). Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng, dụng cụ kim cƣơng có

thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm

khuôn, trong khi các phƣơng pháp truyền thống rất khó thực tế do tác động hóa

học cao hơn giữa kim cƣơng và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto

và cộng sự, 1997& 1999). Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc đƣợc các khó

khăn về tính kinh tế trong các phƣơng pháp gia công truyền thống nhƣ đã đƣợc

đề cập ở trên và nó còn có thể nhận đƣợc độ chính xác gia công cao cho nhiều

loại vật liệu gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự,

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1979; Gao và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự

13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

2002; Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó, công nghệ UVC đã

nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong

tất cả các công nghệ gia công.

Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang đƣợc kết hợp với các phƣơng

pháp gia công khác, nhƣ khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng...để tạo

ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002;

Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005;

Suzuki và cộng sự, 2006) [5].

Khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, ngoài vấn đề ma sát thì vấn đề ba via

cũng là một vấn đề lớn. Nghiên cứu của K. Adachi và cộng sự đã chỉ ra rằng, khi

khoan các loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm, thƣờng xuất hiện các ba

via ở mép đầu và đặc biệt là ở mép cuối lỗ khoan làm giảm chất lƣợng lỗ khoan

và thƣờng sau khi khoan cần phải có các nguyên công phụ để xử lý các ba via đó.

Ngoài ra, với các loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm, do hiện tƣợng

phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hƣớng kính xuất hiện

làm đẩy mũi khoan làm lay rộng lỗ, méo lỗ và xiên lỗ [6].

Gần đây, đã có những nghiên cứu về kỹ thuật khoan tích hợp rung động

cƣỡng để khắc phục những hạn chế trên [3, 5-13]. Nguyên lý chung của kỹ thuật

này là đƣa thêm vào quá trình cắt một nguồn rung động chủ động với biên độ f

và biên độ dao động A (A= 2- 30 m) theo hƣớng chuyển động chạy dao của

dụng cụ hoặc phôi. Quá trình cắt nhƣ thế này chính là điều khác biệt của khoan

rung và quá trình này gọi là khoan tích hợp rung động. Bản chất của kỹ thuật này

chính là tạo ra sự dao động tƣơng đối gữa dụng cụ cắt và phôi gia công. Do vậy,

có thể đặt nguồn rung động lên phôi hoặc dụng cụ cắt tùy vào từng điều kiện cụ

thể.

Nghiên cứu của Gwo-Lianq Chern và Han-Jou Lee đã chỉ ra rằng độ tròn, độ

lay rộng lỗ và độ xiên của lỗ khi khoan hợp kim nhôm Al 6061-T6 và thép kết

cấu SS41 đã đƣợc cải thiện rõ rệt (độ lay rộng lỗ có thể đạt dƣới 2m khi tần số

rung lớn hơn 10kHz) khi khoan có rung động trợ giúp [7]. B. Azarhoushang, J.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

AkbariA và các nhà khoa học khác đã tiến hành nghiên cứu về gia công tích hợp

14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

rung. Kết quả đã cho thấy, nguồn rung động với tần số càng cao (tần số siêu âm)

thì hiệu quả của quá trình gia công càng cao [8].

Gia công tích hợp rung siêu âm là phƣơng pháp gia công có nguồn rung

động trợ giúp với tần số rung động từ 13-15 kHz trở lên, chỉ áp dụng cho các loại

vật liệu dòn [8]. Tuy nhiên, khoan với siêu âm trợ giúp lại là phƣơng pháp kết

hợp kết hợp rung siêu âm với khoan truyền thống nên có thể gia công hiệu quả

với cả vật liệu dòn và vật liệu dẻo. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã có nhiều cải

tiến đáng kể về lực dọc trục khi khoan, kích thƣớc các ba via, mài mòn mũi

khoan, giảm ồn, chất lƣợng bề mặt sau khoan.

Chang và Bone đã chỉ ra rằng khoan nhôm với rung siêu âm có thể giảm

đáng kể các ba via [9]. Neugebauer và Stoll đã thực nghiệm và chỉ ra rằng khi

khoan siêu âm hợp kim nhôm thì cả lực cắt và mô men đều giảm đến 30-50%,

lực cắt tác dụng lên lƣỡi cắt chính cũng giảm làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt lên

đến 20 lần so với khoan truyền thống. Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu lý

thuyết và thực nghiệm để chỉ ra rằng, tồn tại một điều kiện cắt tối ƣu để giảm

thiểu lực cắt và mô men xoắn khi khoan [10]. Còn Onikura và các cộng sự đã sử

dụng một Piezoelectric (PZT) để tạo ra đƣợc tần số rung 40 kHz cho trục mũi

khoan. Họ thấy rằng, việc sử dụng rung siêu âm đã làm giảm ma sát giữa phoi và

mặt trƣớc dụng cụ, điều này làm cho phoi mỏng hơn nên lực cắt sẽ nhỏ hơn [11,

12]. Jin và Murakawa thấy rằng, mẻ lƣỡi cắt có thể đƣợc ngăn ngừa hiệu quả với

việc áp dụng rung siêu âm và do vậy tăng đƣợc tuổi thọ dụng cụ cắt. Takeyama

và Kato thấy rằng, lực cắt trung bình khi khoan cũng giảm khi kết hợp với rung

siêu âm. Phoi khi khoan mỏng hơn và dễ bóc tách hơn. Các ba via hình thành ở

phần vào và ra giảm rất nhiều do lực cắt thấp [13].

Nhƣ vậy, nói chung chất lƣợng tổng thể của phƣơng pháp khoan đƣợc cải

thiện đáng kể với sự trợ giúp của rung siêu âm. Việc sử dụng rung siêu âm trong

các quá trình gia công đã tạo ra nhiều ƣu thế cho gia công các loại vật liệu khó

gia công. Tuy nhiên, để tạo ra đƣợc quá trình khoan tích hợp siêu âm, cần phải có

thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm Piezoelectric và máy phát xung. Các thiết bị này

Thực hiện: Phan Văn Nghị

đắt tiền và lắp nối khá phức tạp. Nhiều tác giả nghiên cứu và thấy rằng, gia công

15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

tích hợp rung tần số thấp cũng cải thiện đáng kể hiệu quả quá trình gia công, nhất

là khi khoan vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm [6, 7].

Các kết quả cho thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện

điều kiện thoát phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ méo lỗ

khoan. Tuy vậy, các thiết bị tạo rung nói trên có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và

đắt tiền. Chính vì vậy, ứng dụng khai thác ƣu điểm của rung động trợ giúp gia

công khoan vẫn chƣa đƣợc phổ biến, đặc biệt là ở Việt Nam, khi mà điều kiện

mua sắm các thiết bị tinh xảo rất khó khăn. Đề tài “ Thiết kế, chế tạo cơ cấu

tạo rung động trợ giúp gia công cơ” này đƣợc thực hiện nhằm hiện thực hóa

việc khai thác cơ cấu rung tần số thấp, sử dụng kết cấu bánh lệch tâm, có giá

thành thấp cho gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm. Các kết quả đƣợc phân

tích cho thấy chất lƣợng lỗ khoan đƣợc cải thiện rõ rệt so với khoan thông

thƣờng.

0.3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm thiết kế chế tạo

bộ tạo rung động trợ giúp cho nguyên công khoan nhằm khẳng định tính ƣu việt

của phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp và hiện thực hóa phƣơng pháp

gia công tiên tiến này ở Việt Nam. Năng suất, độ tròn và độ thẳng của lỗ khoan

đƣợc chọn là các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ƣu việt của khoan có rung động trợ

giúp so với khoan truyền thống. Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:

1. Đánh giá tính khả thi của gia công khoan có rung động trợ giúp;

2. Thiết kế, chế tạo đƣợc bộ tạo rung động trợ giúp cho khoan;

3. Tiến hành thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp để so sánh năng

suất và chất lƣợng quá trình khoan này với quá trình khoan thƣờng.

0.4. Các kết quả đã đạt được

Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho

khoan theo 2 nguyên lý tạo rung động là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí

Thực hiện: Phan Văn Nghị

(tần số thấp) và rung siêu âm (tần số cao). Các thí nghiệm đã đƣợc thực hiện để

16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp.

Các kết quả mà đề tài đã đạt đƣợc bao gồm:

1. Tổng quan cơ sở, nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp

khoan;

2. Thiết kế, chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung: cơ cấu tạo rung theo

nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện;

3. Vận hành, thí nghiệm khoan với sự trợ giúp của rung động bằng cơ

cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí;

4. Khẳng định đƣợc ƣu điểm vƣợt trội của khoan có rung động trợ giúp

so với khoan thƣờng thông qua các số liệu thực nghiệm;

5. Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung hỗ trợ khoan

các vật liệu dẻo;

6. Công bố 01 bài báo ("Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp

của rung động tần số thấp") trên tạp chí Khoa học và Công nghệ các

trƣờng Đại học Kỹ thuật, số 95.

0.5. Cấu trúc luận văn

Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn đƣợc chia thành 4

chƣơng với các nội dung cơ bản từng chƣơng nhƣ sau:

Trong chương 1, tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các ƣu việt

nổi trội của phƣơng pháp này sẽ đƣợc trình bày. Phần cốt lõi của chƣơng chính là

so sánh các phƣơng pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa

chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

Chương 2 tóm tắt các dạng ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm trong công

nghiệp. Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp kim nhôm và hƣớng xử lý các khó

khăn đó bằng phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp cũng đƣợc phân tích cụ

thể.

Nguyên lý làm việc, thiết kế mô hình và các bƣớc thiết kế cũng nhƣ chế

tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan đƣợc trình bày

trong chương 3. Nguyên tắc thiết kế, chế tạo hai cơ cấu tạo rung theo hai phƣơng

Thực hiện: Phan Văn Nghị

pháp tạo rung động là phƣơng pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng

17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

pháp tạo rung động bằng các PZT đƣợc diễn đạt chi tiết. Các bƣớc lắp ghép các

chi tiết máy để hoàn chỉnh cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng đƣợc trình bày

trong chƣơng này.

Chương 4 trình bày cách thức thiết kế, triển khai, thu thập và phân tích số liệu

thí nghiệm. Ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thƣờng đƣợc

phân tích thông qua các thí nghiệm so sánh đối chứng.

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo đƣợc trình bày trong phần cuối

Thực hiện: Phan Văn Nghị

cùng của luận văn.

18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP

1.1. Giới thiệu

Chƣơng này trình bày tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các

ƣu việt nổi trội của nó. So sánh các phƣơng pháp tạo rung động, kết hợp với điều

kiện thực tế để lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử

nghiệm.

Phần 1.2 giới thiệu lịch sử, bối cảnh và sự cần thiết của việc xuất hiện

phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp. Phần 1.3 thể hiện các kiểu tích hợp

rung động khi gia công theo phƣơng pháp này. Phần 1.4 giới thiệu về các phƣơng

pháp tạo rung đã đƣợc áp dụng trong công nghiệp. Phần 1.5 đƣa ra các so sánh về

các phƣơng pháp tạo rung đó và quyết định chọn phƣơng pháp để thiết kế, chế

tạo và thử nghiệm. Phần cuối cùng của chƣơng chính là tóm tắt các kết luận

chính của chƣơng này.

1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp

Gia công chất lƣợng cao các loại vật liệu khó gia công nhƣ WC, thủy tinh,

gốm sứ, các hợp kim trên nên Ni và Ti, thép đã tôi và thép không gỉ...chính là

một trong những hƣớng tiếp cận chính của ngành công nghiệp chế tạo. Những

loại vật liệu này sở hữu những đặc tính vật lý, cơ học, nhiệt học và hóa học riêng

biệt và đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, công

nghiệp hàng không, công nghiệp hóa học và nhiều ngành khác. Chẳng hạn nhƣ

các loại dụng cụ cắt, khuôn mẫu, các thiết bị quang học, thiết bị điện, các bộ

phận của máy bay, các bộ phận có độ bền tiếp xúc cao, các bộ phận cho lò phản

ứng hạt nhân và các thiết bị dùng trong gia đình...Tuy nhiên, các phƣơng pháp

gia công truyền thống không thể sử dụng cho việc gia công chính xác các loại vật

liệu này (Kumabe và cộng sự, 1989; Xiao và cộng sự, 2003; Shamoto và

Moriwaki, 1994; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007). Trong các phƣơng pháp gia

công truyền thống, hầu hết các loại vật liệu khó gia công này gây ra các vấn đề

Thực hiện: Phan Văn Nghị

khi gia công nhƣ rung động, lẹo dao, biến dạng phoi và mòn dụng cụ cắt do các

19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

đặc tính cứng và giòn trên bề mặt gia công, độ bền cơ học, hóa học cao và khả

năng dẫn nhiệt kém của vật liệu gia công (Liu và cộng sự, 2002; Xiao và cộng

sự, 2003; Baibtsky và cộng sự, 2004; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007), điều này

làm cản trở quá trình gia công. Chẳng hạn, ống dẫn hƣớng của máy ảnh chính là

một bộ phận rất mỏng với yêu cầu độ nhẵn bề mặt trong phạm vi 0.8m để có thể

xoay và trƣợt thấu kính, không thể đƣợc chế tạo bằng các phƣơng pháp gia công

truyền thống (Gao và cộng sự, 2003). Ngoài ra, với các trƣờng hợp gia công các

loại vật liệu nhẹ, phƣơng pháp tiện truyền thống bằng dao kim cƣơng không thể

cho độ chính xác nhƣ yêu cầu (Kim và Choi, 1997). Tƣơng tự, thủy tinh và các

loại gốm yêu cầu một quá trình gia công lại nhƣ đánh bóng, mài, mài nghiền và

mài bóng cho bề mặt cuối cùng, do vậy làm tăng thời gian và giá thành gia công

và tất nhiên làm giảm năng suất gia công (Shamoto và cộng sự, 2007).

Các phƣơng pháp gia công tiên tiến nhƣ -EDM, ăn mòn hóa học, công

nghệ laze, mài ELID, USM, gia công điện- hóa học (ECM), đánh bóng hóa- cơ

học...có thể áp dụng để gia công các loại vật liệu khó gia công khác nhau. Tuy

nhiên, chúng không đảm bảo vấn đề kinh tế khi gia công bởi vì năng suất gia

công rất thấp và chi phí gia công cao. Hơn nữa, -EDM, ăn mòn hóa học và các

công nghệ laze không thể ứng dụng để gia công các bề mặt bóng nhƣ gƣơng

(Suzuki và cộng sự, 2007). Ngoài ra, các phƣơng pháp nhƣ mài ELID, USM và

đánh bóng không thể ứng dụng để gia công chính xác với các biên sắc cạnh và

các mặt 3D phức tạp (Shamoto và cộng sự, 2005; Suzuki và cộng sự, 2007).

Kỹ thuật cắt tích hợp rung (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một

quá trình cắt tiên tiến đã đƣợc ứng dụng từ những năm 1960 bởi Voronin và

Marknov. Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số

siêu âm bởi đặc tính của các PZT(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin,

1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián

đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ

cắt và cải thiện đƣợc tính ổn định khi cắt cũng nhƣ độ chính xác gia công, chất

lƣợng bề mặt...(Skelton 1969; Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi,

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1997; Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự,

20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

2004; Ma và công sự). Khi các chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể

đƣợc sản xuất bằng hệ thống phôi – dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này

giảm đƣợc cả thời gian gia công (5-10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất

nhiên làm tăng năng suất gia công (Ma và cộng sự, 2004). Các nghiên cứu còn

chỉ ra rằng, dụng cụ kim cƣơng có thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC (gia công

siêu âm) để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm khuôn, trong khi các

phƣơng pháp truyền thống rất khó thực hiện do tác động hóa học cao hơn giữa

kim cƣơng và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto và cộng sự,

1997& 1999). Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc phục đƣợc các khó khăn về

tính kinh tế trong các phƣơng pháp gia công truyền thống nhƣ đã đƣợc đề cập ở

trên và nó còn có thể nhận đƣợc độ chính xác gia công cao cho nhiều loại vật liệu

gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự, 1979; Gao

và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự 2002;

Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó, công nghệ UVC đã nhận

đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong tất cả

các công nghệ gia công.

Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang đƣợc kết hợp với các phƣơng

pháp gia công khác, nhƣ khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng...để tạo

ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002;

Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005;

Suzuki và cộng sự, 2006) [5].

1.3. Các phương pháp gia công có rung động trợ giúp

1.3.1. Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC)

Kỹ thuật CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) lần đầu tiên

đƣợc đề xuất bởi Voronin và Marknov năm 1960. Trong 3 hƣớng rung có thể

đƣợc cung cấp trên đầu dụng cụ cắt bởi các cơ cấu rung áp điện- PZT, nhƣ đƣợc

thể hiện trên hình 1.1, chỉ có hƣớng tiếp tuyến với chi tiết thƣờng đƣợc các nhà

nghiên cứu sử dụng để thực nghiệm. Để đơn giản, gọi đây là phƣơng pháp UVC

(Ultrasonic Vibration Cutting). Tuy nhiên, không ít các nhà nghiên cứu

Thực hiện: Phan Văn Nghị

(Balamuth, 1966; Skelton, 1969; Kim và Choi, 1997; và Astachev và Babitsky,

21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

1998) đã thực hiện các thực nghiệm trên hƣớng rung theo phƣơng chạy dao và

thấy rằng năng suất cắt không đƣợc cải thiện rõ ràng khi so sánh với phƣơng

Hình 1.1. Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công

pháp UVC tiếp tuyến.

Không có một nghiên cứu nào sử dụng UVC theo phƣơng hƣớng kính chi

tiết bởi vì rung động theo hƣớng này không khả thi khi cắt vật liệu. Trong nhiều

nghiên cứu, UVC theo phƣơng tiếp tuyến đƣợc sử dụng. Trong 3 thập kỷ gần

nhất, phƣơng pháp CUVC đã đƣợc ứng dụng thành công cho nhiều loại vật liệu

khó gia công khác nhau bởi nhiều nhà nghiên cứu (Kumabe và cộng sự, 1984 &

1989; Babitsky và cộng sự, 2003 & 2004; Zhou và cộng sự, 2002; Kim và choi,

1997; Gao và cộng sự, 2002; Xiao và cộng sự, 2002). Trong phƣơng pháp này,

tần số siêu âm khoảng 20 kHz và biên độ rất nhỏ, khoảng 10-15 m đƣợc đặt lên

chuyển động liên tục của dụng cụ cắt (Babitsky và cộng sự, 2002). Tốc độ cắt

trong kỹ thuật UVC đƣợc đặt thấp hơn tốc độ rung lớn nhất của dụng cụ để dụng

cụ có thể tách ra khỏi bề mặt phôi gia công trong từng chu kỳ rung. Do sự tiếp

xúc không liên tục giữa dụng cụ cắt và phôi, lực cắt trong phƣơng pháp này giảm

đến khoảng vài lần khi so sánh với phƣơng pháp truyền thống và tuổi thọ dụng cụ

lớn hơn, quá trình cắt ổn định hơn và chất lƣợng bề mặt cao hơn [5].

1.3.2. Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)

Phƣơng pháp UEVC(hoặc 2-D UVC) lần đầu tiên đƣợc đề xuất bởi

Shamoto và Moriwaki vào năm 1993. Phƣơng pháp này đã phát triển để trở thành

Thực hiện: Phan Văn Nghị

một công nghệ hứa hẹn vƣợt trội hơn nhiều so với các phƣơng pháp CC (gia

22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

công truyền thống) và CUVC và lợi ích hơn nhiều so với các phƣơng pháp gia

công tiên tiến khác cho việc gia công siêu chính xác các loại vật liệu khó gia

công. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cắt này là dụng cụ cắt rung trong theo quỹ

tích hình elip trong mặt phẳng tạo bởi phƣơng cắt gọt và hƣớng của dòng phoi,

nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.2. Do vậy, mặt trƣợc dụng cụ cắt có thể tƣơng trợ

để kéo các phoi ra từ phôi trong chuyển động thẳng đứng của nó thuộc rung

động. Ngoài ra, ma sát giữa mặt trƣớc dụng cụ cắt và phoi trong hƣớng chuyển

động thẳng của dụng cụ cắt trong mỗi chu kỳ rung cũng giảm làm giảm đáng kể

lực cắt và năng lƣợng để cắt (Shamoto và Moriwaki, 1994; và Ma và cộng sự,

2004), làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện đƣợc công suất cắt trong tất cả

Hình 1.2. Mô hình cắt rung theo kiểu elip [5]

các khía cạnh (Shamoto và cộng sự, 1997 & 2005).

1.3.3. So sánh giữa các phương pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và

UECV

Qua các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã thực hiện, lực cắt, mòn

dụng cụ cắt, tuổi bền dụng cụ cắt, chiều dày phoi, vấn đề giảm ba via, độ tròn của

chi tiết cũng nhƣ độ nhẵn bề mặt gia công đạt đƣợc đã đƣợc so sánh giữa các

phƣơng pháp gia công: phƣơng pháp gia công truyền thống, phƣơng pháp gia

công tích hợp rung truyền thống và phƣơng pháp gia công tích hợp rung kiểu

elip.

Các kết quả đã cho thấy, phƣơng pháp gia công truyền thống tồn tại nhiều

nhƣợc điểm nhƣ lực cắt lớn, gây mòn nhanh dụng cụ cắt và giảm tuổi bền của

Thực hiện: Phan Văn Nghị

dụng cụ cắt; chiều dày phoi còn chƣa cải thiện đƣợc, trong khi chất lƣợng chi tiết

23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

sau gia công còn chƣa cao. Trong khi đó, áp dụng phƣơng pháp gia công tích hợp

rung, mà đặc biệt là phƣơng pháp gia công tích hợp rung kiểu elip, chất lƣợng và

hiệu quả của quá trình gia công đƣợc cải thiện rất đáng kể. So sánh cụ thể đƣợc

Bảng 1.1. So sánh các phương pháp gia công tích hợp rung siêu âm

thể hiện trong bảng 1.1.

Gia công với

Gia công với

Phương pháp

Gia công

STT

rung siêu âm

rung siêu âm

Thôngsố

truyền thống

truyền thống

kiểu elip

Lực cắt

Rất cao

Thấp

Rất thấp

1

Mòn dụng cụ cắt

Rất cao

Thấp

Rất thấp

2

Tuổi bền

Rất thấp

Cao

Rất cao

3

Chiều dày phoi

Lớn

Trung bình

Rất nhỏ

4

Sự khử ba via

Không

Trung bình

Cao

5

Độ chính xác

Độ tròn của chi tiết

Thấp

Hợp lý

6

cao

Có thể < 0.1

Độ nhẵn bề mặt, Ra

7

> 1 m

< 0.1 m

m

1.4. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp gia công

Để thiết kế, chế tạo bộ tạo rung, cần thiết phải lựa chọn đƣợc nguyên lý

tạo rung động. Theo các nguyên lý khác nhau, hiện nay có 5 phƣơng pháp tạo

rung động đã đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp gồm: tạo rung bằng ly tâm

cơ khí, bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi), bằng truyền dẫn khí nén hay thủy

lực, bằng điện từ và bằng siêu âm.

Hình 1.3. Nguyên lý hình thành lực ly tâm

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí

24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Sơ đồ trên dựa trên nguyên lý tạo rung bằng lực li tâm do bánh lệch tâm quay

do Tasaplin đề xuất vào năm 1949 [14]. Cho một khối lƣợng lệch tâm m (kg) đặt

cách tâm quay một khoảng r (m), quay với vận tốc góc không đổi  (rad/s); giá

trị lực ly tâm tác dụng lên trục quay sẽ là:

(N) (1.1)

Vec-tơ lực ly tâm này có phƣơng thay đổi đều trong mặt phẳng vuông góc

với trục quay. Thành phần lực chiếu lên một phƣơng bất kỳ đƣợc xác định theo

công thức:

(N) (1.2)

Khi chiếu lên phƣơng thẳng đứng, thành phần lực này có dạng:

(1.3)

Trong đó: M là khối lƣợng của cả cơ cấu.

g là gia tốc trọng trƣờng.

A là đại lƣợng đặc trƣng cho biên độ dao động của cơ cấu.

B là trọng lực có vai trò nhƣ một thành phần lực tĩnh.

Dễ thấy, giá trị lực tác dụng theo một phƣơng xác định là một vector điều

hòa, thay đổi theo chu kỳ.

Nếu gắn phần lực này lên bộ phận cần rung, rung động sẽ đƣợc tạo ra với

tần số f và biên độ A đƣợc xác định nhƣ sau:

- Tần số rung f (Hz): f = n/60 (1.4)

Với n là tốc độ quay của khối lƣợng m quanh trục quay (v/ph)

- Biên độ rung A (mm) chính là li độ dao động lớn nhất của bộ phận rung. Biên

độ A sẽ đƣợc xác định khi xây dựng kết cấu và đặc tính của cơ cấu rung.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1.4.2. Tạo rung động bằng lực từ trường

25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 1.4. Nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường

` a b

Để tạo ra rung động bằng lực từ trƣờng, sử dụng nguyên lý dao động từ

trƣờng để tạo ra lực hút, đẩy theo chu kỳ thay đổi của chiều từ trƣờng trong các

nam châm điện. Đây là nguyên lý tạo rung đã đƣợc Franca và Weber đề xuất

[15]. Nhƣ vậy, có thể sử dụng nguyên lý này để tạo rung khi gia công nhƣ đƣợc

thể hiện trên hình 1.4.a. Trên hình này, sử dụng một nam châm điện xoay chiều

để tạo ra lực từ xoay chiều. Nam châm điện xoay chiều này đƣợc tạo ra bằng

cách dùng một ống dây quấn quanh một lõi thép kỹ thuật điện (thép Si), rồi nối 2

đầu cuộn dây với một nguồn điện áp xoay chiều (UAC). Nhƣ vậy, với nam châm

này, có thể tạo ra lực từ thay đổi chiều theo tần số dòng điện. Để tiếp nhận lực

hút, đẩy thay đổi này, bố trí một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện nam châm điện

xoay chiều này. Nam châm vĩnh cửu có cấu tạo giống với nam châm điện xoay

chiều, nhƣng nguồn cung cấp cho nó phải là nguồn điện một chiều (UDC). Khi cố

định nam châm xoay chiều và gắn nam châm vĩnh cửu với phôi gia công ở trạng

thái có thể di chuyển, lực từ thay đổi sẽ hút, đẩy nam châm vĩnh cửu, dẫn đến

phôi gia công sẽ dao động (rung) theo tần số thay đổi chiều của lực. Một thiết bị

tạo rung theo nguyên lý này đƣợc mô tả trên hình 1.4.b. Trên hình này,

nam châm điện 1 với các cuộn dây 4 lắp vào thanh ngang 8. Lõi 2 lắp trên khung.

Thanh 8 đƣợc đỡ trên khung bằng các lò xo 5. Dây điện hình lò xo cấp điện cho

cuộn dây 4. Điều chỉnh khe hở giữa các cực bằng đai ốc 6. Điều chỉnh bộ rung

Thực hiện: Phan Văn Nghị

bằng chi tiết 7 lắp trên stator.

26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Thông số rung gồm biên độ A phụ thuộc vào độ lớn lực từ và các đặc tính

cơ học của hệ thống; còn tần số rung f phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều

đƣa vào nam châm điện xoay chiều. Với nguyên lý nhƣ vậy, để tạo đƣợc rung

động trên phôi gia công, cần bố trí một cơ cấu tạo rung sử dụng nam châm điện

Hình 1.5. Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trường

đƣợc thể hiện trên hình 1.5.

Cơ cấu này gồm một bệ cơ sở để cố định 4 trục ren xỏ 4 lò xo đàn hồi để

duy trì lực rung, đồng thời cố định nam châm điện xoay chiều và kẹp toàn bộ cơ

cấu rung lên bàn máy gia công. Để tạo đƣợc rung động trên phôi, gắn phôi lên

một tấm gá gắn chặt với nam châm điện một chiều (nam châm này dao động do

lực từ do nam châm điện xoay chiều tác dụng lên) và toàn bộ tấm gá này đƣợc

đặt lên 4 lò xo trên để duy trì rung động.

1.4.3. Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi)

Thiết bị này gồm các cơ cấu cơ khí biến chuyển động quay thành chuyển

Hình 1.6. Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung

Thực hiện: Phan Văn Nghị

động đi lại (khứ hồi), dùng cho các máy rung tần số thấp.

27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 1.6 là ví dụ truyền dẫn lệch tâm trong máy tải rung. Khung 2 và 4

mang vật cần tải nối với nhau bằng hai biên 5 và các thanh díp 6. Biên 5 có ổ

bằng cao su hai đầu nối với khung 2 và 4, ổ giữa nối giá. Cơ cấu truyền dẫn lệch

tâm 3 có biên lò xo nối với khung 4, biên hƣớng theo phƣơng cần gây dao động.

1.4.4. Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực

Năng lƣợng khí nén hay thủy lực tạo chuyển động đi lại của bộ tạo rung

Hình 1.7. Tạo rung bằng thủy lực, khí nén

để gây rung.

Trên hình 1.7.a, khí nén từ ngoài vào buồng phải của pít tông 8 qua lỗ 3 và

4, nén lò xo 9, đƣa pít tông 8 sang trái. Khí ở buồng trái qua lỗ 7 thoát ra khí trời.

Gần cuối vị trí tận cùng bên trái của pít tông 8, lỗ 7 và 4 bị đóng lại, 2 và 6 mở

ra, pít tông 8 đảo chiều. Tần số rung của pít tông đƣợc điều chỉnh bằng áp suất

khí và độ cứng của lò xo 5 và 9.

Ở hình 1.7.b, bơm 4 qua từng chu kỳ cho chất lỏng vào xi lanh 1 qua ống

3 và hút chất lỏng qua ống 5 làm pít tông 2 di chuyển. Cần 7 có chèn lò xo để

thêm bậc tự do cho cơ cấu. Lực kích thích từ cần 7 truyền cho bộ phận làm việc

của máy rung. Biên độ dao động đƣợc điều chỉnh bằng thay đổi năng suất bơm.

1.4.5. Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1.4.5.1. Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm

28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hiệu ứng áp điện đƣợc Jacques và Pierre Curie phát hiện và năm 1880. Họ

thấy rằng nếu đặt một biến dạng cơ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực

về điện và mức độ phân cực tỷ lệ với mức độ lớn biến dạng đặt vào. Curie còn

khám phám ra rằng, các vật liệu giống với vật liệu này sẽ bị biến dạng khi đặt

vào chúng một điện trƣờng. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện ngƣợc.

Hình 1.8. Hiện ứng áp điện

Bản chất của hiệu ứng áp điện đƣợc thể hiện trên hình 1.8.

Hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể trung tính nhƣ tinh thể thạch anh,

Tuamalin, Na, Kali, Tartrate và các tinh thể này đã đƣợc sử dụng nhiều để chế

tạo các cơ cấu chuyển đổi áp điện (PZT). Ngoài ra, vật liệu đa tinh thể hiện nay

đƣợc sử dụng rất rộng rãi, gọi là gốm áp điện. Với các tinh thể thể hiện tính áp

điện, cấu trúc của nó không nên có tâm đối xứng. Một ứng suất (kéo hoặc nén)

đƣợc đặt lên tinh thể sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa các vị trí điện tích âm và

dƣơng trong mỗi ô phần tử dẫn đến sự phân cực mạng ở bề mặt tinh thể. Hiệu

ứng này thƣờng là tuyến tính. Sự phân cực thay đổi trực tiếp với ứng suất đặt vào

và phụ thuộc vào hƣớng ứng suất, dẫn đến các ứng suất nén và kéo sẽ phát sinh

điện trƣờng và do vậy điện áp bị phân cực ngƣợc. Ngƣợc lại, nếu tinh thể đƣợc

đặt vào một điện trƣờng thì nó sẽ phát sinh một biến dạng dẻo làm cho chiều dài

của tinh thể tăng hoặc giảm tƣơng ứng với độ phân cực điện trƣờng.

Việc chuyển đổi từ năng lƣợng điện sang chuyển vị cơ học đƣợc thể hiện

bằng công thức sau [16]:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

S=dE=dU/l (1.5)

29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Ở đây, S là biến dạng cơ học phát sinh do điện trƣờng E hoặc điện áp V đặt

vào miếng vật liệu áp điện (xem hình 1.9) còn l là chiều cao của miếng áp điện

đó.

Hình 1.9. Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện

1.4.5.2. Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT

Các cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Tranducers- PZT) là các tấm

đƣợc chế tạo bằng các loại vật liệu áp điện để tạo ra các biến dạng (tạo ra rung

động) khi có sự phân cực điện áp đặt vào hoặc phát ra tín hiệu điện áp khi có

biến dạng do ngoại lực. Các cơ cấu PZT biến đổi tín hiệu điện nhƣ điện áp hoặc

điện tích thành chuyển vị cơ học hoặc lực. Dãy tần số điều khiển của các cơ cấu

từ tĩnh đến khoảng 1/2 tần số cộng hƣởng của hệ thống cơ học. Giống nhƣ một

cảm biến, cần biết mối quan hệ tuyến tính hợp lý giữa tín hiệu đầu vào và chuyển

vị cơ học. Mặt khác, có một loại cơ cấu đặc biệt đƣợc điều khiển tại tần số cộng

hƣởng của chúng, đƣợc gọi là bộ chuyển đổi siêu âm. Những bộ chuyển đổi này

biến đổi năng lƣợng điện thành năng lƣợng cơ học.

Các cơ cấu PZT đƣợc chia thành 3 nhóm chính sau:

- Các cơ cấu làm việc theo phƣơng dọc trục - mô hình d33;

- Các cơ cấu làm việc theo phƣơng ngang - mô hình d31;

Các cơ cấu làm việc theo kiểu hỗn hợp. -

Các cơ cấu làm việc theo phƣơng dọc trục và theo phƣơng ngang có độ

cứng cao và đƣợc tối ƣu cho các chuyển động nhỏ và lực lớn. Các cơ cấu hỗn

Thực hiện: Phan Văn Nghị

hợp (tinh thể kép) sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển vị lớn.

30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Nếu đặt lên cơ cấu một điện áp thì sẽ có một chuyển vị xuất hiện. Khi

chuyển vị này bị ngăn cản, một lực sẽ xuất hiện, gọi là lực cản, thực tế nó là

thông số xác định độ cứng của cơ cấu. Hình 1.10 đƣa ra một minh họa về sự kết

Hình 1.10. Quan hệ giữa lực cản và hành trình ( biên độ)

hợp khả thi giữa lực cản- hành trình.

1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ

Ứng xử của một miếng PZT làm việc theo phƣơng dọc trục (phƣơng 3) đƣợc

Hình 1.11. Ứng xử của một PZT làm việc theo hướng trục

thể hiện trên hình 1.11.

Đây là loại PZT đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế để tạo ra rung động do các

biến dạng cơ học của PZT này tạo ra. Các tính toán về loại PZT này đƣợc trình

bày nhƣ sau:

Hành trình- chính là biên độ rung khi F=0 (không có tải):

Thực hiện: Phan Văn Nghị

h=d33.U (1.6)

31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Lực cản (lực phát sinh bởi việc nén tấm PZT) khi h=0:

(1.7)

Độ cứng (hằng số lò xo):

(1.8)

Tần số cộng hƣởng cho PZT tự do với w và l < h:

(1.9)

Tần số cộng hƣởng khi phần đáy của PZT đƣợc gắn vào một bệ cố định:

, (1.10)

Với các loại miếng PZT dạng trụ tròn xoay, thông số l.w đƣợc thay bằng 2r.

Trong các công thức trên thì ý nghĩa các thông số là:

(1) chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong

hƣớng 1 dƣới điều kiện ứng suất cố định, đơn vị là F/m;

(2) chính là hằng số điện môi với sự thay đổi điện môi và điện trƣờng trong

hƣớng 3 dƣới điều kiện biến dạng cố định, đơn vị là F/m;

(3) là độ mềm của ứng suất và sự kết hợp với biến dạng theo hƣớng 1 khi

điện trƣờng cố định, đơn vị là m2/N;

(4) là độ mềm với ứng suất trƣợt theo trục 3 và kết hợp với biến dạng theo

hƣớng 3 dƣới điều kiện độ dịch chuyển điện cố định, đơn vị là m2/N:

- D ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện lƣợng dịch chuyển điện cố định,

- E ( chỉ số trên) thể hiện điều kiện điện trƣờng cố định;

(5) d33 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng dọc (m/V) hay là độ phân cực theo

phƣơng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 3;

(6) d31 là hệ số biến dạng cơ theo phƣơng ngang (m/V) hay là độ phân cực theo

hƣớng 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo phƣơng 1;

(7) g31 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng ngang (Vm/N) hay là lƣợng điện

Thực hiện: Phan Văn Nghị

trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 1;

32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

(8) g33 là hằng số điện áp áp điện theo phƣơng dọc (Vm/N) hay là lƣợng điện

trƣờng đƣợc tạo ra theo chiều 3 trên 1 đơn vị ứng suất tác dụng theo hƣớng 3;

(9) g15, đơn vị Vm/N, là lƣợng điện trƣờng gây ra theo chiều 1 trên 1 đơn vị ứng

suất trƣợt tác dụng theo hƣớng 2;

(10) keff là hệ số thể hiện hiệu suất chuyển đổi cơ-điện do việc liên kết giữa các

PZT và phần kẹp:

- k33 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng dọc (%),

- k31 là hệ số hiệu suất lắp ghép theo phƣơng ngang (%);

(11) N là hệ số tần số phụ thuộc vào kích thƣớc các tấm PZT, đơn vị là m/s:

là hệ số tần số theo phƣơng 3 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không -

thay đổi,

- là hệ số tần số theo phƣơng 1 trong điều kiện độ dịch chuyển điện không

thay đổi.

Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính toán ở trên, nhiều

công ty trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động

ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp nhƣ gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y

học... cũng nhƣ ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực,

cân trọng lƣợng...Các loại PZT này thƣờng đƣợc chế tạo thành hai dạng cơ bản

sau:

Hình 1.12. PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp

- Dạng PZT dạng miếng đơn, đƣợc minh họa trên hình 1.12:

Loại này gồm các số hiệu PZT-4, PZT-8... với các kích thƣớc đa dạng phù

Thực hiện: Phan Văn Nghị

hợp cho từng trƣờng hợp cụ thể. Đây là các miếng PZT đƣợc dùng để đo lực cắt,

33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

trọng lƣợng hoặc sử dụng tạo rung động tần số cao và biên độ nhỏ vì mỗi miếng

PZT chỉ có thể tạo ra rung động với biên độ 1.8 – 2 (m) và tần số rất lớn (đến

hàng chục, hàng trăm kHz).

Hình 1.13. Các PZT xếp chồng

- Dạng PZT xếp chồng, đƣợc thể hiện trên hình 1.13:

Loại PZT này đƣợc các công ty chế tạo sẵn thành các cột xếp chồng với các

số hiệu PZT5A, PZT5K...có thể tạo đƣợc rung động với biên độ lớn và tần số rất

lớn (hàng chục đến hàng trăm, nghìn kHz).

1.5. So sánh, lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử

nghiệm

Các mục trên đã trình bày 5 phƣơng pháp tạo rung động cơ bản đã đƣợc

sử dụng trong thực tế. Để lựa chọn phƣơng pháp thích hợp để tạo ra rung động áp

dụng cho nguyên công khoan, cần so sánh các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng

pháp trên.

- Phƣơng pháp tạo rung động bằng bánh lệch tâm:

Phƣơng pháp này có ƣu điểm là có thể thiết kế chế, tạo đơn giản, chi phí

thấp, dễ dàng điều khiển đƣợc biên độ rung bằng cách điều khiển tốc độ quay

của động cơ quay lệch tâm (có thể sử dụng động cơ vô cấp), điều chỉnh biên

độ rung khá dễ dàng bằng cách thay đổi lực quán tính li tâm khi thay đổi khối

lƣợng hoặc khoảng cách lệch tâm. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp

này là khó điều chỉnh phƣơng rung động và tần số rung tạo đƣợc thƣờng

không cao (thƣờng f không lớn hơn 100 Hz do giới hạn của tốc độ quay động

cơ).

- Phƣơng pháp tạo rung động bằng lực từ trƣờng:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Ƣu điểm của phƣơng pháp này là chi phí thiết kế, chế tạo thấp; có thể điều

34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

khiển tần số và biên độ rung dễ dàng bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp và

tần số điện áp đặt vào các nam châm điện. Để điều chỉnh giá trị điện áp, sử

dụng các biến áp; còn để điều chỉnh tần số dòng điện, sử dụng bộ biến tần.

Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này chính là công suất rung thƣờng nhỏ và

thiết bị thƣờng bị nóng lên do tác dụng của dòng Fuco khi vận hành.

- Phƣơng pháp tạo rung bằng dẫn động lệch tâm (khứ hồi):

Ƣu điểm là kích thƣớc gọn mà cho lực kích thích lớn khi vận tốc quay bé.

Có thể làm việc với vận tốc cao nhƣng thết bị phải đƣợc cân bằng và làm việc

ở chế độ cộng hƣởng.

- Phƣơng pháp tạo rung bằng thủy lực, khí nén:

Truyền dẫn khí nén nên dùng cho máy rung tần số cao, nhất là nơi dễ cháy

nổ nhƣ thiết bị tải rung trong hầm mỏ. Việc đồng bộ các bộ tạo rung của thiết

bị có nhiều bộ truyền dẫn là khó khăn.

- Phƣơng pháp tạo rung động bằng các PZT

Đây là phƣơng pháp tạo rung tiến tiến nhất hiện nay và đang đƣợc ứng

dụng rất phổ biến trong công nghiệp. Ƣu điểm của phƣơng pháp chính là có

thể tạo ra rung động với công suất rất lớn (đến hàng nghìn W) và tần số rung

động rất cao, vƣợt qua tần số siêu âm nhiều lần (> 20 kHz). Nhƣợc điểm của

phƣơng pháp này chính là chi phí chế tạo rất cao (chi phí cho các PZT và máy

phát điện áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD). Hơn

nữa, các cơ cấu này thƣờng cho biên độ rung thấp. Ngoài ra, việc điều khiển

tối ƣu quá trình rung động này còn khá phức tạp.

Qua các phân tích ƣu nhƣợc điểm trên kết hợp với điều kiện thực tế,

phƣơng pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng

các PZT đã đƣợc chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

1.6. Kết luận chương

Chƣơng này trình bày về tầm quan trọng và tính cấp thiết của phƣơng

pháp gia công có rung động trợ giúp. Các phƣơng pháp tạo rung động cƣỡng bức

đã đƣợc liệt kê và phân tích. Hiện có 5 phƣơng pháp tạo rung động lần lƣợt theo

Thực hiện: Phan Văn Nghị

các nguyên lý: tạo rung bằng li tâm cơ khí, tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm,

35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

tạo rung bằng thủy lực, khí nén, tạo rung bằng lực điện từ và tạo rung siêu âm

bằng hiệu ứng áp điện.

Cuối cùng, bằng các phân tích và kết hợp với điều kiện thực tế, phƣơng

pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng các PZT đã

Thực hiện: Phan Văn Nghị

đƣợc chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Chương 2

CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ

TRÊN HỢP KIM NHÔM

2.1. Giới thiệu

Chƣơng này trình bày về ứng dụng rộng rãi của nhôm và hợp kim nhôm

trong công nghiệp. Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp kim nhôm và hƣớng xử

lý các khó khăn bằng phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp cũng đã đƣợc

đƣợc trình bày.

Phần 2.2 giới thiệu các ứng dụng của nhôm, hợp kim của chúng nói chung

và nói riêng về hợp kim nhôm A5052. Phần 2.3 trình bày về các khó khăn khi

khoan nhôm và hợp kim nhôm, nhất là hợp kim nhôm A5052. Phần 2.4 đề xuất

hƣớng giải quyết các vấn đề khó khăn đó và phần cuối cùng của chƣơng đƣa ra

các kết luận chính của chƣơng.

2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm

Ngày nay, nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai sau thép về sản xuất

và ứng dụng [17]. Sở dĩ có điều này là do nhôm và hợp kim nhôm có các tính

chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số trƣờng hợp ứng dụng

của hợp kim nhôm không thể thay thế đƣợc nhƣ trong công nghệ chế tạo máy

bay và các thiết bị ngành hàng không khác. Các chi tiết đƣợc sử dụng cho ngành

hàng không yêu cầu phải nhẹ nhƣng phải đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ bền khi

làm việc. Yêu cầu này đƣợc hợp kim nhôm đáp ứng tƣơng đối tốt.

Nhôm và hợp kim nhôm còn có vị trí khá quan trọng trong ngành chế

tạo cơ khí và xây dựng nhƣ ứng dụng cho các khung gầm cho thiết bị điện tử cho

các máy tính xách tay, ti vi, máy ảnh...; chế tạo bình áp lực, các chi tiết yêu cầu

Thực hiện: Phan Văn Nghị

độ bền và tính ổn định cao nhƣ các chi tiết trên máy bay...

37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 2.1. Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm

Nhôm đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do các tính chất cơ bản

quan trọng sau đây của chúng:

- Khối lƣợng riêng nhỏ (xấp xỉ 2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng

bằng 1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt đƣợc chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo

phải chú trọng đến trọng lƣợng (trong ngành hàng không, vận tải...);

- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề

mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong

khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ;

- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng, nhƣng do nhôm nhẹ

hơn nên chúng đƣợc sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì

dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2; ít bị nung nóng hơn;

- Tính dẻo: Nhôm rất dẻo nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng,

màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các

Thực hiện: Phan Văn Nghị

loại tản nhiệt...rất thuận tiện khi sản xuất);

38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

- Nhiệt độ nóng chảy: Nhiệt độ nóng chảy tƣơng đối thấp nên thuận tiện cho việc

nấu chảy khi đúc, nhƣng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng đƣợc

ở nhiệt độ cao hơn 300-400 C;

- Độ bền, độ cứng: Nói chung độ bền và độ cứng của nhôm và hợp kim nhôm

thấp hơn so với thép nên tính công nghệ của nhôm và tính của nhôm ở một số

nguyên công cơ bản cao hơn so với thép nhƣ các nguyên công tiện, phay, bào...

* Hợp kim hệ Al- Mg

Hợp kim nhôm loại này đƣợc dùng để chế tạo sản phẩm yêu cầu có độ

chống mài mòn cao nhƣ ống dẫn xăng dầu, thùng chứa que hàn.

Mg có tác dụng hóa bền hợp kim khá mạnh. Khi tăng hàm lƣợng Mg, độ

bền tăng và đạt mức cực đại với 16%Mg. Độ dẻo giảm khi hàm lƣợng Mg tăng

nhƣng vẫn giữ đƣợc giá trị khá lớn ở vùng nồng độ 11- 12%Mg. Tổ chức của

những hợp kim này đặc trƣng bởi mạng pha  (Al3Mg2) bao quanh hạt .

Trong kỹ thuật, thƣờng ứng dụng các hợp kim với lƣợng Mg nhỏ hơn 6%.

Để nâng cao chất lƣợng của chúng ngƣời ta hợp kim hóa thêm Mn, Ti, Cr, Zr…

Ngoài ra, các nguyên tố này còn ngăn cản pha  (Al3Mg2) phân bố ở

dạng mạng theo biên giới hạt . Do vậy, chúng nâng cao khả năng chống ăn mòn

dƣới tác dụng của ứng suất. Silic với hàm lƣợng nhỏ có tác dụng tốt cải thiện tính

hàn.

Hợp kim hệ Al-Mg có cơ tính tốt, độ bền đảm bảo, độ dẻo cao, tính ổn

định chống ăn mòn và tính hàn cao. Ngoài ra, các hợp kim hệ này còn có khả

năng chống rung động tốt, giới hạn mỏi -1 khá lớn, do vậy chúng thƣờng dùng

để làm các sản phẩm cần tính chống ăn mòn cao nhƣ: ống chứa xăng dầu, thùng

chứa que hàn.

 Hợp kim nhôm A5052

Hợp kim nhôm A5052 (AA-5052- H34) đƣợc gọi tên theo tiêu chuẩn AA, còn

theo UNS là A95052, và theo tiêu chuẩn ISO là AlMg2.5. Đây là loại hợp kim

nhôm chứa hàm lƣợng Mg cao với độ bền cơ học cao. Hợp kim này có tính

Thực hiện: Phan Văn Nghị

chống ăn mòn và tính hàn tốt. Nó chủ yếu đƣợc sử dụng cho các khung gầm cho

39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

các thiết bị điện tử cho các máy tính xách tay, ti vi...; chế tạo bình áp lực, các chi

tiết yêu cầu độ bền và tính ổn định cao nhƣ các chi tiết trên máy bay...[18].

Hình 2.2 Các sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm A5052

Bảng 2.1. Phôi hợp kim nhôm tấm với thành phần hóa học cơ bản [19]

Các bảng dƣới đây thể hiện thành phần hóa học và cơ tính của loại hợp kim này.

Si Fe Cu Mn Mg Ti Cr Pb Sn Zn

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)

0.110 0.365 0.012 0.026 2.489 0.023 0.013 0.253 0.008 <0.002

Ni Na Sr V Zr Sb Co B Al Mo

(%) %) %) (%) (%) %) (%) (%) (%) (%)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

0.008 0.002 0.005 <0.002 0.004 <0.007 0.004 0.004 96.621

40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Bảng 2.2. Cơ tính của hợp kim nhôm A5052 [18]

Các yếu tố

Các yếu tố

Giá trị theo

Giá trị theo

Giá trị theo

Giá trị theo

đánh giá cơ

đánh giá cơ

hệ mét

hệ Inch

hệ mét

hệ Inch

tính

tính

Độ bền nén

Mật độ

2.68 g/cc

0.0968 lb/in3

469 MPa

68000 psi

tới hạn

Độ bền chảy

Độ cứng

68

68

303 MPa

43900 psi

(nén)

Brinen

Hệ số

Độ cứng

91

91

0.33

0.33

Poatxong

Knoop

Độ cứng

78

78

Độ bền mỏi

124 MPa

18000

Vicker

Tính gia

Độ bền kéo

262 MPa

38000 psi

50 %

50%

công

tới hạn

Mô đun

Độ bền chảy

214 MPa

31000 psi

25.9 GPa

3760 ksi

trƣợt

(kéo)

Độ giãn dài

10 %

10%

Độ bền trƣợt

145 MPa

21000 psi

tƣơng đối

Độ bền nén

Mô đun đàn

70.3 GPa

10200 ksi

469 MPa

68000 psi

tới hạn

hồi

2.1.2. Tính gia công của hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có thể gia công đạt năng suất cao và kinh tế bởi vì cấu trúc

luyện kim phức tạp và các đặc tính gia công của chúng cao hơn so với nhôm

nguyên chất [17]. Các thành phần nguyên tố hợp kim trong hợp kim nhôm có

những tác dụng quan trọng ảnh hƣởng đến các đặc tính gia công. Các thành phần

nguyên tố hợp kim không mòn có lợi cho quá trình cắt gọt, còn các thành phần

không hòa tan gây tác động có hại lên tuổi bền của dụng cụ và chất lƣợng bề mặt.

Nhƣ vậy các nguyên tố hợp kim đƣợc đƣa vào có mục đích tạo ra các hợp kim có

Thực hiện: Phan Văn Nghị

khả năng cắt gọt, độ bền cao nên dùng cho gia công khuôn mẫu và đồ gá.

41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Nói chung, các hợp kim nhôm mềm hơn có phạm vi sử dụng ít hơn, một

số hợp kim nhôm có độ cứng cao hơn khi gia công thƣờng tạo ra lẹo dao bởi phoi

bị chảy ra do nhiệt phát sinh trong quá trình cắt gọt. Cần thay đổi chế độ cắt và

sử dụng dụng cụ phù hợp để giảm hiện tƣợng lẹo dao.

Hợp kim có hơn 10%Si gặp nhiều khó khăn nhất trong quá trình gia công

bởi các phân tử Si rất cứng sẽ gây nên sự mòn dao.

2.3. Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm

2.3.1. Các vấn đề chung

2.3.1.1. Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm

Mặc dù lực cắt trong quá trình gia công hợp kim nhôm tƣơng đối thấp, tuy

nhiên chúng có thể cung cấp một chỉ tiêu quan trọng cho việc so sánh các hợp

kim khác nhau cùng điều kiện gia công (Zaghbani và Songmene, 2009).

Lực cắt nhạy với sự thay đổi của lƣợng chạy dao hơn so với tốc độ cắt.

Trong thực tế, tốc độ cắt xác định chiều dày phoi, là thông số chính ảnh hƣởng

đến lực cắt. Các thử nghiệm khoan khác nhau đã đƣợc thực hiện để xác định ảnh

hƣởng của lƣợng chạy dao và các hợp kim đến lực cắt. Các kết quả nhận đƣợc

đƣợc thể hiện trên hình 2.3. Nhƣ vậy, lực cắt tăng với lƣợng chạy dao tăng ở

những vận tốc cắt khác nhau cho tất cả các vật liệu đƣợc thử nghiệm. Các kết quả

này (xem hình 2.3) xác nhận các nghiên cứu trƣớc đó của nhiều tác giả khác nhau

(M.C.Shaw, 1989; E.J A.Armarego, 1984; Subramnian và cộng sự, 1977; Balout

và cộng sự, 2002) [20].

Hình 2.3. Mức độ ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng chạy dao đến lực cắt

Thực hiện: Phan Văn Nghị

2.3.1.2. Sự hình thành và tách phoi

42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình dạng và cấu trúc của phoi nói lên sự biến dạng phoi khi cắt. Mô hình

hình thành phoi phụ thuộc vào vật liệu phôi, thông số hình học dụng cụ cắt và

điều kiện cắt. Phoi ngắn và ở dạng tách rời chính là dạng mong muốn khi cắt vật

liệu.

Nhiều nghiên cứu đã phân tích sự hình thành phoi để xác định điều kiện

cắt tối ƣu để cải thiện quá trình cắt và tính gia công của vật liệu. Xie và cộng sự

(1996) đã phát triển một hệ số xác định sự tách phoi, gọi là thông số định vị dòng

. Một số thử nghiệm đã đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm để xác định đặc

tính của hình dạng phoi khi gia công hợp kim nhôm. Hình 2.4 thể hiện hình thái

học của phoi nhận đƣợc từ ảnh chụp trên máy SEM có quan hệ với tốc độ cắt và

các hợp kim khi khoan các loại hợp kim nhôm khác nhau với lƣợng chạy dao

0.15 mm/v. Có thể thấy rằng, thậm chí với vật liệu giòn nhƣ A356-T0 và A319-

T0, vẫn tạo thành phoi dây khi cắt ở vận tốc thấp. Tƣơng tự, với các loại vật liệu

dẻo hơn nhƣ 6061-T6 và 7075-T6, cũng có thể tạo ra phoi vụn khi cắt ở vận tốc

Hình 2.4. Phoi khi khoan vật liệu dẻo

vừa phải.

Hình 2.5 thể hiện các dạng phoi khác nhau và chiều dài (ngắn, trung bình,

dài) của các loại vật liệu khác nhau. Trên hình 2.5a, vùng giới hạn giữa phoi dây

Thực hiện: Phan Văn Nghị

và phoi vụn đƣợc phân định rõ ràng trên vật liệu 7075. Nhiều giới hạn có thể

43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

nhận thấy rõ ràng trên hình 2.5.b cho nhiều loại hợp kim nhôm. Sự phân định

giữa vùng phoi dây đến vùng phoi vụn cho mỗi vật liệu thử cũng đƣợc thể hiện.

Việc phân định các giới hạn này có thể giúp cho việc lựa chọn điều kiện cắt để

xuất hiện phoi vụn nhƣ mong muốn. Quá trình gia công tốt nhất là tạo ra phoi

vụn, đặc biệt là trong quá trình gia công tự động, vì phoi dây dễ làm cản trở quá

Hình 2.5. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi

trình cắt.

Nhƣ vậy, thấy rằng ở tốc độ cắt thấp, phoi tạo ra luôn là phoi dây với các

vật liệu khác nhau. Sự giảm chiều dày phoi này không chỉ phụ thuộc vào vận tốc

cắt mà còn phụ thuộc vào lƣợng chạy dao. Hình 2.5 còn thể hiện rằng chiều dài

phoi không chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật liệu nhƣ tính dẻo và tính dòn chẳng

hạn, mà còn phụ thuộc vào cả điều kiện cắt nữa [20].

2.3.2. Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm có độ bền lớn hớn nhôm tinh khiết, tuy nhiên tính dẻo vẫn

cao [1]. Do vậy, khi khoan, thƣờng tạo ra phoi dây. Các phoi dây ma sát mãnh

mẽ với mặt trƣớc mũi khoan, rãnh xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan. Ma sát

mạnh mẽ giữa phoi và rãnh xoắn làm cản trở dòng phoi thoát ra, bám chặt vào

rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn, cản trở chuyển động quay của mũi khoan và

lực ma sát cũng làm lực cắt tăng lên. Điều này có thể làm kẹt mũi khoan, gây gãy

mũi khoan trong quá trình gia công. Hơn nữa, dòng ma sát của phoi dây lên lên

thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xƣớc vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ

Thực hiện: Phan Văn Nghị

nhám bề mặt lỗ khoan.

44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Mặt khác, chính ma sát mãnh liệt của phoi dây lên mặt trƣớc, rãnh xoắn

mũi khoan và thành lỗ khoan làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây mòn mũi khoan

và cháy sém bề mặt lỗ khoan. Khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, ngoài vấn đề

ma sát thì vấn đề ba via cũng là một vấn đề lớn làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng lỗ

khoan. Với các lỗ khoan ba via xuất hiện nhiều, thƣờng phải sử dụng các nguyên

công phụ để xử lý chúng [2-6].

Các vấn đề khi khoan các vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm đã

đƣợc trình bày ở trên. Tuy nhiên, vấn đề chủ yếu tác động lên các vấn đề khác đó

chính là hiện tƣợng phoi dây khi khoan vật liệu dẻo. Do vậy, trong luận văn này,

chỉ phân tích kỹ các vấn đề về phoi khi khoan vật liệu dẻo nói chung và nói riêng

về hợp kim nhôm.

2.3.2.1. Biến dạng phoi khi khoan

Hình dạng phoi đã đƣợc nghiên cứu sâu cho quá trình tiện và phay. Những

nghiên cứu này còn có thể mở rộng sang cho quá trình khoan. Một trong những

phƣơng pháp nghiên cứu về khoan đó chính là chia lƣỡi cắt chính thành một số

phần khác nhau và coi mỗi phần đó nhƣ là một lƣỡi cắt đơn giản. Mặc dù phƣơng

pháp này đã đƣa ra đƣợc những giải pháp đơn giản song nó chũng chƣa kể hết

đƣợc các đặc tính riêng trong quá trình biến dạng của phoi.

a. Hình dạng phoi khi khoan

Hình dạng phoi là thông số quan trọng nhất cho “ độ mịn” của quá trình

khoan. Quá trình khoan gọi là “ mịn” nếu nhƣ phoi bị bẻ một cách hợp lý. Tuy

nhiên, hầu hết phoi rất khó bị bẻ khi gia công các vật liệu dẻo, thay vào đó,

chúng tạo ra phoi dây.

Dựa trên nguyên lý biến dạng phoi, các phoi dây có thể đƣợc phân dạng

thành dạng xoắn ốc hoặc dạng dải phoi. Khi phoi mới đƣợc phát sinh, bề mặt

trong của phoi ngắn hơn bề mặt ngoài của phoi do phần trong lƣỡi cắt di chuyển

chậm hơn phần phía ngoài lƣỡi cắt (theo đƣờng kính mũi khoan). Sự khác biệt

theo chiều dài này trong phạm vi phoi làm cho cho phoi chuyển động vào tâm

mũi khoan thay vì vuông góc với lƣỡi cắt chính. Hơn nữa, phần trung tâm rãnh

Thực hiện: Phan Văn Nghị

xoắn làm cho phoi uốn và tạo thành dạng xoắn ốc. Tuy nhiên, khi các phoi xoắn

45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

di chuyển trong rãnh xoắn, để duy trì dạng xoắn đó, chúng phải quay cố định

quanh trục của chúng. Chuyển động quay này làm cho các phoi xoắn này khó

duy trì hình dạng của chúng khi khoan các lỗ sâu hơn. Nếu nhƣ phoi không thể

giữ đƣợc chuyển động quay đó, chúng sẽ phá vỡ hoặc bị ép di chuyển dọc theo

rãnh xoắn mà không không quay, và tạo ra phoi dạng dải.

Khi khoan, không giống nhƣ tiện, bán kính cuộn của phoi dạng xoắn ốc

đƣợc xác định trƣớc tiên bằng không gian rãnh xoắn lớn hơn mặt trƣớc gần với

lƣỡi cắt chính. Các thí nghiệm khác nhau đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu các ảnh

hƣởng của chúng đến đƣờng kính cuộn của phoi.

Phoi dải đƣợc tạo ra khi các phoi dạng xoắn ốc đầu tiên không thể duy trì

dạng ban đầu của chúng. Các phoi dạng dải ít thay đổi tốc độ chuyển động theo

lƣỡi cắt chính so với các phoi dạng xoắn. Do vậy, trong quá trình chuyển từ dạng

xoắn sang dạng dải, một phần của phoi gần tâm mũi khoan (phoi phía trong) sẽ

chuyển động nhanh hơn và phần phoi gần phía ngoài mũi khoan (phoi phía

ngoài) sẽ chuyển động chậm hơn tốc độ ban đầu của chúng, làm cho phoi phía

trong mỏng hơn và phoi phía ngoài dày hơn hình dạng ban đầu của chúng. Phoi

trong mỏng và yếu thƣờng bị chia thành các dạng dích dắc không đều. Sự thay

đổi của tốc độ phoi ở lƣỡi cắt chính còn tạo ra mô men uốn do ứng suất kéo tại

phoi trong và ứng suất nén tại phoi ngoài. Mô men uốn này làm cho các phoi

dạng dải chụm lại phía tâm mũi khoan.

Trong quá trình hình thành phoi dạng dải, phoi nên có độ bền để chống lại

mô men uốn gây ra bởi ứng suất trong phạm vi giữa phoi và lực ma sát trên phoi.

Do vậy, một phoi quá mỏng hoặc quá dẻo sẽ bị biến dạng lại thành một phoi

không đều thay vì dạng dải. Một thí nghiệm khác cũng đã đƣợc thực hiện để

nghiên cứu ảnh hƣởng của lƣợng chạy dao đến độ mịn của quá trình khoan.

Trong thực nghiệm này, độ mịn của quá trình khoan đƣợc đánh giá bằng việc đo

chiều sâu lớn nhất có thể khoan mà không bị kẹt. Thông thƣờng, nên dùng lƣợng

chạy dao nhỏ khi khoan lỗ sâu. Tuy nhiên, kết quả của thí nghiệm chỉ ra rằng

chiều sâu khoan lớn nhất không đạt đƣợc bởi lƣợng chạy dao nhỏ nhất (15m/v),

Thực hiện: Phan Văn Nghị

nhƣng lại đạt đƣợc ở lƣợng chạy dao trung bình (30-60 m/v). Khi lƣợng chạy

46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

dao quá nhỏ, phoi sẽ không đủ cứng để biến thành phoi dạng dải, và trở nên bị

xoắn trong rãnh xoắn mũi khoan, và rất dễ bị kẹt phoi [2].

b. Sự thay đổi hình dạng phoi khi khoan lỗ sâu

Trong quá trình khoan lỗ sâu, phoi thƣờng không đƣợc duy trì một hình

dạng đồng nhất khi tăng chiều sâu khoan. Khi khoan, phoi ban đầu luôn ở dạng

xoắn ốc. Khi khoan các lỗ sau hơn, các phoi xoắn ốc sẽ quay trở lại do việc duy

trì sự quay của phoi trở nên khó khăn. Cuối cùng, phoi xoắn ốc bị quay trở lại

cũng trở thành phoi dạng dải. Trong quá trình chuyển từ phoi xoắn ốc sang phoi

dải, sẽ có một ít kiểu phoi hình dạng đứt đoạn, phụ thuộc vào vật liệu, chiều dày

phoi và kích thƣớc mũi khoan. Ví dụ, phoi có thể giảm hoàn toàn tốc độ xoay và

tăng bƣớc xoắn của phoi xoắn ốc. Khi bƣớc xoắn này giống nhƣ bƣớc của rãnh

xoắn mũi khoan, phoi sẽ trở thành phoi dạng dải.

Các phoi dạng dải hầu nhƣ đƣợc di chuyển bởi lực đẩy phát sinh bởi quá

trình cắt. Lực đẩy này đƣợc xác định bởi tổng lực ma sát do phoi tiếp xúc với

rãnh xoắn mũi khoan mà lực này tăng với việc tăng chiều sâu khoan. Khi lực ma

sát lớn hơn độ bền của phoi, các phoi sẽ bị co thắt và bẻ gãy. Phoi dài bị bẻ gãy

có thể cản trở và ngăn chặn các phoi đƣợc tạo ra tiếp theo. Do lực cản trở lớn,

các phoi tiếp theo sẽ bị bẻ gãy thành các dạng ngắn, không đều nhau. Sự thay đổi

hình dạng phoi này có quan hệ với sự thay đổi của mô men khoan. Nó chỉ ra

rằng, sự tăng mô men xoắn đáng kể luôn đƣợc kèm theo bởi sự kết thúc của phoi

dải dài và chính là sự bắt đầu của phoi dạng bị biến dạng lại và bị chia ngắn.

Hình 2.6 thể hiện hình dạng phoi khi dùng mũi khoan D3.2 mm khoan vật

liệu AISI 1038 với tốc độ trục chính 3000 v/p và lƣợng chạy dao 150 mm/ p. Các

phoi từ mỗi kiểu thể hiện sự thay đổi phoi từ dạng xoắn ốc sang dạng phoi dải và

Thực hiện: Phan Văn Nghị

cuối cùng là dạng phoi từng đoạn ngắn khác nhau [2].

47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 2.6. Các kích thước phoi khác nhau trong thí nghiệm

2.3.2.2. Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc

Hai chuyển động chính trong sự hình của thành phoi xoắn ốc là chuyển

động quay quanh trục phoi và chuyển đọng dọc theo rãnh xoắn mũi khoan. Hình

2.7 thể hiện các lực của chuyển động phoi xoắn trong rãnh xoắn mũi khoan. Các

lực này bao gồm lực phát sinh từ sự tạo phoi, lực ma sát từ rãnh xoắn Ff, lực ma

sát từ thành lỗ Fw. Lực từ sự tạo phoi giúp cho phoi di chuyển lên theo dọc theo

rãnh xoắn và quay quanh mình nó. Lực này còn có xu hƣớng trải phoi và mở

rộng bán kính cong của nó làm tăng lần lƣợt lực ma sát của phoi với rãnh xoắn và

thành lỗ. Đồng thời, lực ma sát từ rãnh xoắn Ff ngăn cản phoi di chuyển lên trên

hoặc quay quanh mình nó. Lực ma sát từ thành lỗ có thể đƣợc phân tích thành

thành phần lực song song với trục phoi Fwf làm phoi chuyển động lên, và lực

Hình 2.7. Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc

Thực hiện: Phan Văn Nghị

vuông góc với bề mặt rãnh xoắn Ffn làm cho phoi quay.

48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Thành phần lực Ffn còn có xu hƣớng làm giảm bán kính của phoi xoắn bởi

sự xoắn của phoi và do vậy giảm ma sát với rãnh xoắn mũi khoan và thành lỗ.

Hình 2.7 thể hiện mối quan hệ giữa lực tác dụng lên phoi, chuyển động

của phoi và thông số hình học của rãnh xoắn, với:

vận tốc quay của mũi khoan

là véc tơ bán kính mũi khoan tại cạnh viền mũi khoan

là vận tốc tuyệt đối của phoi so với phôi, và:

(2.1)

là vận tốc chạy dao

là vận tốc chuyển động của phoi so với rãnh xoắn mũi khoan

là góc xoắn mũi khoan

là góc giữa véc tơ và

là góc giữa véc tơ và

chính là véc tơ của lực ma sát của phoi với thành lỗ

Do đó, thành phần gồm thành phần vuông góc với rãnh xoắn mũi

khoan và thành phần song song với rãnh xoắn với :

(2.2)

(2.3)

Từ phƣơng trình (2.2) và (2.3) có thể thấy rằng các lực ma sát đƣợc xác

định bằng góc với đƣợc tính từ: (2.4)

và có thể nhận đƣợc bằng cách phân tích tam giác tạo ra từ , và

nên:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

(2.5)

49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Góc đƣợc xác định bởi tốc độ phoi di chuyển theo rãnh xoắn. Với tốc

độ quay mũi khoan giống nhau, góc giảm khi giảm làm giảm lực đẩy phoi

Fwf.

Dựa trên hình dạng của phoi xoắn, khi mỗi chiều dài phoi đƣợc phát

sinh bởi góc ngoài mũi khoan, phoi sẽ di chuyển lên dọc theo rãnh xoắn có bƣớc

p và do vậy xấp xỉ bằng:

(2.6) với:

Dchip là đƣờng kính lớn nhất của phoi xoắn ốc

p là bƣớc của phoi xoắn ốc

K là hệ số biến dạng phoi, K=tc/td

Từ hệ số biến dạng phoi K thƣờng lớn hơn 1.5 và bƣớc p thƣờng nhỏ hơn

đƣờng kính phoi xoắn, có thể sẽ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ phần cạnh viền

nhỏ trong biến dạng phoi mũi khoan r. Tốc độ thấp của phoi sẽ làm cho góc

xoắn ốc. Mũi khoan với góc xoắn nhỏ sẽ có lực ma sát lớn hơn khi phoi quay,

trong khi mũi khoan với góc này lớn sẽ làm lực ma sát tăng khi phoi di chuyển

theo rãnh xoắn.

2.3.2.3. Lực di chuyển phoi cho phoi dải

Ảnh hƣởng của các lực động và đƣợc xác định bởi góc xoắn và

tốc độ di chuyển của phoi . Khi góc xoắn không đổi, tăng sẽ làm giảm Fwf

nhỏ trong đa số các và tăng Fwn. Trong sự đẩy phoi theo hình xoắn, bởi vì

trƣờng hợp, Fwf có thể làm cho phoi di chuyển lên trên. Tuy nhiên, trong quá

trình bóc tách phoi dạng dải, tốc độ di chuyển phoi sẽ lớn hơn nhiều so với

trƣờng hợp phoi dạng xoắn do các phoi trải ra. Tốc độ của phoi dải xấp xỉ

bằng tốc độ hình thành phoi ở góc ngoài của lƣỡi cắt chính :

Thực hiện: Phan Văn Nghị

(2.7)

50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Trong đa số trƣờng hợp khoan, giá trị lớn làm cho thành phần lực Fwf

âm, có nghĩa là nếu nhƣ phoi tiếp xúc với thành lỗ, lực ma sát sẽ ngăn cản phoi

dạng dải di chuyển ra ngoài.

Hình 2.8 thể hiện chuyển động của phoi dải trong rãnh xoắn. Hình ảnh thể

hiện rằng, do nội ứng suất của phoi dạng dải nên các phoi hợp lại về phía tâm

mũi khoan mà không tiếp xúc với thành lỗ. Trong trƣờng hợp này, các lực cắt

chính trong quá trình tạo phoi dạng dải chính là lực đẩy từ quá trình tạo phoi và

áp lực từ rãnh xoắn mũi khoan. Khi lỗ khoan càng sâu, các lực này đều tăng. Khi

lực đẩy đạt đến một giá trị giới hạn, phoi sẽ bị có thắt và đứt gãy. Các phoi dạng

dải đã bị bẻ gãy sẽ dễ tạo khối trong rãnh xoắn nếu không lực đẩy từ các phoi kế

tiếp. Do vậy, khả năng để di chuyển phoi dạng dải phụ thuộc vào khả năng không

co thắt của phoi đó. Khả năng không bị co thắt của phoi dạng dải đƣợc xác định

bằng chiều dày phoi và diện tích mặt cắt ngang của rãnh xoắn. Khi phoi dày và

Hình 2.8. Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn

không gian rãnh xoắn nhỏ, hiện tƣợng co thắt phoi giảm.

2.3.2.4. Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi

xoắn ốc

Phoi xoắn ốc đƣợc xác định bằng chuyển động quay quanh trục của chúng

trong quá trình di chuyển để thoát ra. Chuyển động này sẽ là chuyển động tự do

khi khoan lỗ nông. Trong quá trình khoan, phoi sẽ tiếp xúc với rãnh xoắn và

thành lỗ và làm tăng ma sát, cản trở chuyển động của phoi. Đây là trƣờng hợp

đặc biệt khi phoi bị bẻ cong bởi rãnh xoắn. Khi lực cản trở đạt đến một giá trị tới

Thực hiện: Phan Văn Nghị

hạn, phoi sẽ ngừng quay và bị bẻ gãy. Do vậy, chiều dài phoi xoắn ốc phụ thuộc

51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

vào độ mịn của chuyển động phoi trong rãnh xoắn. Phoi chuyển động càng tự do,

phoi sẽ càng dài.

Độ mịn của chuyển động phoi bị ảnh hƣởng bởi góc nghiêng chính, góc

xoắn và kích thƣớc rãnh xoắn mũi khoan. Hình 2.9 thể hiện trạng thái ban đầu

của phoi khi phoi xoắn ốc đƣợc hình thành trên lƣỡi cắt chính. Hình này thể hiện

sự tồn tại một góc thoát phoi tự nhiên , biểu thị hƣớng ban đầu của phoi xoắn

ốc. Góc  có quan hệ với góc nghiêng chính p. Khi góc nghiêng chính p tăng,

góc  tăng. Tuy nhiên, hƣớng phoi thực tế trong phạm vi rãnh xoắn bị giới hạn

bởi góc xoắn . Do vậy, nếu  = , phoi sẽ tự do trong quá trình đi vào rãnh xoắn

từ lƣỡi cắt chính. Nếu   , phoi sẽ bị bẻ cong và đi vào rãnh xoắn, gây ra lực

ma sát gây cản trở phoi. Khả năng ảnh hƣởng của ứng suất uốn đƣợc xác định

bằng cách so sánh sự khác nhau giữa góc  và góc xoắn  bằng giá trị .

Từ hình 2.9, góc  có thể nhận đƣợc từ : (2.8)

Đƣờng kính của phoi xoắn ốc thƣờng là kích thƣớc của rãnh xoắn mũi khoan :

Hình 2.9. Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc

(2.9)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Và : (2.10)

52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Do vậy : (2.11)

Ở đây Dd là đƣờng kính mũi khoan, Wb là đƣờng kính lõi mũi khoan.

2.3.2.5. Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng

dải

Mô hình chiều dài phoi dạng dải dựa trên sự khác nhau giữa góc  và xoắn

. Khái niệm tƣơng tự sẽ đƣợc ứng dụng để mô hình hóa chiều dài phoi dạng trải.

Sự khác nhau giữa việc mô hình phoi dải và việc mô hình phoi xoắn ốc

chính là việc xác định góc thoát phoi tự nhiên . Trong quá trình tạo phoi xoắn

ốc, một góc trƣợt tự nhiên tồn tại khi phoi đƣợc hình thành một cách tự do. Tuy

nhiên, do các phoi dạng dải không phải là dạng tự nhiên nên góc trƣợt tự nhiên

không tồn tại trong quá trình hình thành phoi dải.

Hình 2.10 thể hiện rằng, phoi dạng dải có xu hƣớng tạo dòng đến tâm mũi

khoan khi góc nghiêng chính nhỏ. Trong mô hình này, hƣớng vuông góc với lƣỡi

cắt nhƣ là “hƣớng trƣợt tự nhiên” của phoi dạng dải. Góc giữa “hƣớng trƣợt tự

nhiên” của phoi và trục mũi khoan đƣợc gọi là góc trƣợt tự nhiên của phoi dải ,

Hình 2.10. Hình dạng phoi dạng dải

xấp xỉ bằng [90- ( d / 2)].

Góc trƣợt phoi thực tế đƣợc xác định bởi rãnh xoắn mũi khoan mà rãnh

Thực hiện: Phan Văn Nghị

xoắn này độc lập với góc nghiêng chính. Từ việc phoi dải bó lại quanh đƣờng

53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

tâm mũi khoan, bề mặt của rãnh xoắn gần với tâm mũi khoan xấp xỉ bằng góc

trƣợt của phoi , nhận đƣợc nhƣ sau:

Từ bƣớc rãnh xoắn mũi khoan: (2.12)

Bƣớc rãnh xoắn gần tâm mũi khoan giống với bƣớc ở phần còn lại của

rãnh xoắn, nên: (2.13)

Thay phƣơng trình (2.12) vào (2.13) thì góc xoắn mũi khoan gần với tâm

mũi khoan có thể đƣợc xác định:

(2.14)

2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo

Nhôm và các hợp kim đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do

đặc tính nhẹ và các đặc tính cơ học tốt nhƣng loại vật liệu này lại gây khó khăn

cho một số nguyên công nhƣ nguyên công khoan, đặc biệt là khoan các lỗ nhỏ và

sâu. Khó khăn này là do tính dẻo của nhôm thƣờng tạo phoi dây gây ma sát lớn

lên các mặt của mũi khoan và có thể làm cản trở quá trình khoan cũng nhƣ có thể

làm gãy mũi khoan [1-4].

Quá trình khoan với rung động trợ giúp có rất nhiều ƣu điểm về công nghệ

hơn so với quá trình khoan truyền thống, đặc biệt là khi khoan các lỗ nhỏ và sâu.

Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng rung động chồng nhau có thể giảm kích

thƣớc của các ba via, lực cắt, tuổi bền của mũi khoan và tăng khả năng bẻ phoi

[8, 9]. Mặc dù trong nhiều ví dụ, thực nghiệm đã chỉ ra quá trình khoan rung có

thể cải thiện chất lƣợng quá trình khoan, song mối quan hệ giữa các thông số

rung động và thông số công nghệ quá trình khoan đến việc bẻ phoi cũng chƣa

đƣợc nghiên cứu một cách hệ thống. Vấn đề này sẽ đƣợc nghiên cứu cụ thể trong

các mục sau đây:

2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung

Khoan rung theo hƣớng trục có nghĩa là quá trình đƣợc đặt lên một rung

Thực hiện: Phan Văn Nghị

động với tần số xác định theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Quỹ đạo của một

54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

điểm trên lƣỡi cắt của của mũi khoan so với phôi là một đƣờng xoắn không gian

với các vòng rung, do rung động có chu kỳ đƣợc đặt vào. Trong quá trình khoan

rung, thƣờng gọi lƣợng chạy dao là F (mm/v), tốc độ quay của mũi khoan là n

(r/s), tần số rung là f (Hz), và biên độ rung là A (mm). Do vậy, biểu diễn toán học

của một điểm trên lƣỡi cắt mũi khoan so với phôi là:

(2.15)

Nếu gọi số lần rung của mũi khoan (hoặc phôi) trong một vòng quay của

mũi khoan cũng là hệ số chồng rung là c và nhƣ vậy: c = f/n = i+k (2.16)

i là phần nguyên của thƣơng f/n, k là phần thập phân, -0.5< k <0.5.

Ví dụ f/n = 2.4 thì k = 0.4, f/n = 2.7 thì k = -0.3

Góc lệch pha giữa 2 vòng quay liên tiếp là =2k (2.17)

Hình 2.11. Mô hình quỹ đạo 2 lưỡi cắt mũi khoan khi khoan rung

a) b)

Hình 2.11.a thể hiện quỹ đạo của mũi khoan khi đƣợc đặt vào một rung

động. Trong hình này, đƣờng liền đậm và đƣờng đứt lần lƣợt chỉ quỹ đạo của 2

lƣỡi cắt tƣơng ứng của mũi khoan. Từ hình có thể thấy rằng khi một quỹ đạo

không lệch pha thì khoảng cách trục của 2 quỹ đạo liền nhau sẽ thay đổi theo chu

kỳ thay vì biến đổi nhƣ khi khoan truyền thống. Hình 2.11.b thể hiện hình trải

Thực hiện: Phan Văn Nghị

của quỹ đạo và chiều dày cắt lý thuyết theo hình 2.11.a. Từ hình 2.11.b, có thể

55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

thấy rằng, quỹ đạo của lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan rung là một họ đƣờng hình

sin quanh quỹ đạo của lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan truyền thống. Bởi vậy, nếu

thay đổi các thông số rung (A và f), có thể xen kẽ các quỹ đạo đó và chiều dày

phoi tức thời theo chiều trục có thể trở về bằng 0 (không) theo chu kỳ và sự bẻ

phoi có thể xảy ra [21].

2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp

Trong quá trình khoan rung, mặc dù lƣợng chạy dao danh nghĩa không bị

thay đổi nhƣng khoảng cách theo trục giữa bất kỳ vòng quỹ đạo nào cũng bị thay

đổi theo sự rung chồng nhau tại mọi thời điểm. Gọi khoảng cách theo trục nhƣ là

lƣợng chạy dao thực tế là Ftt.

Từ phƣơng trình (2.15) là phƣơng trình biểu diễn chuyển động của mũi

khoan khi khoan rung, có thể nhận đƣợc khoảng cách tọa độ theo trục giữa các

vòng quỹ đạo liên tiếp của mũi khoan tại mọi thời điểm. Các tọa độ của các điểm

trong 2 quỹ đạo liên tiếp là:

z1 = F.n.t1 + A.sin(2ft1)

z2 = F.n.(t1 + t) + A.sin[2f(t1+t)] (2.18)

Với t là khoảng thời gian dụng cụ quay 1 vòng quanh phôi nên t =1/n.

Do vậy phƣơng trình xác định lƣợng chạy dao thực tế là :

Ftt= z2 - z1 = F.n(t1+ t)+ A.sin2f(t1+t) - F.n.t1 - A.sin2ft1

Ftt = F+ 2A.sin(f/n).cos(2ft1 + f/n) (2.19)

Trong quá trình khoan rung, lƣợng chạy dao thực Ftt thay đổi theo chu kỳ

với biên độ 2Asin f/n và giá trị của Ftt phụ thuộc vào F, A và c.

Kết hợp các phƣơng trình (2.16), (2.17) và (2.19), có phƣơng trình mới:

Ftt = F + 2Asinkcos( 2ft1 + k) (2.20)

Nếu cần phát sinh hiện tƣợng bẻ phoi trong khoan rung thì phải có điều

kiện là trong 1 vòng rung, tồn tại ít nhất 1 thời điểm mà Fttmin  0, nghĩa là:

f  2Asink (2.21)

Khi khoan, hầu hết các mũi khoan đều có 2 lƣỡi cắt cùng làm việc. Điểm

Thực hiện: Phan Văn Nghị

tƣơng ứng trên lƣỡi cắt thứ 2 sẽ tiến đến điểm giống nó so với lƣỡi cắt 1 trên phôi

56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

sau khi dụng cụ quay 1 vòng. Bởi vậy, trong quá trình cắt với chuỗi 2 lƣỡi cắt, t

biểu thị thời gian dụng cụ quay nửa vòng thay vì 1 vòng nhƣ ở phƣơng trình

(2.18) và có nghĩa là t = 1/2n. Do vậy, kết hợp với phƣơng trình (2.21), có:

Với i lẻ theo (2.16)

(2.22)

Với i chẵn theo (2.16)

Nếu kết hợp (2.16) và (2.22) thì điều kiện bẻ phoi sẽ xảy ra.

2.5. Kết luận chương

Chƣơng này đã trình bày tổng quan về nhôm và hợp kim nhôm, các khó

khăn khi khoan các hợp kim của chúng. Đây là loại vật liệu đang đƣợc dùng phổ

biến trong công nghiệp nói chung và đặc biệt là ngành công nghiệp hàng không.

Mặc dù đây là loại vật liệu nói chung có tính gia công cao nhƣng riêng với

khoan, lại gặp một số vấn đề, nhất là vấn đề về phoi.

Chƣơng 2 cũng đã đƣa ra hƣớng giải quyết để nâng cao tính công nghệ khi

khoan nhôm và hợp kim nhôm bằng cách áp dụng rung động lên chính quá trình

Thực hiện: Phan Văn Nghị

khoan này.

57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Chương 3

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU

TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN

3.1. Giới thiệu

Chƣơng này trình bày về nguyên lý làm việc, thiết kế mô hình và các bƣớc

thiết kế cũng nhƣ chế tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi

khoan. Hai cơ cấu tạo rung động theo hai phƣơng pháp tạo rung động là phƣơng

pháp tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng các

PZT đƣợc thiết kế, chế tạo và đƣa vào thử nghiệm. Các bƣớc lắp ghép các chi tiết

thành cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng đƣợc trình bày.

Phần 3.2 trình bày về mô hình khoan đƣợc trợ giúp bởi rung động cƣỡng

bức. Phần 3.3 trình bày về mô hình, tính toán và các bƣớc tiến hành thiết kế và

chế tạo các chi tiết cho cơ cấu tạo rung động bằng việc sử dụng các tấm PZT.

Phần tiếp theo đƣa ra mô hình khoan với sự trợ giúp của rung động đƣợc tạo ra

bởi bánh lệch tâm quay, tính toán mô hình này và đƣa ra các bƣớc thiết kế và chế

tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung theo phƣơng pháp này. Phần cuối cùng của

chƣơng đƣa ra các kết luận tóm tắt quan trọng của chƣơng.

Hình 3.1. Mô hình khoan với rung động trợ giúp

3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan

Nguyên lý áp dụng rung động lên quá trình gia công nói chung là tạo ra

Thực hiện: Phan Văn Nghị

chuyển động rung tƣơng đối giữa dụng cụ cắt và phôi gia công theo một phƣơng

58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

hay một số phƣơng nào đó [5-9]. Nhƣ vậy, theo nguyên lý đó, có thể bố trí nguồn

rung trên phôi hoặc lên dụng cụ cắt hoặc cả hai, phụ thuộc vào ý đồ và điều kiện

cụ thể.

Khi khoan, chuyển động cắt chính là chuyển động quay tròn của mũi khoan

với tốc độ quay nd (v/ph) và chuyển động chạy dao F là chuyển động tịnh tiến

tƣơng đối theo phƣơng trục mũi khoan giữa mũi khoan và phôi gia công. Nhƣ

vậy, để áp dụng rung động vào quá trình khoan, có thể đặt nguồn rung lên dụng

cụ cắt (mũi khoan xoắn) hoặc lên phôi gia công. Khi khoan, do mũi khoan

chuyển động quay tròn nên việc đặt nguồn rung lên nó sẽ rất khó khăn. Do vậy,

để đơn giản cho việc thiết kế, chế tạo, vận hành và tích hợp rung cho quá trình

khoan, bố trí đặt nguồn rung động lên phôi gia công, tức là lên phần gá đặt phôi.

Nhƣ đã phân tích so sánh ở mục 1.5, lựa chọn thiết kế, chế tạo 2 bộ tạo rung

theo 2 phƣơng pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện và bằng ly tâm cơ khí.

3.3. Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung cho khoan theo hiệu ứng áp điện

Hình 3.2. Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện

Nguyên lý tạo rung động theo hiệu ứng áp điện bằng việc sử dụng các tấm

PZT đã đƣợc trình bày ở mục 1.5. Với nguyên lý tạo rung động này, có thể tạo ra

rung động với tần số rất cao (tần số siêu âm, f > 13kHz) và công suất (lực rung)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

rất lớn và ổn định. Một cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý này đã đƣợc thiết kế

59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

và chế tạo. Mô hình làm việc của cơ cấu tạo rung này đƣợc thể hiện trên hình 3.2.

Theo hình này, cơ cấu đƣợc cấu tạo đơn giản gồm một bệ gá để làm cơ sở lắp

ghép các chi tiết khác và nó còn có nhiệm vụ định vị và kẹp chặt cả cơ cấu lên

bàn máy khi gia công. Các tấm PZT đƣợc ghép nối lại với nhau thành chồng và

đấu nối dây vào đúng các cực của tấm, rồi kết nối với nguồn là máy phát điện áp

xung tần số cao tƣơng ứng. Để có thể nhận đƣợc rung động từ chồng PZT này, sử

dụng một cụm chi tiết gồm các ống kẹp, ống truyền rung động và lò xo để tạo

ứng suất ban đầu. Nhƣ vậy, khi cung cấp điện áp xung với tần số f cho các tấm

PZT, nhờ hiệu ứng áp điện, các tấm này sẽ biến dạng tạo ra rung động theo tần số

f và biên độ A, rung động này đƣợc truyền lên phôi gia công áp dụng cho nguyên

công khoan.

Các chi tiết chính trên sẽ đƣợc tính toán, đƣa ra bản vẽ thiết kế và chế tạo.

3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT

Với yêu cầu tạo rung động cho nguyên công khoan lỗ nhỏ trên hợp kim

nhôm là loại vật liệu có độ bền thấp nên lực khoan thƣờng nhỏ, sử dụng 7 tấm

PZT loại PZT-4 để ghép thành chồng và chúng đƣợc đấu nối dây với các cực nhƣ

thể hiện trên hình 3.3.

Loại PZT-4 là loại PZT vành khăn, có các thông số nhƣ sau [22]:

- Kích thƣớc: D x d x h = 32 x 11x 5 (mm)

- Tần số rung lớn nhất theo chiều dày (h): 410 kHz

- Biên độ rung khi không có tải đƣợc tính theo công thức A= h=d33.U (3.1) Với PZT-4 thì d33=289 x 10-12 (m/V) nên biên độ rung là A=289U x 10-12 (m) hay A= 289U x 10-6 (m). Nhƣ vậy, với chồng ghép nối bởi 7 miếng PZT-4, biên độ

lớn nhất có thể đạt đƣợc khi cộng hƣởng là:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Amax= 2023U x 10-6 (m) (3.2)

60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.3. Kích thước PZT và cách đấu điện áp

Hình 3.4. Chồng PZT- đã ghép nối

3.3.2. Bệ gá cơ sở

Bệ gá này có nhiệm vụ định vị cho cả cơ cấu và cố định cơ cấu lên bàn

máy trong quá trình gia công khoan. Ngoài ra, đây là chi tiết cơ sở để liên kết các

chi tiết khác của cơ cấu. Để đảm nhận đƣợc các vai trò này và phù hợp với kích

thƣớc của chồng PZT-4 trên, cũng nhƣ dễ dàng lắp lên bàn máy, chi tiết này

đƣợc thiết kế nhƣ sau:

Bệ gá có dạng đĩa với kích thƣớc bao là 140 x 12 (mm), trên đó có 4 lỗ

ren M8 để bắt bu lông cố định ống kẹp và có 2 rãnh rộng 16 để xỏ bu lông cố

định cơ cấu lên bàn máy. Ngoài ra, trên bệ này còn đƣợc thiết kế 1 lỗ ren M8 để

cố định trụ ren xỏ chồng PZT. Để đảm bảo các mặt định vị tốt cho lắp ghép và dễ

lắp, làm lõm vào mặt kích thƣớc 60 và làm lồi lên phần kích thƣớc 62 x 2. Bản

Thực hiện: Phan Văn Nghị

vẽ chi tiết và ảnh chụp sau khi chế tạo của bệ này đƣợc thể hiện trên hình 3.5.

61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.5. Bệ gá cơ sở của cơ cấu tạo rung

3.3.3. Ống kẹp

Ống kẹp có nhiệm vụ ép lò xo lên chồng PZT để tạo lực căng và gây ứng

suất ban đầu để tăng hiệu quả của các PZT. Cần căn cứ vào kích thƣớc ngoài

cũng nhƣ chiều cao của chồng PZT để đƣa ra kết cấu của ống kẹp này. Ống kẹp

đƣợc chế tạo thành 2 đoạn ống trụ có đƣờng kính 82 và 51. Đoạn ống 51 có

đƣờng kính trong là 31 có nhiệm vụ dẫn hƣớng cho ống truyền rung, còn đoạn

đƣờng kính 82 có đƣờng kính trong là 62 chỉ làm nhiệm vụ chứa chồng PZT.

Để cố định ống kẹp này lên bệ gá cơ sở, thiết kế 4 lỗ thông kích thƣớc 10 với

khoảng cách tâm trùng với khoảng cách tâm 4 lỗ M8 trên bệ gá cơ sở. Hình 3.6

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thể hiện bản vẽ thiết kế và ốn kẹp sau khi chế tạo.

62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.6. Ống kẹp của cơ cấu tạo rung

3.3.4. Ống truyền rung động

Chi tiết ống truyền rung động có nhiệm vụ quan trọng là truyền rung động

từ chồng PZT đến đồ gá kẹp phôi để truyền rung động lên phôi. Chi tiết này thực

chất là một ống trụ có đoạn phần bậc 42x5 để lò xo tỳ lên đó nhằm tạo ra lực

nén ban đầu lên chồng PZT. Đoạn trụ kích thƣớc 31x77 tiếp xúc với lỗ trên ống

kẹp nhằm dẫn hƣớng rung động. Để kẹp đồ gá kẹp phôi lên ống này, cần có 4 lỗ

ren M5 bố trí đều nhau trên mặt đầu của ống. Hình 3.7 thể hiện bản vẽ thiết kế và

Thực hiện: Phan Văn Nghị

chi tiết sau khi chế tạo của ống truyền rung động.

63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.7. Ống truyền rung động của cơ cấu tạo rung

Ngoài 4 chi tiết chính đã trình bày ở trên, còn có một số chi tiết kèm theo nhƣ

bu lông, vít, đai ốc, lò xo và đồ gá kẹp phôi. Quá trình lắp ghép các bƣớc cơ bản

Hình 3.8. Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT

cơ cấu tạo rung động bằng PZT đƣợc thể hiện trên hình 3.8.

Bộ tạo rung này đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, song để bộ tạo rung có thể

hoạt động đƣợc và điều khiển theo yêu cầu, cần thiết phải cung cấp cho các

PZT một điện áp xung có thể điều chỉnh giá trị điện áp và tần số dòng điện một

cách dễ dàng. Do vậy, một máy phát điện áp xung tần số cao đã đƣợc sử dụng,

đó là máy Ultrasonic Generator do Beijing Ultrasonic sản xuất với công suất

Thực hiện: Phan Văn Nghị

1200W, tần số phát điện áp xung lớn nhất là 40 kHz. Máy chạy điện áp đầu vào

64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

110-120V/60Hz, dòng định mức là 4.5A. Hình ảnh cũng nhƣ sơ đồ mạch điện

của máy đƣợc thể hiện trên hình 3.9.

Mặc dù đã có đầy đủ thiết bị, nhƣng do chƣa làm chủ hoàn toàn thiết bị này,

nhất là vấn đề điều khiển điện áp và tần số phát xung phù hợp với chồng PZT

nên cơ cấu tạo rung này chƣa đƣợc đƣa vào thử nghiệm thực tế để khoan hợp

Hình 3.9. Máy phát điện áp xung, công suất 1200W

kim nhôm A5052 trong đề tài này.

3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan

Dựa vào nguyên lý tạo rung động bằng li tâm cơ khí, cần thiết kế một cơ cấu

mà phần chính là động cơ dẫn động bánh lệch tâm quay làm phát sinh lực li tâm

tạo ra rung động. Với phƣơng án tạo rung động trên phôi gia công, cơ cấu đƣợc

Hình 3.10. Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí

mô hình hóa nhƣ trên hình 3.10.

Trong mô hình trên, m là tổng khối lƣợng của bộ phận dao động, Flt là lực li

tâm sinh ra do chuyển động quay của bánh lệch tâm lắp trên động cơ. Phản lực

tƣơng hỗ và lực cản của bộ phận đỡ tổng khối lƣợng m đƣợc mô hình hóa bằng 2

Thực hiện: Phan Văn Nghị

lò xo k. Ff là lực ma sát giữa bộ phận chuyển động m và phần định hƣớng. X

65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

(mm) chính là chuyển vị của khối lƣợng m, cũng chính là biên độ rung động A

của cơ cấu. Còn thành phần lực Fx chính là lực dọc trục mũi khoan tác dụng lên

phôi trong quá trình khoan. Lực này làm cản trở quá trình rung. Để rung động có

thể trợ giúp đƣợc quá trình khoan, tổng các lực ngƣợc chiều với lực Fx phải lớn

hơn giá trị lực Fx.

Xuất phát từ mô hình trên hình 3.10, xây dựng một cơ cấu tạo rung động bằng

Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan

việc ứng dụng nguyên lý li tâm cơ khí đƣợc minh họa trên hình 3.11.

Cơ cấu đƣợc minh họa trên hình 3.11 gồm có một bệ gá cơ sở (đế kẹp bàn

máy) có nhiệm vụ liên kết các chi tiết khác của cơ cấu và làm nhiệm vụ định vị

cũng nhƣ cố định cơ cấu trên bàn máy khi khoan; 2 giá đỡ làm nhiệm vụ đỡ toàn

bộ phần lắp động cơ, đồng thời có 2 rãnh dẫn hƣớng chữ V để kết hợp với sống

dẫn hƣớng trên phần giá lắp động cơ để khống chế phƣơng rung chỉ theo phƣơng

thẳng đứng; phần giá lắp động cơ có nhiệm vụ cố định động cơ và nhận rung

động từ lực li tâm do động cơ quay. Bộ phận quan trọng của cơ cấu này chính là

động cơ điện một chiều lắp 2 bánh lệch tâm có thể điều chỉnh đƣợc lực li tâm và

tốc độ quay. Ngoài ra, cơ cấu còn có 4 trụ ren và 4 lò xo làm nhiệm vụ duy trì

rung động và đỡ tấm kẹp động cơ tiếp xúc với 2 giá đỡ qua 2 dẫn hƣớng chữ V.

Cơ cấu này còn có các bu lông, đai ốc, đệm lót làm nhiệm vụ liên kết các chi

tiết và bộ đồ gá kẹp phôi hợp kim nhôm để truyền rung động từ cơ cấu lên phôi.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Sử dụng phần mềm Inventor, mô hình các chi tiết đƣợc thể hiện trên hình 3.12.

66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.12. Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động

Các bƣớc tiến hành tính toán, thiết kế và chế tạo các chi tiết đƣợc thể hiện ở

các mục tiếp theo.

3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1)

Để dẫn động cho bánh lệch tâm quay để tạo ra lực li tâm gây ra rung động

yêu cầu, một động cơ điện có thể điều chỉnh tốc độ quay đã đƣợc sử dụng. Đây là

loại động cơ điện loại nhỏ, dùng dòng điện một chiều. Hình 3.13 chính là hình

Thực hiện: Phan Văn Nghị

ảnh về động cơ này.

67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.13. Động cơ dẫn động quay lệch tâm

Động cơ đƣợc thay đổi tốc độ quay n (v/ph) với việc điều chỉnh điện áp U

cung cấp cho động cơ bằng việc việc sử dụng một biến áp và mạch chuyển đổi từ

nguồn xoay chiều sang nguồn một chiều (hình 3.14) với các mức điện áp sau:

- Điện áp U=12V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=1200 v/ph

- Điện áp U=24V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=2400 v/ph

Hình 3.14. Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều

- Điện áp U=36V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=3600 v/ph

3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7)

Để tạo ra lực li tâm gây rung động, sử dụng 2 bánh lệch tâm lắp vào 2 đầu

trục động cơ. Điều chỉnh lực li tâm bằng cách điều chỉnh khối lƣợng lệch tâm

hoặc khoảng cách từ khối lƣợng lệch tâm đến trục quay. Tuy nhiên, việc thay đổi

khoảng cách lệch tâm thƣờng khó khăn hơn, nên chọn phƣơng pháp thay đổi khối

Thực hiện: Phan Văn Nghị

lƣợng lệch tâm bằng cách lắp thêm các quả nặng lên lỗ có sẵn trên 2 bánh lệch

68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

tâm. Trong đề tài này, sử dụng bánh lệch tâm có khoan một lỗ 5.8 (mm) để thực

Hình 3.15. Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm

hiện nhiệm vụ đó. Bánh lệch tâm đƣợc thiết kế nhƣ thể hiện trên hình 3.15.

3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lượng lệch tâm (chi tiết số 8)

Để thay đổi đƣợc lực li tâm nhằm thay đổi biên độ rung, cần nhiều khối lƣợng

lệch tâm càng tốt. Tuy nhiên, với mục đích chỉ so sánh hiệu quả của quá trình

khoan rung và quá trình khoan thƣờng, sử dụng 3 cặp quả nặng bằng đồng với

bản vẽ thiết kế và hình ảnh sau khi chế tạo và lắp ráp với bánh lệch tâm đƣợc thể

Hình 3.16. Các cặp quả nặng để tăng khối lượng lệch tâm:

a) loại nhỏ nhất b) loại trung bình c) loại lớn nhất

hiện trên hình 3.16.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Các quả nặng đã đƣợc chế tạo có khối lƣợng đƣợc tính theo công thức:

69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

mi = Vi x 8.89 (kg). Với mi, Vi lần lƣợt là khối lƣợng và thể tích của quả nặng thứ i; chỉ số 8.89 thể hiện khối lƣợng riêng của đồng là 8.89 kg/dm3. Nhƣ vậy, khối

lƣợng lần lƣợt của 3 quả nặng là:

- Quả nặng thứ nhất (hình 3.16.a): m1 = V1 x 8.89 = 3.14 x [ (10 x 10 x 5)+(5.9 x

5.9 x 11)] x 8.89/(4 x 1.000.000) = 0.006162 (kg)

- Tƣơng tự, khối lƣợng quả nặng thứ 2 (hình 3.16.b): m2 = 0.0105 (kg)

- Khối lƣợng quả nặng thứ 3 (hình 3.16.c): m3 = 0.0166 (kg)

3.4.4. Bệ gá cơ sở (chi tiết số 5)

Chi tiết bệ gá cơ sở là chi tiết số 5 đƣợc thể hiện trên hình 3.12. Gọi là chi

tiết cơ sở vì nó có nhiệm vụ làm cơ sở để liên kết các chi tiết khác trong cơ cấu.

Đồng thời, đây là chi tiết làm bệ để định vị và cố định toàn bộ cơ cấu tạo rung lên

bàn máy trong quá trình khoan.

Để đảm nhiệm đƣợc nhiều nhiệm vụ nhƣ trên, cần thiết kế chi tiết này với

kích thƣớc bao lớn 300 x 180 x 20 (mm) để đủ bề mặt định vị lên bàn máy và đủ

độ bền làm việc. Bề mặt tiếp xúc với bàn máy và bề mặt để lắp ghép với 2 giá đỡ

sống dẫn hƣớng chữ V đƣợc mài với độ nhẵn bề mặt Ra1.25 m. Trên chi tiết

này bố trí 10 lỗ ren M10 dùng để lắp 2 giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V và 4 trụ ren

lắp lò xò đàn hồi. Để cố định bệ gá vào bàn máy khi làm việc, trên bệ có 2 rãnh

18 x 31 để xỏ bu lông kẹp. Cần làm lõm bề mặt tiếp xúc của bệ với bàn máy

xuống 5 x 90 (mm) để giảm khối lƣợng, diện tích gia công và tăng độ phẳng tiếp

xúc. Bản vẽ thiết kế chi tiết này đƣợc thể hiện trên hình 3.17, còn chi tiết sau khi

Thực hiện: Phan Văn Nghị

chế tạo đƣợc thể hiện trên hình 3.21.

70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.17. Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá cơ sở

3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 9)

Chi tiết giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V là chi tiết số 9 đƣợc thể hiện trên

hình 3.12. Đây là chi tiết rất quan trọng vì nó cho nhiệm vụ đỡ và cố định sống

dẫn hƣớng chữ V để định hƣớng cho phƣơng rung động luôn theo phƣơng thẳng

đứng. Bản vẽ thiết kế của chi tiết giá đỡ này đƣợc thể hiện trên hình 3.18. Chi tiết

này đƣợc hàn nối từ 2 phần khác nhau: Phần đế có 5 lỗ 12 để xỏ bu lông M10

cố định giá đỡ trên bệ gá cơ sở, phần giá thẳng đứng có 3 lỗ ren M8 để kẹp sống

dẫn hƣớng chữ V. Để tăng cứng cho chi tiết này, sử dụng 2 gân tăng cứng nhƣ

Hình 3.18. Giá đỡ sống dấn hướng chữ V

Thực hiện: Phan Văn Nghị

đƣợc thể hiện trên hình vẽ.

71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

3.4.6. Sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 3)

Sống dấn hƣớng là chi tiết số 3 trong tổng thể các chi tiết của cơ cấu tạo

rung, đƣợc thể hiện trên hình 3.12. Sống dẫn hƣớng luôn tiếp xúc với rãnh dẫn

hƣớng trên tấm gá động cơ và phôi để làm nhiệm vụ định hƣớng cho phôi luôn

rung theo phƣơng thẳng đứng. Trên chi tiết này, thiết kế 3 lỗ bậc 10, 16 để bắt

bu lông đầu chìm cố định sống dẫn hƣớng trên giá đỡ. Thông số quan trọng trên

sống dẫn hƣớng chính là phần sống chữ V với góc 45. Góc này cần đƣợc gia

công chính xác với sai lệch -3’ và bề mặt sống này phải đạt độ bóng cấp 8

(Ra<0.63m). Bản vẽ thiết kế chi tiết này đƣợc minh họa trên hình 3.19.

Hình 3.19. Sống dẫn hướng chữ V

3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4)

Để duy trì đƣợc rung động, bố trí 4 lò xo với độ cứng K (N/m) xỏ vào 4

trụ ren đều 4 góc của bệ gá cơ sở. Lò xo (hình 3.20) có các thông số sau:

- Đƣờng kính ngoài: De = 18 (mm)

- Đƣờng kính trong: Di = 12 (mm)

- Đƣờng kính dây: d = 2.5 (mm)

- Bƣớc xoắn: p = 6 (mm)

- Chiều dài tự nhiên: L0 = 70 (mm)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

- Độ cứng K (N/m)

72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Độ cứng của lò xo đƣợc xác định theo phƣơng pháp thực nghiệm. Dựa vào

công thức của định luật Huc, có: F = Kx với F là lực tác dụng (N), K là độ cứng

lò xo và x là chuyển vị của lò xo do lực F. Sử dụng định luật này, dùng 10 quả

cân với trọng lƣợng F khác nhau đặt lên lò xo, sau đó đo độ biến dạng của lò xo.

Bảng 3.1. Kết quả thử chuyển vị của lò xo

Các kết quả thu thập cho vào bảng 3.1.

STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

F (N) 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Hình 3.20. Lò xo duy trì rung động

7.1 8.2 8.9 10.1 10.9 12.1 13.2 14.2 15.1 16.3 x (10-3m )

Căn cứ vào bảng 3.1, quan hệ giữa lực F và chuyển vị x gần với phƣơng

trình F = 10 x 10-3X hay K = 10-2 (N/m) hay K = 10 (N/mm).

Bốn lò xo với các thông số đã đƣợc xác định ở trên đƣợc lồng vào 4 trụ

ren M10. Trụ ren này có nhiệm vụ giữ cho các lò xo luôn thẳng đứng để duy trì

rung động. Đồng thời, nó còn làm nhiệm vụ khống chế biên độ rung của cơ cấu.

Lắp các chi tiết giá đỡ, sống dẫn hƣớng, lò xo và 4 trụ ren lên bệ gá cơ sở

sau khi đã chế xong thành một cụm chi tiết (gọi là cụm chi tiết số I), đƣợc thể

Thực hiện: Phan Văn Nghị

hiện trên hình 3.21.

73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.21. Cụm chi tiết I sau khi chế tạo, lắp ráp

3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hướng chữ V (chi tiết số 2)

Tấm gá động cơ (chi tiết số 2) đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ trong cơ cấu.

Thứ nhất, cố định động cơ trên nó thông qua ống kẹp động cơ để nhận rung

động. Đồng thời, cố định phần gá động cơ để truyền rung động lên phôi gia công.

Chi tiết này còn chứa 2 rãnh dẫn hƣớng chữ V tƣơng ứng với 2 sống dẫn hƣớng

chữ V (xem mục 3.4.6) để định hƣớng cho rung động chỉ theo phƣơng thẳng

đứng. Với các nhiệm vụ đó, chi tiết đƣợc thiết kế 4 lỗ thông 14 để xỏ 4 trụ ren

M10; 4 lỗ bậc 10, 16 để xỏ 4 bu lông M8 đầu chìm kẹp ống gá động cơ; 2 rãnh

rộng 16 có bậc 12 để 2 bu lông đầu vuông kẹp đồ gá kẹp chi tiết và có thể điều

chỉnh vị trí của gá kẹp này nhằm thay đổi vị trí phôi gia công trên cơ cấu. Chi tiết

có 2 rãnh chữ V định hƣớng đƣợc gia công cắt dây từ một khối nguyên với sống

dẫn hƣớng để đảm bảo góc 45. Bề mặt rãnh chữ V này cũng phải đƣợc mài với

độ bóng cấp 8 (Ra<0.63m) để đảm bảo ma sát nhỏ khi tiếp xúc với sống dẫn

hƣớng trong quá trình làm việc. Hình 3.22 thể hiện chi tiết bộ phận quan trong

Thực hiện: Phan Văn Nghị

này.

74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.22. Tấm gá động cơ, phôi và rãnh dẫn hướng

3.4.9. Ống gá động cơ

Động cơ đƣợc định vị và cố định trong ống gá động cơ. Ống gá động cơ

đƣợc chế tạo từ 2 phần: Phần ống trụ đƣờng kính 48 để định vị trụ ngoài của

động cơ, phần đế có 4 lỗ 10 để xỏ 4 bu lông chìm M8 cố định ống gá với tấm

chứa rãnh chữ V. Hai phần này đƣợc cố định với nhau bằng hàn. Để chống xoay

cho động cơ, bố trí thêm 2 lỗ ren M6 để bắt 2 vít M6 chí vào rãnh trên vỏ động

cơ. Hình 3.23 chính là bản vẽ chi tiết ống gá động cơ. Sau khi chế tạo xong, ống

Hình 3.23. Ống gá động cơ

Thực hiện: Phan Văn Nghị

gá đƣợc lắp vào tấm gá và động cơ nhƣ thể hiện trên hình 3.24.

75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.24. Động cơ được lắp vào tấm gá sau khi chế tạo

3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11)

Để truyền đƣợc rung động từ động cơ lên tấm gá và lên phôi gia công, đồ

gá kẹp phôi có nhiệm vụ định vị và cố định phôi; đồng thời cố định toàn bộ lên

tấm gá bằng thanh kẹp (chi tiết 12) để nhận rung động. Đồ gá kẹp phôi đƣợc thiết

kế đơn giản. Hình 3.25 thể hiện chi tiết đồ gá sau khi đƣợc chế tạo.

Hình 3.25. Đồ gá kẹp phôi

3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh

Ngoài các chi tiết chính đã đƣợc thiết kế và chế tạo ở trên, để hoàn thiện cơ

cấu tạo rung này, các đai ốc, đệm đã đƣợc đƣa vào để lắp ghép. Dựa vào mô hình

chuẩn bị lắp ghép của cơ cấu đƣợc thể hiện trên hình 3.12, tiến hành lắp ghép

tuần tự các chi tiết đã chế tạo thành cơ cấu tạo rung hoàn chỉnh thể hiện trên hình

3.16, cụ thể nhƣ sau:

- Trƣớc hết, lắp 2 giá đỡ (9) vào đế (5) bằng 10 bu lông M10 rồi lắp 2 sống

Thực hiện: Phan Văn Nghị

dẫn hƣớng chữ V (3) lên (9) bằng 6 bu lông chìm M10;

76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

- Tiếp theo, lắp các quả nặng (8) vào 2 bánh lệch tâm (7) đƣợc lắp trên trục

động cơ, rồi lắp động cơ (1) vào ống gá động cơ (10) và kẹp chặt động

trên ống gá này bằng 2 vít chí M4, dùng 4 bu lông M8 lắp ống gá động cơ

lên bàn gá phôi (2);

- Lắp đồ gá phôi (11) lên bàn gá bằng thanh kẹp (12) bằng 2 bu lông đầu

vuông trƣợt trong 2 rãnh trên bán gá phôi;

- Sau đó, lắp 4 thanh ren M10 (6) lên đế (5) và cố định chúng bằng 8 đai ốc

M10 rồi lắp 4 lò xo (4) lên 4 thanh ren, lót thêm 4 vòng đệm trên lo xò;

- Cuối cùng, lắp cả cụm bàn gá phôi, động cơ đã đƣợc cố định chồng lên 4

lò xo trên với đảm bảo 2 rãnh chữ V dẫn hƣớng trên bàn gá (2) tiếp xúc

với 2 sống dẫn hƣớng chữ V (3) rồi cố định cụm đó trên các lò xo bằng 8

đai ốc M10.

Hình 3.26. Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí

3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động

Với cơ cấu tạo rung đã xây dựng, lực gây rung động phải thắng đƣợc lực

dọc trục mũi khoan do quá trình khoan tạo ra. Nhƣ vậy, cần xác định các lực tác

dụng có liên quan đến lực khoan và lực li tâm. Dựa vào mô hình hóa quá trình

làm việc của cơ cấu đƣợc thể hiện trên hình 3.10, có thể đƣa ra sơ đồ các lực tác

dụng lên phôi gia công với giả sử chiều các lực theo hình 3.27. Trong trƣờng hợp

Thực hiện: Phan Văn Nghị

này, bỏ qua biến dạng của cơ cấu rung trong quá trình khoan (trừ 4 lò xo).

77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.27. Các lực tác dụng lên phôi gia công

Các thành phần lực trên sẽ lần lƣợt đƣợc xây dựng và tính toán.

a. Lực li tâm do bánh lệch tâm quay, FR (N)

FR chính là lực li tâm lớn nhất theo phƣơng thẳng đứng do 2 bánh lệch

tâm quay gây ra: (3.3)

Với:

+ m là khối lƣợng lệch tâm (kg);

+  chính là vận tốc góc của bánh lệch tâm, (rad/s) với n là tốc độ vòng

quay động cơ (v/s);

+ Còn r (m) là bán kính lệch tâm, là khoảng cách từ khối lƣợng lệch tâm m đến

tâm quay của bánh lệch tâm lắp trên trục động cơ.

(*) Tính r (m):

Gọi điểm G (xG, yG) là tọa độ của khối tâm bánh lệch tâm khi đã lắp

quả nặng theo hệ trục toạn độ Oxy đặt vào tâm đƣờng kính 21.1 nhƣ hình 3.28.

Với bánh lệch tâm lắp vào trục động cơ tại lỗ 3.9 và lỗ để lắp quả nặng (5.8)

cùng nằm trên đƣờng tâm của trụ 5.8 nên xG =0, hay G nằm trên đƣờng tâm

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thẳng đứng (trục Oy). Nhƣ vậy r sẽ đƣợc xác định nhƣ sau:

78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 3.28. Xác định tọa độ khối tâm

r=3.9 yG (mm) (3.4)

Lựa chọn quả nặng bằng đồng (loại nặng nhất- hình 3.16.c) và dựa vào

cách xác định khối tâm vật rắn, xác định giá trị yG = 0.56 (mm). Theo (3.4) sẽ có:

r=3.9+ yG = 3.9 + 0.56 = 4.46 (mm). Hay r = 0.00446 (m)

(*) Tính m (kg):

Với cách xác định khối tâm nhƣ trên, m chính là khối lƣợng của cả

bánh lệch tâm bằng thép và quả nặng bằng đồng: m=mlt + mđ - ml

mlt= (3.14*21.1*21.1*11*7.85)/4000000 = 0.030453 (kg)

mđ= 0.0166 (kg) (theo 3.4.3)

ml= 3.14*5.8*5.8*11.1*7.85/4000000= 0.002301 (kg)

Nhƣ vậy, m= 0.044752(kg)

(*) Tính :

=2n= 2*3.14*n/60= 0.103*n với n là số vòng quay của trục động cơ (v/ph).

Nhƣ vậy:

=2*0.044752*(0.103*n)2*0.0046

Thực hiện: Phan Văn Nghị

hay: FR=4.3679*10-6 *n2 (N) (3.5)

79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Do đó, có thể điều chỉnh giá trị lực li tâm theo phƣơng thẳng đứng

bằng cách điều chỉnh tốc độ quay động cơ hay là điều chỉnh điện áp vào động cơ

theo 3 mức 12V, 24V và 36V tƣơng đƣơng với tốc độ động cơ 1200, 2400 và

3600 (v/ph).

b. Tổng trọng lượng khối rung động, G (N):

Để xác định tổng trọng lƣợng rung động trong quá trình cơ cấu là việc,

cần xác định khối lƣợng của chúng. Khối lƣợng này (m) chính là tổng khối lƣợng

của động cơ, ống lắp động cơ, tấm kẹp động cơ và phôi gia công cũng nhƣ các bộ

phận mà lực FR tác động. Dựa vào kích thƣớc các chi tiết trên và chú ý rằng các bộ phận này đƣợc làm bằng thép (khối lƣợng riêng là 7.85 kg/dm3), riêng phôi hợp kim nhôm có khối lƣợng riêng khoảng 2.7 kg/dm3. Từ các kích thƣớc bản vẽ

chi tiết và khối lƣợng riêng trên, xác định đƣợc tổng khối lƣợng m = 2.836 (kg).

Do vậy, trọng lƣợng G = m*g = 2.836*9.81= 27.821 (N). (3.6)

c. Lực đẩy do 4 lò xo tác dụng lên tấm gá phôi, Fđh (N):

Lực đẩy do 4 lò xo đàn hồi đẩy lên tấm gá phôi đƣợc xác định dựa vào

định luật Huc: Fđh = 4*Flx = 4*K*x (3.7)

Với K = 10 N/m là độ cứng của mỗi lò xo (theo 3.4.7), còn x (m) là độ

nén của lò xo khi làm việc, cũng chính là biên độ rung động A (m) của phôi gia

công. Do vậy, có thể viết lại: Fđh = 4Flx = 4Kx = 4KA = 40A (N) (3.8)

d. Lực ma sát khi rung do tiếp xúc ở dẫn hướng chữ V, FV (N):

Tổng lực ma sát do sự trƣợt của 2 sống dẫn chữ V tiếp xúc với 2 rãnh chữ

V trên tấm gá động cơ là: FV = 2Fms = 2FN, với FN chính là thành phần lực li tâm

lớn nhất theo phƣơng ngang, là thành phần áp lực của sống chữ V lên rãnh chữ

V, độ lớn FN =FR, còn  chính là hệ số ma sát trƣợt giữa sống và rãnh chữ V. Giá

trị hệ số ma sát khi 2 mặt đã đƣợc mài bóng tiếp xúc có dầu bôi trơn có thể lấy =0.05. Dựa vào kết quả tính FR ở (3.5), FR = 4.3679*10-6 *n2 (N), giá trị tổng lực

ma sát phụ thuộc vào tốc độ quay N là:

FV=2FR=2*0.05*4.3679*10-6*n2 hay FV=0.43679*10-6*n2 (N) (3.9)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

e. Lực dọc trục do mũi khoan tác dụng lên phôi gia công, FX (N):

80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Các lực tác dụng lên mũi khoan trong quá trình khoan đƣợc thể hiện trên

hình 3.29. Trên hình đó, quan tâm đến tổng các lực tác dụng lên mũi khoan theo

phƣơng dọc trục mũi khoan. Đây cũng chính là tổng các lực mà mũi khoan tác

dụng lên phôi theo phƣơng dọc trục (ngƣợc chiều lực Px trên hình vẽ).

Hình 3.29. Các lực cắt khi khoan

FX = 2PXC + 2PXP + PXN ( 3.10)

0,75 (3.11)

Lực FX đƣợc tính theo công thức thực nghiệm sau:

bp

FX = 2D1,4S0,8

Với:

+ D: Đƣờng kính mũi khoan (mm)

+ S: Lƣợng chạy dao (mm/v) + b: Độ bền của vật liệu gia công (N/mm2)

Để quá trình rung động đƣợc duy trì trong quá trình khoan nhƣ yêu cầu,

điều kiện cần là không để thành phần lực dọc trục mũi khoan FX kết hợp với tổng

trọng lƣợng phần rung động G thắng lực li tâm kết hợp với lực đẩy tƣơng hỗ của

4 lò xo. Có nghĩa là: FR + Fđh > Fx + G + FV (3.12)

Dựa vào kết quả từ các công thức (3.5), (3.6), (3.8), (3.9) và (3.11), có:

bp

0,75 + 27.82 + 0.43679*10-6*n2) 0,75 + 27.82 (3.13)

(4.3679*10-6 *n2 + 40A ) > (2D1,4S0,8

bp

Hay: 3.93111*10-6 *n2 + 40A > 2D1,4S0,8

3.5. Kết luận chương

Chƣơng này đã trình bày 2 thiết kế bộ tạo rung động lần lƣợt theo 2

Thực hiện: Phan Văn Nghị

nguyên lý khác nhau: Nguyên lý tạo rung bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện

81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

và nguyên lý tạo rung bằng li tâm cơ khí. Sau khi thiết kế, 2 cơ cấu này đã đƣợc

chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Tuy nhiên, do chƣa làm chủ đƣợc hoàn toàn việc

điều khiển cơ cấu tạo rung siêu âm, là cơ cấu làm việc theo hiệu ứng áp điện, nên

chỉ cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí đƣợc chọn để thử nghiệm so

Thực hiện: Phan Văn Nghị

sánh quá trình khoan đƣợc rung động trợ giúp và quá trình khoan truyền thống.

82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Chương 4

THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG

TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM

4.1. Giới thiệu

Chƣơng 4 trình bày về các bƣớc tiến hành thí nghiệm khoan các mẫu hợp kim

nhôm A5052 với 2 phƣơng pháp khoan khác nhau: khoan thƣờng và khoan có

rung động trợ giúp. Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo đạc đƣờng kính lỗ khoan,

cắt dây qua thành lỗ khoan để so sánh hiệu quả của 2 phƣơng pháp khoan.

Mục 4.2 trình bày về các bƣớc lắp đặt thiết bị, chuẩn bị các vật tƣ cho thí

nghiệm và các bƣớc tiến hành thí nghiệm cũng nhƣ đo lƣờng các kết quả thí

nghiệm. Mục 4.3 tiến hành phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm. Mục này

đƣa ra các đánh giá so sánh 2 phƣơng pháp khoan thƣờng và khoan có rung động

trợ giúp về độ lay rộng lỗ khoan, mức độ ổn định của đƣờng kính lỗ khoan, độ

tròn của lỗ, đặc tính phoi, chất lƣợng bề mặt lỗ cũng nhƣ độ xiên của thành lỗ.

Mục cuối cùng của chƣơng tóm tắt các kết luận của chƣơng.

4.2. Thiết lập thí nghiệm

4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm

Để so sánh hiệu quả quá trình khoan tích hợp rung động so với khoan truyền

thống, tiến hành thí nghiệm khoan hợp kim nhôm A5052-H34 trên máy phay

đứng MAZAK- M-800 (hình 4.1) với mũi khoan HSS, D1.5 và đo xác định các

thông số của các lỗ sau khoan và đặc điểm phoi trên các dụng cụ đo tại phòng thí

nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp- Đại học Thái Nguyên. Các

thiết bị cho qua trình thí nghiệm cụ thể nhƣ sau:

1. Máy phay đứng MAZAK M-800:

Đây là loại máy phay đứng do tập đoàn chế tạo máy công cụ nổi tiếng thế giới,

Mazak của Nhật Bản sản xuất. Trong thí nghiệm khoan này, sử dụng máy phay

đứng thay vì máy khoan với mục đích dễ dàng chọn lƣợng chạy dao cũng nhƣ

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thuận tiện cho quá trình gá đặt và thao tác trong quá trình thí nghiệm. Hình 4.1

83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

thể hiện máy phay đứng dùng để thí nghiệm khoan tại doanh nghiệp tƣ nhân Thái

Bảng 4.1. Thông số cơ bản của máy phay sử dụng thí nghiệm

Long, Thái Nguyên. Các thông số máy nhƣ sau:

Kích thƣớc gia Số hiệu Tốc độ trục Lƣợng chạy công lớn nhất máy chính (v/ph) dao (mm/ph) (mm)

MAZAK 58-1500 15-1000 800x400x400 M-800

Hình 4.1. Máy phay đứng Mazak M-800

2. Mũi khoan xoắn:

Mũi khoan sử dụng để khoan trong thí nghiệm đƣợc thể hiện trên hình 4.2 là

loại mũi khoan xoắn loại thƣờng do Trung Quốc sản xuất với các đặc điểm đƣợc

Bảng 4.2. Thông số mũi khoan thí nghiệm

thể hiện trong bảng 4.2.

Vật liệu mũi khoan Chiều dài phần làm việc l (mm) Góc nghiêng của rãnh xoắn ()

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Đƣờng kính D (mm) 1.5 19 P18 Góc nghiêng chính () 120 30

84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 4.2. Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm

3. Cơ cấu tạo rung động:

Cơ cấu tạo rung đã đƣợc thiết kế, chế tạo với thông số đặt khi thí nghiệm là tần

số f = 60 Hz (ứng với tốc độ trục chính là 3600 v/ph) và biên độ A = 10 m đƣợc

thể hiện trên hình 4.3.

Hình 4.3. Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan

4. Phôi hợp kim nhôm:

Phôi dùng cho thí nghiệm (hình 4.4) là 2 tấm phôi hợp kim nhôm Mg với số

hiệu A5052 có kích thƣớc 25x25x13 (mm) đã đƣợc phay, mài đạt độ chính xác

cao để đảm bảo định vị trong quá trình gia công và đo đạc. Thành phần hóa học

Bảng 4.3. Thành phần hợp kim nhôm A5052 thí nghiệm [19]

vật liệu phôi:

Cu

Mn

Mg

Si (%) Fe(%)

Zn(%) Ti(%) Cr(%) Pb(%) Sn(%)

(%)

(%)

(%)

0.110

0.365

0.012

0.026

2.489

0.023

0.013

0.253

0.008 <0.002

Mo

Ni(%) Na(%) Sr(%) V(%) Zr(%)

Sb(%) Co(%) B(%) Al(%)

(%)

0.008

0.002

0.005 <0.002

0.004 <0.007

0.004

0.004

96.621

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Cơ tính của vật liệu này đƣợc liệt kê trong bảng 4.4 dƣới đây.

85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Bảng 4.4. Cơ tính của phôi gia công [18]

Mô đun đàn

Mác vật

Độ dãn dài

Độ bền (MPa) Độ cứng HB

hồi

liệu

tƣơng đối (%)

(GPa)

A5052-H34

214

10

68

70.3

Hình 4.4. Phôi hợp kim nhôm gá đặt khi thí nghiệm

5. Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe:

Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe đƣợc thể hiện trên hình 4.5 là

sản phẩm tiên tiến của hãng TESCAN, cộng hòa Séc. Hệ thống này có thể phóng

đại hình ảnh đến 1.000.000 lần, kèm theo phần mềm Easy EDX để xử lý. Đây là

hệ thống đang đƣợc sử dụng tại phòng thí nghiệm của Đại học Kỹ thuật Công

Hình 4.5. Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe

nghiệp để xử lý đo đạc các chi tiết có thể coi là tế vi.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

6. Máy cắt dây CW322S:

86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Phôi sau khi thí nghiệm và đo đƣờng kính lỗ, tiến hành cắt dọc theo thành lỗ

trên máy cắt dây CW322S (hình 4.6) tại trung tâm thí nghiệm của Đại học Kỹ

thuật Công nghiệp. Mục đích là để quan sát bề mặt lỗ khoan, xác định sơ bộ độ

Hình 4.6. Máy cắt dây CW322S

xiên của lỗ, chất lƣợng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ.

7. Đồng hồ so:

Để xác định biên độ rung và rà bề mặt phẳng của chi tiết cần khoan, sử dụng

đồng hồ so U530 nhƣ thể hiện trên hình 4.7. Đây là sản phẩm của hãng Ks, Đức

Hình 4.7. Đồng hồ so

với độ phân giải 1m.

7. Chế độ công nghệ:

Tốc độ quay trục chính: n = 1000 v/p, lƣợng chạy dao Sv = 0.015 mm/v

8. Chế độ bôi trơn làm nguội:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Không sử dụng bôi trơn, làm nguội

87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

4.2.2. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm

Sau khi hoàn thành quá trình lắp ghép cơ cấu tạo rung, tiến hành kết nối cơ

cấu này với bộ chuyển đổi dòng điện từ dòng điện xoay chiều sang dòng điện 1

chiều rồi lắp đặt bộ tạo rung lên bàn máy phay và cố định bằng 2 bu lông đầu

vuông lắp vào các rãnh chữ T trên bàn máy (xem hình 4.8).

Tiếp theo, định vị phôi hợp kim nhôm lên đồ gá rồi cố định nó bằng 2 bu lông

Hình 4.8. Lắp đặt cơ cấu tạo rung lên máy phay

chìm và bắt đầu tiến hành các bƣớc thí nghiệm.

4.2.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm

Để thực hiện thí nghiệm, tiến hành các bƣớc sau:

Gá bộ tạo rung lên bàn máy phay; -

- Đóng số mẫu từ 1 đến 2 lần lƣợt trên 2 mẫu thí nghiệm;

- Gá phôi hợp kim nhôm thí nghiệm lên đồ gá phôi và tiến hành rà mặt

phẳng khoan trên phôi bằng đồng hồ so U530;

- Đặt chế độ cắt cho khoan với tốc độ quay của trục chính n=1000 v/p

và lƣợng chạy dao phút Sp= 15 mm/p;

- Tiến hành khoan lần lƣợt 9 lỗ trên phôi thí nghiệm ( chƣa bật rung),

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thể hiện trên hình 4.9;

88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Mỗi lỗ khoan, quay video quá trình khoan, chụp ảnh phoi, mũi khoan -

và lỗ khoan;

Tiếp theo, bật bộ tạo rung và khoan 9 lỗ trên mẫu đó (xem hình 4.10); -

Mỗi lỗ khoan, quay video quá trình khoan, chụp ảnh phoi, mũi khoan -

và lỗ khoan;

Đóng ký hiệu R ở thành phôi phía bên các lỗ khoan rung động tích -

hợp;

- Làm tƣơng tự cho mẫu còn lại.

Hình 4.10. Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp

Hình 4.9. Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan thường

4.3. Kết quả thí nghiệm

Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo đƣờng kính tất cả 36 lỗ trên bề mặt chi tiết

và sau đó cắt dây dọc lỗ để quan sát chất lƣợng bề mặt thành lỗ và ba via phần

cuối lỗ. Ngoài ra, để đánh giá đặc tính phoi, dựa vào các ảnh chụp phoi khi khoan

thƣờng và khoan rung.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4.3.1. Đặc tính của phoi

89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Trong quá trình khoan, do tính dẻo của hợp kim nhôm, phoi sinh ra là phoi

dây (hình 4.11) nên gây ảnh hƣởng xấu đến quá trình cắt cũng nhƣ chất lƣợng bề

mặt lỗ khoan và tuổi bền mũi khoan. Trong khi khoan tích hợp rung động, do sự

kết hợp tích hợp giữa lƣợng chạy dao Sv và thông số rung là tần số rung f và biên

độ rung A thỏa mãn công thức (2.22) nên phoi sinh ra là phoi vụn nhƣ thể hiện

trên hình 4.12.

Hình 4.11. Phoi dây khi khoan thường

Hình 4.12. Phoi vụn khi khoan có rung động trợ giúp

4.3.2. Độ lay rộng lỗ khoan

Độ lay rộng là thông số quan trọng để đánh giá độ chính xác của quá trình

khoan. Hình 4.13 thể hiện hình ảnh 2 lỗ khoan với 2 phƣơng pháp khoan đƣợc so

sánh. Gọi độ lay rộng lỗ trung bình của các lỗ khoan thƣờng là 1, của các lỗ

khoan có rung là 2. Cần kiểm định giả thuyết thống kê nhằm khẳng định độ lay

rộng của khoan thƣờng lớn hơn của khoan có rung trợ giúp. Do vậy, giả thuyết

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thống kê đƣợc phát biểu có dạng:

90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

(4.1)

Đây là dạng giả thuyết đảo một phía – vùng giới hạn nằm về phía bên phải

đƣờng cong phân phối t [23]. Chọn độ tin cậy thống kê là 95% (mức ý nghĩa

thống kê =0.05), mức độ mạo hiểm khi đánh giá sai số là 10% (=0.1); kỳ vọng

dự đoán đƣợc giá trị trung bình của lƣợng biến động sai khác so với thực tế

không quá một lần độ lệch chuẩn (≤). Số mẫu thí nghiệm cần thiết đƣợc xác

định là 18 mẫu cho mỗi phƣơng pháp khoan (Xem minh họa trên hình 4.14).

Hình 4.13. Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thường, b. Khoan rung

Hình 4.14. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết

Qua các thí nghiệm (ở mục 4.2.3), đo đƣờng kính lỗ khoan bằng kính hiển vi

điện tử quét VEGA SBU EasyProbe xác định đƣợc độ lay rộng lỗ cho cả 2

trƣờng hợp khoan thƣờng và khoan rung (xem bảng 4.5).

Độ lay rộng lỗ tƣơng đối đƣợc xác định bằng chỉ số  xác định nhƣ sau:

(4.2)

Ở đây:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Di là đƣờng kính lỗ khoan thứ i: i=118

91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

1.5 chính là đƣờng kính danh nghĩa của mũi khoan (cũng là đƣờng kính lỗ

Bảng 4.5. Độ lay rộng lỗ khoan cho cả 2 phương pháp khoan

Độ lay rộng lỗ

Độ lay rộng lỗ

Đƣờng kính

Đƣờng kính

Lỗ

lỗ khoan thƣờng

lỗ khoan rung

khoan thƣờng 1

khoan rung 2

khoan

(%)

(%)

Di1(mm)

Di2 (mm)

1.6586

1

1.6066

10.57333

7.106667

1.6312

2

1.6174

8.746667

7.826667

1.6778

3

1.6066

11.85333

7.106667

1.7738

4

1.5928

18.25333

6.186667

1.7738

5

1.5790

18.25333

5.266667

1.8038

6

1.5928

20.25333

6.186667

1.7052

7

1.5785

13.68

5.233333

1.7052

8

1.6092

13.68

7.28

1.7490

9

1.5352

16.6

2.346667

1.6832

10

1.538

12.21333

2.533333

1.6778

11

1.5516

11.85333

3.44

1.8038

12

1.5462

20.25333

3.08

1.7134

13

1.5132

14.22667

0.88

1.6614

14

1.5216

10.76

1.44

1.7325

15

1.5679

15.5

4.526667

1.7655

16

1.602

17.7

6.8

1.7325

17

1.5628

15.5

4.186667

1.7555

18

1.5855

17.03333

5.7

khoan nếu lƣợng lay rộng lỗ bằng không).

Để đánh giá so sánh độ lay rộng lỗ giữa hai phƣơng án khoan, sử dụng phép

phân tích thực nghiệm so sánh “2 samples t-test” [23] . Sau khi chạy thử chƣơng

trình phân tích thống kê, cho thấy khả năng giá trị trung bình của độ lay rộng khi

khoan thƣờng có thể lớn hơn của khoan rung đến 8%. Để kiểm chứng, tiến hành

Thực hiện: Phan Văn Nghị

kiểm nghiệm giả thuyết thống kê sau:

92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

(4.3)

Trong công thức (4.3), 1 và 2 lần lƣợt là giá trị trung bình tập toàn bộ các

giá trị độ lay rộng các lỗ khoan thƣờng và của các lỗ khoan rung. Giả thuyết đảo

H1 đƣợc phát biểu rằng, giá trị trung bình của độ lay rộng các lỗ khoan thƣờng

lớn hơn của các lỗ khoan rung trên 8%.

Hình 4.15. Kết quả so sánh độ lay rộng

Kết quả phép kiểm định t (t-test) đƣợc minh họa trên hình 4.15.

Qua kết quả thống kê trên hình 4.15, có thể thấy, độ lay rộng trung bình của

các lỗ khoan thƣờng là 14.8%; trong khi giá trị này ở khoan rung khoảng 4.8%.

Nghĩa là, độ lay rộng của khoan rung chỉ bằng khoảng 1/3 lần so với độ lay rộng

lỗ khi khoan thƣờng.

Kiểm định giả thuyết thống kê cho thấy (dòng cuối trên hình 4.15) giá trị p-

value (0.023) nhỏ hơn mức ý nghĩa thông dụng (=0.05), do vậy, ta loại bỏ giả

thuyết đảo. Nói cách khác, với độ tin cậy 95%, có thể chấp nhận giả thuyết chính

(độ lay rộng trung bình của khoan thƣờng lớn hơn của khoan rung ít nhất 8%).

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4.3.3. Độ không tròn của lỗ khoan

93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Hình 4.16. Hiện tượng lỗ không tròn (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thường, b. Khoan rung

Độ không tròn của lỗ khoan ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng làm việc của lỗ

nên nó là một thông số rất quan trọng để đánh giá chất lƣợng của quá trình

khoan. Vẫn sử dụng kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe, xác định

đƣợc tƣơng đối chính xác đƣờng kính nhỏ nhất và đƣờng kính lớn nhất của tất cả

36 lỗ trên 2 phôi thí nghiệm với cả 2 trƣờng hợp khoan thƣờng và khoan rung.

Kết quả đo đƣờng kính và kết quả xác định độ không tròn của các lỗ đƣợc thể

hiện trong bảng 4.6.

Độ không tròn ở đây có thể đánh giá qua thông số E (mm) đƣợc xác định nhƣ

sau:

(4.4)

Ở đây:

Dmax: Đƣờng kính lớn nhất của lỗ khoan (mm)

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Dmin: Đƣờng kính nhỏ nhất của lỗ khoan (mm)

94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Bảng 4.6. Độ không tròn của lỗ khoan cho cả 2 phương pháp khoan

Đƣờng

Đƣờng

Đƣờng

Độ

Đƣờng

kính nhỏ

kính lớn nhất

kính nhỏ

Độ không

không tròn

Lỗ

kính lớn nhất

nhất lỗ

lỗ khoan

nhất lỗ

tròn lỗ khoan

lỗ khoan

khoan

lỗ khoan

khoan

thƣờng

khoan rung

thƣờng E1

rung E2

rung

thƣờng

(mm)

(mm)

Dmax1(mm))

Dmin2 (mm)

Dmax2(mm)

Dmin1(mm)

1.6546

1.7025

1.6797

1.717

0.02395 0.01865

1

2

1.5977

1.7073

1.6468

1.7359

0.0548 0.04455

3

1.64

1.712

1.6054

1.6407

0.036 0.01765

4

1.7427

1.9107

1.6026

1.6152

0.084 0.0063

5

1.767

1.8191

1.5716

1.6337

0.02605 0.03105

6

1.7807

1.843

1.6213

1.6814

0.03115 0.03005

7

1.6803

1.7766

1.6416

1.6757

0.04815 0.01705

8

1.6751

1.7456

1.6389

1.68

0.03525 0.02055

9

1.7182

1.831

1.5747

1.5814

0.0564 0.00335

10

1.6681

1.7097

1.533

1.6071

0.0208 0.03705

11

1.6989

1.7496

1.5633

1.6509

0.02535 0.0438

12

1.7218

1.847

1.5315

1.6054

0.0626 0.03695

13

1.6733

1.8171

1.5255

1.5426

0.0719 0.00855

14

1.653

1.7043

1.5074

1.5444

0.02565 0.0185

15

1.6656

1.7852

1.535

1.5812

0.0598 0.0231

16

1.7022

1.876

1.5897

1.6231

0.0869 0.0167

17

1.612

1.772

1.543

1.5798

0.08

0.0184

18

1.6781

1.7843

1.5241

1.6023

0.0531 0.0391

Sử dụng phần mềm Minitab16.0 với phép phân tích thực nghiệm so sánh “2

samples t-test” tƣơng tự nhƣ khi phân tích độ lay rộng lỗ khoan, kết quả phân

tích thống kê cũng cho thấy, khoan rung cũng làm giảm độ không tròn trung bình

Thực hiện: Phan Văn Nghị

của các mẫu khoan từ 0.04 mm xuống còn 0.02 mm (xem hình 4.17). Kiểm định

95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

giả thuyết thống kê cho thấy, với xác xuất tin cậy trên 95%, có thể khẳng định

Hình 4.17. Kết quả so sánh độ không tròn

các lỗ khoan có rung trợ giúp làm giảm độ không tròn thêm ít nhất 0.01 mm.

4.3.4. Độ ổn định của kích thước lỗ khoan

Một thông số quan trọng khác cần quan tâm là độ ổn định của đƣờng kính lỗ

khoan. Độ ổn định của lỗ khoan sẽ ảnh hƣởng lớn đến dung sai lỗ khoan và gây

khó khăn cho việc xác định các quy luật gây sai số khi khoan dẫn đến khó khăn

cho việc tìm ra các giải pháp để giảm tăng độ chính xác khi khoan. Hình 4.18

trình bày đồ thị phân bố của độ lay rộng lỗ từ số liệu của 2 tập mẫu nói trên dựa

vào bảng thống kê đƣờng kính của 18 lỗ khoan thƣờng và 18 lỗ khoan rung (bảng

Hình 4.18. Phân bố độ lay rộng lỗ; nét liền cho lỗ khoan thường, nét đứt cho lỗ

khoan rung

Thực hiện: Phan Văn Nghị

4.1).

96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Qua hình 4.18 thấy rằng, so với khoan thƣờng, độ lay rộng lỗ khi khoan rung

không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (4.84% so với 14.83%) mà còn có

phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn (Độ lệch chuẩn chỉ là 2.143 so với 3.418). Nói

cách khác, tập các đƣờng kính lỗ khoan rung có giá trị ổn định hơn nhiều so với

các lỗ khoan thƣờng.

4.3.5. Độ xiên của lỗ khoan

Để lỗ sau khoan đạt yêu cầu khi làm việc, độ thẳng của lỗ là một thông số

quan trọng. Khi khoan thƣờng (không có rung động trợ giúp), do hiện tƣợng phoi

dây dính bám lên rãnh xoắn mũi khoan gây ra hiện tƣợng đẩy ngang mũi khoan

làm mũi khoan bị xiên. Trong khi khoan tích hợp rung, phoi tạo ra là phoi vụn

nên mũi khoan ít bị xiên.

Để đánh giá sơ bộ về độ không thẳng (độ xiên) của lỗ, sử dụng máy cắt dây

CW322S cắt dọc lỗ khoan, rồi chụp ảnh so sánh trên hình 4.19.

Ở hình 4.19.a, ứng với khoan thƣờng, lỗ khoan bị xiên đáng kể và xiên theo

các hƣớng khác nhau. Trong khi ở hình 4.19.b ứng với khoan rung, các lỗ khoan

Hình 4.19. Hiện tượng xiên lỗ khoan: a. Khoan thường, b. Khoan rung

ít bị xiên hơn và đều xiên theo một hƣớng cố định.

Dựa vào hình 4.19, có thể kết luận sơ bộ rằng khoan tích hợp rung không

những cải thiện đƣợc độ lay rộng lỗ, nâng cao độ tròn lỗ, cải thiện độ phân tán

kích thƣớc lỗ mà còn cải thiện đƣợc độ xiên của lỗ khoan đáng kể so với khoan

thƣờng.

4.3.6. Chất lượng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ

Thực hiện: Phan Văn Nghị

khoan

97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Sử dụng kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe chụp bề mặt thành

lỗ, dễ dàng nhận thấy rằng, chất lƣợng bề mặt khi khoan tích hợp rung đƣợc cải

Hình 4.20.Chất lượng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ khoan:

a. Khoan thường, b. Khoan rung

thiện đáng kể so với khoan thƣờng.

Khi khoan không có tích hợp rung động, nhất là đối với các loại vật liệu dẻo

nhƣ nhôm và hợp kim của chúng, do tính dẻo của vật liệu gia công nên phoi thoát

ra ma sát rất lớn với mặt trƣớc mũi khoan, với rãnh xoắn và cả thành lỗ khoan

làm nhiệt độ tại vùng cắt và khu vực phoi ma sát với thành lỗ tăng lên rất lớn,

gây cháy xém bề mặt lỗ khoan. Hơn nữa, phoi dây thoát ra còn cào xƣớc mãnh

liệt lên thành lỗ gây nên các vết cào xƣớc làm tăng độ nhấp nhô bề mặt lỗ. Trên

hình 4.19.a và hình 4.20.a, bề mặt thành lỗ khoan xuất hiện nhiều vùng màu đen,

đó chính là những khu vực cháy xém do nhiệt cắt cao. Càng về cuối lỗ thì tần

suất xuất hiện cháy xém càng cao do lỗ khoan càng sâu, phoi càng khó thoát nên

nhiệt cắt càng lớn. Hình 4.19.b và hình 4.20.b thể hiện chất lƣợng bề mặt lỗ

khoan khi khoan tích hợp rung động. Ở đây, hiện tƣợng cháy xém bề mặt lỗ giảm

rõ rệt, các vết xƣớc trên thành lỗ cũng ít xuất hiện hơn khi khoan thƣờng. Bề mặt

lỗ ít cháy xém do khi khoan tích hợp rung, phoi tạo ra là phoi vụn nên ma sát

phoi với thành lỗ giảm và thời gian tiếp xúc thực giữa dụng cụ cắt và phoi giảm

(gián đoạn theo rung động) nên điều kiện thoát nhiệt đƣợc cải thiện. Hiệu quả là

Thực hiện: Phan Văn Nghị

nhiệt cắt khi khoan rung giảm đáng kể. Ngoài ra, khi khoan rung, phoi vụn thoát

98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

ra dễ dàng nên sự cào xƣớc của phoi lên thành lỗ cũng giảm, kết quả là nhấp nhô

bề mặt giảm đáng kể so với khoan thƣờng.

Quan sát ảnh chụp trên hình 4.20.a thấy rằng, ở mép cuối bề mặt lỗ, ba via

xuất hiện với kích thƣớc lớn làm giảm chất lƣợng quá trình khoan và cần có

nguyên công phụ để loại bỏ các ba via này. Hiện tƣợng ba via xuất hiện nhiều khi

khoan các vật liệu dẻo. Khi mũi khoan tiến về phía cuối mép lỗ, do phần thể tích

vật liệu gia công phần cuối lỗ ít đƣợc giữ bởi khối vật liệu chi tiết, hơn nữa, do

tính dẻo của vật liệu cao nên thể tích vật liệu này hầu nhƣ không bị cắt mà bị đẩy

xuống theo chuyển động của mũi khoan, tạo ra ba via ở mép cuối lỗ. Với trƣờng

hợp khoan có rung động trợ giúp, kích thƣớc ba via này giảm đáng kể, nhƣ thể

hiện trên hình 4.20.b. Nhờ có thêm chuyển động dao động của rung, quá trình cắt

phoi (tạo phoi) khi khoan rung xảy ra khác với khoan thƣờng. Khi khoan thƣờng,

vật liệu phải trải qua các bƣớc là biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo rồi mới đến

biến dạng phá hủy (đứt phoi). Vật liệu gia công là vật liệu dẻo nên cả quá trình

biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo đều dài. Nhƣng với khoan rung, quá trình

biến dạng dẻo sẽ ngắn hơn, phoi nhanh bị đứt hơn do chịu tác động của năng

lƣợng do rung động tạo ra. Do đó, phần thể tích kim loại ở cuối mép lỗ dễ bị đứt

hơn so với khoan thƣờng.

4.4. Kết luận chương

Chƣơng này trình bày các bƣớc chuẩn bị thí nghiệm cũng nhƣ quá trình

thí nghiệm khoan theo 2 phƣơng pháp: khoan thƣờng và khoan có rung động trợ

giúp trên 2 mẫu phôi hợp kim nhôm A5052, đại diện cho loại vật liệu dẻo. Sau

khi thí nghiệm, tiến hành đo đƣờng kính tất cả các mẫu khoan để tiến hành xử lý

kết quả trên phần mềm Minitab16.0. Kết quả đo đạc, xử lý số liệu cho kết luận

quan trọng: Khoan có rung động trợ giúp có thể giảm độ lay rộng lỗ đến 3 lần so

với khoan thƣờng; còn với việc giảm độ không tròn của lỗ khoan, phƣơng pháp

khoan rung giảm đƣợc 2 lần so với khoan thƣờng. Các kết quả thí nghiệm còn

chứng tở rằng, khoan có rung động trợ giúp cải thiện đáng kể độ ổn định kích

thƣớc lỗ khoan, độ xiên lỗ, dạng phoi, chất lƣợng bề mặt cũng nhƣ vấn đề ba via

Thực hiện: Phan Văn Nghị

thành lỗ so với phƣơng pháp khoan thƣờng.

99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Các kết quả chính đã đạt được

Hai cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho khoan theo 2 nguyên lý tạo rung động

là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí (tần số thấp) và rung siêu âm (tần số cao)

đã đƣợc phân tích, lựa chọn thiết kế và chế tạo cũng nhƣ thực nghiệm khoan trên

hợp kim nhôm. Các cơ cấu đƣợc thiết kế nhỏ gọn, vận hành dễ dàng nhƣng vẫn

đảm bảo đƣợc khả năng làm việc trong điều kiện thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm

đã khẳng định đƣợc sự vƣợt trội của phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp

so với phƣơng pháp khoan thông thƣờng. Dƣới đây là các thành tựu cơ bản đề tài

đã đạt đƣợc:

 Tổng quan về cơ sở và các nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ

giúp gia công cơ nói chung và nguyên công khoan nói riêng;

 Thiết kế, chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung với 2 nguyên lý khác nhau:

cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung dựa

trên hiệu ứng áp điện;

 Vận hành và thu thập số liệu thực nghiệm cơ cấu rung trợ giúp

khoan hợp kim nhôm;

 Khẳng định đƣợc tính ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp so

với khoan thƣờng thông qua việc phân tích có hệ thống các số liệu

thực nghiệm ;

 Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung động trợ giúp

nguyên công khoan các vật liệu dẻo.

Mặc dù nghiên cứu đã phân tích và chứng minh đƣợc những ƣu điểm

vƣợt trội của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thông thƣờng thông

qua các thực nghiệm cụ thể trên cơ cấu tạo rung đã thiết kế, chế tạo nhƣng

còn có một số vấn đề cần thiết đƣợc nghiên cứu và tìm hiểu sâu hơn cho cơ

cấu này ở các bƣớc kế tiếp. Cụ thể là:

Thực hiện: Phan Văn Nghị

Đề xuất các hướng nghiên cứu

100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

 Nghiên cứu động lực học của cơ cấu và hệ thống gia công;

 Hoàn thiện kết cấu cơ cấu rung nhỏ gọn, đơn giản hơn, phù hợp với

khả năng chế tạo và sử dụng trong nƣớc;

 Tối ƣu hóa thông số rung, thông số công nghệ đa mục tiêu;

 Thử nghiệm gia công lỗ sâu có tỷ số L/D lớn hơn;

Thực hiện: Phan Văn Nghị

 Thử nghiệm cho các loại vật liệu khó gia công khác nhau;

101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Tài liệu tham khảo

[1].

Gilbert Kaufman, Applications for Aluminum Alloys and Tempers, ASM

International, 2000, pp. 87-118;

[2].

Feng Ke, Jun Ni, D.A Stephenson, Continuous chip formation in drilling,

International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005); pp. 1562-1568

[3].

Gwo-Lianq Chern, Han-Jou Lee, Using workpiece vibration cutting for micro-

drilling, International Journal of Advance Manufacturing Technology 27 (2006);

pp 688-692;

[4].

ASM- Machining processes- Handbook

[5].

Chandra Nath, A study on ultrasonic vibration cutting of difficult – to - cut

materials, PhD, Nation University of Singapore, 2008

[6].

Adachi K.; Arai N.; Harada S.; Okita K.; Wakisaka S., A study on burr in low

frequency vibration drilling – Drilling of aluminum, Bulletin of JSPE, 21 (4); pp.

258–264;

[7].

G.-L. Chern, J.M. Liang, Study on boring and drilling with vibration cutting,

International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(1), 2007, pp.133-

140;

[8].

B. Azarhoushang, J. Akbari, Ultrasonic-assisted drilling of Inconel 738-LC,

International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(7–8), 2007, pp.

1027–1033;

[9].

S.S.F. Chang, G.M. Bone, Burr size reduction in drilling by ultrasonic

assistance, International Journal of Robotics Computer-Integrated Manufacturing

(21) (2004) 442–450

[10]. Zhang DY, et al. (1994), Study on the drill skidding motion in ultrasonic

vibration microdrilling, International Journal of Machine Tools and Manufacture

34(6), pp. 847–857;

Thực hiện: Phan Văn Nghị

102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

[11]. H. Onikura, O. Ohnishi, J.H. Feng, T. Kanda, T. Morita, U. Bopp, Effects of

ultrasonic vibration on machining accuracy in microdrilling, International

Journal of JSPE 30 (3) (1996), pp. 210–216;

[12]. H. Onikura, O. Ohnishi, Drilling mechanisms in ultrasonic-vibration assisted

micro drilling, Journal of JSPE 64 (11) (1998) 1633–1637 (in Japanese)

[13]. H. Takeyama, S. Kato, Burrless drilling by means of ultrasonic vibration, Annals

of CIRP 40 (1) (1991) 83–86

[14]. Erofeev L.V., Russian Impact-Vibration Pile driving Equipment. Available online

at http://www.vulcanhammer.net/info/udarvib.php

[15]. Franca L.F.P., Weber H.I.,(2004), Experimental and numerical study of a new

resonance hammer drilling model with drift, Chaos, Solitons and Fractals 21,

789-801.

[16]. J. W. Waanders, Piezoelectric Ceramics: Properties and Applications, 1991. 91

pages

[17]. Metals Handbook, Vol.2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and

Special-Purpose Materials, ASM International 10th Ed. 1990.

[18]. Structural Alloys Handbook, 1996 edition, John M. (Tim) Holt, Technical Ed; C.

Y. Ho, Ed., CINDAS/Purdue University, West Lafayette, IN, 1996.

[19]. Số liệu của Ban kiểm nghiệm, xí nghiệp cơ khí 59 ( Thái Nguyên), bộ quốc phòng

[20]. V. Songmene, R. Khettabi, I. Zaghbani, J. Kouam, and A. Djebara ; Machining

and Machinability of Aluminum Alloys, DepartmentofMechanicalEngineering,

1100Notre-DameStreetWest,MontrealQuebecH3C1K3, Canada

[21]. J.S. Zhoul, B.Y. Ye, X.Y. Lai, A study on chip breakage in mini-pore vibration

drilling for hard-to-cut material of austenitic stainless steel, School of

Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology,

Guangzhou, 510640, China

[22]. Matthew w.Hooker, Properties of PZT – Based piezoelectric ceramics between

150-250C, NASA, Lockheed Martin Engineering and Science, Co., Hampton,

Virginia,

Thực hiện: Phan Văn Nghị

103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

[23]. Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình, Quy hoạch thực nghiệm trong kỹ thuật,

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2011.

Thực hiện: Phan Văn Nghị

104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

PHỤ LỤC

CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC

Thực hiện: Phan Văn Nghị

105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn