SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 177
NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH ĐÁNH BÓNG TỪ TÍNH VẬT LIỆU ARCRYLIC DƯỚI TỪ TRƯỜNG QUAY
RESEARCH ON THE MAGNETIC POLISHING PROCESS OF ACRYLIC MATERIALS UNDER ROTATING MAGNETIC FIELD Nguyễn Tiên Thái1, Nguyễn Minh Hiếu1, Phạm Văn Thắng1, Đặng Đức Tuyến1, Nguyễn Ngọc Quân2,*, Nguyễn Duy Trinh3 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này quy trình đánh bóng vật liệu arcrylic dưới từ trườ
ng
quay sẽ được trình bày nhằm tạo ra một bề mặt ở dạng nanomet cùng với đó làchứng minh được khả năng đánh bóng cho vật liệu acrylic cũng như các vật liệ
u
khác. Để thực hiện được việc này đầu tiên quá trình hình thành nên hỗ hợp bù
n
lỏng từ tính dùng trong đánh bóng sẽ được làm rõ đầu tiên, tiếp đó hiệu quả củ
a
quá trình đánh bóng arcrylic dưới từ trường quay sẽ được chứng minh, cuối cù
ng
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng như vận tốc của đĩa quay, vận tố
c
của nam châm và vận tốc của phôi sẽ được khảo sát. Sau thí nghiệm kết quả
cho
được một bề mặt acrylic với độ nhám Ra = 5,810nm dưới một từ trường quay. Đá
nh
bóng vật liệu dưới từ trường quay cho thấy tiềm năng trong quá trình hoàn thiệ
n
bề mặt cho rất nhiều loại vật liệu khác nhau. Từ khóa: Từ trường quay, acrylic, đánh bóng từ tính. ABSTRACT
In this study, a magnetic polishing process for acrylic materials under a
rotating magnetic field will be presented to create a nanometer-
Furthermore, the polishing ability for acrylic materials as well as other
materials
will be demonstrated. To achieve this, the formation process of the magnetic fluid
used in the polishing will be clarified first. Then, the effectiveness of the magnetic
polishing process for acrylic under a rotating magnetic field will be demons
trated.
Finally, the factors influencing the polishing process, such as the rotational speed
of the polishing disc, the speed of the magnet, and the speed of the workpiece,
will be investigated. After the experiments, an acrylic surface with a roughness Ra
of 5.810nm was obtained under a rotating magnetic field. The magnetic polishing
of materials shows potential for surface refinement in various types of materials.
Keywords: Rotating magnetic field, acrylic, magnetic polishing. 1Lớp Cơ khí 03 - K14, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Cơ khí 01 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: ngocquan1982002@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Arcrylic là một vật liệu vô cùng an toàn và thân thiện với con người được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, chúng có các tính chất vô cùng tuyệt vời có thể dễ dàng đúc, cắt, khoan, uốn để tạo các hình dáng khác nhau. Nguồn gốc xuất phát từ việc tinh chế dầu mỏ nên nhựa Acrylic có độ bền bỉ và khả năng chịu nhiệt, chịu tác động rất tốt. Chính vì nguyên nhân này đã khiến cho việc tìm ra được một quy trình đánh bóng bề mặt acrylic là vô cùng cấp thiết. Một bề mặt có với độ nhám ở mức nanomet mà không hề gây hư hại cho bề mặt là điều cần được đáp ứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp hiện nay. Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu cho quá trình hoàn thiện bề mặt vật liệu, Lee và cộng sự đã nghiên cứu về một quá trình đánh bóng bề mặt bằng công nghệ laser và phân tích tác động của các thông số như công suất laser, tốc độ quay và khoảng cách tới bề mặt [1]. Hay một nghiên cứu về việc sử dụng công nghệ phun cát trong quá trình đánh bóng bề mặt kim loại và tìm ra rằng loại vật liệu và áp lực phun cát có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt được thực hiện vởi Wang và đồng nghiệp vào năm 2018 [2]. Một quy trình đánh bóng bề mặt các vật liệu composite và tìm ra rằng cấu trúc và thành phần của vật liệu có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình đánh bóng cũng được đưa ra bởi Johnson và đồng nghiệp năm 2019 [3]. Tuy nhiên các phương pháp này cũng có những nhược điểm chưa thể khắc phục như là có thể có rủi ro làm hỏng hoặc làm hư hại bề mặt vật liệu do áp lực quá lớn; độ chính xác không đồng đều trên bề mặt do quá trình đánh bóng hoặc vật liệu không đồng nhất. Một rủi ro khác đó là có thể gây ra sự biến dạng hoặc làm thay đổi cấu trúc của vật liệu do tác động nhiệt độ, áp lực và ma sát. Từ những nhược điểm này các tác giả đã đưa ra một quy trình đánh bóng bề mặt sử dụng từ trường quay cho vật liệu acrylic. Từ lâu trên thế giới đánh bóng từ tính đã được công nhận là một phương pháp gia công tiên tiến. Một bề mặt arcrylic siêu mịn với độ nhám ở mức nanomet sau gia công mà không hề lại các khuyết tật trong quá trình gia công đó chính là khuyết điểm của các phương pháp hoàn thiện bề mặt thông thường. Từ đây, một loại dung dịch bùn lỏng từ tính mới dùng trong đánh bóng đã được xây dựng. Loại bùn lỏng từ tính này được hình thành bằng cách trộn các hạt có kích thước micromet bao gồm Fe, Al2O3 và nước khử từ hỗn hợp bùn lỏng từ tính này được gọi là MRF. Các hạt trong MRF có thể điều khiển bởi từ trường đối với phương pháp này.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
178
KHOA H
ỌC
Tương tự với chất lỏng Bingham có từ trường ngoài tác động [4] thì hỗn hợp MRF cho độ nhớt rõ ràng với áp suất cao hơn và phân bố các hạt ổn định hơn khi duy trì. Dưới tác dụng của từ trường các hạt từ tính được từ hóa và kéo theo những đối tượng lân cận chạy dọc theo các đường lực cảm ứng từ. Với một cường độ nhất định thì quá trình này với mục đích tạo ra các chùm hạt [6]. Trong các chùm các hạt mài và vô số các cụm được phân bố trong đó hình thành nên các dụng cụ đánh bóng từ tính [5]. Do ma sát sinh ra bởi các hạt mài và phôi lực đánh bóng sẽ được sinh ra ngay khi có chuyển động tương đối giữa bề mặt làm việc và các cụm từ tính. Một lượng dư gia công rất mỏng sẽ bị loại bỏ ngay khi các hoạt động loại bỏ vật liệu của các hạt mài này được hình thành [7]. Nghiên cứu này các tác giả sẽ làm rõ nguyên lí hình thành nên hỗn hợp từ tính làm công cụ cho quá trình đánh bóng. Sau đó một quy trình đánh bóng cho vật liệu arcrylic và hiệu quả của quá trình đánh bóng cũng sẽ được nêu ra. Cuối cùng một thí nghiệm phân tích về ảnh hưởng của các tham số ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng cũng sẽ được thực hiện. Sau khi hoàn thành kết luận được hiệu quả của quy trình đánh bóng MRF dưới tác động của từ trường quay cho thấy được khả năng hoàn thiện bề mặt arcrylic mà không hề gây ra bất kì hư tổn nào cho bề mặt. 2. VẬT LIỆU VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHO THÍ NGHIỆM 2.1. Vật liệu Trong các thí nghiệm đánh bóng thì loại phôi được sử dụng là Arcrylic với kích thước ở mức micromet. Hai loại hạt mài chính được sử dụng là Fe và Al2O3. Bảng 1 thể hiện các đặc tính cơ học cũng như tính chất vật lí của arcrylic. Bảng 1. Các tính chất của arcylic Tính chất Khối lượng riêng Nhiệt độ nóng chảy Độ bền uốn Độ cứng Rockwell R Giá trị 1,18 g/cm3 1600C 90MPa 102 Trước khi tiến hành thí nghiệm phôi bề mặt của phôi arcylic có độ nhám khoảng 200 -500nm nguyên nhân được giải thích là do chúng được gia công bằng phương pháp cắt dây trước đó. Kết thúc thí nghiệm các phôi arcylic được làm sạch bằng acrton và ethanol cùng với nước khử ion và đem sấy khô. 2.2. Thiết lập mô hình Mô hình được sử dụng trong các thí nghiệm này bao gồm 4 phần một cụm kích từ trường, một cụm đánh bóng bao gồm đồ gá kẹp phôi và cơ cấu di chuyển, một lồng quay chứa hỗn hợp bùn lỏng từ tính cũng là nơi diễn ra hoạt động đánh bóng vật liệu. Mối quan hệ của chúng được thể hiện như hình 1. Cụm kích từ trường bao gồm một đĩa nam châm kết nối với một động cơ. Cụm đánh bóng bao gồm một đồ gá kẹp phôi kết nối với một động cơ và có thể di chuyển nhờ cơ cấu di chuyển riêng của nó. Lồng quay được kết nối với một động cơ thông qua một bộ truyền đai. Bên cạnh đó hệ thống điều khiển của mô hình cho phép điều chỉnh hướng di chuyển của phôi và kiểm soát được tốc độ của các động cơ trong quá trình đánh bóng. Hình 1. Mô hình dùng trong thí nghiệm 3. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỖN HỢP MRF DÙNG TRONG ĐÁNH BÓNG Nguyên lí đánh bóng sử dụng MRF được thể hiện trong hình 1. Bắt đầu quá trình đánh bóng phôi được gá lên đồ gá và được cơ cấu di chuyển đưa đến đến vùng đánh bóng lúc này bề mặt gia công công của phôi và lồng quay sẽ thiết lập được một khoảng cách ta gọi là đây là khoảng cách gia công (Q) khi này động cơ 1 truyền tới phôi một chuyển động quay với tốc độ n1 qua đồ gá bằng một nối trục. Lúc này động cơ số 2 truyền đến lồng quay chứa MRF một chuyển động quay với vận tốc n2 thông qua một bộ truyền đai. Cùng lúc đó động cơ số 3 truyền tới đĩa nam châm một chuyển động quay n3 và lúc này khi bề mặt của đĩa nam châm và đáy của lồng quay thiết lập được một khoảng cách U bên cạnh đó khoảng cách từ tâm của đĩa nam châm đến tâm của phôi được thiết lập là A. Khi này một quy trình đánh bóng MRF cho vật liệu arcylic được thiết lập. Ban đầu trên bề mặt lồng quay chứa một lượng MRF tất cả các hạt có trong thành phần của MRF lúc này dưới tác động của trọng lực chúng nằm trên bề mặt lồng quay một cách hỗn loạn. Ngay sau đó khi bắt đầu ngay khi bắt đầu quá trình đánh bóng đĩa nam châm và đáy của lồng quay thiết lập được một khoảng cách U lúc này các cụm đường sức từ sinh ra bởi nam châm ngay lập tức được tạo nên và ngay lúc này các hạt mài từ tính (Fe) dưới tác dụng của từ trường ngay lập tức tạo lên các cụm hạt dọc theo phương của các đường sức từ. Độ lớn của từ trường sinh ra bởi nam châm được thể hiện trong hình 2a, bên cạnh đó hình 2b lại thể hiện cho thấy phân bố và độ lớn của đường sức từ sinh ra bởi nam châm. Trong quá trình đánh bóng các hạt mài không từ tính (Al2O3) sẽ bám vào xung quanh các hạt Fe. Bên cạnh đó khi các cụm được hình thành thì dưới tác dụng của vùng từ trường chúng sẽ bị hút và tập trung tại nơi có từ trường mạnh nhất. Lúc này do có tác động của vùng từ trường thì các hạt mài đang nằm tự do bị một lực tác động kéo tập trung lại. Do có sự tác động của hai loại lực này trong quá quá trình đánh bóng thì hầu hết các hạt Al2O3 trong lớp bùn MRF sẽ đi đến bề mặt khi đang đánh bóng của phôi và tác động một lực lên nó. Một chuyển động quay được truyền tới các hạt mài ngay khi lồng chứa MRF chuyển động với tốc độ quay là n2
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 179
ngoài ra thì các cụm từ cũng sẽ bị tác động bởi một lực hút bên dưới bề mặt của lồng. Sau đó dưới tác động của động cơ số 1, phôi cũng sẽ được truyền tới chuyển động quay n1. Khi đó nhờ tác dụng của lực ma sát sinh ra bởi hạt mài và bề mặt của phôi thì lúc này ta loại bỏ được một lượng dư vật liệu vô cùng nhỏ. Hoạt động loại bỏ vật liệu trong quá trình đánh bóng ảnh hưởng chính bởi hai yếu tố thứ nhất là phân bố của các hạt mài lên bề mặt gia công của arcrylic trong quá trình gia công. Thứ hai đó là độ lớn của từ trường tác động lên bề mặt gia công. Xét đến vấn đề này khi thiết lập được một khoảng cách gia công Q = 1 (mm) thì hình 2c thể hiện độ lớn của từ trường ảnh hưởng lên bề mặt gia công trong quá trình đánh bóng. Hình 2. Đặc điểm của từ trường áp dụng cho quá trình đánh bóng 4. HÌNH DÁNG CỦA BÙN MRF VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 4.1. Hình dáng của bùn MRF Thành phần của bùn MRF dùng trong đánh bóng được thể hiện trong bảng 2. Như đã được phân tích trước đó thì các cụm hạt sẽ được hình thành dọc theo phương của các đường sức từ do đó điều này là nguyên nhân chính quyết định hình dáng của MRF. Từ đó một thí nghiệm quan sát hình dáng thực tế của MRF trong quá trình đánh bóng cũng đã được thực hiện. Thiết bị dùng cho thí nghiệm bao gồm một đĩa có gắn nam châm cùng với lồng chứa bùn MRF dưới sự hỗ trợ của camera tốc độ cao. Thiết lập của thí nghiệm được thể hiện trong hình 4a, bên cạnh đó hình 4b cho thấy hình ảnh thực tế của MRF trong quá trình đánh bóng. Bảng 2. Thành phần của của bùn MRF Nước khử từ (%) Fe Al2O3 40% 45% 15% Hình 3. Quá trình quan sát hình dáng thực tế của MRF dưới camera tốc độ cao Hình 4. Hình ảnh của MRF dùng cho quá trình đánh bóng 4.2. Thiết kế các thí nghiệm Thí nghiệm thứ nhất được thực hiện nhằm mục đích chứng minh được hiệu quả của quá trình đánh bóng MRF cho vật liệu arcrylic. Các thông số cho thí nghiệm đầu tiên được thể hiện như trong bảng 3. Bảng 3. Thông số thí nghiệm Đặc điểm - Tính chất Vật liệu Thông số Số vòng quay Nam châm Nd-Fe 20x10 (mm) n3 = 60rpm Lồng quay Al n1 = 60rpm Phôi Arcrylic n2 = 60rpm
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
180
KHOA H
ỌC
5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5.1. Hiệu quả của quy trình đánh bóng MRF được đề xuất Để có thể chứng minh được hiệu quả của quy trình đánh bóng MRF dưới từ quay cho vật liệu arcylic một thí nghiệm đã được thực hiện. Sau khoảng thời gian 90 phút gia công kết quả của thí nghiệm được thể hiện trong hình 4, quan sát có thể thấy sau khi kết thúc quá trình đánh bóng MRF thu được một bề mặt siêu mịn, vô cùng bóng gương. a) Trước đánh bóng b) Sau khi đánh bóng Hình 4. Kết quả đánh bóng vật liệu arcrylic áp dụng quy trình MRF Để có thể phân tích sâu hơn hiệu suất của quá trình đánh bóng MRF được đề xuất, hình 5 thể hiện độ nhám bề mặt arcylic sau đánh bóng. Từ kết quả được đưa ra đối với quá trình đánh bóng MRF độ nhám được cải thiện ở mức nanomet. Điều này cho thấy việc cho ra được một bề mặt SUS304 với độ nhám ở mức nanomet là hoàn toàn khả thi. Hình 5. Độ nhám bề mặt của arcylic sau đánh bóng Hình 5 thể hiện hiệu suất đánh bóng của quy trình MRF được đề xuất. Trước khi đánh bóng phôi arcylic được gia công bằng phương pháp cắt dây nên bề mặt rất tối và chứa nhiều cấu trúc gồ ghề. Trong 45 phút đánh bóng đầu tiên các cấu trúc gồ ghề với đỉnh cao đã được loại bỏ tuy nhiên vẫn tồn tại rất nhiều các cấu trúc gồ ghề với đỉnh thấp hơn vẫn xuất hiện trên khắp bề mặt. Kết thúc quá trình đánh bóng sau 90 phút số lượng các khuyết tật này đã được giảm đi đáng kể bề mặt lúc này đã sáng và mịn hơn. Như đã được phân tích trước đó bề mặt của arcylic trước khi gia công rất thô và có chứa rất nhiều cấu trúc gồ ghề do quá trình gia công cắt dây trước đó. Sau 45 phút đầu tiên cấu trúc thô gồ ghề với các đỉnh cao đã được loại bỏ độ nhám bề mặt lúc này là 14,273nm. Sau đó kết thúc quá trình đánh bóng sau 90 phút độ nhám bề mặt của arcylic lúc này đạt mức 5,810nm. Quan sát từ kết quả của thí nghiệm trên cho thấy được khả năng của quy trình đánh bóng MRF được đề xuất hoàn toàn có thể cho được một bề mặt bóng gương siêu mịn với độ nhám đạt mức nanomet kèm với đó là hiệu suất đánh bóng cũng là rất tốt. 6. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này một quy trình hoàn thiện bề mặt của vật liệu MRF đã được đề xuất và chứng minh được hiệu quả của nó qua các thí nghiệm. Bề mặt arcylic sau gia công thu được vô cùng mịn với độ nhám bề mặt đạt mức nanomet. Bên cạnh đó ảnh hưởng của các tham số đến độ nhám bề mặt arcylic cũng đã được nghiên cứu một cách cẩn thận. Từ các kết quả cho thấy một tiềm năng to lớn trong tương lai cho một bề mặt arylic với bề mặt siêu mịn và hiệu quả cao mà không gây ra bất cứ khuyết tật bề mặt nào trong quá trình đánh bóng MRF. Bên cạnh đó không chỉ là vật liệu arcrylic mà hoàn toàn có thể hướng đến việc hoàn thiện bề mặt cho các vật liệu khó gia công khác như titan, SUS304, BK7, K9, ceramic và nhiều vật liệu khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. X. Liang, B. Lin, Z. Liu, A. Du, 2022. Study on the relationship between the damage of machined surface layer and the dispersion curve of laser-induced surface acoustic wave. Optics & Laser Technology, 148, 107667, 04/01. [2]. Z. Wang, C. Sun, D. Wu, 2021. Automatic picking of multi-mode surface-wave dispersion curves based on machine learning clustering methods. Computers & Geosciences, 153, 104809. [3]. A. K. Khalil, W. S. Yip, M. Rehan, S. To, 2023. A novel magnetic field assisted diamond turning of Ti-6Al-4 V alloy for sustainable ultra-precision machining. Materials Today Communications, 35, 105829, /06/01. [4]. H. Zhou, W. Sze Yip, J. Ren, S. To, 2022. Topic discovery innovations for sustainable ultra-precision machining by social network analysis and machine learning approach. Advanced Engineering Informatics, 53, 101715, 08/01. [5]. J. Xu, J. Li, M. Nie, Y. Liu, 2023. Material removal mechanism in magnetorheological foam plane finishing. Journal of Manufacturing Processes, 87, 168-182, 02/03. [6]. G. Ghosh, A. Sidpara, P. P. Bandyopadhyay, 2023. Performance improvement of magnetorheological finishing using chemical etchant and diamond-graphene based magnetic abrasives. Precision Engineering, 79, 221-235,01/01. [7]. A. S. Rajput, M. Das, S. Kapil, 2023. Investigation of surface characteristics on post processed additively manufactured biomaterial through magnetorheological fluid assisted finishing process. Wear, 522, 204684, 06/01.