Tài liệu Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp của rung động siêu âm

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Chu Ngọc Hùng NGHIÊN CỨU KHOAN LỖ NHỎ VÀ SÂU TRÊN HỢP KIM NHÔM CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã Số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Văn Dự THÁI NGUYÊN – NĂM 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Dự. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án (trừ những nội dung được trích dẫn) là hoàn toàn do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2019 Tác giả luận án Chu Ngọc Hùng ii LỜI CẢM ƠN Luận án này có thể chưa bao giờ được hoàn thành nếu không có sự hướng dẫn và trợ giúp của PGS.TS Nguyễn Văn Dự. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về tất cả sự giúp đỡ của Thầy dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Minh Đức, người đầu tiên mà tôi đã học được cơ khí là gì, người đã luôn dành sự quan tâm và cho tôi những lời khuyên trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Phan Quang Thế, vì sự quan tâm đặc biệt của Thầy dành cho tôi, người đã truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi không thể quên gửi lời cảm ơn đến GS.TS Nguyễn Đăng Bình, người đã định hướng cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Tiến Hưng, người đã giúp đỡ tôi bất cứ khi nào tôi cần. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Như Khoa, người đã tài trợ cho tôi những thiết bị đo đắt tiền, khó mua cho các thí nghiệm của tôi. Tôi sẽ không viết những dòng này nếu không phải vì Bố Mẹ yêu quí của tôi, cảm ơn Bố Mẹ đã nuôi dưỡng tôi để tôi có được ngày hôm nay. Tôi không thể tìm được những từ thích hợp để cảm ơn vợ của tôi, Ngô Thị Bích Ngọc và hai con gái của tôi, Chu Thúy Hiền và Chu Thảo Hiền, cảm ơn em và các con đã dành cho tôi một tình yêu vô điều kiện. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2019 Tác giả luận án Chu Ngọc Hùng iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1 Tính cấp thiết ........................................................................................................1 2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.........................................................3 2.1 Mục tiêu .........................................................................................................3 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................4 3 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................4 4 Ý nghĩa khoan học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài...............................................4 4.1 Ý nghĩa khoa học ...........................................................................................4 4.2 Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................4 5 Những đóng góp mới của đề tài ...........................................................................5 6 Cấu trúc nội dung luận án.....................................................................................5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM ..............................................................................................................................7 1.1 Giới thiệu ...........................................................................................................7 1.2 Một số khái niệm về rung động siêu âm ...........................................................7 1.2.1 Rung động siêu âm .....................................................................................7 1.2.2 Các phương pháp tạo rung siêu âm ............................................................7 1.3 Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ ..........................................................8 1.3.1 Gia công siêu âm ........................................................................................8 1.3.2 Gia công siêu âm quay ................................................................................9 1.3.3 Gia công có trợ giúp của rung động siêu âm ..............................................9 1.4 Tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm về UAD ...........................................11 1.4.1 Ảnh hưởng của UAD đến quá trình tạo phoi ............................................12 iv 1.4.2 Ảnh hưởng của UAD đến lực dọc trục khi khoan ....................................13 1.4.3 Ảnh hưởng của UAD đến mô men khi khoan ..........................................16 1.4.4 Ảnh hưởng của UAD đến nhiệt cắt ..........................................................18 1.4.5 Ảnh hưởng của UAD đến chất lượng gia công ........................................19 1.4.6 Ảnh hưởng của UAD đến tuổi bền dụng cụ .............................................21 1.4.7 Ảnh hưởng của UAD đến năng suất gia công ..........................................23 1.5 Tổng quan các nghiên cứu lí thuyết về UAD ..................................................23 1.6 Một số vấn đề về gia công hợp kim nhôm ......................................................25 1.6.1 Tính gia công của hợp kim nhôm .............................................................25 1.6.2 Tính gia công của hợp kim nhôm khi khoan ............................................26 Kết luận chương ........................................................................................................28 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH KHOAN CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM..........................................................................................30 2.1 Giới thiệu .........................................................................................................30 2.2 Khoan có trợ giúp của rung động siêu âm .......................................................30 2.2.1 Nguyên tắc ................................................................................................30 2.2.2 Cơ chế của quá trình khoan có trợ giúp của rung động siêu âm ..............31 2.2.3 Động học quá trình khoan có trợ giúp của rung động siêu âm .................33 2.2.4 Cơ chế giảm lực cắt trong khoan có trợ giúp của rung động siêu âm ......34 2.3 Lực dọc trục và mô men khi khoan .................................................................35 2.3.1 Lực dọc trục và mô men độc lập với độ sâu lỗ khoan ..............................35 2.3.2 Lực dọc trục và mô men phụ thuộc độ sâu lỗ khoan ................................38 Kết luận chương ....................................................................................................42 Chương 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM .............44 v 3.1. Giới thiệu ........................................................................................................44 3.2 Các thành phần chính của hệ thống rung siêu âm ...........................................44 3.2.1 Máy phát điện siêu âm ..............................................................................45 3.2.2 Bộ chuyển đổi siêu âm ..............................................................................45 3.2.3 Đầu khuếch đại biên độ ............................................................................48 3.3 Thiết kế hệ thống khoan có trợ giúp của rung động siêu âm ..........................51 3.3.1 Thiết kế cấu trúc .......................................................................................51 3.3.2 Thiết kế chi tiết .........................................................................................53 3.4 Chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh hệ thống ..........................................................57 3.4.1 Chế tạo, lắp ráp hệ thống ..........................................................................57 3.4.2 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng ...............................................57 3.4.3 Đo kiểm bằng thiết bị hiện sóng số ..........................................................59 3.4.4 Đo biên độ rung động ...............................................................................64 3.4.5 Thực nghiệm đánh giá hệ thống rung siêu âm trợ giúp khoan .................67 3.5 Xây dựng hệ thống thí nghiệm ........................................................................67 3.5.1 Mục đích và phương pháp thí nghiệm ......................................................67 3.5.2 Thiết bị thí nghiệm....................................................................................68 3.5.3 Dụng cụ đo và thiết bị thu thập dữ liệu ....................................................70 Kết luận chương ....................................................................................................74 Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHOAN LỖ SÂU CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM..........................................................................................75 4.1 Giới thiệu .........................................................................................................75 4.2 Tiến hành thí nghiệm .......................................................................................76 4.2.1 Thí nghiệm với lực tiến dao không đổi.....................................................76 vi 4.2.2 Thí nghiệm với tốc độ tiến dao không đổi ................................................78 4.3 Một số ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu với lực tiến dao không đổi ...........80 4.3.1 Tốc độ tiến dao .........................................................................................80 4.3.2 Độ sâu lỗ đạt được ....................................................................................83 4.3.3 Mô men và nhiệt độ chi tiết khi khoan .....................................................84 4.3.4 Luận giải ưu việt của UAD .......................................................................86 4.4 Một số ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu với tốc độ tiến dao không đổi ....100 4.4.1 Lực dọc trục và mô men khi khoan ........................................................100 4.4.2 Mô men cắt khi khoan ............................................................................102 4.4.3 Độ sâu an toàn của lỗ khoan ...................................................................104 4.5 Lựa chọn bộ thông số gia công......................................................................106 Kết luận chương ..................................................................................................116 Chương 5 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH MÔ TẢ MÔ MEN KHI KHOAN LỖ SÂU 118 5.1 Giới thiệu .......................................................................................................118 5.2 Một số mô hình đã có ....................................................................................118 5.3 Mô hình đề xuất .............................................................................................122 5.3.1 Mô men cắt .............................................................................................123 5.3.2 Mô men thoát phoi ..................................................................................123 5.3.3 Mô men trượt gián đoạn .........................................................................128 Kết luận chương ..................................................................................................130 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................132 Kết luận chung .....................................................................................................132 Đề xuất nghiên cứu tiếp theo ...............................................................................133 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................134 vii DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................149 PHỤ LỤC ................................................................................................................151 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quĩ đạo rung trong gia công có trợ giúp của rung động siêu âm [36].......11 Bảng 1.2 Một số giải pháp công nghệ cải thiện quá trình khoan hợp kim nhôm .....27 Bảng 2. 1 Một số công thức tính mô men và lực dọc trục khi khoan .......................35 Bảng 2. 2 Kết quả tính lực dọc trục và mô men ........................................................37 Bảng 3. 1 Thông số của bộ chuyển đổi siêu âm ........................................................53 Bảng 3.2 Đặc tính cơ học và đặc tính truyền âm của đầu khuếch đại, ống kẹp, mũi khoan .........................................................................................................................53 Bảng 3. 3 Thông số kĩ thuật của thiết bị phân tích trở kháng ...................................58 Bảng 3.4 Thông số của thiết bị hiện sóng số PicoScope...........................................59 Bảng 3.5 Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung khi độ dài mũi khoan (L) thay đổi ...63 Bảng 3. 6 Thông số kĩ thuật của đầu đo biên độ siêu âm kĩ thuật số ........................65 Bảng 3.7 Thông số rung trong một số công bố cùng lĩnh vực ..................................66 Bảng 3. 8 Các thông số cơ bản của máy gia công.....................................................68 Bảng 3. 9 Bảng thông số mũi khoan .........................................................................69 Bảng 3. 10 Thành phần hóa học của vật liệu mẫu thí nghiệm ..................................69 Bảng 3. 11 Thông số máy phát điện siêu âm ............................................................70 Bảng 3. 12 Các thông số cơ bản của đầu đo lực cắt 3 thành phần ............................71 Bảng 3.13 Các thông số cơ bản của Load cell ..........................................................72 Bảng 3. 14 Các thông số cơ bản của cảm biến đo mô men.......................................72 Bảng 3. 15 Thông số của cảm biến nhiệt độ .............................................................73 Bảng 3. 16 Bảng thông số của cảm biến dịch chuyển...............................................73 ix Bảng 3. 17 Bảng thông số của bộ thu thập dữ liệu ...................................................73 Bảng 4. 1 Các thông số thí nghiệm với lực tiến dao không đổi ................................78 Bảng 4. 2 Các thông số thí nghiệm với tốc độ tiến dao không đổi ...........................80 Bảng 4. 3 Ký hiệu và giá trị các thông số thí nghiệm ...............................................80 Bảng 4.4 Số liệu thống kê năng suất gia công trung bình .........................................82 Bảng 4.5 Giá trị mô men cắt ...................................................................................102 Bảng 4. 6 Kết quả so sánh mô men cắt theo cặp .....................................................103 Bảng 4.7 Độ sâu an toàn (LMAX) đạt được ..............................................................105 Bảng 4. 8 Các thông số thí nghiệm .........................................................................107 Bảng 4. 9 Kết quả thực nghiệm ...............................................................................110 Bảng 4. 10 Tỉ số S/N của các chỉ tiêu và chuẩn hóa trong khoảng [0-1] ................111 Bảng 4. 11 Hệ số quan hệ xám và độ xám trung bình ............................................113 Bảng 4. 12 Mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ xám..................113 Bảng 4. 13 Bảng kết quả thực nghiệm ....................................................................116 Bảng 5.1 Các biến và mức thí nghiệm hồi quy .......................................................122 Bảng 5.2 Kết quả hồi quy hệ số C của mô men cắt ................................................123 Bảng 5.3 Kết quả hồi quy hệ số A trong mô hình mô men thoát phoi ...................124 Bảng 5.4 Kết quả so sánh theo cặp các hệ số A ......................................................126 Bảng 5.5 Kết quả hồi quy các hệ số ai, i=1…3 .......................................................128 Bảng 5.6 Kết quả so sánh theo cặp .........................................................................130 x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hiệu ứng áp điện [32] ..................................................................................8 Hình 1.2 Cơ cấu rung: PZT dạng màng mỏng (a), PZT dạng Sandwich (b) ..............8 Hình 1.3 Nguyên lý gia công siêu âm [33] .................................................................9 Hình 1.4 Nguyên lí gia công siêu âm quay [35]: gia công lỗ (a), mài bề mặt (b) ......9 Hình 1.5 Tiện có trợ giúp của rung động siêu âm [38] .............................................10 Hình 1.6 Các phương án bổ sung rung động vào quá trình gia công [33] ................10 Hình 1.7 Sơ đồ kĩ thuật rung [36]: 1D (a), 2D (b) ....................................................11 Hình 2.1 Kiểu rung trong UAD [76]: rung dọc trục (a), rung xoắn (b), rung kết hợp (c) ..............................................................................................................................30 Hình 2.2 Dao động của mũi khoan khi rung [84] .....................................................32 Hình 2.3 Sơ đồ phân tích động học quá trình cắt khi bổ sung rung động dọc trục [1], [2], [85]......................................................................................................................34 Hình 2.4 Các giá trị lực dọc trục (a), mô men (b) tính theo công thức trong các tài liệu và kết quả thực nghiệm. ............................................................................................38 Hình 2.5 Lực dọc trục trong quá trình khoan [94] ....................................................39 Hình 2.6 Các thành phần lực tác động lên mũi khoan trong mặt phẳng dọc trục (a) và trong mặt phẳng vuông góc với trục mũi khoan (b) [94] ..........................................39 Hình 2.7 Mô men và lực cắt thay đổi theo độ sâu lỗ khoan [88] .............................40 Hình 2.8 Biến động của lực dọc trục và mô men khi khoan với mũi khoan có và không có rãnh bẻ phoi [90] .......................................................................................41 Hình 2.9 Đặc trưng của lực cắt theo độ sâu lỗ khoan [91]........................................41 Hình 2.10 Lực dọc trục và mô men thay đổi theo độ sâu lỗ khoan [92] ...................41 Hình 2.11 Biến động của lực dọc trục theo thời gian gia công [93] .........................42 xi Hình 2.12 Mô men tăng theo độ sâu lỗ khoan [95]...................................................42 Hình 3.1 Hệ thống rung siêu âm ..............................................................................44 Hình 3.2 Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [96] ..................................45 Hình 3.3 Một ví dụ khuếch đại biên độ rung siêu âm ...............................................48 Hình 3.4 Đầu khuếch đại biên độ: dạng hàm mũ (a), dạng catenoit (b), dạng cosine (c), dạng nón (d), dạng trụ bậc (e) [97] .....................................................................48 Hình 3.5 Tỉ lệ khuếch đại biên độ của các dạng đầu khuếch đại [97]: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) dạng cosine, (d) dạng nón, (e) dạng trụ bậc ....................49 Hình 3.6 Đầu khuếch đại biên độ dạng trụ bậc ........................................................49 Hình 3.7 Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: sử dụng ống kẹp (collet) [81] (a), sử dụng ren vít cố định trực tiếp (b) [102] .....................................52 Hình 3.8 Kết cấu hệ thống rung siêu âm trợ giúp khoan ..........................................52 Hình 3.9 Các kích thước chính của đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan .........................................................................................................................54 Hình 3.10 Kết quả phân tích đầu khuếch đại gắn collet và mũi khoan.....................56 Hình 3.11 Bản vẽ lắp bộ chuyển đổi và đầu khuếch đại ...........................................57 Hình 3.12 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng ...............................................58 Hình 3.13 Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR ...................................................................................................................................58 Hình 3.14 Thiết bị hiện sóng PicoScope ...................................................................59 Hình 3.15 Sơ đồ đo trở kháng theo nguyên lý I-V ....................................................60 Hình 3.16 Biểu đồ Bode được vẽ bằng phần mềm FRA4PS ...................................61 Hình 3.17 Ví dụ xử lý số liệu bằng phần mềm OriginLab........................................62 xii Hình 3.18 Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab ...................................................................................................................................62 Hình 3.19 Đo biên độ rung bằng đồng hồ so MИΓ có độ phân giải 1 µm (a), đo biên độ rung bằng đầu đo siêu âm kĩ thuật số (b) .............................................................65 Hình 3.20 Đo biên độ rung bằng Panme ...................................................................65 Hình 3.21 Giảm cường độ tín hiệu đo lực dọc trục khi bổ sung rung siêu âm: lượng chạy dao 0,05 mm/v (a) và 0.085 mm/v (b) ..............................................................67 Hình 3.22 Mũi khoan dùng cho thí nghiệm ..............................................................69 Hình 3.23 Ảnh chụp một số mẫu thí nghiệm ............................................................69 Hình 3.24 Máy phát điện siêu âm (a), cơ cấu chổi than cổ góp (b) ..........................70 Hình 3.25 Đầu đo lực cắt 3 thành phần .....................................................................70 Hình 3. 26 Sơ đồ đo mô men ....................................................................................71 Hình 3.27 Cảm biến đo lực (Loadcell)......................................................................72 Hình 3.28 Cảm biến đo mô men ...............................................................................72 Hình 3.29 Cảm biến nhiệt độ ....................................................................................72 Hình 3.30 Cảm biến dịch chuyển ..............................................................................73 Hình 3.31 Bộ thu thập dữ liệu ..................................................................................73 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống thí nghiệm với lực tiến dao không đổi .............76 Hình 4.2 Hệ thống thí nghiệm với lực tiến dao không đổi ......................................77 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lí hệ thống thí nghiệm với tốc độ tiến dao không đổi ........79 Hình 4.4 Hệ thống thí nghiệm với tốc độ tiến dao không đổi..................................79 Hình 4.5 Đồ thị tiến dao của một số quá trình khoan ...............................................81 Hình 4.6 Kết quả thống kê năng suất gia công trung bình ........................................82 xiii Hình 4. 7 Độ sâu lỗ đạt được: khoan thường (a), khoan có rung trợ giúp (b) ..........83 Hình 4.8 Diễn biến lượng tiến dao, mô men và nhiệt độ trên chi tiết khi khoan thường (a, c) và khoan có rung trợ giúp (b, d); điều kiện gia công với lực tiến dao 6 kg, lỗ 4 (a, b) và 12 kg, lỗ 5 (c, d) ..........................................................................................84 Hình 4.9 Tỷ số mô men (a) và tỷ số nhiệt độ chi tiết (b) của các cặp thí nghiệm ...86 Hình 4.10 Ảnh chụp mũi khoan sau lỗ khoan thứ 5 .................................................87 Hình 4.11 Biến động của lượng tiến dao và mô men (a), của lượng tiến dao và nhiệt chi tiết của hai cặp thí nghiệm (b) .............................................................................88 Hình 4.12 Biến động của nhiệt độ chi tiết gia công: khoan có rung trợ giúp với lực tiến dao 9 kg (a); khoan thường với lực tiến dao 12 kg (b) ......................................89 Hình 4.13 Đồ thị biến thiên mô men theo độ sâu lỗ của hai quá trình khoan ..........90 Hình 4.14 Ba thành phần mô men (a,b) và hiện tượng bám dính phoi (c,d) ...........91 Hình 4.15 Một ví dụ về cách thức lấy điểm cơ sở và hồi quy T2..............................94 Hình 4.16 Kết quả hồi quy của Mellinger và cộng sự (a), của Han và cộng sự (b) .94 Hình 4.17 Thống kê trung bình (cột xếp chồng) của mô men T1+T2 (a) và tỷ lệ trung bình T2/T1 của các kết quả thí nghiệm (b).................................................................95 Hình 4.18 Mô men tổng và mô men thoát phoi chuẩn hóa của CD (a) và UAD (b) khi lực tiến dao ứng với 12 kg.........................................................................................96 Hình 4.19 Tốc độ tăng mô men thoát phoi chuẩn hóa R2 của CD (a) và UAD (b) ..98 Hình 4.20 Đồ thị mô men chuẩn hóa R2 và R3 của CD (a) và UAD (b) ..................99 Hình 4.21 Lực dọc trục và mô men khi khoan thường (a) và khi khoan có rung trợ giúp (b) ....................................................................................................................100 Hình 4.22 Chuẩn hóa lực dọc trục và mô men: khoan thường (a), khoan có rung trợ giúp (b) ....................................................................................................................101 Hình 4.23 Lực dọc trục và mô men khi mũi khoan gãy (a) và định nghĩa độ sâu tới hạn (b) .....................................................................................................................101 xiv Hình 4.24 Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến mô men cắt khi khoan thường (a) và khoan có rung trợ giúp (b) ................................................................104 Hình 4.25 Ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến độ sâu tới hạn ...........105 Hình 4.26 Sự thay đổi của lực dọc trục và mô men khi khoan ...............................107 Hình 4.27 Biểu đồ độ xám trung bình (a) và ảnh hưởng của thông số vào đến độ xám (b) ............................................................................................................................114 Hình 5.1 Các thành phần mô men khi khoan lỗ sâu Mellinger và cộng sự [88].....119 Hình 5.2 Sơ đồ xác định các tham số tính toán (a) và các yếu tố lực và kích thước của một phân tố phoi (b), Mellinger và cộng sự [88] ....................................................119 Hình 5.3 Mô men khi khoan xương: mô men thực (a) và mô men được xử lý làm trơn (b) (MacAvelia và cộng sự [116]) ...........................................................................120 Hình 5.4 Đồ thị đường cơ sở (a) và kết quả hồi quy (b) .........................................124 Hình 5.5 Đồ thị so sánh 2-sample t-test của hai chế độ khoan CD và UAD khi khoan đường kính 3 mm (a) và đường kính 4 mm (b).......................................................126 Hình 5.6 Đồ thị mô phỏng thành phần T2 với các giá trị thống kê trung bình của hệ số A .........................................................................................................................127 Hình 5.7 Mô hình mô tả cơ chế chuyển động trượt gián đoạn ..............................128 Hình 5.8 Ví dụ biến động của T3 (a) và kết quả phân tích thống kê từ các thí nghiệm với đường kính 3 mm (b) ........................................................................................129 Hình 5.9 Ví dụ biến động của T3 (a) và kết quả phân tích thống kê từ các thí nghiệm với đường kính 4 mm (b) ........................................................................................129 xv DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Kí hiệu 1D-VAM Rung theo một phương 2D-VAM Rung theo hai phương CD CUVC EUVAC GRA GRAO GRC I-V Khoan thường (Conventional Drilling) Rung theo phương tiếp tuyến (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting). Gia công có trợ giúp của rung động siêu âm dạng 2D hoặc dạng elip (Elliptic Ultrasonic Vibration Assisted Cutting) Phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis) Tối ưu hóa dựa trên phân tích quan hệ xám (Grey Relational Analysis Based Optimization) Hệ số quan hệ xám (Grey Relational Coefficient) Mạch đo độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện (I-V Methods) LDVT Cảm biến dịch chuyển (Linear Variable Differential Transformer) MQL Bôi trơn làm nguội tối thiểu (Minimum Quantity Lubrication) MRR Tốc độ bóc tách vật liệu (Material Removal Rate) PZT Vật liệu áp điện (Pb, Zorconi, Titan) RLC Mạch điện RLC (Điện trở-điện cảm-điện dung) RUM Gia công siêu âm quay (Rotary Ultrasonic Machining) S/N Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-To-Noise) UAC Cắt có trợ giúp của rung động siêu âm (Utrasonic Assisted Cutting) UAD Khoan có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Assisted Drilling) UAG Mài có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Assisted Grinding) UAM Phay có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Assisted Milling) UAT Tiện có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Assisted Turning) USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) UVAM Gia công có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Vibration Assisted Machining) xvi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Ý nghĩa Kí hiệu Đơn vị A Biên độ rung µm c Vận tốc truyền âm m/s C Điện dung F E Mô đun đàn hồi của vật liệu GPa f Tần số rung Hz F Lực dọc trục N FCe Lực thoát phoi dọc trục N FCut Lực cắt dọc trục N FMax Lực dọc trục lớn nhất N G Mô đun cắt GPa  Chiều dài bước sóng m L/D Tỉ lệ độ sâu lỗ khoan trên đường kính  Khối lượng riêng của vật liệu truyền âm Kg/m3 R Điện trở Ω RT_ij Tỉ số mô men lớn nhất Rt°_ij Tỉ số nhiệt độ lớn nhất t°max_CD_ij Nhiệt lớn nhất trên chi tiết khi khoan thường 0 C t°max_UAD_ij Nhiệt lớn nhất trên chi tiết khi khoan có rung trợ giúp 0 C T Tổng mô men Ncm Ta Mô men tới hạn Ncm TCh, TCe Mô men thoát phoi Ncm TCut, T1, TC Mô men cắt Ncm TMax Mô men lớn nhất Ncm Tmax_CD_ij Mô men lớn nhất đo được khi khoan thường Ncm Tmax_UAD_ij Mô men lớn nhất đo được khi khoan có rung trợ giúp Ncm Z Trở kháng âm của vật liệu Kg/s.m2 Zx Trở kháng của mạch Ω 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Gia công cắt gọt có trợ giúp của siêu âm (Ultrasonic Assisted Machining - UAM) là một phương pháp gia công mà ở đó, rung động cưỡng bức có tần số cao (≥20 kHz), biên độ rất nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ và chi tiết trong quá trình gia công [1]. Lưỡi dao hoặc phôi sẽ thực hiện dao động theo một hay nhiều phương so với phương của vận tốc cắt. Sự kết hợp giữa chuyển động rung cưỡng bức này với chuyển động cắt làm cho sự tiếp xúc giữa lưỡi cắt và phôi thay đổi theo chu kỳ. Điều này dẫn đến sự thay đổi tương tác ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ, chi tiết gia công và phoi, do đó có thể làm giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dụng cụ. Có thể coi gia công cắt gọt có trợ giúp của siêu âm là một phương pháp gia công mới, kết hợp giữa gia công truyền thống với gia công siêu âm (Ultrasonic Machining). Hiện nay, gia công cắt gọt có trợ giúp của siêu âm đã được áp dụng cho hầu hết các phương pháp cắt gọt truyền thống, chẳng hạn phay (Ultrasonic Assisted Milling), tiện (Ultrasonic Assisted Turning), mài (Ultrasonic Assisted Grinding), khoan (Ultrasonic Assisted Drilling), ta-rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping) v.v. Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến (Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng tia lửa điện và gia công bằng la-de có trợ giúp của siêu âm [2]. Nhiều ưu việt của UAM so với gia công cắt gọt truyền thống đã được ghi nhận trong các nghiên cứu gần đây, chẳng hạn trong các quá trình tiện hợp kim Titan Ti15333 [3], tiện hợp kim β-titanium [4], phay hợp kim nhôm Al2A12 [5], mài phẳng hợp kim Nikel Rene77 [6], mài Inconel 718 [7], gia công tia lửa điện [8] v.v. Trong gia công kim loại bằng cắt gọt, khoan là một trong những quá trình gia công thông dụng nhất để tạo lỗ ban đầu trên vật liệu đặc. Theo đó, một quy trình gia công cơ khí điển hình thường bao gồm: khoan (30%), tiện (20%), phay (16%), cắt ren (15%), chép hình (6%) và các loại hình gia công khác (13%) [9]. Mặc dù có thể được coi như 2 một quá trình gia công đơn giản do chỉ bao gồm hai chuyển động quay và tịnh tiến, nhưng bản chất của quá trình cắt trong gia công bằng khoan phức tạp hơn so với các phương pháp gia công khác. Trong gia công bằng phay, bào hay tiện, không gian thoát phoi thông thường là không gian mở, ở đó phoi thoát ra khỏi vùng cắt mà không bị cản trở về không gian. Tuy nhiên, trong gia công bằng khoan, do không gian thoát phoi là không gian kín, nên quá trình cắt xảy ra đồng thời với quá trình đẩy phoi ra khỏi lỗ khoan. Khoan lỗ sâu (độ sâu lỗ khoan lớn hơn ít nhất 5 lần đường kính, L/D ≥ 5) [10], [11], đặc biệt là khoan sâu vật liệu dẻo thường gặp rất nhiều khó khăn về thoát phoi, dẫn đến năng suất, chất lượng lỗ khoan và tuổi bền dụng cụ rất thấp. Lỗ khoan càng nhỏ thì không gian chứa và thoát phoi càng chật hẹp, điều kiện thoát phoi càng khó khăn. Nhiều biện pháp công nghệ đã và đang được sử dụng nhằm cải thiện quá trình khoan, chẳng hạn như cải thiện chất lượng và kết cấu bề mặt dụng cụ, sử dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tiên tiến [12], [13], [14], [15], khoan có trợ giúp của rung động tần số thấp [16], [17], [18], khoan gián đoạn (peck-drilling) đã được nghiên cứu nhưng cũng chưa thực sự giải quyết được vấn đề về thoát phoi khi khoan sâu, đặc biệt là khoan sâu các lỗ nhỏ (đường kính nhỏ hơn 5 mm). Sử dụng mũi khoan có lỗ dẫn dầu bôi trơn cũng góp phần cải thiện điều kiện thoát phoi nhưng lại đòi hỏi kết cấu phức tạp để dẫn và cấp dầu cho mũi khoan quay, chi phí dụng cụ cao. Công nghệ khoan có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Assisted DrillingUAD) đã được áp dụng thành công khi khoan các vật liệu khó gia công. So với công nghệ khoan truyền thống (Conventional Drilling-CD), công nghệ UAD được biết đến với nhiều ưu điểm vượt trội, chẳng hạn như: - Cải thiện quá trình thoát phoi khi khoan hợp kim nhôm ngay cả khi không tưới nguội [19], [20], [21]; - Giảm lực cắt, nhiệt cắt và nâng cao tuổi bền dụng cụ khi khoan các vật liệu siêu bền và vật liệu cứng [22], [23], [24], [25], [26]; - Giảm biến dạng chi tiết gia công, tăng độ chính xác hình dáng lỗ [27], [28], giảm ba-via [29]; - Mở rộng tính năng gia công bằng khoan cho một số loại vật liệu khó gia công [1], [30]; 3 Trong khoan lỗ nhỏ (Micro-drilling), bổ sung rung động trợ giúp làm giảm lực dọc trục 4 lần, tăng tuổi bền dụng cụ hơn 20 lần khi khoan lỗ có đường kính 20 µm trên vật liệu hợp kim nhôm Al2017 [31], giảm lực dọc trục trung bình 60% khi khoan lỗ có đường kính 1 mm trên vật liệu PCB tăng cường sợi thủy tinh v.v. Mặc dù nhiều ưu việt của UAD so với CD đã được khẳng định, nhưng theo hiểu biết của tác giả, cho đến nay chưa có công bố nào đánh giá mức độ cải thiện khả năng thoát phoi khi áp dụng UAD cho khoan lỗ sâu, lỗ nhỏ. Ở trong nước, cũng chưa thấy có công bố khoa học nào về gia công cắt gọt có trợ giúp của siêu âm. Do vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đóng góp giải pháp cho hai vấn đề còn tồn tại: (1) nghiên cứu hệ thống hóa trình tự, thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống gia công có trợ giúp của siêu âm nhằm chủ động công nghệ, tạo tiền đề triển khai các nghiên cứu chuyên sâu tại các cơ sở nghiên cứu trong nước về gia công có trợ giúp của siêu âm; (2) nghiên cứu đánh giá mức độ cải thiện khả năng khoan lỗ sâu và nhỏ khi áp dụng gia công có trợ giúp của siêu âm, nhằm đóng góp một phần kiến thức khoa học cho hướng nghiên cứu này trên thế giới. 2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục tiêu Mục tiêu chính của nghiên cứu này là đánh giá mức độ cải thiện khả năng khoan lỗ sâu và nhỏ khi áp dụng gia công có trợ giúp của rung động siêu âm. Các mục tiêu cụ thể là: - Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống gia công bằng khoan có trợ giúp của rung siêu âm, kết nối các thiết bị đo phù hợp với điều kiện trong nước nhằm phục vụ các nghiên cứu thực nghiệm; - Đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động siêu âm đến quá trình cắt khi khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm dựa trên 04 chỉ tiêu quan trọng: năng suất gia công, lực dọc trục, mô men xoắn và nhiệt trên phôi; - Phát triển mô hình mô tả mô men xoắn mũi khoan theo độ sâu lỗ khoan nhằm: 1) dự đoán khả năng khoan sâu tối đa khi gia công liên tục và 2) nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.