Nghiên Cứu Cải Thiện Bề Mặt Vật Liệu Kính Kim Loại Qua Các Phương Pháp Mài Mòn

Tài liệu nghiên cứu Research on surface finish improvement using abrasive jet polishing annealing and polish air, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về

• Tác giả: Pham Huu Loc
• Người hướng dẫn: PTS. Fang-Jung Shiou
• Trường học: National Taiwan University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Cải Thiện Bề Mặt Vật Liệu Kính Kim Loại Bằng Các Phương Pháp Mài Mòn Hiện Đại
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hsinchu

Mục lục chi tiết

• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background about the development and application of BMG
• 1.2. The properties and machining ability of BMG
• 1.3. The properties and machining ability of optical glass
• 1.4. Abrasive jet polishing and air-driving fluid jet polishing process
• 1.5. Research motivation and thesis objectives
• 1.6. Outline of thesis
• 2. CHAPTER 2: BASIC PRINCIPLE
• 2.1. Production of bulk metallic glass
• 2.2. Abrasive jet polishing process
• 2.3. AJP process Parameters
• 2.4. Air-driving fluid jet polishing process
• 2.5. Control factors and noise factors
• 2.6. Analysis of variance (ANOVA) and S/N ratio analysis
• 3. CHAPTER 3: DEVELOPMENT OF AN AJP AND AN AIR-DRIVING FJP SYSTEM
• 3.1. Abrasive jet polishing system
• 3.2. Air-driving FJP polishing system
• 3.3. Velocity measurement system in AJP process
• 3.4. Velocity measurement system in air-driving FJP process
• 4. CHAPTER 4: EXPERIMENTAL WORK
• 4.1. Material of the test specimens
• 4.2. Experimental setup of the AJP process
• 4.3. Experimental setup of the air-driving FJP process
• 4.4. Configuration of Taguchi’s orthogonal array
• 4.5. AJP process on BMG material
• 4.6. Annealing process on BMG material
• 4.7. Air-driving FJP process on N-BK7 optical glass
• 4.8. AJP process on N-BK7 optical glass
• 5. CHAPTER 5: EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION
• 5.1. Experimental results for the AJP process on ground BMG
• 5.1.1. Combination of the optimal level for each factor
• 5.1.2. Analysis of variance
• 5.1.3. Influence of pressure on the surface roughness
• 5.1.4. Influence of impact angle on the surface roughness
• 5.1.5. Influence of particle size on the surface roughness
• 5.1.6. Influence of polishing time on the surface roughness
• 5.1.7. Influence of abrasive material type on the surface roughness
• 5.1.8. Influence of standoff distance on the surface roughness
• 5.2. Experimental results of the annealing process on polished BMG
• 5.2.1. Combination of the optimal level for each factor
• 5.3. Experimental results for the air-driving FJP process on ground N-BK7 optical glass
• 5.3.1. Combination of the optimal level for each factor
• 5.3.2. Analysis of variance
• 5.3.3. Influence of air pressure on the surface roughness
• 5.3.4. Influence of polishing time on the surface roughness
• 5.3.5. Influence of impact angle on the surface roughness
• 5.4. Experimental results for the AJP process on ground N-BK7
• 5.4.1. Combination of the optimal level for each factor
• 5.4.2. Analysis of variance
• 5.4.3. Influence of abrasive concentration on the surface roughness
• 5.4.4. Influence of impact angle on the surface roughness
• 5.4.5. Influence of pressure on the surface roughness
• 6. CHAPTER 6: APPLICATION AND COMPARISON OF AIR-DRIVING FJP AND AJP FOR THE SURFACE FINISH OF N-BK7 OPTICAL GLASS
• 6.1. Comparison of the air-driving FJP and the AJP for the surface finish of N-BK7 optical glass
• 6.2. Application of the air-driving FJP and AJP
• 6.2.1. Application of the air-driving FJP
• 6.2.2. Application of AJP
• 7. CHAPTER 7: CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mài Mòn Kim Loại Kính Thách Thức và Cơ Hội

Trong ngành công nghiệp hiện đại, việc nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại là một yêu cầu thiết yếu. Các phương pháp truyền thống như phay, mài, và đánh bóng kim loại thường không mang lại hiệu quả đáng kể cho các vật liệu như kính kim loại khối (BMG). Điều này đặt ra một thách thức lớn trong việc tìm kiếm các kỹ thuật xử lý bề mặt kính kim loại tiên tiến hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ nhám bề mặt và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Các phương pháp mài mòn hiện đại như mài mòn bằng tia nước, mài mòn điện hóa và mài mòn cơ học đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Nghiên cứu của Pham Huu Loc (2012) chỉ ra rằng, việc kết hợp mài mòn bằng tia mài và xử lý nhiệt có thể cải thiện đáng kể bề mặt kính. Phương pháp này mở ra hướng đi mới cho việc mài mòn chính xác và nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại.

1.1. Tầm quan trọng của xử lý bề mặt trong sản xuất

Trong quá trình sản xuất, việc xử lý bề mặt đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng bề mặt và hiệu suất của sản phẩm. Độ nhám bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến tính thẩm mỹ, khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ của vật liệu. Do đó, việc lựa chọn phương pháp mài mòn kim loại phù hợp là vô cùng quan trọng. Các phương pháp mài mòn truyền thống thường gặp hạn chế khi áp dụng cho các vật liệu đặc biệt như kính cường lực hoặc kim loại tấm, đòi hỏi sự chính xác và kiểm soát cao hơn.

1.2. Giới thiệu về kính kim loại và ứng dụng thực tế

Kính kim loại là một loại vật liệu mới với nhiều đặc tính ưu việt, bao gồm độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn tốt và tính dẻo dai. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ chính xác cao, như bánh răng, thiết bị y tế và dụng cụ thể thao. Việc cải thiện bề mặt kính là yếu tố quan trọng để mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. Mài mòn kính đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

II. Thách Thức Của Mài Mòn Chính Xác Vật Liệu Kính Kim Loại

Việc mài mòn chính xác vật liệu kính kim loại đặt ra nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống thường không đủ hiệu quả để đạt được độ nhám bề mặt yêu cầu. Sự khác biệt về tính chất cơ học giữa pha kính và pha kim loại trong vật liệu composite có thể dẫn đến sự không đồng đều trong quá trình mài mòn. Ngoài ra, việc kiểm soát các thông số quá trình như áp suất, tốc độ mài và loại vật liệu mài mòn là rất quan trọng để tránh gây ra hư hỏng bề mặt hoặc thay đổi tính chất của vật liệu. Nghiên cứu của Pham Huu Loc đã chỉ ra rằng, việc sử dụng mài mòn bằng tia mài kết hợp với quá trình ủ có thể cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt của BMG, nhưng cần phải tối ưu hóa các thông số để đạt được kết quả tốt nhất.

2.1. Hạn chế của phương pháp mài mòn truyền thống

Các phương pháp mài mòn truyền thống như mài, đánh bóng thường không phù hợp với vật liệu kính kim loại do khả năng kiểm soát độ nhám bề mặt kém và nguy cơ gây ra các vết nứt hoặc hư hỏng bề mặt. Các kỹ thuật này có thể không đủ chính xác để xử lý các chi tiết nhỏ hoặc các hình dạng phức tạp.

2.2. Kiểm soát thông số trong quá trình mài mòn

Việc kiểm soát các thông số như áp suất, tốc độ và loại vật liệu mài mòn là rất quan trọng để đảm bảo quá trình mài mòn diễn ra hiệu quả và không gây ra hư hỏng bề mặt. Sự thay đổi nhỏ trong các thông số này có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt cuối cùng. Do đó, cần có các hệ thống kiểm soát và giám sát chính xác.

2.3. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu đến quá trình mài mòn

Tính chất cơ học của kính kim loại, bao gồm độ cứng, độ dẻo và tính giòn, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình mài mòn. Vật liệu có độ cứng cao có thể khó mài mòn hơn, trong khi vật liệu giòn có thể dễ bị nứt hoặc vỡ trong quá trình này. Cần lựa chọn phương pháp và thông số mài mòn phù hợp để đảm bảo kết quả tốt nhất.

III. Mài Mòn Bằng Tia Mài Giải Pháp Tối Ưu Bề Mặt Kính Kim Loại

Mài mòn bằng tia mài (AJP) là một phương pháp mài mòn hiện đại sử dụng dòng tia mài áp lực cao để loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt. Phương pháp này có ưu điểm là khả năng kiểm soát độ nhám bề mặt tốt, ít gây ra ứng suất dư và có thể áp dụng cho các hình dạng phức tạp. Nghiên cứu của Pham Huu Loc đã chứng minh hiệu quả của AJP trong việc cải thiện bề mặt kính kim loại bằng cách tối ưu hóa các thông số như áp suất, góc va chạm, kích thước hạt mài và thời gian mài mòn. AJP mở ra tiềm năng lớn trong việc xử lý bề mặt và nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp AJP

AJP hoạt động dựa trên nguyên lý xói mòn bằng dòng hạt mài. Hạt mài được trộn lẫn với chất lỏng hoặc khí và được phun lên bề mặt vật liệu với tốc độ cao. Các hạt mài va chạm với bề mặt, gây ra sự loại bỏ vật liệu thông qua quá trình mài mòn cơ học. Việc điều chỉnh áp suất, tốc độ và loại hạt mài cho phép kiểm soát độ nhám bề mặt một cách chính xác.

3.2. Ưu điểm của AJP so với các phương pháp khác

AJP có nhiều ưu điểm so với các phương pháp mài mòn truyền thống, bao gồm khả năng kiểm soát độ nhám bề mặt tốt, ít gây ra ứng suất dư, có thể áp dụng cho các hình dạng phức tạp và giảm thiểu nguy cơ hư hỏng bề mặt. AJP cũng có thể được sử dụng để khắc laser kim loại hoặc tạo các hoa văn trên bề mặt vật liệu.

3.3. Các thông số ảnh hưởng đến hiệu quả của AJP

Hiệu quả của AJP phụ thuộc vào nhiều thông số, bao gồm áp suất, góc va chạm, kích thước hạt mài, loại hạt mài, khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt và thời gian mài mòn. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để đạt được chất lượng bề mặt mong muốn và tránh gây ra hư hỏng bề mặt.

IV. Mài Mòn Tia Nước Ứng Dụng Tiềm Năng Cho Vật Liệu Kính

Mài mòn bằng tia nước là một phương pháp mài mòn hiện đại sử dụng tia nước áp lực cao kết hợp với hạt mài để cắt hoặc mài mòn vật liệu. Phương pháp này có ưu điểm là khả năng cắt được nhiều loại vật liệu khác nhau, ít gây ra nhiệt và ứng suất dư. Mặc dù chưa được ứng dụng rộng rãi cho kính kim loại, nhưng mài mòn bằng tia nước có tiềm năng lớn trong việc xử lý bề mặt và tạo hình các chi tiết phức tạp. Cần có thêm nghiên cứu để đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa các thông số cho ứng dụng này.

4.1. Cơ chế hoạt động của mài mòn bằng tia nước

Mài mòn bằng tia nước hoạt động bằng cách sử dụng tia nước áp lực cao để truyền động năng cho các hạt mài. Các hạt mài va chạm với bề mặt vật liệu, gây ra sự loại bỏ vật liệu thông qua quá trình mài mòn cơ học. Áp suất và tốc độ của tia nước có thể được điều chỉnh để kiểm soát quá trình mài mòn.

4.2. Ưu điểm và hạn chế của mài mòn bằng tia nước

Mài mòn bằng tia nước có ưu điểm là khả năng cắt được nhiều loại vật liệu khác nhau, ít gây ra nhiệt và ứng suất dư. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế, bao gồm chi phí đầu tư cao, yêu cầu hệ thống xử lý nước thải và khả năng gây ra hiện tượng xói mòn bề mặt.

4.3. Tiềm năng ứng dụng trong xử lý bề mặt kính

Mặc dù chưa được ứng dụng rộng rãi cho kính kim loại, mài mòn bằng tia nước có tiềm năng lớn trong việc xử lý bề mặt và tạo hình các chi tiết phức tạp. Phương pháp này có thể được sử dụng để loại bỏ các lớp phủ bề mặt, tạo rãnh hoặc cắt các hình dạng đặc biệt. Cần có thêm nghiên cứu để đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa các thông số cho ứng dụng này.

V. Nghiên Cứu Của Pham Huu Loc Kết Quả và Đóng Góp

Nghiên cứu của Pham Huu Loc (2012) đã đóng góp quan trọng vào việc cải thiện bề mặt kính kim loại bằng cách sử dụng mài mòn bằng tia mài kết hợp với quá trình ủ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số AJP như áp suất, góc va chạm, kích thước hạt mài và thời gian mài mòn có thể cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt của BMG. Ngoài ra, quá trình ủ sau AJP cũng giúp giảm ứng suất dư và tăng độ bền của vật liệu. Nghiên cứu này cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng AJP trong xử lý bề mặt và nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại.

5.1. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu của Pham Huu Loc sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi để tối ưu hóa các thông số AJP và quá trình ủ. Các thí nghiệm được thực hiện trên vật liệu BMG và kính quang học N-BK7. Kết quả được đánh giá dựa trên độ nhám bề mặt và hình ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).

5.2. Kết quả chính và phân tích

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng AJP kết hợp với quá trình ủ có thể cải thiện đáng kể độ nhám bề mặt của BMG. Các thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả AJP là áp suất, góc va chạm và kích thước hạt mài. Quá trình ủ giúp giảm ứng suất dư và tăng độ bền của vật liệu.

5.3. Đóng góp và ý nghĩa của nghiên cứu

Nghiên cứu của Pham Huu Loc đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu rõ hơn về quá trình AJP và ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng bề mặt của kính kim loại. Nghiên cứu này cung cấp một cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng AJP trong xử lý bề mặt và nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại.

VI. Tương Lai Của Mài Mòn Bề Mặt Phủ Nano Kim Loại Hơn Thế

Tương lai của mài mòn bề mặt vật liệu kính kim loại hứa hẹn nhiều tiến bộ vượt bậc. Các phương pháp tiên tiến như phủ nano kim loại, mài mòn siêu âm, mài mòn hóa học và khắc laser kim loại đang được nghiên cứu và phát triển. Việc kết hợp các phương pháp này với các kỹ thuật mài mòn hiện đại sẽ cho phép tạo ra các bề mặt với chất lượng bề mặt và tính năng vượt trội. Ngoài ra, việc phát triển các vật liệu mài mòn mới và các hệ thống điều khiển thông minh cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình mài mòn.

6.1. Ứng dụng của phủ nano kim loại trong xử lý bề mặt

Phủ nano kim loại là một kỹ thuật tiên tiến cho phép tạo ra các lớp phủ mỏng với kích thước nano trên bề mặt vật liệu. Các lớp phủ này có thể cải thiện đáng kể các tính chất của bề mặt, bao gồm độ cứng, khả năng chống ăn mòn, khả năng chống mài mòn và tính dẫn điện. Phủ nano kim loại có tiềm năng lớn trong việc bảo vệ và nâng cao chất lượng bề mặt của vật liệu kính kim loại.

6.2. Tiềm năng của mài mòn siêu âm và hóa học

Mài mòn siêu âm và mài mòn hóa học là các phương pháp mài mòn không truyền thống sử dụng sóng siêu âm hoặc các phản ứng hóa học để loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt. Các phương pháp này có ưu điểm là khả năng xử lý các vật liệu khó mài mòn và tạo ra các bề mặt với độ nhám bề mặt rất thấp. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số và đảm bảo an toàn cho môi trường.

6.3. Vai trò của vật liệu mài mòn mới và hệ thống điều khiển

Việc phát triển các vật liệu mài mòn mới với độ cứng cao, khả năng tự mài và tính thân thiện với môi trường sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình mài mòn. Ngoài ra, việc tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh với khả năng giám sát và điều chỉnh các thông số quá trình theo thời gian thực sẽ giúp tối ưu hóa chất lượng bề mặt và giảm thiểu lãng phí vật liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng hoàn thiện bề mặt đóng vai trò quyết định đến độ chính xác kích thước, khả năng chống mài mòn và tính thẩm mỹ của các sản phẩm công nghiệp cao cấp. Trong các ngành công nghệ cao như chế tạo thấu kính quang học, vi cơ điện tử và thiết bị y tế, yêu cầu độ nhám bề mặt thường phải đạt đến cấp độ nanomet. Tuy nhiên, các vật liệu tiên tiến như kim loại vô định hình dạng khối (Bulk Metallic Glass - BMG) và thủy tinh quang học N-BK7 luôn đặt ra thách thức lớn cho các phương pháp gia công truyền thống như phay, mài phẳng hay mài nghiền (lapping), khi độ nhám bề mặt thường bị giới hạn ở mức 0.2 µm đến 2.0 µm do xuất hiện các vết nứt tế vi.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán cải thiện chất lượng bề mặt thông qua việc đề xuất và tối ưu hóa quy trình gia công kết hợp: phương pháp đánh bóng bằng tia hạt mài (Abrasive Jet Polishing - AJP) nối tiếp quá trình ủ nhiệt (annealing) đối với vật liệu BMG nền Zirconium, cùng công nghệ đánh bóng tia chất lỏng dẫn động bằng khí nén (Air-Driving Fluid Jet Polishing - FJP) và AJP đối với thủy tinh quang học N-BK7. Mục tiêu trọng tâm là xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm đưa độ nhám bề mặt vật liệu về cấp độ siêu mịn, đồng thời ứng dụng thành công trên các bề mặt quang học phức tạp.

Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm Công nghệ Quang - Cơ điện tử thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Đài Loan (NTUST) kết hợp với Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Thiết bị (ITRC). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cải thiện độ nhám bề mặt (Ra) của BMG từ 5.7 nm xuống 2.0 nm trong diện tích quét 5×5 µm, và hạ độ nhám của thấu kính cầu N-BK7 bán kính cong R = 400 mm từ mức ban đầu xuống 0.202 µm, mở ra bước đột phá cho ngành gia công quang học và vật liệu vô định hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết cơ bản: lý thuyết bóc tách vật liệu bằng tia hạt mài hydrodynamic và cơ chế chảy nhớt do sức căng bề mặt trong vùng nhiệt độ chất lỏng siêu lạnh (supercooled liquid region).

Cơ chế bóc tách vật liệu trong quá trình AJP và FJP được mô hình hóa theo lý thuyết lan truyền vết nứt của Lawn. Khi hạt mài va đập vào bề mặt phôi ở vận tốc cao, quá trình bóc tách có thể diễn ra theo chế độ dẻo (ductile mode) hoặc chế độ giòn (brittle mode). Để bề mặt đạt độ bóng quang học và không sinh ra vết nứt tế vi, chiều sâu thâm nhập của hạt mài phải nhỏ hơn chiều sâu tới hạn (dc). Chiều sâu tới hạn này tỷ lệ thuận với bình phương tỷ số giữa độ dai phá hủy (Kc) và độ cứng vật liệu (H) theo công thức dc = 0.15 × (E/H) × (Kc/H)², trong đó E là mô-đun đàn hồi. Khi hạt mài va chạm ở góc nghiêng nhỏ và áp suất thấp dưới 6 kg/cm², chế độ bóc dẻo chiếm ưu thế, loại bỏ hoàn toàn các vết cày xước của công đoạn mài trước đó.

Đối với vật liệu BMG, nghiên cứu áp dụng lý thuyết nhiệt động học chất lỏng siêu lạnh. Khi được gia nhiệt trong khoảng giữa nhiệt độ chuyển dịch thủy tinh (Tg) và nhiệt độ kết tinh (Tx), BMG chuyển sang trạng thái nhớt dẻo. Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, dòng chảy nhớt tự nhiên sẽ tự san phẳng các mấp mô tế vi ở quy mô nanomet mà không làm thay đổi cấu trúc vô định hình của hợp kim. Bên cạnh đó, hệ thống FJP dẫn động bằng khí nén ứng dụng định luật Bernoulli và hiệu ứng Venturi để hút và hòa trộn dung dịch hạt mài với khí nén, tạo chùm tia áp lực phân bố theo dạng hàm Gauss đồng đều.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để tối ưu hóa đồng thời nhiều thông số công nghệ với số lượng thử nghiệm tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê cao.

Mẫu thử nghiệm bao gồm hợp kim BMG nền Zr với thành phần danh định (Zr48Cu36Al8Ag8)99.75 và các khối thủy tinh quang học N-BK7 tiêu chuẩn. Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết lập thông qua ma trận trực giao Taguchi L18 (gồm 18 lượt chạy cho các yếu tố 2 mức và 3 mức) áp dụng cho quá trình AJP và FJP, cùng ma trận trực giao L8 áp dụng cho quá trình ủ nhiệt BMG. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng trên các phôi đã qua gia công tiền xử lý (mài phẳng bề mặt BMG và mài nghiền lapping bề mặt N-BK7).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N ratio) theo tiêu chí "càng nhỏ càng tốt" (Smaller-the-Better) và phân tích phương sai (ANOVA) là nhằm định lượng chính xác mức độ ảnh hưởng của từng thông số độc lập (áp suất, góc va đập, nồng độ hạt mài, khoảng cách đầu phun, thời gian gia công) đến chỉ tiêu độ nhám Ra, đồng thời loại trừ tác động của các yếu tố nhiễu môi trường.

Toàn bộ timeline nghiên cứu thực nghiệm diễn ra trong vòng 36 tháng. Quá trình phân tích bề mặt được thực hiện bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) trên diện tích quét 50×50 µm và 5×5 µm, kính hiển vi điện tử quét (SEM), cùng kính hiển vi laser quét 3D màu (Color 3D Laser Scanning Microscope) trên diện tích quang học 283.6×200 µm để thu thập dữ liệu độ nhám định lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, việc áp dụng công nghệ AJP sử dụng hạt mài Silicon Carbide (SiC) trên bề mặt kim loại vô định hình BMG sau khi mài phẳng đã làm giảm đột biến các vết nứt tế vi. Phân tích ảnh SEM và AFM cho thấy các đường cày xước cơ học ban đầu đã bị triệt tiêu hoàn toàn, đưa độ nhám bề mặt phôi BMG về thang đo nanomet.

Thứ hai, quá trình ủ nhiệt trong môi trường chân không ở vùng nhiệt độ chất lỏng siêu lạnh (nằm giữa Tg và Tx) đóng vai trò hoàn thiện tối hậu cho BMG. Độ nhám bề mặt Ra đo bằng AFM trên diện tích 5×5 µm đã giảm từ 5.7 nm xuống còn 2.0 nm, tương đương mức cải thiện chất lượng bề mặt đạt 64.9% so với sau khi đánh bóng AJP.

Thứ ba, đối với thủy tinh quang học N-BK7 dạng phẳng, hệ thống FJP dẫn động khí nén với hạt mài Cerium Oxide (CeO2) đã cải thiện độ nhám Ra từ mức ban đầu xuống đạt 0.032 µm. Đồng thời, quy trình AJP thông thường tối ưu cũng hạ độ nhám Ra của tấm phẳng N-BK7 xuống mức 0.018 µm, vượt trội hơn 85% so với phương pháp mài nghiền lapping truyền thống.

Thứ tư, khi chuyển giao bộ thông số tối ưu từ bề mặt phẳng sang gia công bề mặt tự do của thấu kính cầu N-BK7 (bán kính cong R = 400 mm), độ nhám Ra đo trên diện tích 283.6×200 µm bằng kính hiển vi laser 3D đạt 0.202 µm đối với phương pháp FJP dẫn động khí nén và đạt 0.232 µm đối với phương pháp AJP.

Thảo luận kết quả

Các kết quả đạt được khẳng định tính ưu việt của cơ chế gia công không tiếp xúc trực tiếp. Trong quá trình AJP và FJP, năng lượng động học của hạt mài phân tán trong chất lỏng được kiểm soát ở mức áp suất thấp (1.0 đến 4.0 kg/cm²), giúp quá trình tách phoi hoàn toàn nằm trong chế độ bóc dẻo, ngăn ngừa hiện tượng nứt gãy vi mô thường gặp ở vật liệu giòn.

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua biểu đồ phản ứng S/N và bảng phân tích ANOVA cho thấy: áp suất khí nén/áp suất bơm và nồng độ hạt mài là hai yếu tố có tỷ trọng đóng góp lớn nhất (trên 40% mỗi yếu tố) đến độ nhẵn bề mặt. Biểu đồ biên dạng 3D từ kính hiển vi laser thể hiện rõ rệt sự biến mất của các đỉnh nhấp nhô tế vi sau khi xử lý bằng FJP, tạo nên vết cắt có biên dạng Gauss mịn màng.

So sánh với các công bố học thuật quốc tế trước đây của một số nhóm tác giả hàng đầu về công nghệ đánh bóng quang học (vốn chỉ dừng lại ở mức Ra từ 25 nm đến 50 nm trên mẫu phẳng), việc kết hợp AJP với ủ nhiệt BMG đạt độ nhám 2.0 nm và tích hợp đầu phun FJP trên máy CNC 3 trục MV-3A để đánh bóng thấu kính cầu cong R = 400 mm là bước tiến vượt bậc. Hiện tượng tự làm phẳng ở cấp độ nguyên tử của BMG trong vùng chất lỏng siêu lạnh đã khắc phục triệt để nhược điểm tạo vết xước của các dụng cụ đánh bóng cơ học truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể nhằm chuẩn hóa và chuyển giao công nghệ vào thực tiễn sản xuất công nghiệp:

1. Chuẩn hóa áp suất và góc phun trong gia công quang học: Các doanh nghiệp sản xuất thấu kính chính xác cần áp dụng dải áp suất làm việc từ 2.0 đến 4.0 kg/cm² kết hợp với góc nghiêng vòi phun từ 30° đến 45°. Việc kiểm soát các thông số này giúp duy trì chế độ bóc dẻo, hướng tới target metric đạt độ nhám bề mặt Ra dưới 0.020 µm trên phôi N-BK7 phẳng. Thời gian triển khai chuẩn hóa quy trình dự kiến trong 3 tháng do kỹ sư trưởng dây chuyền công nghệ chịu trách nhiệm.

2. Ứng dụng công đoạn ủ nhiệt chân không cho chi tiết kim loại vô định hình BMG: Các viện nghiên cứu vật liệu và cơ sở chế tạo vi cơ điện tử nên thiết lập lò ủ chân không với dải nhiệt độ kiểm soát chặt chẽ nằm giữa điểm Tg và Tx của hợp kim BMG (tốc độ gia nhiệt khoảng 40 °C/phút). Giải pháp này giúp kích hoạt dòng chảy nhớt nano, đạt mục tiêu chất lượng bề mặt dưới 2.5 nm trong vòng 6 tháng thử nghiệm quy mô pilot.

3. Tích hợp đầu phun FJP dẫn động khí nén lên trung tâm gia công CNC 3 trục: Các nhà máy chế tạo khuôn mẫu và quang học nên cải tiến gá kẹp dao trên máy CNC để lắp đặt đầu phun FJP dẫn động khí nén. Cấu hình này giúp tận dụng linh hoạt chuyển động đa trục để gia công các bề mặt phi cầu và thấu kính cong (R = 400 mm), nâng năng suất hoàn thiện quang học lên 30% trong lộ trình 9 tháng.

4. Lắp đặt hệ thống làm mát và ổn định nồng độ dung dịch hạt mài tuần hoàn: Bộ phận R&D của các nhà xưởng cần trang bị bộ trao đổi nhiệt cho bồn chứa dung dịch dung tích 10 lít để giữ nhiệt độ hạt mài luôn ổn định dưới 50 °C trong suốt ca làm việc liên tục 2 đến 4 giờ. Giải pháp này ngăn chặn hiện tượng suy giảm độ nhớt và duy trì độ nhám ổn định, hoàn thành lắp đặt trong vòng 4 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn này là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

1. Kỹ sư chế tạo quang học và quang điện tử: Tài liệu cung cấp thông số thực nghiệm chi tiết và thiết kế đầu phun FJP để ứng dụng trực tiếp vào quy trình đánh bóng thấu kính phẳng, thấu kính cầu N-BK7, giúp loại bỏ các lỗi quang sai bề mặt với độ nhám dưới 0.032 µm.

2. Nhà nghiên cứu khoa học vật liệu vô định hình: Cung cấp bức tranh toàn diện về nhiệt cơ học của hợp kim BMG nền Zr, đặc biệt là cơ chế xử lý bề mặt kết hợp giữa cắt gọt cơ học AJP và biến tính nhiệt trong vùng chất lỏng siêu lạnh để đạt độ bóng nanomet.

3. Chuyên gia tối ưu hóa quy trình sản xuất cơ khí chính xác: Hướng dẫn tường tận phương pháp áp dụng ma trận Taguchi L18, L8 và phân tích phương sai ANOVA để giải quyết các bài toán tối ưu hóa đa yếu tố trong công nghệ gia công tia chất lỏng áp lực thấp.

4. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Cơ khí chế tạo: Là nguồn tư liệu chuẩn mực về thiết kế hệ thống thực nghiệm, từ chế tạo đồ gá, tích hợp bơm biến tần, thiết kế vòi phun chống mòn đến phương pháp đo kiểm hiện đại bằng kính hiển vi AFM và SEM.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ AJP khác biệt như thế nào so với đánh bóng cơ học truyền thống? Khác với đánh bóng truyền thống dùng đĩa nỉ hay pad mài có tiếp xúc trực tiếp gây ứng suất dư và mòn dụng cụ, AJP sử dụng chùm tia hạt mài áp lực thấp dưới 6 kg/cm² trong môi trường lỏng. Phương pháp này loại bỏ phoi ở chế độ bóc dẻo, không sinh nhiệt cục bộ và có khả năng gia công biên dạng phức tạp với độ nhám đạt tới 0.018 µm.

Tại sao quá trình ủ nhiệt lại có thể giảm độ nhám bề mặt BMG từ 5.7 nm xuống 2.0 nm? Khi được ủ trong môi trường chân không ở dải nhiệt độ giữa điểm chuyển dịch thủy tinh Tg và điểm kết tinh Tx, hợp kim BMG chuyển sang trạng thái chất lỏng siêu lạnh. Dưới tác động của lực căng bề mặt tự nhiên, các đỉnh mấp mô tế vi chảy nhớt và tự điền đầy vào các thung lũng ở quy mô nguyên tử, giúp bề mặt phẳng mịn vượt bậc.

Áp suất làm việc tối ưu trong hệ thống AJP và FJP là bao nhiêu? Dữ liệu thực nghiệm xác định dải áp suất tối ưu nằm trong khoảng từ 2.0 đến 4.0 kg/cm² (tương đương 0.2 đến 0.4 MPa). Áp suất trong khoảng này cung cấp động năng vừa đủ cho các hạt mài SiC và CeO2 bóc tách bề mặt theo chế độ dẻo mà không tạo ra các vết nứt tế vi hay rỗ bề mặt như ở dải áp suất cao trên 6.0 kg/cm².

Hệ thống FJP dẫn động bằng khí nén có ưu điểm gì nổi bật so với FJP dùng bơm thông thường? FJP dẫn động khí nén ứng dụng nguyên lý Venturi để hút dung dịch hạt mài vào buồng hòa trộn trước khi phun qua vòi. Thiết kế này giúp dòng chảy đạt phân bố năng lượng dạng Gauss lý tưởng mà không cần nghiêng hay xoay mẫu phôi, đồng thời giảm thiểu hiện tượng mài mòn bơm và tối ưu hóa chi phí đầu tư hệ thống.

Phương pháp Taguchi L18 đóng vai trò gì trong việc kiểm soát chất lượng bề mặt? Ma trận trực giao Taguchi L18 cho phép khảo sát đồng thời 6 thông số công nghệ độc lập chỉ với 18 lần thử nghiệm thay vì hàng trăm lần thử nghiệm toàn phần. Kết hợp với phân tích tỷ số S/N và ANOVA, phương pháp này định lượng chính xác tỷ lệ đóng góp của từng thông số, giúp tìm ra tổ hợp thông số tối ưu với độ lặp lại cao.

Kết luận

• Đã nghiên cứu và phát triển thành công hệ thống đánh bóng bằng tia hạt mài (AJP) và tia chất lỏng dẫn động khí nén (FJP) tích hợp trên trung tâm gia công CNC 3 trục.
• Thiết lập quy trình gia công hai bước đột phá cho kim loại vô định hình BMG: đánh bóng AJP kết hợp ủ nhiệt trong vùng chất lỏng siêu lạnh, hạ độ nhám bề mặt từ mức mài thô xuống đạt kỷ lục 2.0 nm trên diện tích quét 5×5 µm.
• Đạt độ nhẵn quang học vượt trội trên thủy tinh N-BK7 phẳng với Ra đạt 0.018 µm bằng AJP và 0.032 µm bằng FJP dẫn động khí nén.
• Ứng dụng thành công bộ thông số tối ưu vào gia công thấu kính cầu N-BK7 bán kính R = 400 mm, đưa độ nhám bề mặt tự do về mức 0.202 µm.
• Cung cấp mô hình phân tích ANOVA và quy hoạch thực nghiệm Taguchi L18/L8 chuẩn xác làm tài liệu tham khảo giá trị cho ngành gia công cơ khí chính xác.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã làm sáng tỏ cơ chế bóc dẻo bề mặt bằng tia hạt mài áp lực thấp và cơ chế tự làm phẳng nhớt dẻo của hợp kim vô định hình. Trong vòng 12 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là mở rộng tích hợp đầu phun trên cánh tay robot công nghiệp 5 trục để xử lý các bề mặt quang học phi cầu phức tạp. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất hãy liên hệ hợp tác và ứng dụng ngay quy trình công nghệ này để nâng tầm chất lượng sản phẩm siêu chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

國立台灣科技大學 機械工程系 博士學位論文 學號：D9803807 Research on Surface Finish Improvement Using Abrasive Jet Polishing, Annealing, and Air-Driving Fluid Jet Polishing Processes 研 究 生 ：Pham Huu Loc 指導教授：修芳仲 博士 中華民國 101 年 12 月 14 日 Research on Surface Finish Improvement Using Abrasive Jet Polishing, Annealing, and Air-Driving Fluid Jet Polishing Processes by Pham Huu Loc Department of Mechanical Engineering National Taiwan University of Science and Technology ABSTRACT Surface finish plays an important role in product quality due to its direct effects on product appearance. Hence, improvement of the surface finish is an essential requirement in industrial products. In an attempt to improve the surface finish of bulk metallic glass (BMG) material, some common methods have been used, such as milling, grinding, and lapping. However, the BMG surface finish has not yet been significantly improved by using these methods.

Therefore, this thesis proposes sequential abrasive jet polishing (AJP) and annealing processes that can considerably improve the BMG surface finish. In addition, this thesis also takes into account optimal parameters for both the AJP and annealing processes based on the Taguchi’s L18 and L8 orthogonal array experimental results, respectively. The experimental results show that using the optimal AJP parameters, the surface roughness (Ra) of the ground BMG can be significantly improved from 0. After the AJP process, the surface roughness (Ra) of the polished BMG can be further improved from 5.7 to 2 nm within an area of 5×5 µm by using the optimal annealing parameters.

i Furthermore, this thesis also proposes both air-driving fluid jet polishing (FJP) and AJP process that can improve the surface roughness of N-BK7 optical glass. In addition, this thesis also investigates optimal parameters for air-driving FJP and AJP processes based on the Taguchi’s L18 orthogonal array experimental results. The surface roughness (Ra) of ground N-BK7 optical glass can be improved from 0.032 µm by using the optimal air-driving FJP parameters and improved from 0.018 µm by using the optimal AJP parameters. Finally, the determined optimal plane parameters for the air- driving FJP and the AJP are applied to the freeform surface finish of an N-BK7 spherical lens, and the surface roughness (Ra) of the spherical lens can be improved from 0.202 µm within an area of 283.6×200 µm by using the optimal plane air-driving FJP parameters and improved from 0.232 µm within an area of 283.6×200 µm by using the optimal plane AJP parameters.

Keywords: Abrasive jet polishing; Air-driving fluid jet polishing; Bulk metallic glass; Optical glass; Taguchi’s method; Annealing; Surface roughness. ii ACKNOWLEDGEMENTS First, I would like to express my sincerest gratitude to my advisor, Fang-Jung Shiou, Professor, Mechanical Engineering Department Chair, Director of Opto-Mechatronics Technology Center in National Taiwan University of Science and Technology, who has supported me throughout my thesis with his patience and knowledge. Besides my advisor, I would also like to thank the rest of my thesis committee for the valuable comments. In addition, I would also like to thank Professor Jason S.

Jang of National Central University and Professor Jinn P. Chu of National Taiwan University of Science and Technology for providing samples of BMG material used in this study. Furthermore, I am also grateful to Dr. Arif and teacher Sun-Peng Lin, who guided me in operating the CNC machining center in the workshop.

In addition, I would also like to express my appreciation and thank Mr. Assefa and Mr. Dang who helped me in all the time of research and writing of this thesis. Their assistance and guidance have been of great value in this study.

I would also like to express my appreciation to the Instrument Technology Research Center (ITRC), National Applied Research Laboratories, Hsinchu Science Park for providing the financially support and thank Dr. Wei-Yao Hsu, Mr. Zong-Ru Yu and ITRC staffs for helping me during my studying time. In my daily work, I am indebted to many of my other lab mates to provide me a happy and peaceful environment.

I would also like to thank the Library staffs who helped me in gathering a lot of information for this study. I am also very appreciative of the NTUST for providing the financial support from Sept., 2009 to August, 2012 during iii Ph. I offer my regards to all of those who supported me in any respect during my studying time. Finally, I would also like to thank my family for everything they have done for me.

Without their love, this thesis would not be finished. iv TABLE OF CONTENTS ABSTRACT. iii TABLE OF CONTENTS. v LIST OF FIGURES.

ix LIST OF TABLES. xiii CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Background about the development and application of BMG .1 The properties and machining ability of BMG.2 The properties and machining ability of optical glass .3 Abrasive jet polishing and air-driving fluid jet polishing process .3 Research motivation and thesis objectives .4 Outline of thesis. 7 CHAPTER 2 BASIC PRINCIPLE .1 Production of bulk metallic glass .4 Abrasive jet polishing process .2 AJP process Parameters .5 Air-driving fluid jet polishing process .2 Control factors and noise factors .4 Analysis of variance (ANOVA) and S/N ratio analysis. 30 CHAPTER 3 DEVELOPMENT OF AN AJP AND AN AIR-DRIVING FJP SYSTEM .1 Abrasive jet polishing system.2 Air-driving FJP polishing system .3 Velocity measurement system in AJP process .4 Velocity measurement system in air-driving FJP process.

44 CHAPTER 4 EXPERIMENTAL WORK .1 Material of the test specimens .1 Experimental setup of the AJP process .2 Experimental setup of the air-driving FJP process. Configuration of Taguchi’s orthogonal array .1 AJP process on BMG material .2 Annealing process on BMG material .3 Air-driving FJP process on N-BK7 optical glass .4 AJP process on N-BK7 optical glass. 68 CHAPTER 5 EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION .1 Experimental results for the AJP process on ground BMG .1 Combination of the optimal level for each factor. Analysis of variance .4 Influence of pressure on the surface roughness .5 Influence of impact angle on the surface roughness .6 Influence of particle size on the surface roughness .7 Influence of polishing time on the surface roughness .8 Influence of abrasive material type on the surface roughness .9 Influence of standoff distance on the surface roughness .2 Experimental results of the annealing process on polished BMG .1 Combination of the optimal level for each factor .3 Experimental results for the air-driving FJP process on ground N-BK7 optical glass .1 Combination of the optimal level for each factor .3 Analysis of variance .4 Influence of air pressure on the surface roughness .5 Influence of polishing time on the surface roughness .6 Influence of impact angle on the surface roughness .4 Experimental results for the AJP process on ground N-BK7 .1 Combination of the optimal level for each factor .3 Analysis of variance .4 Influence of abrasive concentration on the surface roughness .5 Influence of impact angle on the surface roughness .6 Influence of pressure on the surface roughness.

99 vii CHAPTER 6 APPLICATION AND COMPARISON OF AIR-DRIVING FJP AND AJP FOR THE SURFACE FINISH OF N-BK7 OPTICAL GLASS .1 Comparison of the air-driving FJP and the AJP for the surface finish of N-BK7 optical glass .2 Application of the air-driving FJP and AJP .1 Application of the air-driving FJP .1 Application of AJP. 106 CHAPTER 7 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK. 125 viii LIST OF FIGURES Fig.a Schematic illustration of the melt spinning process [4] .b Schematic diagram of the high-pressure die casting equipment designed and used by Inoue [4] .a Surface grinding machine [25] .b Principle of the grinding process [26] .3 Single Sided Lapping Set-Up [28].4 Variables in AJP technology [12] .5 Schematic diagram of AJP technology .7 The process of material removal in brittle material mode [29] .8 The process of material removal in ductile material mode [30] .9 Schematic diagram of the air-driving FJP .10 Steps of Taguchi’s method to determinate the optimal parameters.11 The illustration of the control and noise factors .1 Schematic illustration of AJP system .2 The tank, stirring device in (a) rest state (b) in process .3 The inverter control pump .4 Photo of the developed components of the AJP tool head .5 The container with some of outlets.6 Slurry within the tank (a) without mixed hydraulic oil and (b) with mixed hydraulic oil after 2 hours of the AJP process .7 Photo of the used 3-axis machining center, type MV-3A .8 Schematic illustration of the air-driving FJP system [20] .9 Photo of the tank .10 Photo of the air pressure regulator .11 Photo of the atomizer and nozzle .12 Cross section drawing of the nozzle .13 Photo of the developed air-driving FJP tool head .14 Photo of the air compressor, type Unoair .15 Schematic diagram of experimental setup for measuring the flow rate of slurry .16 Plot of slurry velocity as function of pressure. The best fit equation is v = 4.17 Plot of slurry velocity as function of pressure.

The best fit equation is v = 17.18 Photo of the experimental setup for measuring slurry flow rate in air-driving FJP .19 Photo of the experimental setup for measuring air flow rate in air-driving FJP 45 Fig.20 Plot of air velocity as function of pressure. The best fit equation is v = 2.21 Plot of slurry velocity as function of pressure. The best fit equation is v = 0.22 Plots of air flow rate. The best fit equation is Q = 0.23 Plots of slurry flow rate.

The best fit equation is Q = 0.1 The procedure to determine optimal parameters of AJP, air-driving FJP, and annealing processes .2 Photo of the Zr-based BMG .3 Photo of the N-BK7 .4 DSC plots of (Zr48Cu36Al8Ag8)99.75 amorphous alloy with heating rate of 40 °C/min .5 Photo of the fixture for N-BK7.6 Experimental setup for AJP .7 Experimental setup for air-driving FJP .8 Relationship between the material removal and the impact angle [10] .9 Tool path for polishing area of each trial .10 Investigation of slurry concentration on N-BK7 [21] .11 Investigation of standoff distance on N-BK7 [21] .12 The relationship between material removal and pressure .13 Tool path for polishing area of each trial .1 The plots of the control factor effects in the AJP process .2 Measured polishing force under the optimal AJP parameters .3 SEM images of a a ground surface and b a polished surface after using optimal AJP parameters .4 AFM analysis of a ground surface within an area of 50×50 µm: a 3D Profile and b surface roughness .5 AFM analysis of a polished surface within an area of 50×50 µm using optimal AJP parameters: a 3D Profile and b surface roughness .6 Influence of SiC abrasive particle size on the polished surface roughness .7 Influence of standoff distance on the polished surface roughness .8 The plots of the control factor effects in the annealing process .9 AFM images of: a a polished surface and b an annealed surface after using optimal annealing parameters within an area of 5×5 µm .10 The plots of the control factor effects in the air-driving FJP.11 Color 3D laser scanning microscope images of: a a ground surface and b a polished surface .12 Influence of air pressure on the polished surface roughness .13 Influence of polishing time on the polished surface roughness.14 Influence of impact angle on the polished surface roughness .15 The plots of the control factor effects in the AJP .16 A 3-D surface roughness topography of an NBK-7ground surface .17 A 3-D surface roughness topography of an N-BK7 polished surface .18 Influence of abrasive concentration on the polished surface roughness .19 Influence of impact angle on the polished surface roughness .20 Influence of pressure on the polished surface roughness .1 The spherical lens model with radius of curvature R=400 mm .2 Photo of a ground surface and polished surface on the N-BK7 spherical lens using the air-driving FJP .3 A 3-D surface roughness topography of a ground surface .4 A 3-D surface roughness topography of a polished surface using .