Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính

Nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính, mở ra hướng đi mới cho công nghệ quang học.

• Tác giả: Châu Ngọc Lê
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Nam
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Phương Pháp Gia Công Biến Dạng Đàn Hồi Trong Chế Tạo Thấu Kính
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Đóng góp mới của đề tài
• 1.6. Kết cấu của luận văn
• 1.7. Tiến độ thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp quang học. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chất bán dẫn và quang điện tử đã làm tăng nhu cầu sử dụng thấu kính, đặc biệt là thấu kính phi cầu. Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn đơn giản hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác của sản phẩm.

1.1. Tầm quan trọng của thấu kính trong quang học

Thấu kính là thiết bị khúc xạ ánh sáng, có vai trò quan trọng trong việc tái cấu trúc sóng ánh sáng. Đặc tính của thấu kính ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh, do đó việc chế tạo thấu kính với độ chính xác cao là rất cần thiết.

1.2. Xu hướng phát triển công nghệ chế tạo thấu kính

Công nghệ chế tạo thấu kính đang chuyển mình với sự xuất hiện của các phương pháp mới như gia công biến dạng đàn hồi. Phương pháp này giúp giảm thiểu số lượng thấu kính cần thiết trong một thiết bị quang học, từ đó giảm chi phí và kích thước của thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong chế tạo thấu kính quang học

Việc chế tạo thấu kính quang học truyền thống gặp nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác hình dạng và chi phí đầu tư cao. Các phương pháp như tiện, phay và mài tinh thường yêu cầu quy trình công nghệ phức tạp và phụ thuộc vào khả năng của máy móc. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải tìm kiếm các giải pháp mới để cải thiện quy trình sản xuất.

2.1. Những hạn chế của phương pháp gia công truyền thống

Phương pháp gia công truyền thống thường yêu cầu đầu tư lớn vào máy móc và công nghệ. Độ chính xác của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt.

2.2. Tác động của nhiệt độ trong quá trình ép khuôn

Nhiệt độ trong quá trình ép khuôn có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác và đặc tính quang học của thấu kính. Việc kiểm soát nhiệt độ là một thách thức lớn trong sản xuất thấu kính.

III. Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả cho việc chế tạo thấu kính. Phương pháp này không chỉ đơn giản hóa quy trình mà còn giảm chi phí đầu tư. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng áp lực chân không phù hợp có thể tạo ra bề mặt thấu kính chính xác hơn.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia công biến dạng đàn hồi

Phương pháp này dựa trên nguyên lý biến dạng của vật liệu dưới áp lực chân không, giúp tạo ra hình dạng mong muốn cho thấu kính mà không cần sử dụng khuôn phức tạp.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng phương pháp này

Sử dụng gia công biến dạng đàn hồi giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao độ chính xác và chất lượng của thấu kính. Điều này mở ra cơ hội mới cho ngành công nghiệp quang học.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi có thể áp dụng hiệu quả trong chế tạo thấu kính phi cầu. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng việc hiệu chỉnh bề mặt khuôn có thể giảm đáng kể sai số giữa bề mặt thấu kính và khuôn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả thí nghiệm với thấu kính phi cầu

Thí nghiệm cho thấy rằng khi sử dụng khuôn đã được hiệu chỉnh, sai số giữa bề mặt thấu kính và khuôn giảm xuống còn khoảng 1μm, cho thấy tính khả thi của phương pháp.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp quang học

Phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quang học, giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo thấu kính mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp quang học. Với những kết quả đạt được, phương pháp này có thể trở thành một tiêu chuẩn mới trong sản xuất thấu kính, giúp giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi có thể áp dụng hiệu quả trong chế tạo thấu kính, với độ chính xác cao và chi phí thấp.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển phương pháp này để tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác của công nghệ quang học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp quang điện tử, thiết bị bán dẫn và dụng cụ quan sát ghi nhận tốc độ tăng trưởng hơn 10% mỗi năm trên toàn cầu, nhu cầu sử dụng thấu kính quang học độ chính xác cao ngày càng gia tăng. Các hệ thống hình ảnh quang học truyền thống thường phải kết hợp từ 3 đến 5 thấu kính cầu để triệt tiêu hiện tượng cầu sai. Cách tiếp cận này làm tăng kích thước thiết bị lên khoảng 30%, đồng thời gia tăng đáng kể khối lượng và chi phí chế tạo. Sử dụng thấu kính phi cầu là giải pháp tối ưu giúp thay thế nhiều thấu kính cầu, tinh gọn kết cấu, nâng cao độ phân giải quang học và hạ giá thành sản xuất.

Tuy nhiên, công nghệ chế tạo thấu kính phi cầu hiện nay đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Phương pháp gia công cắt gọt truyền thống như tiện, phay trên máy điều khiển số CNC và mài tinh đòi hỏi vốn đầu tư thiết bị rất lớn, trong khi chất lượng bề mặt phụ thuộc khắt khe vào hình học dụng cụ cắt do thủy tinh có tính giòn cao. Mặt khác, công nghệ ép đúc khuôn nhiệt lại dễ làm suy giảm độ chính xác và tính chất quang học do ứng suất nhiệt dư trong quá trình làm nguội. Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi nổi lên như một hướng tiếp cận đột phá với quy trình đơn giản và chi phí vận hành thấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia công biến dạng đàn hồi có sử dụng khuôn để chế tạo thấu kính phi cầu từ phôi thủy tinh quang học BK7. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng số nhằm xác định dạng bề mặt tối ưu, tìm ra giá trị áp suất chân không thích hợp để phôi biến dạng tiếp xúc khít với lòng khuôn, và kiểm chứng bằng thực nghiệm gia công mài phẳng. Nghiên cứu được triển khai trong thời gian 6 tháng (từ tháng 09/2015 đến tháng 02/2016) tại TP. Hồ Chí Minh. Kết quả đạt được ghi nhận mức giảm sai lệch bề mặt từ 17 µm xuống còn 1 µm (cải thiện hơn 94% độ chính xác hình học) trên phôi có đường kính ngoài 50 mm và chiều dày ban đầu 1,55 mm.

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 học và quang học chính xác:

Thứ nhất là lý thuyết uốn tấm tròn mỏng đàn hồi tuyến tính đối xứng trục (thuyết Kirchhoff-Love). Độ võng bề mặt của tấm tròn chịu áp lực phân bố đều được xác định thông qua phương trình vi phân bậc bốn với hằng số độ cứng chống uốn được tính toán dựa trên mô đun đàn hồi Young E = 71,8 GPa và hệ số Poisson v = 0,206 của thủy tinh quang học BK7. Mô hình áp dụng các giả thiết giới hạn: độ dày phôi 1,55 mm chiếm dưới 20% đường kính 50 mm và độ võng cực đại tại tâm nhỏ hơn 30% chiều dày để đảm bảo vật liệu làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi.

Thứ hai là lý thuyết hình học bề mặt quang học phi cầu bậc hai (Conic surfaces). Biên dạng thấu kính được mô tả thông qua phương trình độ võng Z theo bán kính cực r, độ cong cơ sở tại đỉnh c = 1/2500 mm và hệ số phi cầu bậc hai k. Nghiên cứu phân loại và khảo sát 5 dạng hình học: dạng Oblate ellipsoid với k = 0,25; dạng Paraboloid với k = -1; dạng Ellipsoid với k = -0,5; cùng hai dạng Hyperboloid với k = -2 và k = -3.

Ba khái niệm then chốt chi phối toàn bộ cơ chế công nghệ bao gồm: hiện tượng biến dạng đàn hồi cưỡng bức dưới áp suất chân không; quy luật mài phẳng Preston xác định tốc độ bóc tách lớp vật liệu nhô ra khi phôi ở trạng thái biến dạng; và hiện tượng phục hồi đàn hồi đưa mặt trên phẳng trở lại trạng thái ban đầu, biến mặt mài phẳng bên dưới thành mặt phi cầu theo đúng biên dạng khuôn.

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 mô hình mô phỏng hình học phi cầu bậc hai đối xứng trục 2D và 2 bộ khuôn thực nghiệm (gồm 1 khuôn nguyên bản và 1 khuôn hiệu chỉnh bù sai số). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích, tập trung vào dải hệ số conic từ k = -3 đến k = 0,25 nhằm bao quát đầy đủ các dạng quang học phi cầu phổ biến trong công nghiệp.

Về phương pháp phân tích số học, nghiên cứu sử dụng phần mềm Abaqus/Explicit để mô phỏng bài toán tiếp xúc phi tuyến giữa tấm phôi BK7 và lòng khuôn. Phôi kính được chia lưới đồng đều với 500 phần tử phần tử biến dạng phẳng tuyến tính 4 nút CPS4R, trong khi khuôn được mô hình hóa là vật thể cứng tuyệt đối (Rigid body). Dải tải trọng áp suất chân không được khảo sát theo 5 mức cụ thể: -80 kPa, -85 kPa, -90 kPa, -95 kPa và -100 kPa. Lý do lựa chọn mô phỏng phần tử hữu hạn là nhằm kiểm soát chính xác trường phân bố biến dạng và xác định khe hở tiếp xúc trước khi chế tạo khuôn cơ khí thực tế.

Về phương pháp thực nghiệm, phôi kính BK7 đường kính 50 mm sau khi gá đặt vào hệ thống khuôn được hút chân không ở mức -95 kPa, sau đó tiến hành mài và đánh bóng mặt phẳng bằng bột mài chuyên dụng kết hợp hạt nano Cerium Oxide. Sau khi hoàn tất gia công và ngắt chân không, độ chính xác hình dáng và bề dày chi tiết được kiểm tra tại Trung tâm AIE Chi nhánh TP. Hồ Chí Minh bằng máy quét quang học 3D chuyên dụng kết hợp phần mềm đo tọa độ quang học. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu kéo dài 6 tháng, chia thành từng phân kỳ từ khảo sát lý thuyết, mô phỏng FEM, thiết kế đồ gá đến thực nghiệm gia công và đo kiểm số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số và thực nghiệm gia công đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trong số 5 dạng bề mặt khảo sát, biên dạng hyperboloid với hệ số k = -3 mang lại khả năng biến dạng tiếp xúc sát nhất với lòng khuôn. Tại mức áp suất chân không -95 kPa, sai lệch hình học lớn nhất giữa phôi mô phỏng và biên dạng khuôn chưa hiệu chỉnh ở dạng k = -3 đạt giá trị 15,731 µm. Mức sai lệch này thấp hơn so với dạng k = -1 (15,7445 µm), dạng k = -0,5 (15,746 µm) và dạng k = -2 (15,748 µm).

Thứ hai, nghiên cứu xác định được ngưỡng bão hòa biến dạng chân không ở mức -95 kPa. Khi tăng độ chân không từ -80 kPa lên -95 kPa, mức độ biến dạng tiếp xúc tăng nhanh và sai lệch biên dạng giảm hơn 40%. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng độ chân không lên -100 kPa, lượng biến dạng của tấm kính gần như không thay đổi, giá trị sai lệch tại điểm lớn nhất giữ nguyên mức 15,731 µm.

Thứ ba, vùng xuất hiện sai lệch biên dạng lớn nhất luôn tập trung tại vị trí bán kính r từ 17,5 mm đến 18,5 mm (cách tâm phôi 17,5-18,5 mm và cách mép kẹp viền 4-5 mm). Sai lệch này xuất phát từ hiện tượng hạn chế xoay của liên kết ngàm đàn hồi tại gờ đỡ viền ngoài có bề rộng 2,5 mm.

Thứ tư, giải pháp hiệu chỉnh biên dạng khuôn bằng phương pháp bù sai số ngược đã tạo ra bước nhảy vọt về độ chính xác. Trên mô hình mô phỏng, sai lệch tiếp xúc sau hiệu chỉnh giảm từ 15,731 µm xuống còn khoảng 0,5 µm (giảm 96,8%). Trên thực nghiệm gia công với khuôn đã bù sai số, kết quả đo quét quang học xác nhận sai lệch giữa bề mặt chi tiết và biên dạng mục tiêu giảm từ 17 µm xuống chỉ còn khoảng 1 µm tại dải bán kính từ 14 mm đến 21,5 mm, thể hiện tỷ lệ cải thiện độ chính xác thực tế đạt trên 94,1%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sai lệch hình học ban đầu là do đặc tính uốn phi tuyến của vật liệu thủy tinh BK7 khi chịu tải trọng phân bố đều trong không gian có gờ chặn biên. Mặc dù áp suất chân không kéo đều toàn bộ mặt đáy, ứng suất uốn tiếp tuyến và ứng suất uốn pháp tuyến phân bố cực đại tại vùng biên ngàm, tạo ra một vùng đệm chuyển tiếp không áp sát hoàn toàn vào lòng khuôn tại tọa độ r = 17,5 mm đến 18 mm.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ biến dạng tiếp xúc (Contact Deformation Curve) và đồ thị sai lệch biên dạng (Deviation Profile Chart). Các biểu đồ cho thấy rõ sự trùng khít giữa đường cong biến dạng sau hiệu chỉnh và đường cong lý thuyết, với độ lệch quang học PV (Peak-to-Valley) tiệm cận ngưỡng 1 µm.

So sánh với các nghiên cứu gia công biến dạng đàn hồi không dùng khuôn của một số nhóm tác giả quốc tế trước đây, phương pháp dùng khuôn có hiệu chỉnh biên dạng sở hữu ưu thế vượt trội về độ ổn định kích thước. Khi mài biến dạng không khuôn, chiều dày phôi giảm dần từ 1,55 mm xuống 1,28 mm khiến độ cứng vững của tấm kính suy giảm liên tục, làm sai lệch độ võng mong muốn. Ngược lại, việc tựa vào lòng khuôn cứng giúp kiểm soát tuyệt đối biên dạng hình học, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lẹm phôi do giảm chiều dày.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa công nghệ gia công biến dạng đàn hồi vào ứng dụng thực tiễn sản xuất, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Một là, chuẩn hóa thuật toán bù sai số biên dạng khuôn (Mold Surface Pre-compensation). Kỹ sư chế tạo cần tích hợp hàm sai lệch 15,731 µm trực tiếp vào chương trình gia công CNC lòng khuôn thép, hướng tới mục tiêu đưa sai số hình học của thấu kính sau phục hồi đàn hồi xuống dưới 0,5 µm. Giải pháp này cần được áp dụng ngay trong chu kỳ thiết kế khuôn mẫu mới với thời gian hoàn thiện quy chuẩn trong vòng 3 tháng.

Hai là, nâng cấp hệ thống cấp áp suất chân không kỹ thuật số. Đơn vị sản xuất cần trang bị bộ điều áp tự động có cảm biến phản hồi độ nhạy cao nhằm duy trì áp suất ổn định chính xác ở mức -95 kPa với độ dao động không vượt quá ±0,2 kPa trong suốt chu kỳ mài kéo dài 20-30 phút. Mục tiêu nhằm loại bỏ hoàn toàn các gợn sóng tế vi trên bề mặt quang học, triển khai bởi kỹ sư vận hành trong vòng 1 tháng.

Ba là, hoàn thiện chế độ công nghệ mài tinh và đánh bóng bề mặt. Cần thiết lập quy trình mài phân cấp sử dụng hạt mài kim cương kích thước micro kết hợp đánh bóng hoàn thiện bằng bột nano Cerium Oxide (CeO2) trên đĩa nỉ chuyên dụng để đạt độ bóng bề mặt Ra dưới 10 nm. Nhiệm vụ này do nhóm kỹ thuật công nghệ vật liệu đảm trách với lộ trình 6 tháng.

Bốn là, phát triển phần mềm tự động hóa thiết kế đồ gá và khuôn mẫu quang học. Nhóm nghiên cứu thuộc các trường đại học kỹ thuật cần xây dựng module phần mềm chuyên dụng kết nối giữa CAD và Abaqus, cho phép tự động tính toán biên dạng khuôn bù sai số cho các thấu kính phi cầu có bán kính cong cơ sở từ 1000 mm đến 5000 mm, hoàn thành trong thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, các kỹ sư thiết kế và chế tạo dụng cụ quang học tại các nhà máy sản xuất thấu kính, kính hiển vi, ống kính camera và thiết bị quan sát. Luận văn cung cấp phương án công nghệ giảm 40-60% chi phí đầu tư máy móc so với dây chuyền tiện mài kim cương siêu chính xác CNC.

Thứ hai, chuyên gia mô phỏng và phân tích cơ học kết cấu (CAE Engineers). Tài liệu mang lại quy trình chuẩn mực về thiết lập bài toán tiếp xúc cơ học phi tuyến giữa vật liệu giòn đàn hồi (kính BK7) và khuôn cứng trên phần mềm Abaqus với các thông số phân tích hội tụ cao.

Thứ ba, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Cơ điện tử. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị kết hợp chặt chẽ giữa giải tích lý thuyết tấm mỏng, mô phỏng số phần tử hữu hạn và kiểm chứng thực nghiệm đo quét quang học 3D.

Thứ tư, các doanh nghiệp khởi nghiệp và cơ sở gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam muốn mở rộng năng lực sản xuất sang lĩnh vực thấu kính quang học có đường kính 45-50 mm với nguồn vốn đầu tư ban đầu hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp gia công biến dạng đàn hồi có ưu thế gì vượt trội so với tiện CNC kim cương? Phương pháp biến dạng đàn hồi cho phép gia công tạo hình bề mặt phi cầu bằng kỹ thuật mài phẳng thông thường sau khi hút phôi biến dạng vào khuôn. Quy trình này giảm thiểu chi phí đầu tư máy CNC siêu chính xác 4-5 trục đắt tiền, hạn chế nguy cơ nứt vỡ do tính giòn của thủy tinh BK7 và rút ngắn thời gian chuẩn bị công nghệ.

Tại sao mức áp suất -95 kPa được lựa chọn làm thông số làm việc tối ưu? Kết quả mô phỏng số trên phần mềm Abaqus từ -80 kPa đến -100 kPa cho thấy mức độ biến dạng tiếp xúc tăng mạnh khi áp suất giảm dần đến -95 kPa. Tại mốc -95 kPa và -100 kPa, độ võng và sai lệch biên dạng phôi đạt trạng thái bão hòa (giữ nguyên ở mức 15,731 µm), do đó chọn -95 kPa giúp tiết kiệm năng lượng và đảm bảo an toàn cho phôi.

Vật liệu thủy tinh BK7 có những thông số cơ lý nào quyết định đến khả năng gia công? Thủy tinh BK7 có mô đun đàn hồi Young 71,8 GPa, hệ số Poisson 0,206, tỷ trọng 2550 kg/m3 và độ cứng 610 kg/mm2. Các thông số này đảm bảo phôi có tính đàn hồi hoàn hảo trong giới hạn độ võng nhỏ hơn 30% bề dày tấm tròn (1,55 mm), cho phép phục hồi nguyên vẹn mặt phẳng sau khi ngắt chân không.

Mục đích của việc hiệu chỉnh biên dạng khuôn trong nghiên cứu là gì? Khi phôi biến dạng trong khuôn ban đầu, lực cản đàn hồi tại mép ngàm 2,5 mm tạo ra sai số lớn nhất khoảng 15,731 µm ở bán kính r = 17,5-18,5 mm. Việc hiệu chỉnh bù trừ lượng sai số này vào lòng khuôn giúp bề mặt thấu kính sau khi phục hồi đàn hồi đạt độ chính xác cao với sai lệch giảm xuống còn 1 µm.

Thiết bị nào được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của thấu kính sau gia công? Nghiên cứu sử dụng hệ thống máy đo quang học 3D chuyên dụng kết hợp phần mềm quét tọa độ và đo độ dày tại Công ty AIE TP. Hồ Chí Minh. Thiết bị quét toàn bộ biên dạng khuôn và chi tiết gia công, cho phép so sánh lát cắt nửa chi tiết với sai số đo kiểm ở cấp độ micromet.

Kết luận

Năm đóng góp cốt lõi của công trình nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình giải tích biến dạng đàn hồi của tấm tròn quang học BK7 đường kính 50 mm theo lý thuyết tấm mỏng Kirchhoff.
• Thiết lập mô hình mô phỏng số phần tử hữu hạn trên Abaqus/Explicit, chứng minh bề mặt hyperboloid (hệ số k = -3) cho khả năng tiếp xúc biến dạng tốt nhất.
• Xác định chính xác ngưỡng áp suất chân không làm việc tối ưu tại mức -95 kPa với bán kính cong cơ sở R = 2500 mm.
• Đề xuất thành công giải pháp hiệu chỉnh bù sai số biên dạng lòng khuôn, giúp giảm sai lệch tiếp xúc trên mô hình số từ 15,731 µm xuống còn 0,5 µm.
• Kiểm chứng thực nghiệm gia công mài phẳng thành công thấu kính phi cầu với sai số thực tế đạt mức 1 µm trên dải bán kính làm việc từ 14 mm đến 21,5 mm.

Công trình đã đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ gia công biến dạng đàn hồi trong chế tạo quang học chính xác tại Việt Nam, mở ra hướng đi tự chủ công nghệ chế tạo thấu kính phi cầu chi phí thấp. Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng sang các dạng bề mặt phi cầu đa thức bậc cao và tự động hóa quy trình mài đánh bóng. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác các thông số công nghệ của luận văn để ứng dụng trực tiếp vào quy trình sản xuất quang học chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Chương 2 Chương 3 Chương 4 Chương 4 Chương 5 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Các phương pháp chế tạo thấu kính. Chế tạo thấu kính phi cầu bằng quá trình cắt. Việc sản xuất thấu kính thủy tinh phi cầu sử dụng kỹ thuật cắt thường được biết đến với quy trình tiện và phay.

Quá trình này bao gồm một máy điều khiển số (CNC) được sử dụng để tạo ra hình dạng phi cầu trên một thấu kính như mong muốn sau đó bề mặt được mài nghiền để đảm bảo độ nhẵn bề mặt. Phương pháp này có ưu điểm: Nói chung, thủy tinh dòn, ít bị biến dạng dẻo. Vì vậy độ nhám bề mặt trong quá trình gia công thủy tinh chịu ảnh hưởng bởi thông số hình học của dụng cụ cắt lớn hơn so với kim loại. Trong quá trình nghiền, thủy tinh có thể được gia công mà không bị vỡ do tính chất giòn và không bị biến dạng với độ dày nhỏ hơn một micromet [8] Nhược điểm: Để đạt được độ chính xác đòi hỏi phải điều chỉnh chính xác dụng cụ cắt, phải đầu tư trang thiết bị với chi phí lớn.

Chế tạo thấu kính phi cầu bằng quá trình mài. Mài chính xác Thông thường, bề mặt phi cầu của chi tiết được gia công trên máy mài nghiền 4 hoặc 5 trục. Ưu điểm: Mài nghiền có ưu điểm lớn đó là khả năng gia công các vật liệu cứng và dễ vỡ như thủy tinh, mà không cần dùng phương pháp tiện hay phay sử dụng mũi dao kim cương. Bề mặt thủy tinh sau khi gia công có thể bằng hoặc thậm chí tốt hơn so với bề mặt thủy tinh được đánh bóng [9] Nhược điểm: 6 Trong quá trình mài nghiền, nếu lượng dư gia công nhỏ hơn chiều sâu cần thiết của chế độ cắt, lớp vật liệu được tách ra ít giúp giảm độ nhám bề mặt.

Trong quá trình mài chính xác các thấu kính thủy tinh, các bánh mài liên kết với hạt mài giữ cho hạt mài không bị tách ra, tuy nhiên hạt mài sẽ bị mòn một phần làm bề mặt mài bị thay đổi. Việc thay bánh mài mới đòi hỏi phải tính toán khá phức tạp. Quá trình mài mòn điện phân (ELID) Kỹ thuật mài mòn điện phân (ELID) được sử dụng, giúp giảm bớt mài mòn bánh mài và hạt mài. Hệ thống mài ELID gồm bánh mài với hạt mài bằng kim cương, một nguồn cung cấp năng lượng điện, một điện cực và hệ thống làm mát.

Bánh mài kim cương được kết nối với đầu cực dương của nguồn cung cấp năng lượng thông qua tiếp xúc điện và một điện cực cố định được kết nối với đầu cực âm của nguồn cung cấp năng lượng. Khoảng cách giữa bánh mài và điện cực cố định được duy trì một khoảng 0,1mm [10,11].1: Sơ đồ minh họa quá trình mài ELID Hình 2.1 minh họa sơ đồ của quá trình mài ELID. Quá trình điện phân ban đầu di chuyển các hạt mài trên bánh mài, tạo thành lớp Oxít nhô ra từ bề mặt đá mài. Khi lớp mài nhô ra bị bào mòn trong quá trình mài, các lớp Oxít sẽ trở nên mỏng hơn.

7 Lớp Oxít mỏng làm tăng tính dẫn điện của các bánh mài, bánh mài sẽ bị oxy hóa và tiếp tục tạo thành lớp Oxít mới. Nhờ quá trình điện phân này, độ dày của lớp Oxít được duy trì, giúp ổn định quá trình mài. Phương pháp gia công phát xạ đàn hồi (EEM) Hình 2.2: Sơ đồ minh họa của một quá trình EEM Phương pháp này hạn chế tối đa diện tích tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và bề mặt chi tiết gia công. Phương pháp gia công phát xạ đàn hồi (EEM) là phương pháp đánh bóng mà ở đó dụng cụ cắt (một quả cầu polyurethane) nổi trên lớp chất lỏng có chứa các hạt mài [13,14].

Độ dày của lớp chất lỏng này bằng bội số đường kính của các hạt mài và các thông số quá trình xác định bao gồm áp suất thủy lực được tạo ra bởi dụng cụ cắt và động năng của các hạt mài. Bằng cách đó, tạo ra vùng đánh bóng. [15] EEM là một phương pháp gia công mà cơ chế của nó dựa trên các phản ứng hóa học giữa hai bề mặt rắn. Quá trình bắt đầu bằng cách tiếp xúc hai vật liệu rắn với nhau và tạo ra liên kết hóa học tại bề mặt tiếp xúc giữa chúng.

Chất rắn này có thể mang đi các nguyên tử của bề mặt chất rắn khác khi chúng được tách ra. Khi sử dụng bột siêu mịn có đường kính rất nhỏ trên bề mặt chi tiết giới hạn trong một dòng chảy của nước 8 tinh khiết, bột hóa học sẽ phản ứng với bề mặt chi tiết gia công.2 Mô tả quá trình gia công bằng phương pháp phát xạ đàn hồi. Bột hóa học phản ứng với bề mặt chi tiết gia công có thể loại bỏ các nguyên tử khi nó được tách ra bởi các dòng nước tinh khiết. Quá trình EEM đạt hiệu quả khi các trạng thái điện tử bề mặt giúp giảm liên kết các nguyên tử bề mặt.4 Chế tạo thấu kính phi cầu bằng phương pháp đánh bóng.1 Gia công bằng đánh bóng sạch.3: Sơ đồ minh họa của một quá trình đánh bóng truyền thống Gia công bằng đánh bóng sạch là một kỹ thuật chế tạo được sử dụng để gia công các bề mặt quang học phẳng và cầu [16,17].

Sơ đồ minh họa quá trình gia công bằng đánh bóng sạch. Như thể hiện trong hình, một đầu hình cầu có độ cong phù hợp với hình dạng mong muốn của thấu kính cần đánh bóng. Các thấu kính được đặt trên đầu của một khối quay. Các công cụ đánh bóng đặt trên đầu của các bề mặt thấu kính và tiếp xúc với thấu kính khi quá trình đánh bóng bắt đầu.

Đầu mài có chứa các hạt mài nhỏ, chẳng hạn như oxit xerium, oxit nhôm, hoặc kim cương. Vùng tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ được duy trì liên tục bởi đầu mài. Tỷ lệ tách bỏ vật liệu được tính bằng phương trình của Preston [18] và phụ thuộc vào áp lực tải trọng, diện tích tiếp xúc và tốc độ chuyển động tương đối giữa 9 dụng cụ cắt và chi tiết. Đối với các bề mặt phi cầu có độ chênh lệch nhỏ so với bề mặt hình cầu gần nhất, nó có thể sử dụng quá trình đánh bóng tự điều chỉnh diện tích tiếp xúc thông thường bằng cách kiểm soát chuyển động đá mài và phân phối áp lực trên bề mặt chi tiết Gia công bằng đánh bóng sạch có thể cải thiện độ bóng bề mặt mà không làm sai lệch độ chính xác hình dạng.2 Đánh bóng bằng máy từ lưu biến (MRF) Đánh bóng bằng máy từ lưu biến (MRF) là phương pháp gia công thấu kính phi cầu có độ chính xác cao bằng cách kiểm soát khẩu độ [20,21].4 a là sơ đồ minh họa của một hệ thống MRF và hình 2.4 b mô tả là thực tế quá trình cắt bỏ vật liệu tại vùng đánh bóng.

Sơ đồ của một hệ thống MRF b. cận cảnh khu vực đánh bóng thực tế Hệ thống MRF có một máy bơm liên tục bơm chất lỏng từ lưu biến. Các chất lỏng được đưa vào vùng đánh bóng nhờ vào một vòi phun chất lỏng. Chất lỏng từ lưu biến kết hợp với các hạt từ tính như cerium oxide (CeO2) và nano-kim cương.

Một nam châm điện được sử dụng để tạo ra hướng từ trường. Nó được đặt ở dưới bánh mài. Khi chất lỏng từ lưu biến đi qua vùng từ trường, nó liên kết lại và hoạt động như một dụng cụ đánh bóng. Một vùng đánh bóng được hình thành nhờ dòng từ lưu biến chèn vào giữa thấu kính và bánh mài.

Thấu kính quay trên trục chính và đồng thời 10 nghiêng theo các hướng khác nhau thông qua điều khiển máy. Các máy tính sẽ kiểm soát và duy trì một khoảng cách không đổi giữa bề mặt bánh mài và thấu kính. Quá trình liên kết của các hạt từ lưu biến và tốc độ quay của chi tiết phải được kiểm soát để loại bỏ vật liệu như mong muốn. Trong vùng có từ trường, các hạt từ tính sẽ đánh bóng và tạo ra bề mặt như mong muốn .3 Đánh bóng bằng dòng từ lưu biến Hình 2.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống máy đánh bóng kim loại bằng dòng từ lưu biến Đây là phương pháp ổn định dòng, theo đó dòng chất lỏng từ lưu biến được từ hóa bởi từ trường dọc trục khi nó chảy ra khỏi vòi phun [22,23].

Vùng từ trường này tạo ra một cấu trúc bên trong chất lỏng và tăng độ nhớt trong các phần tiếp giáp với vòi phun, tạo ra dòng chảy ổn định. Kết quả là, các chất lỏng từ lưu biến sau khi được phun ra khỏi vòi phun sẽ tạo thành tia có áp lực cao, liên tục.5 mô tả hệ thống đánh bóng bằng dòng từ lưu biến. Nó được xây dựng trên nền tảng máy CNC 5 trục và phần mềm điều khiển đánh bóng. Hệ thống cung cấp dòng từ lưu biến bao gồm một bể trộn để phân tán các hạt mài trong chất lỏng từ lưu biến, một máy bơm.

Để duy trì nhiệt độ và độ nhớt người ta sử dụng các cảm biến chất lỏng, áp suất và lưu lượng để theo dõi giám sát. Một từ 11 trường tối ưu hóa cho các tính chất của các chất lỏng từ lưu biến nằm dưới trục chính bàn máy CNC và ổn định dòng. Khi kích hoạt nam châm, các dòng tia sẽ bắn thẳng đến bề mặt chi tiết theo phương trục chính. Chất lỏng sử dụng được thu hồi và tái tuần hoàn [24] .4 Đánh bóng bằng chùm tia ion Hình 2.6: Sơ đồ minh họa của một hệ thống đánh bóng bằng chùm tia Ion Đánh bóng bằng chùm tia ion (IBF) là một phương pháp tạo hình bằng cách bắn một chùm tia ổn định vào bề mặt quang học để loại bỏ vật liệu từ bề mặt chi tiết thông qua việc truyền năng lượng [25,26].

Trong IBF, chi tiết quang học được đặt bên trong một buồng cao áp. Một chùm ion argon (Ar +) được tạo ra từ một máy bắn ion. Các phần tử thủy tinh được loại bỏ bằng phương pháp bức xạ của chùm tia trên bề mặt quang học thông qua một máy tính điều khiển vùng đánh bóng trong phạm vi của chùm tia ion. Quá trình của phương pháp này được thể hiện trong hình 2.

Quá trình này có thể được điều khiển bằng máy tính để thay đổi thời gian dừng hay năng lượng của chùm tia tới.5 Đánh bóng bằng Laser Đánh bóng bằng Laser được sử dụng để đánh bóng những viên kim cương [27- 28], sản phẩm quang học như mắt kính, thấu kính, sợi [29, 30]. Đánh bóng laser ít 12 được sử dụng để đánh bóng kim loại.