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.

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.