Luận văn thạc sĩ: Thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm

Luận văn thạc sĩ về thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm. Nghiên cứu ứng dụng trong gia công tiện cứng lỗ, giúp giảm lực cắt và cải thiện độ nhám.

• Tác giả: Ngô Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Dự
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
• 1. CHƯƠNG 1: Vấn đề nghiên cứu
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Cách tiếp cận
• 1.3. Các kết quả đạt được
• 1.4. Cấu trúc luận văn
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
• 2.1. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm
• 2.1.1. Rung động siêu âm
• 2.1.2. Siêu âm công suất
• 2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm
• 2.3. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật
• 2.3.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm
• 2.3.2. Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)
• 2.3.3. Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm
• 2.3.4. Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm
• 2.3.5. Siêu âm trong y học
• 2.4. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
• 2.4.1. Khoan có rung động siêu âm trợ giúp
• 2.4.2. Phay có rung động siêu âm trợ giúp
• 2.4.3. Tiện có rung động siêu âm trợ giúp
• 2.5. Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công
• 2.5.1. Nguồn phát công suất siêu âm
• 2.5.2. Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor)
• 2.5.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 2.5.2.2. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin
• 2.5.3. Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster và Horn)
• 2.5.3.1. Chức năng, cấu tạo
• 2.5.3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán đầu khuếch đại biên độ rung
• 2.5.3.3. Dạng trụ có tiết diện không đổi
• 2.5.3.4. Dạng trụ bậc ( Double cylinder / Stepped Horn)
• 2.5.3.5. Dạng hình côn (Conically Tapered Horns)
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: Tính toán thiết kế kết cấu đầu rung mới
• 3.1. Nguyên lý cấu tạo bộ tạo rung trợ giúp tiện lỗ
• 3.2. Lựa chọn bộ phát rung siêu âm thương mại
• 3.3. Thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung dạng trụ bậc
• 3.4. Thiết kế kết cấu đồ gá mang cơ cấu rung cho tiện lỗ
• 4. CHƯƠNG 4: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung siêu âm (Finite Element Modeling of Ultrasonic Vibratory Tool)
• 4.1. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung siêu âm (Finite Element Modeling of Ultrasonic Vibratory Tool)
• 4.2. Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA)
• 4.3. Mô hình phân tích tần số dao động riêng ( Modal Analysis)
• 4.4. Mô hình phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic response analysis)
• 4.5. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: Thực nghiệm xác định tần số, biên độ rung
• 5.1. Xác định tần số cộng hưởng
• 5.1.1. Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng
• 5.1.1.1. Phương pháp mạch cầu (Bridge methods)
• 5.1.1.2. Sử dụng mạch đo độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện (I-V Methods)
• 5.1.1.3. Phương pháp cầu tự cân bằng (Auto-balancing bridge method)
• 5.1.1.4. Sử dụng thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer
• 5.1.2. Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cụm đầu rung
• 5.2. Đánh giá biên độ rung động
• 5.2.1. Các phương pháp đo biên độ
• 5.2.1.1. Phương pháp đo không tiếp xúc
• 5.2.1.2. Phương pháp đo trực tiếp biên độ bằng kính hiển vi
• 5.2.1.3. Sử dụng Laser Vibrometer
• 5.2.1.4. Phương pháp đo tiếp xúc
• 5.2.1.5. Sử dụng cảm biến khoảng cách
• 5.2.1.6. Sử dụng gia tốc kế (accelerometer)
• 5.2.1.7. Sử dụng đồng hồ so
• 5.2.1.8. Sử dụng panme đo ngoài
• 5.2.2. Kết quả đo biên độ rung động
• 6. CHƯƠNG 6: Thực nghiệm gia công đánh giá đầu rung
• 6.1. Thiết bị thí nghiệm
• 6.1.1. Máy tiện vạn năng V-Turn 410
• 6.1.2. Mẫu thí nghiệm
• 6.1.3. Dụng cụ cắt
• 6.1.4. Cảm biến đo lực cắt
• 6.1.5. Máy đo nhám bề mặt
• 6.2. Kiểm chuẩn xác định quan hệ lực với điện áp
• 6.3. Thiết kế thí nghiệm tiện lỗ với phần mềm Minitab
• 6.4. Kết quả đánh giá quá trình tiện lỗ
• 6.4.1. Đánh giá về độ nhám bề mặt
• 6.4.2. Đánh giá về lực cắt
• 7. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• 7.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về Đầu rung siêu âm Giải pháp công nghệ đột phá

Công nghệ siêu âm đã mở ra kỷ nguyên mới trong nhiều lĩnh vực sản xuất và y tế. Đặc biệt, đầu rung siêu âm đóng vai trò then chốt, thúc đẩy hiệu quả các quy trình gia công siêu âm cắt gọt, tẩy rửa, hàn và nhiều ứng dụng khác. Sự ra đời của luận văn kỹ thuật siêu âm về thiết kế đầu rung siêu âm không chỉ giải quyết các vấn đề kỹ thuật hiện hữu mà còn định hướng cho sự phát triển của hệ thống siêu âm công nghiệp tại Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào việc làm chủ công nghệ, từ khâu thiết kế đầu rung siêu âm chi tiết đến quy trình chế tạo đầu rung siêu âm hoàn chỉnh, mang lại giải pháp hiệu quả về chi phí và linh hoạt trong ứng dụng. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra các thiết bị siêu âm có khả năng giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và tăng tuổi thọ dụng cụ, đặc biệt khi gia công các vật liệu khó.

1.1. Nguyên lý hoạt động đầu rung siêu âm và tầm quan trọng

Một đầu rung siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học tần số cao, vượt ngưỡng nghe của con người (thường > 20 kHz). Trọng tâm của quá trình này là bộ chuyển đổi siêu âm, thường sử dụng vật liệu áp điện PZT. Khi có điện áp thay đổi tác dụng, hiệu ứng áp điện làm cho vật liệu này biến dạng liên tục, tạo ra rung động siêu âm. Tầm quan trọng của đầu rung siêu âm nằm ở khả năng tạo ra sóng siêu âm công suất lớn có thể truyền năng lượng hiệu quả vào vật liệu hoặc môi trường làm việc. Các tham số như tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm là yếu tố quyết định hiệu suất. Việc nắm vững nguyên lý hoạt động đầu rung siêu âm là nền tảng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống siêu âm, từ làm sạch đến gia công siêu âm phức tạp. (Trích dẫn từ Chương 2.1: 'Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ, có tần số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người. ... Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp khai thác hiệu ứng từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện.')

1.2. Luận văn kỹ thuật siêu âm Nhu cầu cấp thiết và hướng nghiên cứu

Nhu cầu về các giải pháp kỹ thuật siêu âm tiên tiến ngày càng cấp thiết trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại. Tại Việt Nam, việc thiếu hụt tài liệu chuyên sâu bằng tiếng Việt và sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu đắt tiền, kém linh hoạt là một thách thức lớn. Luận văn kỹ thuật siêu âm này ra đời nhằm lấp đầy khoảng trống đó, bằng cách đề xuất một giải pháp toàn diện về thiết kế đầu rung siêu âm, quy trình chế tạo đầu rung siêu âm và phương pháp đánh giá thực nghiệm. Hướng nghiên cứu tập trung vào việc làm chủ công nghệ, tối ưu hóa kết cấu để phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, giảm thiểu chi phí và tăng khả năng tùy biến. Đặc biệt, nghiên cứu này còn khám phá tiềm năng của kỹ thuật cơ điện tử trong việc điều khiển và cải tiến hiệu suất của đầu rung siêu âm, mở ra các ứng dụng mới trong hệ thống siêu âm công nghiệp. (Trích dẫn từ Chương 1: 'Mặc dù công nghệ này đã được quan tâm từ những năm 1950... nhưng cho đến nay hầu như chưa có tài liệu tiếng Việt nào được công bố trong lĩnh vực này. Đây vừa là khó khăn, đồng thời vừa là động lực thúc đẩy tác giả thực hiện nghiên cứu này.')

II. Cách vượt qua thách thức thiết kế chế tạo đầu rung siêu âm

Quá trình thiết kế đầu rung siêu âm và chế tạo đầu rung siêu âm đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Một trong những khó khăn lớn nhất là việc tối ưu hóa hình dáng, kích thước và vật liệu để đảm bảo hiệu quả truyền rung động và độ bền cơ học. Đặc biệt, khi tích hợp đầu rung siêu âm vào các hệ thống gia công như tiện lỗ, việc bố trí sao cho thuận tiện và không ảnh hưởng đến kích thước gia công là một bài toán không hề đơn giản. Việc kiểm soát tần số cộng hưởng siêu âm chính xác và đạt được biên độ rung siêu âm mong muốn tại đầu dụng cụ cắt cũng đòi hỏi sự tính toán và thử nghiệm tỉ mỉ. Luận văn này đã phân tích sâu các vấn đề này và đề xuất các giải pháp khả thi.

2.1. Khó khăn trong việc bố trí và tối ưu hóa kích thước đầu rung siêu âm

Một thách thức đáng kể khi ứng dụng đầu rung siêu âm trong gia công là việc bố trí thiết bị. Đầu rung siêu âm thường có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước vùng gia công, gây khó khăn cho việc gá kẹp, đặc biệt trên các máy tiện truyền thống. Luận văn đã chỉ ra rằng, việc thiết kế đầu rung siêu âm cần tính toán đến khả năng tích hợp linh hoạt, tránh thay thế hoàn toàn đài dao máy tiện mà thay vào đó là gá kẹp trên đài dao hiện có. Điều này yêu cầu một kết cấu đồ gá mới, đơn giản và thuận tiện cho việc gá đặt cũng như điều chỉnh trong quá trình vận hành. Tối ưu hóa kích thước không chỉ giúp giảm cản trở không gian mà còn đảm bảo các đặc tính cơ học và tần số hoạt động của dao động tử siêu âm. Mục tiêu là tạo ra một cụm đầu rung nhỏ gọn nhưng vẫn đủ cứng vững để truyền sóng siêu âm công suất lớn một cách hiệu quả. (Trích dẫn từ Tóm tắt Luận văn: 'Một vấn đề tồn tại khi khai thác rung động trợ giúp gia công tiện lỗ là khó bố trí đầu rung – thường có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước gia công.')

2.2. Kiểm soát tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm

Việc kiểm soát chính xác tần số cộng hưởng siêu âm và đạt được biên độ rung siêu âm mong muốn là yếu tố sống còn đối với hiệu suất của đầu rung siêu âm. Tần số cộng hưởng phải phù hợp với ứng dụng cụ thể để đảm bảo truyền tải năng lượng tối đa và hiệu quả. Tuy nhiên, các yếu tố như vật liệu, hình dáng, kích thước và cả nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng siêu âm thực tế. Luận văn đã sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích, hiệu chỉnh tần số và biên độ, nhằm tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo đầu rung siêu âm thực tế. Ngoài ra, việc duy trì biên độ rung ổn định ở tần số cao cũng là một thách thức, đòi hỏi các mạch điều khiển siêu âm tiên tiến để giải quyết. Điều này đảm bảo rằng dao động tử siêu âm hoạt động hiệu quả, mang lại lợi ích thực tiễn trong gia công siêu âm. (Trích dẫn từ Tóm tắt Luận văn: 'Đầu rung được phân tích, hiệu chỉnh về tần số cộng hưởng, trở kháng cơ và biên độ rung động tại vị trí đầu dụng cụ nhờ phương pháp Phần tử hữu hạn.')

III. Hướng dẫn thiết kế đầu rung siêu âm tối ưu từ lý thuyết đến mô phỏng

Quá trình thiết kế đầu rung siêu âm đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết dao động cơ học và các công cụ mô phỏng hiện đại. Một thiết kế tối ưu phải cân nhắc đến việc lựa chọn vật liệu, hình dáng kết cấu và các thông số hoạt động để đảm bảo bộ chuyển đổi siêu âm tạo ra sóng siêu âm công suất lớn một cách hiệu quả. Luận văn này đã đưa ra một cách tiếp cận toàn diện, từ cơ sở lý thuyết về hiệu ứng áp điện và vật liệu áp điện PZT, đến việc ứng dụng mô phỏng FEM đầu rung siêu âm để dự đoán và tối ưu hóa các đặc tính dao động. Mục tiêu là phát triển một đầu rung siêu âm có khả năng hoạt động ổn định ở tần số cộng hưởng siêu âm xác định và tạo ra biên độ rung siêu âm cần thiết cho ứng dụng gia công siêu âm cụ thể.

3.1. Lựa chọn vật liệu áp điện PZT và hiệu ứng áp điện

Nền tảng của mọi thiết kế đầu rung siêu âm hiệu suất cao nằm ở việc lựa chọn vật liệu áp điện PZT phù hợp. Vật liệu áp điện PZT (Piezoceramics) có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành cơ học và ngược lại, thông qua hiệu ứng áp điện. Đây là phương pháp phổ biến nhất để tạo ra rung động siêu âm nhờ hiệu suất cao, ít sinh nhiệt và kết cấu đơn giản hơn so với phương pháp từ giảo. Luận văn đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ đặc tính cơ-điện của vật liệu áp điện PZT để tối ưu hóa hiệu suất của bộ chuyển đổi siêu âm. Các tấm áp điện này thường được kẹp giữa các khối kim loại tạo thành cấu trúc kiểu Langevin, cho phép tạo ra sóng siêu âm công suất lớn cần thiết cho các ứng dụng công nghiệp nặng. Việc phối hợp vật liệu giữa các tấm kẹp và vật liệu áp điện là rất quan trọng để đảm bảo truyền rung động tối ưu. (Trích dẫn từ Chương 2.1: 'Phương pháp tạo rung động siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện là phương pháp phổ biến nhất hiện nay... Vật liệu áp điện có đặc tính tuyệt vời là biến dạng rất nhạy với giá trị điện áp đặt lên nó.')

3.2. Mô phỏng FEM đầu rung siêu âm Đánh giá dao động tử siêu âm

Để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của thiết kế đầu rung siêu âm, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng FEM đầu rung siêu âm (Finite Element Method) là không thể thiếu. Luận văn đã áp dụng phần mềm ANSYS để tiến hành phân tích phần tử hữu hạn (FEA), bao gồm phân tích tần số dao động riêng (Modal Analysis) và phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic Response Analysis). Các mô phỏng này cho phép dự đoán chính xác tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm tại các vị trí quan trọng, đặc biệt là ở đầu dụng cụ cắt. Quá trình mô phỏng FEM đầu rung siêu âm giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về lý thuyết dao động cơ học của hệ thống, từ đó hiệu chỉnh thiết kế, tối ưu hóa hình dáng và kích thước của dao động tử siêu âm (bộ chuyển đổi và đầu khuếch đại) trước khi tiến hành chế tạo đầu rung siêu âm thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí. (Trích dẫn từ Chương 3: 'Bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hai chức năng Modal analysis và Harmonic response, tần số cộng hưởng và biên độ cho cụm đầu rung được mô phỏng và kiểm tra.')

3.3. Các yếu tố tối ưu hóa thiết kế siêu âm từ lý thuyết dao động cơ học

Việc tối ưu hóa thiết kế siêu âm là một quá trình liên tục, bắt đầu từ việc hiểu sâu sắc lý thuyết dao động cơ học. Đối với đầu rung siêu âm, các yếu tố như khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và vận tốc truyền âm của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tần số cộng hưởng siêu âm và hiệu quả truyền rung động. Luận văn đã tính toán chi tiết các thông số này, đặc biệt là trong thiết kế đầu rung siêu âm kiểu Langevin, nơi chiều dài của các tấm kẹp và gốm áp điện quyết định tần số làm việc. Bên cạnh đó, khái niệm trở kháng âm cũng được sử dụng để tối ưu hóa khả năng truyền dẫn rung động giữa các thành phần. Sự cân bằng giữa độ cứng vững và khả năng khuếch đại biên độ là mấu chốt để dao động tử siêu âm hoạt động hiệu quả, đảm bảo biên độ rung siêu âm lớn mà vẫn duy trì độ bền của cấu trúc. (Trích dẫn từ Chương 2.5.2: 'Việc xác định kích thước của các tấm kẹp trước và sau là một phần quan trọng của việc thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm.')

IV. Phương pháp chế tạo đầu rung siêu âm và kiểm định chất lượng

Sau giai đoạn thiết kế đầu rung siêu âm tỉ mỉ, quá trình chế tạo đầu rung siêu âm đòi hỏi kỹ thuật gia công và lắp ráp chính xác. Để đảm bảo đầu rung siêu âm hoạt động theo đúng thông số thiết kế, việc kiểm tra chất lượng đầu rung siêu âm sau chế tạo là bước không thể bỏ qua. Luận văn này đã trình bày chi tiết các phương pháp thực nghiệm để xác định các đặc tính quan trọng như tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm thực tế. Sự kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và kiểm định thực nghiệm giúp khẳng định tính đúng đắn của thiết kế và quy trình chế tạo đầu rung siêu âm, đảm bảo sản phẩm đáp ứng được yêu cầu của hệ thống siêu âm công nghiệp hiện đại.

4.1. Quy trình chế tạo đầu rung siêu âm và kỹ thuật lắp ráp tiên tiến

Quá trình chế tạo đầu rung siêu âm bắt đầu từ việc gia công chính xác các chi tiết cấu thành, bao gồm các khối kim loại và tấm vật liệu áp điện PZT. Kỹ thuật lắp ráp là cực kỳ quan trọng, đặc biệt là việc kẹp chặt các tấm áp điện bằng bu lông để tạo biến dạng nén dư ban đầu. Lực siết của bu lông phải nằm trong khoảng khuyến nghị (45-90 MPa) để đảm bảo truyền sóng hiệu quả mà không làm biến dạng chi tiết hay giảm biên độ rung siêu âm. Luận văn đã mô tả một đầu rung siêu âm mang dụng cụ cắt cho tiện lỗ với kết cấu đơn giản, thuận tiện cho việc gá đặt lên máy công nghệ, thể hiện sự linh hoạt trong kỹ thuật cơ điện tử. Sự thành công trong chế tạo đầu rung siêu âm không chỉ nằm ở vật liệu và gia công mà còn ở khả năng lắp ráp chính xác để đạt được tần số cộng hưởng siêu âm và hiệu suất mong muốn. (Trích dẫn từ Chương 1: 'Chế tạo thành công bộ đầu rung siêu âm mang dụng cụ cắt cho tiện lỗ với kết cấu đơn giản, thuận tiện cho việc gá đặt lên máy công nghệ.')

4.2. Kiểm tra chất lượng đầu rung siêu âm Xác định tần số và biên độ

Để đánh giá chính xác hiệu quả của đầu rung siêu âm sau khi chế tạo đầu rung siêu âm, việc kiểm tra chất lượng đầu rung siêu âm là bước thiết yếu. Luận văn đã đề xuất và thực hiện nhiều phương pháp thực nghiệm để xác định tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm làm việc thực tế. Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng bao gồm sử dụng mạch cầu, mạch đo độ lệch pha (I-V Methods) hoặc thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer. Đối với việc đo biên độ rung siêu âm, các kỹ thuật không tiếp xúc như Laser Vibrometer, hoặc phương pháp tiếp xúc như sử dụng cảm biến khoảng cách, gia tốc kế hoặc panme đo ngoài đã được áp dụng. Những phép đo này không chỉ kiểm chứng kết quả từ mô phỏng FEM đầu rung siêu âm mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng để hiệu chỉnh và tối ưu hóa thiết kế siêu âm cho các ứng dụng sau này. (Trích dẫn từ Chương 4: 'Trình bày các phương pháp xác định tần số cộng hưởng và biên độ làm việc thực tế của cụm đầu rung sau chế tạo.')

V. Khám phá ứng dụng đầu rung siêu âm trong gia công hiện đại

Ứng dụng đầu rung siêu âm trong ngành công nghiệp gia công cắt gọt đã chứng minh nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp truyền thống. Việc bổ sung rung động siêu âm vào dụng cụ cắt không chỉ giúp giảm lực cắt mà còn cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt gia công và kéo dài tuổi thọ dụng cụ. Từ gia công siêu âm vật liệu khó như thép sau nhiệt luyện, hợp kim niken, đến các ứng dụng phức tạp như hàn siêu âm hay làm sạch siêu âm, đầu rung siêu âm đã trở thành một thành phần không thể thiếu của hệ thống siêu âm công nghiệp hiện đại. Luận văn đã trình bày các kết quả thực nghiệm ấn tượng, khẳng định tiềm năng lớn của công nghệ này trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

5.1. Cải thiện hiệu suất gia công siêu âm Giảm lực cắt tăng độ nhám

Các nghiên cứu và thực nghiệm trong luận văn thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm đã khẳng định hiệu suất vượt trội của gia công siêu âm có rung động trợ giúp. Cụ thể, khi sử dụng đầu rung siêu âm trong tiện cứng lỗ, lực cắt đã giảm từ 20% đến 30% so với tiện truyền thống. Đồng thời, chất lượng bề mặt gia công được cải thiện đáng kể, ít nhất 1 cấp độ nhám. Điều này là do rung động siêu âm làm giảm ma sát giữa dụng cụ và phôi, giảm thiểu sự hình thành nhiệt tại vùng cắt và phá vỡ các liên kết vật liệu một cách hiệu quả hơn. Kết quả này không chỉ tăng tuổi bền của dụng cụ mà còn cho phép gia công siêu âm các vật liệu có độ cứng cao hoặc dễ bị dính bết, mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ. (Trích dẫn từ Tóm tắt Luận văn: 'Kết quả cho thấy, rung động trợ giúp gia công làm lực cắt giảm từ 20% đến 30% và cải thiện ít nhất 1 cấp nhám so với tiện truyền thống.')

5.2. Tiềm năng của hệ thống siêu âm công nghiệp và sóng siêu âm công suất lớn

Tiềm năng của hệ thống siêu âm công nghiệp ngày càng được khẳng định với sự phát triển của các đầu rung siêu âm có khả năng tạo ra sóng siêu âm công suất lớn. Ngoài gia công siêu âm, công nghệ này còn được ứng dụng rộng rãi trong làm sạch siêu âm các chi tiết phức tạp, hàn siêu âm kim loại và chất dẻo, và thậm chí trong y học với dao mổ siêu âm. Khả năng của sóng siêu âm công suất lớn trong việc tạo ra hiệu ứng cavitation (tạo bóng khí) trong chất lỏng hoặc truyền năng lượng mạnh mẽ trong chất rắn đã mở ra nhiều cánh cửa cho các quy trình sản xuất hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Việc chủ động trong thiết kế đầu rung siêu âm và chế tạo đầu rung siêu âm trong nước sẽ giúp các doanh nghiệp Việt Nam tiếp cận các công nghệ tiên tiến này với chi phí thấp hơn và khả năng tùy biến cao hơn. (Trích dẫn từ Chương 2.3: 'Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.')

VI. Bí quyết tối ưu hóa thiết kế siêu âm và triển vọng tương lai

Việc tối ưu hóa thiết kế siêu âm là một quá trình liên tục, đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật cơ điện tử, kinh nghiệm thực tiễn và khả năng phân tích dữ liệu. Luận văn này không chỉ thành công trong việc chế tạo đầu rung siêu âm hiệu quả mà còn mở ra những hướng nghiên cứu và phát triển mới. Từ việc cải tiến lý thuyết dao động cơ học cho đến ứng dụng các mạch điều khiển siêu âm thông minh hơn, tương lai của đầu rung siêu âm hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá lớn hơn nữa trong các lĩnh vực công nghiệp và khoa học. Những đề xuất trong luận văn là nền tảng vững chắc cho việc tiếp tục khám phá và ứng dụng công nghệ siêu âm tiên tiến tại Việt Nam.

6.1. Đánh giá tổng quan luận văn thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm

Luận văn thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm này đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Đề tài đã làm chủ cách thức tính toán, thiết kế đầu rung siêu âm, chế tạo đầu rung siêu âm và đánh giá hiệu quả, linh hoạt, chi phí thấp với điều kiện thiết bị trong nước. Thành công trong việc xác định ảnh hưởng của hình dáng, kích thước và vật liệu đến biên độ rung siêu âm của bộ phận khuếch đại khi gá thêm dụng cụ cắt là một điểm nhấn. Quan trọng hơn, luận văn đã chủ động được công nghệ để có thể chế tạo đầu rung siêu âm theo ý muốn, phục vụ cho quá trình tiện lỗ, với đồ gá có kết cấu đơn giản và thuận lợi cho gá đặt, điều chỉnh. Các kết quả thực nghiệm về giảm lực cắt và cải thiện độ nhám bề mặt đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp. (Trích dẫn từ Chương 1: 'Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán, thiết kế thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu, cho phép đánh giá hiệu quả của cụm đầu rung cho tiện lỗ.')

6.2. Triển vọng kỹ thuật cơ điện tử trong công nghệ siêu âm

Triển vọng của kỹ thuật cơ điện tử trong lĩnh vực công nghệ siêu âm là vô cùng lớn. Việc tích hợp các hệ thống điều khiển thông minh, cảm biến và mạch điều khiển siêu âm tiên tiến sẽ giúp đầu rung siêu âm hoạt động hiệu quả và linh hoạt hơn. Tương lai sẽ chứng kiến sự phát triển của các dao động tử siêu âm có khả năng tự điều chỉnh tần số cộng hưởng siêu âm và biên độ rung siêu âm theo thời gian thực, phù hợp với điều kiện gia công thay đổi. Hơn nữa, việc nghiên cứu các vật liệu mới, tối ưu hóa các phương pháp mô phỏng FEM đầu rung siêu âm và khám phá các ứng dụng đầu rung siêu âm trong những lĩnh vực chưa được khai thác sẽ tiếp tục là trọng tâm. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra các hệ thống siêu âm công nghiệp không chỉ hiệu quả mà còn thông minh, dễ sử dụng và bền bỉ. (Trích dẫn từ Chương 6: 'Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tự động hóa quá trình dò tìm tần số cộng hưởng và điều chỉnh biên độ rung động.')

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chính xác, hơn 65% chi phí dụng cụ cắt gọt phát sinh từ quá trình gia công các vật liệu có độ cứng cao trên 50 HRC. Quá trình tiện cứng lỗ nhỏ (đường kính dưới 15 mm) trên các dòng thép hợp kim sau nhiệt luyện luôn đối mặt với thách thức lớn về nhiệt cắt cục bộ, hiện tượng mài mòn dụng cụ nhanh và rung động tự kích làm suy giảm chất lượng bề mặt. Thêm vào đó, việc tích hợp các thiết bị tạo rung siêu âm thương mại nhập khẩu vào các máy tiện vạn năng tiêu chuẩn thường gặp trở ngại do kết cấu cồng kềnh, chi phí cao và khó khăn trong việc gá kẹp đài dao.

Luận văn tập trung vào việc tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo hoàn chỉnh cụm đầu rung siêu âm mang dao tiện lỗ có kết cấu nhỏ gọn, thuận tiện gá kẹp trực tiếp trên đài dao máy tiện vạn năng. Nghiên cứu triển khai đánh giá thực nghiệm tiện tinh trên 20 mẫu lỗ đường kính 12 mm của phôi thép làm khuôn Cr12Mo đạt độ cứng 60 - 62 HRC. Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Sáng tạo Sản phẩm thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong năm 2017.

Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi làm chủ toàn bộ quy trình công nghệ thiết kế thiết bị siêu âm trợ giúp gia công. Hệ thống chế tạo thành công giúp giảm lực cắt từ 20% đến 30%, cải thiện độ nhẵn bóng bề mặt từ 1 đến 2 cấp nhám so với tiện truyền thống, đồng thời tiết kiệm hơn 60% chi phí đầu tư thiết bị so với các giải pháp nhập ngoại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi liên tục và nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ nhờ hiệu ứng áp điện. Phương trình truyền sóng dọc trục một chiều được áp dụng để xác định quy luật phân bố ứng suất và chuyển vị dọc theo chiều dài của các biến tử. Vận tốc truyền âm được xác định thông qua mô đun đàn hồi và khối lượng riêng của từng loại vật liệu chế tạo.

Mô hình bộ chuyển đổi áp điện kiểu Langevin dạng sandwich được phân tích dựa trên sơ đồ mạch tương đương Mason. Mô hình này cho phép tính toán chính xác tần số cộng hưởng nối tiếp, tần số phản cộng hưởng và trở kháng âm của hệ thống. Lý thuyết sóng dừng và truyền sóng qua thanh có tiết diện thay đổi được áp dụng để thiết kế đầu khuếch đại biên độ dạng trụ bậc (Stepped Horn), tối ưu hóa hệ số tập trung ứng suất và hệ số khuếch đại biên độ rung động.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm: tỉ số tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi (Tool-Workpiece Contact Ratio - TWCR), hiện tượng bóc tách phoi gián đoạn ở tần số cao khoảng 20 kHz, trở kháng âm đặc trưng của vật liệu và cơ chế suy giảm ma sát động học tại vùng tiếp xúc cắt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ quá trình gia công tinh 20 mẫu lỗ đường kính 12 mm trên thép làm khuôn Cr12Mo có độ cứng 60 - 62 HRC. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm có kiểm soát được thiết kế theo mô hình quy hoạch thực nghiệm (Design of Experiments - DOE) trên phần mềm Minitab. Phương pháp này được lựa chọn nhằm tối ưu hóa số lượng thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy thống kê trên 95% khi khảo sát sự tương tác giữa vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt.

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) thông qua phần mềm ANSYS được sử dụng để phân tích tần số dao động riêng (Modal Analysis) và phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic Response Analysis). Việc ứng dụng mô phỏng số giúp xác định chuẩn xác vị trí nút dao động (nơi có biên độ chuyển vị bằng 0) để bố trí bích kẹp, tránh hiện tượng tiêu hao năng lượng và biến dạng nhiệt.

Để kiểm chứng mô hình, tác giả sử dụng thiết bị phân tích trở kháng TRZ Horn Analyzer nhằm xác định tần số cộng hưởng thực tế, kết hợp cảm biến lực 3 thành phần Kistler 9257BA và máy đo nhám bề mặt Mitutoyo SJ-210. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu, mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và đo kiểm thực nghiệm đã ghi nhận 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

• Tần số cộng hưởng dọc trục của cụm đầu rung được tối ưu ở mức 19.117 Hz đến 19.392 Hz trên mô hình ANSYS, sai số so với kết quả đo kiểm thực tế bằng thiết bị TRZ chỉ dưới 2.5%, biên độ dao động tại mũi dao đạt mức 21 µm.
• Lực cắt tổng thể trong quá trình tiện cứng lỗ giảm từ 20% đến 30% so với tiện truyền thống không có rung siêu âm ở cùng chế độ cắt, trong đó thành phần lực cắt chính Fz ghi nhận mức suy giảm rõ rệt nhất.
• Chất lượng bề mặt gia công được nâng cao đáng kể, cải thiện từ 1 đến 2 cấp nhám. Giá trị độ nhám bề mặt Ra giảm từ mức 1.37 µm xuống còn khoảng 0.55 µm trong điều kiện cắt tối ưu, bề mặt đạt độ bóng mịn tương đương nguyên công mài tinh.
• Tỉ số tiếp xúc dụng cụ - phôi (TWCR) giảm mạnh khi tần số duy trì ổn định ở mức 20 kHz và biên độ đạt trên 15 µm, giúp hạ nhiệt độ vùng cắt từ 15% đến 25%, qua đó hạn chế hiện tượng mòn lẹm và sốc nhiệt ở mũi dao hợp kim.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm lực cắt và cải thiện độ nhám bề mặt bắt nguồn từ bản chất động học của quá trình gia công có trợ giúp siêu âm (UAT). Khi đầu dao dao động với tần số 20.000 chu kỳ mỗi giây, quá trình cắt gọt không còn diễn ra liên tục mà chuyển thành chuỗi các tác động vi mô ngắt quãng. Lưỡi cắt định kỳ tách rời khỏi bề mặt phôi sau mỗi chu kỳ rung, tạo điều kiện cho dung dịch trơn nguội thâm nhập sâu hoặc giúp dụng cụ tự giải nhiệt trong không khí, làm giảm ma sát trượt và triệt tiêu hiện tượng dính kết phoi.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của một số nghiên cứu gần đây khi gia công hợp kim Titan và thép dụng cụ DF2, khẳng định tính đúng đắn của giải pháp thiết kế đầu Horn dạng trụ bậc. Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày trực quan qua biểu đồ hồi quy tuyến tính giữa điện áp và lực cắt (với hệ số xác định R² đạt trên 0.98), cùng bảng so sánh đối sánh độ nhám Ra theo từng cấp lượng chạy dao (từ 0.05 mm/vòng đến 0.15 mm/vòng). Chế độ cắt tối ưu được xác định ở dải tốc độ trục chính 1500 vòng/phút, lượng chạy dao 0.0824 mm/vòng và chiều sâu cắt 0.1 mm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đẩy mạnh khả năng ứng dụng thực tế của công nghệ gia công rung siêu âm, các đề xuất cụ thể được đưa ra như sau:

• Chuẩn hóa quy trình thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm: Áp dụng quy trình tích hợp giữa mô phỏng ANSYS và kiểm chuẩn trở kháng TRZ để kiểm soát sai lệch tần số dưới 1.5% trước khi gia công cơ khí; giao cho các phòng R&D cơ khí chính xác thực hiện trong lộ trình 6 tháng.
• Ứng dụng công nghệ UAT vào dây chuyền sản xuất khuôn mẫu: Triển khai thay thế một phần nguyên công mài lỗ sau nhiệt luyện bằng tiện cứng có rung siêu âm trên máy tiện sẵn có, nhằm mục tiêu giảm 35% thời gian gia công và tiết kiệm 20% chi phí dụng cụ cắt; thực hiện bởi kỹ sư công nghệ tại các xưởng sản xuất trong vòng 3 đến 6 tháng.
• Nâng cấp vật liệu đầu khuếch đại biên độ (Horn): Nghiên cứu ứng dụng hợp kim Titan Ti-6Al-4V thay thế cho hợp kim nhôm Al 7075 nhằm nâng cao độ bền mỏi và tăng biên độ dao động đầu mũi dao lên trên 25 µm; các viện nghiên cứu cơ khí chủ trì thực hiện trong thời gian 12 tháng.
• Xây dựng ngân hàng dữ liệu chế độ cắt tối ưu: Thiết lập cơ sở dữ liệu tra cứu chuẩn về tốc độ cắt (30 - 60 m/phút), lượng chạy dao (0.05 - 0.1 mm/vòng) và tần số rung cho các loại thép hợp kim đặc thù như SKD11, Cr12Mo, Inconel; do hiệp hội ngành cơ khí phối hợp với các trường đại học triển khai trong vòng 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy: Tiếp cận nguồn tài liệu học thuật toàn diện về lý thuyết truyền sóng, phương pháp mô phỏng ANSYS Modal/Harmonic và công nghệ gia công tiên tiến UAM.
• Kỹ sư R&D và thiết kế máy công cụ: Tham khảo bản vẽ thiết kế kết cấu đồ gá đầu rung trên đài dao tiêu chuẩn, làm cơ sở nâng cấp các dòng máy công cụ truyền thống thành hệ thống gia công hiện đại.
• Quản đốc và kỹ sư công nghệ tại các nhà máy cơ khí khuôn mẫu: Áp dụng trực tiếp giải pháp tiện cứng lỗ nhỏ trên thép tôi 60 - 62 HRC để rút ngắn quy trình công nghệ, loại bỏ nguyên công mài phức tạp và nâng cao độ chính xác sản phẩm.
• Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị siêu âm công nghiệp: Khai thác nguyên lý tính toán kích thước đầu khuếch đại dạng trụ bậc và quy trình đo kiểm trở kháng để sản xuất các module siêu âm phục vụ hàn, cắt và tẩy rửa công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Đầu rung siêu âm kiểu Langevin có ưu điểm gì nổi bật so với các bộ phát rung khác? Bộ chuyển đổi Langevin dạng sandwich sử dụng các tấm gốm áp điện PZT kẹp giữa hai khối kim loại giúp tạo công suất phát lớn từ 1000 W đến 3000 W, hệ số phẩm chất cơ học cao, tỏa nhiệt ít và cho phép điều chỉnh tần số làm việc linh hoạt bằng cách thay đổi chiều dày khối kim loại mà không phụ thuộc vào kích thước tấm gốm.

Tại sao gia công tiện có rung siêu âm (UAT) lại giúp giảm lực cắt từ 20% đến 30%? Nhờ tần số dao động siêu âm khoảng 20 kHz, lưỡi cắt liên tục tách rời và tiếp xúc vi mô với phôi thay vì cắt liên tục. Tỉ số tiếp xúc dụng cụ - phôi giảm làm giảm ma sát trượt trên mặt trước dao, bẻ gãy phoi dễ dàng và giảm lực cản biến dạng dẻo của vật liệu có độ cứng cao.

Vật liệu nào là tối ưu nhất để chế tạo đầu khuếch đại biên độ (Horn)? Trong nghiên cứu, hợp kim nhôm Al 7075 được lựa chọn nhờ vận tốc truyền âm cao (khoảng 5100 m/s), hệ số trở kháng âm thích hợp và gia công thuận tiện. Ngoài ra, hợp kim Titan Ti-6Al-4V cũng là lựa chọn lý tưởng với độ bền mỏi vượt trội khi vận hành ở tần số cao liên tục.

Thiết bị đầu rung có thể lắp đặt trực tiếp trên các máy tiện vạn năng thông thường không? Thiết bị hoàn toàn tương thích. Điểm cải tiến nổi bật của nghiên cứu là thiết kế thân đồ gá có tiết diện chữ nhật tiêu chuẩn, cho phép kẹp trực tiếp vào ổ dao 4 vị trí trên bàn trượt của máy tiện vạn năng V-Turn 410 mà không cần cải tạo hay thay đổi kết cấu máy.

Khi nào nên áp dụng tiện rung siêu âm thay thế cho phương pháp mài lỗ truyền thống? Phương pháp UAT đặc biệt hiệu quả khi gia công lỗ nhỏ đường kính dưới 15 mm trên các chi tiết thép tôi cứng từ 60 - 62 HRC. Gia công UAT giúp đạt độ nhẵn bóng tương đương mài tinh (Ra dưới 0.6 µm), đồng thời loại bỏ nguy cơ cháy bề mặt và tắc nghẽn đá mài.

Kết luận

• Làm chủ quy trình tính toán, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công cụm đầu rung siêu âm kiểu Langevin mang dao tiện lỗ nhỏ tại Việt Nam.
• Ứng dụng xuất sắc phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS để tối ưu tần số cộng hưởng (19.117 - 19.392 Hz) và xác định chính xác vị trí nút dao động nhằm triệt tiêu tiêu hao năng lượng cơ học.
• Đánh giá thực nghiệm thành công trên 20 mẫu thép Cr12Mo (60 - 62 HRC), chứng minh lực cắt giảm 20% - 30% và chất lượng bề mặt tăng 1 - 2 cấp nhám.
• Đề xuất kết cấu đồ gá gá đài dao nhỏ gọn, mở ra giải pháp biến đổi linh hoạt các máy tiện truyền thống thành hệ thống gia công siêu âm công suất 3000 W với chi phí tối ưu.
• Đóng góp nguồn tài liệu học thuật tiếng Việt chuyên sâu và tiên phong về lĩnh vực gia công cắt gọt kim loại có sự trợ giúp của rung động siêu âm.

Lộ trình hoàn thiện thương mại hóa sản phẩm dự kiến được triển khai trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Hãy liên hệ và tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Ngô Quốc Huy để ứng dụng ngay giải pháp gia công siêu âm tiên tiến vào hoạt động nghiên cứu và sản xuất cơ khí chính xác!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu, nhu cầu về khai thác ứng dụng kỹ thuật rung động siêu âm trong gia công. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và các kết quả đạt được cũng được trình bày trong phần này. Chương 2 trình bày tổng quan các vấn đề liên quan đến tạo và truyền sóng siêu âm. Một số ứng dụng của rung động siêu âm trong kỹ thuật và trong gia công cắt gọt được đề cập.

Nội dung tiếp theo giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công. Trên cơ sở tổng quan các nghiên cứu gần đây, tác giả đánh giá khả năng bổ sung rung động siêu âm trợ giúp cho quá trình gia công bằng tiện. Một phương án – đề xuất thiết kế cho cơ cấu rung trợ giúp quá trình tiện lỗ được trình bày ở cuối chương. Chương 3 trình bày các kết quả tính toán thiết kế cụm đầu rung.

Bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hai chức năng Modal analysis và Harmonic response, tần số cộng hưởng và biên độ cho cụm đầu rung được mô phỏng và kiểm tra. Chương 4 trình bày các phương pháp xác định tần số cộng hưởng và biên độ làm việc thực tế của cụm đầu rung sau chế tạo. Chương 5 trình bày các kết quả thí nghiệm gia công tiện cứng lỗ bằng cụm đầu rung siêu âm đã chế tạo. Ưu việt của gia công tiện cứng bề mặt lỗ có rung động trợ giúp so với tiện lỗ truyền thống được đánh giá so sánh thông qua chỉ tiêu chất lượng bề mặt và lực cắt.

Chương 6 trình bày các kết luận và đề xuất. 16 download by : [e-mail] Chương 2. Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công Chương này trình bày một số kết quả tổng quan tài liệu về rung động siêu âm và một số ứng dụng kỹ thuật của rung siêu âm. Kết cấu các bộ phận chính của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công được tập trung làm rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở tính toán thiết kế.

Nội dung chính của chương bao gồm các phần sau đây: Phần 2. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm; Phần 2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm; Phần 2. Một số ứng dụng của siêu âm trong kỹ thuật; Phần 2.

Rung động siêu âm trợ giúp gia công; Phần 2. Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công; Phần 2. Kết luận chương. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm 2.

Rung động siêu âm Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ, có tần số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người. Để phân biệt các mức độ giới hạn của rung động, thường sử dụng giá trị ngưỡng tần số rung động như minh họa trên hình 2. Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz [1]. Ngưỡng tần số rung động thấp hơn và cao hơn các giá trị giới hạn trên lần lượt được gọi là ngưỡng hạ âm và siêu âm.

Một số loài động vật như chó, mèo, cá voi hay dơi có khả năng nhận biết được tần số siêu âm (> 20 kHz). Kỹ thuật về sóng siêu âm là một nhánh của lĩnh vực âm học, liên quan đến việc tạo và khai thác ứng dụng các sóng siêu âm. Sóng siêu âm và ứng dụng của nó thực sự được quan tâm nghiên cứu, phát triển từ sau thế chiến thứ nhất (1918), sau khi Langevin phát minh ra bộ tạo rung siêu âm sử dụng vật liệu áp điện (tinh thể thạch anh). Các ngưỡng tần số rung động 17 download by : skknchat@gmail.

Siêu âm công suất Rung động siêu âm đã và đang tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tùy mục đích sử dụng, rung động siêu âm được chia thành hai nhóm lớn là siêu âm công suất thấp và siêu âm công suất lớn (còn được gọi tắt là siêu âm công suất). Rung động siêu âm công suất thấp là rung động tạo ra sóng siêu âm được truyền đi với năng lượng thấp. Loại này thường được ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh y tế (chẳng hạn siêu âm kiểm tra thai nhi), kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thử nghiệm không phá hủy (kiểm tra các vết nứt trên cấu trúc máy bay, tàu thủy), … Kỹ thuật siêu âm công suất lớn được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật làm sạch, tẩy rửa, gia công cắt gọt và hàn kim loại và chất dẻo… Wood và Loomis (1927) là những người có những đóng góp đầu tiên tới sự phát triển ứng dụng sóng siêu âm và hệ thống siêu âm công suất lớn [2].

Kỹ thuật này được sử dụng để thay đổi các đặc tính vật lý, hóa học, sinh học của vật liệu. Các ứng dụng của siêu âm công suất nói chung dựa trên nguyên tắc truyền các sóng siêu âm có cường độ cao, nhằm tạo bóng khí trong chất lỏng hoặc hình thành dòng chuyển động của vật chất trong chất rắn để truyền năng lượng siêu âm. Tùy theo mức độ yêu cầu mà tần số rung động có thể từ hàng chục kHz đến hàng trăm kHz. Khoảng biên độ rung động thường từ vài µm đến vài chục µm.

Nguyên tắc tạo rung động siêu âm Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp khai thác hiệu ứng từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện. Phương pháp từ giảo tạo rung động siêu âm bằng cách chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học. Một bộ phát rung bằng tử giảo có cấu tạo gồm một lõi phát rung đặt trong lòng một ống dây. Lõi phát rung làm bằng vật liệu kim loại từ tính, chẳng hạn sắt từ, Cobalt, Niken.

Điện áp có tần số siêu âm được đặt lên ống dây. Sơ đồ mạch tạo rung động siêu âm bằng phương pháp từ giảo được mô tả như hình 2. Khi nằm trong vùng chịu từ trường, các vật liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định hướng dưới tác dụng của lực từ trường theo chiều đường sức từ. Việc thay đổi hướng của từ trường do điện áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng giữa hai trạng thái dãn và nén của tấm vật liệu, minh họa như hình 2.

Hiện tượng này được nhà khoa học Joule khám phá ra năm 1982 [13]. 18 download by : skknchat@gmail. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm Hình 2. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính tạo ra dao động cơ học [13] Phương pháp tạo rung động siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.

Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vật lý được phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà Pierre và Jacques Curie vào những năm 1880. Vật liệu áp điện là một loại vật liệu đặc biệt có chứa các phân tử phân cực. Khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu sẽ sinh ra điện áp tại hai cực của tấm. Trái lại, nếu đặt một điện áp thay đổi lên hai mặt tấm vật liệu sẽ gây nên biến dạng thay đổi trên vật liệu này.

Biến dạng thay đổi liên tục của tấm áp điện sẽ làm phát sinh rung động. Vật liệu áp điện có đặc tính tuyệt vời là biến dạng rất nhạy với giá trị điện áp đặt lên nó. Thêm nữa, vật liệu này có khả năng chịu nén rất cao.4 mô tả ứng xử cơ - điện của tấm vật liệu áp điện. 19 download by : skknchat@gmail.

Hiệu ứng áp điện So với phương pháp từ giảo, phương pháp tạo ra rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện có nhiều ưu điểm vượt trội, chẳng hạn như: hiệu suất cao hơn, không bị ảnh hưởng của từ trường xung quanh, phát sinh nhiệt ít hơn, kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao… Vì vậy, các thiết bị ứng dụng siêu âm hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện. Có hai kết cấu phổ biến để tạo rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện là: sử dụng các biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) và dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich”( Hình 2. Thuật ngữ “biến tử” được hiểu là phần tử trong hệ thống có chức năng biến đổi năng lượng (ở đây là từ điện sang cơ và ngược lại). Kết cấu biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) sử dụng các tấm áp điện có chiều dày không quá 2 mm được ghép xen kẽ với các điện cực kim loại.

Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b) Thiết bị tạo rung nhiều lớp thường có công suất nhỏ, hay được sử dụng để tạo rung động không yêu cầu chịu tải lớn, hoặc để điều khiển vị trí đối tượng một cách chính xác. Lượng dịch chuyển thu được là tuyến tính theo phương dọc trục, thường có độ lớn từ 0,1 đến 0,15 % chiều dài của bộ tạo rung. Tần số thay đổi dịch chuyển có thể lên tới vài kHz. Thiết bị tạo rung dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich” do Langevin đề xuất năm 1918.

Kết cấu bộ tạo rung gồm một số chẵn tấm vật liệu áp điện có chiều 20 download by : [e-mail] dày khoảng 5 – 10 mm, được kẹp giữa hai tấm kim loại (xem minh họa trên hình 2. Các tấm kim loại và vật liệu được gọi chung là các “biến tử”. Thiết bị tạo rung dạng này chỉ phát được rung động có biên độ lớn ở một vài giá trị tần số tương ứng với hiện tượng cộng hưởng của cơ hệ. Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong phần 2.

Với cấu trúc này, tần số làm việc của hệ biến tử không phụ thuộc vào kích thước ngang của tấm áp điện, mà chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tử theo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dày của hai tấm kim loại mà không cần thay đổi chiều dày của tấm gốm áp điện. Đây là đặc tính quan trọng, giúp kết cấu này được sử dụng phổ biến hiện nay. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm Rung động siêu âm được truyền trong môi trường dưới dạng sóng.

Dạng quỹ đạo truyền sóng được xác định dựa vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động trong các vật liệu mà nó truyền qua. Trong lòng bất kỳ vật liệu nào cũng chứa các nguyên tử được liên kết với nhau. Có thể mô tả liên kết giữa các nguyên tử dưới dạng gắn móc với nhau bởi các lò xo như minh họa trên Hình 2.