I. Tổng Quan Về Tiện Cứng Giải Pháp Gia Công Kỹ Thuật Cơ Khí
Tiện cứng là một phương pháp gia công kỹ thuật cơ khí sử dụng dao cắt siêu cứng (CBN, PCBN, PCD, ceramic) để gia công các vật liệu có độ cứng cao (lớn hơn 45HRC) như thép đã tôi. Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thiện chi tiết chỉ trong một lần gá, đạt cấp chính xác IT6 và độ bóng bề mặt Rz = 2-4 micromet, tương đương với chất lượng mài. Tiện cứng có thể gia công thép rèn đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites. Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng và trục bằng thép đã tôi sử dụng tiện cứng thay cho mài. Tiện cứng có thể đạt dung sai kích thước đến ±0,01mm hoặc tốt hơn với thời gian chế tạo lâu và độ bóng bề mặt tuyệt vời. Máy mài có thể đắt gấp 2-3 lần máy tiện. Trong nhiều nhà máy, tiện cứng đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống, giá đầu tư thiết bị chỉ bằng khoảng 1/3. Hơn nữa, thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn hơn nhiều khi sử dụng máy tiện.
1.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Tiện Cứng Trong Gia Công Cơ Khí
Việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại nhiều lợi ích. Giảm thời gian chu kỳ gia công, giảm chi phí đầu tư thiết bị. Tăng độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt. Nâng cao tốc độ bóc vật liệu (2-4 lần), tăng năng suất. Gia công được các contour phức tạp. Thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá. Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội. Gia công khô tránh được chi phí dung dịch trơn nguội và không có chất thải ra môi trường.
1.2. Hạn Chế Của Tiện Cứng Truyền Thống Vấn Đề Cần Giải Quyết
Tuy nhiên, trong quá trình tiện cứng, do phôi có độ cứng cao, ma sát giữa phôi và dụng cụ cắt lớn làm cho lực cắt lớn, dụng cụ cắt mòn nhanh. Đồng thời, nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết. Để khắc phục các nhược điểm này, việc ứng dụng rung động tích cực vào quá trình tiện cứng là một giải pháp tiềm năng.
II. Rung Động Tích Cực Bí Quyết Nâng Cao Hiệu Quả Tiện Cứng
Rung động tích cực trong tiện cứng là một giải pháp tiên tiến nhằm cải thiện độ chính xác, độ nhẵn bóng bề mặt và tuổi thọ dao cắt. Kỹ thuật này sử dụng dao động điều hòa tần số cao tác động lên dụng cụ cắt hoặc phôi. Điều này giúp giảm lực cắt, nhiệt độ cắt và ma sát, từ đó nâng cao hiệu quả gia công. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc ứng dụng rung động tích cực có thể giảm đáng kể độ nhám bề mặt và tăng tuổi thọ dao cắt.
2.1. Tổng Quan Về Cắt Rung Siêu Âm UVC Trong Gia Công Tiện
Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) là một quá trình cắt tiên tiến đã được ứng dụng từ những năm 1960. Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các PZT. Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dao cắt và cải thiện được tính ổn định khi cắt cũng như độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt.
2.2. Ưu Điểm Của UVC So Với Các Phương Pháp Gia Công Truyền Thống
Kỹ thuật UVC có thể khắc được các khó khăn về tính kinh tế trong các phương pháp gia công truyền thống và nó còn có thể nhận được độ chính xác gia công cao cho nhiều loại vật liệu gia công khác nhau. Với các lý do đó, công nghệ UVC đã nhận được rất nhiều sự quan tâm.
2.3. Các Nghiên Cứu Về Ảnh Hưởng Của Rung Động Đến Quá Trình Tiện
Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số rung động như tần số, biên độ và hướng rung để đạt được hiệu quả gia công tốt nhất. Các kết quả cho thấy rằng, việc điều chỉnh các thông số này có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bề mặt, tuổi thọ dao cắt và năng suất gia công.
III. Phương Pháp Tạo Rung Động Tích Cực Ứng Dụng Hiệu Ứng Áp Điện
Một trong những phương pháp phổ biến để tạo rung động tích cực là sử dụng hiệu ứng áp điện. Các cơ cấu chuyển đổi áp điện (PZT) có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, tạo ra dao động điều hòa với tần số cao. Các PZT này thường được gắn vào đầu dao tiện để tạo rung cho dao theo phương lực cắt. Việc sử dụng PZT cho phép kiểm soát chính xác các thông số rung động, từ đó tối ưu hóa quá trình gia công.
3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Của Hiệu Ứng Áp Điện Trong Tạo Rung
Hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật liệu tạo ra điện áp khi chịu tác dụng của lực cơ học, và ngược lại, biến dạng khi có điện áp tác dụng. Các vật liệu áp điện như tinh thể gốm áp điện được sử dụng để tạo ra các cơ cấu rung với tần số cao và biên độ nhỏ. Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ cấu chuyển đổi áp điện PZT( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và biên độ rung nhỏ.
3.2. Thiết Kế Và Chế Tạo Cơ Cấu Tạo Rung Sử Dụng PZT
Việc thiết kế cơ cấu tạo rung đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng về kích thước, hình dạng và vật liệu của PZT để đạt được tần số và biên độ rung mong muốn. Các PZT thường được ghép nối với thân dao tiện để truyền rung động một cách hiệu quả. Các PZT này đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành công trên nhiều loại máy ở các nước trên thế giới.
3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Tạo Rung Của PZT
Hiệu quả tạo rung của PZT phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điện áp kích thích, tần số kích thích, nhiệt độ và áp suất. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo cơ cấu rung hoạt động ổn định và hiệu quả.
IV. Ứng Dụng Thực Tế Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Rung Động Đến Tiện Cứng
Để đánh giá ảnh hưởng của rung động tích cực đến tiện cứng, các thí nghiệm đã được thực hiện trên vật liệu thép 9XC đã tôi đạt độ cứng 58-60 HRC. Một Piezo tạo rung theo nguyên lý áp điện có tần số rung động là 28 KHz, biên độ rung từ 2 đến 10 micromet được gắn vào đầu dao tiện nhằm tạo rung cho dao theo phương lực cắt. Các phôi thép 9XC tôi cứng có đường kính 63 mm, chiều dài 40 mm đã được gia công bằng tiện tinh thường và tiện tinh có trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao để so sánh đối chứng. Các bộ thí nghiệm đã được thiết kế nhằm so sánh độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ và tuổi thọ dao cắt giữa hai chế độ gia công tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp.
4.1. Thiết Kế Thí Nghiệm So Sánh Tiện Cứng Có Và Không Có Rung Động
Các thí nghiệm được thiết kế để so sánh các chỉ tiêu như độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ và tuổi thọ dao cắt giữa hai phương pháp tiện. Các thông số cắt như tốc độ cắt, lượng ăn dao và chiều sâu cắt được giữ cố định để đảm bảo tính khách quan của kết quả.
4.2. Kết Quả Thí Nghiệm Về Độ Nhám Bề Mặt Và Độ Chính Xác Hình Học
Số liệu thực nghiệm về độ nhám bề mặt, độ tròn và độ trụ được phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 18 mẫu đo. Kết quả cho thấy tiện cứng có sự trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao có thể làm giảm độ nhám bề mặt các mẫu gia công, tăng cấp độ nhẵn cho bề mặt chi tiết sau khi tiện tinh từ một đến hai cấp tạo chất lượng bề mặt tốt hơn.
4.3. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Rung Động Đến Tuổi Thọ Dao Cắt
Khi tiện có rung trợ giúp xuất hiện hiện tượng bẻ phoi hiệu qủa, các dạng phoi tiện có rung động trợ giúp thường phoi vụn. Diện tích và chiều sâu vết lõm của bề mặt phần cắt mảnh dao tiện bị mòn khi sử dụng để gia công tiện cứng có rung trợ giúp chỉ bằng 30 so với khi tiện cứng truyền thống.
V. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Rung Động Trong Gia Công Cơ Khí
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, việc ứng dụng rung động tích cực trong tiện cứng có nhiều ưu điểm so với phương pháp tiện truyền thống. Chất lượng bề mặt được cải thiện, tuổi thọ dao cắt được kéo dài và năng suất gia công được nâng cao. Khả năng nâng cao năng suất, chất lượng bề mặt khi tiện có rung trợ giúp trên các vật liệu cứng khó gia công trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam.
5.1. Tổng Kết Các Ưu Điểm Của Tiện Cứng Có Rung Động Trợ Giúp
Tiện cứng có rung động trợ giúp mang lại nhiều lợi ích như giảm độ nhám bề mặt, tăng độ chính xác hình học, cải thiện tình trạng phoi và kéo dài tuổi thọ dao cắt. Các ưu điểm này giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng của quá trình gia công.
5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Rung Động Trong Gia Công
Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số rung động, phát triển các cơ cấu tạo rung hiệu quả hơn và ứng dụng rung động tích cực trong các phương pháp gia công khác như phay, khoan và mài.
