Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Rung Động Tích Cực Đến Tiện Cứng

Đánh giá ảnh hưởng của rung động tích cực đến quá trình tiện cứng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm trong sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Thị Lệ Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Văn Dự
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Rung Động Tích Cực Đến Tiện Cứng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP
• 1.1. Tiện cứng
• 1.2. Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia công tiện
• 1.3. Cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm
• 1.3.1. Cơ sở khai thác rung siêu âm
• 1.3.2. Nguyên tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện
• 1.4. Độ chính xác gia công
• 1.4.1. Khái niệm về độ chính xác gia công
• 1.4.2. Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia công
• 1.5. Chất lượng bề mặt gia công
• 1.5.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công
• 1.5.2. Tính chất hình học lớp bề mặt
• 1.5.3. Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy
• 1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM
• 1.5.5. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt
• 1.5.6. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt
• 1.6. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG TIỆN
• 2.1. Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung
• 2.1.1. Nguyên tắc tạo rung
• 2.1.2. Nguyên tắc tích hợp rung
• 2.2. Đề xuất thiết kế
• 2.3. Sơ đồ nguyên lý gia công tiện cứng rung theo phương pháp tạo rung bằng các PZT
• 2.4. Thiết kế, chế tạo thân dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và chọn mảnh dao
• 2.5. Lựa chọn, chế tạo và ghép nối bộ tạo rung siêu âm tần số cao PZT
• 2.6. Lắp ghép Piezo với thân dao tiện và bộ tạo xung
• 2.7. Máy phát điện áp xung
• 2.8. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM
• 3.1. Thiết bị gia công
• 3.2. Dao tiện có tích hợp rung
• 3.3. Phôi gia công
• 3.4. Máy cắt dây CW322S
• 3.5. Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe
• 3.6. Đồng hồ so micromet
• 3.7. Máy đo độ cứng vật liệu phôi và máy đo độ nhám bề mặt phôi
• 3.8. Đồng hồ đo biên độ rung tại lưỡi cắt của dao tiện rung gắn mảnh hợp kim
• 3.9. Cách thu thập dữ liệu
• 3.10. Thiết kế thí nghiệm
• 3.10.1. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng tay
• 3.10.2. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng máy
• 3.11. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Trình tự thực hiện thí nghiệm
• 4.2. Các kết quả thực nghiệm
• 4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm
• 4.4. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công tiện cứng là một phương pháp quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, đặc biệt khi gia công các vật liệu có độ cứng cao như thép đã tôi với độ cứng từ 58 đến 60 HRC. Tuy nhiên, quá trình tiện cứng truyền thống gặp nhiều khó khăn do lực cắt lớn, nhiệt sinh ra cao và dụng cụ cắt mòn nhanh, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của rung động tích cực, cụ thể là rung động siêu âm tần số cao, đến quá trình tiện cứng nhằm cải thiện chất lượng bề mặt và tăng tuổi thọ dao cắt.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bộ tạo rung động siêu âm tích hợp trên dao tiện, từ đó so sánh hiệu quả giữa tiện cứng truyền thống và tiện cứng có rung động trợ giúp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào gia công thép hợp kim 9XC đã tôi với đường kính phôi 63 mm và chiều dài 40 mm, thực hiện trên máy tiện MAZAK tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng áp điện và nguyên lý rung động siêu âm trong gia công cơ khí. Hiệu ứng áp điện cho phép các tinh thể PZT (Piezoelectric Transducers) biến đổi điện năng thành cơ năng rung động với tần số cao (28 kHz) và biên độ nhỏ (2-10 µm). Rung động siêu âm được tích hợp lên dao tiện theo phương lực cắt, tạo ra chuyển động rung cưỡng bức giúp giảm lực cắt, nhiệt sinh ra và cải thiện khả năng bẻ phoi.

Các khái niệm chính bao gồm: độ nhám bề mặt (Ra, Rz), độ tròn, độ trụ, tuổi thọ dao cắt, và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt gia công. Ngoài ra, mô hình phân tích so sánh sử dụng kiểm nghiệm t (2 sample t-test) để đánh giá sự khác biệt giữa hai phương pháp tiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ 36 mẫu phôi thép 9XC đã tôi, trong đó 18 mẫu tiện truyền thống và 18 mẫu tiện có rung động siêu âm trợ giúp. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính toán số lượng mẫu tối thiểu theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm so sánh với độ tin cậy 95% và mức sai số cho phép tương đương độ lệch chuẩn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Thiết bị thí nghiệm gồm máy tiện MAZAK, bộ tạo rung PZT-4 ghép chồng, máy phát điện áp xung tần số cao công suất 1200W, máy đo độ nhám Mitutoyo 201, kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe, đồng hồ so micromet và máy cắt dây CW322S. Dữ liệu thu thập gồm độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ, hình dạng phoi và mức độ mòn dao. Quá trình phân tích sử dụng phần mềm Minitab® để thực hiện kiểm định thống kê và so sánh các chỉ tiêu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm độ nhám bề mặt: Độ nhám trung bình của bề mặt tiện có rung động siêu âm là 0,7054 µm, thấp hơn gần một nửa so với tiện truyền thống (1,302 µm). Phân tích thống kê cho thấy sự khác biệt này có ý nghĩa với mức tin cậy 95%, đồng thời độ lệch chuẩn của tiện rung chỉ là 0,1187 so với 0,4455 của tiện thường, cho thấy độ ổn định bề mặt cao hơn.

2. Cải thiện độ tròn và độ trụ: Độ tròn trung bình của bề mặt tiện rung là 0,005 µm, chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện thường (0,014 µm). Độ trụ trung bình cũng giảm từ 0,046 µm xuống còn 0,026 µm khi sử dụng rung động. Phân bố dữ liệu cho thấy tiện rung có độ ổn định hình học tốt hơn rõ rệt.

3. Tăng tuổi thọ dao cắt: Diện tích và chiều sâu vết mòn trên mảnh dao tiện rung chỉ bằng khoảng 30% so với tiện truyền thống khi gia công cùng thể tích kim loại bị bóc đi (7,5 mm³), cho thấy mòn dao giảm đáng kể.

4. Khả năng bẻ phoi tốt hơn: Tiện rung tạo ra phoi vụn nhỏ, không gây xước bề mặt, trong khi tiện thường tạo phoi dây dài, dễ gây bám dính và làm xước bề mặt chi tiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy rung động siêu âm tích hợp vào quá trình tiện cứng giúp giảm ma sát và lực cắt, từ đó giảm nhiệt sinh ra và mòn dao. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về gia công rung siêu âm, khẳng định tính ưu việt của phương pháp trong việc nâng cao chất lượng bề mặt và tuổi thọ dụng cụ. Độ nhám và độ chính xác hình học cải thiện rõ rệt góp phần nâng cao tính ổn định và độ bền của chi tiết gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ nhám, độ tròn và độ trụ giữa hai phương pháp, cùng bảng tổng hợp số liệu mòn dao và hình ảnh phoi để minh họa sự khác biệt rõ nét. Những phát hiện này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ tiện cứng có rung động siêu âm tại Việt Nam, đặc biệt trong gia công các vật liệu cứng khó xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ tiện rung siêu âm: Các doanh nghiệp chế tạo máy và gia công cơ khí nên đầu tư phát triển và áp dụng bộ tạo rung PZT tích hợp trên máy tiện để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì dao cắt. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ rung siêu âm và vận hành thiết bị tạo rung nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn trong sản xuất. Chủ thể thực hiện là các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng trên các vật liệu khác: Tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm tiện rung trên các loại vật liệu cứng khác như gốm sứ, thủy tinh để đánh giá hiệu quả và tối ưu hóa thông số rung. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm.

4. Phát triển thiết bị tạo rung phù hợp điều kiện sản xuất trong nước: Tập trung nghiên cứu chế tạo bộ tạo rung siêu âm có chi phí hợp lý, dễ bảo trì và phù hợp với máy tiện phổ biến tại Việt Nam nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà quản lý trong ngành gia công cơ khí: Giúp hiểu rõ về công nghệ tiện cứng có rung động, từ đó áp dụng cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng và giảm chi phí.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quý giá để phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến gia công rung siêu âm và công nghệ tiện cứng.

3. Doanh nghiệp sản xuất máy công cụ: Tham khảo để thiết kế, chế tạo và tích hợp bộ tạo rung siêu âm vào máy tiện, nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm trên thị trường.

4. Các trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức công nghệ gia công tiên tiến cho học viên và sinh viên.

Câu hỏi thường gặp

1. Rung động siêu âm có ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ dao tiện?
   Rung động siêu âm làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, từ đó giảm mòn dao. Thí nghiệm cho thấy mòn dao khi tiện rung chỉ bằng khoảng 30% so với tiện truyền thống, giúp kéo dài tuổi thọ dao đáng kể.

2. Chất lượng bề mặt gia công được cải thiện ra sao khi sử dụng rung động?
   Độ nhám bề mặt giảm gần một nửa, từ 1,302 µm xuống còn 0,7054 µm, đồng thời độ ổn định bề mặt tăng lên, giúp chi tiết có độ bóng và độ chính xác cao hơn, giảm nguy cơ hư hỏng khi sử dụng.

3. Phương pháp tạo rung siêu âm sử dụng thiết bị nào?
   Bộ tạo rung sử dụng các tấm PZT-4 ghép chồng, hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, tạo rung động tần số 28 kHz với biên độ 2-10 µm, được cấp điện bởi máy phát điện áp xung công suất 1200W.

4. Có thể áp dụng công nghệ này cho các vật liệu khác ngoài thép 9XC không?
   Có thể, rung động siêu âm đã được chứng minh hiệu quả trên nhiều vật liệu cứng và giòn như gốm sứ, thủy tinh. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để tối ưu thông số cho từng loại vật liệu cụ thể.

5. Chi phí đầu tư cho công nghệ tiện rung siêu âm có cao không?
   Chi phí ban đầu cho bộ tạo rung và máy phát điện áp xung khá cao do sử dụng các linh kiện PZT chất lượng cao. Tuy nhiên, lợi ích về năng suất, chất lượng và tuổi thọ dao cắt giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì lâu dài, mang lại hiệu quả kinh tế tổng thể.

Kết luận

• Thiết kế và chế tạo thành công bộ tạo rung động siêu âm tần số cao tích hợp trên dao tiện, hoạt động ổn định với tần số 28 kHz và biên độ 2-10 µm.
• Tiện cứng có rung động siêu âm giúp giảm độ nhám bề mặt gần một nửa, cải thiện độ tròn và độ trụ bề mặt đáng kể so với tiện truyền thống.
• Mòn dao giảm khoảng 70%, kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt và nâng cao hiệu quả sản xuất.
• Rung động siêu âm làm tăng khả năng bẻ phoi, tạo phoi vụn nhỏ, giảm hiện tượng bám dính và xước bề mặt chi tiết.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ gia công tiên tiến tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm cơ khí.

Khuyến nghị các doanh nghiệp và viện nghiên cứu triển khai ứng dụng công nghệ tiện rung siêu âm, đồng thời mở rộng nghiên cứu trên các vật liệu và quy trình gia công khác để phát huy tối đa tiềm năng công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 1. Tiện cứng TiÖn lµ mét ph­¬ng ph¸p gia c«ng c¾t gät th«ng dông nhÊt, nã t¹o nªn bÒ mÆt gia c«ng b»ng hai chuyÓn ®éng gäi lµ chuyÓn ®éng t¹o h×nh (chuyÓn ®éng quay trßn cña chi tiÕt) vµ di chuyÓn th¼ng cña dao. Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN, PCD hoặc ceramic tổng hợp thay thế cho mài để gia công thép đã tôi (có độ cứng lớn hơn 45HRC) [1]. Phương pháp này có thể gia công khô và hoàn thành chi tiết trong cùng một lần gá.

Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt (Rz = 2  4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài. Gia công tiện cứng Tiện cứng có thể gia công được các loại vật liệu là thép rèn đã tôi, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites… Hợp kim stellites có thể gia công bằng tiện cứng đã mở rộng khả năng của tiện cứng kể cả công việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là thép 9XC (58  62HRC); X12M(60HRC); 5120 (62HRC); 1050(62HRC); … 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.

Hơn nữa, máy mài có thể đắt gấp 2 - 3 5 Soáhoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu 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. Việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi tiết mang lại những lợi ích sau:  Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm, giảm chi phí đầu tư thiết bị.

 Tăng độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cho chi tiết gia công.  Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2  4 lần), nâng cao năng suất gia công.  Gia công được các contour phức tạp.  Cho phép 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 cho phí dung dịch trơn nguội và không có chất thải ra ra môi trường. Tuy nhiên trong quá trình tiện cứng do phôi có độ cứng cao nên trong quá trình cắt ma sát giữa phôi và dụng cụ cắt lớn làm cho lực cắt lớn, dụng cụ cắt mòn nhanh, đồng thời tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau quá trình gia công [1, 3, 4]. Để khắc phục các nhược điểm của tiện cứng truyền thống nêu ở trên, việc ứng dụng rung động cưỡng bức vào quá trình tiện cứng nhằm nâng cao độ chính xác về kích thước, dộ chính xác về hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt cho gia công tiện cứng nói chung.Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia công tiện Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính 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(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện được tính ổn định khi cắt cũng như độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt. Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc được các khó khăn về tính kinh tế trong các phương pháp gia công truyền thống như đã được đề cập ở trên và nó còn có thể nhận được độ chính xác gia công cao cho nhiều loại vật liệu gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự, 1979; Gao và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự 2002; Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó, công nghệ UVC đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong tất cả các công nghệ gia công.

Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang được kết hợp với các phương pháp gia công khác, như tiện, khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng.để tạo ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002; Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005; Suzuki và cộng sự, 2006) [8 ÷10]. Một cách tiếp cân khác giải quyết vấn đề này là sử dụng công nghệ rung động trợ giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) tác động lên phôi hoặc lên dụng cụ cắt khi tiện cứng [2, 5 ÷ 11]. Nguyên tắc chung của các phương phương pháp này là bổ sung một nguồn rung động tương đối theo phương dọc trục dao tiện [10] hay theo phương của lực cắt khi tiện [11]. Rung động được khai thác cho tiện cứng là rung siêu âm, có tần số cao (f = 10 ÷ 40 KHz) và biên độ thấp (A = 2 ÷ 10 micromet) [10].

Các kết qủa cho thấy gia công bằng tiện có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện bẻ phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dao tiện, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Gia công tích hợp rung siêu âm là phương pháp gia công có nguồn rung động trợ giúp với tần số rung động từ 15 ÷ 20 KHz trở lên, nguồn rung động với tần số càng cao thì hiệu quả của quá trình gia công các vật liệu dòn càng tốt [13]. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã có nhiều cải thiện đáng kể về lực cắt khi tiện, kích thước các bavia, mài mòn dụng cụ cắt thấp, giảm ồn, nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt sau tiện cứng. Như vậy, nói chung chất lượng tổng thể của phương pháp tiện được cải thiện đáng kể với sự trợ giúp của rung siêu âm.

Việc sử dụng rung siêu âm trong các quá trình gia công đã tạo ra nhiều ưu thế cho gia công các loại vật liệu khó gia công. Để tạo ra được quá trình tiện rung tích hợp siêu âm, cần phải có thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm Piezoelectric và máy phát xung. Hiện nay, ở Việt Nam chưa công bố khoa học cả về nghiên cứu gia công có tích hợp rung lẫn thí nghiệm cách gia công này. Đề tài này được thực hiện nhằm hiện thực hóa cách thức gia công có tích hợp rung động tích cực; đồng 7 Soáhoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu thời kiểm chứng một số ưu điểm của phương pháp này so với gia công truyền thống.Các kết quả được phân tích cho thấy chất lượng bề mặt tiện có tích hợp rung được cải thiện rõ rệt so với tiện truyền thống.Cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm 1.

Cơ sở khai thác rung siêu âm Dựa vào những phân tích đã trình bày ở mục 1.2 ở trên thấy rằng việc khai thác rung vào trong quá trình tiện cứng là một vấn đề khoa học có căn cứ và cần được áp dụng ngay vào lĩnh vực công nghệ chế tạo máy ở nước ta hiện nay.Trong phạm vi của nghiên cứu này xin đề cập tới vấn đề nghiên cứu khai thác cơ cấu rung siêu âm áp dụng nguyên tắc rung hiệu ứng áp điện có tần số cao biên độ thấp vào trong gia công tiện cứng. Nguyên tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện được Jacques và Pierre Curie phát hiện và năm 1880. Họ thấy rằng nếu đặt một biến dạng cơ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực về điện và mức độ phân cực tỷ lệ với mức độ lớn biến dạng đặt vào. Curie còn khám phám ra rằng, các vật liệu giống với vật liệu này sẽ bị biến dạng khi đặt vào chúng một điện trường.

Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện ngược. Bản chất của hiệu ứng áp điện được thể hiện trên hình 1. Hiện ứng áp điện Hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể trung tính như tinh thể thạch anh, Tuamalin, Na, Kali, Tartrate và các tinh thể này đã được sử dụng nhiều để chế tạo các cơ cấu chuyển đổi áp điện (PZT). Ngoài ra, vật liệu đa tinh thể hiện nay được sử dụng rất rộng rãi, gọi là gốm áp điện.

Với các tinh thể thể hiện tính áp điện, cấu trúc của nó không nên có tâm đối xứng. Một ứng suất (kéo hoặc nén) được đặt lên tinh thể sẽ làm thay đổi khoảng cách giữa các vị trí điện tích âm và dương trong mỗi ô phần tử dẫn đến sự phân cực mạng ở bề mặt tinh thể. Hiệu ứng này thường là tuyến tính. Sự phân cực thay đổi trực tiếp với ứng suất đặt vào và phụ thuộc vào hướng ứng suất, dẫn đến các ứng suất nén và kéo sẽ phát sinh điện trường và do vậy điện áp bị phân cực ngược.

Ngược lại, nếu tinh 8 Soáhoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu thể được đặt vào một điện trường thì nó sẽ phát sinh một biến dạng dẻo làm cho chiều dài của tinh thể tăng hoặc giảm tương ứng với độ phân cực điện trường. Các cơ cấu làm việc theo phương dọc trục và theo phương ngang có độ cứng cao và được tối ưu cho các chuyển động nhỏ và lực lớn. Các cơ cấu hỗn hợp (tinh thể kép) sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển vị lớn. Nếu đặt lên cơ cấu một điện áp thì sẽ có một chuyển vị xuất hiện.

Khi chuyển vị này bị ngăn cản, một lực sẽ xuất hiện, gọi là lực cản, thực tế nó là thông số xác định độ cứng của cơ cấu.3 đưa ra một minh họa về sự kết hợp khả thi giữa lực cản- hành trình. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và hành trình Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính toán ở trên, nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như gia công cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học. cũng như ứng dụng trong công nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng.Các loại PZT này thường được chế tạo thành hai dạng cơ bản sau: - Dạng PZT dạng miếng đơn, được minh họa trên hình 1.