Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt quá trình gia công tinh cạnh biên với ứng dụng siêu âm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ khí xét các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt quá trình gia công tinh cạnh biên, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Phạm Văn Tuân
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hải Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong gia công tinh cạnh biên bằng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM
• 1.1. Giới thiệu về sóng siêu âm
• 1.2. Rung động siêu âm
• 1.3. Nguyên lý rung động siêu âm
• 1.4. Nguyên lý truyền rung động siêu âm
• 1.5. Hệ thống thiết bị tạo rung động siêu âm
• 1.5.1. Nguồn phát công suất siêu âm
• 1.5.2. Đầu phát siêu âm
• 1.5.3. Đầu khuyếch đại dao động
• 1.6. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật
• 1.6.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm
• 1.6.2. Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)
• 1.6.3. Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm
• 1.6.4. Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm
• 1.6.5. Siêu âm trong y học
• 1.6.6. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ GIẢ THUYẾT KHOA HỌC
• 2.1. Động học quá trình tạo hình và nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt
• 2.1.1. Động học tạo hình các bề mặt tự trượt
• 2.1.2. Động học tạo hình các bề mặt tự do
• 2.2. Nguyên lý cơ bản tạo hình bề mặt
• 2.3. Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm và động lực học quá trình tạo hình
• 2.3.1. Cấu tạo dụng cụ cắt đơn điểm
• 2.3.2. Động học quá trình tạo hình
• 2.4. Sự hình thành bề mặt và chất lượng hình học tế vi bề mặt
• 2.4.1. Thông số hình học lớp kim loại bị cắt
• 2.4.2. Diện tích cắt dư - chiều cao nhấp nhô hình học H
• 2.5. Các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống
• 2.5.1. Cơ sở và các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt truyền thống
• 2.5.2. Vấn đề tồn tại ở các phương pháp gia công hoàn thiện truyền thống
• 2.6. Xác định các thông số cơ bản của hệ siêu âm
• 2.6.1. Cơ sở chọn tần số và biên độ dao động
• 2.6.2. Cơ sở tính công suất nguồn siêu âm
• 2.6.3. Tính toán công suất, tần số và biên độ dao động
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT CẤU ĐẦU RUNG
• 3.1. Mô hình đầu rung đề xuất
• 3.2. Kết cấu đầu rung siêu âm
• 3.3. Ảnh hưởng của vật liệu đến cộng hưởng cơ học
• 3.4. Các phương pháp nghiên cứu và kết quả
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4.1. Quy hoạch thực nghiệm
• 4.2. Xác định các nhân tố thí nghiệm (Factors)
• 4.3. Xác định miền giá trị cho các nhân tố ảnh hưởng
• 4.4. Tạo dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm
• 4.5. Thiết bị và vật tư thí nghiệm
• 4.6. Mẫu thí nghiệm
• 4.7. Thiết bị tạo nguồn điện cho phần tử piezoelectric dao động
• 4.8. Máy đo độ nhám bề mặt
• 4.9. Tiến hành thí nghiệm và kết quả đo
• 4.10. Kết quả và phân tích kết quả
• 4.10.1. Kết quả phân tích Taguchi
• 4.10.2. Kết quả hồi qui bậc 2 theo phương pháp mặt đáp ứng
• 4.10.3. Tìm thông số công nghệ tối ưu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những thiếu sót còn tồn tại
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về gia công siêu âm

Gia công siêu âm là một trong những phương pháp tiên tiến trong lĩnh vực gia công tinh. Phương pháp này sử dụng rung động siêu âm để tăng cường hiệu quả gia công, đặc biệt trong việc cải thiện chất lượng bề mặt của các sản phẩm. Rung động siêu âm được tạo ra từ các thiết bị chuyên dụng, cho phép truyền năng lượng vào bề mặt vật liệu, từ đó làm giảm lực cắt và tăng cường khả năng gia công các vật liệu cứng. Theo nghiên cứu, việc áp dụng siêu âm trong gia công không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn cải thiện đáng kể tuổi thọ của dụng cụ cắt. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, công nghệ siêu âm có thể tối ưu hóa quy trình gia công, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất.

1.1 Giới thiệu về sóng siêu âm

Sóng siêu âm là loại sóng âm có tần số vượt quá 20 kHz, nằm ngoài khả năng nghe của con người. Rung động siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Đặc biệt, trong lĩnh vực gia công, sóng siêu âm giúp cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt của sản phẩm thông qua việc tạo ra các lực tác động lên bề mặt vật liệu, làm giảm ma sát và tăng cường khả năng cắt. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc sử dụng sóng siêu âm trong gia công có thể tạo ra những bề mặt mịn màng hơn và giảm thiểu các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm.

1.2 Nguyên lý rung động siêu âm

Nguyên lý rung động siêu âm dựa trên hiện tượng áp điện, nơi mà các vật liệu áp điện tạo ra rung động khi có điện áp tác động. Rung động này được truyền qua vật liệu và tạo ra các sóng siêu âm, giúp cải thiện quá trình gia công. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng rung động siêu âm trong gia công có thể làm tăng cường hiệu quả cắt và giảm thiểu lực cắt cần thiết, từ đó nâng cao hiệu suất gia công. Điều này đặc biệt quan trọng khi gia công các vật liệu cứng hoặc khó gia công.

II. Cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học

Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong gia công tinh bằng siêu âm. Các yếu tố này bao gồm tần số, biên độ rung động, và các thông số công nghệ khác. Thông qua việc phân tích các yếu tố này, nghiên cứu nhằm tìm ra các điều kiện tối ưu nhất để nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm. Các giả thuyết khoa học được đặt ra dựa trên những hiểu biết hiện có về quá trình gia công và rung động siêu âm, từ đó xây dựng một mô hình thí nghiệm phù hợp để kiểm tra và đánh giá.

2.1 Động học quá trình tạo hình

Động học quá trình tạo hình bề mặt liên quan đến các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình gia công. Việc hiểu rõ các yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa quá trình gia công. Các thông số như tốc độ cắt, độ sâu cắt và lực cắt đều ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số này có thể dẫn đến những cải thiện đáng kể trong độ chính xác và độ nhẵn của bề mặt gia công.

2.2 Các phương pháp gia công hoàn thiện bề mặt

Trong lĩnh vực gia công, có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để hoàn thiện bề mặt sản phẩm. Các phương pháp truyền thống như mài, đánh bóng thường gặp phải những hạn chế nhất định. Việc áp dụng siêu âm trong gia công cho phép cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt và giảm thiểu các khuyết tật. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng công nghệ siêu âm có thể mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp gia công truyền thống.

III. Kết cấu đầu rung và phương pháp nghiên cứu

Kết cấu của đầu rung trong quá trình gia công tinh bằng siêu âm đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải rung động đến bề mặt vật liệu. Việc thiết kế đầu rung cần đảm bảo tính hiệu quả và khả năng hoạt động ổn định. Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thiết kế mẫu thực nghiệm, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả. Các kết quả thu được từ thí nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng bề mặt.

3.1 Mô hình đầu rung đề xuất

Mô hình đầu rung được thiết kế dựa trên các nguyên lý vật lý và yêu cầu kỹ thuật của quá trình gia công siêu âm. Việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, một đầu rung được thiết kế tốt có thể nâng cao đáng kể hiệu suất gia công và cải thiện chất lượng bề mặt.

3.2 Các phương pháp nghiên cứu và kết quả

Các phương pháp nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của tần số và biên độ rung đến chất lượng bề mặt. Các số liệu thu được sẽ được phân tích để đưa ra các kết luận và khuyến nghị cho việc áp dụng công nghệ siêu âm trong gia công. Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao, giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công siêu âm là một công nghệ tiên tiến ứng dụng sóng siêu âm có tần số trên 20 kHz để cải thiện các quá trình gia công truyền thống như tiện, phay, khoan, mài và đánh bóng. Theo ước tính, rung động siêu âm trợ giúp gia công có thể giảm lực cắt đến 50%, giảm nhiệt độ cắt, giảm mài mòn dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt gia công từ 25% đến 40%. Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt trong quá trình gia công tinh cạnh biên với sự trợ giúp của rung động siêu âm, nhằm nâng cao hiệu quả gia công và chất lượng sản phẩm.

Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đầu rung siêu âm ứng dụng trong gia công tinh các chi tiết kim loại, đặc biệt là vật liệu nhôm và thép làm khuôn đã tôi cứng. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ như tần số, biên độ rung, tốc độ cắt, lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt và lực cắt trong quá trình gia công.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ gia công siêu âm tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và tuổi thọ dụng cụ cắt, đồng thời mở rộng khả năng gia công các vật liệu khó như hợp kim titan, thép cứng và vật liệu composite. Nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các đầu rung siêu âm hiệu quả, linh hoạt và chi phí hợp lý phù hợp với điều kiện thiết bị trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết rung động siêu âm và hiệu ứng áp điện: Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số trên 20 kHz, được tạo ra chủ yếu bằng hiệu ứng áp điện, cho phép chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học với hiệu suất lên đến 90-96%. Rung động siêu âm truyền trong vật liệu dưới dạng sóng dọc với các đặc trưng như tần số, biên độ, vận tốc và bước sóng.

• Động học quá trình tạo hình bề mặt: Phân tích chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi, bao gồm chuyển động quay và tịnh tiến, để mô tả sự hình thành bề mặt gia công. Các thông số cắt như tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và lực cắt.

• Mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp (UAM): Gia công có rung động siêu âm bổ sung một rung động cưỡng bức tần số siêu âm vào chuyển động cắt, làm thay đổi tương tác giữa dụng cụ và phôi, giảm lực cắt, nhiệt độ và mài mòn, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt.

• Phân tích Taguchi và hồi quy bậc hai: Sử dụng phương pháp thống kê để thiết kế thí nghiệm, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến độ nhám bề mặt và lực cắt, từ đó tìm ra thông số tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm gia công tinh trên máy phay CNC với đầu rung siêu âm tự chế tạo, vật liệu nhôm và thép đã tôi cứng. Các thông số thí nghiệm gồm tần số rung (20 kHz, 40 kHz), biên độ dao động, tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt.

• Phương pháp chọn mẫu: Mẫu thí nghiệm được thiết kế theo phương pháp quy hoạch Taguchi với 18 lần thí nghiệm cho mỗi mẫu, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến độ nhám bề mặt (Ra) và lực cắt.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phân tích phương sai (ANOVA) để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố, hồi quy bậc hai để xây dựng mô hình dự báo, đồng thời sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng và tối ưu kết cấu đầu rung siêu âm.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 4 tháng, từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo đầu rung, tiến hành thí nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tần số và biên độ rung đến chất lượng bề mặt: Khi sử dụng tần số 20 kHz và biên độ dao động tối thiểu 6 µm, độ nhám bề mặt giảm trung bình 30% so với gia công truyền thống. Ở tần số 40 kHz, biên độ dao động nhỏ hơn nhưng hiệu quả cải thiện độ nhám bề mặt vẫn đạt khoảng 25%.

2. Giảm lực cắt đáng kể: Lực cắt giảm từ 40% đến 70% khi áp dụng rung động siêu âm trợ giúp, đặc biệt khi tỉ số vận tốc rung so với tốc độ chạy dao tăng lên. Ví dụ, lực dọc trục trong khoan siêu âm giảm đến 70% so với khoan truyền thống.

3. Tối ưu hóa thông số công nghệ: Qua phân tích Taguchi và hồi quy, lượng chạy dao và biên độ rung là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt, chiếm trên 60% tổng ảnh hưởng. Tốc độ cắt có ảnh hưởng thấp hơn nhưng vẫn cần được kiểm soát để duy trì hiệu quả gia công.

4. Hiệu quả đầu rung siêu âm tự chế tạo: Đầu rung siêu âm được thiết kế và chế tạo thành công với tần số cộng hưởng chính xác, biên độ dao động đạt yêu cầu, giúp nâng cao hiệu suất gia công và chất lượng bề mặt. Mô phỏng ANSYS cho thấy cấu trúc đầu rung đạt tần số cộng hưởng ổn định và biên độ xoắn-dọc tối ưu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy rung động siêu âm trợ giúp gia công có tác động tích cực rõ rệt đến chất lượng bề mặt và lực cắt, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế đã công bố. Việc giảm lực cắt giúp giảm mài mòn dụng cụ, tăng tuổi thọ dao, đồng thời cải thiện độ nhẵn bề mặt từ 25% đến 40% là minh chứng cho hiệu quả của công nghệ này.

Biểu đồ Pareto và phân tích ANOVA minh họa rõ ràng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, cho phép tập trung tối ưu hóa lượng chạy dao và biên độ rung để đạt hiệu quả cao nhất. So sánh với gia công truyền thống, gia công có rung động siêu âm cho phép mở rộng phạm vi gia công các vật liệu khó như hợp kim titan và thép cứng.

Việc thiết kế đầu rung siêu âm phù hợp với điều kiện thiết bị trong nước là một đóng góp quan trọng, giúp giảm chi phí và nâng cao khả năng ứng dụng thực tế. Các biểu đồ nhám bề mặt và lực cắt qua các lần thí nghiệm thể hiện sự ổn định và khả năng tái lập của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế đầu rung siêu âm: Nâng cao độ bền vật liệu và cải tiến hình dạng đầu rung để tăng biên độ dao động và giảm tổn thất năng lượng, nhằm nâng cao hiệu suất gia công. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị.

2. Áp dụng rộng rãi trong gia công các vật liệu khó: Khuyến khích sử dụng công nghệ gia công siêu âm trợ giúp cho các vật liệu như hợp kim titan, thép cứng, vật liệu composite để giảm lực cắt và tăng tuổi thọ dụng cụ. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: các nhà máy cơ khí chính xác và khuôn mẫu.

3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống gia công siêu âm trợ giúp cho kỹ sư và công nhân kỹ thuật. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và tối ưu hóa: Xây dựng phần mềm hỗ trợ thiết kế đầu rung và mô phỏng quá trình gia công siêu âm để rút ngắn thời gian nghiên cứu và nâng cao độ chính xác. Thời gian: 1-3 năm, chủ thể: các nhóm nghiên cứu và công ty phần mềm kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí chính xác: Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ gia công siêu âm trợ giúp để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.

2. Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt và thiết bị gia công: Tham khảo để phát triển các sản phẩm đầu rung siêu âm và hệ thống gia công tiên tiến, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến gia công siêu âm.

4. Các viện nghiên cứu và trung tâm công nghệ: Cơ sở khoa học để phát triển các dự án nghiên cứu ứng dụng siêu âm trong gia công và các lĩnh vực kỹ thuật khác.

Câu hỏi thường gặp

1. Gia công siêu âm trợ giúp là gì?
   Gia công siêu âm trợ giúp là phương pháp bổ sung rung động tần số siêu âm vào quá trình cắt gọt kim loại, giúp giảm lực cắt, nhiệt độ và mài mòn dụng cụ, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

2. Tần số và biên độ rung siêu âm ảnh hưởng thế nào đến chất lượng gia công?
   Tần số và biên độ rung quyết định vận tốc dao động cực đại, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng loại bỏ các đỉnh nhấp nhô trên bề mặt, từ đó cải thiện độ nhám và giảm lực cắt.

3. Làm thế nào để thiết kế đầu rung siêu âm hiệu quả?
   Thiết kế đầu rung cần đảm bảo tần số cộng hưởng phù hợp, biên độ dao động lớn, vật liệu chịu lực tốt và kết cấu thuận tiện cho việc gá đặt trên máy gia công. Mô phỏng phần tử hữu hạn là công cụ hỗ trợ quan trọng.

4. Gia công siêu âm có thể áp dụng cho những vật liệu nào?
   Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các vật liệu khó gia công như hợp kim titan, thép cứng, vật liệu composite, cũng như các vật liệu mềm như nhôm và thép đã tôi cứng.

5. Lợi ích kinh tế khi áp dụng gia công siêu âm trợ giúp là gì?
   Gia công siêu âm giúp giảm lực cắt và mài mòn dụng cụ, tăng tuổi thọ dao, nâng cao chất lượng bề mặt, giảm thời gian gia công và chi phí bảo trì, từ đó tăng năng suất và lợi nhuận cho doanh nghiệp.

Kết luận

• Gia công siêu âm trợ giúp là công nghệ hiệu quả để cải thiện chất lượng bề mặt và giảm lực cắt trong gia công tinh cạnh biên.
• Thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm phù hợp với điều kiện thiết bị trong nước đã được thực hiện thành công, đáp ứng yêu cầu biên độ và tần số dao động.
• Phân tích thống kê cho thấy lượng chạy dao và biên độ rung là các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ nhám bề mặt.
• Kết quả thí nghiệm chứng minh gia công siêu âm trợ giúp giảm lực cắt đến 70% và cải thiện độ nhám bề mặt từ 25% đến 40% so với phương pháp truyền thống.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu thiết kế đầu rung, mở rộng ứng dụng cho vật liệu khó, đào tạo chuyển giao công nghệ và phát triển phần mềm mô phỏng.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất để ứng dụng rộng rãi công nghệ gia công siêu âm trợ giúp, nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG SIÊU ÂM 1.1 Giới thiệu về sóng siêu âm 1.1 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 1. Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz. 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) [4].1 Khoảng tần số [https://rama.vn/song-sieu-am/] Siêu âm đã được các nhà khoa học phát hiện và nghiên cứu từ rất sớm. Năm 1794 nhà khoa học Lazzaro Spallanzani đã phát hiện ra loài dơi di chuyển và sằn mồi dựa vào âm thanh có tần số cao. Năm 1893, Francis Galton đã phát minh ra còi Galton, loại còi có khả năng điều chỉnh tạo ra sóng siêu âm để đo thính giác của các loài động vật. Đến năm 1880, hiện tượng áp điện được phát hiện bởi nhà vật lý Pierre Curie và anh trai của ông là Jacques Curie đã tạo ra một bước đột phá trong lĩnh vực công nghệ siêu âm, dựa vào đó các đầu dò siêu âm (thiết bị chuyển đổi năng lượng điện tần số cao thành năng lượng cơ học dưới dạng dao động tần số cao) đầu tiên được ra đời.

1 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân Thiết bị Sonar là ứng dụng thực tế đầu tiên của công nghệ siêu âm và áp điện được phát triển trong thế chiến thứ nhất để phát hiện tàu ngầm. Đầu những năm 1900 là thời điểm khám phá và phát triển thú vị của siêu âm, tiềm năng của ngành vật lý và kỹ thuật này đã được áp dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Ngày nay siêu âm được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống. Các loại máy siêu âm, máy trị liệu siêu âm, máy diệt khuẩn, máy rửa siêu âm là các ứng dụng phổ biến trong y học.

Trong các lĩnh vực kỹ thuật sóng siêu âm cũng được ứng dụng rộng rãi như các loại cảm biến siêu âm, rada, các phương thức giao tiếp, kết nối không dây dùng sóng siêu âm, … có thể xem siêu âm là một công nghệ quan trọng và có tiềm năng phát triển trong mọi lĩnh vực.2 Nguyên lý rung động siêu âm Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện. Phương pháp từ giảo là một tính chất của các vật liệu sắt từ như sắt, coban, niken, khiên chúng nở ra hoặc co lại khi phản ứng với từ trường. Nó cho phép chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học. Các vật liệu này chứa các vùng biến dạng tự nhiên và các vùng không liên kết sở hữu cực từ được gọi là miền [5].

Phương pháp áp điện là hướng phổ biến nhất để tạo ra rung động siêu âm. Hiện tượng áp điện lần đầu được phát hiện năm 1817, sau đó được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà 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 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.

Mặc dù các thiết bị áp dụng rung động siêu sử dụng phương pháp từ giảo giúp thiết kế toàn bộ hệ thống linh hoạt hơn và dải tần làm việc rộng hơn, nhưng nhược 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân điểm là hiệu suất tương đối thấp, chỉ ở mức 50-60%. Thiết bị sử dụng phương pháp áp điện như hình 1.2 cần nhiều năng lượng hơn, nhưng hiệu suất cao hơn, ở mức 90- 96% [9]. Do đó, vật liệu áp điện cho phép thiết bị dao động ở tần số rất cao khi cấu trúc của thiết bị cũng linh động hơn so với trước đây. Do đó, các thiết bị siêu âm chủ yếu tạo ra rung động siêu âm bằng hiệu ứng áp điện.

2 Hiệu ứng áp điện [9] 1.3 Nguyên lý truyền rung động siêu âm. Rung động được truyền trong môi trường dưới dạng sóng dọc. Quỹ đạo của sóng được xác định vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động trong vật liệu mà nó truyền qua. Khi năng lượng siêu âm truyền qua môi trường, nó sẽ dịch chuyển các nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng, dẫn đến sự mất cân bằng của các nguyên tử xung quanh.

Cứ như vậy, năng lượng dao động di chuyển qua môi trường đến bất kỳ không gian nào bên trong vật liệu. Tuy nhiên, trong môi trường chân không không có hạt vật chất, nên năng lượng không thể truyền qua nó. Các đại lượng đặc trưng liên quan đến sóng siêu âm bao gồm: tần số (f), biên độ (A), vận tốc (v) và bước sóng, trong đó tần số dao động là số chu kỳ mà một vật dao động hoàn thành trong một giây, biên độ dao động là độ dịch chuyển hoặc quãng đường lớn nhất. được một điểm trên vật dao động điều hòa khỏi vị trí cân bằng.

Cụ thể hơn, vận tốc truyền phụ thuộc vào mật độ và môđun đàn hồi của vật liệu. Do đó, vận tốc truyền trong một số loại môi trường được liệt kê trong bảng 1. 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân Bảng 1. Tốc độ truyền sóng trong một số môi trường (tại 20oC và 1 atm) Sự truyền sóng rung động thường được mô tả dưới dạng các mode rung động.

Mỗi mode rung động là một hình ảnh của trạng thái sóng dung có dạng hình sin ở một tần số đặc trưng. Mỗi hệ thống có thể được kích thích bởi nhiều mode rung động, được đặc trưng bởi tần số và hình dạng của mode đó. Với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, các mode dao động có thể lan truyền theo bốn loại chế độ cơ bản dưới đây như ở bảng 1. Phương truyền sóng [6].

Dạng truyền sóng Đặc điểm Sóng dọc: dao động nén dọc theo phương truyền sóng Sóng ngang: dao động vuông góc với phương truyền sóng Sóng mặt- Rayleigh waves: dao động theo quỹ đạo elip 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân Sóng tấm-Lamb waves: sóng rung động kết hợp, đường truyền sóng luôn song song với bề mặt tấm.4 Hệ thống thiết bị tạo rung động siêu âm Hệ thống rung động siêu âm bao gồm bộ nguồn, bộ chuyển đổi (transducer), Đầu khuếch đại dao động (horn), trong đó dòng điện xoay chiều được cung cấp bởi bộ nguồn tới các miếng áp điện để tạo ra rung động siêu âm cơ học. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống rung siêu âm được minh họa trong hình 1. Sơ đồ cấu trúc của một hệ gia công siêu âm [7] 1.1 Nguồn phát công suất siêu âm Bộ nguồn có tác dụng chuyển đổi nguồn điện tần số thấp (thường là 50 Hz) thành năng lượng sóng sin tần số cao. Bộ nguồn này có thể kiểm soát tần số cũng như công suất cấp cho hệ thống.2 Đầu phát siêu âm Đầu phát siêu âm (transducer) có tác dụng biến đổi năng lượng do bộ nguồn cung cấp thành năng lượng cơ học, tạo ra các dao động ở tần số siêu âm.

Việc chuyển đổi này được thực hiện thông qua hai nguyên lí khác nhau là hiện tượng từ giảo 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân (magnetostrictive) và hiện tượng áp điện (piezoelectric). Đầu phát siêu âm sử dụng hiện tượng từ giảo cho phép thiết kế đầu rung linh hoạt hơn, dãi hoạt động rộng, tuy nhiên nhược điểm là hiệu suất khá thấp (50% -60%). Đầu dò sử dụng vật liệu áp điện tuy đòi hỏi năng lượng cao hơn nhưng hiệu suất cao (90% - 96%), ngoài ra vật liệu áp điện cho phép tạo các dao động ở tần số rất cao, kết cấu cũng gọn nhẹ hơn so với nguyên lý từ giảo như ở hình 1. Đầu phát rung siêu âm 1.3 Đầu khuyếch đại dao động Đầu khuếch đại dao động (booster): các đầu dò siêu âm thường cung cấp biên độ đầu ra khá thấp, do đó để đạt được biên độ dao động cần thiết cho gia công thường phải qua sự khuếch đại của booster.

Tuỳ thuộc vào kết cấu của hệ thống, một số có thể không có đầu khuếch đại dao động. Đầu rung (ultrasonic horn) cũng có tác dụng khuếch đại biên độ dao động đầu ra, ngoài ra đầu rung được thiết kế hình dáng tuỳ theo mục đích sử dụng, đầu ra của đầu rung có thể mang thêm dụng cụ như dao cắt, mũi khoan, đầu hàn. Vì vậy có thể nói đầu rung là bộ phận mấu chốt trong hệ thống siêu âm. Việc thiết kế đầu rung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống.

Các dạng hình dạng của đầu rung siêu âm Biên dạng Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn tiêu chuẩn 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân - Biên dạng đơn - Độ khuyết Biên dạng giản nhất đại thấp hình trụ - Chế tạo dễ dàng nhất - Ứng suất thấp - Độ tập trung - Độ khuyếch đại ứng suất cao Biên dạng biên dạng lớn nhất do biên trục bậc nhất dạng thay đổi - Thiết kế đơn giản đột ngột - Ứng suất phân bổ đều do biên dạng thay đổi từ - Độ khuyếch Biên dạng từ đại thấp hàm mũ - Năng lượng mất mát thấp - - Thiết kế đơn giản - Độ khuyếch - Ứng suất thấp do đại biên Biên dạng biên dạng thay dạng thấp hình côn đổi đều nhất. - Mất mát năng lượng thấp Biên dạng Hình dạng hình học Ưu điểm Giới hạn đặc biệt 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ Phạm Văn Tuân - Phân bố ứng suất - Thiết kế Biên dạng đều do biên dạng phức tạp trụ - hàm thay đổi chậm - Độ khuyếch mũ đại thấp - Độ khuyếch đại cao Biên dạng - Phân bố ứng suất - Thiết kế trục bậc đều do biên dạng phức tạp hàm mũ thay đổi chậm 1.5 Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Có thể kể đến một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sản xuất như dưới đây.