Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, y tế và thiết bị vi tính, nhu cầu sản xuất các chi tiết có kích thước siêu nhỏ ngày càng trở nên cấp thiết. Các chi tiết micro, với kích thước từ vài chục micromet đến vài milimet, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng. Tuy nhiên, việc gia công các chi tiết này gặp nhiều thách thức do kích thước nhỏ, yêu cầu độ chính xác cao và các vấn đề về ma sát, biến dạng dẻo của vật liệu. Luận văn tập trung nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép chảy các chi tiết micro kết hợp với nguồn năng lượng siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả gia công, giảm lực ép và cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo thiết bị ép chảy tích hợp sóng siêu âm tần số 20kHz, áp dụng cho các chi tiết siêu nhỏ nhằm tối ưu hóa quá trình tạo hình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công nghệ ép chảy khí nén có tích hợp siêu âm, với các thử nghiệm thực tế trên vật liệu đồng và hợp kim, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2016 đến 2018 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ gia công áp lực cho chi tiết micro, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ tạo hình chi tiết siêu nhỏ (Microforming) và công nghệ siêu âm ứng dụng trong gia công cơ khí.

  1. Công nghệ tạo hình chi tiết siêu nhỏ: Bao gồm các phương pháp dập khối trong khuôn hở, khuôn kín, ép chảy, dập vuốt và các công nghệ tạo hình kim loại tấm như cán tạo hình bề mặt, cắt đột lỗ, uốn. Các khái niệm chính gồm biến dạng dẻo, lực ép, kích thước hạt vật liệu, ma sát và ảnh hưởng của kích thước chi tiết đến cơ tính vật liệu. Đặc biệt, định luật Hall-Petch được áp dụng để giải thích ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền kéo của vật liệu.

  2. Công nghệ siêu âm trong gia công: Sóng siêu âm là dao động cơ học có tần số trên 16kHz, được sử dụng để hỗ trợ quá trình biến dạng vật liệu. Các khái niệm quan trọng gồm tần số, biên độ, áp lực âm, năng lượng âm và cường độ âm. Bộ chuyển đổi siêu âm (Transducer) và bộ khuếch đại (Booster) là các thành phần chính của hệ thống siêu âm, có vai trò chuyển đổi và khuếch đại sóng siêu âm để tác động lên chi tiết gia công. Tính chất vật lý của sóng siêu âm như sự lan truyền, phản xạ, khúc xạ và hấp thụ cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả ứng dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp từ các tài liệu chuyên ngành, bài báo khoa học trong và ngoài nước về công nghệ microforming và ứng dụng siêu âm trong gia công cơ khí.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích các thông số kỹ thuật của thiết bị ép chảy và hệ thống siêu âm, tính toán lựa chọn các cụm chi tiết chính như máy ép khí nén, bộ phát sóng siêu âm, xi lanh piston khí nén, van điện từ. Sử dụng mô hình động học và cơ học vật liệu để mô phỏng quá trình biến dạng dẻo và ảnh hưởng của sóng siêu âm.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ thiết kế, chế tạo đến thử nghiệm thiết bị tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cỡ mẫu thử nghiệm bao gồm các chi tiết đồng có kích thước micro, với các phép đo lực ép, biến dạng và chất lượng bề mặt được thực hiện để đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị ép chảy tích hợp sóng siêu âm với tần số 20kHz, lực ép danh nghĩa 2kN, kích thước thiết bị 500x500x450 mm. Thiết bị sử dụng bộ phát sóng siêu âm công suất 2kW, bộ chuyển đổi và booster phù hợp, đảm bảo hiệu suất truyền năng lượng siêu âm ổn định.

  2. Ảnh hưởng tích cực của sóng siêu âm đến quá trình ép chảy: Khi có sóng siêu âm, lực ma sát giảm đáng kể, dẫn đến giảm lực ép cần thiết và tăng độ biến dạng dẻo của vật liệu. Ví dụ, trong quá trình dập vuốt chi tiết đồng C2400 dày 0.5mm sâu 5mm, lực dập giữ nguyên 2000N nhưng hiện tượng nhăn mép giảm rõ rệt khi có siêu âm, cho thấy biến dạng dẻo cục bộ được cải thiện.

  3. Ảnh hưởng của kích thước hạt và ma sát: Kích thước hạt nhỏ làm tăng ứng suất chảy của vật liệu, gây khó khăn cho biến dạng. Hệ số ma sát trong microforming khoảng 0.38, cao hơn so với 0.2 trong gia công thông thường. Tuy nhiên, bôi trơn hiệu quả làm giảm ma sát và áp lực tiếp xúc, cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết.

  4. Tốc độ gia công không ảnh hưởng đáng kể đến lực dập trong phạm vi 0.03mm/s đến 5mm/s, cho phép tăng tốc độ gia công để nâng cao năng suất mà không làm giảm chất lượng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc tích hợp sóng siêu âm vào thiết bị ép chảy microforming giúp giảm ma sát và lực ép, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết. Nguyên nhân là do sóng siêu âm tạo ra dao động cục bộ làm tăng nhiệt năng và chuyển động các phần tử vật liệu, giúp biến dạng dẻo dễ dàng hơn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của siêu âm trong giảm ma sát và tăng tuổi thọ thiết bị.

Biểu đồ lực ép theo hành trình chày cho thấy lực giảm khi có siêu âm, minh chứng cho sự hỗ trợ của năng lượng siêu âm trong quá trình biến dạng. Bảng so sánh kết quả dập với và không có siêu âm cũng thể hiện sự khác biệt rõ rệt về chất lượng sản phẩm. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ gia công chi tiết micro, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao độ chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thiết bị ép chảy tích hợp siêu âm trong sản xuất công nghiệp nhằm giảm lực ép và tăng chất lượng bề mặt chi tiết micro, đặc biệt trong ngành điện tử và y tế. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các doanh nghiệp chế tạo thiết bị chính xác.

  2. Nâng cao công tác đào tạo và nghiên cứu phát triển công nghệ microforming kết hợp siêu âm tại các viện nghiên cứu và trường đại học để mở rộng ứng dụng và cải tiến thiết bị. Thời gian: liên tục, chủ thể: các cơ sở đào tạo kỹ thuật.

  3. Phát triển hệ thống bôi trơn và làm mát chuyên dụng cho thiết bị microforming siêu âm nhằm giảm ma sát và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian: 1 năm, chủ thể: các nhà sản xuất thiết bị và vật liệu bôi trơn.

  4. Tăng cường nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu như kích thước hạt, thành phần hợp kim đến hiệu quả gia công siêu nhỏ có siêu âm để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Thời gian: 2 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu vật liệu và công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và công nghệ chế tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ microforming và ứng dụng siêu âm, hỗ trợ phát triển thiết bị và quy trình gia công chính xác.

  2. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử, y tế và vi cơ khí: Tham khảo để áp dụng công nghệ ép chảy tích hợp siêu âm nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  3. Các cơ sở đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu ứng dụng: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực gia công chi tiết siêu nhỏ.

  4. Nhà sản xuất thiết bị siêu âm và linh kiện cơ khí chính xác: Tham khảo để cải tiến thiết kế bộ chuyển đổi, booster và hệ thống tích hợp siêu âm trong thiết bị gia công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tích hợp sóng siêu âm vào thiết bị ép chảy chi tiết micro?
    Sóng siêu âm giúp giảm ma sát và lực ép trong quá trình biến dạng dẻo, làm tăng độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết. Ví dụ, lực dập giữ nguyên nhưng hiện tượng nhăn mép giảm đáng kể khi có siêu âm.

  2. Kích thước hạt vật liệu ảnh hưởng thế nào đến quá trình gia công siêu nhỏ?
    Kích thước hạt nhỏ làm tăng ứng suất chảy, khiến vật liệu khó biến dạng hơn. Điều này đòi hỏi thiết bị và quy trình phải được tối ưu để xử lý hiệu quả.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá hiệu quả của thiết bị ép chảy tích hợp siêu âm?
    Phương pháp thực nghiệm với các chi tiết đồng micro, đo lực ép, quan sát biến dạng và chất lượng bề mặt, so sánh kết quả có và không có siêu âm.

  4. Tốc độ gia công ảnh hưởng thế nào đến lực dập và chất lượng sản phẩm?
    Trong phạm vi nghiên cứu từ 0.03mm/s đến 5mm/s, tốc độ không ảnh hưởng đáng kể đến lực dập, cho phép tăng tốc độ để nâng cao năng suất mà không giảm chất lượng.

  5. Các yếu tố nào cần lưu ý khi thiết kế thiết bị ép chảy tích hợp siêu âm?
    Cần đảm bảo tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi và booster phù hợp, cấu tạo thiết bị chính xác để tránh ăn mòn, đồng thời thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát hiệu quả.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị ép chảy tích hợp sóng siêu âm 20kHz với lực ép 2kN, kích thước nhỏ gọn phù hợp gia công chi tiết micro.
  • Sóng siêu âm giúp giảm ma sát, lực ép và cải thiện biến dạng dẻo, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết.
  • Kích thước hạt và ma sát là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình gia công siêu nhỏ, cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Tốc độ gia công có thể tăng lên mà không ảnh hưởng đến lực dập và chất lượng sản phẩm trong phạm vi nghiên cứu.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng công nghệ và nghiên cứu sâu hơn về vật liệu, thiết bị để phát triển công nghệ microforming tích hợp siêu âm trong công nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp và phát triển các giải pháp bôi trơn, làm mát chuyên dụng. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác để ứng dụng công nghệ này vào sản xuất thực tế.