Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp của rung động siêu âm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm với sự hỗ trợ của rung động siêu âm, ứng dụng trong công nghệ chế tạo chính xác.

• Tác giả: Chu Ngọc Hùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Dự
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp của rung động siêu âm
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm

Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm là một lĩnh vực quan trọng trong gia công cơ khí, đặc biệt khi kết hợp với trợ giúp rung động siêu âm. Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất khoan, giảm lực cắt và tăng tuổi bền dụng cụ. Khoan lỗ nhỏ và khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm thường gặp nhiều thách thức do không gian thoát phoi hạn chế, dẫn đến giảm chất lượng và năng suất gia công. Công nghệ khoan với ứng dụng rung động siêu âm đã chứng minh hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề này, đặc biệt khi gia công các vật liệu khó như hợp kim nhôm trong công nghiệp.

1.1. Kỹ thuật khoan và hiệu suất khoan

Kỹ thuật khoan với trợ giúp rung động siêu âm giúp tối ưu hóa quá trình gia công. Hiệu suất khoan được cải thiện đáng kể nhờ giảm lực cắt và nhiệt độ trong quá trình khoan. Phân tích khoan cho thấy rằng việc bổ sung rung động siêu âm giúp giảm lực dọc trục và mô men, từ đó tăng độ chính xác và chất lượng lỗ khoan. Khoan chính xác và khoan hiệu quả là những ưu điểm nổi bật của phương pháp này, đặc biệt khi gia công các lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm.

1.2. Ứng dụng rung động siêu âm trong khoan

Ứng dụng rung động siêu âm trong khoan đã mở ra nhiều cơ hội mới trong gia công cơ khí. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện quá trình thoát phoi mà còn giảm thiểu biến dạng chi tiết gia công. Tối ưu hóa khoan với trợ giúp rung động siêu âm đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt khi gia công các vật liệu khó như hợp kim nhôm. Công nghệ vật liệu hiện đại kết hợp với rung động siêu âm đã tạo ra những bước đột phá trong gia công cơ khí, đặc biệt là trong khoan lỗ nhỏ và khoan lỗ sâu.

II. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm khoan có trợ giúp rung động siêu âm

Cơ sở lý thuyết của khoan có trợ giúp rung động siêu âm dựa trên nguyên lý kết hợp giữa chuyển động quay và dao động siêu âm. Phương pháp này giúp giảm ma sát giữa dụng cụ và phôi, từ đó giảm lực cắt và nhiệt độ gia công. Thực nghiệm khoan trên hợp kim nhôm đã chứng minh rằng rung động siêu âm giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và chất lượng gia công. Khoan lỗ sâu với trợ giúp rung động siêu âm đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong gia công cơ khí hiện đại.

2.1. Động học quá trình khoan

Động học quá trình khoan với trợ giúp rung động siêu âm được nghiên cứu kỹ lưỡng để hiểu rõ cơ chế giảm lực cắt và nhiệt độ. Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm đòi hỏi sự kết hợp giữa chuyển động quay và dao động siêu âm để đảm bảo quá trình thoát phoi hiệu quả. Phân tích khoan cho thấy rằng rung động siêu âm giúp giảm lực dọc trục và mô men, từ đó tăng độ chính xác và chất lượng lỗ khoan.

2.2. Thiết kế hệ thống khoan có trợ giúp rung động siêu âm

Thiết kế hệ thống khoan với trợ giúp rung động siêu âm là một bước quan trọng trong việc áp dụng phương pháp này vào thực tế. Hệ thống bao gồm máy phát điện siêu âm, bộ chuyển đổi siêu âm và đầu khuếch đại biên độ. Khoan lỗ nhỏ và khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm đòi hỏi hệ thống phải được thiết kế chính xác để đảm bảo hiệu suất và độ bền của dụng cụ. Công nghệ khoan hiện đại kết hợp với rung động siêu âm đã tạo ra những bước đột phá trong gia công cơ khí.

III. Phân tích và đánh giá hiệu quả khoan có trợ giúp rung động siêu âm

Phân tích và đánh giá hiệu quả của khoan có trợ giúp rung động siêu âm cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp khoan truyền thống. Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm với trợ giúp rung động siêu âm giúp giảm lực cắt, nhiệt độ và tăng tuổi bền dụng cụ. Hiệu suất khoan được cải thiện đáng kể nhờ việc tối ưu hóa quá trình thoát phoi và giảm ma sát. Công nghệ khoan hiện đại kết hợp với rung động siêu âm đã mở ra nhiều cơ hội mới trong gia công cơ khí.

3.1. So sánh hiệu quả khoan truyền thống và khoan có trợ giúp rung động siêu âm

So sánh hiệu quả giữa khoan truyền thống và khoan có trợ giúp rung động siêu âm cho thấy rằng phương pháp mới giúp giảm lực cắt và nhiệt độ đáng kể. Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm với trợ giúp rung động siêu âm đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện chất lượng và năng suất gia công. Phân tích khoan cho thấy rằng rung động siêu âm giúp giảm lực dọc trục và mô men, từ đó tăng độ chính xác và chất lượng lỗ khoan.

3.2. Ứng dụng thực tế và triển vọng phát triển

Ứng dụng thực tế của khoan có trợ giúp rung động siêu âm đã được chứng minh trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Khoan lỗ nhỏ và khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm với trợ giúp rung động siêu âm đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong gia công cơ khí hiện đại. Triển vọng phát triển của phương pháp này rất lớn, đặc biệt khi kết hợp với công nghệ vật liệu và kỹ thuật khoan hiện đại. Tối ưu hóa khoan với trợ giúp rung động siêu âm sẽ tiếp tục là một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM 1.1 Giới thiệu Nội dung chương này sẽ tóm tắt các khái niệm cơ bản về rung động siêu âm và những nghiên cứu gần đây về gia công có trợ giúp của rung động siêu âm, đặc biệt là gia công hợp kim nhôm bằng khoan. Các nội dung chính của chương gồm: - Rung động siêu âm và các phương pháp tạo rung động siêu âm; - Tổng quan các kết quả nghiên cứu về khoan có trợ giúp của rung động siêu âm; - Tổng quan về tính gia công của hợp kim nhôm, đặc biệt là tính năng gia công bằng khoan; - Kết luận, một số vấn đề còn tồn tại và xác định mục đích nghiên cứu.2 Một số khái niệm về rung động siêu âm 1.1 Rung động siêu âm Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được (20 kHz) [32]. Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ học với tần số siêu âm.2 Các phương pháp tạo rung siêu âm Có hai phương pháp tạo rung siêu âm thường dùng dựa trên hai hiện tượng vật lí là hiện tượng từ giảo và hiện tượng áp điện. Phương pháp tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng phổ biến hơn so với phương pháp từ giảo do có nhiều ưu điểm: tần số làm việc không bị hạn chế và thay đổi dễ dàng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện-cơ cao (khoảng 95 %) và không gây tiếng ồn khi làm việc.

Trong khi đó, đầu rung từ giảo có tần số làm việc bị hạn chế (< 30 kHz) và khó thay đổi, hiệu suất chuyển đổi điện-cơ thấp (< 50 %) và gây tiếng ồn lớn khi làm việc (> 85 dB). Hiệu ứng áp điện được mô tả như sau: khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu áp điện sẽ sinh ra một điện áp tại hai cực của tấm. Ngược lại, nếu đặt một điện áp thay 8 đổi lên hai mặt của tấm sẽ gây nên sự thay đổi về biến dạng.1 mô tả ứng xử thuận nghịch của vật liệu áp điện.1 Hiệu ứng áp điện [32] Có hai dạng kết cấu phổ biến tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện là: kết cấu sử dụng gốm PZT dạng tấm mỏng xếp chồng (hình 1.2a) và kết cấu sử dụng gốm PZT dạng đĩa lắp ghép theo kiểu “Sandwich” (hình 1.2 Cơ cấu rung: PZT dạng màng mỏng (a), PZT dạng Sandwich (b) 1.3 Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ Siêu âm đã được ứng dụng cho gia công cơ từ những năm 1960 với khái niệm “Gia công siêu âm” [32]. Một cách thức khác, được phát triển sau đó là bổ sung rung động siêu âm vào quá trình gia công được gọi là “gia công có trợ giúp của siêu âm”.

Cách thức, nguyên tắc khai thác rung động siêu âm trong gia công sẽ được trình bày dưới đây.1 Gia công siêu âm Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining-USM) là gia công sử dụng bột mài nhão để tạo các bề mặt dạng lỗ trên các vật liệu cứng như thủy tinh, gốm, sứ v. Nguyên tắc của USM là truyền rung động siêu âm vào vùng gia công, rung động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào vùng gia công tạo nên bề mặt cần gia công. Bản chất của USM là dùng năng lượng va đập đồng thời của một số rất lớn các hạt mài có tần số va đập cao lên bề mặt gia công để bóc tách vật liệu. Nguyên lí của USM được mô tả trên hình 1.3 Nguyên lý gia công siêu âm [33] 1.2 Gia công siêu âm quay Gia công siêu âm quay (Rotary Ultrasonic Machining-RUM) là một quá trình gia công USM đặc biệt, dụng cụ vừa quay vừa rung.

Nguyên lí của RUM như được mô tả trên hình 1. Trong RUM, quá trình bóc tách vật liệu được kết hợp bởi gia công siêu âm và mài kim loại thông thường [34].4 Nguyên lí gia công siêu âm quay [35]: gia công lỗ (a), mài bề mặt (b) 1.3 Gia công có trợ giúp của rung động siêu âm Gia công có trợ giúp của rung động siêu âm (Ultrasonic Vibration Assisted Machining-UVAM hay UAM), là quá trình gia công được bổ sung một rung động có tần số siêu âm và biên độ rất nhỏ nhằm nâng cao hiệu quả bóc tách vật liệu [36]. Nguyên tắc của UAM là làm cho biến đổi tương tác giữa dụng cụ và phôi trở nên không liên tục, do đó tạo điều kiện tách phoi và giảm lực cắt. Nó cũng có thể làm giảm vùng biến dạng của phôi khi gia công, qua đó cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công [27, 37, 38].5 mô tả một quá trình tiện có trợ giúp của rung động siêu âm.5 Tiện có trợ giúp của rung động siêu âm [38] Các phương án bổ sung rung động siêu âm vào quá trình gia công được tóm tắt trên hình 1.

Với gia công tiện (hình 1.6a), phương án tích hợp rung vào dụng cụ là lựa chọn duy nhất. Với gia công phay (hình 1.6b) và gia công bằng xung điện (hình 1.6d), có thể tích hợp rung vào dụng cụ hoặc phôi. Với gia công mài (hình 1.6c), phương án rung phôi là lựa chọn duy nhất.6 Các phương án bổ sung rung động vào quá trình gia công [33] Các dạng qũy đạo rung trong UAM được tóm tắt trong bảng 1.1 Quĩ đạo rung trong gia công có trợ giúp của rung động siêu âm [36] Qũy đạo Phương trình mô tả Phương pháp gia công Hướng rung rung chuyển động cắt x(t) = vt Gia công thông thường z(t) = 0 Rung theo phương x(t) = vt + acos (2πft) Rung chạy dao z(t) = 0 1D Rung theo phương x(t) = vt tiếp tuyến z(t) = bsin(2πft) Rung 2D (EVA-Elliptic x(t) = vt + acos (2πft) vibration-assisted cutting) z(t) = bsin(2πft) Có thể bổ sung rung động vào quá trình cắt theo ba phương: chạy dao, tiếp tuyến và hướng kính như mô tả trên hình 1. Hoặc dụng cụ cắt rung trong một quĩ đạo elip trên mặt phẳng hình thành bởi hướng cắt và hướng thoát phoi như mô tả trên hình 1.4 Tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm về UAD Có thể hệ thống hóa các nghiên cứu thực nghiệm theo 07 hướng nghiên cứu chính, nhằm đánh giá ảnh hưởng của UAD đến: 1) quá trình tạo phoi; 2) lực dọc trục; 3) mô men; 4) nhiệt cắt; 5) chất lượng gia công; 6) tuổi bền dụng cụ; 7) năng suất gia công.

Dưới đây sẽ trình bày tóm tắt kết quả của một số công trình nghiên cứu.1 Ảnh hưởng của UAD đến quá trình tạo phoi Khả năng cải thiện điều kiện thoát phoi với dạng phoi ngắn hoặc mảnh được xem như một sự khác biệt lớn mang lại nhiều lợi ích của UAD so với CD [21]. Điều này cũng là nhận định chung trong kết luận của nhiều nghiên cứu khi phân tích về đặc điểm của quá trình tạo phoi, hình dạng và kích thước của phoi khi áp dụng UAD. Dưới đây sẽ trình bày tóm tắt một số kết quả nghiên cứu về UAD đến quá trình tạo phoi của các nhà nghiên cứu khi khoan trên các loại vật liệu khác nhau. Farrukh Makhdum và cộng sự (2014) [26] nghiên cứu ảnh hưởng của lượng tiến dao đến hình dạng của phoi khi khoan vật liệu CFRP.

Một kết quả ngược lại so với nhiều nghiên cứu trước đây đó là: ở trường hợp CD, phoi có kích thước ngắn hơn so với UAD. Tuy vậy, dạng phoi mảnh được hình thành trong UAD nên điều kiện thoát phoi vẫn được cải thiện (lực dọc trục và mô men giảm 80% so với CD). Khi khảo sát trên vật liệu Inconel 738-LC, B. Akbari (2007) [30] cho biết: sự hình thành không liên tục làm phoi bị bẻ gãy và có diện tích mặt cắt ngang nhỏ trong trường hợp UAD là sự khác biệt lớn so với sự hình thành liên tục với dạng phoi dây trong trường hợp CD.

Các kết luận tương tự như trên cũng được tìm thấy trong nghiên cứu của V. Baghlani và cộng sự (2015) [28] khi khoan trên vật liệu Inconel 738LC. Sự hình thành không liên tục, chiều dài phoi ngắn hơn 1 cm khi khoan với UAD là sự khác biệt lớn so với dạng phoi dây được hình thành liên tục ở CD. Nghiên cứu của Simon S.

Chang và Gary M. Bone (2005) [39] khi khoan hợp kim nhôm cũng cho thấy, chiều dài của phoi trong UAD ngắn hơn 1 mm so với CD. Ảnh hưởng của tần số rung đến quá trình tạo phoi cũng được khảo sát, khi khoan ở tần số 15 kHz phoi có kích thước dài hơn so với dạng phoi vụn được tạo ra khi khoan ở tần số 20 kHz. Khi khoan vật liệu chịu nhiệt GH161, Gao Xing-jun và cộng sự (2011) [40] nhận thấy khi thay đổi chế độ cắt, chiều dày của phoi thay đổi trong khi chiều rộng và chiều dài không có sự khác biệt lớn.

Nghiên cứu của U. Heisel và cộng sự (2008) [41] khi khoan lỗ sâu trên hợp kim đồng ECU-57 cho biết, khi khoan với UAD hình dạng của phoi ngắn và mỏng hơn so với CD giúp quá trình thoát phoi dễ hơn, do đó quá trình khoan ổn định hơn. Với hợp kim nhôm, các nghiên cứu của S. Amini và cộng sự (2013) [25], A.

Barani và cộng sự (2014) [19], R. Stoll (2004) [42] đều cho thấy, UAD cho 13 ra dạng phoi vụn do đó điều kiện thoát phoi được cải thiện, hiện tượng bám dính trên lưỡi cắt không còn, sự tiếp xúc giữa phoi và rãnh xoắn giảm do đó lực dọc trục giảm. Chiều dài của phoi giảm đáng kể là ưu điểm lớn nhất của UAD so với CD. Khả năng bẻ phoi được nhìn nhận như một hiệu ứng tích cực khi bổ sung rung động siêu âm vào quá trình khoan.

Nhận xét: Giảm sự biến dạng của phoi, chiều dài phoi ngắn hoặc phoi dạng mảnh được hình thành trong UAD là sự khác biệt lớn mang lại nhiều lợi ích so với CD. Điều kiện thoát phoi được cải thiện, bản chất ma sát giữa phoi với dụng cụ và phoi với thành lỗ đã thay đổi theo hướng tích cực dưới ảnh hưởng của rung động được bổ sung, do đó hiện tượng bám dính của vật liệu phôi lên lưỡi cắt không còn.2 Ảnh hưởng của UAD đến lực dọc trục khi khoan Nghiên cứu của P. Mehbudi và cộng sự (2013) [43], thực nghiệm so sánh giữa UAD và CD trên vật liệu composite GFRP dát mỏng đã xem xét ảnh hưởng của tốc độ cắt và lượng tiến dao đến lực dọc trục. Trong tất cả các thí nghiệm, lực dọc trục ở UAD giảm đến 40% so với CD.

Lượng tiến dao có mức độ ảnh hưởng lớn hơn tốc độ cắt đến lực dọc trục cho cả UAD và CD. Ở trường hợp CD, lực dọc trục nhỏ nhất khi lượng tiến dao nhỏ nhất trong khoảng khảo sát.