Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và đánh giá đầu rung siêu âm trong gia công cơ khí

• Tác giả: Ngô Quốc Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Dự
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Thiết Kế Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Và Đánh Giá Đầu Rung Siêu Âm Cho Gia Công Cơ Khí
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
• 1. CHƯƠNG 1: VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Cách tiếp cận
• 1.3. Các kết quả đạt được
• 1.4. Cấu trúc luận văn
• 1.5. Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
• 1.5.1. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm
• 1.5.2. Rung động siêu âm
• 1.5.3. Siêu âm công suất
• 1.5.4. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm
• 1.5.5. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật
• 1.5.5.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm
• 1.5.5.2. Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)
• 1.5.5.3. Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm
• 1.5.5.4. Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm
• 1.5.5.5. Siêu âm trong y học
• 1.6. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
• 1.6.1. Khoan có rung động siêu âm trợ giúp
• 1.6.2. Phay có rung động siêu âm trợ giúp
• 1.6.3. Tiện có rung động siêu âm trợ giúp
• 1.7. Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công
• 1.7.1. Nguồn phát công suất siêu âm
• 1.7.2. Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor)
• 1.7.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 1.7.2.2. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin
• 1.7.3. Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster và Horn)
• 1.7.3.1. Chức năng, cấu tạo
• 1.7.3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán đầu khuếch đại biên độ rung
• 1.7.3.2.1. Dạng trụ có tiết diện không đổi
• 1.7.3.2.2. Dạng trụ bậc (Double cylinder / Stepped Horn)
• 1.7.3.2.3. Dạng hình côn (Conically Tapered Horns)
• 1.8. Kết luận chương
• 1.9. Tính toán thiết kế kết cấu đầu rung mới
• 1.9.1. Nguyên lý cấu tạo bộ tạo rung trợ giúp tiện lỗ
• 1.9.2. Lựa chọn bộ phát rung siêu âm thương mại
• 1.9.3. Thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung dạng trụ bậc
• 1.9.4. Thiết kế kết cấu đồ gá mang cơ cấu rung cho tiện lỗ
• 1.10. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung siêu âm (Finite Element Modeling of Ultrasonic Vibratory Tool)
• 1.10.1. Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA)
• 1.10.2. Mô hình phân tích tần số dao động riêng (Modal Analysis)
• 1.10.3. Mô hình phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic response analysis)
• 1.11. Kết luận chương
• 1.12. Thực nghiệm xác định tần số, biên độ rung
• 1.12.1. Xác định tần số cộng hưởng
• 1.12.1.1. Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng
• 1.12.1.1.1. Phương pháp mạch cầu (Bridge methods)
• 1.12.1.1.2. Sử dụng mạch đo độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện (I-V Methods)
• 1.12.1.1.3. Phương pháp cầu tự cân bằng (Auto-balancing bridge method)
• 1.12.1.1.4. Sử dụng thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer
• 1.12.1.2. Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cụm đầu rung
• 1.12.2. Đánh giá biên độ rung động
• 1.12.2.1. Các phương pháp đo biên độ
• 1.12.2.1.1. Phương pháp đo không tiếp xúc
• 1.12.2.1.1.1. Phương pháp đo trực tiếp biên độ bằng kính hiển vi
• 1.12.2.1.1.2. Sử dụng Laser Vibrometer
• 1.12.2.1.2. Phương pháp đo tiếp xúc
• 1.12.2.1.2.1. Sử dụng cảm biến khoảng cách
• 1.12.2.1.2.2. Sử dụng gia tốc kế (accelerometer)
• 1.12.2.1.2.3. Sử dụng đồng hồ so
• 1.12.2.1.2.4. Sử dụng panme đo ngoài
• 1.12.2.2. Kết quả đo biên độ rung động
• 1.13. Thực nghiệm gia công đánh giá đầu rung
• 1.13.1. Thiết bị thí nghiệm
• 1.13.1.1. Máy tiện vạn năng V-Turn 410
• 1.13.1.2. Mẫu thí nghiệm
• 1.13.1.3. Dụng cụ cắt
• 1.13.1.4. Cảm biến đo lực cắt
• 1.13.1.5. Máy đo nhám bề mặt
• 1.13.2. Kiểm chuẩn xác định quan hệ lực với điện áp
• 1.13.3. Thiết kế thí nghiệm tiện lỗ với phần mềm Minitab
• 1.13.4. Kết quả đánh giá quá trình tiện lỗ
• 1.13.4.1. Đánh giá về độ nhám bề mặt
• 1.13.4.2. Đánh giá về lực cắt
• 1.14. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• 1.14.1. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

I. Tổng quan về thiết kế đầu rung siêu âm cho gia công cơ khí

Thiết kế và đánh giá đầu rung siêu âm là một lĩnh vực quan trọng trong gia công cơ khí hiện đại. Công nghệ này không chỉ giúp giảm lực cắt mà còn nâng cao chất lượng bề mặt gia công. Đầu rung siêu âm được sử dụng để tạo ra rung động, hỗ trợ quá trình gia công, đặc biệt là với các vật liệu khó gia công như thép không gỉ hay hợp kim nhôm. Việc nghiên cứu và phát triển đầu rung siêu âm sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo.

1.1. Nguyên tắc hoạt động của đầu rung siêu âm

Đầu rung siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo ra rung động với tần số cao, giúp giảm ma sát trong quá trình gia công. Rung động này được truyền từ bộ chuyển đổi áp điện đến dụng cụ cắt, tạo ra hiệu ứng cắt hiệu quả hơn.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng đầu rung siêu âm

Sử dụng đầu rung siêu âm mang lại nhiều lợi ích như giảm lực cắt từ 20% đến 30%, cải thiện độ nhám bề mặt và kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt. Điều này giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí gia công.

II. Thách thức trong thiết kế đầu rung siêu âm cho gia công

Mặc dù công nghệ đầu rung siêu âm mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong thiết kế và ứng dụng. Một trong những vấn đề lớn nhất là kích thước của đầu rung thường lớn hơn so với kích thước gia công, gây khó khăn trong việc bố trí. Ngoài ra, việc điều chỉnh tần số và biên độ rung cũng là một thách thức lớn.

2.1. Kích thước và bố trí đầu rung

Kích thước lớn của đầu rung siêu âm có thể gây khó khăn trong việc lắp đặt trên máy gia công. Cần có các giải pháp thiết kế để tối ưu hóa kích thước mà vẫn đảm bảo hiệu suất.

2.2. Điều chỉnh tần số và biên độ rung

Việc điều chỉnh tần số và biên độ rung là rất quan trọng để đạt được hiệu quả gia công tối ưu. Cần có các phương pháp kiểm tra và điều chỉnh chính xác để đảm bảo đầu rung hoạt động hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế đầu rung siêu âm hiệu quả

Để thiết kế đầu rung siêu âm hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) giúp phân tích và tối ưu hóa kết cấu đầu rung, từ đó nâng cao hiệu suất gia công.

3.1. Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn FEM

Mô hình phần tử hữu hạn cho phép phân tích tần số cộng hưởng và biên độ rung của đầu rung. Phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu suất gia công.

3.2. Thiết kế kết cấu đầu rung

Kết cấu đầu rung cần được thiết kế sao cho đảm bảo độ cứng và khả năng chịu lực. Việc lựa chọn vật liệu và hình dạng phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả gia công.

IV. Ứng dụng thực tiễn của đầu rung siêu âm trong gia công

Đầu rung siêu âm đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực gia công như tiện, phay và khoan. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng đầu rung siêu âm không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian gia công.

4.1. Ứng dụng trong gia công tiện

Trong gia công tiện, đầu rung siêu âm giúp giảm lực cắt và cải thiện độ nhám bề mặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ nhám bề mặt giảm đáng kể so với phương pháp gia công truyền thống.

4.2. Ứng dụng trong gia công phay

Đầu rung siêu âm cũng được áp dụng trong gia công phay, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng rung động siêu âm trong phay đã chứng minh được hiệu quả rõ rệt trong việc giảm lực cắt.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của đầu rung siêu âm

Kết luận cho thấy rằng đầu rung siêu âm là một công nghệ hứa hẹn trong gia công cơ khí. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo. Tương lai của đầu rung siêu âm sẽ phụ thuộc vào việc cải tiến thiết kế và ứng dụng công nghệ mới.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các loại đầu rung siêu âm mới, phù hợp với nhiều loại vật liệu và quy trình gia công khác nhau.

5.2. Tích hợp công nghệ mới

Tích hợp công nghệ mới vào thiết kế đầu rung siêu âm sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất. Việc áp dụng công nghệ 4.0 trong gia công sẽ là xu hướng tất yếu trong tương lai.