Chương 1 giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu, nhu cầu về khai thác ứng dụng kỹ thuật rung động siêu âm trong gia công. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và các kết quả đạt được cũng được trình bày trong phần này. Chương 2 trình bày tổng quan các vấn đề liên quan đến tạo và truyền sóng siêu âm. Một số ứng dụng của rung động siêu âm trong kỹ thuật và trong gia công cắt gọt được đề cập.
Nội dung tiếp theo giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công. Trên cơ sở tổng quan các nghiên cứu gần đây, tác giả đánh giá khả năng bổ sung rung động siêu âm trợ giúp cho quá trình gia công bằng tiện. Một phương án – đề xuất thiết kế cho cơ cấu rung trợ giúp quá trình tiện lỗ được trình bày ở cuối chương. Chương 3 trình bày các kết quả tính toán thiết kế cụm đầu rung.
Bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hai chức năng Modal analysis và Harmonic response, tần số cộng hưởng và biên độ cho cụm đầu rung được mô phỏng và kiểm tra. Chương 4 trình bày các phương pháp xác định tần số cộng hưởng và biên độ làm việc thực tế của cụm đầu rung sau chế tạo. Chương 5 trình bày các kết quả thí nghiệm gia công tiện cứng lỗ bằng cụm đầu rung siêu âm đã chế tạo. Ưu việt của gia công tiện cứng bề mặt lỗ có rung động trợ giúp so với tiện lỗ truyền thống được đánh giá so sánh thông qua chỉ tiêu chất lượng bề mặt và lực cắt.
Chương 6 trình bày các kết luận và đề xuất. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2. Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công Chương này trình bày một số kết quả tổng quan tài liệu về rung động siêu âm và một số ứng dụng kỹ thuật của rung siêu âm. Kết cấu các bộ phận chính của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công được tập trung làm rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở tính toán thiết kế.
Nội dung chính của chương bao gồm các phần sau đây: Phần 2. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm; Phần 2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm; Phần 2. Một số ứng dụng của siêu âm trong kỹ thuật; Phần 2.
Rung động siêu âm trợ giúp gia công; Phần 2. Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công; Phần 2. Kết luận chương. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm 2.
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 2. Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz [1]. 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). Kỹ thuật về sóng siêu âm là một nhánh của lĩnh vực âm học, liên quan đến việc tạo và khai thác ứng dụng các sóng siêu âm. Sóng siêu âm và ứng dụng của nó thực sự được quan tâm nghiên cứu, phát triển từ sau thế chiến thứ nhất (1918), sau khi Langevin phát minh ra bộ tạo rung siêu âm sử dụng vật liệu áp điện (tinh thể thạch anh). Các ngưỡng tần số rung động 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Siêu âm công suất Rung động siêu âm đã và đang tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tùy mục đích sử dụng, rung động siêu âm được chia thành hai nhóm lớn là siêu âm công suất thấp và siêu âm công suất lớn (còn được gọi tắt là siêu âm công suất). Rung động siêu âm công suất thấp là rung động tạo ra sóng siêu âm được truyền đi với năng lượng thấp. Loại này thường được ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh y tế (chẳng hạn siêu âm kiểm tra thai nhi), kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thử nghiệm không phá hủy (kiểm tra các vết nứt trên cấu trúc máy bay, tàu thủy), … Kỹ thuật siêu âm công suất lớn được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật làm sạch, tẩy rửa, gia công cắt gọt và hàn kim loại và chất dẻo… Wood và Loomis (1927) là những người có những đóng góp đầu tiên tới sự phát triển ứng dụng sóng siêu âm và hệ thống siêu âm công suất lớn [2].
Kỹ thuật này được sử dụng để thay đổi các đặc tính vật lý, hóa học, sinh học của vật liệu. Các ứng dụng của siêu âm công suất nói chung dựa trên nguyên tắc truyền các sóng siêu âm có cường độ cao, nhằm tạo bóng khí trong chất lỏng hoặc hình thành dòng chuyển động của vật chất trong chất rắn để truyền năng lượng siêu âm. Tùy theo mức độ yêu cầu mà tần số rung động có thể từ hàng chục kHz đến hàng trăm kHz. Khoảng biên độ rung động thường từ vài µm đến vài chục µm.
Nguyên tắc tạo rung động siêu âm Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp khai thác hiệu ứng từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện. Phương pháp từ giảo tạo rung động siêu âm bằng cách chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học. Một bộ phát rung bằng tử giảo có cấu tạo gồm một lõi phát rung đặt trong lòng một ống dây. Lõi phát rung làm bằng vật liệu kim loại từ tính, chẳng hạn sắt từ, Cobalt, Niken.
Điện áp có tần số siêu âm được đặt lên ống dây. Sơ đồ mạch tạo rung động siêu âm bằng phương pháp từ giảo được mô tả như hình 2. Khi nằm trong vùng chịu từ trường, các vật liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định hướng dưới tác dụng của lực từ trường theo chiều đường sức từ. Việc thay đổi hướng của từ trường do điện áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng giữa hai trạng thái dãn và nén của tấm vật liệu, minh họa như hình 2.
Hiện tượng này được nhà khoa học Joule khám phá ra năm 1982 [13]. 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm Hình 2. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính tạo ra dao động cơ học [13] Phương pháp tạo rung động siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện là phương pháp phổ biến nhất hiện nay.
Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vật lý được phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó được nghiên cứu chi tiết bởi anh em nhà Pierre và Jacques 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 thay đổi 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.4 mô tả ứng xử cơ - điện của tấm vật liệu áp điện. 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Hiệu ứng áp điện So với phương pháp từ giảo, phương pháp tạo ra rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện có nhiều ưu điểm vượt trội, chẳng hạn như: hiệu suất cao hơn, không bị ảnh hưởng của từ trường xung quanh, phát sinh nhiệt ít hơn, kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao… Vì vậy, các thiết bị ứng dụng siêu âm hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện. Có hai kết cấu phổ biến để tạo rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện là: sử dụng các biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) và dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich”( Hình 2. Thuật ngữ “biến tử” được hiểu là phần tử trong hệ thống có chức năng biến đổi năng lượng (ở đây là từ điện sang cơ và ngược lại). Kết cấu biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) sử dụng các tấm áp điện có chiều dày không quá 2 mm được ghép xen kẽ với các điện cực kim loại.
Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b) Thiết bị tạo rung nhiều lớp thường có công suất nhỏ, hay được sử dụng để tạo rung động không yêu cầu chịu tải lớn, hoặc để điều khiển vị trí đối tượng một cách chính xác. Lượng dịch chuyển thu được là tuyến tính theo phương dọc trục, thường có độ lớn từ 0,1 đến 0,15 % chiều dài của bộ tạo rung. Tần số thay đổi dịch chuyển có thể lên tới vài kHz. Thiết bị tạo rung dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich” do Langevin đề xuất năm 1918.
Kết cấu bộ tạo rung gồm một số chẵn tấm vật liệu áp điện có chiều 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dày khoảng 5 – 10 mm, được kẹp giữa hai tấm kim loại (xem minh họa trên hình 2. Các tấm kim loại và vật liệu được gọi chung là các “biến tử”. Thiết bị tạo rung dạng này chỉ phát được rung động có biên độ lớn ở một vài giá trị tần số tương ứng với hiện tượng cộng hưởng của cơ hệ. Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong phần 2.
Với cấu trúc này, tần số làm việc của hệ biến tử không phụ thuộc vào kích thước ngang của tấm áp điện, mà chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tử theo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dày của hai tấm kim loại mà không cần thay đổi chiều dày của tấm gốm áp điện. Đây là đặc tính quan trọng, giúp kết cấu này được sử dụng phổ biến hiện nay. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm Rung động siêu âm được truyền trong môi trường dưới dạng sóng.
Dạng quỹ đạo truyền sóng được xác định dựa vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động trong các vật liệu mà nó truyền qua. Trong lòng bất kỳ vật liệu nào cũng chứa các nguyên tử được liên kết với nhau.