ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP






NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG





ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Ngun - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP





NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG




ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG

Chun ngành : Kỹ thuật cơ khí
Mã số : 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


PHỊNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC


PGS. TS Nguyễn Văn Dự
KHOA CƠ KHÍ DUYỆT BAN GIÁM HIỆU



Thái Ngun - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
i


LỜI CAM ĐOAN


Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo
hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được cơng bố, trừ những
thơng tin tham khảo được trích dẫn.


Thái Ngun, Tháng 03 năm 2014
Học viên



Nguyễn Thị Lệ Hằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
ii


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học của
tơi, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp
đỡ cho tơi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Thứ đến, tơi xin chân
thành cảm ơn thầy giáo, Ths. Lê Duy Hội và Ths. Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tơi rất
nhiều trong q trình làm luận văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Dũng và các kỹ thuật viên trong DNTN của
anh Dũng đã giúp đỡ tơi trong việc gia cơng, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực hiện
thí nghiệm cho đề tài này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban chức năng trường Đại học
Kỹ thuật Cơng nghiệp - Đại học Thái Ngun đã tạo điều kiện để tơi được tham gia và
hồn thành khóa học này.

Tơi xin cảm ơn các cán bộ, nhân viên của Trung tâm thí nghiệm - Trường ĐHKT
Cơng nghiệp, phòng thí nghiệm kỹ thuật và cơng nghệ vật liệu đã giúp tơi hồn thành
luận văn này.
Lòng biết ơn chân thành tơi xin bày tỏ với gia đình tơi, vì tất cả những gì mà mọi
người đã dành cho tơi. Mọi người đã chăm sóc, động viên tơi trong suốt thời gian tơi
sống, học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu, các thầy cơ giáo, các bạn bè, đồng nghiệp
trong trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật – Đại học Thái Ngun đã tạo điều kiện, hỗ trợ
và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập và làm đề tài này.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
iii

TĨM TẮT

Qua việc phân tích một cách hệ thống các ưu điểm vượt trội của phương pháp gia
cơng có rung động trợ giúp và các ngun lý tạo rung động, nghiên cứu này giới thiệu
một ứng dụng của rung động siêu âm với tần số cao nhằm trợ giúp gia cơng tiện tinh trên
vật liệu là thép 9XC đã tơi đạt độ cứng 58 – 60 HRC. Một Piezo tạo rung theo ngun lý
áp điện có tần số rung động là 28 KHz, biên độ rung từ 2 đến 10 micromet được gắn vào
đầu dao tiện nhằm tạo rung cho dao theo phương lực cắt. Các phơi thép 9XC tơi cứng có
đường kính 63 mm, chiều dài 40 mm đã được gia cơng bằng tiện tinh thường và tiện tinh
có trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao để so sánh đối chứng. Các bộ thí nghiệm đã
được thiết kế nhằm so sánh độ nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ và tuổi thọ của dao giữa
hai chế độ gia cơng tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp. Số liệu thực
nghiệm về độ nhám bề mặt, độ tròn và độ trụ được phân tích so sánh thơng qua kiểm

nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 18 mẫu đo. Kết quả cho thấy tiện cứng có sự trợ
giúp của rung động siêu âm tần số cao có thể làm giảm độ nhám bề mặt các mẫu gia
cơng, tăng cấp độ nhẵn cho bề mặt chi tiết sau khi tiện tinh từ một đến hai cấp tạo chất
lượng bề mặt tốt hơn. Khi tiện có rung trợ giúp xuất hiện hiện tượng bẻ phoi hiệu qủa,
các dạng phoi tiện có rung động trợ giúp thường phoi vụn. Diện tích và chiều sâu vết lõm
của bề mặt phần cắt mảnh dao tiện bị mòn khi sử dụng để gia cơng tiện cứng có rung trợ
giúp chỉ bằng 30 so với khi tiện cứng truyền thống. Khả năng nâng cao năng suất, chất
lượng bề mặt khi tiện có rung trợ giúp trên các vật liệu cứng khó gia cơng trở nên rất hứa
hẹn tại Việt Nam.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
iv



MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt iii
Mục luc iv
Các ký hiệu viết tắt vi
Danh mục các hình ảnh vii
Danh mục các bảng, biểu ix
GIỚI THIỆU 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CĨ RUNG ĐỘNG

TRỢ GIÚP 5
1.1. Tiện cứng 5
1.2 .Phân tích đánh giá các cơng bố về khai thác rung động cho gia cơng tiện 6
1.3.Cơ sở và ngun tắc khai thác rung siêu âm 8
1.3.1. Cơ sở khai thác rung siêu âm 8
1.3.2. Ngun tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện 8
1.4. Độ chính xác gia cơng 10
1.4.1. Khái niệm về độ chính xác gia cơng 10
1.4.2. Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia cơng 11
1.5. Chất lượng bề mặt gia cơng 11
1.5.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia cơng 11
1.5.2. Tính chất hình học lớp bề mặt 12
1.5.3. Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy 12
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM 13
1.5.5. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt 13
1.5.6. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt 14
1.6. Kết luận chương 14
Chương 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA
CƠNG TIỆN 15
2.1.Ngun tắc tạo rung và tích hợp rung 15
2.1.1.Ngun tắc tạo rung 15
2.1.2.Ngun tắc tích hợp rung 16
2.2. Đề xuất thiết kế 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
v

2.3. Sơ đồ ngun lý gia cơng tiện cứng rung theo phương pháp tạo rung bằng các PZT.18
2.3.1. Thiết kế, chế tạo thân dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và chọn mảnh dao 18
2.3.2. Lựa chọn, chế tạo và ghép nối bộ tạo rung siêu âm tần số cao PZT 19
2.3.3. Lắp ghép Piezo với thân dao tiện và bộ tạo xung 20

2.3.4. Máy phát điện áp xung 21
2.4.Kiểm chứng 22
2.5. Kết luận chương 22
Chương 3. THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM 23
3.1.Thiết bị gia cơng 23
3.1.1.Máy tiện MAZAK: 23
3.1.2.Dao tiện có tích hợp rung 24
3.1.3. Phơi gia cơng 25
3.1.4. Máy cắt dây CW322S: 26
3.2.Thiết bị đo 27
3.2.1. Kính hiển vi điện tử qt VEGA SBU EasyProbe 27
3.2.2. Đồng hồ so micromet 27
3.2.3.Máy đo độ cứng vật liệu phơi và máy đo độ nhám bề mặt phơi 28
3.2.4.Panme đo ngồi 28
3.2.5.Đồng hồ đo biên độ rung tại lưỡi cắt của dao tiện rung gắn mảnh hợp kim 28
3.3. Cách thu thập dữ liệu 29
3.4. Thiết kế thí nghiệm 29
3.4.1. Tính tốn số lượng mẫu thí nghiệm bằng tay 29
3.4.2. Tính tốn số lượng mẫu thí nghiệm bằng máy 30
3.5. Kết luận chương 30
Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 31
4.1. Trình tự thực hiện thí nghiệm 31
4.2. Các kết quả thực nghiệm 32
4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm 35
4.4. Kết luận chương 38
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
vi

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

UVC Cắt rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)
CUVC Cắt rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic Vibration
Cutting)
PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)
PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện)
USM Gia cơng siêu âm (Ultrasonic Machining)
CLBM Chất lượng bề mặt
CTM Chi tiết máy
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
vii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

TT hình Nội dung
Trang

1.1
G Gia cơng ti
ện cứng
5
1.2 Hiện ứng áp điện 8
1.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và hành trình 9
1.4 PZT dạng miếng đơn trong cơng nghiệp 9
1.5 Các PZT xếp chồng 10
2.1(a) Mơ hình tiện với rung động trợ giúp 15
2.1(b) Ngun tắc tạo rung trong PZT 16

2.2 Mơ hình phương án tiện rung 17
2.3(a) Sơ đồ ngun lý gia cơng tiện cứng rung 18
2.3(b) Hình dáng và thơng số của dao tiện 18
2.4
Hình dáng và thơng số của mảnh dao hợp kim cứng
19
2.5
Kích thước PZT và cách đấu điện áp
19
2.6 Cách đấu nối các tấm thạch anh của PZT,Chồng PZT- đã ghép nối 20
2.7 Hình dáng và kích thước Piezo 20
2.8(a,b)
Mơ hình thiết kế tạo rung theo hiệu ứng áp điện và thiết bị gá rung thực tế
20
2.8c Mơ hình đấu nối bộ tạo rung theo hiệu ứng áp điện 21
2.9 Máy phát điện áp xung, cơng suất 1200W 22
3.1
Máy tiện Mazak D = 280
24
3.2 Mơ hình thiết kế và thiết bị gá rung thực tế 25
3.3 Máy phát điện áp xung 25
3.4 Phơi thép 9XC 26
3.5 Máy cắt dây CW322S 26
3.6 Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe 27
3.7 Đồng hồ so 27
3.8
Máy đo độ cứng và máy đo độ nhám Mitutoyo 201
28
3.9 Panme đo ngồi 28
3.10 Đồng hồ đo biên độ rung micromet 28

3.11 Tính tốn số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết 30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />
viii

4.1
Phoi tạo ra khi tiện thường và tiện rung
32
4.2 Đo độ nhám mặt trụ và mặt đầu của phơi tiện cứng 33
4.3 Nhám bề mặt (a) phơi tiện thường và (b) phơi tiện rung 33
4.4 Đo độ tròn và độ trụ của phơi tiện cứng: (a) Đo bằng panme, (b) Đo
bằng đồng hồ so 34
4.5 Ảnh chụp phoi khi tiện thường và tiện rung 34
4.6
Ảnh chụp mảnh dao tiện bi mòn sau khi tiện thường và mảnh dao sau
tiện rung
35
4.7
Kết quả so sánh độ nhám bề mặt
35
4.8
Kết quả so sánh độ nhám bề mặt
36
4.9 Phân bố độ nhám bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt cho
bề mặt tiện rung 36
4.10 Kết quả so sánh độ tròn bề mặt tiện 37
4.11 Phân bố độ tròn bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt cho bề
mặt tiện rung 37
4.12 Kết quả so sánh độ trụ bề mặt tiện 38
4.13 Phân bố độ trụ bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt cho bề
mặt tiện rung

38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT bảng Nội dung Trang

3.1
Thơng số cơ bản của máy tiện sử dụng thí nghiệm
23
3.2 Cơ tính của phơi gia cơng và thành phần hóa học của phơi 26
4.1
Đường kính và độ nhám của các bề mặt tiện
33
4.2
Sai lệch độ tròn và độ trụ của các bề mặt tiện
37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 1


GIỚI THIỆU
Phần này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài nghiên
cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt được. Mục 0.1 trình bày về vấn đề
nghiên cứu, hay tính cấp thiết của đề tài. Mục 0.2 tóm tắt các thơng tin tổng quan về các
kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về gia cơng có rung động trợ giúp. Các mục
tiêu cụ thể của nghiên cứu được thể hiện trong mục 0.3. Mục 0.4 tóm tắt các kết quả
chính đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm. Mục cuối cùng giới thiệu cấu trúc
của luận văn.
0.1. Vấn đề nghiên cứu
Trong gia cơng cơ khí vấn đề nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất cắt khi gia
cơng các loại vật liệu có độ cứng cao đang là một lĩnh vực được các nhà chế tạo, các nhà
khoa học trong và ngồi nước quan tâm nghiên cứu.
Tiện cứng là phương pháp gia cơng tiện các loại vật liệu có độ cứng cao như thép đã
qua tơi, gốm sứ, thủy tinh,…Nó là một phương pháp gia cơng phổ biến cần đạt độ nhẵn
bóng bề mặt và năng suất cắt cao.Tuy nhiên trong q trình tiện cứng do phơi có độ cứng
cao nên trong q trình cắt ma sát sinh ra lớn làm cho dụng cụ cắt mòn nhanh, đồng thời
tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau q trình gia
cơng [1].
Để khắc phục những hạn chế kể trên, gia cơng cắt rung nói chung hay cơng nghệ tiện
cứng có tích hợp rung động cưỡng bức nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế

giới quan tâm và cơng bố [2].
Cắt rung là một kỹ thuật sử dụng rung động với tần số cao hay thấp tác động lên dụng
cụ cắt hoặc phơi trong một hoạt động gia cơng để đạt được hiệu suất cắt tốt hơn.Kỹ thuật
này đã được sử dụng trong gia cơng chính xác gỗ [3,4] và thép cacbon thấp [5].
Trong q trình tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức là ta đưa thêm vào q
trình cắt một nguồn rung động chủ động với tần số cao và biên độ dao động theo hướng
chuyển động chạy dao của dụng cụ cắt và phơi.Ở q trình này thì nguồn tạo rung là các
cơ cấu ứng dụng hiệu ứng áp điện.Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ
cấu chuyển đổi áp điện PZT( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và
biên độ rung nhỏ.Vì vậy khi tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức có sử dụng các
cơ cấu này sẽ khắc phục được những nhược điểm mà gia cơng tiện cứng còn tồn tại kể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 2

trên.Các PZT này đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành cơng trên nhiều loại máy
ở các nước trên thế giới [2, 6].
Các thực nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức
có 9 ưu điểm vượt trội so với tiện cứng truyền thống đó là [2, 6 ÷ 8] :
1. Lực cắt giảm từ 3 đến 10 lần
2. Sản phẩm đạt độ chính xác cao
3. Nhiệt cắt thấp
4. Khơng tạo nên hiện tượng lẹo dao, khơng có bavia khi cắt, biến dạng ít
5. Nhám bề mặt thấp
6. Độ cứng vững của hệ thống cơng nghệ cao
7. Q trình cắt ổn định, loại bỏ hiện tượng va đập giữa dao và phơi khi cắt
8. Tuổi thọ của dụng cụ cắt tăng từ 3 đến 8 lần
9. Tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho chi tiết gia cơng.
Trong lĩnh vực gia cơng cơ khí ở Việt Nam hiện nay thì việc chế tạo được cơ cấu
PZT ứng dụng phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước là một vấn đề khá mới mẻ đã
được các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo đưa ra và bàn hướng tiếp
cận tại hội nghị cơ học tồn quốc lần thứ 3 vừa qua.

Vì các lý do đã phân tích ở trên tơi mạnh dạn đề xuất đề tài “Đánh giá ảnh hưởng
của rung động tích cực đến tiện cứng” nhằm hiện thực hóa và kiểm chứng một số ưu
điểm của tiện cứng có tích hợp rung động trợ giúp tại Việt Nam.
0.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động cơng nghệ nhằm triển khai thực nghiệm bộ
tạo rung động trợ giúp cho ngun cơng tiện cứng nhằm khẳng định tính ưu việt của
phương pháp gia cơng có rung động trợ giúp và hiện thực hóa phương pháp gia cơng tiên
tiến này ở Việt Nam. Mòn, độ nhám, độ tròn và độ trụ của bề mặt tiện được chọn là các
chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với tiện truyền thống.
Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:
1.

So sánh hiệu quả của tiện cứng có rung động trợ giúp với tiện cứng truyền
thống;
2. Đề xuất bộ thơng số rung phù hợp với u cầu gia cơng cụ thể.

0.3. Các kết quả đã đạt được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 3

Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo được cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho tiện cứng
theo ngun lý tạo rung động siêu âm tần số cao (PZT). Các thí nghiệm đã được thực
hiện để kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với
tiện truyền thống. Các kết quả mà đề tài đã đạt được bao gồm:
 Tổng quan về cơ sở và các nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp
gia cơng cơ nói chung và ngun cơng tiện nói riêng;
 Thực nghiệm triển khai thành cơng cơ cấu tạo rung với ngun lý tạo rung
dựa trên hiệu ứng áp điện vào tiện cứng;
 Vận hành và thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm, cho thấy ưu việt của rung
động trợ giúp tiện cứng về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, độ
tròn, độ trụ so với tiện truyền thống thép 9XC đã tơi như sau:

o Rung động cưỡng bức làm tăng khả năng bẻ phoi cho tiện cứng, phoi tiện
có rung thường là phoi vụn;
o Sơ bộ đánh giá tuổi bền dao: Độ mòn mảnh dao của tiện cứng có rung chỉ
bằng khoảng 1/3 so với tiện cứng truyền thống(so sánh trên cùng một thể
tích kim loại bị bóc đi là 7.5 mm
3
);
o Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền thống khơng
những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,7054% so với 1,302%) mà còn có
phạm vi p tán nhỏ hơn hẳn (Độ lệch chuẩn chỉ là 0,1187 so với
0,4455).Giảm cấp độ nhám từ 1 đến 2 cấp;
o Độ tròn trung bình của các bề mặt tiện cứng truyền thống là 0,014%; trong
khi giá trị này ở tiện cứng rung khoảng 0,005%. Nghĩa là, độ tròn của tiện
rung chỉ bằng khoảng gần 1/3 lần so với độ tròn bề mặt khi tiện thường;
o Độ trụ trung bình của các bề mặt tiện cứng truyền thống là 0,046%; trong
khi giá trị này ở tiện cứng có tích hợp rung khoảng 0,026%. Nghĩa là, độ
trụ của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/2 lần so với độ trụ bề mặt khi tiện
thường;
 Kiểm chứng được giả thuyết tiện cứng có rung động có ưu điểm hơn so với
tiện cứng truyền thống theo các tiêu chí: nhám bề mặt, độ chính xác hình
dáng hình học, tình trạng phoi và tuổi bền của dao;
 Thử nghiệm khả năng chủ động cơng nghệ tạo rung trợ giúp gia cơng tiện
cứng.
0.4. Cấu trúc luận văn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 4

Ngồi phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4 chương
với các nội dung cơ bản từng chương như sau:
Trong chương 1, giới thiệu tổng quan về tiện cứng, gia cơng tiện cứng có rung động
trợ giúp có các ưu việt nổi trội so với tiện cứng truyền thống.Trình bày cơ sở và ngun

tắc khai thác rung siêu âm.
Chương 2, triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia cơng tiện
cứng.Ngun tắc tạo rung và tích hợp rung được nêu ở đây, phân tích và đưa ra đề xuất
triển khai thực nghiệm và kiểm chứng cơ cấu rung siêu âm tần số cao tích hợp tiện cứng.
Chương 3, thiết kế thí nghiệm tiện cứng.Chương này nói về các thiết bị gia cơng và
các thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm, cách thu thập số liệu thí nghiêm và thiết kế thí
nghiệm.
Chương 4, trình bày trình tự thực hiện thí nghiệm, kết quả thí nghiệm, phân tích và
đánh giá số liệu thí nghiệm. Ưu việt của tiện có rung động trợ giúp so với tiện truyền
thống được phân tích thơng qua các thí nghiệm so sánh đối chứng.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối cùng của
luận văn.







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TIỆN CỨNG VÀ TIỆN CỨNG CĨ RUNG ĐỘNG
TRỢ GIÚP
1.1. Tiện cứng
TiƯn lµ mét ph¬ng ph¸p gia c«ng c¾t gät th«ng dơng nhÊt, nã t¹o nªn bỊ mỈt gia
c«ng b»ng hai chun ®éng gäi lµ chun ®éng t¹o h×nh (chun ®éng quay trßn cđa
chi tiÕt) vµ di chun th¼ng cđa dao.
Tiện cứng là phương pháp tiện sử dụng dao bằng vật liệu siêu cứng CBN (Cubic
Boron Nitride), PCBN, PCD hoặc ceramic tổng hợp thay thế cho mài để gia cơng thép đã

tơi (có độ cứng lớn hơn 45HRC) [1] . Phương pháp này có thể gia cơng khơ và hồn
thành chi tiết trong cùng một lần gá.
Cấp chính xác khi tiện cứng đạt IT6 và độ bóng bề mặt
(Rz = 2

4 micromet), có thể so sánh với chất lượng khi mài.

Hình 1.1. Gia cơng tiện cứng
Tiện cứng có thể gia cơng được các loại vật liệu là thép rèn đã tơi, thép gió, và hợp
kim cứng bề mặt stellites… Hợp kim stellites có thể gia cơng bằng tiện cứng đã mở rộng
khả năng của tiện cứng kể cả cơng việc sửa chữa. Vật liệu điển hình được tiện cứng là
thép 9XC (58  62HRC); X12M(60HRC); 5120 (62HRC); 1050(62HRC); …

Nhiều nhà máy chế tạo ổ đỡ, bánh răng và trục bằng thép đã tơi sử dụng tiện cứng
thay cho mài. Tiện cứng có thể đạt dung sai kích thước đến ±0,01mm hoặc tốt hơn với
thời gian chế tạo lâu và độ bóng bề mặt tuyệt vời. Hơn nữa, máy mài có thể đắt gấp 2 - 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 6

lần máy tiện. Trong nhiều nhà máy, tiện cứng đã thay thế tiện cứng cho mài truyền thống,
giá đầu tư thiết bị chỉ bằng khoảng 1/3. Hơn nữa, thời gian chu kỳ và điều chỉnh ngắn
hơn nhiều khi sử dụng máy tiện.
Việc áp dụng cơng nghệ tiện cứng để gia cơng lần cuối các chi tiết mang lại những
lợi ích sau:

Giảm thời gian chu kỳ gia cơng một sản phẩm, giảm chi phí đầu tư thiết bị.

Tăng độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cho chi tiết gia cơng.

Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2  4 lần), nâng cao năng suất gia cơng.


Gia cơng được các contour phức tạp.

Cho phép thực hiện nhiều bước gia cơng trong cùng một lần gá.

Có thể chọn gia cơng có hoặc khơng có dung dịch trơn nguội. Gia cơng khơ tránh
được cho phí dung dịch trơn nguội và khơng có chất thải ra ra mơi trường.
Tuy nhiên trong q trình tiện cứng do phơi có độ cứng cao nên trong q trình cắt
ma sát giữa phơi và dụng cụ cắt lớn làm cho lực cắt lớn, dụng cụ cắt mòn nhanh,
đồng thời tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau
q trình gia cơng [1, 3, 4].
Để khắc phục các nhược điểm của tiện cứng truyền thống nêu ở trên, việc ứng
dụng rung động cưỡng bức vào q trình tiện cứng nhằm nâng cao độ chính xác về
kích thước, dộ chính xác về hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt cho gia cơng
tiện cứng nói chung.
1.2 .Phân tích đánh giá các cơng bố về khai thác rung động cho gia cơng tiện
Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một q trình cắt
tiên tiến đã được ứng dụng từ những năm 1960. Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt
truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các PZT(Voronin và Marknov,
1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác). Do có sự
chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phơi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ
dụng cụ cắt và cải thiện được tính ổn định khi cắt cũng như độ chính xác gia cơng, chất
lượng bề mặt (Skelton 1969; Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi, 1997;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 7

Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự, 2004; Ma và
cộng sự). Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc được các khó khăn về tính kinh tế trong
các phương pháp gia cơng truyền thống như đã được đề cập ở trên và nó còn có thể nhận
được độ chính xác gia cơng cao cho nhiều loại vật liệu gia cơng khác nhau (Skelton và
cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự, 1979; Gao và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki,
1994; Baibitsky và cộng sự 2002; Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó,

cơng nghệ UVC đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà
chế tạo trong tất cả các cơng nghệ gia cơng.
Ngày nay, ngun lý của kỹ thuật UVC đang được kết hợp với các phương pháp gia
cơng khác, như tiện, khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng để tạo ra các lợi
ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002; Gao và Liu, 2003;
Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005; Suzuki và cộng sự, 2006)
[8 ÷10].
Một cách tiếp cân khác giải quyết vấn đề này là sử dụng cơng nghệ rung động trợ
giúp gia cơng (Vibration Assisted Machining – VAM) tác động lên phơi hoặc lên dụng cụ
cắt khi tiện cứng [2, 5 ÷ 11]. Ngun tắc chung của các phương phương pháp này là bổ
sung một nguồn rung động tương đối theo phương dọc trục dao tiện [10] hay theo
phương của lực cắt khi tiện [11]. Rung động được khai thác cho tiện cứng là rung siêu
âm, có tần số cao (f = 10 ÷ 40 KHz) và biên độ thấp (A = 2 ÷ 10 micromet) [10]. Các kết
qủa cho thấy gia cơng bằng tiện có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện bẻ phoi, giảm
lực cắt, tăng tuổi bền dao tiện, nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng.
Gia cơng tích hợp rung siêu âm là phương pháp gia cơng có nguồn rung động trợ
giúp với tần số rung động từ 15 ÷ 20 KHz trở lên, nguồn rung động với tần số càng cao
thì hiệu quả của q trình gia cơng các vật liệu dòn càng tốt [13]. Nhiều nghiên cứu khác
nhau đã có nhiều cải thiện đáng kể về lực cắt khi tiện, kích thước các bavia, mài mòn
dụng cụ cắt thấp, giảm ồn, nâng cao độ chính xác và chất lượng bề mặt sau tiện cứng.
Như vậy, nói chung chất lượng tổng thể của phương pháp tiện được cải thiện đáng
kể với sự trợ giúp của rung siêu âm. Việc sử dụng rung siêu âm trong các q trình gia
cơng đã tạo ra nhiều ưu thế cho gia cơng các loại vật liệu khó gia cơng. Để tạo ra được
q trình tiện rung tích hợp siêu âm, cần phải có thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm
Piezoelectric và máy phát xung. Hiện nay, ở Việt Nam chưa cơng bố khoa học cả về
nghiên cứu gia cơng có tích hợp rung lẫn thí nghiệm cách gia cơng này. Đề tài này được
thực hiện nhằm hiện thực hóa cách thức gia cơng có tích hợp rung động tích cực; đồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 8

thời kiểm chứng một số ưu điểm của phương pháp này so với gia cơng truyền thống.Các

kết quả được phân tích cho thấy chất lượng bề mặt tiện có tích hợp rung được cải thiện rõ
rệt so với tiện truyền thống.
1.3.Cơ sở và ngun tắc khai thác rung siêu âm

1.3.1. Cơ sở khai thác rung siêu âm
Dựa vào những phân tích đã trình bày ở mục 1.1 và mục 1.2 ở trên thấy rằng việc
khai thác rung vào trong q trình tiện cứng là một vấn đề khoa học có căn cứ và cần
được áp dụng ngay vào lĩnh vực cơng nghệ chế tạo máy ở nước ta hiện nay.Trong phạm
vi của nghiên cứu này xin đề cập tới vấn đề nghiên cứu khai thác cơ cấu rung siêu âm áp
dụng ngun tắc rung hiệu ứng áp điện có tần số cao biên độ thấp vào trong gia cơng tiện
cứng.
1.3.2. Ngun tắc khai thác rung siêu âm ứng dụng hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện được Jacques và Pierre Curie phát hiện và năm 1880. Họ thấy rằng
nếu đặt một biến dạng cơ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực về điện và mức độ
phân cực tỷ lệ với mức độ lớn biến dạng đặt vào. Curie còn khám phám ra rằng, các vật
liệu giống với vật liệu này sẽ bị biến dạng khi đặt vào chúng một điện trường. Hiện tượng
này được gọi là hiệu ứng áp điện ngược. Bản chất của hiệu ứng áp điện được thể hiện
trên hình 1.2.

Hình 1.2. Hiện ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có trên một số tinh thể trung tính như tinh thể thạch anh, Tuamalin,
Na, Kali, Tartrate và các tinh thể này đã được sử dụng nhiều để chế tạo các cơ cấu
chuyển đổi áp điện (PZT). Ngồi ra, vật liệu đa tinh thể hiện nay được sử dụng rất rộng
rãi, gọi là gốm áp điện. Với các tinh thể thể hiện tính áp điện, cấu trúc của nó khơng nên
có tâm đối xứng. Một ứng suất (kéo hoặc nén) được đặt lên tinh thể sẽ làm thay đổi
khoảng cách giữa các vị trí điện tích âm và dương trong mỗi ơ phần tử dẫn đến sự phân
cực mạng ở bề mặt tinh thể. Hiệu ứng này thường là tuyến tính. Sự phân cực thay đổi
trực tiếp với ứng suất đặt vào và phụ thuộc vào hướng ứng suất, dẫn đến các ứng suất nén
và kéo sẽ phát sinh điện trường và do vậy điện áp bị phân cực ngược. Ngược lại, nếu tinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 9

thể được đặt vào một điện trường thì nó sẽ phát sinh một biến dạng dẻo làm cho chiều dài
của tinh thể tăng hoặc giảm tương ứng với độ phân cực điện trường.
Các cơ cấu làm việc theo phương dọc trục và theo phương ngang có độ cứng cao
và được tối ưu cho các chuyển động nhỏ và lực lớn. Các cơ cấu hỗn hợp (tinh thể kép) sử
dụng cho các ứng dụng u cầu chuyển vị lớn.
Nếu đặt lên cơ cấu một điện áp thì sẽ có một chuyển vị xuất hiện. Khi chuyển vị
này bị ngăn cản, một lực sẽ xuất hiện, gọi là lực cản, thực tế nó là thơng số xác định độ
cứng của cơ cấu. Hình 1.3 đưa ra một minh họa về sự kết hợp khả thi giữa lực cản- hành
trình.

Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lực cản và hành trình
Với việc ứng dụng hiệu ứng áp điện và sử dụng các tính tốn ở trên, nhiều cơng ty
trên thế giới đã chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc tạo rung động ứng dụng cho
nhiều ngành cơng nghiệp như gia cơng cơ, làm chậu rửa, thiết bị y học cũng như ứng
dụng trong cơng nghệ sensor áp dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng Các loại
PZT này thường được chế tạo thành hai dạng cơ bản sau:
- Dạng PZT dạng miếng đơn, được minh họa trên hình 1.4

Hình 1.4. PZT dạng miếng đơn trong cơng nghiệp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 10

Loại này gồm các số hiệu PZT-4, PZT-8 với các kích thước đa dạng phù hợp cho
từng trường hợp cụ thể. Đây là các miếng PZT được dùng để đo lực cắt, trọng lượng hoặc
sử dụng tạo rung động tần số cao và biên độ nhỏ vì mỗi miếng PZT chỉ có thể tạo ra rung
động với biên độ 1.8 ÷ 2 (m) và tần số rất lớn (đến hàng chục, hàng trăm kHz).
- Dạng PZT xếp chồng, được thể hiện trên hình 1.5:

Hình 1.5. Các PZT xếp chồng
Loại PZT này được các cơng ty chế tạo sẵn thành các cột xếp chồng với các số hiệu

PZT5A, PZT5K có thể tạo được rung động với biên độ lớn và tần số rất lớn (hàng chục
đến hàng trăm, nghìn kHz).
Phương pháp tạo rung động bằng các PZT là phương pháp tạo rung tiến tiến nhất hiện
nay và đang được ứng dụng rất phổ biến trong cơng nghiệp. Ưu điểm của phương pháp
chính là có thể tạo ra rung động với cơng suất rất lớn (đến hàng nghìn W) và tần số rung
động rất cao, vượt qua tần số siêu âm nhiều lần (f > 20 kHz). Hơn nữa, các cơ cấu này
thường cho biên độ rung thấp A = 2 ÷ 5 (m) nó thích hợp cho gia cơng tiện cứng nhằm
nâng cao chất lượng bề mặt cho chi tiết sau tiện.Nhược điểm của phương pháp này chính
là chi phí chế tạo cao (chi phí cho các PZT và máy phát điện áp xung tần số cao tính bằng
hàng trăm hoặc hàng ngàn USD).
Qua các phân tích ở trên kết hợp với mục tiêu của đề tài là nâng cao độ chính xác
và chất lượng bề mặt cho chi tiết khi tiện cứng, phương pháp tạo rung động siêu âm
tần số cao bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
1.4. Độ chính xác gia cơng
Tiện cứng là q trình tiện tinh. Một trong những u cầu của gia cơng tiện tinh là
độ chính xác gia cơng. Để đánh giá độ chính xác gia cơng giữa tiện cứng có rung trợ giúp
và tiện cứng truyền thống là so sánh các kết quả về độ nhám bề mặt gia cơng, độ tròn và
độ tru của bề mặt chi tiết sau tiện.
1.4.1. Khái niệm về độ chính xác gia cơng
Sau khi gia cơng, các chi tiết có thể đạt được những mức độ khác nhau về các yếu
tố hình học với bản vẽ thiết kế đề ra. Mức độ khác nhau đó gọi là độ chính xác gia cơng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 11

1.4.2. Các yếu tố đánh giá độ chính xác gia cơng
Độ chính xác gia cơng của mỗi chi tiết được đánh giá qua ba yếu tố sau :
+ Độ chính xác về kích thước ;
+ Độ chính xác về hình dạng hình học và vị trí tương quan giữa các bề
mặt ;
+ Độ nhám bề mặt.

Độ chính xác gia cơng khi tiện cứng có tích hợp rung động siêu âm tần số cao
nâng cao được độ chính xác về kích thước, hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt
chi tiết gia cơng .
1.5. Chất lượng bề mặt gia cơng
1.5.1. Khái niệm về chất lượng bề mặt gia cơng
Chất lượng của lớp kim loại bề mặt ( CLBM) chịu ảnh hưởng bởi vật liệu gia
cơng, phương pháp gia cơng cơ và chế độ cơng nghệ gia cơng. CLBM ảnh hưởng rất lớn
đến tính chất sử dụng của chi tiết máy.
Khái niệm về CLBM → ảnh hưởng của CLBM đến tính chất sử dụng của CTM →
Các yếu tố ảnh hưởng đến đến CLBM → Phương pháp đánh giá CLBM →Phương pháp
đảm bảo CLBM.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 12


1.5.2. Tính chất hình học lớp bề mặt
Nhám bề mặt

Tập hợp các mấp mơ tê vi bề mặt quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn được
gọi là nhám bề mặt.
 Một số chỉ tiêu đánh giá :Theo TCVN 2511-1995 nhám bề mặt được đánh giá theo
7 chỉ tiêu (*). Thường sử dụng 2 chỉ tiêu là Sai lệch số học trung bình của prơphin
Ra và Chiều cao mấp mơ prơphin theo mười điểm Rz.

Theo Theo TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp từ cấp 1
đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Đối với độ nhám thơ và rất tinh(từ cấp 1-
cấp 5 và cấp 13,14), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Rz. Đối với độ nhám trung bình
(từ cấp 6 đến cấp 12), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Ra.
Sóng bề mặt
Chu kỳ khơng bằng phẳng của bề mặt quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn được gọi là
sóng bề mặt.

Tính chất cơ lý lớp bề mặt
Trong q trình gia cơng cơ, dưới tác dụng của các q trình vật lý xảy ra trong vùng cắt,
lớp kim loại bề mặt bị biến dạng dẻo. Sau khi gia cơng, biến dạng dẻo làm bề mặt sẽ tạo
nên lớp biến cứng và ứng suất dư lớp bề mặt.
Lớp biến cứng bề mặt được đặc trưng bởi mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng.
ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư
1.5.3. Ảnh hưởng CLBM tới tính chất sử dụng của chi tiết máy
Ảnh hưởng của nhám bề mặt
- Ảnh hưởng đến tính chống mòn
- Ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn
- Ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 13

- Ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép
Ảnh hưởng của biến cứng bề mặt
Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến CLBM
+ Ảnh hưởng đến nhám bề mặt.
+ Ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt
1.5.5. Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt
1.5.5. 1. Đánh giá độ nhám bề mặt
Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta dùng các phương pháp sau đây:
a. Phương pháp so sánh.
 So sánh bằng mắt.
 So sánh bằng kính hiển vi quang học.
b. Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt bằng phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich,
kính hiển vi điện tử qt).
c. Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt Ra, Rz , Rmax .v.v. bằng máy dò profin.
1.5.5. 2. Đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng


Để đánh giá mức độ và chiều sâu biến cứng người ta chuẩn bị một mẫu kim tương
rồi đưa mẫu này lên kiểm tra để đo độ cứng.

Để đo chiều sau biến cứng, dùng đầu kim cương tác động lần lượng xuống bề mặt
mẫu từ ngồi vào trong, từ đó sẽ xác định được chiều sâu biến cứng.

1.5.5. 3.Đánh giá ứng suất dư
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN /> 14

Để đánh giá (xác định) ứng suất dư người ta thường dùng tia Rơnghen kích thích
trên bề mặt mẫu một lớp dày 5 ÷ 10 µm và sau mỗi lần kích thích ta chụp ảnh đồ thị
Rơnghen. Phương pháp này cho phép đo được cả chiều sâu biến cứng. Tuy nhiên,
phương pháp này rất phức tạp và tốn nhiều thời gian cho điều chỉnh đồ thị Rơnghen (mất
khống 10 giờ trong một lần đo).
1.5.6. Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt
- Lựa chọn được phương pháp gia cơng hợp lý.
- Lựa chọn được chế độ cơng nghệ hợp lý
1.6. Kết luận chương
Nhám bề mặt là một thơng số quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt của
một q trình gia cơng, bởi vì sự thay đổi của nhám bề mặt kéo theo sự thay đổi của lực
cắt, chất lượng bề mặt gia cơng. Vì vậy cần nghiên cứu nhám bề mặt để đưa ra chế độ
cơng nghệ hợp lí, sao cho q trình tạo phoi là thuận lợi nhất và biến dạng kim loại nhỏ
nhất.
Việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ q trình cắt một cách hợp lý có ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia cơng và mòn dụng cụ cắt. Do rung động siêu âm
hỗ trợ q trình cắt có khả năng làm giảm ma sát giữa dao và phơi cũng như giữa dao và
bề mặt gia cơng, nên có thể làm giảm mòn một cách đáng kể.
Hơn nữa, rung động siêu âm hỗ trợ q trình cắt còn có khả năng làm giảm lực cắt
và nhiệt cắt như đã nói ở phần trên. Nên việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ q trình
tiện cứng làm tăng độ chính xác, tăng chất lượng bề mặt gia cơng, tăng tuổi thọ của dao

hay để giảm lượng mòn dao là rất cần thiết.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu –ĐHTN />