ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA RUNG ĐỘNG TÍCH CỰC ĐẾN TIỆN CỨNG
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Thái Nguyên - 2014
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Dự
Phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Vị
Phản biện 2: PGS.TS. Phan Bùi Khôi
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 13 giờ 30 ngày 20 tháng 4 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và
- Thư viện: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp
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 thông tin tổng quan về các kết quả nghiên
cứu gần đây trên thế giới về gia công 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
So sánh, đánh giá quá trình tiện cứng truyền thống(Conventional
turning) với tiện cứng có tích hợp rung(Vibration Assisted Machining –
VAM).
Tiêu chí so sánh: (2 tiêu chí)
-Tiêu chí về công nghệ:
+Độ bền dao; Nhiệt cắt;
+Lực cắt; Mức độ bẻ phoi.
-Tiêu chí về độ chính xác gia công:
+Độ chính xác về kích thước;
+Độ chính xác về hình dáng hình học và vi trí
tương quan;
+Nhám bề mặt.
Vì các lý do đã phân tích ở trên tôi 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 công nghệ nhằm triển
khai thực nghiệm bộ tạo rung động trợ giúp cho nguyên công tiện cứng
2
nhằm khẳng định tính ưu việt của phương pháp gia công có rung động trợ
giúp và hiện thực hóa phương pháp gia công 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 thông số rung phù hợp với yêu cầu gia công
cụ thể.
0.3. Các kết quả đã đạt được
Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo được cơ cấu tạo rung động trợ
giúp cho tiện cứng theo nguyên 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 công cơ nói chung và nguyên công tiện nói riêng;
Thực nghiệm triển khai thành công cơ cấu tạo rung với nguyên
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
tôi 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
);
3
o Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền
thống không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,7054% so với
1,302%) mà còn có phạm vi phân 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 công nghệ tạo rung trợ giúp gia
công tiện cứng.
0.4. Cấu trúc luận văn
Ngoài 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 công tiện
cứng có rung động trợ giúp có các ưu việt nổi trội so với tiện cứng
truyền thống.Trình bày cơ sở và nguyên tắc khai thác rung siêu âm.
Chương 2, triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động trợ giúp
gia công tiện cứng.Nguyên 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.
4
Chng 3, thit k thớ nghim tin cng.Chng ny núi v cỏc
thit b gia cụng v cỏc thit b o s dng trong thớ nghim, cỏch thu
thp s liu thớ nghiờm v thit k thớ nghim.
Chng 4, trỡnh by trỡnh t thc hin thớ nghim, kt qu thớ
nghim, phõn tớch v ỏnh giỏ s liu thớ nghim. u vit ca tin cú
rung ng tr giỳp so vi tin truyn thng c phõn tớch thụng qua
cỏc thớ nghim so sỏnh i chng.
Cỏc kt lun v xut nghiờn cu tip theo c trỡnh by trong
phn cui cựng ca lun vn.
Chng 1
TNG QUAN V TIN CNG V TIN CNG Cể RUNG
NG TR GIP
1.1. Tin cng
Tiện là một phơng pháp gia công cắt gọt thông dụng nhất, nó
tạo nên bề mặt gia công bằng hai chuyển động gọi là chuyển động
tạo hình (chuyển động quay tròn của chi tiết) và di chuyển thẳng
của dao.
Tin cng l phng phỏp tin s dng dao bng vt liu siờu
cng CBN (Cubic Boron Nitride), PCBN, PCD hoc ceramic tng hp
thay th cho mi gia cụng thộp ó tụi (cú cng ln hn 45HRC)
[1] . Phng phỏp ny cú th gia cụng khụ v hon thnh chi tit trong
cựng mt ln gỏ. Cp chớnh xỏc khi tin cng t IT6 v búng b
mt (Rz = 2 4 micromet), cú th so sỏnh vi cht lng khi mi.
Tin cng cú th gia cụng c cỏc loi vt liu l thộp rốn ó
tụi, thộp giú, v hp kim cng b mt stellites Hp kim stellites cú
th gia cụng bng tin cng ó m rng kh nng ca tin cng k c
cụng vic sa cha. Vt liu in hỡnh c tin cng l thộp 9XC (58
62HRC); X12M(60HRC); 5120 (62HRC); 1050(62HRC);
5
Việc áp dụng công nghệ tiện cứng để gia công lần cuối các chi
tiết mang lại những lợi ích sau:
Giảm thời gian chu kỳ gia công một sản phẩm, giảm chi phí
đầu tư thiết bị.
Tăng độ chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cho chi tiết gia công.
Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 4 lần), nâng cao
năng suất gia công.
Gia công được các contour phức tạp.
Cho phép thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một lần gá.
Có thể chọn gia công có hoặc không có dung dịch trơn nguội.
Gia công khô tránh được cho phí dung dịch trơn nguội và không có
chất thải ra ra môi trường.
1.2 .Phân tích đánh giá các công bố về khai thác rung động cho gia
công tiện
Machining parameters used: V = 10 m/min, f = 0.1 mm/rev. In UAT: f
= 17.9 kHz, a = 10 m.
6
Vibration 20 kHz, 7 m, 12L14 steel, Vibration 40 kHz, 7 m, 12L14 steel,
Ra = 56 nm. Ra = 36 nm.
Vậy khi tiện rung ở tần số rung thích hợp thì Ra = 36 nm hay Ra
= 0,036m.
1.3.Cơ sở và nguyên 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 quá trình tiện cứng là một
vấn đề khoa học có căn cứ và cần được áp dụng ngay vào lĩnh vực công
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 nguyên tắc rung hiệu ứng áp điện có tần số cao biên độ thấp vào
trong gia công tiện cứng.
1.3.2. Nguyên 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.
7
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). Ngoài 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 không 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 ô 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 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.
1.6. Kết luận chương
Nhám bề mặt là một thông số quan trọng quyết định đến chất
lượng bề mặt của một quá trình gia công, bởi vì sự thay đổi của nhám bề
mặt kéo theo sự thay đổi của lực cắt, chất lượng bề mặt gia công. Vì vậy
cần nghiên cứu nhám bề mặt để đưa ra chế độ công nghệ hợp lí, sao cho
quá trình tạo phoi là thuận lợi nhất và biến dạng kim loại nhỏ nhất.
Việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ quá trình cắt một cách hợp
lý có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ
cắt. Do rung động siêu âm hỗ trợ quá trình cắt có khả năng làm giảm ma
8
sát giữa dao và phôi cũng như giữa dao và bề mặt gia công, nên có thể
làm giảm mòn một cách đáng kể.
Hơn nữa, rung động siêu âm hỗ trợ quá 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 quá trình tiện cứng làm tăng độ chính
xác, tăng chất lượng bề mặt gia công, tăng tuổi thọ của dao hay để giảm
lượng mòn dao là rất cần thiết.
9
Chương 2
TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM CƠ CẤU
TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG TIỆN CỨNG
Giới thiệu
Chương này trình bày về nguyên lý làm việc và các bước triển
khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động đặt lên dao khi tiện cứng. Cơ
cấu tạo rung động theo phương pháp tạo rung bằng các PZT được thiết
kế, chế tạo và đưa vào thử nghiệm. Các bước lắp ghép các chi tiết thành
cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng được trình bày.
Phần 2.1 trình bày về nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung khi
tiện cứng. Phần 2.2 trình bày về đề xuất thiết kế. Phần 2.3 trình bày về
triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động bằng việc sử dụng các tấm
PZT. Phần 2.4 kiểm chứng thiết kế và chế tạo.Phần cuối cùng của
chương đưa ra các kết luận tóm tắt quan trọng của chương.
2.1.Nguyên tắc tạo rung và tích hợp rung
Hình 2.1.(a). Mô hình tiện với rung động trợ giúp
10
2.1.1.Nguyên tắc tạo rung
Có hai nguyên tắc tạo rung khi tiện đó là nguyên tắc cộng hưởng và
nguyên tắc không cộng hưởng.
Rung động được tạo ra trong PZT từ việc ép hai miếng thạch anh
được mài phẳng và chính xác lại với nhau.Linh kiện thạch anh này làm
việc đựa trên hiệu ứng áp điện đã trình bày ở mục 1.3.2. Hiệu ứng áp
điện này có tính thuận nghịch.Khi áp một điện áp vào hai mặt của thạch
anh nó sẽ bị biến dạng.Ngược lại khi tạo sức ép vào hai bề mặt đó nó sẽ
phát ra điện áp.Như vậy nếu ta đặt một điện áp xoay chiều vào thì nó sẽ
biến dạng theo tần số của điện áp đó.Khi thay đổi tần số điện áp đặt
vào PZT bằng với tần số của hai miếng thạch anh đã ghép nối thì nó sẽ
cộng hưởng.Tần số cộng hưởng của thạch anh tùy thuộc vào hình dáng
và kích thước của các miếng thạch anh.Mỗi tinh thể thạch anh có hai
tần số cộng hưởng đó là tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng
hưởng song song.Hai tần số này rất gần nhau và có trị số bền vững làm
cho mạch dao động thạch anh có xung dao động chuẩn hầu như rất ít bị
ảnh hưởng bởi các môi trường bên ngoài.Vì vậy tinh thể thạch anh còn
được gọi là tinh thể gốm áp điện.
Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phu thuộc
vào chiều cuả hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ giãn ra hay nén lại. Và
nếu như ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh
thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế
xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục và môi trường bao quanh
tức là tạo ra sóng âm trong PZT hình 2.1.b. Sóng âm tạo ra trên bề mặt
các tinh thể thạch anh đã ghép nối được truyền trong Hon và lên trên bề
mặt của Hon theo biên dạng hình sin như hình vẽ 2.1.b.Sóng âm được
tạo ra này có đầy đủ các tính chất đặc trưng và các thông số ký thuật
của một sóng cơ học được truyền trong vật rắn.Sóng siêu âm này có các
thông số kỹ thuật ta có thể tính toán và tối ưu được.
11
Hop kim nhôm
Thach anh
Hop kim nhôm
Hon
a
-a
Hình 2.1.(b). Nguyên tắc tạo rung trong PZT
2.1.2.Nguyên tắc tích hợp rung
Nguyên tắc tích hợp rung động lên quá trình gia công nói chung là
tạo ra chuyển động rung tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi gia công
theo một phương hay một số phương nào đó [6-12]. Khi tiện, chuyển
động cắt chính là chuyển động quay tròn của phôi gá trên mâm cặp với
tốc độ quay n
ph
(v/ph) và chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh
tiến của dao hay chi tiết gia công theo phương dọc trục phôi nó kết hợp
với chuyển động cắt chính tạo nên quá trình cắt gọt. Như vậy, theo
nguyên lý đó, có thể có các nguyên tắc tích hợp rung như sau: bố trí
nguồn rung trên phôi hoặc lên dụng cụ cắt hoặc cả hai, phụ thuộc vào ý
đồ và điều kiện cụ thể, hình 2.1(a).
2.2. Đề xuất phương án tiện rung
phôi
n
Dao
Phôi
Rung (f, A)
S
d
S
n
Hình 2.2. Mô hình phương án tiện rung
12
Như đã phân tích so sánh ở trên, lựa chọn thiết kế, chế tạo bộ tạo
rung theo phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện PZT.
2.3. Sơ đồ nguyên lý gia công tiện cứng rung theo phương pháp tạo
rung bằng các PZT.
220V
ULTRASONIC
GENERATOR
PZT
S
n
Dao
phôi
n
Phôi
Rung (f, A)
S
d
Hình 2.3.(a). Sơ đồ nguyên lý gia công tiện cứng rung
2.3.1. Thiết kế, chế tạo thân dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và
chọn mảnh dao
Bản chất của tiện cứng là phôi có độ cứng cao nên không sử
dụng dao thép gió liền con để gia công được vì vậy chọn dao tiện gắn
mảnh hợp kim.
phôi
n
V? trí gá Piezo trên thân dao ti?n
V? trí k?p dao trên đài dao
22
20
180
A - A
A
A
Hình 2.3.(b). Hình dáng và thông số của dao tiện
Chọn thân dao tiện làm bằng vật liệu thép gió P9 gắn mảnh hợp
kim cứng có hình dáng và kích thước như hình vẽ (2.4).
13
Chọn mảnh dao hợp kim cứng CBN có kích thước và hình dáng
như hình vẽ.Mảnh dao được hàn lên dao tiện và được mài các góc cắt:
góc trước là 15 độ; góc sau 12 độ; góc nghiêng chính 15 độ; góc
nghiêng phụ 10 độ hình vẽ (2.3.b).
Hop kim nhôm
Thach anh
Hop kim nhôm
Hon
Hình 2.7. Hình dáng và kích thước Piezo
Piezo có kết cấu, hình dáng và kích thước như hình 2.7
2.3.3. Lắp ghép Piezo với thân dao tiện và bộ tạo xung
Đầu rung của Piezo có lỗ ren M10. Nó được lắp lên thân dao tiện bằng
trục ren M10 và được kẹp chặt bằng đai ốc M10 như kết cấu trên hình
2.8(b).
Hình 2.8. (a) Mô hình thiết kế tạo rung theo hiệu ứng áp điện và (b)
thiết bị gá rung thực tế
14
Hình 2.8. (c) Mô hình đấu nối bộ tạo rung theo hiệu ứng áp điện
Nguyên lý tạo rung động theo hiệu ứng áp điện bằng việc sử
dụng các tấm PZT đã được trình bày ở mục 1.3. Với nguyên lý tạo rung
động này, có thể tạo ra rung động với tần số rất cao (tần số siêu âm, f =
28kHz) và công suất (lực rung) rất lớn và ổn định. Một cơ cấu tạo rung
động theo nguyên lý này đã được thiết kế và chế tạo. Mô hình làm việc
của cơ cấu tạo rung này được thể hiện trên hình 2.8. Theo hình 2.8 (a),
Piezo(cơ cấu tạo rung) được gắn trên phần đầu của dao tiện.Khối gồm dao
tiện (2) và Piezo được gá cách điện trên đài dao (1) của máy tiện.Hai cực
của Piezo được nối với máy phát điện áp xung tần số cao (hình 2.9). Phôi
số (3) được kẹp cách điện trên mâm cặp máy tiện. Ảnh chụp đồ gá lắp trên
máy được minh họa trên hình 2.8(b). Như vậy, khi cung cấp điện áp xung
với tần số f = 28KHz cho các tấm PZT, nhờ hiệu ứng áp điện, các tấm này
sẽ biến dạng tạo ra rung động theo tần số f và biên độ A, rung động này
được truyền lên lưỡi cắt của dao tiện và tham gia vào quá trình tiện rung.
2.3.4. Máy phát điện áp xung
Bộ tạo rung PZT đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, song để bộ tạo
rung có thể hoạt động được và điều khiển theo yêu cầu, cần thiết phải
cung cấp cho các PZT một điện áp xung có thể điều chỉnh giá trị điện
áp và tần số dòng điện một cách dễ dàng. Do vậy, một máy phát điện
15
áp xung tần số cao điều chỉnh được tần số đã được sử dụng, đó là máy
Ultrasonic Generator do Beijing Ultrasonic sản xuất với công suất
1200W, tần số phát điện áp xung là 19 kHz; 28 kHz; 35 kHz và 40
kHz . Máy chạy điện áp đầu vào 110-120V/60Hz, dòng định mức là
4.5A. Hình ảnh cũng như sơ đồ mạch điện của máy được thể hiện trên
hình 2.9.
Hình 2.9. Máy phát điện áp xung, công suất 1200W
2.4.Kiểm chứng
Sau khi thiết kế, chế tạo được bộ tạo rung tích hợp cho tiện tiến
hành lắp đặt và tiện thử.Thấy rằng bộ tạo rung làm việc ổn định các
thông số đúng với thiết kế ban đầu,quá trình tiện cứng tốt và an toàn.Vì
vậy bộ tạo rung này sẽ được sử dụng để tiến hành các thí nghiệm tiện
cứng có tích hợp rung siêu âm tần số cao.
2.5. Kết luận chương
Chương này đã trình bày thiết kế bộ tạo rung động theo nguyên
lý tạo rung bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện. Sau khi thiết kế, cơ
cấu này đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Nó được chọn để thử
nghiệm so sánh quá trình tiện cứng có rung động trợ giúp và quá trình
tiện cứng truyền thống.
16
Chương 3
THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM
Giới thiệu
Chương này trình bày về các bước thiết kế thí nghiệm tiện cứng các
mẫu thép hợp kim 9XC đã tôi có độ cứng 58-60 HRC với 2 phương
pháp tiện khác nhau: tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp.
Mục 3.1 trình bày về thiết bị gia công, chuẩn bị các vật tư cho thí
nghiệm. Mục 3.2 trình bày về các thiết bị đo kết quả sau gia công tiện
cứng có rung và không rung.Mục 3.3 trình bày về các cách thu thập dữ
liệu sau gia công. Mục 3.4 trình bày về thiết kế thí nghiệm tiện cứng và
tính toán số lượng mẫu thí nghiệm. Mục cuối cùng của chương tóm tắt
các kết luận của chương.
3.1.Thiết bị gia công
Để so sánh hiệu quả quá trình tiện cứng tích hợp rung động so với
tiện cứng truyền thống, tiến hành thí nghiệm tiện thép hợp kim 9XC đã
tôi trên máy tiện MAZAK (hình 3.1) với dao tiện thép gió gắn mảnh
hợp kim cứng như đã trình bày ở mục 2.3 ở trên và đo xác định các
thông số của các phôi tiện và đặc điểm phoi trên các dụng cụ đo tại
phòng thí nghiệm của trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp- Đại học
Thái Nguyên. Các thiết bị cho qua trình thí nghiệm cụ thể như sau:
3.1.1.Máy tiện MAZAK:
3.1.2.Dao tiện có tích hợp rung
3.1.3. Phôi gia công
Bảng 3.2.(b). Cơ tính của phôi gia công
Mác vật
liệu
Độ bền
(MPa)
Độ cứng
HRC
Độ dãn dài
tương đối
(%)
Mô đun đàn
hồi
(GPa)
Thép
9XC
214 58 -60 5 70.3
17
Hình 3.4. Phôi thép 9XC
3.1.4. Máy cắt dây CW322S:
3.2.Thiết bị đo
3.2.1. Kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe
3.2.2. Đồng hồ so micromet
3.2.3.Máy đo độ cứng vật liệu phôi và máy đo độ nhám bề mặt phôi
3.2.4.Panme đo ngoài
3.2.5.Đồng hồ đo biên độ rung tại lưỡi cắt của dao tiện rung gắn
mảnh hợp kim
3.3. Cách thu thập dữ liệu
Sau khi thí nghiệm các số liệu thí nghiệm được thu thập bằng
cách sử dụng các thiết bị đo đã giới thiệu ở mục 3.2 đo đạc các thông số
và ghi lại số liệu dưới dạng các bảng biểu và hình vẽ để phân tích, so
sánh, đánh giá kết quả thí nghiệm.
3.4. Thiết kế thí nghiệm
3.4.1. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng tay
N ≥ (Z
a
+ Z
b
)
2
(σ/δ)
2
= (Z
0,05
+ Z
0,1
)
2
(σ/δ)
2
= (1,64 + 1,28)
2
.1 = 8,57 ≈ 9
Số lượng mẫu cho thực nghiệm so sánh được lấy bằng hai lần giá trị tính
theo công thức trên.Vậy số lượng mẫu thí nghiệm tính toán được là 18 mẫu.
3.4.2. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm bằng máy
18
Hình 3.11. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết
Vậy số lượng mẫu thí nghiệm tính toán được là 18 mẫu.
3.5. Kết luận chương
Với quy trình tính toán, thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động siêu
âm tích hợp cho tiện cứng đã nêu ở chương 2 và việc thiết kế thí
nghiệm được trình bày ở chương này thì mọi công việc chuẩn bị cho
một quy trình gia công tiện cứng có tích hợp rung siêu âm cơ bản được
sẵn sàng gia công và có độ tin cậy cao.
Chương 4
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Chương 4 trình bày về các bước tiến hành thí nghiệm tiện cứng các
mẫu thép hợp kim 9XC đã tôi có độ cứng 58-60 HRC với 2 phương
pháp tiện khác nhau: tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp.
Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo độ nhám, đo độ tròn và độ trụ các mẫu
tiện; cắt dây mẫu và chụp bề mặt các mẫu để so sánh hiệu quả của 2
phương pháp tiện.
Mục 4.1 trình bày về trình tự thực hiện thí nghiệm và các bước lắp
đặt thiết bị, chuẩn bị các vật tư cho thí nghiệm và các bước tiến hành thí
nghiệm cũng như đo lường các kết quả thí nghiệm.Mục 4.2 trình bày về
các kết quả thực nghiệm. Mục 4.3 tiến hành phân tích và đánh giá kết
quả thí nghiệm. Mục này đưa ra các đánh giá so sánh 2 phương pháp
tiện truyền thống và tiện có rung động trợ giúp về độ nhám, đo độ tròn
19
và độ trụ bề mặt tiện, đặc tính phoi. Mục cuối cùng của chương 4.4 tóm
tắt các kết luận của chương.
4.1. Trình tự thực hiện thí nghiệm
Để thực hiện thí nghiệm, tiến hành các bước sau:
- Gá bộ tạo rung lên dao và kẹp chặt dao tiện rung lên đài gá dao;
- Đánh số mẫu từ 1 đến 18 lần lượt trên 2 loại mẫu phôi thí
nghiệm;
- Gá phôi thí nghiệm lên mâm cặp máy tiện và tiến hành rà gá phôi;
- Đặt chế độ cắt cho máy tiện với tốc độ quay của trục chính
n=1050 v/p và lượng chạy dao vòng S
v
= 0.2 mm/vg;
- Tiến hành tiện tròn ngoài lần lượt cho 18 phôi thí nghiệm ( chưa
bật rung), thể hiện trên hình 4.1a;
- Mỗi một mẫu phôi tiện thường, quay video quá trình tiện, chụp
ảnh phoi, bề mặt phôi;
- Tiếp theo, bật bộ tạo rung và tiện rung trên 18 mẫu còn lại (xem
hình 4.1b);
- Mỗi một mẫu phôi tiện rung, quay video quá trình tiện, chụp ảnh
phoi, bề mặt phôi;
- Đánh ký hiệu R ở mặt đầu phôi đối với các phôi tiện có rung
động tích hợp;
- Làm tương tự cho mẫu còn lại.
Chế độ công nghệ
Tốc độ quay trục chính: n = 1050 v/p, lượng chạy dao S
v
= 0.2 mm/v
Chế độ bôi trơn làm nguội
Không sử dụng bôi trơn, làm nguội
4.2. Các kết quả thực nghiệm
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
);
20
o Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền
thống không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,7054% so với
1,302%) mà còn có phạm vi phân 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;
4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm
Để đánh giá so sánh độ nhám bề mặt giữa hai phương án tiện, sử
dụng phép phân tích thực nghiệm so sánh “2 samples t-test”. Sau khi chạy
thử chương trình phân tích thống kê, cho thấy khả năng giá trị trung bình
của độ nhám khi tiện thường có thể lớn hơn của tiện rung đến 8%. Để kiểm
chứng, tiến hành kiểm nghiệm giả thuyết thống kê sau:
8:
8:
211
210
H
H
(2)
Trong công thức (2),
1
và
2
lần lượt là giá trị trung bình tập toàn
bộ các giá trị độ nhám các bề mặt tiện thường và của các bề mặt tiện rung.
Giả thuyết đảo H
1
được phát biểu rằng, giá trị trung bình của độ nhám các bề
mặt tiện thường lớn hơn của các bề mặt tiện rung trên 8%.
Kết quả phép kiểm định t (t-test) được minh họa trên hình 4.7.
Hình 4.7. Kết quả so sánh độ nhám bề mặt
21
Hình 4.9. Phân bố độ nhám bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét
đứt cho bề mặt tiện rung
Qua kết quả thống kê trên hình 4.7, có thể thấy, độ nhám trung
bình của các bề mặt tiện thường là 1,302%; trong khi giá trị này ở tiện
rung khoảng 0,7054%. Nghĩa là, độ nhám của tiện rung chỉ bằng
khoảng 1/2 lần so với độ nhám bề mặt khi tiện thường.
Hình 4.10. Kết quả so sánh độ tròn bề mặt tiện
Kết quả thống kê trên hình 4.10, có thể thấy, độ tròn trung bình
của các bề mặt tiện thường là 0,014%; trong khi giá trị này ở tiện 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.
22
Hình 4.11. Phân bố độ tròn bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét
đứt cho bề mặt tiện rung
Hình 4.11, thấy rằng độ tròn bề mặt tiện rung so với tiện
thường không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,0053% so với
0,013%) mà còn có phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn (Độ lệch chuẩn chỉ
là 0,002 so với 0,007). Vậy tập các bề mặt trụ ngoài của tiện rung có
giá trị ổn định hơn nhiều so với các bề mặt trụ tiện thường.
Hình 4.12. Kết quả so sánh độ trụ bề mặt tiện
Kết quả thống kê trên hình 4.12, có thể thấy, độ trụ trung bình
của các bề mặt tiện thường là 0,046%; trong khi giá trị này ở tiện 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.
23
Hình 4.13. Phân bố độ trụ bề mặt; nét liền cho bề mặt tiện thường, nét đứt
cho bề mặt tiện rung
Hình 4.13, thấy rằng độ trụ bề mặt tiện rung so với tiện thường
không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,026% so với 0,046%) mà còn
có phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn (Độ lệch chuẩn chỉ là 0,005 so với
0,0085). Từ đó ghóp phần khẳng định lại kết luận “tập các bề mặt trụ ngoài
của tiện rung có giá trị ổn định hơn nhiều so với các bề mặt trụ tiện thường”.
4.4. Kết luận chương
Sau khi phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm cho thấy tiện
cứng có sự trợ giúp của rung động siêu âm tần số cao ưu việt hơn tiện
cứng truyền thống thép 9XC:
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 không những có giá trị trung bình nhỏ hơn (0,7054% so với
1,302%) mà còn có phạm vi phân 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
