Đánh giá ảnh hưởng của khoan thép không gỉ (SUS 304) có rung trợ giúp (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------------

NGUYỄN THỊ THẢO

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOAN THÉP KHÔNG GỈ
(SUS 304) CÓ RUNG TRỢ GIÚP

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ

Thái Nguyên, năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thảo
Học viên lớp cao học khóa K16 - chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí- Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Hiên đang công tác tại Trường Cao đẳng nghề dân tộc nội trú Bắc Kạn, tỉnh
Bắc Kạn.
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi
thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Dự. Ngoài thông
tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực
nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Thị Thảo


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy
giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều
kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc và ThS Chu Ngọc Hùng của Trung
tâm sáng tạo sản phẩm – Khoa Quốc tế - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp đã
giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực hiện thí
nghiệm cho đề tài này.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, trường Cao đẳng nghề Dân tộc nội trú Bắc Kạn
đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Thị Thảo


TÓM TẮT
Các ưu điểm vượt trội của phương pháp khoan có rung động trợ giúp so với
khoan truyền thống (không có rung động trợ giúp) đã được thực nghiệm, kiểm
chứng và đánh giá thông qua các bộ thí nghiệm khoan lỗ sâu, có tỷ số L/D = 12 trên
vật liệu thép không gỉ SUS 304.
Một thiết bị tạo rung động tích cực tần số 50 – 70 Hz, sử dụng năng lượng
khí nén, gọn nhẹ, đơn giản, dễ vận hành, giá thành rẻ đã được thiết kế, chế tạo lần
đầu tiên ở Việt Nam. Thiết bị đã vận hành ổn định, tin cậy, cho phép thực nghiệm

đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động trợ giúp gia công khoan lỗ sâu so với
phương pháp khoan truyền thống.
Cơ cấu tạo rung động bằng khí nén có thể tạo rung động với tần số từ 52 Hz,
biên độ từ 61 µm, được tích hợp vào hệ thống khoan nhằm tạo rung động cho phôi
theo phương dọc trục mũi khoan để khoan các mẫu thép không gỉ SUS 304. Các lỗ
có đường kính 3.0mm, tỷ số chiều sâu lỗ trên đường kính L/D bằng 12 đã được gia
công đối chứng cả hai phương pháp khoan có rung và không rung.
Các bộ thí nghiệm đã được thiết kế nhằm so sánh 5 chỉ tiêu chính, bao gồm:
Lực dọc trục, hiện tượng mòn mũi khoan, sự hình thành và thoát phoi, độ lay rộng
lỗ khoan, độ không tròn lỗ khoan… Kết quả thí nghiệm sau gia công được phân
tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 samp le t-test) trên 44 mẫu đo.
Kết quả cho thấy khoan có rung động trợ giúp có thể giảm lực cắt đến 2,6 lần,
giảm độ lay rộng lỗ đến 4.3 lần, giảm độ không tròn lỗ khoan đến 14.8 lần, so với
khoan không rung. Các kết quả thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng, khoan có rung động
trợ giúp cải thiện đáng kể tuổi bền dụng cụ cắt, độ ổn định kích thước lỗ khoan, cải
thiện điều kiện thoát phoi.
Trong nước và trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thường được thực
hiện bởi các bộ tạo rung công kềnh (như động cơ Servo, li tâm cơ khí..) hoặc các
thiết bị đắt tiền (các tinh thể áp điện, sóng siêu âm…). Kết quả nghiên cứu này đã
đem lại khả năng làm chủ về công nghệ với thiết bị tạo rung động trợ giúp gia công
dễ chế tạo, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Kết quả đã
được công bố trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam tháng 5/2016 và Tạp chí Khoa học và
công nghệ Đại học Thái Nguyên, tháng 7 năm 2016.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 3
TÓM TẮT .................................................................................................................. 4
MỤC LỤC .................................................................................................................. 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 12
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 12
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................... 12
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 13
0.1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................13
0.2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................14
0.3. Các kết quả đã đạt được .....................................................................................14
0.4. Cấu trúc luận văn ...............................................................................................15
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP .... 16
1.1. Giới thiệu............................................................................................................16
1.2. Tổng quan về khoan có rung trợ giúp ................................................................16
1.3. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp ..........................................................16
1.3.1. Phương pháp tạo rung động bằng cơ khí ( thủy lực) .....................................16
1.3.2. Phương pháp tạo rung bằng điện từ ................................................................ 19
1.3.3. Tạo rung bằng hiệu ứng áp điện ......................................................................20
1.4. Kết luận chương ................................................................................................. 24
Chương 2. CHẾ TẠO, VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ........................ 25
2.1. Giới thiệu............................................................................................................25
2.2. Nguyên lý tạo rung tần số thấp ..........................................................................25
2.3. Xác định các thông số chế tạo ............................................................................26
2.4. Kết quả ...............................................................................................................29
2.4.1. Sơ đồ lắp đặt gá khoan tần số thấp ..................................................................29
2.4.2. Chế tạo, lắp láp các chi tiết chính ...................................................................30
2.4.3. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh .....................................34
2.5. Kết luận chương .................................................................................................35
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SO SÁNH .................................... 36
3.1. Giới thiệu............................................................................................................36

3.2. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................36
3.2.1. Máy công cụ ....................................................................................................36
3.2.2. Mũi khoan ......................................................................................................37
3.2.3. Phôi gia công ...................................................................................................37
3.2.4. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm: .............................................................................38
3.2.5. Chế độ công nghệ ............................................................................................39
3.3. Thiết bị tạo rung .................................................................................................39
3.3.1. Cơ cấu tạo đầu rung khí nén ...........................................................................39
3.3.2. Máy nén khí .....................................................................................................41
3.3.2. Van điều áp .....................................................................................................41
3.4. Thiết bị đo. .........................................................................................................42
3.4.1. Thiết bị đo lực .................................................................................................42
3.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM (Scanning Electron Microscope) ..........................44
3.4.3. Đồng hồ so ......................................................................................................44
3.5. Cách thức thực hiện thí nghiệm .........................................................................44
3.6. Xác định số lượng mẫu cần thí nghiệm..............................................................48
3.7. Kết luận chương ................................................................................................. 48
Chương 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SO SÁNH ............................................ 49
4.1. Giới thiệu............................................................................................................49
4.2. So sánh lực dọc trục khi khoan ..........................................................................49
4.2.1. So sánh lực dọc trục ở chế độ cắt thứ nhất......................................................49
4.2.2. So sánh lực dọc trục ở chế độ cắt thứ hai........................................................61
4.3. So sánh mòn dụng cụ cắt ....................................................................................72
4.3.1. So sánh mòn dụng cụ cắt ở chế độ thứ nhất ...................................................72
4.3.2. So sánh độ mòn dụng cụ cắt ở chế độ thứ hai .................................................73
4.4. So sánh sự hình thành và thoát phoi...................................................................74
4.4.1. So sánh sự hình thành và thoát phoi ở chế độ thứ nhất ...................................74
4.4.2. So sánh sự hình thành và thoát phoi ở chế độ thứ hai .....................................75
4.5 . So sánh độ lay lộng lỗ khoan : ..........................................................................77
4.5.1.So sánh độ lay rộng lỗ khoan ở chế độ thứ nhất .............................................77

4.5.2. So sánh độ lay rộng lỗ khoan ở chế độ thứ hai ...............................................85
4.6. So sánh độ không tròn lỗ khoan : .......................................................................93
4.6.1. So sánh độ không tròn ở chế độ thứ nhất ........................................................93
4.6.2. So sánh độ không tròn lỗ khoan ở chế độ cắt thứ hai .....................................95


4.7. Mức độ biến động của đường kính lỗ khoan : ...................................................98
4.8. Kết luận chương .................................................................................................99
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................102
Báo cáo về việt tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa Luận văn thạc sĩ theo Nghị quyết của
Hội đồng đáng giá Luận văn thạc sĩ.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Nguyên lý hình thành lực li tâm................................................................ 17
Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lí tạo rung li tâm cho gia công khoan.................................. 17
Hình 1.3. Sơ đồ tạo rung bằng khí nén và thủy lực .................................................. 18
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường .......................................... 19
Hình 1.5. Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trường ................................................. 20
Hình 1.6. Sơ đồ hiệu ứng áp điện .............................................................................. 21
Hình 1.7. Ảnh chụp các tấm PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp .................... 22
Hình 1.8. Ảnh chụp các PZT xếp chồng ................................................................... 22
Hình 1.9. Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện ................................................... 23
Hình 2.1. Mô hình khoan rung với rung động trợ giúp............................................. 25
Hình 2.2. Các thông số kích thước chính của cơ cấu tạo rung bằng khí nén ............ 27
Hình 2.3. Ảnh chụp kết quả thống kê biên độ rung .................................................. 28
Hình 2.4. Ảnh chụp đồ thị biên độ rung.................................................................... 28
Hình 2.5. Ảnh chụp đồ thị phân tích tần số rung ...................................................... 29

Hình 2.6. Mô hình tạo rung theo truyền dẫn khí nén ................................................ 29
Hình 2.7. Ảnh chụp bệ gá cơ sở ................................................................................ 31
Hình 2.8. Ảnh chụp thiết bị đo lực Loadcell ............................................................. 31
Hình 2.9. Sơ đồ đấu mạch 04 Loadcell ..................................................................... 32
Hình 2.10. Ảnh chụp tấm đế ..................................................................................... 32
Hình 2.11. Ảnh chụp thân đồ gá ............................................................................... 33
Hình 2.12. Sơ đồ và ảnh chụp đầu rung kiểu FP-35-M ............................................ 33
Hình 2.13. Ảnh chụp tấm gá ..................................................................................... 34
Hình 2.14. Ảnh chụp cơ cấu tạo rung sau khi lắp ráp ............................................... 35
Hình 3.1. Ảnh chụp máy phay đứng KNUTH – VHF3 ............................................ 37
Hình 3.2. Ảnh chụp mũi khoan HSS – Nachi ........................................................... 37
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép không gỉ SUS 304 ..................................... 37
Hình 3.3. Sơ đồ thí nghiệm ....................................................................................... 38
Hình 3.4. Sơ đồ đầu rung khí nén FP - 35 - M.......................................................... 40
Hình 3.5. Ảnh chụp máy nén khí .............................................................................. 41
Hình 3.6. Ảnh chụp van điều áp................................................................................ 41
Hình 3.7. Loadcell ..................................................................................................... 42


Hình 3.8. Bộ khuếch đại KM02 ................................................................................ 42
Hình 3.9 Ảnh chụp Bộ thu thập dữ liệu NI USB - 6008 ........................................... 43
Hình 3.10. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử ................................................................. 44
Hình 3.11. Ảnh chụp đồng hồ so .............................................................................. 44
Hình 3.12.Ảnh chụp ký hiệu các lỗ khoan sau gia công ........................................... 45
Hình 3.13. Ảnh chụp ký hiệu các lỗ khoan sau gia công .......................................... 45
Hình 3.14. Ảnh chụp hệ thống đo lực khi khoan cho cả hai chế độ ......................... 46
Hình 3.15. Ảnh chụp quan hệ điện áp và khối lượng ............................................... 46
Hình 3.16. Minh họa cách đổi điện áp sang lực ........................................................ 47
Hình 3.17. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết ......................................... 48
Hình 4.1. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan không rung ......................... 53

Hình 4.2. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan có rung ............................... 53
Hình 4.3. Ảnh chụp giá trị lực trung bình của hai phương pháp khoan ................... 54
Hình 4.4. Ảnh chụp cách phân tích so sánh Two Sampled t – Test ........................ 55
Hình 4.5. Ảnh chụp đồ thị giá trị lực trung bình cả hai phương pháp khoan .......... 56
Hình 4.6. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Two – Sample t – test (giả thuyết đảo
= 0.0) ......................................................................................................................... 56
Hình 4.7. Ảnh chụp cách phân tích so sánh Two Sampled t – Test ........................ 57
Hình 4.8. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Two – Sample t – test (giả thuyết đảo
= 198) ........................................................................................................................ 57
Hình 4.9. Ảnh chụp cách kiểm định t cho dữ liệu dạng cặp ..................................... 58
Hình 4.10. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 58
Hình 4.11. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0) .... 59
Hình 4.12. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 59
Hình 4.13. Ảnh chụp so sánh lực dọc trục theo cặp.................................................. 60
Hình 4.14. Ảnh chụp phân tích lực dọc trục trung bình và tần suất ......................... 60
Hình 4.15. Ảnh chụp kết quả phân tích Paired T-Test and CI .................................. 61
Hình 4.16. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan có rung ............................. 65
Hình 4.17. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan không rung ....................... 65
Hình 4.18. Ảnh chụp giá trị lực trung bình của hai phương pháp khoan ................. 66
Hình 4.19. Ảnh chụp đồ thị giá trị lực trung bình cả hai phương pháp khoan ........ 67
Hình 4.20. Ảnh chụp kết quả phân tích lực dọc trục bằng so sánh Two Sample t Test ............................................................................................................................ 68
Hình 4.21. Ảnh chụp kết quả phân tích Two-Sample T ........................................... 69


Hình 4.22. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 70
Hình 4.23. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh t dạng cặp ...................................... 70
Hình 4.24. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh Paired t - Test .................................. 70
Hình 4.25. Ảnh chụp so sánh lực dọc trục theo cặp.................................................. 71
Hình 4.26. Ảnh chụp phân tích lực dọc trục trung bình và tần suất ......................... 71
Hình 4.27. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Paired t – Test ............................... 72

Hình 4.28. Ảnh chụp lưỡi cắt mũi khoan sau 11 lỗ a. Khoan không rung; b. Khoan
có rung; c. Sơ đồ các lưỡi cắt .................................................................................... 73
Hình 4.29. Ảnh chụp lưỡi cắt mũi khoan sau 11 lỗ a. Khoan thường; b. Khoan
rung; c. Sơ đồ các lưỡi cắt......................................................................................... 74
Hình 4.30. Ảnh chụp phoi sau khoan 11 lỗ ............................................................... 75
Hình 4.31. Ảnh chụp phoi sau khoan 11 lỗ ............................................................... 75
Hình 4.32. Khoan có rung trợ giúp ........................................................................... 76
Hình 4.33. Hiện tượng phoi bám dính ...................................................................... 77
Hình 4.34. Ảnh chụp kết quả phân tích Two Sampled t – Test ................................ 78
Hình 4.35. Ảnh chụp kết quả so sánh độ lay rộng lỗ khoan ..................................... 79
Hình 4.36. Ảnh chụp kết quả phân tích Two – Sample T ......................................... 80
Hình 3.37. Ảnh chụp để so sánh t theo cặp ............................................................... 81
Hình 4.38 . Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0) ... 82
Hình 4.39. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 82
Hình 4.40.Ảnh chụp so sánh độ lay rộng lỗ theo cặp t ............................................. 83
Hình 4.41.Ảnh chụp so sánh độ lay rộng lỗ và tần suất............................................ 83
Hình 4.42. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh theo cặp t ....................................... 84
Hình 4.43. Ảnh chụp cách vẽ và cách tính các thông số của lượng biến độ độ lay rộng lỗ
khoan ......................................................................................................................... 84
Hình 4.44. Ảnh chụp kết quả so sánh độ lay rộng lỗ khoan ..................................... 86
Hình 4.45. Ảnh chụp so sánh độ lay rộng trung bình ............................................... 87
Hình 4.46.Ảnh chụp kết quả phân tích Two Sample t - Test .................................... 88
Hình 4.47. Ảnh chụp để so sánh t theo cặp ............................................................... 89
Hình 4.48. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0 ..... 90
Hình 4.49. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 90
Hình 4.50. Ảnh chụp kết quả phân tích Paired t - test ..............................................91
Hình 4. 51. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh theo cặp t ...................................... 91


Hình 4.52. Ảnh chụp cách vẽ và cách tính các thông số của lượng biến độ độ lay

rộng lỗ ....................................................................................................................... 92
Hình 4.53. Ảnh chụp đường kính của lỗ khoan không rung thứ nhất ...................... 94
Hình 4.54. Ảnh chụp kết quả so sánh độ không tròn ................................................ 95
Hình 4.55 .Ảnh chụp đường kính của lỗ khoan không rung thứ sáu ........................ 96
Hình 4.56. Ảnh chụp kết quả so sánh độ không tròn ................................................ 97
Hình 4.57. Ảnh chụp phân bố thông kê đường kính lỗ khi khoan không rung ........ 98
Hình 4.58. Ảnh chụp phân bố thống kê đường kính lỗ khi khoan có rung ............... 99


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép không gỉ SUS 304 ..................................... 37
Bảng 3.2. Thông số tập thí nghiệm thứ nhất ............................................................. 39
Bảng 3.3. Thông số tập thí nghiệm thứ hai ............................................................... 39
Bảng 3.4. Thông số của đầu rung khí nén .................................................................40
Bảng 4.1.Thông số chế độ cắt thứ nhất ..................................................................... 49
Bảng 4 2. Đồ thị lực dọc trục thu được của thí nghiệm ............................................ 50
Bảng 4.3. Bảng tổng hợp lực dọc trục trung bình của hai phương pháp ................. 55
Bảng 4. 4. Thông số chế độ cắt thứ hai ..................................................................... 61
Bảng 4.5. Đồ thị lực dọc trục thu được của thí nghiệm ............................................ 62
Bảng 4.6. Bảng tổng hợp lực dọc trục trung bình của cả hai phương pháp .............. 67
Bảng 4.7. Thông số chế độ cắt ................................................................................. 72
Bảng 4.8. Thông số chế độ cắt .................................................................................. 73
Bảng 4.9.Thông số chế độ cắt ................................................................................... 74
Bảng 4.10. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 75
Bảng 4.11. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 77
Bảng 4.12. Độ lay rộng lỗ khoan cho cả hai phương pháp khoan ............................ 77
Bảng 4.13. Độ lay rộng lỗ khoan theo mm .............................................................. 80
Bảng 4.14. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 85
Bảng 4.15. Độ lay rộng lỗ khoan cho cả hai phương pháp khoan (%) ..................... 85
Bảng 4.15. Độ lay rộng đường kính lỗ khoan (mm) ................................................. 89

Bảng 4.16 . Thông số chế độ cắt ............................................................................... 93
Bảng 4.17. Độ không tròn của lỗ khoan cho cả hai phương pháp ............................ 94
Bảng 4.18. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 95
Bảng 4.19. Độ không tròn của lỗ khoan cho cả hai phương pháp ............................ 96


CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
UVC

Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)

CUVC
UEVC

Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic
Vibration Cutting)
Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration Cutting)

PZT

Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)

PZT-4

(Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện)

ELID

Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process Dressing)

USM
EDM

Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining)
Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining)

ECM

Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining)


MỞ ĐẦU
0.1. Tính cấp thiết của đề tài
Thép không gỉ SUS 304 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: Xây dựng
, ô tô, xe máy, y tế và các thiết bị hàng không như: Trục, van và ốc vít …Tuy nhiên
gia công thép không gỉ SUS 304 là rất khó vì thép này có những đặc tính sau:
- Có độ bền kéo cao
-

Độ dẻo cao

-

Tính dẫn nhiệt kém

-

Chịu mài mòn cao

Do những đặc tính như vậy khi gia công thép không gỉ SUS 304, nhiệt độ

cao tập trung ở giữa mũi khoan và phôi đẫn đến ảnh hưởng độ nhám bề mặt của lỗ
khoan, chất lượng lỗ khoan, làm giảm tuổi thọ dụng cụ cắt [1]. Vì những lý do trên,
khi gia công khoan vật liệu này thường gặp phải các vấn đề về năng suất và chất
lượng lỗ khoan [2]. Trong quá trình khoan, phoi không thể thoát ra khỏi vùng cắt
một cách tự do như trong các dạng gia công khác. Phoi có ma sát mạnh với mặt
trước mũi khoan, rãnh xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi
thoát ra, bám chặt vào rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn, đồng thời làm phát sinh
các lực đẩy ngang mũi khoan. Lực ma sát cũng làm tăng lực cắt [3]. Điều này có thể
gây kẹt hoặc xoắn gãy mũi khoan. Hơn nữa, ma sát của phoi dây lên thành lỗ khoan
khi phoi thoát ra sẽ cào xước vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ nhám bề mặt lỗ
khoan. Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trước, với rãnh xoắn mũi khoan và với
thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây mòn mũi khoan và cháy bề
mặt lỗ khoan.
Do hiện tượng phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt
hướng kính xuất hiện còn làm tăng hiện tượng lay rộng lỗ, méo lỗ, đồng thời làm
tăng độ không thẳng của lỗ khoan [4]. Thông thường, mũi khoan dùng để gia công
thép không gỉ cần có những lưu tâm đặc biệt về mặt kết cấu và công nghệ chế tạo,
chẳng hạn tạo lớp phủ bề mặt mũi khoan nhằm giảm ma sát hoặc mài rãnh xoãn.
Một cách tiếp cận khác giải quyết được vấn đề là sử dụng công nghệ rung động trợ
giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) [4-9]. Nguyên tắc chung của
các phương pháp này là bổ sung một nguồn rung động tương đối dọc trục mũi
khoan. Có thể bổ sung rung động cho mũi khoan [5, 7-9] hoặc cho chi tiết gia công
[4,6]. Rung động thường là rung siêu âm, có tần số cao (10 – 40 KHz) và biên độ
thấp (2- 40 micromet) [4]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng rung động tần

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 13

số thấp (100-200 Hz), được tạo bởi động cơ servo thủy lực [5]. Các kết quả cho
thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện thoát phoi, giảm
lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ không tròn lỗ khoan. Tuy vậy, các thiết bị
tạo rung nói trên có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền. Chính vì vậy, ứng dụng
khai thác ưu điểm của rung động trợ giúp gia công khoan vẫn chưa được phổ biến.
Đề tài này được thực hiện nhằm phát triển một mô hình ứng dụng rung động tần
số thấp, giá thành rẻ trợ giúp gia công khoan lỗ sâu trên Thép không gỉ (SUS 304).
0.2. Mục tiêu nghiên cứu.
Mục tiêu chủ yếu của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá
một mô hình thực nghiệm khoan có rung tích cực, đơn giản, giá thành thấp.
-

Các mục tiêu cụ thể là:
Lựa chọn mô hình rung phôi cho gia công khoan, đáp ứng các chỉ tiêu kỹ
thuật sau:
o Cấu tạo đơn giản; nhỏ gọn;
o Dễ vận hành, bảo dưỡng;
o Giá thành thấp;

-

o Có thể chế tạo trong điều kiện công nghệ trong nước;
Lắp đặt, vận hành hệ thống thí nghiệm nhằm khảo sát các thông số công
nghệ của quá trình khoan có rung động trợ giúp.
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kết luận 2 vấn đề sau:
o Thực nghiệm so sánh đánh giá các ưu việt của khoan thép không gỉ
có rung động trợ giúp so với khoan không rung;
o Đưa ra bộ thông số phù hợp khi khoan thép không gỉ có rung động
trợ giúp.

0.3. Các kết quả đã đạt được
Đề tài đã nghiên cứu so sánh, lựa chọn đánh giá các ưu việt của khoan thép
không gỉ có rung động trợ giúp so với khoan không rung. Các thí nghiệm đã
được thực hiện để kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ưu việt của khoan có
rung động trợ giúp. Các kết quả mà đề tài đã đạt được bao gồm:
- Thiết kế, chế tạo một hệ thống thiết bị gá rung tích cực dùng cho gia
công khoan;
-

Vận hành, thí nghiệm khoan với sự trợ giúp của rung động bằng cơ
cấu tạo rung động khí nén.
Đưa ra bộ thông số công nghệ gia công khoan có rung động trợ giúp.

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 14


- Khẳng định được ưu việt vượt trội của khoan có rung động trợ giúp so
với khoan không rung qua các số liệu thực nghiệm.
- 01 bài báo đăng trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 5/2016: tên bài báo
“Nghiên cứu thực nghiệm khoan lỗ sâu thép không gỉ SUS 304 có trợ giúp bằng
rung động tần số thấp”
- 01 bài báo đăng trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái
Nguyên, số tháng 7/2016: tên bài báo “Một số kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh
hưởng tích cực của gia công khoan lỗ sâu tích hợp rung”
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 như sau:
Chương 1. Tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các ưu việt nổi trội

của phương pháp này sẽ được trình bày. Phần cốt lõi của chương chính là so sánh
các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương
pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
Chương 2 . Chế tạo và vận hành thiết bị thí nghiệm bằng cơ cấu tạo rung khí
nén cũng được trình bày trong chương này. Các bước lắp ghép chi tiết máy để hoàn
chỉnh cơ cấu tạo rung động.
Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm so sánh, trong chương này trình bày cách
thức thiết kế, triển khai, thu thập và phân tích số liệu thí nghiệm..
Chương 4. Kết quả thực nghiệm so sánh, chương này xử lý, phân tích và đánh
giá tính ưu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan không rung được
phân tích thông 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.

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 15


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP
1.1. Giới thiệu
Chương này trình bày về tổng quan quá trình gia công có rung động trợ giúp
với các ưu việt của nó. So sánh các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều
kiện thực tế để lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
Phần 1.2 trình bày về về khoan có rung động trợ giúp. Phần 1.3 giới thiệu về các
phương pháp tạo rung đã được áp dụng trong công nghiệp. Phần cuối là tóm tắt các
kết luận của chương.
1.2. Tổng quan về khoan có rung trợ giúp
Thép không gỉ có vai trò quan trọng và được ứng dụng rãi trong các ngành
công nghiệp hàng không, thiết bị y tế, thiết bị chế biến thực phẩm cũng như xây

dựng và đồ dân dụng. Do đặc tính có độ bền nhiệt cao, tương tác với hầu hết các
loại vật liệu dụng cụ cắt, nên thép không gỉ được xếp vào một trong những vật liệu
khó gia công. Trong họ thép không gỉ, SUS304 là một trong những mác thép khó
gia công nhất, với hệ số tính năng cắt chỉ khoảng 50% [10]. Các tồn tại khi gia công
thép không gỉ, đặc biệt là khi khoan thép SUS304, bao gồm: dụng cụ mòn nhanh,
năng suất cắt thấp, lực cắt và công suất cắt lớn… đã và đang nhận được sự quan tâm
tìm hướng giải quyết của các chuyên gia nghiên cứu [11-14].Kỹ thuật rung động trợ
giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) đã được nhiều nghiên cứu
khẳng định là khắc phục được các tồn tại trên đây [3-6,15-16].Các kết quả cho thấy
gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện thoát phoi, giảm lực
cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ méo lỗ khoan.Tuy vậy, các thiết bị tạo rung
đã và đang được sử dụngđều hoặc có kết cấu cồng kềnh, phức tạp, hoặc đắt tiền, đặc
biệt là các thiết bị tạo rung siêu âm. Giải pháp khai thác cơ cấu tạo rung động tần số
thấp, giá thành rẻ để trợ giúp gia công khoan đã được triển khai và cho kết quả tốt
trên hợp kim nhôm [9,16]. Dù vậy, ưu việt của việc ứng dụng cơ cấu này trong
khoan thép không gỉ, đặc biệt ở góc độ làm giảm lực cắt, nâng cao chất lượng lỗ
khoan vẫn chưa được khẳng định. Bài báo này giới thiệu các kết quả giải đáp các
vấn đề nói trên.
1.3. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp
Hiện nay có rất nhiều nguyên lý tạo rung khác nhau, được thống kê thành 03
nhóm chính: Tạo rung bằng cơ khí, tạo rung bằng điện từ, tạo rung bằng siêu âm.
Các phương pháp được trình bày chi tiết như dưới đây.
1.3.1. Phương pháp tạo rung động bằng cơ khí ( thủy lực)
a. Tạo rung bằng lực li tâm
Nguyên lý tạo rung bằng lực li tâm do bánh lệch tâm quay được Tasaplin và
cộng sự, đề xuất vào năm 1949, có giá trị như sau:
Flt  m. 2 .r (N)

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

(1.1)

Trang 16


Trong đó: m – khối lượng lệch tâm (kg); r – bán kính tâm quay (m);  - vận
tốc góc (rad/s).

Hình 1.1. Nguyên lý hình thành lực li tâm

Mô hình thiết kế, chế tạo nguyên lý tạo rung li tâm cho nguyên công khoan
được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lí tạo rung li tâm cho gia công khoan

Cơ cấu được minh họa trên hình 1.2 gồm có một bệ gá cơ sở (đế kẹp bàn
máy) có nhiệm vụ liên kết các chi tiết khác của cơ cấu và làm nhiệm vụ định vị
cũng như cố định cơ cấu trên bàn máy khi khoan; 2 giá đỡ làm nhiệm vụ đỡ toàn bộ
phần lắp động cơ, đồng thời có 2 rãnh dẫn hướng chữ V để kết hợp với sống dẫn
hướng trên phần giá lắp động cơ để khống chế phương rung chỉ theo phương thẳng
đứng; phần giá lắp động cơ có nhiệm vụ cố định động cơ và nhận rung động từ lực
li tâm do động cơ quay. Bộ phận quan trọng của cơ cấu này chính là động cơ điện
một chiều lắp 2 bánh lệch tâm có thể điều chỉnh được lực li tâm và tốc độ quay.
Ngoài ra, cơ cấu còn có 4 trụ ren và 4 lò xo làm nhiệm vụ duy trì rung động và đỡ
tấm kẹp động cơ tiếp xúc với 2 giá đỡ qua 2 dẫn hướng chữ V. Cơ cấu này còn có

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 17

các bu lông, đai ốc, đệm lót làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết và bộ đồ gá kẹp phôi
để truyền rung động từ cơ cấu lên phôi.
Cơ cấu tạo rung bằng lực li tâm có ưu nhược điểm sau:
- Ưu điểm: Thiết kế, chế tạo đơn giản chi phí thấp điều chỉnh được biên độ rung
- Nhược điểm: Tần số thấp (trong khoảng 100 Hz) khó điều chỉnh chính xác
biên độ rung động, hệ thống cồng kềnh.
b. Tạo rung bằng truyền dẫn chuyển động thẳng khí nén (thủy lực)
Trong truyền dẫn này, năng lượng từ khí nén hay thủy lực tạo chuyển động
đi lại của bộ tạo rung, thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3. Sơ đồ tạo rung bằng khí nén và thủy lực

Trên hình 1.3a, khí nén từ ngoài vào buồng phải của pít tông 8 qua lỗ 3 và 4,
nén lò xo 9, đưa pít tông 8 sang trái. Khí ở buồng trái qua lỗ 7 thoát ra khí trời. Gần
cuối vị trí tận cùng bên trái của pít tông 8, lỗ 7 và 4 bị đóng lại, 2 và 6 mở ra, pít
tông 8 đảo chiều. Tần số rung của pít tông được điều chỉnh bằng áp suất khí và độ
cứng của lò xo 5 và 9.
Ở hình 1.3b, bơm 4 qua từng chu kỳ cho chất lỏng vào xi lanh 1 qua ống 3 và
hút chất lỏng qua ống 5 làm pít tông 2 di chuyển. Cần 7 có chèn lò xo để thêm bậc
tự do cho cơ cấu. Lực kích thích từ cần 7 truyền cho bộ phận làm việc của máy
rung. Biên độ dao động được điều chỉnh bằng thay đổi năng suất bơm.
Cơ cấu tạo rung bằng truyền dẫn chuyển động thẳng khí nén hay thủy lực có
ưu nhược điểm như sau:
- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ vận hành, dễ điều chỉnh tần số và
biên độ rung, giá thành thấp.
- Nhược điểm: Gây ồn trong quá trình gia công

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 18


1.3.2. Phương pháp tạo rung bằng điện từ
Phương pháp này trình bày cơ cấu tạo rung bằng lực từ trường . Để tạo ra
rung động bằng lực từ trường, sử dụng nguyên lý dao động từ trường để tạo ra lực
hút, đẩy theo chu kỳ thay đổi của chiều từ trường trong các nam châm điện. Đây là
nguyên lý tạo rung đã được Franca và Weber đề xuất [18]. Như vậy, có thể sử dụng
nguyên lý này để tạo rung khi gia công như được thể hiện trên hình 1.4.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường

Trên hình1.4a, sử dụng một nam châm điện xoay chiều để tạo ra lực từ xoay
chiều. Nam châm điện xoay chiều này được tạo ra bằng cách dùng một ống dây
quấn quanh một lõi thép kỹ thuật điện (thép Si), rồi nối 2 đầu cuộn dây với một
nguồn điện áp xoay chiều (UAC). Như vậy, với nam châm này, có thể tạo ra lực từ
thay đổi chiều theo tần số dòng điện. Để tiếp nhận lực hút, đẩy thay đổi này, bố trí
một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện nam châm điện xoay chiều này. Nam châm
vĩnh cửu có cấu tạo giống với nam châm điện xoay chiều, nhưng nguồn cung cấp
cho nó phải là nguồn điện một chiều (UDC). Khi cố định nam châm xoay chiều và
gắn nam châm vĩnh cửu với phôi gia công ở trạng thái có thể di chuyển, lực từ thay
đổi sẽ hút, đẩy nam châm vĩnh cửu, dẫn đến phôi gia công sẽ dao động (rung) theo
tần số thay đổi chiều của lực. Một thiết bị tạo rung theo nguyên lý này được mô tả
trên hình 1.4b [ 9 ]. Trên hình này, nam châm điện 1 với các cuộn dây 4 lắp vào

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 19

thanh ngang 8. Lõi 2 lắp trên khung. Thanh 8 được đỡ trên khung bằng các lò xo 5.
Dây điện hình lò xo cấp điện cho cuộn dây 4. Điều chỉnh khe hở giữa các cực bằng
đai ốc 6. Điều chỉnh bộ rung bằng chi tiết 7 lắp trên stator.
Thông số rung gồm biên độ A phụ thuộc vào độ lớn lực từ và các đặc tính cơ
học của hệ thống; còn tần số rung f phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều đưa
vào nam châm điện xoay chiều. Với nguyên lý như vậy, để tạo được rung động trên
phôi gia công, cần bố trí một cơ cấu tạo rung sử dụng nam châm điện được thể hiện
trên hình 1.5.

Hình 1.5. Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trường

Cơ cấu này gồm một bệ cơ sở để cố định 4 trục ren xỏ 4 lò xo đàn hồi để duy
trì lực rung, đồng thời cố định nam châm điện xoay chiều và kẹp toàn bộ cơ cấu
rung lên bàn máy gia công. Để tạo được rung động trên phôi, gắn phôi lên một tấm
gá gắn chặt với nam châm điện một chiều (nam châm này dao động do lực từ do
nam châm điện xoay chiều tác dụng lên) và toàn bộ tấm gá này được đặt lên 4 lò xo
trên để duy trì rung động.
Cơ cấu tạo rung bằng lực từ trường có ưu nhược điểm như sau:
- Ưu điểm: Dễ điều chỉnh tần số và biên độ rung.
- Nhược điểm: Thiết bị truyền nhiệt lớn, chi phí cao.
1.3.3. Tạo rung bằng 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
Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 20


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 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ hiệu 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.
Trên thế giới đã có nhiều công ty chế tạo ra nhiều loại PZT phục vụ cho việc
tạo rung động ứng dụng cho nhiều nhành công nghiệp như gia công cơ, thiết bị gia
dụng (làm chậu rửa), thiết bị y tế, cũng như ứng dụng trong công nghệ Sensor áp

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 21


dụng cho các thiết bị đo lực, cân trọng lượng…. các loại PZT thường được chế tạo
thành hai dạng cơ bản sau:
- Dạng PZT miếng đơn, được minh họa trên hình 1.7.

Hình 1.7. Ảnh chụp các tấm PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp

Dạng PZT xếp chồng, được thể hiện trên hình 1.8.

Hình 1.8. Ảnh chụp các PZT xếp chồng

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 22


Mô hình thiết kế, chế tạo nguyên lý tạo rung theo hiệu ứng áp điện cho
nguyên công khoan được thể hiện trên hình 1.9.

Hình 1.9. Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện

Mô hình làm việc của cơ cấu tạo rung này được thể hiện trên hình 1.9. Theo
hình này, cơ cấu được cấu tạo đơn giản gồm một bệ gá để làm cơ sở lắp ghép các
chi tiết khác và nó còn có nhiệm vụ định vị và kẹp chặt cả cơ cấu lên bàn máy khi
gia công. Các tấm PZT được ghép nối lại với nhau thành chồng và đấu nối dây vào
đúng các cực của tấm, rồi kết nối với nguồn là máy phát điện áp xung tần số cao
tương ứng. Để có thể nhận được rung động từ chồng PZT này, sử dụng một cụm chi
tiết gồm các ống kẹp, ống truyền rung động và lò xo để tạo ứng suất ban đầu. Như
vậy, khi cung cấp điện áp xung với tần số f 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 phôi gia công áp dụng cho nguyên công khoan.
Cơ cấu tạo rung bằng hiệu ứng áp điện có ưu nhược điểm như sau:

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 23


- Ưu điểm: Cơ cấu gọn nhẹ, tần số rung lớn (tần số siêu âm)
- Nhược điểm: Chi phí cao
1.4. Kết luận chương
Chương này trình bày về tầm quan trọng và tính cấp thiết của phương pháp
gia công có rung động trợ giúp. Có 04 phương pháp tạo rung lần lượt được liệt kê
và phân tích đó là: Tạo rung bằng li tâm cơ khí; tạo rung bằng truyền dẫn khí nén;
tạo rung bằng lực điện từ; tạo rung bằnghiệu ứng áp điện.
Cuối cùng, bằng các phân tích và kết hợp với điều kiện thực tế, phương pháp
tạo rung bằng truyền dẫn khí nén được chọn để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.

Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo

Trang 24