Thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ
ĐẦU RUNG SIÊU ÂM

NGÔ QUỐC HUY

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

TS. HỒ KÝ THANH

2.

PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ

NĂM 2017


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai giáo viên hướng dẫn khoa học là
PGS.TS. Nguyễn Văn Dự và TS. Hồ Ký Thanh. Trong suốt quãng thời gian thực
hiện đề tài, các Thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền cảm hứng và giúp đỡ triển khai ý
tưởng thiết kế. Bằng tất cả nhiệt huyết truyền đạt từ các Thầy, em đã học hỏi rút được
nhiều kinh nghiệm trong phát triển kiến thức, kỹ năng và hoạt động nghiên cứu khoa
học.
Em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giao trong Khoa Cơ khí –
Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, nơi em đang làm việc. Thầy cô đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài luận văn này.
Em cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành đền Nghiên cứu sinh, ThS. Chu Ngọc
Hùng, người đã giúp đỡ em trong quá trình triển khai ý tưởng và thực nghiệm kiểm
chứng tại Trung tâm sáng tạo sản phẩm của Trường..
Em xin chân thành cảm ơn và muốn gửi những lời chúc tốt đẹp nhất đến các

Thầy cô.

Ngô Quốc Huy
Bộ môn Thiết kế cơ khí - Khoa Cơ khí


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Gia công cắt gọt có sự trợ giúp của rung động đã được khẳng định có nhiều ưu
điểm nổi trội so với gia công truyền thống. Một vấn đề tồn tại khi khai thác rung động
trợ giúp gia công tiện lỗ là khó bố trí đầu rung – thường có kích thước lớn hơn nhiều
so với kích thước gia công.
Báo cáo này trình bày một số kết quả nghiên cứu và triển khai thiết kế, chế tạo
và đánh giá thực nghiệm đầu rung siêu âm có gắn dụng cụ cắt hỗ trợ quá trình tiện
cứng lỗ.
Một đầu rung siêu âm mang dao tiện lỗ có kết cấu thuận tiện cho việc gá kẹp
trên đài dao máy tiện đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Đầu rung được phân
tích, hiệu chỉnh về tần số cộng hưởng, trở kháng cơ và biên độ rung động tại vị trí đầu
dụng cụ nhờ phương pháp Phần tử hữu hạn.
Đầu rung đã chế tạo được sử dụng để gia công thử nghiệm tiện tinh 20 lỗ đường
kính 12 mm trên vật liệu thép làm khuôn Cr12Mo, có độ cứng 60 - 62 HRC. Kết quả
cho thấy, rung động trợ giúp gia công làm lực cắt giảm từ 20% đến 30% và cải thiện ít
nhất 1 cấp nhám so với tiện truyền thống (không có rung động trợ giúp).
Các kết quả thu được đóng vai trò cơ sở quan trọng cho việc phát triển nghiên
cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh dụng cụ cho gia công tiện lỗ có rung động trợ giúp.


CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CT

Conventional turning

Tiện truyền thống

DAQ

Data acquisitions

Bộ thu thập dữ liệu

FEM

Finite element modeling

Mô hình phần tử hữu hạn

PZT

Piezoelectric transducer

Bộ chuyển đổi áp điện

UAT

Ultrasonic assisted turning

Tiện có rung động siêu âm trợ giúp

UAD

Ultrasonic assisted Drilling

Khoan có rung động siêu âm trợ giúp

UVT

Ultrasonic vibratory tool

Dụng cụ giúp rung siêu âm trợ giúp

UAM

Ultrasonic assisted machining

Gia công rung siêu âm

1D

One-dimensional

Một phương

2D

Two-dimensional

Hai phương

DOE

Design of experiment

Thiết kế thí nghiệm

TWCR

Tool work-piece contact ratio

Tỉ số tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi

EVA

Elliptic vibration-assisted cutting

Cắt có rung siêu âm dạng Elip

CDVA

Cutting directional vibration-assisted

Cắt rung theo phương chạy dao

NDVA

Normal-directional vibration-assisted

Cắt rung theo phương tiếp tuyến

CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

S
A
ac
c
D
t
E
Fx
Fy
Fz
f
h
i
K
L
M
n
Ra
r
s
sin

max
V

u
v
λ

xn
µ
ω

Area of cross section
Amplitude
Acceleration
Velocity of sound
Diameter of Horn
Depth of cut
Young’s modulus
Cutting force in X-axis direction
Cutting force in Y-axis direction
Cutting force in Z-axis direction
Frequency
Height
Complex number
Stress concentration
Length
Mass
Spindle speed
Surface roughness
Radius
Feed
Sine
Stress
Maximum stress
Cutting velocity
Density
Displacement

Vibration velocity
Wave length
Nodal point position
Poison’s ratio
Angular velocity

Diện tích mặt cắt
Biên độ
Gia tốc
Vận tốc truyền âm
Đường kính của đầu khuếch đại
Chiều sâu cắt
Mô đun đàn hồi
Lực cắt theo phương trục X
Lực cắt theo phương trục Y
Lực cắt theo phương trục Z
Tần số
Chiều cao
Số phức
Hệ số tập trung ứng suất
Chiều dài
Khối lượng
Tốc độ cắt trục chính
Độ nhám bề mặt
Bán kính
Lượng chạy dao
Hàm sin
Ứng suất
Ứng suất lớn nhất
Vận tốc cắt

Khối lượng riêng
Chuyển vị
Vận tốc rung động
Chiều dài bước sóng
Tọa độ điểm nút
Hệ số poat-xông
Vận tốc góc


MỤC LỤC
Chương 1. Giới thiệu ............................................................................................ 13
1.1. Vấn đề nghiên cứu .............................................................................................. 13
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 14
1.3. Cách tiếp cận .......................................................................................................15
1.4. Các kết quả đạt được........................................................................................... 15
1.5. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 16
Chương 2. Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công ...................... 17
2.1. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm .....................................................................17
2.1.1. Rung động siêu âm .......................................................................................17
2.1.2. Siêu âm công suất.........................................................................................18
2.1.3. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm ............................................................... 18
2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm ................................................................ 21
2.3. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật ............................................................ 25
2.3.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm ...................................................................25
2.3.2. Hàn siêu âm (Ultrasonic welding) ............................................................... 26
2.3.4. Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm ...............................................27
2.3.5. Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm .........................28
2.3.6. Siêu âm trong y học......................................................................................29
2.4. Rung động siêu âm trợ giúp gia công .................................................................30
2.4.1. Khoan có rung động siêu âm trợ giúp .......................................................... 32

2.4.2. Phay có rung động siêu âm trợ giúp............................................................. 33
2.4.3. Tiện có rung động siêu âm trợ giúp ............................................................. 34
2.5. Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công .......................................................43
2.5.1. Nguồn phát công suất siêu âm .....................................................................43
2.5.2. Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor) .......................44
2.5.2.1. Chức năng ............................................................................................. 44
2.5.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................... 45
2.5.2.3. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin........................... 46
2.5.3. Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster và Horn) .........................................51
2.5.3.1. Chức năng, cấu tạo ...............................................................................51
2.5.3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán đầu khuếch đại biên độ rung ........................53
a. Dạng trụ có tiết diện không đổi .................................................................54
b. Dạng trụ bậc ( Double cylinder / Stepped Horn).......................................55
c. Dạng hình côn (Conically Tapered Horns) ................................................60
2.6. Kết luận chương ..................................................................................................62
Chương 3. Tính toán thiết kế kết cấu đầu rung mới ........................................63
3.1. Giới thiệu ............................................................................................................63
3.2. Nguyên lý cấu tạo bộ tạo rung trợ giúp tiện lỗ ...................................................64
3.3. Lựa chọn bộ phát rung siêu âm thương mại .......................................................65
3.4. Thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung dạng trụ bậc ............................................66
3.5. Thiết kế kết cấu đồ gá mang cơ cấu rung cho tiện lỗ .........................................71
3.5.1. Sơ đồ nguyên lý............................................................................................ 71
3.5.2. Kết cấu đồ gá ............................................................................................... 72


3.6. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung siêu âm (Finite Element
Modeling of Ultrasonic Vibratory Tool) ...................................................................73
3.6.1. Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA) .......................73
3.6.2. Mô hình phân tích tần số dao động riêng ( Modal Analysis).......................74
3.6.3. Mô hình phân tích ứng xử điều hòa (Harmonic response analysis).............77

3.7. Kết luận chương ..................................................................................................81
Chương 4. Thực nghiệm xác định tần số, biên độ rung ...................................82
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................82
4.2. Xác định tần số cộng hưởng ...............................................................................82
4.2.1. Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng ............................................84
a. Phương pháp mạch cầu (Bridge methods) .....................................................84
b. Sử dụng mạch đo độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện (I-V Methods) ...84
c. Phương pháp cầu tự cân bằng (Auto-balancing bridge method) ...................85
d. Sử dụng thiết bị phân tích trở kháng thương mại TRZ Horn Analyzer ........85
4.2.2. Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng cụm đầu rung ............................ 86
4.3. Đánh giá biên độ rung động ................................................................................88
4.3.1. Các phương pháp đo biên độ .......................................................................88
a. Phương pháp đo không tiếp xúc ....................................................................89
a.1. Phương pháp đo trực tiếp biên độ bằng kính hiển vi .............................. 89
a.2. Sử dụng Laser Vibrometer......................................................................89
b. Phương pháp đo tiếp xúc ...............................................................................90
b.1. Sử dụng cảm biến khoảng cách .............................................................. 90
b.2. Sử dụng gia tốc kế (accelerometer) ........................................................91
b.3. Sử dụng đồng hồ so ................................................................................91
b.4. Sử dụng panme đo ngoài ........................................................................92
4.3.2. Kết quả đo biên độ rung động ......................................................................93
Chương 5. Thực nghiệm gia công đánh giá đầu rung ......................................94
5.1. Giới thiệu ............................................................................................................94
5.2. Thiết bị thí nghiệm .............................................................................................. 94
5.1.1. Máy tiện vạn năng V-Turn 410 ....................................................................94
5.1.2. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................ 94
5.1.3. Dụng cụ cắt ..................................................................................................96
5.1.4. Cảm biến đo lực cắt......................................................................................96
5.1.5. Máy đo nhám bề mặt ....................................................................................97
5.2.1. Kiểm chuẩn xác định quan hệ lực với điện áp .............................................98

5.2.2. Thiết kế thí nghiệm tiện lỗ với phần mềm Minitab ...................................102
5.3. Kết quả đánh giá quá trình tiện lỗ .....................................................................102
5.3.1. Đánh giá về độ nhám bề mặt ......................................................................102
5.3.2. Đánh giá về lực cắt .....................................................................................106
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................107
6.1. Kết luận .............................................................................................................107
6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................107


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Vận tốc truyền âm của một số loại vật liệu (Sổ tay CRC) ...................................................22
Bảng 2.2. Các dạng mode truyền sóng [2]............................................................................................24
Bảng 2.3. Trở kháng âm của một số môi trường...................................................................................24
Bảng 2.4. Hướng rung, phương trình chuyển động của dụng cụ cắt với các phương pháp gia công ..35
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của nguồn phát điện siêu âm ...................................................................44
Bảng 2.6. Bảng xác định hệ số tập trung ứng suất theo bán kính chuyển tiếp......................................57
Bảng 2.7. Bảng tra hệ số tập trung ứng suất theo r, h ..........................................................................58
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật bộ phát rung siêu âm CN2060-4Z ...........................................................66
Bảng 3.2. Cơ tính của Al 7075 ...............................................................................................................67
Bảng 3.3. Kết quả tính toán kích thước đầu khuếch đại cho một số vật liệu .........................................68
Bảng 3.4. Tần số rung tự nhiên ứng với các mode rung động ...............................................................76
Bảng 3.5.Tần số rung động tự nhiên đầu khuếch đại bằng một số loại vật liệu (Mode rung dọc trục).77
Bảng 5.1. Thông số kỹ thuật của máy tiện .............................................................................................94
Bảng 5.2. Thành phần hóa học chính của mẫu thí nghiệm ....................................................................95
Bảng 5.3. Thông số chế độ cắt khuyến nghị của nhà sản xuất ...............................................................96
Bảng 5.4. Thông số kỹ thuật của cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA ................................97
Bảng 5.5. Thông số ký thuật của máy đo nhám SJ-210..........................................................................98
Bảng 5.6. Quan hệ điện áp với giá trị lực cắt ......................................................................................100
Bảng 5.7. Trình tự thực hiện thí nghiệm được thiết kế (DOE) .............................................................102
Bảng 5.8 . Kết quả thí nghiệm đo nhám các mẫu tiện lỗ khi có rung hỗ trợ so với tiện truyền thống .103

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Các ngưỡng tần số rung động ................................................................................................17
Hình 2.2. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm ..............................................................................................19
Hình 2.3. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính tạo ra dao động cơ
học [13] ..................................................................................................................................................19
Hình 2.4. Hiệu ứng áp điện ....................................................................................................................20
Hình 2.5. Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b ....................20
Hình 2.6. Mô hình liên kết nguyên tử .....................................................................................................21
Hình 2.7. Hình dạng một số mode truyền sóng ......................................................................................23
Hình 2.8. Bể rửa siêu âm........................................................................................................................25
Hình 2.9. Hiệu quả làm sạch rửa siêu âm so với các phương pháp rửa truyền thống. a. Rửa siêu âm,
b. Đánh rửa bằng tay, c. Làm sạch dầu mỡ bằng hơi nước, d. Sức chuyển động của chất lỏng, e.Tia
nước........................................................................................................................................................25
Hình 2.10. Quá trình hình thành và phát triển bóng khí ........................................................................26
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm..................................................................................................27
Hình 2.12. Dụng cụ thái lát bánh nhờ siêu âm ......................................................................................27
Hình 2.13. Kiểm tra khuyết tật nhờ siêu âm. (a) Sơ đồ nguyên lý cách xác định vết nứt gãy trong lòng
vật thể. (b) Kiểm tra kết cấu lõi thép dầm bê tông. ................................................................................28
Hình 2.14. Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển và dò tìm đàn cá ..........................................29
Hình 2.15. Dao mổ siêu âm ....................................................................................................................30
Hình 2.16. Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp [2]...............................................31
Hình 2.17. Các phương án bổ sung rung động trong quá trình khoan. .................................................32
Nguyên tắc chung của UAD là bổ sung một rung động siêu âm vào chuyển động tương đối giữa mũi
khoan và chi tiết gia công. Có các phương án bổ sung rung động bao gồm: Bổ sung cho mũi khoan
(Hình 2.17a,c), bổ sung cho chi tiết gia công (hình 2.17b)....................................................................32
Hình 2.18. So sánh độ tròn lỗ khoan (a) và lực dọc trục (b) giữa khoan siêu âm so với khoan truyền
thống.......................................................................................................................................................33
Hình 2.19. Sơ đồ bổ sung rung động cho phay ......................................................................................34

Hình 2.20. Các kiểu bổ sung rung động siêu âm trợ giúp dao tiện........................................................34
Hình 2.21. Sơ đồ kĩ thuật rung 2D .........................................................................................................35
Hình 2.22. Sơ đồ tiện có trợ giúp rung theo phương tiếp tuyến .............................................................36
Hình 2.23. Đánh giá lực cắt và lượng mòn dụng cụ của tiện truyền thống với UAT .............................36
Hình 2.24. Mô hình bổ sung rung động (a) và đánh giá lực cắt tiếp tuyến khi tiện có rung so với tiện
truyền thống (b) ......................................................................................................................................37
Hình 2.25. Quan hệ giữa TWCR với biên độ rung (a), với chế độ cắt (f =20kHz, a=15 µm)(b) ...........38
Hình 2.26. Phân tích so sánh hiệu quả khi tiện có rung siêu âm ( f =19 kHz, a = 15µm) tốc độ cắt 10
m/phút; 0,1mm/vòng, chiều sâu cắt 0,1 mm so với tiện truyền thống. ...................................................38


Hình 2.27. (A) Sơ đồ thí nghiệm; (B) So sánh độ nhám bề mặt khi tiện truyền thống (a) với UVT (b)
với diện tích quét 0,53 mm x 0,7 mm ......................................................................................................39
Hình 2.28. Thông số khảo sát các thành phần lực cắt ...........................................................................39
Hình 2.29. Các thành phần lực cắt ở chiều sâu cắt 0,2 mm khi tiện không rung so với UVT ...............39
Hình 2.30. Mô hình bổ sung rung động cho dao tiện với chiều dài cả bước sóng.................................40
Hình 2.31. Kết quả phân tích tần số cộng hưởng với mode dọc trục .....................................................40
Hình 2.32. Mô hình thí nghiệm bổ sung rung động theo quỹ đạo Elip cho dao tiện..............................41
Hình 2.33. Mô hình bổ sung rung động tiếp tuyến cho dao tiện ............................................................41
Hình 2.34. Mô hình thí nghiệm với kết cấu dao tiện mới cho tiện trụ ngoài [32] .................................42
Hình 2.35. Sơ đồ cấu tạo chung một hệ thống rung hỗ trợ gia công ....................................................43
Hình 2.36. Máy phát điện siêu âm MPI_ WG3000W ............................................................................44
Hình 2.37. Cấu trúc bộ tạo rung siêu âm kiểu Langevin .......................................................................45
Hình 2.38. Các dạng kết cấu đầu chuyển đổi rung động siêu âm khác. ...............................................46
Hình 2.39. Mô hình 3D bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer) ......................46
Hình 2.40. Sơ đồ tính bộ tạo rung siêu kiểu Langevin .........................................................................47
Hình 2.41. Mạch vòng Mason của bộ phát rung siêu âm .....................................................................49
Hình 2.42. Một số ứng dụng ứng với các giá trị tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của hiện
tượng áp điện (ATCP) ............................................................................................................................50
Hình 2.43. Vai trò của "hộp số" Booster...............................................................................................51

Hình 2.44. Khả năng khuếch đại biên độ của đầu Booster nối tiếp Horn ............................................52
Hình 2.45. Hình dáng một số đầu khuếch đại biên độ ..........................................................................52
Hình 2.46. Sơ đồ tính truyền sóng cho thanh tiết diện thay đổi .........................................................54
Hình 2.47. Sơ đồ tính bộ khuếch đại hình trụ tiết diện không đổi..........................................................54
Hình 2.48. Sơ đồ tính bộ khếch đại dạng trụ bậc ..................................................................................56
Hình 2.49. Kết cấu nút kẹp .....................................................................................................................57
Hình 2.50. Sơ đồ tính Horn điểm kẹp ở vị trí khác điểm giữa...............................................................58
Hình 2.51. Sơ đồ tính đầu khuếch đại dạng côn thẳng .........................................................................60
Hình 3.1. Các nguyên tắc bổ sung rung động trợ giúp tiện ...................................................................64
Hình 3.2. Sơ đồ kết cấu cụm đầu rung khi tiện lỗ .................................................................................65
Hình 3.3. Bộ phát rung thương mại CN2060-4Z...................................................................................66
Hình 3.4. Kết quả tính toán sử dụng phần mềm online SonoAnalyzer của trang PowerUltrasonics
Sonotrode Calculator .............................................................................................................................68
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý cụm đầu rung ...............................................................................................68
Hình 3.6. Bản vẽ chế tạo đầu khuếch đại ...............................................................................................69
Hình 3.7. Ống kẹp dao tiện lỗ ................................................................................................................69
Hình 3.6. Sơ đồ minh họa kết quả tính toán biên độ rung tại đầu dụng cụ............................................70
Hình 3.7. Kết cấu cụm đầu rung ............................................................................................................71
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý cụm giá kẹp đầu rung...................................................................................72


Hình 3.9. Kết cấu gá đầu rung trên đài gá dao......................................................................................72
Trên hình 3.9, thân đồ gá có tiết diện chữ nhật, có kích thước ngang tương đương kích thước tiết diện
các thân dao để kẹp được trên đài dao máy tiện. Toàn bộ đồ gá được gá đặt trên đài dao như một dao
tiện lỗ thông thường. ..............................................................................................................................72
Hình 3.10. Kết cấu gá đầu rung (a) Hai hình chiếu đồ gá đầu rung, (b) Kết cấu kẹp đầu rung trên giá
kẹp ..........................................................................................................................................................73
Hình 3.11. Bản vẽ chế tạo đầu khuếch đại Horn ...................................................................................75
Hình 3.12. Thiết lập thông số vật liệu và điều kiện phân tích ................................................................75
Hình 3.13. Mode thứ 2 rung động dọc trục của đầu rung .....................................................................75

Hình 3.14. Một số mode rung động khác của đầu rung .........................................................................76
Hình 3.15. Tần số với mode rung dọc trục .............................................................................................76
Hình 3.16. Giao diện và trình tự thực hiện Harmonic response ............................................................78
Hình 3.17. Thiết lập lời giải Harmonic Response ..................................................................................78
Hình 3.18. Kết quả phân tích biên độ cộng hưởng đầu khuếch đại .......................................................79
Hình 3.19. Tần số cộng hưởng tự nhiên với mode dọc trục của kết cấu là 19117 Hz ...........................79
Hình 3.20. Lời giải Supernode tìm được tần số cộng hưởng tự nhiên là 19392 Hz..............................80
Hình 3.21. Kết quả phân tích ứng xử dao động với f =19177 Hz được A3 = 21.91µm..........................80
Hình 3.22. Kết quả phân tích ứng xử dao động với f = 19392 Hz được A3 = 21.15 µm........................81
Hình 4.1. Một số mẫu đầu rung được chế tạo và sử dụng trong quá trình thí nghiệm ..........................83
Hình 4.2. Vùng tần số làm việc của đầu rung ........................................................................................83
Hình 4.3. Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở ...............................................................................................84
Hình 4.4. Phương pháp I - V .................................................................................................................84
Hình 4.5. Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở ..............................................................................85
Hình 4.6. Thiết bị phân tích tổng trở và tần số cộng hưởng TRZ .........................................................86
Hình 4.7. Giao diện phần mềm của thiết bị TRZ khi xác định fs (hình a) và fp (hình b) .......................86
Hình 4.8. Sơ đồ xác định tổng trở và tần số cộng hưởng của đầu rung.................................................87
Hình 4.9. Sơ đồ kiểm tra tần số cộng hưởng bộ đầu rung .....................................................................88
Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý đo biên độ bằng kính hiển vi ......................................................................89
Hình 4.11. Hệ thống đo Laser vibrometer .............................................................................................90
Hình 4.12. Sơ đồ cảm biến đo biên độ rung siêu âm..............................................................................90
Hình 4.13. Hệ thống đo gia tốc kế..........................................................................................................91
Hình 4.14. Sơ đồ đo biên độ rung của Cong (a) và Emmer(b) ..............................................................91
Hình 4.15. Sơ đồ đo biên độ rung cho cụm đầu rung thử nghiệm .........................................................92
Hình 4.16. Sơ đồ mạch đo biên độ kiểu tiếp xúc dùng panme đo ngoài 1 µm .......................................92
Hình 4.17. Mô hình và kết khảo sát biên độ với các tần số khác nhau ..................................................93
Hình 5.1. Kích thước mẫu tiện ...............................................................................................................95
Hình 5.2. Thông số dao tiện lỗ cho thí nghiệm ......................................................................................96
Hình 5.3. Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA ....................................................................96

Hình 5.4. Máy đo độ nhám bề mặt SJ – 210, Mututoyo, Nhật Bản ........................................................97
Hình 5.5. Sơ đồ thí nghiệm xác định lực cắt khi tiện .............................................................................98
Hình 5.6. Sơ đồ Calib các thành phần lực cắt .......................................................................................99
Hình 5.7. Quan hệ giữa điện áp – trọng lượng quả cân khi calib lực dọc trục .....................................99
Hình 5.8. Kết quả hồi quy giữa lực và điện áp đo được ......................................................................100
Hình 5.8. Đồ thị hồi quy giá trị lực và điện áp, (a) Lực tiếp tuyến, (b) Lực hướng tâm ......................101
Hình 5.9. Khởi tạo thí nghiệm trên Minitab .........................................................................................102
Hình 5.10. Tương quan độ nhám bề mặt khi tiện có rung so với tiện truyền thống .............................104
Hình 5.11. Sự ảnh hưởng của các thông số cắt đến độ nhám bề mặt Ra .............................................105
Hình 5.12. Chế độ cắt tối ưu để đạt độ nhám bề mặt nhỏ nhất trong dải thí nghiệm (Tốc độ cắt n =
1500 v/ph; lượng chạy dao s =0.0824 mm/vòng; ciều sâu cắt t = 0.0559 mm)...................................105
Hình 5.13. Tương quan giá trị lực cắt khi tiện có rung trợ giúp và tiện truyền thống.........................106


Chương 1. Giới thiệu
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Rung động siêu âm được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhiều ngành sản
xuất công nghiệp, chẳng hạn: Gia công cắt gọt cơ khí; tẩy rửa siêu âm; hàn siêu
âm; bôi trơn, giảm ma sát; sản xuất ô tô; chế biến thực phẩm... Kỹ thuật rung động
siêu âm trợ giúp quá trình gia công cắt gọt đã cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội,
chẳng hạn: Giảm lực cắt, nâng cao tuổi bền dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt
gia công, cắt được nhiều loại vật liệu khó gia công (thép sau nhiệt luyện, thép
không gỉ, hợp kim độ bền cao…), giảm thiểu sử dụng dung dịch trơn nguội… [17]. Mặc dù công nghệ này đã được quan tâm từ những năm 1950 và hiện đang thu
hút nhiều nghiên cứu hoàn thiện và phát triển, nhưng cho đến nay hầu như chưa có
tài liệu tiếng Việt nào được công bố trong lĩnh vực này. Đây vừa là khó khăn,
đồng thời vừa là động lực thúc đẩy tác giả thực hiện nghiên cứu này.
Trong hệ thống gia công có bổ sung rung động siêu âm, đầu rung siêu âm là
một thiết bị quan trọng nhất, quyết định đến hiệu quả và chất lượng gia công. Mỗi
quá trình gia công có rung trợ giúp, tùy thuộc vật liệu chi tiết, thường yêu cầu một

chế độ gia công phù hợp. Các thông số công nghệ bao gồm: vận tốc cắt, lượng
chạy dao, chiều sâu cắt, tần số và biên độ rung hỗ trợ, công suất phát rung cần
thiết. Điều này dẫn đến một thực tế là cần nhiều kiểu loại đầu rung siêu âm tương
ứng với từng quá trình gia công khác nhau. Trong quá trình thiết kế, ứng dụng
công nghệ siêu âm, vấn đề cần thiết là phải nắm bắt được nguyên tắc biến đổi và
kỹ thuật điều chỉnh biên độ rung ứng với dải tần số lầm việc. Đầu rung mang dụng
cụ cũng cần đủ cứng vững, kết cấu thuận lợi cho quá trình gá đặt. Hiệu quả của
quá trình cắt của các máy gia công hỗ trợ rung động siêu âm phụ thuộc trực tiếp
vào việc thiết kế và điều khiển đầu rung siêu âm.
Việc phát triển ứng dụng siêu âm trong quá trình gia công cắt gọt cơ khí có
hai hướng. Thứ nhất, đầu tư các máy có tích hợp sẵn chế độ gia công có rung động
siêu âm bổ trợ. Dòng máy này chi phí cao, cần đầu tư vốn lớn. Thứ hai, sử dụng
các máy công cụ truyền thống và tích hợp thêm một bộ hỗ trợ tạo rung siêu âm.
Rung động siêu âm được truyền trực tiếp vào dụng cụ cắt gắn với đầu rung. Giải
pháp này rất phù hợp với xu hướng cải tiến và mở rộng khả năng ứng dụng với các
công nghệ hiện thời ở nước ta.
Các loại đầu rung siêu âm phổ biến nhất hiện nay thường sử dụng bộ tạo
rung kiểu Langevin. Bộ phận truyền và khuếch đại biên độ rung thường có các
dạng: hình trụ, hình nón, biên dạng cong hoặc dạng bậc. Hiện nay ở nước ta, một
số đầu rung siêu âm đã được ứng dụng trong các thiết bị hàn và rửa siêu âm. Các
ứng dụng rung động siêu âm trong quá trình gia công cắt gọt kim loại, vật liệu dẻo
13


(tiện, phay, khoan, mài…) hầu như chưa có. Việc phát triển nghiên cứu, khai thác
ứng dụng kỹ thuật gia công mới này là một hướng rất cần thiết. Hơn nữa, các đầu
rung siêu âm hiện đang sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm hoàn toàn là nhập
từ nước ngoài. Giá thành đắt, khó khăn trong việc đặt hàng và kém tính linh hoạt
khi muốn thay đổi thông số trong quá trình thực nghiệm. Vì vậy, việc chủ động
trong công nghệ thiết kế, chế tạo và đánh giá các đầu rung siêu âm là rất cấp thiết.

Các nghiên cứu gần đây, trên cả phương diện tính toán lý thuyết, ứng dụng
phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA), lẫn thực nghiệm đánh giá, cho thấy
sự ảnh hưởng của vật liệu chế tạo, hình dáng và kích thước đầu rung siêu âm tới
khả năng truyền và biến đổi tín hiệu rung động (tần số, biên độ) trợ giúp gia công
[8-12]. Song các kết quả chủ yếu vẫn dừng lại ở việc phân tích đánh giá tín hiệu
rung động siêu âm ở đầu mút ra của đầu Horn. Quá trình gia công cắt gọt thực tế,
thông số rung động cần quan tâm lại chính ở đầu dụng cụ, điểm tiếp xúc trực tiếp
với phôi và khả năng chịu lực của đầu rung. Đặc biệt là với các quá trình gia công
trên các máy gia công khác nhau, việc kết cấu đầu rung cần phải thuận tiện cho gá
đặt, hiệu chỉnh. Điều này khẳng định rằng cần phải quan tâm đánh giá sự ảnh
hưởng của kết cấu bộ phận gá dụng cụ, chuyển tiếp từ đầu rung siêu âm sang
dụng cụ cắt.
Trong công nghiệp, các vật liệu có cơ tính đặc biệt như độ cứng cao, giòn
như Inconel, thép không gỉ, thép hợp kim sau nhiệt luyện, hợp kim nhôm, titan...
ngày càng được sử dụng rộng rãi. Với các vật liệu khó gia công, nếu sử dụng
phương pháp gia công truyền thống sẽ sinh nhiệt lớn tại đầu dụng cụ. Nhiệt độ cao
dẫn đến hiện tượng dính bết, chóng mòn dụng cụ, tăng lực cắt, giảm độ chính xác
gia công, chất lượng bề mặt thấp. Với sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới, vật
liệu khó gia công, cùng nhu cầu nâng cao hiệu quả quá trình cắt, kỹ thuật ứng
dụng rung động siêu âm trợ giúp gia công là một giải pháp đầy hứa hẹn.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này thực hiện việc tính toán thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu
âm có gắn dụng cụ cắt cho tiện lỗ. Nghiên cứu đề xuất một giải pháp kết cấu đồ gá
mới thuận tiện cho quá trình gá đặt dao và đầu rung lên máy tiện vạn năng truyền
thống. Hiệu quả của quá trình gia công tiện lỗ có rung động siêu âm trợ giúp nhờ
đồ gá được thiết kế, chế tạo so với các phương pháp gia công truyền thống cũng
được đánh giá thực nghiệm.
Kết quả nghiên cứu của đề tài cho phép khẳng định được những lợi ích sau:
a) Làm chủ cách thức tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm
hiệu quả, linh hoạt, chi phí thấp với điều kiện thiết bị hiện có trong nước;

14


b) Đánh giá ảnh hưởng của hình dáng, kích thước và vật liệu đến biên độ của bộ
phận khuếch đại rung khi gá thêm dụng cụ cắt.
c) Chủ động được công nghệ để có thể chế tạo đầu rung siêu âm theo ý muốn,
nhằm trợ giúp cho quá trình tiện lỗ. Đồ gá tạo rung có kết cấu đơn giản, thuận
lợi cho gá đặt và điều chỉnh vận hành;
d) Thiết kế và triển khai kế hoạch thí nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả đầu rung
đã chế tạo cho gia công tiện lỗ nhỏ có trợ giúp của rung động siêu âm về chỉ
tiêu độ nhám bề mặt và lực cắt, so với tiện truyền thống.
Kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đầu rung siêu âm cho
quá trình tiện lỗ có thể làm cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng rung động siêu
âm trong gia công tiện côn, phay, mài… trong nước; tạo ra các thiết bị gia công
siêu âm với chi phí thấp và khả năng chủ động về công nghệ.
1.3. Cách tiếp cận
Để giải quyết bài toán thiết kế, nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận như sau:
-

Phân tích các phương án bổ sung rung động cho quá trình tiện; từ đó lựa chọn
phương án bổ sung rung động thích hợp cho quá trình tiện lỗ nhỏ;

-

Dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán tham khảo được từ các tài liệu nước ngoài
để thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung với tần số làm việc xác định;

-

Xây dựng kết cấu cụm đầu rung mang dao tiện lỗ gá trên đài dao máy tiện;

-

Sử dụng phần mềm ANSYS để đánh giá các giá trị tần số cộng hưởng và giá
trị biên độ rung tại đầu dụng cụ cắt;

-

Đề xuất phương pháp đo và thực nghiệm kiểm chứng giá trị tần số cộng hưởng
làm việc và giá trị biên độ rung thực tại đầu dụng cụ bằng thiết bị sẵn có trong
nước;

-

Tiến hành thực nghiệm tiện tinh lỗ trên vật liệu thép làm khuôn đã tôi cứng để
đánh giá hiệu quả sử dụng của đầu rung thông qua hai chỉ tiêu là nhám bề mặt
và lực cắt.

1.4. Các kết quả đạt được
Đề tài đã xây dựng được mô hình tính toán, thiết kế thí nghiệm, thu thập và
phân tích dữ liệu, cho phép đánh giá hiệu quả của cụm đầu rung cho tiện lỗ. Cụ
thể, đề tài đã thu được một số kết quả như sau:

Xác định được ảnh hưởng của hình dáng, kích thước và vật liệu của
các đầu Horn đến khả năng khuếch đại biên độ rung động và tần số
của cụm đầu rung;

15



Chế tạo thành công bộ đầu rung siêu âm mang dụng cụ cắt cho tiện lỗ
với kết cấu đơn giản, thuận tiện cho việc gá đặt lên máy công nghệ;

Xây dựng được các mô hình và thiết bị thí nghiệm kiểm nghiệm được
tần số cộng hưởng và đo biên độ rung động, phục vụ kiểm tra, đánh
giá thiết bị trong quá trình chế tạo thử nghiệm với điều kiện thiết bị
hiện có;

Kết quả thực nghiệm với đầu rung siêu âm hỗ trợ quá trình tiện tinh lỗ
cho thấy:
 Bề mặt sau gia công có độ nhẵn bóng cao hơn (1 đến 2 cấp
nhám);
 Lực cắt giảm khoảng 20 – 30 % so với tiện truyền thống;

Áp dụng được lý thuyết tính toán thông số kết cấu đầu Horn, đảm
bảo yêu cầu công nghệ đầu ra cho trước.
Các kết quả đạt được là cơ sở để nghiên cứu phát triển khả năng ứng dụng
rung động siêu âm tích cực vào trong quá trình gia công cắt gọt trong điều kiện
nước ta.
1.5. Cấu trúc luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm 5 chương. Chương 1 giới thiệu tổng quan về vấn
đề nghiên cứu, nhu cầu về khai thác ứng dụng kỹ thuật rung động siêu âm trong gia
công. Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và các kết quả đạt được cũng được trình bày
trong phần này.
Chương 2 trình bày tổng quan các vấn đề liên quan đến tạo và truyền sóng
siêu âm. Một số ứng dụng của rung động siêu âm trong kỹ thuật và trong gia công
cắt gọt được đề cập. Nội dung tiếp theo giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống rung

siêu âm trợ giúp gia công. Trên cơ sở tổng quan các nghiên cứu gần đây, tác giả
đánh giá khả năng bổ sung rung động siêu âm trợ giúp cho quá trình gia công bằng
tiện. Một phương án – đề xuất thiết kế cho cơ cấu rung trợ giúp quá trình tiện lỗ
được trình bày ở cuối chương.
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán thiết kế cụm đầu rung. Bằng cách
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hai chức năng Modal analysis và
Harmonic response, tần số cộng hưởng và biên độ cho cụm đầu rung được mô
phỏng và kiểm tra.
Chương 4 trình bày các phương pháp xác định tần số cộng hưởng và biên độ
làm việc thực tế của cụm đầu rung sau chế tạo.
Chương 5 trình bày các kết quả thí nghiệm gia công tiện cứng lỗ bằng cụm
đầu rung siêu âm đã chế tạo. Ưu việt của gia công tiện cứng bề mặt lỗ có rung động
trợ giúp so với tiện lỗ truyền thống được đánh giá so sánh thông qua chỉ tiêu chất
lượng bề mặt và lực cắt. Chương 6 trình bày các kết luận và đề xuất.
16


Chương 2.
Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
Chương này trình bày một số kết quả tổng quan tài liệu về rung động siêu âm
và một số ứng dụng kỹ thuật của rung siêu âm. Kết cấu các bộ phận chính của một
hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công được tập trung làm rõ về cấu tạo, nguyên lý
hoạt động và cơ sở tính toán thiết kế. Nội dung chính của chương bao gồm các
phần sau đây:
Phần 2.1. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm;
Phần 2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm;
Phần 2.3. Một số ứng dụng của siêu âm trong kỹ thuật;
Phần 2.4. Rung động siêu âm trợ giúp gia công;
Phần 2.5. Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công;
Phần 2.6. Kết luận chương.

2.1. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm
2.1.1. Rung động siêu âm
Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ, có tần số vượt quá ngưỡng
nghe của thính giác con người. Để phân biệt các mức độ giới hạn của rung động,
thường sử dụng giá trị ngưỡng tần số rung động như minh họa trên hình 2.1.
Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz
[1]. Ngưỡng tần số rung động thấp hơn và cao hơn các giá trị giới hạn trên lần lượt
được gọi là ngưỡng hạ âm và siêu âm. Một số loài động vật như chó, mèo, cá voi
hay dơi có khả năng nhận biết được tần số siêu âm (> 20 kHz).
Kỹ thuật về sóng siêu âm là một nhánh của lĩnh vực âm học, liên quan đến
việc tạo và khai thác ứng dụng các sóng siêu âm. Sóng siêu âm và ứng dụng của nó
thực sự được quan tâm nghiên cứu, phát triển từ sau thế chiến thứ nhất (1918), sau
khi Langevin phát minh ra bộ tạo rung siêu âm sử dụng vật liệu áp điện (tinh thể
thạch anh).

Hình 2.1. Các ngưỡng tần số rung động
17


2.1.2. Siêu âm công suất
Rung động siêu âm đã và đang tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực của đời sống. Tùy mục đích sử dụng, rung động siêu âm được chia thành
hai nhóm lớn là siêu âm công suất thấp và siêu âm công suất lớn (còn được gọi tắt
là siêu âm công suất).
Rung động siêu âm công suất thấp là rung động tạo ra sóng siêu âm được
truyền đi với năng lượng thấp. Loại này thường được ứng dụng trong kỹ thuật chụp
ảnh y tế (chẳng hạn siêu âm kiểm tra thai nhi), kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thử
nghiệm không phá hủy (kiểm tra các vết nứt trên cấu trúc máy bay, tàu thủy), … Kỹ
thuật siêu âm công suất lớn được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật làm sạch, tẩy
rửa, gia công cắt gọt và hàn kim loại và chất dẻo… Wood và Loomis (1927) là

những người có những đóng góp đầu tiên tới sự phát triển ứng dụng sóng siêu âm
và hệ thống siêu âm công suất lớn [2]. Kỹ thuật này được sử dụng để thay đổi các
đặc tính vật lý, hóa học, sinh học của vật liệu. Các ứng dụng của siêu âm công suất
nói chung dựa trên nguyên tắc truyền các sóng siêu âm có cường độ cao, nhằm tạo
bóng khí trong chất lỏng hoặc hình thành dòng chuyển động của vật chất trong chất
rắn để truyền năng lượng siêu âm. Tùy theo mức độ yêu cầu mà tần số rung động có
thể từ hàng chục kHz đến hàng trăm kHz. Khoảng biên độ rung động thường từ vài
µm đến vài chục µm.
2.1.3. Nguyên tắc tạo rung động siêu âm
Có hai cách chủ yếu để tạo rung động với tần số siêu âm là: phương pháp
khai thác hiệu ứng từ giảo và phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện.
Phương pháp từ giảo tạo rung động siêu âm bằng cách chuyển đổi năng
lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học. Một bộ phát rung bằng tử giảo
có cấu tạo gồm một lõi phát rung đặt trong lòng một ống dây. Lõi phát rung làm
bằng vật liệu kim loại từ tính, chẳng hạn sắt từ, Cobalt, Niken... Điện áp có tần số
siêu âm được đặt lên ống dây. Sơ đồ mạch tạo rung động siêu âm bằng phương
pháp từ giảo được mô tả như hình 2.2. Khi nằm trong vùng chịu từ trường, các vật
liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định hướng dưới tác dụng của
lực từ trường theo chiều đường sức từ. Việc thay đổi hướng của từ trường do điện
áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng giữa hai trạng thái dãn và nén
của tấm vật liệu, minh họa như hình 2.3. Hiện tượng này được nhà khoa học Joule
khám phá ra năm 1982 [13].

18


Hình 2.2. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm

Hình 2.3. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính
tạo ra dao động cơ học [13]

Phương pháp tạo rung động siêu âm sử dụng hiệu ứng áp điện là phương
pháp phổ biến nhất hiện nay. Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric phenomena) là một
hiện tượng vật lý được phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó được nghiên cứu
chi tiết bởi anh em nhà Pierre và Jacques Curie vào những năm 1880. Vật liệu áp
điện là một loại vật liệu đặc biệt có chứa các phân tử phân cực. Khi tác dụng một
lực lên một tấm vật liệu sẽ sinh ra điện áp tại hai cực của tấm. Trái lại, nếu đặt một
điện áp thay đổi lên hai mặt tấm vật liệu sẽ gây nên biến dạng thay đổi trên vật liệu
này. Biến dạng thay đổi liên tục của tấm áp điện sẽ làm phát sinh rung động. Vật
liệu áp điện có đặc tính tuyệt vời là biến dạng rất nhạy với giá trị điện áp đặt lên nó.
Thêm nữa, vật liệu này có khả năng chịu nén rất cao. Hình 2.4 mô tả ứng xử cơ điện của tấm vật liệu áp điện.
19


Hình 2.4. Hiệu ứng áp điện

So với phương pháp từ giảo, phương pháp tạo ra rung động siêu âm nhờ hiệu
ứng áp điện có nhiều ưu điểm vượt trội, chẳng hạn như: hiệu suất cao hơn, không bị
ảnh hưởng của từ trường xung quanh, phát sinh nhiệt ít hơn, kết cấu đơn giản, độ
cứng vững cao… Vì vậy, các thiết bị ứng dụng siêu âm hiện nay chủ yếu sử dụng
phương pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện.
Có hai kết cấu phổ biến để tạo rung động siêu âm nhờ hiệu ứng áp điện là:
sử dụng các biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) và dạng bản gốm
xếp chồng kiểu “Sandwich”( Hình 2.5b). Thuật ngữ “biến tử” được hiểu là phần tử
trong hệ thống có chức năng biến đổi năng lượng (ở đây là từ điện sang cơ và ngược
lại).
Kết cấu biến tử áp điện dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) sử dụng các
tấm áp điện có chiều dày không quá 2 mm được ghép xen kẽ với các điện cực kim
loại.

(a)

(b)

Hình 2.5. Bộ tạo rung dùng tấm piezo nhiều lớp (a) và bộ tạo rung kết cấu Sandwich (b)

Thiết bị tạo rung nhiều lớp thường có công suất nhỏ, hay được sử dụng để
tạo rung động không yêu cầu chịu tải lớn, hoặc để điều khiển vị trí đối tượng một
cách chính xác. Lượng dịch chuyển thu được là tuyến tính theo phương dọc trục,
thường có độ lớn từ 0,1 đến 0,15 % chiều dài của bộ tạo rung. Tần số thay đổi dịch
chuyển có thể lên tới vài kHz.
Thiết bị tạo rung dạng bản gốm xếp chồng kiểu “Sandwich” do Langevin đề
xuất năm 1918. Kết cấu bộ tạo rung gồm một số chẵn tấm vật liệu áp điện có chiều
20


dày khoảng 5 – 10 mm, được kẹp giữa hai tấm kim loại (xem minh họa trên hình
2.5b). Các tấm kim loại và vật liệu được gọi chung là các “biến tử”. Thiết bị tạo
rung dạng này chỉ phát được rung động có biên độ lớn ở một vài giá trị tần số tương
ứng với hiện tượng cộng hưởng của cơ hệ. Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết
trong phần 2.5. Với cấu trúc này, tần số làm việc của hệ biến tử không phụ thuộc
vào kích thước ngang của tấm áp điện, mà chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn
cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tử theo mong muốn, chỉ
cần thay đổi chiều dày của hai tấm kim loại mà không cần thay đổi chiều dày của
tấm gốm áp điện. Đây là đặc tính quan trọng, giúp kết cấu này được sử dụng phổ
biến hiện nay.
2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm
Rung động siêu âm được truyền trong môi trường dưới dạng sóng. Dạng quỹ
đạo truyền sóng được xác định dựa vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động
trong các vật liệu mà nó truyền qua. Trong lòng bất kỳ vật liệu nào cũng chứa các

nguyên tử được liên kết với nhau. Có thể mô tả liên kết giữa các nguyên tử dưới
dạng gắn móc với nhau bởi các lò xo như minh họa trên Hình 2.6. Khi năng lượng
siêu âm truyền đến, năng lượng này làm xô lệch các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng,
kéo theo sự mất cân bằng của các nguyên tử lân cận. Cứ như vậy, năng lượng rung
động được truyền qua vật liệu đến các vị trí khác trong lòng vật thể.

Hình 2.6. Mô hình liên kết nguyên tử

Trong môi trường chân không, do không có hạt vật chất nên không có các
nguyên tử đảm nhận vai trò truyền năng lượng. Vì vậy, sóng rung động không thể
truyền qua môi trường chân không được. Các đại lượng đặc trưng đối với sóng rung
động siêu âm bao gồm: Tần số (f), biên độ (A), vận tốc (c) và chiều dài bước sóng
().
Tần số rung là số chu kỳ truyền sóng rung theo một đơn vị thời gian. Với
rung động siêu âm thì giá trị tần số rung ở ngưỡng siêu âm. Biên độ rung động là
giá trị lớn nhất của chuyển vị khi có rung động kích thích. Vận tốc truyền sóng phụ
thuộc vào đặc tính khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu truyền rung
động. Chiều dài bước sóng được xác định trực tiếp từ vận tốc truyền sóng và tần số
(  = c/f). Vận tốc truyền âm trong một số loại môi trường được liệt kê trong bảng
2.1.
21


Bảng 2.1. Vận tốc truyền âm của một số loại vật liệu (Sổ tay CRC)

Chất/ Môi trường
Tốc độ truyền âm (m/s)
Carbon Dioxide
259
Hydrogen

1284
Helium
965
Nitrogen
334
Oxygen
316
Air (21% Oxygen - 78% Nitrogen)
331
0
Air (20 C)
344
0
1904
Chất lỏng (25 C) Glyxerol
Sea Water (3.5% Salinity)
1535
Water
1493
Mercury
1450
Kerosene
1324
Methyl Ancohol
1103
Cacbon Tetrachloride
926
Diamond
12000
Chất rắn

Pyrex Glass
5640
Iron
5960
Granite
6000
Aluminum
5100
Brass
4700
Copper
4760
Gold
3240
Khí (00C)

Trong kỹ thuật, với các hệ thống động lực, sự truyền sóng rung động thường
được mô tả dưới dạng các mode rung động. Mỗi mode rung động là một hình ảnh
của trạng thái sóng dừng có dạng hình sin ở một tần số đặc trưng. Mỗi hệ thống
động lực có thể được kích thích dưới nhiều mode rung động. Một mode rung động
được đặc trưng bởi tần số và hình dạng mode. Số lượng mode rung động của một
kết cấu phụ thuộc vào tần số rung động kích thích. Thông thường, các mode khác
nhau được phân biệt theo tần số và hình dạng mode. Hình 2.7 mô tả một số mode
truyền sóng có đánh dấu các điểm nút (các điểm không dao động) và các điểm bụng
sóng (điểm có dao động với biên độ lớn nhất). Kiến thức về mode truyền sóng sẽ
được sử dụng khi phân tích trạng thái rung động của hệ thống thiết bị được sử dụng
trong nghiên cứu này.
Với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, các sóng rung động có thể truyền với
4 dạng mode cơ bản dựa vào cách dao động của các phần tử. Đặc tính của các mode
này được trình bày trong bảng 2.2 dưới đây.

22


Hình 2.7. Hình dạng một số mode truyền sóng

Bài toán truyền sóng trong kỹ thuật thường phải quan tâm đến vận tốc truyền
sóng. Vận tốc này phụ thuộc vào mode truyền sóng như sau [2]:
- Với dạng mode truyền sóng dọc (gây biến dạng nén trong lòng vật liệu), vận
tốc truyền sóng được xác định bằng công thức:
cL = (E/)1/2
(2.1)
-

Với mode truyền sóng ngang (gây ứng suất cắt), vận tốc truyền sóng được
xác định bằng công thức:
cT 

G



(2.2)

Trong đó: c là vận tốc truyền âm (m/s), E là mô đun đàn hồi của vật liệu (N/m2), G
là mô đun cắt (N/m2),  là khối lượng riêng của vật liệu truyền âm (kg/m3).
Ngoài ra, một đại lượng quan trọng khác cần sử dụng trong quá trình tính
toán thiết kế đầu rung siêu âm là trở kháng âm (Acoustic Impedance). Trở kháng
âm (Z) là đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền dẫn rung động qua vật liệu. Giá
trị trở kháng âm của một vật liệu được xác định phụ thuộc vào khối lượng riêng và

vận tốc truyền âm của vật liệu [2]:
Z = .c
(2.3)
Trong đó: Z là trở kháng âm (kg/s.m2 hoặc N.s/m3);  là khối lượng riêng
(kg/m3), c là vận tốc truyền âm (m/s). Trở kháng âm của một số môi trường được
trình bày trong bảng 2.3.

23


Bảng 2.2. Các dạng mode truyền sóng [2]

Dạng mode truyền
sóng trong chất rắn

Đặc điểm rung động

Sóng dọc: dao động
nén dọc theo phương
truyền sóng
Sóng cắt (ngang) –
dao động của các chất
điểm luôn vuông góc
với phương truyền
sóng.
Sóng mặt – Rayleigh –
Mỗi phần tử trong vật
liệu khi có rung động
kích thích sẽ dao động
theo quỹ đạo elip đối

xứng
Sóng tấm – Lamb – là
sóng rung động kết
hợp, đường truyền
sóng luôn song song
với bề mặt tấm, xuyên
suốt chiều dày của tấm
vật liệu. Hai dạng sóng
Lamb kiểu đối xứng và
bất đối xứng
Bảng 2.3. Trở kháng âm của một số môi trường

Các môi trường vật chất
Nhôm
Đồng
Thép
Titan
Nước (200C)
Không khí (200C)

Trở kháng âm (kg/s.m2)
17,1.106
41,6.106
46,1.106
28.106
1,48.106
413
24

2.3. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật
Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Có thể kể đến một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sản
xuất như dưới đây.
2.3.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm
Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm là biện pháp kết hợp sóng siêu âm truyền
vào dung dịch làm sạch để tẩy rửa bề mặt chi tiết. Bể rửa siêu âm thường dùng
nguồn sóng âm tần số dao động trong khoảng từ 40 kHz đến 200 kHz. Do chất lỏng
có khả năng đi tới mọi ngóc ngách trên bề mặt chi tiết phức tạp, nguồn năng lượng
của sóng siêu âm sẽ giúp loại bỏ các chất bám bẩn trên bề mặt cần làm sạch. Làm
sạch bằng siêu âm có thể được sử dụng cho một loạt các hình dạng, kích cỡ và vật
liệu khác nhau. Thiết bị này có thể làm sạch cả các vật phẩm kim loại, thủy tinh,
gốm, nhựa, ... Một số dạng sản phẩm thường được làm sạch rất hiệu quả nhờ siêu
âm như: các vi mạch điện tử, ổ đĩa cứng, thiết bị y tế; các chi tiết kim loại hình dáng
phức tạp; đồ nữ trang, thiết bị quang học, gần đây ứng dụng trong xục rửa chế hòa
khí, bugi của động cơ đốt trong; bóng golf; đồng hồ... Hình 2.8 minh họa nguyên lý
làm sạch bằng sóng siêu âm.

Hình 2.8. Bể rửa siêu âm

Hình 2.9. Hiệu quả làm sạch rửa siêu âm so với các
phương pháp rửa truyền thống. a. Rửa siêu âm, b.
Đánh rửa bằng tay, c. Làm sạch dầu mỡ bằng hơi nước,
d. Sức chuyển động của chất lỏng, e.Tia nước

Phương pháp làm sạch này cho phép giảm thời gian làm sạch chi tiết, rửa
được nhiều chi tiết có hình dáng phức tạp, hiệu quả hơn nhiều so với các phương
pháp truyền thống (xem hình 2.9). Ngoài ra, cách tẩy rửa này còn tiết kiệm năng
lượng, thân thiện với môi trường, cho phép loại bỏ chất bẩn khử trùng cho rau củ,
rửa nông sản; điều chế dược phẩm...

25