THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

Mã số: ĐH2013-TN02-09
Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng

Thái Nguyên, 10/2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU

Mã số: ĐH2013-TN02-09
Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng
Xác nhận của tổ chức chủ trì
(ký tên, đóng dấu)
KT.HIỆU TRƯỞNG

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài

Chu Ngọc Hùng
PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

Thái Nguyên, 10/2018


i

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT

Họ và tên

Đơn vị công tác

1.

Chu Ngọc Hùng Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN

2.

Nguyễn Văn Dự Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN

3.

Lê Duy Hội

Trường Cao đẳng KTKT, ĐHTN

4.

Phan Văn Nghị

Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN


ii

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................. vi
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... vii
0.1. Tính cấp thiết .................................................................................................................. 1
0.2. Mục tiêu và cách tiếp cận ............................................................................................... 3
0.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 3
0.2.2. Cách tiếp cận vấn đề ................................................................................................ 3
0.2.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 4
0.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 4
0.3. Các kết quả đạt được....................................................................................................... 4
0.4. Cấu trúc của nội dung báo cáo ........................................................................................ 4
Chương 1 ............................................................................................................................... 6
TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN .................................... 6
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................. 6
1.2. Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ ....................................................................... 7
1.2.1. Gia công siêu âm...................................................................................................... 7

1.2.2. Gia công siêu âm quay ............................................................................................. 9
1.2.3. Rung động siêu âm trợ giúp gia công .................................................................... 11
1.3. Siêu âm trợ giúp khoan ................................................................................................. 16
1.3.1. Nguyên tắc chung .................................................................................................. 16
1.3.2. Cơ chế của quá trình siêu âm trợ giúp khoan ........................................................ 18
1.4. Kết luận chương ............................................................................................................ 21
Chương 2 ............................................................................................................................. 22
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN ........................ 22
2.1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 22
2.2. Một số khái niệm về dao động, rung động và siêu âm ................................................. 22
2.2.1. Bản chất của sóng âm ............................................................................................ 23
2.2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm ................................................................... 24
2.2.3. Các phương pháp tạo rung động siêu âm............................................................... 27
2.2.4. Siêu âm công suất .................................................................................................. 30


iii

2.2.5. Cơ sở lí thuyết truyền sóng trong vật liệu.............................................................. 32
2.3. Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện ............................................................... 35
2.3.1. Máy phát điện siêu âm ........................................................................................... 35
2.3.2. Bộ chuyển đổi siêu âm ........................................................................................... 36
2.3.3. Đầu khuếch đại biên độ ......................................................................................... 39
2.4. Xác định thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện ................... 42
2.4.1. Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng ................................................................ 42
2.4.2. Xác định biên độ rung ............................................................................................ 46
2.5. Chế tạo, lắp ráp cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan.................................................... 49
2.5.1. Nguyên tắc gá kẹp mũi khoan với bộ chuyển đổi .................................................. 49
2.5.2. Lựa chọn thiết bị siêu âm ....................................................................................... 50
2.5.3. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan................ 53

2.5.4. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung ............................................ 54
2.5.5. Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan
......................................................................................................................................... 56
2.5.6. Thực nghiệm xác định biên độ rung của dụng cụ cắt ............................................ 63
2.6. Kết luận chương ............................................................................................................ 67
Chương 3 ............................................................................................................................. 68
THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ CƠ CẤU RUNG ............................................ 68
3.1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 68
3.2. Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................................ 68
3.3. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................................................... 76
3.4. Kết quả và thảo luận ..................................................................................................... 78
3.4.1. Thực nghiệm so sánh ............................................................................................. 80
3.4.2. Lựa chọn bộ thông số gia công hợp lí.................................................................... 87
3.5. Kết luận chương ............................................................................................................ 91
Chương 4. ............................................................................................................................ 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 92
4.1. Kết luận ......................................................................................................................... 92
4.2. Kiến nghị....................................................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 94


iv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Nguyên lý gia công siêu âm .................................................................................................. 8
Hình 2. Nguyên lí gia công siêu âm quay [76]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt ................................ 9
Hình 3. Rung động siêu âm trợ giúp tiện [75]...................................................................................11
Hình 4. Các phương án bổ xung rung động vào quá trình gia công [54][41] ...................................13
Hình 5. Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [77][37] ...........................................................................................15
Hình 6. Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [77][37] ...........................................................................................16

Hình 7. Kiểu rung trong UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp .............17
Hình 8. Mô hình mũi khoan rung-phôi quay [8] ...............................................................................17
Hình 9. Mô hình phôi rung mũi khoan quay [9][45] .........................................................................18
Hình 10. Mô hình mũi khoan vừa rung vừa quay [66]......................................................................18
Hình 11. Cơ chế của rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58] .................................................19
Hình 12. Mô hình liên kết nguyên tử ................................................................................................24
Hình 13. Hình dạng một số mode truyền sóng..................................................................................26
Hình 14. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm ...........................................................................................28
Hình 15. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính để tạo rung động cơ
học .....................................................................................................................................................28
Hình 16. Hiệu ứng áp điện ................................................................................................................29
Hình 17. Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng tấm xếp chồng .............................30
Hình 18. Hệ thống siêu âm công suất [26][60] .................................................................................32
Hình 19. Mô hình rung động dọc trục của thanh vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung và ứng suất;
(b) ứng suất và chuyển vị của một phân tố [27][61] .........................................................................33
Hình 20. Hệ thống rung siêu âm .......................................................................................................35
Hình 21. Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] ...................................................36
Hình 22. Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e)
dạng bậc. [12][63] .............................................................................................................................39
Hình 23. Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác nhau giữa các loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b)
dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc........................................................................40
Hình 24. Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc............................................................................40
Hình 25. Mô hình hóa bộ chuyển đổi siêu âm bằng mạch vòng Mason ...........................................43
Hình 26. Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở .............................................................................................45
Hình 27. Phương pháp I - V ..............................................................................................................46
Hình 28. Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng
bộ khuếch đại ....................................................................................................................................46
Hình 29. Nguyên lí đo rung động bằng LDV [73][69] .....................................................................47
Hình 30. Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến sợi quang (hình ảnh từ trang web
.................................48

Hình 31. Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến dòng cảm ứng (hình ảnh từ trang web
.......................................................48
Hình 32. Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: (a) sử dụng ống kẹp (collet)
[43][53], (b) sử dụng ren vít cố định trực tiếp vào đầu khuếch đại biên độ [70] ..............................49
Hình 33. Bộ chuyển đổi siêu âm YP-5020-4Z ..................................................................................52
Hình 34. Máy phát điện MPI WG3000 .............................................................................................52
Hình 35. Cấu tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan: (1) Mâm cặp, (2) ống gá, (3) bộ chuyển đổi
siêu âm, (4) đầu khuếch đại biên độ, (5) bích kẹp, (6) vít trí, (7) collet kẹp mũi khoan, (8) mũi
khoan, (9) nòng trục chính máy tiện, (10) chổi than-cổ góp. ............................................................53
Hình 36. Thiết bị thực: (a) – chổi than cổ góp, (b) – cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan ...............54
Hình 37. Các kích thước chính của đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan .................55
Hình 38. Mô hình phân tích mô phỏng đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan ...........55


v

Hình 39. Thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A .................................................................................56
Hình 40. Biểu đồ Bode khi phân tích bằng phần mềm FRA4PS ......................................................58
Hình 41. Dữ liệu được xử lí trên phần mềm OriginLab ....................................................................58
Hình 42. Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab....................59
Hình 43. Thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR .............................................................60
Hình 44. Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR ....................61
Hình 45. Xác định tần số cộng hưởng của đầu rung bằng máy phát MPI-WG3000 .........................63
Hình 46. Đo biên độ rung sử dụng micrometer của S. M. Hoseini và J. Akbari [62][79] ................65
Hình 47. Đo biên độ rung sử dụng micrmeter của W. L. Cong T và Z.J.Pei [23] ............................65
Hình 48. Đo biên độ rung bằng đồng hồ so (MИΓ) độ phân giải 1 µm ............................................66
Hình 49. Đo biên độ rung bằng Panme .............................................................................................67
Hình 50. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .......................................................................................................68
Hình 51. Ảnh chụp phôi thí nghiệm ..................................................................................................69
Hình 52. Mũi khoan thí nghiệm ........................................................................................................70

Hình 53. Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc IRTP_300LS ...............................................................70
Hình 54. Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) với nhiệt độ đo được trên phôi (0C) ...............71
Hình 55. Ảnh chụp Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA ..............................................72
Hình 56.Q uan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và lực dọc trục (N) ..........................................72
Hình 57. Cảm biến mô men PCB 2508-106-03A .............................................................................73
Hình 58. Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và mô men (Ncm) ...........................................73
Hình 59. Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A .........................................................................................74
Hình 60. Bộ thu thập dữ liệu NI PCI-6010 và cổng kết nối NI-CB-37F-LP ....................................75
Hình 61. Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm ...........................................................................................76
Hình 62. Các thông số lực và momen lớn nhất, lực và momen cắt ...................................................79
Hình 63. Biểu đồ so sánh mô men giữa CD và UAD: (a) mô men cắt, (b) mô men lớn nhất...........80
Hình 64. Biểu đồ so sánh lực dọc trục giữa CD và UAD: (a) lực dọc trục cắt, (b) lực dọc trục lớn
nhất ....................................................................................................................................................81


vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Quĩ đạo rung của dụng cụ cắt (DCC) trong siêu âm trợ giúp gia công [77][37] .................14
Bảng 2. Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số ......................................................23
Bảng 3. Vận tốc truyền âm trong một số vật liệu kĩ thuật.................................................................24
Bảng 4. Trở kháng âm của một số vật liệu kĩ thuật...........................................................................27
Bảng 5. Thông số rung của bộ chuyển đổi siêu âm đã được sử dụng trong một số công bố ............51
Bảng 6. Thông số của bộ chuyển đổi siêu âm ...................................................................................52
Bảng 7. Thông số máy phát điện siêu âm .........................................................................................52
Bảng 8. Bảng thông số kĩ thuật của thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A ........................................56
Bảng 9. Thông số kĩ thuật của máy HIOKI3532-50 LCR ................................................................60
Bảng 10. Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan khi độ dài mũi khoan thay đổi
...........................................................................................................................................................61
Bảng 11. Thông số của máy tiện .......................................................................................................69

Bảng 12. Thành phần hóa học chính Al6061 ....................................................................................70
Bảng 13. Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt ...............................................................................70
Bảng 14. Thông số kĩ thuật của cảm biến lực ...................................................................................72
Bảng 15. Thông số của cảm biến mô men ........................................................................................73
Bảng 16. Thông số bộ khuếch đại tín hiệu ........................................................................................74
Bảng 17. Thông số kỹ thuật của bộ thu thập dữ liệu .........................................................................75
Bảng 18. Các mức giá trị thông số thí nghiệm ..................................................................................76
Bảng 19. Ma trận thí nghiệm Taguchi L27 ........................................................................................77
Bảng 20. Giá trị các thông số đầu ra của thí nghiệm Taguchi L27 ...................................................79
Bảng 21. Tỉ số S/N của các chỉ tiêu và chuẩn hóa trong khoảng [0-1] .............................................88
Bảng 22. Hệ số quan hệ xám .............................................................................................................89
Bảng 23. Mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ xám ...............................................90


vii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia công lỗ sâu
- Mã số: ĐH2013-TN02-09
- Chủ nhiệm: Chu Ngọc Hùng
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN
- Thời gian thực hiện: 2013 - 2015
2. Mục tiêu
Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, đảm bảo nâng cao năng suất
và chất lượng lỗ khoan.
3. Tính mới và sáng tạo
- Nghiên cứu triển khai thành công các bước tính toán thiết kế và chế tạo thành công
hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu trên
đường kính trên 10. Hệ thống này chưa thấy công bố trong nước.

- Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm Al6061. Kết quả nghiên
cứu được công bố trên 06 bài báo khoa học quốc gia và quốc tế, trong đó có 01 bài
trên tạp chí thuộc danh mục Scopus.
4. Kết quả nghiên cứu
- Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính toán, chế tạo và lắp ráp thành
công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia công khoan lỗ sâu;
- Thiết bị thí nghiệm đã được sử dụng triển khai thí nghiệm cho 06 bài báo khoa học
trong nước và quốc tế, được Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước công nhận.
5. Sản phẩm:
5.1. Sản phẩm khoa học
Công bố được 06 bài báo khoa học, trong đó có 04 bài báo quốc gia, 01 bài
báo trong danh mục Scopus và 01 bài báo quốc tế có chỉ số ISSN. Cụ thể là:


viii

-

Van-Du Nguyen, Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip
evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep holes”,
International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET),
9(6), pp. 899–908, ISSN: 0976-6340;

-

Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu, Van-Du Nguyen (2018), "A Study on
Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring
With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced
Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp. 283-296,
ISSN: 2454-2377;

-

Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng (2015), "Giải pháp khoan lỗ sâu trên hợp
kim nhôm có trợ giúp của rung động tần số thấp", Tạp chí Cơ khí Việt Nam,
6, tr. 14-17;

-

Chu Ngọc Hùng, Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Thị Thảo (2016), "Một số kết
quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của gia công khoan lỗ sâu tích
hợp rung", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr.
9-13;

-

Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh (2016),
"Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của kích thước đầu rung siêu âm công
suất lớn đến tần số cộng hưởng rung động", Tạp chí Khoa học Công nghệ
Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr. 19-23;

-

Chu Ngọc Hùng, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự (2017), "Đánh giá hiệu
ứng giảm ma sát trượt giữa thép gió và nhôm khi bổ sung rung động siêu
âm", Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 176(16), tr. 3136.

5.2. Sản phẩm đào tạo
Kết quả đề tài trực tiếp phục vụ nội dung nghiên cứu của Chủ nhiệm đề tài
trong quá trình làm nghiên cứu sinh, là nội dung chính của 02 chuyên đề NCS.

-

Chu Ngọc Hùng (2014), Chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan,

Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp.


ix

-

Chu Ngọc Hùng (2014), Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng hệ thống thí

nghiệm, Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp.
5.3. Sản phẩm ứng dụng
Thiết bị rung tích cực trợ giúp gia công lỗ sâu
6. Hiệu quả:
Kết quả đào tạo trực tiếp hỗ trợ nghiên cứu sinh là chủ nhiệm đề tài để triển khai
nghiên cứu, đồng thời tạo ra nhóm nghiên cứu tiềm năng cho các đề tài sau.
7. Khả năng áp dụng và phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện để chuyển giao, ứng dụng
trong sản xuất.
Ngày 02 tháng 10 năm 2018
Cơ quan chủ trì
KT.HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

Chu Ngọc Hùng


x

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Design, manufacturing of experimental device for vibration assisted
deep hole machining.
Code number: ĐH2013-TN02-09
Coordinator: Chu Ngoc Hung
Implementing institution: TNU-Thai Nguyen University of Technology
Duration: from 2013 to 2015
2. Objective:
To design and manufacture a device for ultrasonic assisted drilling, which can
enhance the production rate and quality of drilled holes.
3. Creatives and innovativeness:
- Sucessfully implemented the designing calculation and manufacturing steps for
the ultrasonic assisted deep hole drilling with respect ratio larger than 10. This kind
of research has not been found in national publications.
- Practically drilled deep holes on Al6061 aluminum alloy. The experiemental
results have been published in 06 scientific papers, including 01 papers in Scopus
indexed journals.
4. Research results:
- Systemized and practically implemented methods of calculation, fabrication and
assemly an experimental system for ultrasonic vibration assisted deep hole drilling;
- The experimental system has been used to provide data for 06 scientific papers,
which are accepted by The Sate Council for Professor Title of Vietnam.

5. Products:
5.1. Scientific
The study published 06 scientific paper, including 01 paper in an Scopus papers and
01 paper in an international journal, as following:


xi

-

Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of
chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep
holes”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology
(IJMET), 9(6), pp. 899–908, ISSN: 0976-6340;

-

Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu and Van-Du Nguyen (2018), "A Study on
Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring
With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced
Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp. 283-296,
ISSN: 2454-2377;

-

Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2015), "A solution of manufacturing
deep holes on aluminum alloy by low-frequency vibration assisted drilling",
Viet Nam Mechanical Engineering Journal, 6, pp. 14-17;

-

Chu Ngoc Hung, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thao (2016), "An
experimental study on influences of vibration assisted drilling deep holes on
stainless steel SUS304",

Journal of Science and Technology – Thai

Nguyen University, 154 (09), pp. 9-13;
-

Ngo Quoc Huy, Nguyen Van Du, Chu Ngoc Hung and Ho Ky Thanh (2016),
"An experimental study on influences of power ultrasonic transducer
dimension on the resonance frequency", Journal of Science and Technology
– Thai Nguyen University, 154 (09), pp. 19-23;

-

Chu Ngoc Hung, Ngo Quoc Huy and Nguyen Van Du (2017), "Evaluation of
sliding friction reduction between high speed steel and aluminum in presence
of ultrasonic vibration", Journal of Science and Technology – Thai Nguyen
University, 176(16), pp. 31-36.

5.2. Training products:
The results of this project directly provided data for PhD study of the coordinator.
The main content of 02 Ph.D. special subject.
- Chu Ngoc Hung (2014), Manufacturing ultrasonic vibration device to
assistance for deep drilling, Ph.D. special subject, Thai Nguyen Univesity of
Technology.

xii

- Chu Ngoc Hung (2014), Experimental research and experimental system
construction, Ph.D. special subject, Thai Nguyen Univesity of Technology.
5.3. Applied products
The experimental ultrasonic vibratory can be used to clamp several kinds of cutting
tools such as turning, drilling, can be fixed on conventional lathes to assist different
types of machining.
6. Effects:
The results directly supported the PhD study of this project coordinator and
established a potentional team for further projects in this field.
7. Transfer alternatives of reserach results andapplic ability:
The results are promissing to be developed, completed in order to transfer
and apply in practical industry.


1

MỞ ĐẦU
Nội dung chương này giới thiệu các thông tin tóm tắt về cơ sở lý luận của đề
tài. Mục thứ nhất, mục 0.1, giới thiệu tóm tắt tính cấp thiết của đề tài. Mục 0.2 trình
bày mục tiêu nghiên cứu; cách tiếp cận vấn đề; phương pháp nghiên cứu; đối tượng
và phạm vi nghiên cứu. Mục 0.3 trình bày các kết quả đạt được của đề tài. Mục 0.5
là cấu trúc nội dung của báo cáo.
0.1. Tính cấp thiết
Siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining - UAM) là một
phương pháp gia công lai giữa gia công siêu âm và gia công cắt gọt. Trong phương
pháp gia công này, một rung động cưỡng bức có tần số cao (≥20 kHz), biên độ rất
nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ
cắt và chi tiết trong quá trình gia công [18]. Mũi dao hoặc phôi sẽ thực hiện dao

động theo một phương (1D) hoặc theo quĩ đạo elip (2D) so với phương của vận
tốc cắt. Sự kết hợp giữa rung động cưỡng bức này và vận tốc cắt làm cho sự tiếp
xúc giữa mũi dao và chi tiết thay đổi chu kỳ, khác hẳn với các phương pháp gia
công cắt gọt truyền thống. Kết quả của quá trình tiếp xúc thay đổi vi mô này làm
giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng
suất và tuổi bền dụng cụ.
Hiện nay, siêu âm trợ giúp gia công đã được ứng dụng trong hầu hết các phương
pháp cắt gọt truyền thống như siêu âm trợ giúp phay (Ultrasonic Assisted MillingUAM), siêu âm trợ giúp tiện (Ultrasonic Assisted Turning-UAT), siêu âm trợ giúp
mài (Ultrasonic Assisted Grinding-UAG), siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic
Assisted Drilling-UAD), siêu âm trợ giúp ta rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted
Tapping), siêu âm trợ giúp đánh bóng (Ultrasonic Assisted Polishing-UAP) v.v.
Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến
(Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng
tia lửa điện và gia công bằng la de [35][2].
Nhiều ưu điểm của UAM so với gia công cắt gọt thông thường đã được
quan sát ở hầu hết các phương pháp gia công: lực cắt trung bình giảm 77% khi


2

tiện hợp kim Titan Ti-15333 [52][3], giảm 70% khi tiện hợp kim β-titanium [47].
Độ nhám bề mặt giảm tới 265% khi phay hợp kim nhôm Al2A12 [68]. Lực cắt
theo hai phương X và Y giảm lần lượt 44.5% và 31.6%, độ nhám giảm 42.3% khi
mài phẳng bằng mặt đầu của đá mài ngón trên hợp kim Nikel Rene [70][69][6],
lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến giảm lần lượt 56.0% và 51.9% khi mài vật liệu
Inconel 718 bằng mặt trụ của đá mài ngón [38][7]. Trong siêu âm trợ giúp gia công
bằng tia lửa điện (UAEDM), quá trình thoát các hạt kim loại bám dính vào dụng
cụ dễ dàng hơn khi bổ sung rung động siêu âm do đó cải thiện sự phóng điện. Tốc
độ bóc tách vật liệu tăng 11% và độ mòn dụng cụ giảm 21% [73][72][8] v.v.
Trong siêu âm trợ giúp khoan, ưu điểm của UAD so với kĩ thuật khoan

truyền thống (CD) đã được ghi nhận qua nhiều nghiên cứu trên nhiều loại vật liệu.
Sự khác biệt mang lại nhiều ưu điểm của UAD so với CD đó là hiệu ứng giảm ma
sát khi rung động được bổ sung: cải thiện quá trình thoát phoi khi khoan các vật
liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm ngay cả ở trường hợp khoan không tưới nguội
[5, 16][5][10] v.v ; giảm lực cắt, nhiệt cắt và nâng cao tuổi bền dụng cụ khi
khoan các vật liệu siêu bền và vật liệu cứng [79][78][11], [29][12], [1] v.v ; giảm
biến dạng do giảm lực dọc trục khi khoan các tấm mỏng [10]. Đặc biệt, trong
trường hợp khoan lỗ nhỏ (Micro-Drilling), công nghệ UAD chứng tỏ khả năng
vượt trội so với CD: lực dọc trục giảm 4 lần, tuổi bền dụng cụ tăng hơn 20 lần
tương ứng với 200 lỗ khi khoan lỗ có đường kính 20 µm trên vật liệu hợp kim
nhôm Al2017 [51][15], lực dọc trục trung bình giảm 60% khi khoan lỗ có đường
kính 1mm trên vật liệu PCB gia cố bằng sợi thủy tinh v.v.
Hiện tại UAM vẫn đang nhận được sự chú ý bởi nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới: chế tạo đầu rung trợ giúp khoan cho trung tâm gia công 5 trục của Andrea
Stoll và cộng sự (2017) [6], chế tạo đầu rung trợ giúp khoan nhằm cải thiện năng
suất của trung tâm gia công đứng của M. A. Moghaddas và cộng sự (2018) [50]
v.v.
Ở Việt Nam hiện nay, ứng dụng của siêu âm công suất cao đã được giới
thiệu và thương mại hóa thông qua nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài trong một
số lĩnh vực như hàn siêu âm (Ultrasonic Welding), siêu âm làm sạch (Ultrasonic


3

Cleaning) v.v. Hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu áp điện nhằm sản xuất các bộ
chuyển đổi siêu âm cũng mới được triển khai những năm gần đây tại Đại học
Khoa học Huế [1]. Tuy nhiên, ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ khí vẫn
chưa được cập nhật, công bố khoa học về kỹ thuật ứng dụng rung động siêu âm trợ
giúp gia công chưa thấy xuất hiện trong nước.
Đề tài này được ưu tiên phê duyệt cho nghiên cứu sinh nhằm tạo dựng thiết

bị tạo rung động siêu âm phù hợp cho khoan lỗ sâu, tạo cơ sở triển khai hướng
nghiên cứu khai thác rung động siêu âm trong trợ giúp gia công cơ khí.
0.2. Mục tiêu và cách tiếp cận
0.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm thí nghiệm trợ giúp khoan nhằm hỗ trợ đề tài
nghiên cứu sinh, khẳng định và đánh giá khả năng nâng cao năng suất và chất lượng
lỗ khoan. Cơ cấu rung thí nghiệm cần đạt được các yêu cầu cơ bản sau:
-

Tạo được rung động siêu âm và truyền đến dụng cụ cắt, tương tự như trong
các công bố của nhiều nhà nghiên cứu quốc tế;

-

Phù hợp với điều kiện chế tạo hiện có;

-

Hệ thống thí nghiệm có khả năng điều chỉnh các thông số vào (biên độ, tần
số rung, chế độ cắt) theo các mức định trước. Có khả năng thu thập các giá
trị tương ứng của các hàm đầu ra.

0.2.2. Cách tiếp cận vấn đề
Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài từ các nghiên cứu trước,
trong đó bao gồm các nội dung chính sau: ứng dụng của siêu âm trong gia công
cơ; cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng gốm áp điện;
nguyên tắc, phương án và mô hình bổ sung rung động siêu âm cho quá trình
khoan; phương pháp xác định tần số rung và biên độ rung của cơ cấu rung siêu âm
trợ giúp khoan; những vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây.
Từ nghiên cứu tổng quan, lựa chọn mô hình và xây dựng hệ thống thí nghiệm; xác

định đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu.


4

0.2.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng và thực nghiệm so
sánh; phân tích thống kê và phát triển mô hình lý thuyết-thực nghiệm.
0.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi khoan lỗ sâu có tỉ số độ sâu lỗ trên
đường kính L/D ≥10. Phạm vi khảo sát được giới hạn trên vật liệu hợp kim nhôm
Al6061, sử dụng mũi khoan xoắn thép gió đường kính 3 mm. Nghiên cứu được thực
hiện trong phòng thí nghiệm, cơ cấu rung-quay trợ giúp khoan được thiết kế và gá
đặt trên máy tiện vạn năng.
0.3. Các kết quả đạt được
Công bố 06 bài báo khoa học trong đó có 02 bài trên tạp chí khoa học quốc tế
(bao gồm 01 bài Scopus và 01 bài có chỉ số ISSN) và 04 bài trên tạp chí quốc gia.
So với chỉ tiêu đặt ra của đề tài là 02 bài báo quốc gia và 01 bài báo quốc tế, đề tài
vượt mức 01 bài Scopus và 02 bài báo trong nước.
Đã chế tạo được 01 cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan theo mô hình rung-quay gá
đặt trên máy tiện. Đánh giá các thông số làm việc của cơ cấu rung trợ giúp khoan
bằng các dụng cụ đo được kiểm chứng. Chỉ tiêu này đạt yêu cầu.
Sử dụng cơ cấu rung được chế tạo, thực nghiệm khoan sâu trong điều kiện không
tưới nguội trên vật liệu hợp kim nhôm Al6061, khẳng định ưu việt của công nghệ
siêu âm trợ giúp khoan.
0.4. Cấu trúc của nội dung báo cáo
Báo cáo tổng kết đề tài bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận.
Phần mở đầu trình bày một cách tóm tắt nghiên cứu tổng quan nhằm nêu bật
nhu cầu, tính cấp thiết của đề tài; các cơ sở phương pháp luận như mục tiêu, cách
tiếp cận, phạm vi nghiên cứu và các kết quả chính.

Trong Chương 1, nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm phục vụ cho việc triển
khai đề tài. Trong đó bao gồm các nôi dung chính sau: tính gia công (Machinability)


5

và khả năng khoan (Drillability) của hợp kim nhôm; Đặc trưng của mô men và lực
dọc trục khi khoan (phụ thuộc và không phụ thuộc vào độ sâu lỗ khoan); Ứng dụng,
lịch sử và phát triển của công nghệ siêu âm trong gia công cơ: gia công siêu âm
(Ultrasonic Machining-USM), gia công siêu âm quay (Rotary Ultrasonic
Machining-RUM), rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration
Assisted Machining-UVAM) và siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted
Drilling); Cơ chế của siêu âm trợ giúp khoan; Tóm tắt và hệ thống kết quả của một
số nghiên cứu đã công bố trên các tạp chí uy tín, kết luận và đề xuất hướng nghiên
cứu.
Chương 2 trình bày các kiến thức cơ sở cho việc tính toán thiết kế cơ cấu
rung siêu âm trợ giúp khoan.Trong đó bao gồm những nội dung chính sau: bản chất
của sóng âm, nguyên tắc truyền rung động siêu âm và cơ sở lí thuyết truyền sóng
trong vật liệu; Nguyên lí làm việc của hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công, các
kiến thức cơ bản về thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer) sử dụng
gốm áp điện kiểu Lagevin và đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic Horn); Nguyên tắc
xác định tần số cộng hưởng và biên độ rung của bộ chuyển đổi siêu âm; Chế tạo, lắp
ráp và đo kiểm một số thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan.
Chương 3 trình bày ứng dụng của hệ thống rung trong thiết kế và triển khai
một số thí nghiệm nhằm vừa đánh giá hiệu quả của việc khai thác rung trợ giúp
khoan, vừa tổng kiểm tra đánh giá khả năng làm việc của hệ thống rung đã chế tạo.
Phần Kết luận và kiến nghị tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài và đề
xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

6

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN
1.1. Giới thiệu chung
Khoan là một quá trình thông dụng nhất để gia công lỗ do tính đơn giản, thời gian
gia công ngắn và chi phí thấp. Theo đó, một quy trình gia công điển hình thường
bao gồm: khoan (30%), tiện (20%), phay (16%), cắt ren (15%), chép hình (6%) và
các loại khác (13%) [61]. Tuy nhiên, khoan cũng là một trong những quá trình cắt
phức tạp nhất. Đặc điểm chính để phân biệt giữa khoan với các quá trình gia công
khác là quá trình cắt trong gia công bằng khoan xảy ra đồng thời với quá trình đẩy
phoi ra khỏi lỗ khoan. Song song với đó là những khó khăn gặp phải, đặc biệt khi
khoan lỗ sâu trên vật liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm. Đã có nhiều biện pháp
công nghệ đã và đang được sử dụng nhằm cải thiện quá trình khoan, chẳng hạn như
cải thiện chất lượng và bề mặt dụng cụ, sử dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tiên
tiến [25][18], [30], [33], [17][21], rung tần số thấp trợ giúp khoan [58][22][57][23]
[46] v.v. Gần đây, công nghệ rung động siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic
Vibration Assisted Drilling-UVAD) đã được áp dụng thành công khi khoan các vật
liệu khó gia công. So với công nghệ khoan truyền thống, công nghệ UVAD được
biết đến với nhiều ưu điểm đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu đã được
công bố. Một số ưu việt nổi trội được tóm tắt như dưới đây.
- Mở rộng tính gia công bằng khoan một số loại vật liệu khó gia công hoặc
không gia công được [18], [8];
- Lực dọc trục giảm 70% so với khoan theo cách thông thường trên vật liệu Al
2024-T6 [4];
- Mô men giảm từ 30% đến 50% so với khoan theo cách thông thường trên vật
liệu nhôm [55], và giảm đến 94% khi khoan trên vật liệu composite CFRP
[44];
- Nhiệt độ trung bình giảm 46% so với khoan theo cách thông thường [28];
- Độ trụ và độ tròn được cải thiện 50% và 80% tương ứng, độ nhám giảm 52%

[15];


7

- Chiều cao và chiều rộng trung bình của ba via ở mặt thoát lỗ khoan giảm lần
lượt 83.2% và 24% so với khoan theo cách thông thường khi khoan vật liệu
composite Al/SiC [32][31];
- Cải thiện điều kiện thoát phoi [56][32]. Đây được xem là một sự khác biệt lớn
mang lại nhiều lợi ích của khoan có rung trợ giúp so với khoan theo cách
thông thường;
- Tuổi bền của mũi khoan tăng 2,7 lần khi khoan trên vật liêu Inconel 718
[79][78][11].
Trong những năm gần đây, công nghệ gia công không dùng hoặc giảm thiểu sử
dụng chất bôi trơn làm nguội (bôi trơn làm nguội tối thiểu) đang là một xu hướng
được quan tâm [34]. Chính vì vậy, giải pháp UVAD còn có một số ý nghĩa quan
trọng nữa là giúp giảm thiểu chi phí sản xuất do sử dụng chất bôi trơn làm nguội và
các vấn đề liên quan đến việc tái chế phoi, giảm ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức
khỏe của công nhân.
1.2. Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ
Việc áp dụng siêu âm công suất vào các máy công cụ, thuộc lĩnh vực gia công siêu
âm. Do sự đa dạng và phát triển của công nghệ này, nhiều thuật ngữ được sử dụng
và có thể gây nhầm lẫn. Công nghệ thường được tìm thấy trong các tài liệu được
biết đến với thuật ngữ gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) là một qui trình
gia công dựa trên các hạt mài chứa trong dung dịch được sử dụng để khoan các lỗ
có biên dạng phức tạp trên các vật liệu cứng như thủy tinh và gốm sứ v.v. Thuật
ngữ siêu âm trợ giúp (Ultrasonically Assisted) được sử dụng với nhiều biến thể
khác nhau, mục đích vẫn là đưa rung động siêu âm vào dụng cụ cắt truyền thống
như siêu âm trợ gúp tiện (UAT), siêu âm trợ gúp khoan (UAD) và siêu âm trợ gúp
phay (UAM) v.v.

1.2.1. Gia công siêu âm
Gia công bằng siêu âm (Ultrasonic Machining-USM) là truyền rung động vào vùng
cắt dưới tần số siêu âm. Rung động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào
vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia công. Bản chất là dùng năng lượng va đập đồng


8

thời của một số rất lớn các hạt mài có tần số va đập cao lên bề mặt gia công để tách
những hạt kim loại nhỏ, có kích thước vài µm. Nguyên lí gia công bằng siêu âm
được thể hiện như trên Hình 1.

Hình 1. Nguyên lý gia công siêu âm

Đến đầu những năm 1960 đã có khoảng bốn trăm bài báo được công bố bao gồm
các khía cạnh khác nhau về USM [22][34]. Phần lớn các tài liệu này được bao quát
bởi hai tài liệu chuyên khảo. Gia công siêu âm vật liệu khó gia công (Ultrasonic
machining of intractable materials) được viết bởi AI Markov và cắt bằng siêu âm
(Ultrasonic cutting) được viết bởi L.D. Rozenberg, cả hai ban đầu được xuất bản ở
Nga năm 1962 và sau đó được dịch sang tiếng Anh [Markov 1966; Rozenberg và
cộng sự 1964]. Gia công siêu âm cũng được gọi là siêu âm tác động mài (ultrasonic
impact grinding) [Moore 1986; Tyrrell năm 1970; Kohls 1984; Shaw 1956], mài
siêu âm (ultrasonic grinding) [Schwatrz 1992] và gia công mài siêu âm (ultrasonic
abrasive machining) [Anonymous 1964].
So với quá trình gia công thông thường như mài và khoan, gia công bằng siêu âm
có những ưu điểm sau. Thứ nhất, có thể gia công được cả vật liệu dẫn điện và không
dẫn điện một cách nhanh chóng các chi tiết có biên dạng phức tạp như những chi
tiết đơn giản. Thứ hai, quá trình này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hoặc không gây
ra thay đổi nào về hóa tính trên bề mặt phôi. Thứ ba, gia công bằng siêu âm không
bị ảnh hưởng bởi ứng suất dư trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên trong gia công bằng

siêu âm, hạt mài được đưa vào giữa khoảng cách dụng cụ và phôi để bóc tách vật
liệu. Từ thực tế đó, phương pháp này có một số nhược điểm. Thứ nhất, tốc độ bóc


9

tách vật liệu chậm đáng kể và thậm chí dừng lại khi tăng độ sâu. Thứ hai, hạt mài có
thể gây mòn thành lỗ cũng như bề mặt đã gia công, đây là sự giới hạn về độ chính
xác của phương pháp gia công bằng siêu âm, đặc biệt là với các lỗ nhỏ. Thứ ba,
dưới tác động của hạt mài cũng gây ra mài mòn đáng kể cho dụng cụ, do đó rất khó
khăn để giữ được khoảng cách giữa dụng cụ và phôi.
Để khắc phục những nhược điểm của gia công siêu âm, gia công bằng siêu âm quay
được phát minh vào năm 1964 do Percy Legge, một nhân viên kỹ thuật tại cơ quan
năng lượng nguyên tử Vương quốc Anh (UKAEA).
1.2.2. Gia công siêu âm quay
Gia công siêu âm quay (Rotary ultrasonic machining-RUM) là một quá trình gia
công cơ học phi truyền thống được sử dụng để gia công các loại vật liệu khó gia
công, bao gồm vật liệu dẻo, cứng và giòn, gốm sứ, composit v.v. Trong RUM, quá
trình bóc tách vật liệu được kết hợp bởi gia công bằng siêu âm và mài kim loại
thông thường [69]. Nguyên lí của RUM như được thể hiện trên hình 1.12.

Hình 2. Nguyên lí gia công siêu âm quay [77]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt

RUM được trình bày lần đầu tiên năm 1964 bởi Percy Legge [22][34]. Ý tưởng ban
đầu của việc kết hợp khoan với sự trợ giúp của rung động đã được đề xuất bởi GC
Brown và các cộng sự (US Patent 2.942.383). Trong sáng chế của Brown và cộng
sự, quá trình khoan được trợ giúp bởi một rung động tần số thấp hơn 1 kHz. Ngoài


10

ra quá trình khoan này chỉ đề xuất cho gia công vật liệu là gỗ. Trong thiết bị siêu âm
quay đầu tiên của Percy Legge, hạt mài đã được loại bỏ và thay thế bằng một dụng
cụ được phủ kim cương. Do phôi được kẹp trên mâm cặp nên thiết bị này có những
hạn chế sau: (1) chỉ có có thể gia công được lỗ trụ tròn, (2) chỉ có thể khoan được
phôi tương đối nhỏ. Cải tiến hơn nữa được thực hiện tại cơ quan năng lượng nguyên
tử Vương quốc Anh, một máy gia công mang bộ chuyển đổi siêu âm có thể quay
(rotating ultrasonic transducer) đã được phát triển và cho phép gia công với độ
chính xác cao. Với các dụng cụ khác nhau, phạm vi hoạt động có thể mở rộng để
phay, cắt ren, mài tròn trong và mài tròn ngoài. Nghiên cứu tại UKAEA trở thành
nguồn tài liệu tiếng Anh duy nhất nói về RUM trong những năm 1960 [Anonymous
1966, Legge 1966, Hards 1966, Dawe Instruments Ltd 1967, Chechines và
Tikhonov 1968]. Nhiều năm sau, tài liệu tiếng Nga nói về RUM mới xuất hiện
[Markov 1969, Petruka và cộng sự 1970], nghiên cứu được thực hiện tại học viện
hàng không Moscow. Trong năm 1970, các công bố về RUM tại Mỹ bắt đầu xuất
hiện [Cleave 1976, Kohls 1984 1973], nghiên cứu được thực hiện tại Công ty Điện
lực Branson Sonic.
Hầu hết trong các công bố trên đều tập trung giải thích các nguyên tắc của RUM,
mô tả các thiết bị và dụng cụ kim cương. Khảo sát thực nghiệm về mối quan hệ giữa
các biến đầu vào của quá trình (biên độ rung, tốc độ quay, kích thước hạt mài v.v)
với các biến đầu ra (tốc độ bóc tách vật liệu, mòn dụng cụ, chất lượng bề mặt v.v)
được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Nga và Nhật Bản công bố trong các bài báo
những năm 1970 [Markov và Ustinov 1972, Markov 1977, Kubota 1977].
Trong một thời gian dài, RUM đã được xem đơn giản như một sự cải tiến của USM.
Một quan điểm khác, RUM được xem như một quá trình lai, kết hợp của hai quá
trình gia công là mài kim cương và USM [Anonymous 1964, Prabhakar 1992, Dam
1993, Legge 1964]. RUM đôi khi được gọi là mài rung siêu âm (Ultrasonic
Vibration Grinding) [Moore 1986, Kohls 1984], khoan siêu âm (Ultrasonic Drilling)
[Anonymous 1964, Legge 1964], khoan xoắn siêu âm (Ultrasonic Twist Drilling)
[McGeough 1988] và mài siêu âm (Ultrasonic Grinding) [Suzuki và cộng sự 1988].

11

1.2.3. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
Rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration Assisted MachiningUVAM) là quá trình sử dụng một rung động có tần số cao và biên độ rất nhỏ bổ
sung vào quá trình cắt nhằm nâng cao hiệu quả bóc tách vật liệu [78][77][37]. Rung
động siêu âm đã được áp dụng như một công nghệ trợ giúp cho các quá trình gia
công truyền thống như tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng v.v. còn được biết đến với
thuật ngữ siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining-UAM). UAM
xảy ra khi rung động siêu âm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng
cụ cắt và phôi đang trong quá trình gia công.
Nguyên tắc của UVAM là làm cho sự tương tác giữa dụng cụ và phôi một cách
không liên tục, do đó tạo điều kiện tách phoi và giảm lực cắt. Nó cũng có thể làm
giảm vùng biến dạng của phôi khi gia công, qua đó cải thiện chất lượng bề mặt của
chi tiết gia công.

Hình 3. Rung động siêu âm trợ giúp tiện [76]

Hình 3 mô tả quá trình siêu âm trợ giúp tiện. Bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng
các tấm gốm áp điện (Piezoceramic) đã gắn đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic
horn), dụng cụ cắt được gắn với đầu khuếch đại. Bộ chuyển đổi mang dụng cụ có
thể được kẹp chặt bởi một đồ gá và cố định trên bàn dao máy tiện hoặc trên đài gá
dao như cách thực hiện thông thường. Khi tín hiệu điện tần số cao từ máy phát điện