Thiết kế, chế tạo rung siêu âm trợ giúp gia công biến dạng dẻo

Tôi c ng xin cảm ơn an iám hiệu các đồng nghiệp của tôi t i Trường Trung cấp ngh Thái guy n đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, t o đi u kiện để tôi được tham gia học tập và hoàn thành u

ỜI C Đ N

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập m ản thân tôi thực hiện Các số liệu sử dụng phân tích có nguồn gốc rõ r ng v chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận uận văn tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân chưa có t i iệu khoa học n o tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

h i guy n ng y 1 tháng 10 năm 2 21

N

V N H

ỜI C N

Trư c ti n, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hư ng dẫn khoa

học của tôi, người đã tận tình chỉ bảo động viên và hết ng

giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đ t i v m th nh uận văn tốt nghiệp

ồng thời tôi xin chân th nh cảm ơn các Thầy giáo, đ c iệt u v u , những nh khoa học đang t ch cực m việc t i

ph ng th nghiệm Đ v Đ iện T Trường i học

thuật ông nghiệp v những kiến đ nh hư ng v trợ giúp tôi trong quá tr nh xây ựng hệ thống thiết th nghiệm triển khai th nghiệm để tôi có thể ho n th nh uận văn của m nh

Tôi c ng xin cảm ơn an iám hiệu các đồng nghiệp của tôi t i Trường Trung cấp ngh Thái guy n đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, t o đi u kiện để tôi được tham gia học tập và hoàn thành uận văn

Tôi xin gửi ời cảm ơn chân th nh đến tập thể khoa ơ kh h ng o t o Trường i học thuật ông nghiệp i học Thái guy n v các Thầy giáo Cô giáo đã tận t nh truy n đ t những kiến thức qu áu c ng như t o mọi đi u kiện thuận ợi nhất cho tôi trong suốt quá tr nh học tập triển khai nghi n cứu đ t i và ho n th nh uận văn

uối cùng tôi xin gửi ời cảm ơn đến gia đ nh các anh ch v các n đồng nghiệp đã giúp đỡ v mọi m t trong thời gian qua để tôi có thể ho n th nh uận văn tốt nghiệp đúng tiến độ

h i guy n ng y 1 th ng 1 năm 2 21

N

V N H

2 guy n tắc t o rung động si u âm 6

guy n tắc truy n rung động si u âm 9

ác th nh phần ch nh của hệ thống công tác si u âm 10

ột v i ứng ụng của rung động si u âm trong sản xuất đời sống 12

2 ng ụng của rung động si u âm trong gia công iến ng o 13

ung động si u âm h trợ quá tr nh ập nguội 14

2 ung động si u âm h trợ quá tr nh r n ập v p chảy 17

ung động si u âm h trợ quá tr nh k o 20

ia công iến ng o cục ộ i n tục có sự trợ giúp của rung động si u âm (Ultrasonic assisted Incremental Sheet Forming - UISF) 23 ia công iến ng o cục ộ i n tục ncr m nta h t orming - ISF) 23

2 ia công iến ng o th o ư c có sự trợ giúp của rung động si u âm

(Ultrasonic Incremental Sheet Forming – UISF) 27

ết uận hương 30

2 T T 31

2 ác thông số cơ ản của phương pháp gia công ng iến ng o cục ộ i n tục 31

2 Thông số h nh học v thông số công nghệ 31

2 .2 ối quan hệ giữa các thông số h nh học v thông số công nghệ 32

2.2 iểm chu n xác đ nh quan hệ ực v i điện áp của cảm iến ực 59

NH C CÁC CH VI T T T

ISF Incremental sheet forming iến ng o cục ộ i n tục ho c iến ng o th o ư c

UISF Ultrasonic assisted-

Incremental sheet forming

iến ng o cục ộ i n tục ho c iến ng o th o ư c có rung động siêu âm trợ giúp

AA Aluminum Alloy ợp kim nhôm Al Aluminum Alloy ợp kim nhôm

FLD Forming Limit Digram ường cong gi i h n iến ng o SEM Scanning Electron

Microscope

ển v đ ện tử qu t

b MPa ng suất uốn

p MPa ng suất n n o ụng cụ iến ng t o n n tr n m t

Fr N, kN Th nh phần ực iến ng o th o phương hư ng k nh

Ft N, kN Th nh phần ực iến ng o th o phương tiếp tuyến

NH C CÁC NG I U

ảng 2 óc t o h nh cực đ của một số vật ệu 34

ảng Thông số của phát rung si u âm 44

ảng 2 Thông số k thuật của nguồn phát điện si u âm 45

ảng Thông số k thuật của máy t ện Tak sawa T -550 55

ảng 2 Th nh phần các nguy n tố hóa học của hợp k m nhôm 2 56

ảng ột số t nh chất cơ học của hợp k m nhôm 2 57

ảng Thông số k thuật của cảm ến ực Kistler 9257B 58

ảng Thông số k thuật của k nh h ển v đ ện tử -PM-200SB 59

ảng Th ết kế th ngh ệm Taguch 62

ảng Thông số th nghiệm 62

ảng ết quả th nghiệm 64

ảng ết quả so sánh th o c p air T-Test) 65

ảng nova g á tr trung nh của zmax kh g a công ến ng o 67

ảng nova g á tr trung nh của zmax kh g a công ến ng o 67

ảng 2 nova g á tr trung nh của zmax khi gia công ến ng o 67

ảng nova g á tr trung nh của zmax kh g a công ến ng o 67

NH C CÁC H NH V Đ TH

nh ác ngưỡng tần số rung động 5

nh 2 ột ộ t o rung động si u âm khai thác hiệu ứng từ giảo 6

nh nh hư ng của từ trường iến đ i đến cấu trúc vật iệu mang từ t nh 7

nh iệu ứng áp điện 8

nh ộ t o rung si u âm a ùng tấm pi zo nhi u p kết cấu an wich 8

nh ô h nh i n kết nguy n tử 9

nh ấu t o một hệ thống gia công có si u âm trợ giúp guồn phát rung động si u âm 2 ộ chuyển đ i si u âm v ầu khuếch đ i i n độ

ụng cụ gia công 10

nh ết cấu một ộ phát rung si u âm kiểu ang vin 11

nh huếch đ i i n độ rung động của oost r nối tiếp orn 12

nh ung động si u âm trợ giúp một số phương pháp gia công cắt gọt 13

nh ung động si u âm trợ giúp một số phương pháp gia công iến ng o 14

nh 2 ơ đồ th nghiệm ập tấm có sự h trợ của rung động si u âm tác ụng n ch y v n khuôn ập 15

nh nh hư ng của rung động si u âm tần số 2 k z đến ực ập vuốt 15

nh ực ập trong quá tr nh ập vuốt thông thường v ập vuốt có rung động si u âm tần số 2 k z i n độ m h trợ phôi ập có đường k nh mm 16

nh hả năng iến ng o của ập vuốt thông thường v ập vuốt có rung động si u âm h trợ 16

nh ường cong ực - ch chuyển của ch y khi rung động si u âm được k ch th ch các tần số khác nhau 16

nh ô h nh th nghiệm a phân ố iến ng th o chi u i mẫu khi r n thường v khi r n si u âm c được thực hiện i v r nko v u ovich 17 nh ường cong ứng suất - iến ng khi so sánh giữa chồn thông thường v chồn có sự h trợ của rung động si u âm a nhiệt độ 2  chồn thường

150 v chồn có sự h h trợ của rung động si u âm 2 C 18

nh nh hư ng của rung động si u âm h trợ quá tr nh chồn đến độ cứng

m t hợp kim nhôm 18

nh 2 ô h nh th nghiệm chồn có rung động si u âm h trợ v chồn thường 19

nh 2 o sánh kết quả chồn thông thường a- mô phỏng - thực nghiệm v chồn có rung động si u âm h trợ c- mô phỏng - thực nghiệm 19

nh 22 ường cong ực - iến ng khi chồn có rung động si u âm h trợ v khi chồn thường th p a vPress = 30 mm/min; (b) vPress = 300 mm/min 20

nh 2 nh hư ng của rung động si u âm đến ực p a v ma sát khi p chảy Tốc độ p vpress = 40mm/s 20

nh 2 ô h nh thực nghiệm k o sợi có sự trợ giúp của rung động si u âm 21

nh 2 ô h nh thực nghiệm k o ống có sự trợ giúp của rung động si u âm 21

nh 2 nh hư ng của rung động si u âm đến ực k o th p không gỉ a v k o th p các on cao khi k o ây 22

nh 2 nh mô tả ảnh hư ng của rung động si u âm chất ượng m t sản ph m titan khi k o a k o thường k o có rung động si u âm trợ giúp 22

nh 2 iện tượng giảm ực ma sát khi k o ây có sự trợ giúp của rung động si u âm đường số tr n đồ th 22

nh 2 ột v i phương pháp gia công v qu đ o ụng cụ gia công 23

nh ác thông số h nh học của quá tr nh gia công 24

nh ột số sản ph m điển h nh ứng ụng phương pháp gia công 24

nh 2 ác thiết thường được sử ụng trong phương pháp gia công 26

nh Mô h nh thực nghiệm quá tr nh của mini v cộng sự 27

nh ụng cụ iến ng o được thiết kế i mini v cộng sự 28

nh o sánh ực t o h nh giữa gia công có rung si u âm v không 28

nh ô h nh thực nghiệm nghi n cứu quá tr nh của i v cộng sự 29

nh ết quả nghi n cứu ực iến ng ch nh z của i v cộng sự 29

nh ết quả nghi n cứu ảnh hư ng của i n động rung si u âm đến ực iến ng ch nh z a v đến hiệu quả iến ng 29

nh 2 ác thông số công nghệ v h nh học kh g a công ng phương pháp ến

ng o cục ộ n tục 31

nh 2.2 uan hệ g ữa các thông số h nh học v thông số công nghệ trong 32

nh 2 ô h nh t ến ụng cụ ến ng o a v ảnh hư ng của ượng t ến ụng

nh 2 hân ệt g ữa vùng ến ng an to n v vùng phá hủy a ảnh hư ng của đường k nh ụng cụ v ư c t ến z c đến đường cong 38

nh 2 ô h nh phân t ch ực gây n n ến ng o của phôi 38

nh Trung tâm gia công si u âm a v ộ ụng cụ gia công si u âm 43

nh 2 nh chụp ộ phát rung si u âm ắp s n đầu horn 44

nh Thông số k ch thư c ộ phát rung si u âm ắp đ t s n đầu horn 44

nh guồn phát điện si u âm 45

nh ột số ng ụng cụ iến ng o trong công nghệ 46

nh hân ố iến ng tr n ộ phát rung chưa kể đến ụng cụ iến ng 47

nh iả thiết phân ố iến ng tr n ộ phát rung khi ắp ráp th m ụng cụ iến ng - ộ phát rung 2 - ầu horn - ụng cụ iến ng - á k p 47

nh ụng cụ iến ng o 48

nh ô h nh kiểm tra n đ nh của ụng cụ iến ng o 49

nh ng k p 50

nh ch ốp sau trái v ch ốp trư c phải 50

nh 2 Tấm đệm giữa ống k p gá ộ phát rung v cảm iến ực 50

nh ch cầu v ộ phát t n ico cop hiệu xác đ nh tần số cộng hư ng 52

nh ết quả qu t tần số cộng hư ng của hệ thống 53

nh ữ iệu vận h nh thử nghiệm hệ thống khi ật - tắt rung động si u âm trong quá tr nh iến ng o th o ư c 53

nh nh chụp sản ph m thử nghiệm hệ thống gia công khi ật - tắt rung động si u âm trong quá tr nh iến ng o th o ư c 54 z = 2.0mm: (a) ISF và (b) UISF 63

nh 2 ểu đồ ảnh hư ng của các thông số công nghệ đến th nh phần ực ến ng o ch nh z: (a) UISF; (b) ISF 66

nh ểu đồ ảnh hư ng của các thông số công nghệ đến tỉ số của th nh phần ực ến ng o ch nh z: (a) UISF; (b) ISF 66 nh nh chụp m t phô trư c kh g a công 68

Đ U 0 1 Đ

g y nay rung động s u âm được sử ụng rất ph iến trong nhi u ng nh sản xuất công nghiệp ch ng h n trợ g úp gia công cắt gọt t y rửa si u âm hàn siêu âm, chế iến thực ph m k ểm tra khuyết tật của sản ph m k thuật y tế ch n đoán h nh ảnh - siêu âm) [1],[2],[3],[4],[5] Trong nh vực gia công cơ kh cắt gọt có sự trợ giúp của rung động si u âm đã cho thấy nhi u ưu điểm n i trội ch ng h n ực cắt v nhiệt cắt giảm; tu i n ụng cụ được nâng cao hiện tượng o ao giảm; chất ượng m t gia công được cải thiện; ng cắt gọt được nhi u o i vật iệu khó gia công như th p sau nhiệt uyện th p không gỉ hợp kim độ n cao… giảm thiểu sử ụng ung ch trơn nguội … [1],[2],[4],[5],[6] n c nh trợ giúp gia công cắt gọt rung động si u âm c n được triển khai nghi n cứu ứng ụng khá ph iến trong nh vực gia công áp ực ch ng h n h trợ quá tr nh át nguội v ập vuốt kim o i tấm [7],[8],[9],[10] h trợ quá tr nh r n nóng v nguội vật iệu kim o i [7],[11],[12],[13] h trợ quá tr nh p chảy cả tr ng thái nóng v tr ng thái nguội [7],[14],[15],[16] hờ có sự trợ giúp của rung động si u âm ực cần thiết để iến ng o vật iệu giảm khả năng iến ng o của vật iệu tốt hơn chất ượng m t sản ph m được cải thiện… hững ưu điểm n y được giải do hiện tượng giảm ma sát tiếp xúc giữa ụng cụ gia công v phôi (c n gọi ma sát ngo i đồng thời ma sát giữa các h t tinh thể c ng giảm c n gọi nội ma sát [7],[17] hờ những ưu điểm n i ật n y m thời gian gần đây một số nhóm nghi n cứu đã thử nghiệm ứng ụng rung động si u âm h trợ quá tr nh gia công iến ng o cục ộ i n tục vật iệu tấm tiếng nh trasonic assisted Incremental Sheet Forming viết tắt ) [18],[19],[20] Gia công đ nh h nh tấm kim o i ng iến ng o cục ộ i n tục tiếng nh Incremental Sheet Forming viết tắt ISF) phương pháp gia công m trong suốt quá tr nh t o h nh chỉ một phần kim o i t i ch tiếp xúc v i ụng cụ iến ng o cục ộ ùng iến ng o cục ộ n y i chuyển tr n to n ộ khu vực cần gia công th o một qu đ o nhất đ nh cho đến khi ho n thiện sản ph m

Tương tự như gia công cắt gọt có rung động si u âm trợ giúp trong hệ thống gia công iến ng o có sung rung động si u âm đầu rung si u âm một thiết quan trọng nhất quyết đ nh đến hiệu quả v chất ượng gia công i quá tr nh gia công có rung trợ giúp tùy thuộc vật iệu chi tiết thường y u cầu một chế độ gia công phù hợp ể đảm ảo độ ch nh xác t o h nh đầu rung mang ụng cụ cần đủ cứng vững đồng thời kết cấu thuận tiện cho quá tr nh gá đ t ến nay hầu như chưa có một o i hệ thống thiết sử ụng trong công nghệ iến ng o cục ộ i n tục có t ch hợp s n rung động si u âm h trợ n o được chế t o iệc triển khai ứng ụng siêu âm trong quá trình gia công iến ng o đ u th o hư ng sử ụng các máy công cụ truy n thống v t ch hợp th m một ộ h trợ t o rung si u âm Rung động si u âm s được truy n trực tiếp v o ụng cụ iến ng o gắn v i đầu rung ác o i đầu rung si u âm ph iến nhất hiện nay thường sử ụng ộ t o rung kiểu ang vin ộ phận truy n v khuếch đ i i n độ rung thường có các ng h nh trụ h nh nón i n ng cong ho c ng ậc ác ứng ụng rung động siêu âm trong quá trình gia công iến ng o hầu như chưa được quan tâm, khai thác vậy việc thiết kế chế t o thiết rung si u âm trợ giúp gia công iến ng o v thử nghiệm trong iến ng o cục ộ i n tục không chỉ khai thác thế m nh v ứng ụng rung động si u âm Trường i học thuật ông nghiệp m c n m ra một hư ng nghi n cứu m i t i Trường

0.2 ụ ứ

Th ết kế chế t o th ết rung s u âm h trợ quá tr nh g a công ến ng o có thể gá đ t tr n các máy công cụ v tr ển kha thử ngh ệm trong công nghệ g a công ến ng o cục ộ n tục vật ệu tấm k m o

0.3 C

ể giải quyết i toán thiết kế đ t sử ụng cách tiếp cận như sau

- hân t ch các ngh n cứu đã công ố trư c đây v ứng ụng của rung động s u âm trong g a công ến ng o từ đó ựa phương pháp ến ng o ự k ến áp ụng rung động s u âm h trợ m cơ s cho v ệc t nh toán th ết kế

- ây ựng kết cấu cụm đầu rung mang ụng cụ ến ng o th ết kế ộ đồ gá th ết công tác s u âm v đồ gá phôi gia công phù hợp v máy công tác

- Thực nghiệm xác đ nh giá tr tần số cộng hư ng m việc của ộ công tác siêu âm m cơ s cho v ệc ngh n cứu ứng ụng v o quá tr nh g a công ến ng o cục ộ n tục

- Tiến h nh thực nghiệm ến ng o cục ộ n tục tấm vật ệu hợp k m nhôm ến ng để đánh giá hiệu quả sử ụng của đầu rung thông qua chỉ t u ực

ến ng ch nh Fz c ng như chất ượng m t sản ph m sau g a công

0.4 K

- Th ết kế xây ựng v chế t o th nh công ộ đồ gá đầu rung si u âm mang ụng cụ ến ng o v i kết cấu đơn giản thuận tiện cho việc gá đ t n máy công nghệ ồng thờ xác đ nh được tần số m v ệc của ộ công tác s u âm

- Thử ngh ệm ến ng o cục ộ n tục tấm hợp k m nhôm l 5052 trên máy t ện ết quả thực nghiệm v i đầu rung si u âm h trợ quá tr nh ến ng o cục ộ n tục cho thấy:

ác th nh phần ực ến ng Fx, Fy, Fz kh có rung động s u âm h trợ g ảm đáng kể so v kh g a công ến ng o thông thường

+ Th nh phần ực ến ng o ch nh Fzmax th o phương ọc trục khi g a công ến ng o có rung động s u âm trợ g úp g ảm đến 20.0% so v quá tr nh ến ng o cục ộ n tục thông thường

+ hất ượng m t v tr t ếp xúc g ữa ụng cụ ến ng o v m t phô cao hơn không xuất h ện vết nứt r như v ến ng o thông thường

ác kết quả đ t được cơ s để tr ển kha ứng ụng trong nghi n cứu rung động si u âm t ch cực v o trong quá tr nh gia công ng ến ng o ph m v Trường học thuật ông ngh ệp nó r ng v nư c ta nó chung

0.5 K ă

uận văn có kết cấu gồm phần đầu; ốn hương phần ết uận v đ

xuất Trong đó nộ ung ngh n cứu được tr nh y trong ốn chương gồm: - hương T ng quan v nh vực ngh n cứu hương n y g th ệu v rung động s u âm nguy n t o rung động s êu âm v các ứng ụng ph ến của rung động s u âm ồng thờ hương c ng phân t ch t ng kết các ngh n cứu kha thác ứng ụng rung động s u âm trong g a công áp ực nó chung v trong t o h nh k m o tấm ng ến ng o cục ộ n tục nó r ng m cơ c cho v ệc th ết kế ựa chọn hệ thống công tác s u âm

- hương 2 ơ s thuyết ộ ung chương n y g th ệu cơ s thuyết v ến ng o cục ộ n tục ác vấn đ được m r gồm các thông số h nh học v công nghệ ứng suất ến ng v các th nh phần ực ến ng ết hợp v các nộ ung được g th ệu trong hương các vấn đ v ến ng o cơ s cho v ệc th ết kế chế t o ụng cụ ến ng o c ng như đánh g á chất ượng của quá tr nh g a công

- hương Th ết kế chế t o hệ thống th ngh ệm hương n y g th ệu v ệc ựa chọn hệ thống công tác s u âm từ nguồn v th ết phát rung thương m được ựa chọn đến các vấn đ v t nh toán th ết kế chế t o v k ểm ngh ệm đ u k ện m v ệc của ụng cụ ến ng o ồng thờ v ệc th ết kế hệ thống gá đ t ộ công tác s u âm phục vụ ngh n cứu thực ngh ệm c ng được g th ệu trong hương n y

- hương Thực ngh ệm ến ng o cục ộ n tục Chương n y g th ệu v phương pháp th ết kế th ngh ệm kết quả đ t được v so sánh g ữa ha trường hợp ến ng o cục ộ n tục có v không có rung động s u âm h trợ ác thông số an đầu của quá tr nh ần ượt được chọn vận tốc ụng cụ ến

ng V v ượng t ến ụng cụ th o ch u ọc trục z ác tham số kết quả được đánh g á v so sánh v nhau gồm th nh phần ực ến ng ch nh Fzmax v chất ượng m t vết g a công

CHƯ NG 1 T NG U N V NH V C NGHIÊN C U 1.1 N s m

1 1 1 Ru độ siêu âm

ung động si u âm một ng ao động cơ có tần số vượt quá ngưỡng ngh của th nh giác con người ể phân iệt các mức độ gi i h n của rung động thường

sử ụng giá tr ngưỡng tần số rung động như minh họa tr n H nh 1 1 gưỡng âm

thanh m con người ngh được thường có tần số từ 2 z đến 2 k z [2] gưỡng tần số rung động thấp hơn v cao hơn các giá tr gi i h n tr n ần ượt được gọi ngưỡng h âm v si u âm

H nh 1 1 C c ngưỡng tần số rung động

thuật v sóng si u âm một nhánh của nh vực âm học i n quan đến việc t o v khai thác ứng ụng sóng siêu âm Sóng si u âm v ứng ụng của nó thực sự được quan tâm nghi n cứu phát triển từ sau thế chiến thứ nhất sau khi ang vin phát minh ra ộ t o rung si u âm sử ụng vật iệu áp điện tinh thể th ch anh (Piezoelectric quartz crystals)

ung động si u âm đã v đang được ứng ụng ph iến trong nhi u nh vực của đời sống ó thể chia các ứng ụng khai thác rung động siêu âm thành hai nhóm n nhóm si u âm có cường độ nhỏ tần số cao và nhóm si u âm có cường độ cao tần số thấp i u âm cường độ c n gọi si u âm công suất thấp, nhỏ thường có mật độ tập trung năng ượng khoảng từ W/cm2 đến ,0 W/cm2 tần số thường cỡ v i z tr n o i si u âm n y thường được ứng ụng trong y học ch n đoán

óng h âm i n th nh gi c c con ngư i óng siêu âm

Tần số z

o chó

ơi cá h o oi chuột

h nh ảnh - siêu âm) kiểm tra khuyết tật không phá hủy kiểm tra vết nứt xốp… trong ng vật iệu

Si u âm công suất n c n gọi si u âm công suất, được ứng ụng trong các nh vực k thuật m s ch t y rửa gia công cơ kh , h n kim o i v chất o, uyện kim ột… [1],[2] thuật n y được sử ụng để thay đ i các đ c t nh vật hóa học sinh học của vật iệu ác ứng ụng của si u âm công suất nói chung ựa tr n nguy n tắc truy n các sóng si u âm có cường độ cao nh m t o óng kh trong chất lỏng ho c h nh th nh ng chuyển động của vật chất trong chất rắn để truy n năng ượng si u âm Tùy th o y u cầu m tần số rung động có thể từ h ng chục k z đến h ng trăm k z hoảng i n độ rung động thường từ v i µm đến v i chục µm

1.1.2 u ê tắ tạo ru độ siêu âm

Có hai phương pháp t o rung động v i tần số si u âm phương pháp khai thác hiệu ứng từ giảo v phương pháp khai thác hiệu ứng áp điện

iện tượng từ giảo được nh khoa học ou khám phá ra năm 2 hương pháp từ giảo t o rung động si u âm ng cách chuyển đ i năng ượng iến thi n từ trường th nh năng ượng cơ học nhờ v o sự iến ng của vật iệu ột ộ phát rung ng tử giảo có cấu t o gồm một i phát rung đ t trong ng một ống ây

(như H nh 1 2) i phát rung m ng vật iệu kim o i từ t nh ch ng h n sắt từ

Cobalt, Niken hi đ t một điện áp có tần số si u âm n ống ây s t o ra sự iến ng k o - n n i n tục của i phát rung v i tần số ng tần số điện áp cấp cho ống ây

H nh 1 2 ột ộ t o rung động si u m h i th c hi u ng t gi o

hi n m trong vùng ch u từ trường các vật iệu từ t nh chứa các h t mang

điện t ch trái ấu s đ nh hư ng ư i tác ụng của ực từ trường th o chi u đường sức từ iệc thay đ i hư ng của từ trường o điện áp ống ây thay đ i s gây n n sự thay đ i iến ng giữa hai tr ng thái ãn v n n của tấm vật iệu minh họa

như H nh 1 3

H nh 1 3 Ảnh hưởng c t trư ng iến đổi đến cấu trúc vật li u m ng t t nh t o r d o động cơ học

hương pháp t o rung động si u âm sử ụng hiệu ứng áp điện phương pháp ph iến nhất hiện nay iệu ứng áp điện i zo ctric ph nom na một hiện tượng vật được phát hiện đầu ti n v o năm sau đó được nghi n cứu chi tiết i anh m nh i rr v acqu s uri v o những năm ật iệu áp điện một o i vật iệu đ c iệt có chứa các phân tử phân cực hi tác ụng một ực n một tấm vật iệu s sinh ra một điện áp t i hai cực của tấm Trái i nếu đ t một điện áp thay đ i n hai m t tấm vật iệu s gây n n iến ng thay đ i tr n vật iệu n y iến ng thay đ i i n tục của tấm áp điện s m phát sinh rung động ật iệu áp điện có đ c t nh tuyệt vời iến ng rất nh y v i giá tr điện áp đ t n nó

Th m nữa vật iệu n y có khả năng ch u n n rất cao H nh 1 4 mô tả ứng xử cơ -

điện của tấm vật iệu áp điện [1]

H nh 1 4 Hi u ng p đi n

o v i phương pháp từ giảo phương pháp t o ra rung động si u âm nhờ hiệu ứng áp điện có nhi u ưu điểm vượt trội ch ng h n như hiệu suất cao hơn không ảnh hư ng của từ trường xung quanh phát sinh nhiệt t hơn kết cấu đơn giản độ cứng vững cao… vậy các thiết ứng ụng si u âm hiện nay chủ yếu sử ụng phương pháp t o rung ng hiệu ứng áp điện

ó hai kết cấu ph iến để t o rung động si u âm nhờ hiệu ứng áp điện sử

ụng các iến tử áp điện ng tấm mỏng xếp chồng H nh 1 5a v ng ản gốm xếp chồng kiểu "Sandwich" (H nh 1 5b)

H nh 1 5 Bộ t o rung siêu âm: (a) dùng tấm piezo nhi u lớp; ( ) ết cấu S ndwich ết cấu iến tử áp điện ng tấm mỏng xếp chồng H nh 1 5a sử ụng các

tấm áp điện có chi u y không quá 2 mm được gh p x n k v i các điện cực kim o i Thiết t o rung ng n y có công suất nhỏ n n thường được sử ụng để t o rung động không y u cầu ch u tải n ho c để đi u khiển v tr đối tượng một cách ch nh xác ượng ch chuyển nhận được tuyến t nh th o phương ọc trục thường có độ n từ % đến % chi u i của ộ t o rung Tần số thay đ i

ch chuyển có thể n t i v i k z

Thiết t o rung ng ản gốm xếp chồng kiểu "Sandwich" o ang vin đ xuất v o năm ết cấu ộ t o rung gồm một số ch n tấm vật iệu áp điện có chi u y khoảng – mm được k p giữa hai tấm kim o i x m minh họa tr n

H nh 1 5 ác tấm kim o i v vật iệu được gọi chung các “ iến tử” Thiết

t o rung ng n y chỉ phát được rung động có i n độ n một v i giá tr tần số tương ứng v i hiện tượng cộng hư ng của cơ hệ i cấu trúc n y tần số m việc của hệ iến tử không phụ thuộc v o k ch thư c ngang của tấm áp điện m chỉ phụ thuộc v o chi u y (ho c chi u i của to n cụm iến tử h nh v vậy để thay đ i tần số của cụm iến tử th o mong muốn chỉ cần thay đ i chi u y của hai tấm kim o i m không cần thay đ i chi u y của tấm gốm áp điện ây đ c t nh quan trọng giúp kết cấu n y được sử ụng ph iến hiện nay

1.1.3 u ê tắ tru ề ru độ siêu âm

ung động si u âm được truy n trong môi trường ư i ng sóng ng qu đ o truy n sóng được xác đ nh ựa v o khoảng thời gian iến ng ho c rung động trong các vật iệu m nó truy n qua Trong ng ất kỳ vật iệu n o c ng chứa các nguy n tử được i n kết v i nhau ó thể mô tả i n kết giữa các nguy n tử ư i

ng gắn móc v i nhau i các xo như minh họa tr n H nh 1 6 hi năng ượng

si u âm truy n đến s m xô ệch các nguy n tử khỏi v tr cân ng v k o th o sự mất cân ng của các nguy n tử ân cận ứ như vậy năng ượng rung động được truy n qua vật iệu đến các v tr khác trong ng vật thể

H nh 1 6 ô h nh li n ết nguy n tử

Trong môi trường chân không o không có h t vật chất n n không có các nguy n tử đảm nhận vai tr truy n năng ượng vậy sóng rung động không thể

truy n qua môi trường chân không được ác đ i ượng đ c trưng đối v i sóng rung động si u âm ao gồm tần số i n độ vận tốc c v chi u i ư c sóng ( Tần số rung số chu kỳ truy n sóng rung th o một đơn v thời gian i rung động si u âm th giá tr tần số rung ngưỡng si u âm i n độ rung động giá tr n nhất của chuyển v khi có rung động k ch th ch ận tốc truy n sóng phụ thuộc vào khối ượng ri ng v mô đun đ n hồi của vật iệu truy n rung động hi u i ư c sóng được xác đ nh trực tiếp từ vận tốc truy n sóng v tần số  = c/f)

1.1.4 t t t siêu âm

Thông thường một hệ thống công tác si u âm thường có 2 th nh phần được gh p nối v i nhau gồm ộ nguồn phát công suất si u âm v ộ công tác si u

âm như minh họa trên H nh 1 7

H nh 1 7 Cấu t o một h thống gia công c siêu âm tr giúp:

(1) gu n ph t rung động si u m; (2) Bộ chuy n đổi si u m; (3) v (4) ầu huếch đ i i n độ; (5) Dụng cụ gi công

guồn phát công suất si u âm thiết phát nguồn điện thay đ i có tần số si u âm có điện áp v công suất n để cung cấp cho đầu phát rung Bộ công tác siêu âm thường có cấu t o gồm ộ chuyển đ i si u âm (2), đầu khuếch đ i i n độ rung siêu âm (3) v (4) Trong thực tế ộ công tác si u âm có thể chỉ có ho c chỉ có ho c có cả hai ụng cụ gia công được gắn tr n ho c tùy th o từng trường hợp Tương ứng v i các ứng ụng khác nhau m ụng cụ gia công được sử ụng khác nhau có thể ụng cụ cắt đầu h n ho c ụng cụ gia công áp

ực đầu gắn ụng cụ m y tế đầu điện cực xung đầu phun h t m i

a s m

ộ chuyển đ i si u âm (2), c n gọi ộ phát rung - ultrasonic transducer/ convertor, ộ phận không thể thiếu trong thiết t o rung động si u âm ộ phát rung si u âm có chức năng chuyển đ i ao động điện th nh ao động cơ v i tần số si u âm hức năng n y thường được thực hiện nhờ hiệu ứng áp điện ao động cơ v i tần số si u âm ùng để trợ giúp các quá tr nh gia công si u âm chu n đoán thăm sục rửa ộ phát rung kiểu ang vin được sử ụng rộng rãi trong k thuật t o rung si u âm nhờ hiệu quả phát rung v kết cấu đơn giản k ch thư c nhỏ gọn tiện ợi n n thường sử ụng cho các thiết si u âm công suất n iểu đầu rung n y có ải tần số cộng hư ng rung động si u âm rộng hệ số ph m chất cơ học cao có thể t o công suất n phù hợp v i các ứng ụng đối v i đầu rung ch u tải ật iệu áp điện có thể m phát sinh rung động có tần số ng tần số nguồn điện i n độ tỷ ệ thuận v i điện áp

H nh 1 8 ết cấu một ộ ph t rung si u m i u L ngevin

H nh 1 8 minh họa một kết cấu ộ phát rung si u âm kiểu ang vin ết cấu

ộ phát rung gồm hai khối kim o i có vai tr k p các tấm gốm áp điện T giữa Tấm kim o i ph a sau tai ack mass có khối ượng ri ng n vận tốc truy n âm nhỏ để ch n sóng âm Tấm ph a trư c head/ front mass – tiếp xúc v i ộ khuếch đ i oost r có khối ượng ri ng nhỏ để truy n sóng âm v ph a trư c ật iệu v

k ch thư c hai tấm n y quyết đ nh tần số m việc của ộ chuyển đ i ác tấm gốm áp điện T không có khả năng ch u k o n n phải sử ụng u ông k p để t o iến ng n n ư an đầu hi có điện áp thay đ i tác ụng n các tấm T hiệu ứng áp điện s m tăng ho c giảm iến ng n n

b Đầ b

ộ khuếch đ i i n độ rung vừa có nhiệm vụ khuếch đ i i n độ rung vừa đóng vai tr m gối đỡ cho cả đầu rung đồng thời ẫn hư ng rung động v o vùng cần tác động rung ch thư c khối ượng của ộ khuếch đ i được xác đ nh phụ thuộc v o vật iệu chế t o v tần số rung của đầu rung đã có để đảm ảo cho hệ thống m việc tr ng thái cộng hư ng ầu khuếch đ i thường được chế t o từ nhôm ho c titan (Ti) o các vật iệu n y có tr kháng âm thấp nh cơ t nh tốt ộ khuếch đ i i n độ rung siêu âm thường được gọi oost r (chi tiết số

trên H nh 1 7) Trong nhi u trường hợp, có thể sử ụng th m ộ phận nữa gọi Horn (chi tiết số ) trên H nh 1 7) orn thực chất một đầu truy n sóng đến

ụng cụ gia công ho c vừa truy n sóng vừa khuếch đ i th m i n độ

H nh 1 9 Khuếch đ i i n độ rung động c Booster nối tiếp Horn

ó thể minh họa khả năng khuếch đ i i n độ rung động của oost r nối tiếp

orn như H nh 1 9 iả sử i n độ đầu ra của ộ chuyển đ i si u âm 0 = 20 µm ệ số khuếch đ i ain của oost r GB 2 của orn H hi nối tiếp cả oost r v orn để truy n rung động th i n độ thu được đầu ra của Horn A1 = A0  GB GH = 20 µm  2  3= 120 µm

1.1.5 ột v i ru độ siêu âm trong s u t đ i s

g y nay rung động s u âm đang được kha thá ứng ụng rộng rã trong

nhi u nh vực sản xuất đờ sống h ng h n như trong h n h n s u âm - Ultrasonic Welding) [1],[2]; trong t y rửa t y sửa siêu âm) [1],[2]; trong k ểm tra khuyết tật sản ph m vết nứt r ng thăm [1],[2]; trong y học s u âm ch n đoán h nh ảnh ho c m trong g a công cắt gọt (công tiện khoan phay o cưa cắt dây ), siêu âm được sử ụng để h trợ g a công các o vật ệu khó g a công như th p sau nhiệt uyện các hợp kim nik n titanium nhôm v các o i vật iệu

composite [1],[2],[4],[5],[6],[21-25] H nh 1 10 [1] mô tả các ứng ụng rung động

s u âm trong các quá tr nh g a công cắt gọt thông ụng

H nh 1 10 ung động si u m tr giúp một số phương ph p gi công c t gọt

Ngoài ra công nghệ si u âm c n được ứng ụng rất hiệu quả trong việc t ng

hợp các o i vật iệu m i, giảm ma sát truy n động nâng cao khả năng đi n đầy kim o i ỏng cho quá tr nh đúc ác ứng ụng rung động si u âm trong gia công gia công ng iến ng o s được tr nh y cụ thể trong phần 2 v 1.3 sau đây

1.2 ụ s m b

Rung động s u âm đã v đang được tr ển kha ngh n cứu, ứng ụng khá ph ến trong nh vực g a công áp ực ch ng h n h trợ quá tr nh át mỏng nguộ v ập vuốt k m o tấm [7],[8],[9],[10] h trợ quá tr nh r n nóng v nguộ vật ệu k m o [7],[11],[12],[13] h trợ quá tr nh p chảy cả tr ng thá nóng v tr ng thá nguộ [7],[14],[15],[16] hờ có sự trợ g úp của rung động s u âm

ực cần th ết để ến ng o vật ệu g ảm khả năng ến ng o của vật ệu

tốt hơn chất ượng m t sản ph m được cả th ện… H nh 1 11 [1] m nh họa một

số ứng ụng của rung động s u âm trợ g úp các phương pháp g a công áp ực

H nh 1 11 ung động si u m tr giúp một số phương ph p gi công iến d ng d o

1.2 1 Ru độ siêu âm tr u tr uội

hư mô tả tr n H nh 1 11 trong quá tr nh ập nguộ rung động s u âm có thể sử ụng h trợ rung động của ch y của khuôn ho c của ch n H nh 1 12 mô tả

sơ đồ th ngh ệm ập tấm của Kristoffy [1] có sự h trợ của rung động s u âm tần số 2 k z đố v ch y v khuôn Trong ngh n cứu của m nh tác g ả sử ụng phô th p ủ đường k nh mm v ch u y mm ết quả ngh n cứu của Kristoffy cho thấy kh được h trợ của rung động s u âm cho ch y v khuôn ực ập vuốt n nhất đã g ảm đáng kể so v trường hợp ập vuốt thông

thường (H nh 1 13 [1]) ác kết quả tương tự v v ệc g ảm ực ập (H nh 1 14)

c ng được công ố E a k pour v cộng sự [10] ết quả của nghi n cứu [10] c ng cho thấy nhờ có rung động si u âm h trợ m khả năng iến ng o

của vật iệu khi ập vuốt tăng n như minh họa tr n H nh 1 15 go i ra nghi n

cứu [10] c n chỉ r ượng giảm ực ập v ực ma sát khi rung động các tần số

cộng hư ng khác nhau c ng có sự khác nhau tương đối r rệt x m H nh 1 16)

Dập hối C n

p ch y

H nh 1 12 Sơ đ th nghi m dập tấm c s h tr c rung động si u m

H nh 1 14 L c dập trong qu tr nh dập vuốt thông thư ng v dập vuốt c rung

1.2.2 Ru độ siêu âm tr u tr r v

v r nko v u ovich [1] những người đầu ti n triển khai nghi n cứu ứng ụng rung động si u âm trong chồn để xác đ nh phân ố iến ng th o chi u

i mẫu ô h nh th nghiệm được thể hiện tr n H nh 1 17a Phôi chồn (1) được gắn

v o xo m m (2) h y được h trợ rung động si u âm ng ộ phát rung từ giảo To n ộ hệ thống siêu âm được đ t trong nh chứa v được m nguội tuần ho n ng nư c ự phân ố iến ng ọc th o mẫu thử u được thể hiện tr n

H nh 1 17b-c ó thể nhận thấy iến ng được si u âm h trợ đồng đ u hơn so v i

biến ng o không được siêu âm h trợ v chúng có v trái ngược i nhau Tương tự như vậy sự phân ố độ cứng vi mô ọc th o mẫu thử được đảo ngược ng sóng si u âm đ t giá tr cực đ i m i đầu v tối thiểu giữa

H nh 1 17 ô h nh th nghi m ( ); ph n ố iến d ng theo chi u d i m u hi r n thư ng ( ) v hi r n si u m (c) đư c th c hi n ởi Severden o v Klubovich

gh n cứu quá tr nh chồn nóng hợp k m nhôm có rung động s u âm h trợ [11] cho thấy đường cong ứng suất - iến ng có sự khác nhau rất r rệt khi

nhiệt độ chồn như nhau H nh 1 18a khi cùng nhiệt độ iến ng ho c nếu đường

cong ứng suất - iến ng tương tự nhau th nhiệt độ iến ng phải khác nhau

(H nh 1 18 ói cách khác khi cùng đi u kiện nhiệt độ v iến ng ực cần

thiết gây n n iến ng nhờ rung động si u âm h trợ nhỏ hơn nhi u so v i khi không có go i ra nghi n cứu [11] c ng cho thấy rung động si u âm giúp cải

thiện đáng kể độ cứng m t của sản ph m như thể hiện tr n H nh 1 19)

(a) (b)

H nh 1 18 ư ng cong ng suất - iến d ng hi so s nh gi ch n thông thư ng v ch n c s h tr c rung động si u m ( ) ở nhi t độ 25C; (b) ch n thư ng

o của đồng, iu anxiong v cộng sự [12] sử ụng mô h nh th nghiệm như mô

tả tr n H nh 1 20 ết quả mô phỏng v thực nghiệm cho thấy nhờ có rung động si u âm h trợ m phôi ng iến ng o hơn (xem H nh 1 21)

ết quả g ảm ực ến ng o kh chồn th p nh ệt độ thường được công ố trong ngh n cứu [13] ết quả cho thấy kể cả khi chồn tốc độ thấp v khi chồn tốc độ cao th rung động si u âm đ u m giảm đáng kể ực iến ng

(H nh 1 22) Tương tự quá tr nh chồn các kết quả nghi n cứu p chảy c ng cho

thấy ực p cần thiết giảm đáng kể khi ứng ụng rung động si u âm h trợ [14],[26] ết quả mô phỏng [14] cho thấy cả ực p v ma sát đ u giảm khi có sự

h trợ của rung động si u âm H nh 1 23)

H nh 1 20 ô h nh th nghi m ch n c rung động si u m h tr v ch n thư ng

H nh 1 21 So s nh ết qu ch n thông thư ng ( - mô ph ng - th c nghi m) v ch n c rung động si u m h tr (c- mô ph ng, d- th c nghi m)

H nh 1 22 ư ng cong l c - iến d ng hi ch n c rung động si u m h tr v hi ch n thư ng th p C35e: (a) vPress = 30 mm/min; (b) vPress = 300 mm/min.

H nh 1 23 Ảnh hưởng c rung động si u m đến l c p ( ) v m s t (b) hi p ch y Tốc độ p vpress = 40mm/s.

1.2.3 Ru độ siêu âm tr u tr o

Nghi n cứu ứng ụng rung động si u âm h trợ quá tr nh k o dây được thực hiện từ đầu những năm v k o ống được thực hiện từ những năm 1970 [1] hi k o rung động si u âm có thể đ t v o khuôn ho c đ t v o i tựa trường hợp k o ống ác mô h nh th nghiệm k o sợi có sự trợ giúp của rung động si u âm có

thể triển khai như mô tả trên H nh 1 24 [27] Tương tự một số mô h nh k o ống có sự trợ giúp của rung động si u âm được thể hiện như tr n H nh 1 25 [1]

hờ sự trợ giúp của rung động si u âm m ực k o giảm, chất ượng m t sản ph m k o tăng n đáng kể, t chức m t sản ph m k o có sự h trợ của rung

động si u âm óng hơn t c o xư c hơn H nh 1 26a [27] cho thấy ảnh hư ng

của rung động si u âm đến ực k o ây th p không gỉ iệu quả giảm ực k o nhờ sự trợ giúp của si u âm c ng được chỉ ra trong nghi n cứu của ngqiang ao v

cộng sự [28] khi k o sợi th p các on cao x m H nh 1 26b) H nh 1 27 ảnh SEM

chụp m t khi titan k o dây có v không có rung động si u âm trợ giúp n c nh đó các kết quả nghi n cứu c ng cho thấy hiện tượng giảm đáng kể của ực ma sát

khi k o ây H nh 1 28)

H nh 1 24 ô h nh th c nghi m o s i c s tr giúp c rung động si u m

H nh 1 25 ô h nh th c nghi m o ống c s tr giúp c rung động si u m

(a) (b)

H nh 1 26 Ảnh hưởng c rung động si u m đến l c o th p hông g (a) v o th p c c on c o (b) hi o dây

H nh 1 27 Ảnh SE mô t nh hưởng c rung động si u m chất lư ng m t s n ph m tit n hi o ( ) o thư ng; ( ) o c rung động si u m tr giúp.

H nh 1 28 Hi n tư ng gi m l c m s t hi o dây c s tr giúp c rung động siêu âm (đư ng số 3 tr n đ th ).

Bên c nh những ứng ụng trong r n ập ập tấm k o ây như đã mô tả tr n thời gian gần đây đã có nhi u nghi n cứu ứng ụng rung động si u âm v o h trợ quá tr nh iến ng o cục ộ i n tục hững nghi n cứu v iến ng o i n tục có v không có sự trợ giúp của rung động si u âm s được tr nh y sau đây

1.3 G b ụ b ụ s s âm (Ultrasonic assisted Incremental Sheet Forming - UISF)

1.3 1 i i ạ o ộ iê t (Incremental Sheet Forming - ISF)

ông nghệ g a công đ nh h nh sản ph m k m o tấm ng ến ng o cục ộ n tục ho c có thể h ểu ến ng o th o ư c ncr m nta h t orm ng v ết tắt ần đầu t n được công ố szak v o năm [1],[29] ây được x m một phương pháp g a công tư ng để t o h nh sản ph m ng chậu m ho c có gờ n từ phô tấm m không cần đến khuôn Trong quá tr nh ến ng chỉ một phần k m o t ch t ếp xúc v ụng cụ ến ng o cục ộ v vùng ến ng o n y chuyển tr n to n ộ khu vực cần g a công

cho đến kh ho n th ện sản ph m H nh 1 29) [30],[31]

H nh 1 29 ột v i phương ph p gi công ISF v qu đ o dụng cụ gi công

Do ực cần th ết để ến ng o nhỏ hơn nh u so v quá tr nh ập vuốt ho c ập n n n phương pháp có nh u tr ển vọng ứng ụng để thay thế công nghệ ập vuốt truy n thống ác thông h nh học đ ển h nh của phương pháp g a

công ISF sử ụng một ụng cụ g a công được thể h ện tr n H nh 1 30 [32] Trong

quá tr nh g a công một đ ểm đáng ưu ụng cụ g a công có thể quay quanh trục

tương tự quá tr nh phay trong g a công cắt gọt ho c không quay H nh 1 31 một

số ng sản ph m đ ển h nh được t o h nh công nghệ [30],[33],[34],[35]

H nh 1 30 C c thông số h nh học c qu tr nh gi công ISF

rong đ ti l chi u d y phôi n đầu; tf l chi u d y s n ph m; l n nh ở

(e) [34]

H nh 1 31 (tiếp) ột số s n ph m đi n h nh ng dụng phương ph p gi công ISF

ác hư ng ngh n cứu v được tr ển kha th o nh u đ nh hư ng gồm cả mô phỏng v thực ngh ệm h ng h n ngh n cứu v cơ chế ến ng o cơ chế phá hủy v cả th ện khả năng ến ng o ngh n cứu xác đ nh v tố ưu ực cần th ết để t o h nh [34],[36],[37],[38],[39]; nghiên cứu đánh g á chất ượng t o h nh thông qua độ ch nh xác h nh ng h nh học [40],[41],[42] ho c h ệu suất t o h nh v năng ượng t u hao độ nhám m t ng v mô v v mô của sản ph m [43] ật ệu tấm k m o được t o h nh trong các ngh n cứu c ng rất đa ng ch ng h n các o th p tấm [36],[35] các o hợp k m nhôm ến ng [34],[37],[38],[39]…

ố ố I m s :

- ực cần th ết để ến ng o ng phương pháp nhỏ hơn so v phương pháp ập vuốt ho c ập gân n

- h ph khuôn g ảm v phương pháp ến ng o ISF thường không ùng khuôn ho c có thể ùng khuôn ng g [31] ho c khuôn nhựa ho c