Luận văn Nghiên cứu khoan lỗ nhỏ và sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp của rung động siêu âm

gá lắp thêm không làm thay đổi tần số làm việc của bộ chuyển đổi. Do đó, các kích thước và kết cấu thực của cụm chi tiết đầu khuếch đại, ống kẹp và mũi khoan phải đảm bảo tần số dao động ở Mode dọc trục bằng tần số làm việc của bộ chuyển đổi. Hiện nay, các công cụ giải tích 56 vẫn chưa cho phép tìm lời giải trực tiếp cho bài toán dạng này. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong môi trường CAE (Computer Aided Engineering) thường được sử dụng để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh kích thước và kết cấu. Một số phần mềm thường được sử dụng như Abaqus, ANSYS v.v. Các bước hiệu chỉnh được tiến hành như sau:  Dựng mô hình khối rắn 3D cho cơ hệ trong môi trường CAE;  Khai báo các thông số về đặc tính vật liệu;  Khai báo các điều kiện biên như nhiệt độ, ràng buộc;  Phân tích dao động riêng (Modal Analysis) nhằm chọn Mode dao động dọc trục;  Kiểm tra nếu giá trị tần số dao động riêng đạt yêu cầu; nếu không tiến hành điều chỉnh kích thước và phân tích lại cho đến khi đạt yêu cầu;  Sau khi phân tích dao động riêng đạt yêu cầu, tiến hành phân tích điều hòa (Harmonic Analysis) nhằm khẳng định dao động của cơ hệ khi chịu tác động của lực điều hòa; nếu không đạt yêu cầu, có thể tiến hành tinh chỉnh tiếp. Nguyên tắc điều chỉnh kích thước đầu khuếch đại nhằm đạt được tần số dao động riêng được chỉ ra như sau [112]:  Giảm chiều dài các bậc trụ sẽ làm tăng tần số dao động riêng và ngược lại;  Khoét bỏ vật liệu (tạo rãnh, hốc) ở khối tâm làm giảm tần số dao động riêng. Trong nghiên cứu này, phần mềm ANSYS® 15 được sử dụng để tinh chỉnh kết cấu. Trước hết, mô hình 3D của đầu khuếch đại, ống kẹp và mũi khoan được dựng trong môi trường AutoDesk Inventor®, sau đó chèn vào ANSYS. Hình 3.10 Kết quả phân tích đầu khuếch đại gắn collet và mũi khoan 57 Hình 3.10 mô tả kết quả cuối cùng, khi tần số cộng hưởng là 24,959 Hz, rất gần với tần số phát rung 25 kHz của bộ chuyển đổi. 3.4 Chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh hệ thống 3.4.1 Chế tạo, lắp ráp hệ thống Hệ thống đã thiết kế, chế tạo được lắp ghép với bộ chuyển đổi siêu âm YP-5025- 4Z có tần số làm việc là 25 kHz được mô tả trên hình 3.11. Hình 3.11 Bản vẽ lắp bộ chuyển đổi và đầu khuếch đại Do hệ thống chỉ làm việc tốt nhất khi tần số cộng hưởng của hệ bằng tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi là 25 kHz. Sai số về vật liệu, chế tạo, lắp ráp sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng thực của cả hệ thống. Do vậy, cần tiến hành hiệu chỉnh hệ thống sao cho tần số cộng hưởng thực của hệ gần sát với tần số cộng hưởng thiết kế. Phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để xác định tần số cộng hưởng của hệ thống rung siêu âm là đo trở kháng của hệ bằng thiết bị phân tích trở kháng chuyên dụng. Các thiết bị phân tích trở kháng rất đắt tiền do tích hợp thêm nhiều chức năng. Chẳng hạn thiết bị Hioki IM7581-01 có giá khoảng khoảng 300 triệu VNĐ. Do vậy, nghiên cứu này sử dụng một giải pháp tiết kiệm hơn, để đo trở kháng dựa trên nguyên lý đo cơ bản, sau đó phân tích và tính toán xác định tần số cộng hưởng. Kết quả sau đó được so sánh kiểm chứng với thiết bị phân tích trở kháng chuyên dụng. 3.4.2 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng Thiết bị phân tích trở kháng (Impedance analyzer) là dụng cụ đo các đặc tính: trở kháng-tần số, pha-tần số. Thiết bị này thường được sử dụng để xác định trở kháng cho 58 các đối tượng có điện trở phức tạp. Hiện nay, thiết bị phân tích trở kháng đã được thương mại hóa, có khả năng đo trong dải tần số rộng từ 1 kHz đến MKHz, trở kháng từ 0.1 Ω đến MΩ, thông số đo đa dạng và có thể kết nối với máy tính. Hình 3.12 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng Trong nghiên cứu này, đặc tính trở kháng-tần số kích thích của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan được phân tích trên máy HIOKI3532-50 LCR (hình 3.12) đặt tại khoa Vật lí, trường ĐHKH Huế. Thông số kĩ thuật của máy được cho trong bảng 3.3. Bảng 3. 3 Thông số kĩ thuật của thiết bị phân tích trở kháng Model, Xuất xứ Hioki 3532-50 LRC, Nhật Bản Giải đo 100 mΩ÷100 MΩ Mức trở kháng đo |Z| 10,00 mΩ ÷ 200,00 MΩ Độ chính xác |Z| ± 0,08% rdg, θ: ± 0,05° Tần số nguồn 42 Hz÷5 MHz (bước điều chỉnh 0,1 Hz÷1 kHz) Cấp độ tín hiệu đo 10mV÷5V (1MHz), 50mV÷1V (1MHz÷5MHz) Hình 3.13 Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR Hình 3.13 minh họa kết quả một lần đo kiểm. Có thể thấy, cách thức đo kiểm xác định tần số cộng hưởng được thực hiện khá đơn giản, nhưng yêu cầu sử dụng thiết bị 59 đắt tiền. Thiết bị dạng này hiện không sẵn có tại nhiều cơ sở nghiên cứu, do vậy cần tìm kiếm giải pháp đo kiểm khả thi hơn. Phần dưới đây sẽ trình bày giải pháp này. 3.4.3 Đo kiểm bằng thiết bị hiện sóng số Thiết bị hiện sóng số là một thiết bị có các chức năng tương tự các máy hiện sóng (Oscilloscope). Điểm khác biệt là thiết bị này tận dụng được bộ xử lý và màn hình máy tính nên nhiều chức năng được bổ sung và tiện dụng hơn, cụ thể là:  Tích hợp chức năng phát nguồn kích thích điện áp nhỏ tương tự các máy phát hàm;  Tự động thay đổi tần số nguồn kích thích với phạm vi và bước tùy chọn;  Hiển thị và thu thập tín hiệu điện áp vào trên màn hình máy tính và ghi lại dữ liệu kết quả dưới dạng file text thông qua giao diện phần mềm đi kèm;  Kết nối và điều khiển bằng máy tính nhờ các mô đun phần mềm thứ ba. Hình 3.14 là ảnh chụp của thiết bị hiện sóng có chức năng kết nối với máy tính qua cổng USB, thông số kĩ thuật của thiết bị được cho trong bảng 3.4. Hình 3.14 Thiết bị hiện sóng PicoScope Bảng 3.4 Thông số của thiết bị hiện sóng số PicoScope Model, Xuất xứ Pico 2204A, Anh quốc Số kênh nhận tín hiệu 2 Tốc độ lấy mẫu 100 MS/s Tốc độ xử lý 35 ns Độ phân giải 8 bits Dạng tín hiệu xuất ra Sin, nửa Sin, vuông, tam giác v.v. Tần số ra 100 kHz, bước điều chỉnh 0,02 Hz Điện áp vào; điện áp ra ±20 V; ±2 V 60 Thiết bị hiện sóng Pico 2204A được chọn để đo tần số cộng hưởng của hệ thống rung siêu âm trong nghiên cứu này do đáp ứng các yêu cầu và phạm vi đo, giá bán thấp (khoảng 200USD). Tần số cộng hưởng được xác định dựa trên nguyên lý đo I-V [113], tiến trình đo thực hiện như sau:  Đấu nối hệ thống rung với điện trở thuần theo nguyên lý đo I-V;  Kích thích hệ thống rung bằng nguồn điện áp ra của PicoScope;  Sử dụng mô đun phần mềm FRA4PS được viết riêng cho thiết bị dạng này để vẽ biểu đồ Bode, xác lập quan hệ giữa hệ số khuếch đại và tần số kích thích;  Lưu dữ liệu của biểu đồ Bode, tính toán suy ra quan hệ trở kháng-tần số kích thích;  Xác định giá trị tần số cộng hưởng tại điểm cực trị của trở kháng. Nguyên lý đo trở kháng kiểu I-V được minh họa trên hình 3.15. Hình 3.15 Sơ đồ đo trở kháng theo nguyên lý I-V Trên hình 3.15, điện trở phụ Rref được mắc nối tiếp với thiết bị cần đo trở kháng (DUT- Device Under Test) có trở kháng cần đo là Zx. Giá trị điện áp nguồn VA1 và điện áp rơi trên thiết bị cần đo VA2 được đo liên tục. Góc pha giữa VA1 và VA2 chính là góc pha giữa điện áp và dòng đi qua thiết bị cần đo. Nguồn kích thích có tần số thay đổi liên tục. Trở kháng của DUT ở một thời điểm bất kỳ được xác định theo công thức sau: 2 1 1 2 2 A ref X 2 2 A A A A V R Z V 2V V cos V     (3.19) Trong đó: Rref là giá trị điện trở phụ,  là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đi qua thiết bị cần đo. Tập hợp dữ liệu thu thập được sẽ cho phép dựng đồ thị trở kháng phụ thuộc tần số kích thích, từ đó xác định được điểm cộng hưởng. Phần mềm FRA4PS cho phép tự động thay đổi tần số nguồn kích thích, ghi nhận các giá trị tần số này và các giá trị điện áp tương ứng, tự động tính các giá trị góc pha . 61 Biểu đồ Bode là một dạng đồ thị mô tả ứng xử của hệ thống được khảo sát khi tần số kích thích thay đổi. Biểu đồ Bode thông thường gồm hai đường đồ thị có trục hoành là tần số kích thích, một đường biểu diễn tỷ số giữa biên độ ra và biên độ kích thích của tín hiệu, một đồ thị biểu diễn góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu gốc. Tỷ lệ giữa biên độ tín hiệu ra và biên độ đưa vào gọi là hệ số khuếch đại G, thường được đo bằng đề-xi-ben (dB) và quy đổi theo quan hệ sau: out in V G 20log (dB) V        (3.20) Hình 3.16 Biểu đồ Bode được vẽ bằng phần mềm FRA4PS Hình 3.16 mô tả biểu đồ Bode, trục tung bên trái biểu diễn giá trị hệ số khuếch đại (Gain) G đo bằng dB, trục tung bên phải biểu diễn góc pha  (Phase) đo bằng độ (degrees). Trục hoành biểu diễn tần số kích thích (Frequency) trên thang đo logarit cơ số 10. Phần mềm FRA4PS cho phép lưu dữ liệu về các giá trị hệ số khuếch đại G, góc pha  và logarit cơ số 10 của tần số kích thích tương ứng. Dựa vào các dữ liệu này để xác định giá trị trở kháng tương ứng với từng tần số kích thích như dưới đây. Đặt   G 20out in V K 10 V   , Vout = V2, Vin = V1, công thức (2.19) được viết lại như sau: 2 ref 2 A2A2A1 2 A1 refA2 X K2Kcosθ1 KR VcosθV2VV RV Z     (3.21) Bảng số liệu các giá trị log(f), G và  được xử lý để chuyển đổi thành các giá trị tần số kích thích f và trở kháng Zx. Phần mềm xử lý số liệu OriginLab® 2017 được sử 62 dụng để giải quyết vấn đề này. Trên hình 3.17, các cột A, B và C lần lượt chứa số liệu logarit tần số (Frequency Log(Hz)), hệ số khuếch đại (Gain) và góc pha (Phase). Các cột từ D đến H là kết quả tính toán được điền tự động từ công thức được nhập. Hình 3.17 Ví dụ xử lý số liệu bằng phần mềm OriginLab Cách xác định tần số cộng hưởng cho hệ thống rung được thực hiện như sau: đấu nối mạch như sơ đồ hình 3.15, lần lượt đấu các cực VA1 và VA2 với các kênh A và B trên PicoScope, kích thích mạch bằng nguồn phát AWG của PicoScope, chạy phần mềm FRA4PS, thiết lập khoảng [min, max] và số bước cho dải tần số cần quét, xuất dữ liệu sang phần mềm OriginLab, tính Zx theo công thức (3.21) và vẽ đồ thị quan hệ trở kháng- tần số. Đồ thị hình 3.18 mô tả quan hệ trở kháng-tần số thu được sau khi đo. Hình 3.18 Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab So sánh kết quả đo Để đánh giá tính khả thi của giải pháp đo bằng PicoScope, kết quả xác định tần số cộng hưởng giữa hai phương án sử dụng hai thiết bị trên được so sánh theo cặp. Độ dài 63 công xôn của mũi khoan L được thiết lập trong khoảng từ 45 mm đến 62 mm. Các kết quả đo và sai khác giữa hai phương pháp được thống kê trong bảng 3.5. Bảng 3.5 Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung khi độ dài mũi khoan (L) thay đổi STT L (mm) Tần số cộng hưởng (Hz) đo bằng Pico 2204A Tần số cộng hưởng (Hz) đo bằng Hioki3532-50 LCR Sai lệch 1 45 26605,23 26590 0% 2 46 26605,23 26780 -1% 3 47 26605,23 26680 0% 4 48 26605,23 26590 0% 5 49 26605,23 26790 -1% 6 50 26605,23 26690 0% 7 51 26605,23 26690 0% 8 52 26605,23 26680 0% 9 53 26605,23 26700 0% 10 54 26605,23 26660 0% 11 55 26605,23 26690 0% 12 56 26543,97 26730 -1% 13 57 26482,86 26680 -1% 14 58 26421,9 26700 -1% 15 59 26789,83 26700 0% 16 60 26728,15 26650 0% 17 61 26728,15 26670 0% 18 62 26728,15 26660 0% Bảng 3.5 cho thấy, các kết quả xác định tần số cộng hưởng của hai phương án, sử dụng thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A kết hợp với phương pháp I-V và phương án sử dụng thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR có sai khác khoảng 1%. Từ các kết quả trên, có thể khẳng định khả năng đo kiểm được tần số cộng hưởng của một hệ thống rung siêu âm bằng thiết bị đo thương mại với chi phí chấp nhận được. Nhận xét. Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan đã được xác định bằng phân tích quan hệ trở kháng-tần số kích thích. Sử dụng thiết bị hiện sóng số có thể xác định được tần số cộng hưởng của các bộ chuyển siêu âm hoặc các cơ cấu rung có kết cấu phức tạp với nhiều vật liệu có đặc trưng trở kháng khác nhau chẳng hạn như các bộ chuyển đổi siêu âm đã lắp dụng cụ. So với phương án sử dụng thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR (có giá khoảng 3500 USD), phương án sử dụng thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A (có giá khoảng 200 USD) chi phí thấp hơn nhiều lần. 64 3.4.4 Đo biên độ rung động Biên độ rung của mũi khoan khi khoan có trợ giúp của rung động siêu âm ý nghĩa quan trọng. Đã có nhiều công trình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biên độ rung đến chất lượng gia công như nhiệt cắt [52], nhám bề mặt [43], lực dọc trục [44] v.v. Khó khăn lớn nhất khi đo là thiết bị đo phải có tần số lấy mẫu rất lớn và độ phân giải phép đo rất nhỏ, đi kèm với đó là vấn đề chi phí cao. Trong khoan có trợ giúp của rung động siêu âm, có thể sử dụng một số cảm biến đo rung như dưới đây [114].  Cảm biến La-de (Laser vibrometer);  Cảm biến gia tốc (Accelerometer);  Cảm biến siêu âm (Ultrasonic microphone);  Cảm biến tiệm cận cảm ứng/dòng cảm ứng (Inductive sensor);  Cảm biến dòng (Current sensor);  Cảm biến công suất (Power sensor). Cảm biến La-de là dụng cụ đo không tiếp xúc và có độ chính xác cao, tuy nhiên đây là thiết bị đắt tiền và không phù hợp với môi trường công nghiệp. Ngoài ra đầu đo la de thu thập tín hiệu thông qua phản xạ và nhận tín hiệu từ màng phản xạ nên chỉ có thể đo khi mũi khoan không quay; Sử dụng gia tốc kế có nhiều điểm bất lợi như không chịu được rung động trong thời gian dài ở tần số cao. Khó khăn lớn nhất trong việc sử dụng gia tốc kế là phải cố định cảm biến lên đỉnh mũi khoan, do đó gia tốc kế không được sử dụng; Sử dụng cảm biến siêu âm có thể đo được rung động tuy nhiên phép đo không chính xác do ảnh hưởng của nhiễu. Phương án này đã được chứng minh rằng, cường độ âm không hoàn toàn tương ứng với biên độ rung; Cảm biến dòng cảm ứng sử dụng dòng điện phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến dòng cảm ứng phù hợp cho khoan có trợ giúp của rung động siêu âm, tuy nhiên cần hiệu chuẩn trước khi đo; Cảm biến dòng và cảm biến công suất được sử dụng để đo tín hiệu dòng và công suất tức thời của bộ chuyển đổi từ đó xác định biên độ rung. Ngoài các phương án đo biên độ như trên, phương án đo kiểu tiếp xúc sử dụng pan-me hoặc đồng hồ so là giải pháp kinh tế nhất. Trong một công bố gần đây của S. M. Hoseini và J. Akbari (2013) [115], một đồng hồ so có độ phân giải 02 µm đã được sử 65 dụng để đo biên độ rung tại đỉnh dụng cụ. Giải pháp đo tương tự cũng được sử dụng trong công bố của W. L. Cong T và Z.J.Pei (2011) [116], các kết quả đo được đánh giá là tương đương khi so sánh với phương pháp đo sử dụng kính hiển vi. Trong nghiên cứu này, biên độ rung tại đỉnh mũi khoan được đo bằng 03 phương án: sử dụng đồng hồ so có độ phân giải 1 µm (hình 3.19a), sử dụng đầu đo biên độ rung siêu âm kĩ thuật số (hình 3.19b) và pan me có độ phân giải 1 µm (hình 3.20). (a) (b) Hình 3.19 Đo biên độ rung bằng đồng hồ so MИΓ có độ phân giải 1 µm (a), đo biên độ rung bằng đầu đo siêu âm kĩ thuật số (b) Thông số kĩ thuật của đầu đo biên độ rung siêu âm được cho trong bảng 3.6. Bảng 3. 6 Thông số kĩ thuật của đầu đo biên độ siêu âm kĩ thuật số Kí hiệu YP 0901B Khoảng tần số đo 10 kHz÷100 kHz Độ chính xác 2,5% Nguồn cấp 3 V-DC Độ nhạy 1 µm Hãng sản suất FYCG Khoảng đo 1000 µm Xuất xứ Trung Quốc Một giải pháp đo đơn giản, cho độ chính xác không cao được tham khảo từ các nghiên cứu khác đã được thử nghiệm triển khai như mô tả trên hình 3.20. Hình 3.20 Đo biên độ rung bằng Panme Trên hình 3.20 sử dụng pan-me có độ phân giải 1µm được gá thẳng tâm với mũi khoan. Pan-me và cơ cấu rung mang mũi khoan được kích thích bằng nguồn điện một 66 chiều 6 V thông qua điện trở R. Điện áp rơi trên R hiển thị trên màn hình máy tính thông qua bộ thu thập dữ liệu. Khi đầu pan-me tiếp xúc với đỉnh mũi khoan, điện trở R được cấp điện, tạo xung tín hiệu trên màn hình máy tính. Điều chỉnh đầu pan-me tiếp xúc với đỉnh mũi khoan, ghi nhận số trên vạch chia ở trạng thái chưa có rung. Tiếp đó, đầu pan- me được dịch ra xa đỉnh mũi khoan khoảng 0,1 mm. Bật nguồn điện kích thích cơ cấu rung và điều chỉnh đầu pan-me tiến đến đỉnh mũi khoan. Khi đầu pan-me tiếp xúc với đỉnh mũi khoan, đọc và ghi nhận giá trị vạch chia. Chênh lệch giá trị vạch chia cho biết biên độ rung lớn nhất tại đỉnh mũi khoan. Các kết quả đo bằng ba phương án trên cho biên độ rung khoảng từ 15 đến 20 µm, khá tương đồng với các giá trị tham khảo từ các nghiên cứu trước (bảng 3.7). Các hệ thống khoan có trợ giúp của rung động siêu âm thường có tần số trong khoảng 20 kHz ÷ 30 kHz, biên độ rung trong khoảng 10 µm ÷ 30 µm. Điều này cho thấy hệ thống rung được chế tạo đã đáp ứng yêu cầu tạo rung động siêu âm phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Bảng 3.7 Thông số rung trong một số công bố cùng lĩnh vực stt Trích dẫn Thông số của bộ chuyển đổi siêu âm Tần số (kHz) Biên độ (µm) Công suất (W) Tên thương mại 1 Babitsky 2007 [27] ̴ 20 ̴10 2 Amini, Tehrani et al 2012 [20] 20,6 10 3 Amini, Paktinat et al 2013 [25] 10 4 Azarhoushang, Akbari 2007 [30] 21 10 5 Sanda 2016 [49] 25,5 15 1500 MPI-3520-6PS 6 Baghlani 2015 [28], (Baghlani, Mehbudi et al 2013) [44] 20,3 3 ÷ 10 8 Kadivar, Akbari et al. 2014 [77] ̴ 22 5 ÷ 15 9 Shakouri, Sadeghi et al 2015 [81] 19,75 10 ÷ 80 150 10 Azghandi, Kadivar et al 2016 [82] 20 10 ÷ 15 11 Alam, Mitrofanov et al 2011 [47] 10 ÷ 30 5 ÷ 25 12 Ubartas, Ostaševičius et al 2011 [46] 12; 16,6 29 200 13 Makhdum, Jennings et al 2012 [79] 27,8 12 14 Li, Dong et al 2016 [48] 26 5 ÷ 15 300 15 Barani, Amini et al 2014 [19] 19,65 10 16 Mehbudi 2013 [43] 22 5 ÷ 15 17 Pujana, Rivero et al 2009 [45] 20 10 ÷ 20 3000 MPI-5020S-6PS 67 3.4.5 Thực nghiệm đánh giá hệ thống rung siêu âm trợ giúp khoan Nguồn điện siêu âm (tín hiệu rung) được đóng ngắt gián đoạn trong mỗi quá trình khoan. Điện áp ra thu được từ cảm biến đo lực dọc trục được dùng để so sánh giữa hai chế độ khoan có và không có rung trợ giúp. (a) (b) Hình 3.21 Giảm cường độ tín hiệu đo lực dọc trục khi bổ sung rung siêu âm: lượng chạy dao 0,05 mm/v (a) và 0.085 mm/v (b) Hình 3.21 mô tả kết quả thu được cho thấy có sự khác nhau rõ ràng giữa hai chế độ khoan. Tín hiệu lực dọc trục khi khoan có trợ giúp của rung luôn nhỏ hơn khi khoan không có trợ giúp của rung. Hiện tượng giảm lực dọc trục khi khoan có trợ giúp của rung thu được cho phép khẳng định, hệ thống rung siêu âm đã có ảnh hưởng tích cực đến quá trình khoan. 3.5 Xây dựng hệ thống thí nghiệm Mục này trình bày ba nội dung chính: 1) mục đích và phương pháp thí nghiệm; 2) thiết bị thí nghiệm; 3) Các công cụ thu thập và phân tích dữ liệu thí nghiệm. 3.5.1 Mục đích và phương pháp thí nghiệm Các thí nghiệm được thực hiện nhằm kiểm chứng các giả thuyết nghiên cứu sau:  Khoan lỗ sâu có trợ giúp của rung động siêu âm làm tăng năng suất gia công, giảm lực dọc trục, giảm mô men, giảm nhiệt cắt và nâng cao tuổi bền dụng cụ;  Có thể lựa chọn bộ thông số công nghệ hợp lý khi áp dụng rung động trợ giúp khoan lỗ sâu; 68  Có thể phát triển mô hình dự đoán ảnh hưởng tích cực của rung động khi bổ sung vào quá trình khoan. Qua tổng quan tài liệu và tham khảo ý kiến chuyên gia, các thông số sau đây được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm:  Các chỉ tiêu đánh giá quá trình khoan lỗ sâu: lực dọc trục, mô men, năng suất gia công, độ sâu lớn nhất có thể đạt được, nhiệt cắt là các chỉ tiêu quan trọng nhất.  Các thông số vào: tốc độ cắt, lực tiến dao, tốc độ tiến dao, cường độ rung là các thông số có ảnh hưởng mạnh đến các chỉ tiêu đánh giá quá trình khoan lỗ sâu. Như vậy, để thực hiện được các thí nghiệm, cần đánh giá khả năng đáp ứng các yêu cầu cụ thể sau:  Các thông số vào cần điều khiển được. Hệ thống thiết bị nêu trên đáp ứng được yêu cầu về điều khiển thiết lập các thông số vào;  Các thông số đo lường chỉ tiêu đánh giá cần đo lường được. Cần đầu tư các thiết bị đo lực, mô men, chuyển vị dọc trục lỗ khoan và đo nhiệt độ. 3.5.2 Thiết bị thí nghiệm Máy gia công Máy tiện vạn năng có tốc độ trục chính điều khiển vô cấp (máy hiện có tại trường ĐHKTCN). Các thông số chính của máy được cho trong bảng 3.8. Bảng 3. 8 Các thông số cơ bản của máy gia công Kí hiệu V-Turn 410/1000 Chiều dài chống tâm 1000 mm Chiều cao tâm 205 mm Đường kính phôi lớn nhất 255 mm Tốc độ trục chính 30 ÷ 3000 v/ph Tốc độ chạy dao ngang 0,025 ÷ 0,85 mm/v Tốc độ chạy dao dọc 0,05 ÷ 1,7 mm/v Mũi khoan Mũi khoan được chọn là mũi khoan xoắn, do mũi khoan xoắn được sử dụng nhiều nhất (khoảng 70%) trong công nghiệp khi khoan các lỗ sâu với chi phí thấp, tính linh 69 hoạt cao, đặc biệt khi gia công các chi tiết nhiều lỗ [11]. Các thông số chính của mũi khoan được mô tả trên hình 3.22 và bảng 3.9. Hình 3.22 Mũi khoan dùng cho thí nghiệm Bảng 3. 9 Bảng thông số mũi khoan STT D (mm) L (mm) l (mm) Φ (độ) 1 3 71 42 118 2 4 83 54 118 Kí hiệu : Nachi List No. 500 Xuất xứ : Nhật Bản Mẫu thí nghiệm Vật liệu gia công được chọn là hợp kim nhôm Al 6061, do khả năng gia công bằng khoan của hợp kim nhôm là rất thấp so với các phương pháp gia công khác, đặc biệt khi khoan lỗ sâu trong điều kiện không tưới nguội [73], [74], [75], [9]. Các mẫu thí nghiệm được cắt trên cùng 1 tấm, kích thước (30x10x10) mm và (40x10x10) mm. Mỗi mẫu được dùng cho thí nghiệm khoan một lỗ theo chiều dài mẫu. Mẫu cắt nhỏ nhằm ngăn cản sự truyền nhiệt ra xa vùng cắt, điều kiện thoát nhiệt khó khăn giúp việc đánh giá về nhiệt dễ dàng hơn. Mẫu phôi thí nghiệm được mô tả trên hình 3.23. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm Al 6061 được cho trong bảng 3.10. Hình 3.23 Ảnh chụp một số mẫu thí nghiệm Bảng 3. 10 Thành phần hóa học của vật liệu mẫu thí nghiệm Al (%) Cr (%) Cu (%) Fe (%) Mg (%) Mn (%) Si (%) Ti (%) Zn (%) 95,8-98,6 0,04-0,35 0,15-0,4 0,7 0,8- 1,2 0,15 0,4-0,8 0,15 0,25 70 Máy phát điện siêu âm Máy phát điện siêu âm như mô tả trên hình 3.24, các thông số cho trong bảng 3.11. (a) (b) Hình 3.24 Máy phát điện siêu âm (a), cơ cấu chổi than cổ góp (b) Bảng 3. 11 Thông số máy phát điện siêu âm Kí hiệu, Xuất xứ MPI WG-3000, Thụy sĩ Công suất 3000 W Điện áp vào 216÷240 V-AC, 50÷60 Hz Tần số phát; Bước điều chỉnh tần số 15 ÷ 100 kHz; 1 Hz Điều chỉnh cường độ rung 0 ÷ 100 % Phần mềm điều khiển MPI-Ultrasonic Generator Software Cơ cấu rung mang mũi khoan quay, do vậy sử dụng chổi than cổ góp để cấp điện cho bộ chuyển đổi siêu âm. Chổi than được lắp cố định trên thân máy, cổ góp lắp trên đầu trục chính máy tiện như mô tả trên hình 3.24b. 3.5.3 Dụng cụ đo và thiết bị thu thập dữ liệu Cảm biến lực Nghiên cứu này sử dụng 02 loại cảm biến lực, đầu đo lực cắt 3 thành phần (hình 3.25) dùng để đo lực dọc trục và cảm biến đo lực kiểu Load cell (hình 3.27) dùng để đo mô men. Hình 3.25 Đầu đo lực cắt 3 thành phần 71 Các thông số của đầu đo lực cắt 3 thành phần được tóm tắt trong bảng 3.12. Bảng 3. 12 Các thông số cơ bản của đầu đo lực cắt 3 thành phần Kí hiệu KISTLER 9257BA Dải đo 1 Fx, Fy = -500 N ÷ 500 N; Fz = -1 KN ÷ 1 KN Dải đo 2 Fx, Fy = -1 KN ÷ 1 KN; Fz= -2 KN ÷ 2 KN Dải đo 3 Fx, Fy= -2 KN ÷ 2 KN; Fz= -5 KN ÷ 5 KN Dải đo 4 Fx, Fy = -5 KN ÷ 5 KN; Fz= -5 KN ÷ 10 KN. Độ tuyến tính +/-1% FS Độ trễ +/-0.5% FS Tần số đáp ứng Fx, Fy = 2 KHz; Fz = 3.5 KHz Load cell là cảm biến đo lực phổ biến, có chi phí đầu tư không lớn và tiện dụng. Nghiên cứu này sử dụng Load cell để đo mô men trong giai đoạn đầu do chưa đầu tư được cảm biến chuyên dùng. Nguyên lí đo được mô tả trên hình 3.26. Trước khi tiến hành thí nghiệm, đặt lực tác dụng ban đầu lên tay đòn, nhằm sinh ra lực nén ban đầu lên Loadcell, giúp cố định tay đòn của trục gá luôn tỳ lên Load cell và không cho trục tự xoay. Lực tác dụng ban đầu được điều chỉnh bởi một bu lông và giữ cố định trong suốt quá trình thí nghiệm. Mô men sinh ra khi khoan sẽ tạo ra lực Fk tác động thêm lên Load cell gây nên lực tổng tác dụng lên Load cell, giá trị mô men được tính như sau: kM F L  (3.22) Trong đó: L là chiều dài cánh tay đòn tính từ tâm trục gá đến điểm đặt lực lên Loadcell. (a) (b) Hình 3. 26 Sơ đồ đo mô men 72 Hình 3.27 Cảm biến đo lực (Loadcell) Các thông số cơ bản của Load cell được tóm tắt trong bảng 3.13. Bảng 3.13 Các thông số cơ bản của Load cell Kí hiệu ZemicL6D Quá tải an toàn 150 % Tải trọng 5 kg Bù nhiệt -10 ÷ 40 0C Độ chính xác ± 0,2 % Nguồn cấp 5 ÷ 12 V Độ nhạy 1,8 mV/V Kích thước 130 x 30 x 22 mm Cảm biến mô men Cảm biến mô men được sử dụng có kí hiệu PCB-2508-03A như được minh họa trên hình 3.28. Các thông số cơ bản của cảm biến này được tóm tắt trong bảng 3.14. Hình 3.28 Cảm biến đo mô men Bảng 3. 14 Các thông số cơ bản của cảm biến đo mô men Kí hiệu PCB 2508 106 03A Độ không tuyến tính 0.1% Tải đo 23 Nm Độ trễ 0.1% Quá tải an toàn 34 Nm Nguồn cấp 20 V-DC Tần số đáp ứng 1040 Hz Khoảng có bù nhiệt 21 0C ÷ 77 0C Điện áp ra 2 mV/V Nhiệt độ làm việc -54 0C ÷ 93 0C Cảm biến nhiệt độ Cảm biến đo nhiệt được sử dụng là loại không tiếp xúc, kí hiệu IRTP-300LS, như minh họa trên hình 3.29. Các thông số cơ bản của cảm biế