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

m, lượng chạy dao s = 0.1 mm/vòng. Thông số UAT: f = 17.9 kHz; a = 10 µm. Kết quả đánh giá các thành phần lực cắt so với gia công truyền thống được minh họa trên hình 2.28, 2.29. Hình 2.28. Thông số khảo sát các thành phần lực cắt Hình 2.29. Các thành phần lực cắt ở chiều sâu cắt 0,2 mm khi tiện không rung so với UVT 40 J. Rimkevičienė và cộng sự (2009) [29] xây dựng mô hình lý thuyết và tiến hành mô phỏng kiểm chứng mô hình tiện rung có trợ giúp rung động siêu âm. Rung động được bổ sung theo phương dọc trục dao sử dụng bộ tạo rung kiểu Langevin, hình 2.30. Trong đó, (1) - Bulông kẹp, (2) - Tấm kẹp sau, (3) - Tấm áp điện và điện cực, (4) - Tấm kẹp trước, (5) - Đài gá dao, (6) Đầu dao tiện, (7) - Vị trí nút kẹp. Bằng cách mô hình hóa các điểm nút kẹp trên dụng cụ dạng lò xo, với độ cứng tổng được chọn bằng mô đun đàn hồi của thép 45. Kết quả khảo sát bằng cả mô hình số, và thí nghiệm mô phỏng FEA xác định được mối quan hệ giữa biên độ rung với tần số cộng hưởng với các mode khác nhau. Tần số cộng hưởng với mode rung dọc trục dao (tức theo phương hướng kính phôi) được thể hiện như hình 2.31. Kết quả cho thấy mô hình đề xuất hoàn toàn phù hợp, có thể phát triển cho các bài toán phân tích động lực học. Hình 2.30. Mô hình bổ sung rung động cho dao tiện với chiều dài cả bước sóng Quan hệ giữa biên độ và tần số cộng hưởng với Mode 12 rung dọc trục dao Kết quả phân tích FEA tìm tần số cộng hưởng và biên độ mode rung dọc trục Hình 2.31. Kết quả phân tích tần số cộng hưởng với mode dọc trục Chen Zhang và cộng sự (2016) [30] đưa ra mô hình bổ sung rung động theo phương kết hợp rung Elip cho quá trình tiện tinh trụ ngoài, minh họa hình 2.32. Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện đứng Mori Seiki TV30. Phôi làm từ vật liệu thép không gỉ 0Cr18Ni9, đường kính 19,05; chiều dài 80 mm. Mảnh dao tiện là Carbide tungsten, với bán kính mũi dao là 200 µm. Dao tiện được bổ sung rung động theo phương Elip kết hợp, với thông số UVT: f = 28,1 kHz; a = 3 µm. Thông 41 số cắt thử nghiệm với dải chiều sâu cắt 10 – 50 µm; tốc độ cắt 200 – 600 vòng/ phút; lượng chạy dao s = 0,1 – 0,5 mm/vòng. Kết quả thực nghiệm cho thấy so với việc hỗ trợ rung động 1D, khi cắt UVT dạng Elip các thành phần lực cắt giảm từ 10- 30 %. Hình 2.32. Mô hình thí nghiệm bổ sung rung động theo quỹ đạo Elip cho dao tiện Về độ nhám bề mặt tác giả sử dụng phương pháp tính toán bằng công thức lý thuyết và đo thực nghiệm với rung Elip có rung tuyến tính 1D ở các tốc độ khảo sát. Cụ thể, với rung tuyến tính 1D biên độ 1,25µm, khi tốc độ trục chính là 400 và 600 vòng/ phút, độ nhám tính bằng lý thuyết tương ứng là 250 nm và 167 nm; còn giá trị đo thực tế thu được nhấp nhô lớn nhất Rmax lần lượt là 618 nm và 682 nm. Với rung Elip với biên độ kết hợp theo phương dọc trục phôi và phương cắt hướng tâm lần lượt là 2 và 7,8 µm; tốc độ cắt tương tự; kết quả tính toán độ nhám bằng lý thuyết lần lượt là 427 nm và 1862 nm; kết quả đo thực tế lại thu được là 473 nm và 1143 nm. Varun Sharma, Pulak M. Pandey (2016) [31] xây dựng mô hình UVT với rung theo phương tiếp tuyến (hình 2.33), đưa ra đánh giá ảnh hưởng của thông số rung và các thông số cắt gọt vật liệu thép sau nhiệt luyện 4340 đến việc sinh ứng suất dư. Ứng suất dư sinh ra trên chi tiết gia công ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi, khả năng chống mòn và đặc tính ma sát. Phân tích XRD được sử dụng để đo giá trị ứng suất dư. Phương pháp chỉ tiêu bề mặt (RSM) cũng được dùng để đánh giá các thông số ảnh hưởng. Hình 2.33. Mô hình bổ sung rung động tiếp tuyến cho dao tiện 42 Thí nghiệm được tiến hành trên máy tiện CNMA 120404. Thông số UVT của đầu rung UP -1200 (Chromtech) f = 20 kHz, a = 20 µm; cường độ công suất phát 5 mức từ 20 -100%. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy cường độ rung và lượng chạy dao ảnh hưởng đáng kể đến việc tạo ứng suất dư. Giá trị giảm ứng suất dư trên mô hình dự đoán với sai số lớn nhất ± 27,79 %. Giá trị ứng suất dư lớn nhất và nhỏ nhất lần lượt là 802,29 MPa và -696 MPa. Dữ liệu phân tích thí nghiệm đạt mức tin cậy tới 95%. Chế độ cắt tối ưu (lượng chạy dao 0,1 mm/vòng; tốc độ cắt 30 m/phút) và cường độ công suất phát khoảng 60% được xác định để đảm bảo hiệu quả giảm ứng suất dư cao nhất. M. R. Ibrahim (2014) [32] phân tích thí nghiệm UVT với một đề xuất dụng cụ cải tiến khi tiện hợp kim nhôm 6061-T6. Sử dụng bộ phát rung PPA10M dạng các tấm mỏng xếp chồng (piezo stack actuator) với tần số 20 kHz, minh họa như hình 2.34. Thí nghiệm được tiến hành ở hai chế độ có rung siêu âm trợ giúp và không có rung, có và không bôi trơn, trên máy tiện Mitutoyo SJ400. Thông số UVT được thiết lập bao gồm: biên độ rung của bộ phát rung là 0,5 – 1 µm (ứng với điện áp đặt vào 15 V và 7,5 V) trên dải tần số 20, 40 và 50 kHz; tốc độ trục chính 540 vòng /phút; lượng chạy dao 0,1 mm/vòng; chiều sâu cắt 0,3 mm. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhám bề mặt khi tiện bằng UAT nhỏ hơn so với tiện truyền thống ở cả hai chế độ có và không bôi trơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra trong dải khảo sát, khi tần số rung càng cao thì độ nhám càng lớn. Hình 2.34. Mô hình thí nghiệm với kết cấu dao tiện mới cho tiện trụ ngoài [32] Tiểu kết: Đã có rất nhiều nghiên cứu triển khai, đánh giá ứng dụng rung động siêu âm trợ giúp các loại hình gia công khác nhau. Các nghiên cứu đều chỉ ra các lợi ích do bổ sung rung động siêu âm mang lại. Tuy nhiên, về mặt kết cấu, hầu hết các bộ gá kẹp đầu rung mang dụng cụ trong các nghiên cứu đều chưa được quan tâm đến khuôn khổ kích thước và tính tiện dụng. Đặc biệt khi gia công trên máy tiện vạn năng, đầu rung nên được gá kẹp trên đài dao thay vì thay thế đài dao như trong nhiều nghiên cứu. Việc gá dao tiện rung trên đài dao sẽ cho phép gia công được nhiều bề mặt nhờ sử dụng nhiều dụng cụ tại các vị trí khác nhau. Thêm nữa, khi gia 43 công đồng thời cả mặt trụ hay mặt đầu, hay gia công mặt lỗ côn bằng bàn trượt dọc, việc gá được dao trên đài dao sẽ thuận tiện hơn hẳn so với phương án thay thế đài dao bằng cụm đầu rung. Nghiên cứu của Ibrahim [32] (Hình 2.34) đề xuất một kết cấu khá nhỏ gọn, tuy nhiên công suất của bộ phát rung dạng Piezo nhiều tấm mỏng là rất yếu; đồng thời rất khó ứng dụng cho tiện lỗ. Kết cấu của Rimkevičienė [29] (Hình 2.30) rất tiện lợi khi gá đặt, gia công nhưng đòi hỏi tính toán và chế tạo thân dao chính xác về kích thước, đồng thời rất khó khăn khi cần mài lại dao. Nghiên cứu này sẽ đề xuất một kết cấu phù hợp hơn, khắc phục những tồn tại trên. Thiết kế mới được đề xuất dựa trên cơ sở phân tích, đảm bảo nguyên lý hoạt động của bộ phận tạo rung và khuếch đại rung. Các nguyên tắc kết cấu được trình bày như dưới đây. 2.5. Hệ thống thiết bị tạo rung trợ giúp gia công Sơ đồ nguyên lý cấu tạo chung của một hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công nói chung, được minh họa như hình 2.35. Hình 2.35. Sơ đồ cấu tạo chung một hệ thống rung hỗ trợ gia công Trong đó: (1) - Bộ nguồn phát công suất siêu âm (2) - Bộ chuyển đổi siêu âm (3,4) - Đầu khuếch đại biên độ (Có thể chỉ có (3) hoặc (4) hoặc có cả hai) (5) - Đầu dụng cụ gia công. Các bộ phận nói trên được giới thiệu chi tiết như dưới đây. 2.5.1. Nguồn phát công suất siêu âm Nguồn phát công suất siêu âm là thiết bị phát nguồn điện thay đổi có tần số siêu âm, có điện áp và công suất lớn để cung cấp cho đầu phát rung. Hình 2.12 là ảnh chụp một nguồn phát công suất siêu âm có mã hiệu MPI WG3000W. 44 Hình 2.36. Máy phát điện siêu âm MPI_ WG3000W Máy phát nguồn siêu âm MPI WG3000W tương thích với hầu hết các bộ chuyển đổi hiện nay và được lựa chọn cho nghiên cứu này. Thiết bị này có phạm vi hoạt động trong dải tần số từ 19 kHz đến 100 kHz; có khả năng tự động dò tìm tần số cộng hưởng và chọn chế độ vận hành tối ưu cho mỗi bộ chuyển đổi. Do đó, thiết bị này cho phép chủ động trong quá trình gia công, việc sửa chữa cơ khí như mài dụng cụ cắt hoặc thay đổi dụng cụ cắt. Máy có thể giao tiếp với máy tính thông qua bộ kết nối USB-RS485 và phần mềm điều khiển MPI-Ultrasonic generators soft- ware thích hợp với hệ điều hành Windows XP hoặc Windows 7. Thiết bị này được sử dụng trong suốt quá trình vận hành thử nghiệm cơ cấu tạo rung siêu âm. Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của nguồn phát điện siêu âm Kí hiệu: MPI_WG 3000 Công suất (W): 3000 Tần số làm việc (kHz): 19 ÷ 40 Nguồn cấp: 216 ÷ 240 VAC 50 ÷ 60 Hz Kích thước (mm): 435 x 380 x 100 Khối lượng (kg): 10 Xuất xứ: Thụy sĩ 2.5.2. Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer/ Convertor) 2.5.2.1. Chức năng Bộ chuyển đổi siêu âm (còn gọi là bộ phát rung) là bộ phận không thể thiếu trong thiết bị tạo rung động siêu âm. Bộ phát rung siêu âm có chức năng chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ với tần số siêu âm. Chức năng này thường được thực hiện nhờ hiệu ứng áp điện (Xem phần 2.5.2.2). Dao động cơ với tần số siêu âm dùng để trợ giúp các quá trình gia công, siêu âm chuẩn đoán, thăm dò, sục rửa, ... Bộ phát rung kiểu Langevin được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tạo rung siêu âm nhờ hiệu quả phát rung và kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tiện lợi. Các thông số quan trọng đánh giá hiệu quả của một đầu phát rung bao gồm: tần số cộng hưởng cơ; biên độ rung động đầu ra và công suất rung siêu âm. Biên độ 45 rung siêu âm là một chỉ tiêu quan trọng nhất của bộ phát rung. Biên độ rung thu được phụ thuộc vào hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ (hay giá trị phẩm chất cơ học Qm) của vật liệu áp điện. Giá trị tần số cộng hưởng cơ phụ thuộc trực tiếp vào giá trị tổng trở của đầu rung. Tín hiệu đầu ra của bộ phát rung sẽ được truyền tới bộ phận khuếch đại và định hướng trợ giúp cho dụng cụ trong quá trình gia công. Công suất cơ của đầu siêu âm được xác định theo công thức: 2 1 . . . 2 AP c  (2.4) Trong đó: , c lần lượt là khối lượng riêng và vần tốc truyền âm của tải tiếp nhận rung; A là biên độ của đầu chuyển đổi siêu âm. 2.5.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Đầu tạo rung kiểu Langevin bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị siêu âm công suất lớn. Kiểu đầu rung này có dải tần số cộng hưởng rung động siêu âm rộng, hệ số phẩm chất cơ học cao, có thể tạo công suất lớn phù hợp với các ứng dụng đối với đầu rung chịu tải. Vật liệu áp điện có thể làm phát sinh rung động có tần số bằng tần số nguồn điện, biên độ tỷ lệ thuận với điện áp. Thiết kế hình 2.37 là một dạng kết cấu cơ bản nhất của bộ tạo rung kiểu Langevin với chiều dài nửa bước sóng. Một thiết kế khác sử dụng kết cấu bộ chuyển đổi có chiều dài bằng số nguyên lần nửa bước sóng dọc, như minh họa trên hình 2.38. Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm dạng Langevin gồm 2 khối kim loại có vai trò kẹp các tấm áp điện PZT ở giữa. Tấm kim loại phía sau (Tail/ back mass) có khối lượng riêng lớn (vận tốc truyền âm nhỏ) để chặn sóng âm. Tấm phía trước (Head/ front mass – tiếp xúc với bộ khuếch đại Booster) có khối lượng riêng nhỏ để truyền sóng âm về phía trước. Vật liệu và kích thước 2 tấm này quyết định tần số làm việc của bộ chuyển đổi. Hình 2.39, mô tả cấu trúc của một bộ chuyển đổi (bộ phát rung siêu âm). Hình 2.37. Cấu trúc bộ tạo rung siêu âm kiểu Langevin 46 (a) Dạng đủ một chiều dài bước sóng (b) Dạngchiều dài 3 nửa bước sóng; (c) Dạng chiều dài nửa bước sóng, bu lông kẹp ngoài Hình 2.38. Các dạng kết cấu đầu chuyển đổi rung động siêu âm khác. Hình 2.39. Mô hình 3D bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer) Các tấm áp điện PZT có đặc tính là không có khả năng chịu kéo. Việc sử dụng bu lông kẹp sẽ tạo biến dạng nén dư ban đầu. Khi có điện áp thay đổi tác dụng lên các tấm PZT, hiệu ứng áp điện sẽ làm tăng hoặc giảm biến dạng nén. Phương án chế tạo bộ tạo rung siêu âm sử dụng các tấm áp điện dạng đục lỗ là thông dụng nhất, cho kết phép tạo cấu nhỏ gọn và thuận tiện cho việc khai thác nhất. 2.5.2.3. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin Phần lớn các bộ phát rung siêu âm ngày nay vẫn dựa vào mô hình của Langevin năm 1918. Các loại đầu phát rung được giới hạn về kích thước để tránh sự xáo trộn giữa các mode dao động dọc trục và hướng kính. Do vậy, đường kính các mặt cắt ngang cần nhỏ hơn ¼ chiều dài bước sóng của mode rung dọc trục. Theo phân tích của Langevin, trong biến tử bức xạ siêu âm nửa bước sóng, biên độ nén đạt giá trị cực đại ở tâm, hai đầu hoạt động hầu như giống với ở bên trong khối, do đó hai phần đầu này có thể được thay thế bằng các kim loại, bởi vì nó rẻ tiền hơn mà lại có hệ số phẩm chất cơ học lớn hơn. Với cấu trúc này, tần số làm 47 việc của hệ biến tử không phụ thuộc vào đường kính bản áp điện, mà chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tử theo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dài của hai bản kim loại mà không cần thay đổi chiều dày của bản gốm. Một đầu tạo rung kiểu Langevin thường được thiết kế chứa một số tấm vật liệu gốm áp điện đặt xen nối tiếp với các lá điện cực (chiều dày LP) và hai tấm kẹp. Tấm kẹp sau thường làm bằng thép, chiều dài LM. Tấm kẹp trước thường làm bằng vật liệu nhôm hoặc hợp kim titan với tốc độ truyền âm lớn, chiều dài LB. Sơ đồ hóa cấu tạo của đầu rung kiểu Langevin này được mô tả như hình 2.40. Hình 2.40. Sơ đồ tính bộ tạo rung siêu kiểu Langevin Tổng chiều dài của cụm biến tử LB + LP + LM phải bằng chiều dài nửa bước sóng. Khi áp điện trường ngoài biến đổi, toàn bộ cụm biến tử thực hiện dao động nén dãn theo phương chiều dày, do đó tạo nên rung động tại mặt đầu của tấm kim loại 2 (tấm kẹp trước trên hình vẽ). Tấm kẹp trước và tấm kẹp sau thường được làm từ hai vật liệu khác nhau. Tấm kẹp sau thường chế tạo bằng thép có khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và vận tốc truyền âm lớn lần lượt là ; ; /B B B B BE c E  . Tấm kẹp trước làm bằng nhôm hợp kim hoặc titan có các thông số vật liệu: ; ; /M M M M ME c E  . Với vật liệu có vận tốc truyền âm thấp hay tích số ( x E ) thấp, biên độ rung động sẽ cao, tạo thuận lợi cho việc truyền rung động từ bộ chuyển đổi tới dụng cụ hay bộ phận tập trung rung động. Trái lại, nếu vật liệu có tích ( x E ) cao thì biên độ rung động sẽ ít hơn, thích hợp với vật liệu làm tấm kẹp sau. Việc phối hợp cặp vật liệu các tấm kẹp một cách thích hợp sẽ đem lại hiệu quả truyền rung cao cho bộ chuyển đổi. Điều kiện truyền rung động tối ưu là khi trở kháng giữa các phần có mối liên hệ như sau: P M BZ Z Z (2.5) 48 Trong đó: ZP, ZM, ZB lần lượt là trở kháng của khối gốm áp điện, tấm kẹp trước và tấm kẹp sau; tương ứng giá trị được tính theo phương trình . .Z c S . Với ; ;c S lần lượt là khối lượng riêng, vận tốc truyền âm và diện tích bề mặt tiếp xúc. Việc xác định kích thước của các tấm kẹp trước và sau là một phần quan trọng của việc thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm. Nếu tính toán không chính xác sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới tần số cộng hưởng của thiết bị chuyển đổi. Sơ đồ xác định kích thước các tấm kẹp như hình 2.40. Bộ chuyển đổi được xét dạng trụ đối xứng, làm việc ở tần số cộng hưởng vơi một điểm nút ở giữa khối áp điện. Một số giả thiết được sử dụng để đưa các phương trình sóng về dạng thuận tiện cho việc tìm lời giải được chấp nhận như sau: a. Các sóng phẳng truyền theo phương dọc trục của bộ chuyển đổi; b. Đặc tính của các vật liệu là hằng số và không thay đổi theo chiều dài bộ chuyển đổi; c. Không kể tới sự thay đổi thiết diện; d. Vận tốc truyền sóng là như nhau ở tất cả các điểm trên bộ chuyển đổi. Sử dụng các giả thiết trên, phương trình truyền sóng dọc được viết dưới dạng: 2 2 2 2 2 1 0 u u x c t       (2.6) Trong đó: u là biên độ rung động tại thời điểm khảo sát; x là chuyển vị rung động của chất điểm theo phương dọc trục x; t là thời gian. Lời giải tổng quát cho phương trình vi phân (2.6) có dạng:  ( , ) .sin . os . .sin( ) . os( ) x x u x t A B c M t N c t c c             (2.7) Trong đó: A, B là các giá trị chưa biết, sẽ được xác định từ các điều kiện biên. Giá trị của M, N không ảnh hưởng của kích thước các tấm kẹp, nên bỏ qua sự tham gia của chúng trong lời giải. Chú ý phương trình (2.7) là khác nhau với các phần khác nhau của bộ chuyển đổi, cho nên các hệ số A , B cũng khác nhau với từng phần. Để tính toán giá trị A và B, điều kiện biên cần được thiết lập cho bộ chuyển đổi.  Tại điểm giữa của khối áp điện x = 0, tại đây tồn tại nút dao động mà biên độ dao động u(x,t) = u (0,t) = 0.  Tại x = LP/2 vị trí tiếp giáp giữa khối áp điện với tấm kẹp trước, biên độ cũng như lực không đổi trên điểm chung giữa 2 phần. Cho nên: ( , ) ( , ) 2 2 0 ( , ) ( , ) 2 2 P P P P L L u x t u x t Khi x L L F x t F x t              (2.8) 49  Tại 2 P M L x L  ( điểm cuối của tấm kẹp trước sẽ gắn phần định hướng) biên độ là lớn nhất. Vì vậy: , 0 2 P M Lu L t x          . Từ các điều kiện biên này, giá trị A, B được xác định. Với điều kiện biên phù hợp của tấm kẹp trước, phương trình liên hệ giữa chiều dài khối áp điện LP và tấm kẹp trước LM như sau: . . tan( ).tan( ) 2. . . P M P P P P M M M M L L c A c c c A      (2.9) Thay các giá trị đã thiết lập ban đầu, sẽ tính được chiều dài của khối áp điện LP; . .P P Pc A và . .M M Mc A sẽ tìm ra được chiều dài tấm kẹp trước LM. Với cách tương tự, hàm liên hệ giữa u với chiều dài tấm kẹp sau cũng được thiết lập và đưa ra được chiều dài thiết kế của LB. Với các bộ chuyển đổi kẹp bằng ren vít, có một lỗ ở tâm để bắt bulông siết, bu lông cần làm bằng vật liệu có độ bền cao. Điều này liên quan tới tần số chịu tải rung động trong 1 chu kỳ. Chẳng hạn, với bộ chuyển đổi làm việc với tần số cộng hưởng là 20kHz, vật liệu bu lông và các tấm kẹp phải chịu chu trình tải nén dãn tới hơn một triệu lần/ phút. Lực siết của bulông sẽ ảnh hưởng tới khả năng làm việc của bộ chuyển đổi siêu âm. Nếu lực siết không đủ, việc truyền sóng sẽ không hiệu quả, đồng thời lầm tháo lỏng mối ghép khi chịu tải với tần số cao. Trái lại, lực siết cao làm biến dạng các chi tiết ghép, làm giảm biên độ sóng được truyền. Khoảng ứng suất sinh ra trên các bộ phận đầu rung được khuyến nghị nên nằm trong khoảng từ 45-90 MPa. Trở kháng của bộ phát rung siêu âm là tỷ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện chạy qua nó, có đặc tính phụ thuộc vào tần số nguồn điện kích thích. Trở kháng được coi là một thông số quan trọng đánh giá hiệu quả hoạt động của bộ phát rung. Với mục đích khảo sát trở kháng của thiết bị rung, một mạch điện tương đương mô tả thông số làm việc cho bộ phát rung được Warren P. Mason giới thiệu năm 1948. Mạch này còn được gọi với tên “Mạch vòng Mason”, được sử dụng rộng rãi cho đến nay. Hình 2.41. Mạch vòng Mason của bộ phát rung siêu âm 50 Trở kháng của bộ phát rung được xác định bởi công thức: 2 1 1 1 1 20 0 1 1 1 0 1 1 1 1 . j R L C L Z j C C C j R L C C L                    (2.10) Bỏ qua điện trở, R1 = 0. Công thức xác định trở kháng được rút gọn thành: 2 1 1 2 0 1 0 1 0 1 1 L C Z C C j C L C C                (2.11) Đối với một bộ phát rung siêu âm, có hai giá trị tần số quan trọng được lưu tâm như dưới đây. Thứ nhất, giá trị tần số cộng hưởng ứng với tần số góc s được xác định được theo điều kiện: Khi tổng trở Z  0, thì 1 1 1 1 1 1 1 . 2 s s rhay f f L C L C      (2.12) Tần số công hưởng (“resonance” frequency) fs còn được gọi là tần số cộng hưởng nối tiếp (series resonance) hay tần số cộng hưởng chuyển động (motion res- onance). Tần số này tương ứng với tình trạng của nhánh cơ học, khi mạch L1, C1 được coi là ngắn mạch. Thứ hai, giá trị tần số phản cộng hưởng (Anti- resonance), được xác định theo điều kiện: Z   khi 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 . 2 a a p C C C C hay f f L C C L C C        (2.13) Hình 2.42. Một số ứng dụng ứng với các giá trị tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của hiện tượng áp điện (ATCP) Tần số cộng hưởng này còn được gọi là tần số cộng hưởng song song (parallel resonance). Tần số cộng hưởng (cộng hưởng nối tiếp) thường được ứng dụng trong kỹ thuật tạo bóng khí, thiết bị siêu âm hóa học các thiết bị làm sạch. Tần 51 số phản cộng hưởng (cộng hưởng song song) được dùng trong các ứng dụng hàn siêu âm, dụng cụ nha khoa, dao mổ siêu âm, đánh bóng siêu âm, Trong thực tế, các công thức tính toán đều dựa trên các giả thiết nhằm đơn giản hóa quá trình tính. Do vậy, cho đến nay các đầu phát rung sau khi được thiết kế, chế tạo vẫn phải đo kiểm và hiệu chỉnh rất cẩn thận mới đảm bảo được yêu cầu về tần số làm việc. Các thiết bị đo kiểm và quá trình hiệu chỉnh khá tốn kém, thường được thực hiện trong các doanh nghiệp chuyên sản xuất đầu phát rung. Do vậy nghiên cứu này không tập trung vào việc tính toán, chế tạo đầu phát rung. Các cơ sở lý thuyết nói trên được áp dụng để tính toán kết cấu bộ khuếch đại rung, được chế tạo để kết nối hợp lý với đầu phát rung thương mại bán sẵn. Cách triển khai cụ thể sẽ được trình bày trong các phần tiếp sau. 2.5.3. Đầu khuếch đại biên độ rung (Booster và Horn) 2.5.3.1. Chức năng, cấu tạo Bộ khuếch đại vừa có nhiệm vụ khuếch đại biên độ rung, vừa đóng vai trò làm gối đỡ cho cả đầu rung, đồng thời dẫn hướng rung động vào vùng cần tác động rung. Kích thước, khối lượng của bộ khuếch đại được xác định phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và tần số rung của đầu rung đã có để đảm bảo cho hệ thống làm việc ở trạng thái cộng hưởng. Đầu khuếch đại được thiết kế với chiều dài cộng hưởng nửa bước sóng, được xác định từ tần số của bộ phát rung. Đầu khuếch đại thường được chế tạo từ nhôm hoặc Titan do các vật liệu này có trở kháng âm thấp, nhẹ, cơ tính tốt. Bộ khuếch đại biên độ rung thường được gọi là Booster. Trong nhiều trường hợp, có thể sử dụng thêm bộ phận nữa gọi là Horn. Horn thực chất là một đầu truyền sóng đến dụng cụ, hoặc vừa truyền sóng vừa khuếch đại thêm biên độ. Như vậy, có thể nói Booster là bộ phận khuếch đại và truyền rung động, kết nối giữa đầu phát rung (bộ chuyển đổi) với Horn hoặc dụng cụ cắt. Booster có vai trò như một “hộp số” có thể thay đổi biên độ rung động truyền qua, trước khi tới bộ phận khuếch đại thêm biên độ (Horn). Hình 2.43 mô tả vai trò của bộ phận khuếch đại biên độ rung động, Booster, tương tự như hộp số (Gearboxes) trong hệ thống truyền động của xe ô tô. Mỗi Booster có một tỉ số thể hiện hiệu quả biến đổi biên độ nhất định (Booster gain), bằng tỉ số giữa biên độ đầu ra và biên độ đầu vào. Hình 2.43. Vai trò của "hộp số" Booster 52 Horn (Sonotrode) là dụng cụ dùng cho hàn siêu âm. Horn cũng có vai trò định hướng rung động và có thể mang dụng cụ cắt gọt. Sự phối hợp giữa hai bộ phận Booster và Horn có thể hình dung như việc mắc nối tiếp “hai hộp số”, cho phép nâng cao khả năng điều chỉnh biên độ và tạo không gian để gá kẹp đầu rung. Có thể minh họa khả năng khuếch đại biên độ của Booster nối tiếp Horn như hình 2.44. Trên hình 2.44 mô tả biên độ đầu ra của bộ chuyển đổi siêu âm là A0 = 20 µm. Hệ số khuếch đại của Booster (Gain) GB = 2; của Horn là GH = 3. Khi nối tiếp cả Booster và Horn để truyền rung động, thì biên độ thu được ở đầu ra của Horn ( Stack/ tip) A1 = A0. GB . GH = 20 x 2 x 3 = 120 µm. Bộ khuếch siêu âm có nhiều kết cấu và hình dáng đa dạng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu đầu ra của ứng dụng. Nó có thể có hình trụ trơn, trụ bậc, côn thẳng, côn dạng hàm mũ,.... Hình 2.45 mô tả hình dáng một số đầu khuếch đại biên độ. Hình 2.44. Khả năng khuếch đại biên độ của đầu Booster nối tiếp Horn (a) Các dạng đầu khuếch đại thường gặp (b) Một số đầu Horn hàn siêu âm thương mại Hình 2.45. Hình dáng một số đầu khuếch đại biên độ Yêu cầu chính của một bộ khuếch đại biên độ siêu âm là khả năng khuếch đại biên độ rung đủ lớn ở đầu dụng cụ và chịu được ứng suất sinh ra bởi tải trọng trong quá trình làm việc. Vật liệu và kết cấu cần được tính toán để đảm bảo đầu rung làm việc ở tần số cộng hưởng siêu âm thiết kế. Phần này tập trung trình bày các phương pháp tính toán thiết kế đầu khuếch đại biên độ rung. 53 Có hai hướng tiếp cận để giải quyết bài toán thiết kế đầu khuếch đại tín hiệu rung động siêu âm là: 1. Sử dụng mô hình toán học để tính lý thuyết 2. Sử dụng phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế ( ANSYS, ABAQUS) Hướng thứ nhất, bằng lý thuyết toán học cho phép hiểu căn bản về cơ sở truyền sóng siêu âm của đầu khuếch đại tín hiệu. Hướng thứ hai cung cấp một giải pháp công nghiệp khi tiến hành tính toán thiết kế đầu rung. Với phương pháp này, đầu rung siêu âm được xây dựng trên mô hình vật thể 3D. Ứng dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn và các chức năng mô phỏng rung động cho các kết quả tin cậy với độ chính xác cao, làm cơ sở so sánh đánh giá với kết quả tính toán lý thuyết.