ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



PHAN VĂN NGHỊ



THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ
GIÚP GIA CÔNG CƠ













2012
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

1

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn
này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ
một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân,
chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ
những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.



Phan Văn Nghị
Tháng 12 năm 2012











Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

2


Lời cám ơn


Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa
học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, ngƣời đã tận tình chỉ bảo,
động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt
nghiệp. Thứ đến, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths. Lê Duy Hội và Ths.
Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Tôi
cũng xin cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long và các kỹ thuật viên của DNTN Thái
Long đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực
hiện thí nghiệm cho đề tài này.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng nhƣ bộ
môn Chế tạo máy, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham gia và hoàn thành khóa học này.
Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với vợ và gia đình tôi, vì tất cả những
gì mà mọi ngƣời đã dành cho tôi. Mọi ngƣời đã chăm sóc, động viên tôi trong
suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp
đỡ trong thời gian học tập của tôi.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

3

Tóm tắt

Qua việc phân tích một cách hệ thống các ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng
pháp gia công có rung động trợ giúp và các nguyên lý tạo rung động, 2 cơ cấu tạo

rung động đặt lên phôi khi khoan đã đƣợc mô hình, tính toán, thiết kế và chế tạo.
Hai cơ cấu tạo rung này đƣợc thiết kế lần lƣợt theo 2 nguyên lý: Cơ cấu tạo rung
theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện.
Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm cơ khí
đã đƣợc chọn để tạo rung động trợ giúp cho quá trình thí nghiệm khoan hợp kim
nhôm. Cơ cấu lệch tâm đã chế tạo có thể tạo rung động với tần số từ 26 đến 60
Hz, biên độ từ 2 đến 12 micromet, đƣợc tích hợp vào hệ thống gia công nhằm
tạo rung cho phôi theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Các lỗ có đƣờng kính 1,5
mm, chiều sâu 13 mm (L/D = 9) đã đƣợc gia công đối chứng cả bằng khoan
thƣờng và khoan có bổ sung rung động.
Các bộ thí nghiệm đã đƣợc thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ và
năng suất giữa hai chế độ gia công khoan truyền thống và khoan có rung động
trợ giúp. Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khi khoan nhôm và hợp kim nhôm
gần nhƣ đã đƣợc khắc phục hoàn toàn. Số liệu thực nghiệm về độ lay động
đƣờng kính và độ tròn lỗ khoan đƣợc phân tích so sánh thông qua kiểm
nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 36 mẫu đo. Kết quả cho thấy khoan có
rung có thể làm giảm độ lay rộng đƣờng kính lỗ đến 3 lần, làm giảm độ không
tròn của lỗ đến 2 lần so với khoan truyền thống.
Trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thƣờng đƣợc thực hiện nhờ các
bộ tạo rung dùng động cơ servo cồng kềnh hoặc các tinh thể áp điện rất đắt tiền.
Kết quả nghiên cứu này đã đem lại khả năng chủ động thiết bị, công nghệ cho
phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam,
khắc phục đƣợc vấn đề cơ bản về chủ động vật tƣ, thiết bị và giá thành.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

4
Mục lục

Lời cam đoan 1
Lời cám ơn 2
Tóm tắt 3
Các ký hiệu viết tắt 7
Danh mục các hình ảnh 8
Danh mục các bảng, biểu 11
GIỚI THIỆU 12
0.1. Vấn đề nghiên cứu 12
0.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây 13
0.3. Mục tiêu nghiên cứu 16
0.4. Các kết quả đã đạt đƣợc 16
0.5. Cấu trúc luận văn 17
Chƣơng 1 19
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 19
1.1. Giới thiệu 19
1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp 19
1.3. Các phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp 21
1.3.1. Phƣơng pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) 21
1.3.2. Phƣơng pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) 22
1.3.3. So sánh giữa các phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và UECV 23
1.4. Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công 24
1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí 24
1.4.3. Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm 27
1.4.4. Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực 28
1.4.5. Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện 28
1.4.5.1. Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm 28
1.4.5.2. Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT 30
1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ 31
1.5. So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm . 34
1.6. Kết luận chƣơng 35

Chƣơng 2 37
CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ 37
TRÊN HỢP KIM NHÔM 37
2.1. Giới thiệu 37
2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm 37
2.1.2. Tính gia công của hợp kim nhôm 41
2.3. Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm 42
2.3.1. Các vấn đề chung 42
2.3.1.1. Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm 42
2.3.1.2. Sự hình thành và tách phoi 42
2.3.2. Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm 44
2.3.2.1. Biến dạng phoi khi khoan 45
2.3.2.2. Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc 48
2.3.2.3. Lực di chuyển phoi cho phoi dải 50
2.3.2.4. Ảnh hƣởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn
ốc 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

5
2.3.2.5. Ảnh hƣởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải 53
2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo 54
2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung 54
2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp 56
2.5. Kết luận chƣơng 57
Chƣơng 3 58
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN 58
3.1. Giới thiệu 58
3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan 58

3.3. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan 59
3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT 60
3.3.2. Bệ gá cơ sở 61
3.3.3. Ống kẹp 62
3.3.4. Ống truyền rung động 63
3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan 65
3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1) 67
3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7) 68
3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lƣợng lệch tâm (chi tiết số 8) 69
3.4.4. Bệ gá cơ sở ( chi tiết số 5) 70
3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 9) 71
3.4.6. Sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 3) 72
3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4) 72
3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2) 74
3.4.9. Ống gá động cơ 75
3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) 76
3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh 76
3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động 77
3.5. Kết luận chƣơng 81
Chƣơng 4 83
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN
HỢP KIM NHÔM 83
4.1. Giới thiệu 83
4.2. Thiết lập thí nghiệm 83
4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm 83
4.2.2. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm 88
4.2.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm 88
4.3. Kết quả thí nghiệm 89
4.3.1. Đặc tính của phoi 89
4.3.2. Độ lay rộng lỗ khoan 90

4.3.3. Độ không tròn của lỗ khoan 93
4.3.4. Độ ổn định của kích thƣớc lỗ khoan 96
4.3.5. Độ xiên của lỗ khoan 97
4.3.6. Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ khoan 97
4.4. Kết luận chƣơng 99
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100
Các kết quả chính đã đạt đƣợc 100
Đề xuất các hƣớng nghiên cứu 100
Tài liệu tham khảo 102
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

6
PHỤ LỤC 105





































Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

7

Các ký hiệu viết tắt

UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting)

CUVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional
Ultrasonic Vibration Cutting)
UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration
Cutting)
PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers)
PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện)
ELID Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process
Dressing)
USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining)
EDM Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining)
ECM Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining)
















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị


8




Danh mục các hình ảnh


TT hình
Nội dung
Trang
1.1
Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công
22
1.2
Mô hình cắt rung theo kiểu elip
23
1.3
Nguyên lý hình thành lực ly tâm
24
1.4
Nguyên lý tạo rung bằng lực từ trƣờng
26
1.5
Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trƣờng
27
1.6
Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung
27

1.7
Tạo rung bằng thủy lực, khí nén
28
1.8
Hiện ứng áp điện
29
1.9
Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện
30
1.10
Quan hệ giữa lực cản và hành trình (biên độ)
31
1.11
Ứng xử của một PZT làm việc theo hƣớng trục
31
1.12
PZT đơn trong công nghiệp
33
1.13
Các PZT xếp chồng
34
2.1
Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm
38
2.2
Các sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm A5052
40
2.3
Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ cắt và lƣợng chạy dao đến lực cắt
42

2.4
Phoi khi khoan vật liệu dẻo
43
2.5
Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi
44
2.6
Các kích thƣớc phoi khác nhau trong thí nghiệm
48
2.7
Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc
48
2.8
Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn
51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

9
2.9
Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc
52
2.10
Hình dạng phoi dạng dải
53
2.11
Mô hình quỹ đạo 2 lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan
55
3.1

Mô hình khoan với rung động trợ giúp
58
3.2
Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện
59
3.3
Kích thƣớc PZT và cách đấu điện áp
61
3.4
Chồng PZT- đã ghép nối
61
3.5
Bệ gá cơ sở của cơ cấu tạo rung
62
3.6
Ống kẹp của cơ cấu tạo rung
63
3.7
Ống truyền rung động của cơ cấu tạo rung
64
3.8
Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT
64
3.9
Máy phát điện áp xung, công suất 1200W
65
3.10
(Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí
65
3.11

Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan
66
3.12
Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động
67
3.13
Động cơ dẫn động quay lệch tâm
68
3.14
Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều
68
3.15
Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm
69
3.16
Các cặp quả nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm:
69
3.17
Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá cơ sở
71
3.18
Giá đỡ sống dấn hƣớng chữ V
71
3.19
Sống dẫn hƣớng chữ V
72
3.20
Lò xo duy trì rung động
73
3.21

Cụm chi tiết I sau khi chế tạo, lắp ráp
74
3.22
Tấm gá động cơ, phôi và rãnh dẫn hƣớng
75
3.23
Ống gá động cơ
76
3.24
Động cơ đƣợc lắp vào tấm gá sau khi chế tạo
76
3.25
Đồ gá kẹp phôi
77
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

10
3.26
Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí
78
3.27
Các lực tác dụng lên phôi gia công
78
3.28
Xác định tọa độ khối tâm
79
3.29
Các lực cắt khi khoan

81
4.1
Máy phay đứng Mazak M-800
84
4.2
Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm
85
4.3
Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan
85
4.4
Phôi hợp kim nhôm gá đặt khi thí nghiệm
86
4.5
Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe
86
4.6
Máy cắt dây CW322S
87
4.7
Đồng hồ so
87
4.8
Lắp đặt cơ cấu tạo rung lên máy phay
88
4.9
Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan thƣờng
89
4.10
Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp

89
4.11
Phoi dây khi khoan thƣờng
90
4.12
Phoi vụn khi khoan có rung động trợ giúp
90
4.13
Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thường, b. Khoan
rung
91
4.14
Tính toán số lƣợng mẫu thí nghiệm cần thiết
91
4.15
Kết quả so sánh độ lay rộng
93
4.16
Hiện tƣợng lỗ không tròn (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thƣờng, b. Khoan
rung
93
4.17
Kết quả so sánh độ không tròn
95
4.18
Phân bố độ lay rộng lỗ; nét liền cho lỗ khoan thƣờng, nét đứt cho
lỗ khoan rung
96
4.19
Hiện tƣợng xiên lỗ khoan: a. Khoan thƣờng, b. Khoan rung

97
4.20
Chất lƣợng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ khoan
97



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

11




Danh mục các bảng, biểu

TT bảng
Nội dung
Trang
1.1
So sánh các phƣơng pháp gia công tích hợp rung siêu âm.
24
2.1
Phôi hợp kim nhôm tấm với thành phần hóa học cơ bản
40
2.2
Cơ tính của hợp kim nhôm A5052
41

3.1
Kết quả thử chuyển vị của lò xo
73
4.1
Thông số cơ bản của máy phay sử dụng thí nghiệm
84
4.2
Thông số mũi khoan thí nghiệm
84
4.3
Thành phần hợp kim nhôm A5052 thí nghiệm
85
4.4
Cơ tính của phôi gia công
86
4.5
Độ lay rộng lỗ khoan cho cả 2 phƣơng pháp khoan
92
4.6
Độ không tròn của lỗ khoan cho cả 2 phƣơng pháp khoan
95












Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

12

GIỚI THIỆU
Phần này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài
nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc. Mục 0.1 trình bày
về vấn đề nghiên cứu, hay tính cấp thiết của đề tài. Mục 0.2 tóm tắt các thông
tin tổng quan về các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về gia công có
rung động trợ giúp. Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu đƣợc thể hiện trong
mục 0.3. Mục 0.4 tóm tắt các kết quả chính đã đạt đƣợc về cả lý thuyết và thực
nghiệm. Mục cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận văn.
0.1. Vấn đề nghiên cứu
Hiện nay, hợp kim nhôm đang đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong các
lĩnh vực công nghiệp. Gia công cắt gọt hợp kim nhôm nói chung thƣờng dễ dàng
và có năng suất cắt cao hơn so với gia công thép và các hợp kim đen. Tuy nhiên,
do tính dẻo của hợp kim nhôm, gia công khoan vật liệu này thƣờng gặp phải các
vấn đề về năng suất và chất lƣợng lỗ khoan [1]. Trong quá trình khoan, phoi
không thể thoát ra khỏi vùng cắt một cách tự do nhƣ trong các dạng gia công
khác. Phoi (thƣờng là phoi dây) có ma sát mạnh với mặt trƣớc mũi khoan, rãnh
xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi thoát ra, bám chặt vào
rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn và do vậy lực ma sát làm tăng đáng kể lực cắt
[2]. Điều này có thể gây kẹt hoặc gãy mũi khoan. Hơn nữa, dòng ma sát của phoi
dây lên thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xƣớc vào bề mặt lỗ khoan làm
tăng độ nhám bề mặt lỗ khoan. Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trƣớc, với rãnh
xoắn mũi khoan và với thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây

mòn mũi khoan và cháy xém bề mặt lỗ khoan. Do hiện tƣợng phoi dây gây ma
sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hƣớng kính xuất hiện còn làm tăng hiện
tƣợng lay rộng lỗ, méo lỗ và làm tăng độ không thẳng của lỗ khoan [3].
Để khắc phục các vấn đề trên, thông thƣờng, mũi khoan dùng để gia công
nhôm và hợp kim nhôm cần có những lƣu tâm đặc biệt về mặt kết cấu và công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

13
nghệ chế tạo [4]. Tuy nhiên, trong đề tài này, một cách tiếp cận mới để giải quyết
các vấn đề khi khoan các vật liệu dẻo đã đƣợc nghiên cứu. Đó chính là ứng dụng
rung động cƣỡng bức vào quá trình khoan này. Đây là một vấn đề không mới
trên thế giới nhƣng rất mới tại Việt Nam, chƣa có một ứng dụng nào về rung
động trong gia công đƣợc triển khai. Đề tài này tập trung nghiên cứu lý thuyết về
các ƣu điểm vƣợt trội khi khoan vật liệu dẻo có rung động trợ giúp và thiết kế,
chế tạo một cơ cấu tạo rung động cho khoan và tiến hành thử nghiệm để hiện
thực hóa gia công có rung động trợ giúp tại Việt Nam.
0.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Kỹ thuật cắt tích hợp rung (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một
quá trình cắt tiên tiến đã đƣợc ứng dụng từ những năm 1960. Trong kỹ thuật cắt
này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các
PZT(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969,
và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi
nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện đƣợc tính ổn
định khi cắt cũng nhƣ độ chính xác gia công, chất lƣợng bề mặt (Skelton 1969;
Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi, 1997; Shamoto và Moriwaki,
1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự, 2004; Ma và cộng sự). Khi các
chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể đƣợc sản xuất bằng hệ thống phôi
– dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này giảm đƣợc cả thời gian gia công (5-

10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất nhiên làm tăng năng suất gia công
(Ma và cộng sự, 2004). Các nghiên cứu còn chỉ ra rằng, dụng cụ kim cƣơng có
thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm
khuôn, trong khi các phƣơng pháp truyền thống rất khó thực tế do tác động hóa
học cao hơn giữa kim cƣơng và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto
và cộng sự, 1997& 1999). Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc đƣợc các khó
khăn về tính kinh tế trong các phƣơng pháp gia công truyền thống nhƣ đã đƣợc
đề cập ở trên và nó còn có thể nhận đƣợc độ chính xác gia công cao cho nhiều
loại vật liệu gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự,
1979; Gao và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

14
2002; Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó, công nghệ UVC đã
nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong
tất cả các công nghệ gia công.
Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang đƣợc kết hợp với các phƣơng
pháp gia công khác, nhƣ khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng để tạo
ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002;
Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005;
Suzuki và cộng sự, 2006) [5].
Khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, ngoài vấn đề ma sát thì vấn đề ba via
cũng là một vấn đề lớn. Nghiên cứu của K. Adachi và cộng sự đã chỉ ra rằng, khi
khoan các loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm, thƣờng xuất hiện các ba
via ở mép đầu và đặc biệt là ở mép cuối lỗ khoan làm giảm chất lƣợng lỗ khoan
và thƣờng sau khi khoan cần phải có các nguyên công phụ để xử lý các ba via đó.
Ngoài ra, với các loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm, do hiện tƣợng
phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hƣớng kính xuất hiện

làm đẩy mũi khoan làm lay rộng lỗ, méo lỗ và xiên lỗ [6].
Gần đây, đã có những nghiên cứu về kỹ thuật khoan tích hợp rung động
cƣỡng để khắc phục những hạn chế trên [3, 5-13]. Nguyên lý chung của kỹ thuật
này là đƣa thêm vào quá trình cắt một nguồn rung động chủ động với biên độ f
và biên độ dao động A (A= 2- 30 m) theo hƣớng chuyển động chạy dao của
dụng cụ hoặc phôi. Quá trình cắt nhƣ thế này chính là điều khác biệt của khoan
rung và quá trình này gọi là khoan tích hợp rung động. Bản chất của kỹ thuật này
chính là tạo ra sự dao động tƣơng đối gữa dụng cụ cắt và phôi gia công. Do vậy,
có thể đặt nguồn rung động lên phôi hoặc dụng cụ cắt tùy vào từng điều kiện cụ
thể.
Nghiên cứu của Gwo-Lianq Chern và Han-Jou Lee đã chỉ ra rằng độ tròn, độ
lay rộng lỗ và độ xiên của lỗ khi khoan hợp kim nhôm Al 6061-T6 và thép kết
cấu SS41 đã đƣợc cải thiện rõ rệt (độ lay rộng lỗ có thể đạt dƣới 2m khi tần số
rung lớn hơn 10kHz) khi khoan có rung động trợ giúp [7]. B. Azarhoushang, J.
AkbariA và các nhà khoa học khác đã tiến hành nghiên cứu về gia công tích hợp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

15
rung. Kết quả đã cho thấy, nguồn rung động với tần số càng cao (tần số siêu âm)
thì hiệu quả của quá trình gia công càng cao [8].
Gia công tích hợp rung siêu âm là phƣơng pháp gia công có nguồn rung
động trợ giúp với tần số rung động từ 13-15 kHz trở lên, chỉ áp dụng cho các loại
vật liệu dòn [8]. Tuy nhiên, khoan với siêu âm trợ giúp lại là phƣơng pháp kết
hợp kết hợp rung siêu âm với khoan truyền thống nên có thể gia công hiệu quả
với cả vật liệu dòn và vật liệu dẻo. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã có nhiều cải
tiến đáng kể về lực dọc trục khi khoan, kích thƣớc các ba via, mài mòn mũi
khoan, giảm ồn, chất lƣợng bề mặt sau khoan.
Chang và Bone đã chỉ ra rằng khoan nhôm với rung siêu âm có thể giảm

đáng kể các ba via [9]. Neugebauer và Stoll đã thực nghiệm và chỉ ra rằng khi
khoan siêu âm hợp kim nhôm thì cả lực cắt và mô men đều giảm đến 30-50%,
lực cắt tác dụng lên lƣỡi cắt chính cũng giảm làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt lên
đến 20 lần so với khoan truyền thống. Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm để chỉ ra rằng, tồn tại một điều kiện cắt tối ƣu để giảm
thiểu lực cắt và mô men xoắn khi khoan [10]. Còn Onikura và các cộng sự đã sử
dụng một Piezoelectric (PZT) để tạo ra đƣợc tần số rung 40 kHz cho trục mũi
khoan. Họ thấy rằng, việc sử dụng rung siêu âm đã làm giảm ma sát giữa phoi và
mặt trƣớc dụng cụ, điều này làm cho phoi mỏng hơn nên lực cắt sẽ nhỏ hơn [11,
12]. Jin và Murakawa thấy rằng, mẻ lƣỡi cắt có thể đƣợc ngăn ngừa hiệu quả với
việc áp dụng rung siêu âm và do vậy tăng đƣợc tuổi thọ dụng cụ cắt. Takeyama
và Kato thấy rằng, lực cắt trung bình khi khoan cũng giảm khi kết hợp với rung
siêu âm. Phoi khi khoan mỏng hơn và dễ bóc tách hơn. Các ba via hình thành ở
phần vào và ra giảm rất nhiều do lực cắt thấp [13].
Nhƣ vậy, nói chung chất lƣợng tổng thể của phƣơng pháp khoan đƣợc cải
thiện đáng kể với sự trợ giúp của rung siêu âm. Việc sử dụng rung siêu âm trong
các quá trình gia công đã tạo ra nhiều ƣu thế cho gia công các loại vật liệu khó
gia công. Tuy nhiên, để tạo ra đƣợc quá trình khoan tích hợp siêu âm, cần phải có
thiết bị tạo siêu âm gồm các tấm Piezoelectric và máy phát xung. Các thiết bị này
đắt tiền và lắp nối khá phức tạp. Nhiều tác giả nghiên cứu và thấy rằng, gia công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

16
tích hợp rung tần số thấp cũng cải thiện đáng kể hiệu quả quá trình gia công, nhất
là khi khoan vật liệu dẻo nhƣ nhôm và hợp kim nhôm [6, 7].
Các kết quả cho thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện
điều kiện thoát phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ méo lỗ
khoan. Tuy vậy, các thiết bị tạo rung nói trên có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và

đắt tiền. Chính vì vậy, ứng dụng khai thác ƣu điểm của rung động trợ giúp gia
công khoan vẫn chƣa đƣợc phổ biến, đặc biệt là ở Việt Nam, khi mà điều kiện
mua sắm các thiết bị tinh xảo rất khó khăn. Đề tài “ Thiết kế, chế tạo cơ cấu
tạo rung động trợ giúp gia công cơ” này đƣợc thực hiện nhằm hiện thực hóa
việc khai thác cơ cấu rung tần số thấp, sử dụng kết cấu bánh lệch tâm, có giá
thành thấp cho gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm. Các kết quả đƣợc phân
tích cho thấy chất lƣợng lỗ khoan đƣợc cải thiện rõ rệt so với khoan thông
thƣờng.
0.3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm thiết kế chế tạo
bộ tạo rung động trợ giúp cho nguyên công khoan nhằm khẳng định tính ƣu việt
của phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp và hiện thực hóa phƣơng pháp
gia công tiên tiến này ở Việt Nam. Năng suất, độ tròn và độ thẳng của lỗ khoan
đƣợc chọn là các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ƣu việt của khoan có rung động trợ
giúp so với khoan truyền thống. Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:
1. Đánh giá tính khả thi của gia công khoan có rung động trợ giúp;
2. Thiết kế, chế tạo đƣợc bộ tạo rung động trợ giúp cho khoan;
3. Tiến hành thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp để so sánh năng
suất và chất lƣợng quá trình khoan này với quá trình khoan thƣờng.
0.4. Các kết quả đã đạt được
Đề tài lựa chọn, thiết kế và chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho
khoan theo 2 nguyên lý tạo rung động là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí
(tần số thấp) và rung siêu âm (tần số cao). Các thí nghiệm đã đƣợc thực hiện để
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

17
kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp.
Các kết quả mà đề tài đã đạt đƣợc bao gồm:

1. Tổng quan cơ sở, nghiên cứu đã triển khai về rung động trợ giúp
khoan;
2. Thiết kế, chế tạo đƣợc 2 cơ cấu tạo rung: cơ cấu tạo rung theo
nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện;
3. Vận hành, thí nghiệm khoan với sự trợ giúp của rung động bằng cơ
cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí;
4. Khẳng định đƣợc ƣu điểm vƣợt trội của khoan có rung động trợ giúp
so với khoan thƣờng thông qua các số liệu thực nghiệm;
5. Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung hỗ trợ khoan
các vật liệu dẻo;
6. Công bố 01 bài báo ("Khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm có trợ giúp
của rung động tần số thấp") trên tạp chí Khoa học và Công nghệ các
trƣờng Đại học Kỹ thuật, số 95.
0.5. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn đƣợc chia thành 4
chƣơng với các nội dung cơ bản từng chƣơng nhƣ sau:
Trong chương 1, tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các ƣu việt
nổi trội của phƣơng pháp này sẽ đƣợc trình bày. Phần cốt lõi của chƣơng chính là
so sánh các phƣơng pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa
chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
Chương 2 tóm tắt các dạng ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm trong công
nghiệp. Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp kim nhôm và hƣớng xử lý các khó
khăn đó bằng phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp cũng đƣợc phân tích cụ
thể.
Nguyên lý làm việc, thiết kế mô hình và các bƣớc thiết kế cũng nhƣ chế
tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan đƣợc trình bày
trong chương 3. Nguyên tắc thiết kế, chế tạo hai cơ cấu tạo rung theo hai phƣơng
pháp tạo rung động là phƣơng pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phƣơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Thực hiện: Phan Văn Nghị

18
pháp tạo rung động bằng các PZT đƣợc diễn đạt chi tiết. Các bƣớc lắp ghép các
chi tiết máy để hoàn chỉnh cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng đƣợc trình bày
trong chƣơng này.
Chương 4 trình bày cách thức thiết kế, triển khai, thu thập và phân tích số liệu
thí nghiệm. Ƣu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thƣờng đƣợc
phân tích thông qua các thí nghiệm so sánh đối chứng.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo đƣợc trình bày trong phần cuối
cùng của luận văn.





















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

19
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP
1.1. Giới thiệu
Chƣơng này trình bày tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các
ƣu việt nổi trội của nó. So sánh các phƣơng pháp tạo rung động, kết hợp với điều
kiện thực tế để lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử
nghiệm.
Phần 1.2 giới thiệu lịch sử, bối cảnh và sự cần thiết của việc xuất hiện
phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp. Phần 1.3 thể hiện các kiểu tích hợp
rung động khi gia công theo phƣơng pháp này. Phần 1.4 giới thiệu về các phƣơng
pháp tạo rung đã đƣợc áp dụng trong công nghiệp. Phần 1.5 đƣa ra các so sánh về
các phƣơng pháp tạo rung đó và quyết định chọn phƣơng pháp để thiết kế, chế
tạo và thử nghiệm. Phần cuối cùng của chƣơng chính là tóm tắt các kết luận
chính của chƣơng này.
1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp
Gia công chất lƣợng cao các loại vật liệu khó gia công nhƣ WC, thủy tinh,
gốm sứ, các hợp kim trên nên Ni và Ti, thép đã tôi và thép không gỉ chính là
một trong những hƣớng tiếp cận chính của ngành công nghiệp chế tạo. Những
loại vật liệu này sở hữu những đặc tính vật lý, cơ học, nhiệt học và hóa học riêng
biệt và đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, công
nghiệp hàng không, công nghiệp hóa học và nhiều ngành khác. Chẳng hạn nhƣ
các loại dụng cụ cắt, khuôn mẫu, các thiết bị quang học, thiết bị điện, các bộ
phận của máy bay, các bộ phận có độ bền tiếp xúc cao, các bộ phận cho lò phản
ứng hạt nhân và các thiết bị dùng trong gia đình Tuy nhiên, các phƣơng pháp

gia công truyền thống không thể sử dụng cho việc gia công chính xác các loại vật
liệu này (Kumabe và cộng sự, 1989; Xiao và cộng sự, 2003; Shamoto và
Moriwaki, 1994; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007). Trong các phƣơng pháp gia
công truyền thống, hầu hết các loại vật liệu khó gia công này gây ra các vấn đề
khi gia công nhƣ rung động, lẹo dao, biến dạng phoi và mòn dụng cụ cắt do các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

20
đặc tính cứng và giòn trên bề mặt gia công, độ bền cơ học, hóa học cao và khả
năng dẫn nhiệt kém của vật liệu gia công (Liu và cộng sự, 2002; Xiao và cộng
sự, 2003; Baibtsky và cộng sự, 2004; Suzuki và cộng sự, 2004 và 2007), điều này
làm cản trở quá trình gia công. Chẳng hạn, ống dẫn hƣớng của máy ảnh chính là
một bộ phận rất mỏng với yêu cầu độ nhẵn bề mặt trong phạm vi 0.8m để có thể
xoay và trƣợt thấu kính, không thể đƣợc chế tạo bằng các phƣơng pháp gia công
truyền thống (Gao và cộng sự, 2003). Ngoài ra, với các trƣờng hợp gia công các
loại vật liệu nhẹ, phƣơng pháp tiện truyền thống bằng dao kim cƣơng không thể
cho độ chính xác nhƣ yêu cầu (Kim và Choi, 1997). Tƣơng tự, thủy tinh và các
loại gốm yêu cầu một quá trình gia công lại nhƣ đánh bóng, mài, mài nghiền và
mài bóng cho bề mặt cuối cùng, do vậy làm tăng thời gian và giá thành gia công
và tất nhiên làm giảm năng suất gia công (Shamoto và cộng sự, 2007).
Các phƣơng pháp gia công tiên tiến nhƣ -EDM, ăn mòn hóa học, công
nghệ laze, mài ELID, USM, gia công điện- hóa học (ECM), đánh bóng hóa- cơ
học có thể áp dụng để gia công các loại vật liệu khó gia công khác nhau. Tuy
nhiên, chúng không đảm bảo vấn đề kinh tế khi gia công bởi vì năng suất gia
công rất thấp và chi phí gia công cao. Hơn nữa, -EDM, ăn mòn hóa học và các
công nghệ laze không thể ứng dụng để gia công các bề mặt bóng nhƣ gƣơng
(Suzuki và cộng sự, 2007). Ngoài ra, các phƣơng pháp nhƣ mài ELID, USM và
đánh bóng không thể ứng dụng để gia công chính xác với các biên sắc cạnh và

các mặt 3D phức tạp (Shamoto và cộng sự, 2005; Suzuki và cộng sự, 2007).
Kỹ thuật cắt tích hợp rung (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một
quá trình cắt tiên tiến đã đƣợc ứng dụng từ những năm 1960 bởi Voronin và
Marknov. Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số
siêu âm bởi đặc tính của các PZT(Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin,
1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián
đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ
cắt và cải thiện đƣợc tính ổn định khi cắt cũng nhƣ độ chính xác gia công, chất
lƣợng bề mặt (Skelton 1969; Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi,
1997; Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cộng sự’ 2002; Suzuki và cộng sự,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

21
2004; Ma và công sự). Khi các chi tiết với các bề mặt cần gia công tinh có thể
đƣợc sản xuất bằng hệ thống phôi – dụng cụ cắt đơn lẻ thì kỹ thuật cắt gọt này
giảm đƣợc cả thời gian gia công (5-10 %) và giá thành gia công (gần 30%) và tất
nhiên làm tăng năng suất gia công (Ma và cộng sự, 2004). Các nghiên cứu còn
chỉ ra rằng, dụng cụ kim cƣơng có thể ứng dụng trong kỹ thuật UVC (gia công
siêu âm) để gia công chính xác thép không gỉ, thép làm khuôn, trong khi các
phƣơng pháp truyền thống rất khó thực hiện do tác động hóa học cao hơn giữa
kim cƣơng và Các bon (Moriwaki và Shamoto, 1991; Shamoto và cộng sự,
1997& 1999). Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc phục đƣợc các khó khăn về
tính kinh tế trong các phƣơng pháp gia công truyền thống nhƣ đã đƣợc đề cập ở
trên và nó còn có thể nhận đƣợc độ chính xác gia công cao cho nhiều loại vật liệu
gia công khác nhau (Skelton và cộng sự, 1969; Kumabe và cộng sự, 1979; Gao
và cộng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cộng sự 2002;
Suzuki và cộng sự, 2004 & 2007). Với các lý do đó, công nghệ UVC đã nhận
đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các nhà chế tạo trong tất cả

các công nghệ gia công.
Ngày nay, nguyên lý của kỹ thuật UVC đang đƣợc kết hợp với các phƣơng
pháp gia công khác, nhƣ khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng để tạo
ra các lợi ích mong muốn (Guo và cộng sự, 1997; Egashira và cộng sự, 2002;
Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cộng sự, 2004; Jaitana và cộng sự, 2004 & 2005;
Suzuki và cộng sự, 2006) [5].
1.3. Các phương pháp gia công có rung động trợ giúp
1.3.1. Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC)
Kỹ thuật CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) lần đầu tiên
đƣợc đề xuất bởi Voronin và Marknov năm 1960. Trong 3 hƣớng rung có thể
đƣợc cung cấp trên đầu dụng cụ cắt bởi các cơ cấu rung áp điện- PZT, nhƣ đƣợc
thể hiện trên hình 1.1, chỉ có hƣớng tiếp tuyến với chi tiết thƣờng đƣợc các nhà
nghiên cứu sử dụng để thực nghiệm. Để đơn giản, gọi đây là phƣơng pháp UVC
(Ultrasonic Vibration Cutting). Tuy nhiên, không ít các nhà nghiên cứu
(Balamuth, 1966; Skelton, 1969; Kim và Choi, 1997; và Astachev và Babitsky,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

22
1998) đã thực hiện các thực nghiệm trên hƣớng rung theo phƣơng chạy dao và
thấy rằng năng suất cắt không đƣợc cải thiện rõ ràng khi so sánh với phƣơng
pháp UVC tiếp tuyến.

Hình 1.1. Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công
Không có một nghiên cứu nào sử dụng UVC theo phƣơng hƣớng kính chi
tiết bởi vì rung động theo hƣớng này không khả thi khi cắt vật liệu. Trong nhiều
nghiên cứu, UVC theo phƣơng tiếp tuyến đƣợc sử dụng. Trong 3 thập kỷ gần
nhất, phƣơng pháp CUVC đã đƣợc ứng dụng thành công cho nhiều loại vật liệu
khó gia công khác nhau bởi nhiều nhà nghiên cứu (Kumabe và cộng sự, 1984 &

1989; Babitsky và cộng sự, 2003 & 2004; Zhou và cộng sự, 2002; Kim và choi,
1997; Gao và cộng sự, 2002; Xiao và cộng sự, 2002). Trong phƣơng pháp này,
tần số siêu âm khoảng 20 kHz và biên độ rất nhỏ, khoảng 10-15 m đƣợc đặt lên
chuyển động liên tục của dụng cụ cắt (Babitsky và cộng sự, 2002). Tốc độ cắt
trong kỹ thuật UVC đƣợc đặt thấp hơn tốc độ rung lớn nhất của dụng cụ để dụng
cụ có thể tách ra khỏi bề mặt phôi gia công trong từng chu kỳ rung. Do sự tiếp
xúc không liên tục giữa dụng cụ cắt và phôi, lực cắt trong phƣơng pháp này giảm
đến khoảng vài lần khi so sánh với phƣơng pháp truyền thống và tuổi thọ dụng cụ
lớn hơn, quá trình cắt ổn định hơn và chất lƣợng bề mặt cao hơn [5].
1.3.2. Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)
Phƣơng pháp UEVC(hoặc 2-D UVC) lần đầu tiên đƣợc đề xuất bởi
Shamoto và Moriwaki vào năm 1993. Phƣơng pháp này đã phát triển để trở thành
một công nghệ hứa hẹn vƣợt trội hơn nhiều so với các phƣơng pháp CC (gia
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

23
công truyền thống) và CUVC và lợi ích hơn nhiều so với các phƣơng pháp gia
công tiên tiến khác cho việc gia công siêu chính xác các loại vật liệu khó gia
công. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật cắt này là dụng cụ cắt rung trong theo quỹ
tích hình elip trong mặt phẳng tạo bởi phƣơng cắt gọt và hƣớng của dòng phoi,
nhƣ đƣợc thể hiện trên hình 1.2. Do vậy, mặt trƣợc dụng cụ cắt có thể tƣơng trợ
để kéo các phoi ra từ phôi trong chuyển động thẳng đứng của nó thuộc rung
động. Ngoài ra, ma sát giữa mặt trƣớc dụng cụ cắt và phoi trong hƣớng chuyển
động thẳng của dụng cụ cắt trong mỗi chu kỳ rung cũng giảm làm giảm đáng kể
lực cắt và năng lƣợng để cắt (Shamoto và Moriwaki, 1994; và Ma và cộng sự,
2004), làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện đƣợc công suất cắt trong tất cả
các khía cạnh (Shamoto và cộng sự, 1997 & 2005).


Hình 1.2. Mô hình cắt rung theo kiểu elip [5]
1.3.3. So sánh giữa các phương pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và
UECV
Qua các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã thực hiện, lực cắt, mòn
dụng cụ cắt, tuổi bền dụng cụ cắt, chiều dày phoi, vấn đề giảm ba via, độ tròn của
chi tiết cũng nhƣ độ nhẵn bề mặt gia công đạt đƣợc đã đƣợc so sánh giữa các
phƣơng pháp gia công: phƣơng pháp gia công truyền thống, phƣơng pháp gia
công tích hợp rung truyền thống và phƣơng pháp gia công tích hợp rung kiểu
elip.
Các kết quả đã cho thấy, phƣơng pháp gia công truyền thống tồn tại nhiều
nhƣợc điểm nhƣ lực cắt lớn, gây mòn nhanh dụng cụ cắt và giảm tuổi bền của
dụng cụ cắt; chiều dày phoi còn chƣa cải thiện đƣợc, trong khi chất lƣợng chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Thực hiện: Phan Văn Nghị

24
sau gia công còn chƣa cao. Trong khi đó, áp dụng phƣơng pháp gia công tích hợp
rung, mà đặc biệt là phƣơng pháp gia công tích hợp rung kiểu elip, chất lƣợng và
hiệu quả của quá trình gia công đƣợc cải thiện rất đáng kể. So sánh cụ thể đƣợc
thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. So sánh các phương pháp gia công tích hợp rung siêu âm
STT
Phương pháp
Thôngsố
Gia công
truyền thống
Gia công với
rung siêu âm
truyền thống

Gia công với
rung siêu âm
kiểu elip
1
Lực cắt
Rất cao
Thấp
Rất thấp
2
Mòn dụng cụ cắt
Rất cao
Thấp
Rất thấp
3
Tuổi bền
Rất thấp
Cao
Rất cao
4
Chiều dày phoi
Lớn
Trung bình
Rất nhỏ
5
Sự khử ba via
Không
Trung bình
Cao
6
Độ tròn của chi tiết

Thấp
Hợp lý
Độ chính xác
cao
7
Độ nhẵn bề mặt, Ra
> 1 m
Có thể < 0.1
m
< 0.1 m
1.4. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp gia công
Để thiết kế, chế tạo bộ tạo rung, cần thiết phải lựa chọn đƣợc nguyên lý
tạo rung động. Theo các nguyên lý khác nhau, hiện nay có 5 phƣơng pháp tạo
rung động đã đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp gồm: tạo rung bằng ly tâm
cơ khí, bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi), bằng truyền dẫn khí nén hay thủy
lực, bằng điện từ và bằng siêu âm.
1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí

Hình 1.3. Nguyên lý hình thành lực ly tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên