ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT TRƯỢT GIỮA THÉP GIÓ VÀ NHÔM KHI BỔ SUNG RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM
Chu Ngọc Hùng*, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Bài báo này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát. Ảnh hưởng của rung động tần số siêu âm, có phương song song với phương vận tốc trượt đến lực ma sát đã được phân tích trên cặp vật liệu thép gió và nhôm trong điều kiện ma sát khô. Một mô hình mô tả ảnh hưởng của rung động siêu âm đã được xây dựng dưới dạng một hàm phụ thuộc vào vận tốc trượt.
Các kết quả được sử dụng cho các nghiên cứu bản chất hiệu ứng tích cực của rung động trong trợ giúp gia công khoan.
Từ khóa: Hiệu ứng giảm ma sát; vận tốc trượt; siêu âm trợ giúp gia công; ma sát trượt khô;
khoan lỗ GIỚI THIỆU*
Ma sát giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình cắt. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy ma sát làm tăng nhiệt cắt, lực cắt, làm giảm tuổi bền dụng cụ cũng như làm giảm chất lượng bề mặt gia công [1-3]. Chẳng hạn, mô men do ma sát giữa phoi, mũi khoan và thành lỗ trong nhiều trường hợp có thể lớn gấp 5 lần so với mô men cần thiết để thực hiện quá trình cắt[1]. Việc giảm ma sát trong gia công có ý nghĩa quan trọng. Có nhiều giải pháp đã và đang được sử dụng, bao gồm các phương pháp bôi trơn làm nguội tiên tiến[2], nâng cao chất lượng bề mặt dụng cụ v.v..Một giải pháp mới đã và đang thuhút nhiều nghiên cứu là sử dụng gia công có rung động trợ giúp (VAM). Nhiều tính năng ưu việt của kĩ thuật gia công này đã được khẳng định như: nâng cao chất lượng gia công, năng suất cắt, kéo dài tuổi bền dụng cụ. Một trong các nguyên nhân cơ bản mang lại ưu việt của VAM so với gia công truyền thống là hiệu ứng giảm ma sát do rung động. Nhiều nghiên cứu cho thấy, ma sát có thể giảm đáng kể khi bổ sung một rung động siêu âm vào chuyển động tương đối giữa hai mặt tiếp xúc theo các phương khác nhau như: Vuông góc [3-5], song song [3, 6-8] hoặc vuông góc với nhau trong cùng một mặt phẳng [9].
Trong gia công khoan, khả năng cải thiện điều kiện thoát phoi được xem như một sự khác biệt lớn giữa hai kĩ thuật khoan có rung trợ giúp và khoan thường[10]. Chuyển động gây ra bởi rung động siêu âm làm giảm ma sát giữa phoi và bề mặt rãnh xoắn mũi khoan tương tự như có sự xuất hiện của chất bôi trơn, do đó không còn hiện tượng bám dính phoi trên rãnh [11]. Mặc dù ảnh hưởng tích cực của rung động siêu âm đã được nhiều nghiên cứu quan tâm[4-8, 12], theo hiểu biết của tác giả, vẫn chưa có nghiên cứu nào thực hiện đánh giá hiệu ứng giảm ma sát cho cặp vật liệu thép gió-hợp kim nhôm. Nghiên cứu tương tác ma sát cho cặp vật liệu này có ý nghĩa ứng dụng quan trọng cho bài toán khoan hợp kim nhôm bằng mũi khoan thép gió. Bài báo này trình bày các kết quả đánh giá thực nghiệm hiệu ứng giảm ma sát trên cặp vật liệu thép gió-hợp kim nhôm dưới tác dụng của rung động siêu âm. Kết quả của nghiên cứu này được sử dụng để khảo sát ảnh hưởng tích cực của rung động khi khoan.
MÔ TẢ THÍ NGHIỆM
Sơ đồ thí nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát do rung độngđược mô tả như trên Hình 1.Tấm trượt (4) gắn trên cảm biến lực ba thành phần (5) được cố định trên bàn máy phay (6) trượt tương đối với đầu trượt (3) gắn với bộ chuyển đổi siêu âm (2) được cố định trên trục chính. Áp lực trên bề mặt tiếp xúc
thẳng đứng của bàn máy. Cảm biến dịch chuyển LDVT (7) một đầu cố định vào thân máy một đầu dịch chuyển theo bàn máy để xác định vị trí tương đối giữa đầu trượt với tấm nhôm.
Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm đo ma sát 1-Trục đứng máy phay; 2-Bộ chuyển đổi siêu âm;
3-Đầu trượt (Thép gió); 4-Tấm trượt (Nhôm Al6061); 5-Cảm biến lực ba thành phần (Kistler 9257BA); 6-Bàn máy phay; 7-Cảm biến vị trí (LDVT); 8-Bộ khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu;
9-Bộ thu thập dữ liệu (DAQ); 10-Máy tính.
Hình 2. Biến đổi của lực ma sát khi bắt đầu trượt Các thí nghiệm đo lực ma sát được thực hiện với 02 giá trị lực pháp tuyến là 40 (N) và 60 (N) trên cả hai trường hợp có rung và không córung ở 05 giá trị vận tốc trượt.
Hệ số ma sát được tính bởi công thức:
f N
F
F
(1)Trong đó, Ff là lực ma sát và FN là áp lực pháp tuyến.
Quá trình tiếp xúc giữa hai bề mặt của cặp vật liệu được chia làm 03 giai đoạn như minh họa trên Hình 2. Thời điểm T1 chưa có dịch chuyển, lực pháp tuyến được điều chỉnh đến giá trị khảo sát (tại thời điểm này lực ma sát có giá trị bằng 0). Thời điểm bắt đầu của T2, bắt đầu có dịch chuyển giá trị lực ma sát ở đây là lực ma lực sát tĩnh. Khoảng thời gian T3 là thời điểm có dịch chuyển tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc với vận tốc trượt ổn định. Giá trị của lực ma sát và lực pháp tuyến trong thời điểm này được sử dụng để tính hệ số ma sát. Thông số thu nhận từ cảm biến vị trí cho phép lựa chọn khoảng dịch chuyển được lấy khảo sát trên tất cả các thí nghiệm là như nhau.
Trên đồ thị cho thấy giá trị lực pháp tuyến giảm so với thời điểm ban đầu, nguyên nhân của hiện tượng này là do độ không song song giữa đầu trượt và tấm trượt. Quan sát đồ thị cho thấy sự biến thiên của hệ số ma sát chia thành ba khoảng rõ rệt: Tăng dần ở khoảng T1, sau đó tăng đến giá trị lớn nhất ở khoảng T2 và có xu hướng ổn định cho phần còn lại.
Ảnh hưởng của điều kiện và tính chất bề mặt tiếp xúc là nguyên nhân gây biến động của hệ số ma sát trong khoảng T3.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các kết quả được thống kêvà trình bày trong bảng 1 và bảng 2. Trong các bảng này,µmean, µmin, µmax lần lượt là các giá trị trung bình, nhỏ nhất và lớn nhất của hệ số ma sát. Giá trị trung bình được sử dụng để so sánh hệ số ma sát giữa hai trường hợp có rung và không có rung.Trên các thí nghiệm với 02 giá trị lực pháp tuyến và 05 giá trị vận tốc trượt khác nhau, hệ số ma sát đều giảm khi có rung so với khi không có rung.
Bảng 1. Hệ số ma sát tương ứng với lực pháp tuyến = 40 (N) Vận tốc
trượt (m/s)
Hệ số ma sát có rung Hệ số ma sát không rung Giảm hệ số ma sát (%)
µmean µmin µmax µmean µmin µmax
0,0003333 0,27037 0,12859 0,46114 0,60421 0,46697 0,7961 55,25 0,0005333 0,23007 0,11147 0,42212 0,58006 0,42556 0,75981 60,33 0,00075 0,21116 0,10465 0,3648 0,57445 0,42071 0,68576 63,24 0,00115 0,18743 0,09197 0,40084 0,55666 0,383 0,76139 66,32 0,0018 0,15815 0,03964 0,3792 0,53344 0,36769 0,72989 70,35
Bảng 2. Hệ số ma sát tương ứng với lực pháp tuyến = 60 (N) Vận tốc trượt
(m/s)
Hệ số ma sát trượt có rung Hệ số ma sát trượt không rung Giảm hệ số ma sát (%)
µmean µmin µmax µmean µmin µmax
0,0003333 0,29494 0,15146 0,42875 0,58866 0,39079 0,74488 49,89 0,0005333 0,23981 0,12631 0,38321 0,56303 0,44348 0,70111 57,40 0,00075 0,21009 0,07632 0,41465 0,55142 0,42346 0,74883 61,90 0,00115 0,16181 0,05505 0,30792 0,5343 0,36649 0,75241 69,71 0,0018 0,14448 0,06451 0,283 0,51376 0,38329 0,70222 71,87
Hình 3. Quan hệ giữa hệ số ma sát và vận tốc trượt: (a) có rung, (b) không có rung Ảnh hưởng của vận tốc trượt đến hệ số ma sát Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt tương đốiđược phân tích hồi quy như minh họa trên Hình 3. Phương trình hồi quy
x
a b ec
(2) trong đó, x là vận tốc trượt, a,b, c là các hệ số tính toán. Quan hệ giữa Hệ số ma sát và vận tốc trượt khi có rung (µUAD ) và không có rung động bổ sung (µCD) thu được qua hồi quy như sau:
µUAD= 0,13383 + 0,30914.e-1960.6517.(x)
(3) µCD = 0,13383 + 0,30914.e-1960.6517.(x)
(4) Trong đó µ là hệ số ma sát và x là vận tốc trượt tương đối, tham số R bình phương hiệu chỉnh (adjusted R square) lần lượt là 0,99229 và 0,9805 cho thấy mô hình hồi qui có độ tin cậy cao.
Trường hợp không có rung: Hệ số ma sát giảm khi tăng vận tốc trượt, kết quả này là phù hợp với nghiên cứu của M. A.
Chowdhury và cộng sự [14] với cặp vật liệu Nhôm-Thép chậm rỉ. Mối quan hệ này cũng được tìm thấy trong một nghiên cứu khác của D. KAKAŠ và cộng sự [15] trên cặp vật liệu TiN-Nhôm. Tuy nhiên mức độ biến thiên nhỏ của hệ số ma sát (trong khoảng 0,07) ở trường hợp không có rung cho thấy cần tăng vận tốc trượt lên rất lớnđể có thể nhận được hệ số ma sát nhỏ.Tuy nhiên, khi tăng vận tốc trượt có thể làm tăng lực ma sát. Chẳng hạn, nghiên cứu của D. M. Nuruzzaman và M. A.
Chowdhury trên mô hình đĩa quay với cặp vật liệu Nhôm-Nhôm và Nhôm-Đồng [16] cho thấy, hệ số ma sát tăng khi vận tốc trượt tăng.
(b)
(a)
Quá trình trượt tương đối liên tục giữa hai vật liệu sẽ làm nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc tăng lên nhanh chóng, đặc biệt ở những kim loại có độ nóng chảy thấp. Nhiệt độ cao dẫn tới sự thay đổi pha trạng thái rắn và làm giảm các thuộc tính của vật liệu. Một số hiện tượng có thể xảy ra trong trường hợp này như hiện tượng bám dính, ô xi hóa hay cào xước của vật liệu.
Trường hợp có bổ sung rung động vào chuyển động trượt tương đối: Hệ số ma sát khi có rung đều nhỏ hơn so với không có rung ở cả hai điều kiện áp lực pháp tuyến trên tất cả các giá trị vận tốc trượt tương ứng, tỉ lệ này lên tới trên 70% (Bảng 1 và Bảng 2).
Nguyên nhân chính dẫn tới giảm lực ma sát là do sự chênh lệch rất lớn gữa vận tốc trượt tương đối và vận tốc rung, khi đó vận tốc rung là thành phần chính của vận tốc trượt tương đối. Điều này tương đương với vận tốc trượt tương đối phải tăng rất cao để có thể giảm lực ma sát trong trường hợp không có rung, một thực tế khó có thể đạt được trong phần lớn các cơ cấu dẫn động thông thường do nhiều nguyên nhân khác nhau.Kết quả trên cũng phù hợp vớinghiên cứu của V.C. Kumar và I. M. Hutchings [9] khi bổ sung một rung động có biên độ 10µm và tần số 20kHz vào chuyển động tương đối giữa hai bề mặt của các cặp vật liệu giữa thép dụng cụvới nhôm, đồng và đồng nguyên chất, lực ma sát giảm tới trên 80% đã được ghi nhận. Trong đó tỉ số lực ma sát trung bình khi có rung vớilực ma sát khi không có rung càng nhỏ khi vận tốc trượt càng tăng.
Hiệu ứng giảm ma sát trong gia công khoan có rung động trợ giúp
Tổng mô men sinh ra trong quá trình khoan được chia làm hai thành phần như minh họa trên Hình 4. Trong đó mô men cần thiết để xảy ra quá trình cắt về nguyên tắc chỉ phụ thuộc vào đường kính lỗ khoan, lượng tiến dao và độ cứng vật liệu. Tuy nhiên một thực tế cho thấy mô men tăng nhanh khi tăng chiều sâu lỗ khoan, trong đó thành phần mô men thoát phoi -sinh ra do ma sát giữa phoi với rãnh xoắn và phoi với thành lỗ khi khoan có giá trị lớn hơn nhiều so với mô men cần thiết để bóc tách kim loại (Mô men cắt).
Hình 4. Mô men trong quá trình khoan Thí nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát khi khoan có rung động trợ giúp so với khoan thường được thực hiện với 02 giá trị lực dọc trục là 6kg và 12kg với 05 lỗ khoan tương ứng. Vận tốc dịch chuyển tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi (x) được xác định bởi tỉ số chiều sâu lỗ khoan với thời gian gia công.
Hệ số ma sát được xác định bởi phương trình hồi qui (2) và (3). Trên bảng 3, giá trị vận tốc dịch chuyển được lấy trung bình trên 05 lỗ khoan cho mỗi chế độ khoan có rung trợ giúp và không có rung.
Bảng 3. Hệ số ma sát tương ứng với các giá trị lực dọc trục (xUAD là vận tốc dịch chuyển khi có rung và xCD là vận tốc dịch chuyển khi không có rung)
FF (kg) xUAD (m/s) µUAD xCD (m/s) µCD
6 0,001 0,177 0,000333333 0,586
12 0,001583333 0,147 0,00075 0,551
Kết quả của rung động làm giảm hệ số ma sát từ đó làm giảm mô men và giảm nhiệt trong quá trình khoan được mô tả trên Hình 5.
Hình 5. Mô men và nhiệt trên phôi tương ứng với lực dọc trục bằng 6kg: (a) khoan có rung trợ giúp,
(b) khoan thường
Thống kê so sánh theocặp (paired-t test) mô men ma sát giữa khoan có rung động trợ giúp và khoan không có rung động trợ giúp. Kết quả phân tích cho thấy với độ tin cậy 95% mô men ma sát khi khoan có rung động bổ sung giảm tới 70% và 65%, nhiệt trên phôi giảm 65% và 60% so với khi khoan thường tương ứng với hai giá trị lực tác dụng 6 kg và 12 kg.
KẾT LUẬN
Một nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát dưới tác động của rung động siêu âm bổ sung dọc theo phương vận tốc trượt đã được thực hiện. Mức độ giảm của hệ số ma sát theo vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc đã được xác định. Mô men do ảnh hưởng của ma sát và nhiệt trên phôi khi khoan có rung trợ giúp giảm đáng kể so với khoan trường đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Tốc độ dịch chuyển lớn hơn tuy nhiên mô men và nhiệt trên phôi nhỏ hơn đáng kể ở trường hợp khoan có rung trợ
tác dụng không đổi cho thấy ưu điểm vượt trội của kĩ thuật khoan có rung trợ giúp đó là cải thiện tính năng gia công và tăng năng suất.
Lời cảm ơn. Nghiên cứu này được tài trợ bởi các đề tài NCKH mã số B2013-TN01-02 và ĐH2013-TN02-09.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Mellinger J. C. et al (2002), "Modeling Chip- Evacuation Forces and Prediction of Chip- Clogging in Drilling", Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.(124), pp. 605-614 2. Duc Tran Minh, L. T. T. and N. T. B (2017),
"Performance of Al2O3 nanofluids in minimum quantity lubrication in hard milling of 60Si2Mn steel using cemented carbide tools", Advances in Mechanical Engineering, Vol. 9(7), pp. 1–9 3. H. Storck W. L., J. Wallaschek, M. Mracek (2002), "The effect of friction reduction in presence of ultrasonicvibrations and its relevance to travelling wave ultrasonic motors", Ultrasonics, Vol.(40), pp. 379–383
4. Vezzoli E., et al (2017), "Friction Reduction through Ultrasonic Vibration: Part 1: Modelling Intermittent Contact", IEEE Trans Haptics, Vol.10(2), pp. 196-207
5. Grudziński K. and R. Kostek (2005),
"Influence of normal micro-vibrations in contact on sliding motion of solid body", Journal of theoretical And applied mechanics, Vol.43(1), pp.
37-49
6. Qu, H., et al (2015),"A model of friction reduction with in-plane high-frequency vibration",Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, Vol. 230(8),pp. 962-967 7. Leus, M. and P. Gutowski (2008),"Analysis of longitudinal tangential contact Vibration effect on friction force using Coulomb and dahl models",Journal of theoretical And applied mechanics, Vol. 46(1), pp. 171-184
8. W. Littmann H. S., J. Wallaschek (2001),
"Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations superposition of longitudinal oscillations", Archive of Applied Mechanics- Springer-Verlag, Vol.(71), pp. 549-554
9. Kumar V.C. and I.M. Hutchings (2004),
"Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration", Tribology International, Vol. 37(10), pp. 833-840
10. Hiromichi ONIKURA And
(a)
(b)
Precision Engineering Society Journal, Vol.
64(11), pp. 1633-1637
11. Thomas, P.N.H. and V.I. Babitsky (2007),
"Experiments and simulations on ultrasonically assisted drilling", Journal of Sound and Vibration, Vol. 308(3-5), pp. 815-830
12. H. Storck W.L., J. Wallaschek, M. Mracek (2002), "The effect of friction reduction in presence of ultrasonic vibrations and its relevance to travelling wave ultrasonic motors", Ultrasonics, Vol. (40), pp. 379–383
13. Stembalski M., P. Preś, and W. Skoczyński (2013), "Determination of the friction coefficient as a function of sliding speed and normal pressure for steel C45 and steel 40HM", Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. 13(4), pp. 444- 448.
14. M.A.Chowdhury, M.K.K., D.M.Nuruzzaman, M.L.Rahaman (2011),"The Effect of Sliding Speed and Normal Load on Friction and Wear Property of Aluminium",International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, Vol.
11(01), pp. 45-49
15. D. Kakaš, B.Š., S. Mitrović, M. Babić,P.
Terek, A. Miletić, M. Vilotić (2009),"Influence of Load and Sliding Speed on Friction Coefficient of IBAD Deposited TiN",Tribology in industry, Vol.
31(3&4), pp. 3-9
16. Muhammad Nuruzzaman, D. and M.
Asaduzzaman Chowdhury (2012),"Effect of Normal Load and Sliding Velocity on Friction Coefficient of Aluminum Sliding Against Different Pin Materials",American Journal of Materials Science, Vol. 2(1), pp. 26-31
SUMMARY
EVALUATION OF SLIDING FRICTION REDUCTION BETWEEN HIGH SPEED STEEL AND ALUMINUM IN PRESENCE OF ULTRASONIC VIBRATION
Chu Ngoc Hung*, Ngo Quoc Huy, Nguyen Van Du University of Technology - TNU
This paper presents an experimental study to evaluate the effect of vibration on friction reduction.
The influence of ultrsonic vibration along the sliding velocity on the dry frictional force between high speed steel and aluminum has been analysed. A model of the friction coefficient in the presence of ultrasonic vibration has been developed as a function of sliding velocity. The results have been used for studies on the active effects of vibration assisted drilling.
Keywords: Friction reduction; sliding velocity; vibration assisted machining;dry sliding friction, drilling.
Ngày nhận bài: 01/11/2017; Ngày phản biện: 28/11/2017; Ngày duyệt đăng: 05/01/2018
*Tel: 0912 621241, Email:chungochung@tnut.edu.vn
