KHAI THÁC HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT DO RUNG ĐỘNG TRONG GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP
Nguyễn Văn Dự1*, Chu Ngọc Hùng1, Hồ Hữu Đức2
1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên
2Trường Cao đẳng nghề Việt-Hàn, Vinh, Nghệ An
TÓM TẮT
Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng giảm ma sát dưới tác động của rung động dọc theo phương vận tốc trượt. Mô hình rung động dọc theo phương vận tốc trượt được khai thác trong gia công khoan có rung động siêu âm trợ giúp. Thực nghiệm thống kê cho thấy, mô men phát sinh khi khoan giảm đến 30%. Hiệu ứng giảm ma sát tăng cường khả năng thoát phoi, giảm mô men xoắn mũi khoan, dẫn đến giảm nhiệt cắt và do đó, nâng cao tuổi bền mũi khoan. Kết quả thực nghiệm đóng vai trò cơ sở cho việc phát triển các mô hình lý thuyết khái quát sau này.
Từ khóa: hiệu ứng ma sát, rung động, rung động trợ giúp, vận tốc trượt, rung động siêu âm
GIỚI THIỆU*
Hiệu ứng giảm ma sát do rung động đã được quan sát và nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua [1-9]. Ảnh hưởng của rung động theo các phương tương quan giữa bề mặt trượt và phương chuyển động tương đối bao gồm:
phương pháp tuyến [1-4,9], trùng phương [6, 8] trong cùng mặt phẳng nhưng vuông góc nhau [7]. Hiệu ứng giảm ma sát do rung động đã và đang được khai thác tích cực trong gia công cơ khí [10-14] và các lĩnh vực khác [5, 15]. Hiệu ứng giảm ma sát giữa hai bề mặt trụ tiếp xúc có áp lực pháp tuyến cũng đã được đánh giá bằng thực nghiệm [16]. Đặc biệt, nghiên cứu của Mellinger và cộng sự cho thấy, 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 [17,18]. Ngoài ra, mô men lớn là một trong những nguyên nhân chính gây gãy mũi khoan. Do vậy, việc giảm ma sát khi khoan có một ý nghĩa quan trọng. Thêm nữa, ma sát lớn giữa dao và dụng cụ có thể phát sinh nhiệt lớn, gây hiện tượng dính bết phoi lên dụng cụ, làm giảm tuổi bền dụng cụ.
Bài báo này giới thiệu cách thức tiếp cận thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động và ứng dụng trong gia công cơ khí. Mô hình đánh giá ảnh hưởng của rung động làm
*Tel: 0916 056618, Email: vandu@tnut.edu.vn
giảm ma sát trượt khô được phân tích. Hiệu quả giảm mô men ma sát khi thực nghiệm khoan hợp kim nhôm được phân tích thông qua kỹ thuật thống kê so sánh.
HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT TRƯỢT KHÔ DO RUNG ĐỘNG
Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều thực nghiệm đo ma sát thông qua mô hình đĩa quay (pin-on-disk). Bề mặt tiếp xúc phát sinh ma sát thường là tiếp xúc điểm, không phản ánh đúng điều kiện tiếp xúc trong các bài toán thực tế. Trong nghiên cứu này, bề mặt tiếp xúc được thực nghiệm dưới dạng các cặp tiếp xúc mặt hình chữ V, một dạng tiếp xúc rất phổ biến trong kỹ thuật. Mô hình thực nghiệm được minh họa trên hình 1. Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng 1 được cố định trên bàn máy phay 10. Bàn trượt 2 được đặt lên giá sao cho các sống trượt tiếp xúc với rãnh trượt trên giá.
Thiết bị tạo rung 5 (mini shaker MS-20) và thiết bị đo lực 4 (loadcell MNC- 100L) được bắt vít cố định trên bàn trượt 10 của máy phay KNUTH – VHF3. Thanh chắn 5 có nhiệm vụ tỳ lên loadcell và cản trở chuyển động tịnh tiến khi bàn máy phay chạy sang phải để (3) thu nhận tín hiệu lực.
Hình 2 minh họa một số kết quả thu được từ thực nghiệm. Trên hình 2(a), hệ số ma sát thực nghiệm đo tại 7 giá trị vận tốc trượt khác nhau:
0.533x10-3, 0.75x10-3, 1.15x10-3, 1.717x10-3, 2.8x10-3, 3.883x10-3 và 6x10-3 m/s.
Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm đo ma sát tích hợp cơ cấu rung
(a) (b)
Hình 2. (a) Hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc trượt khi không có rung động và (b)Hiệu ứng giảm ma sát do rung động
Hệ số ma sát f được hồi quy thành hàm phụ thuộc vận tốc trượt tương đối V (m/s):
f = 0.635 – 73.86 V + 6447.69 V2 (1) Hiệu ứng giảm ma sát do rung động được minh họa như trên hình 2(b), khi vận tốc trượt được giữ cố định ở mức 3.883x10-3 m/s, đồng thời được bổ sung một rung động dọc theo phương trượt. Rung động được ngắt trong một thời gian ngắn để làm nổi bật hiệu ứng giảm ma sát do rung động. Trong vùng , chưa có chuyển động tương đối, cho nên lực ma sát và hệ số ma sát đo được bằng không.
Hệ số ma sát trượt khi có rung được biểu diễn trong vùng , giá trị đo được khoảng 0.14. Tín hiệu nguồn rung động được tắt trong vùng .
Dễ thấy hệ số ma sát khi tắt rung động tăng vượt bậc (0.46) so với khi có rung động.
HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT TRONG GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động trợ giúp gia công [10-14], tuy nhiên vai trò làm giảm ma sát của rung động chưa được đánh giá rõ nét.
Như phân tích trong phần giới thiệu, nghiên cứu của Mellinger và cộng sự cho thấy, trong gia công khoan, mô men sinh ra do mát giữa dụng cụ, phoi và thành lỗ khoan có thể lớn gấp 5 lần so với mô men cắt. Ngoài ra, mô men lớn là một trong những nguyên nhân chính gây gãy mũi khoan. Do vậy, việc giảm ma sát khi khoan có một ý nghĩa quan trọng.
Mô hình thí nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát khi khoan có rung động trợ giúp được minh họa trên hình 3.
Hình 3. Ảnh chụp thí nghiệm
Trên hình 3, đầu phát rung siêu âm được cặp trên mâm cặp máy tiện, trên đầu rung gắn mũi khoan xoắn HSS. Phôi được gá trên một đầu trục lắp trên hai ổ lăn. Mô men phát sinh khi khoan có xu hướng xoay trục gá phôi. Một cảm biến lực được gá sao cho có tác dụng cản lại xu hướng xoay này. Giá trị lực tác dụng lên cảm biến được dùng để xác định mô men do mũi khoan tác dụng lên phôi trong quá trình khoan. Giá trị mô men trong khoảng thí nghiệm đã được kiểm chuẩn bằng đầu đo mô men chuẩn thương mại. Đầu phát rung được nối với nguồn điện có công suất 3 KW. Đầu mũi khoan được thiết lập rung động với tần số 20 KHz, biên độ khoảng 10 micromet.
Chuyển động chạy dao khi này sẽ bao gồm hai chuyển động thành phần: (1) chuyển động chạy dao thông thường và (2) dao động cưỡng bức của đầu mũi khoan do rung động truyền đến. Dao động này có thể biểu diễn bằng phương trình sau:
) sin(
)
( t A
0t
A
(2)Trong đó, A0 là biên độ lớn nhất của rung động, trong trường hợp này, A0=10-6 mm. Khi đó, rung động này sẽ bổ sung một thành phần vận tốc trượt dọc theo trục mũi khoan:
)
0
cos( t A
V
r
(3)với
2 f
, f là tần số rung động, f=20 KHz. Khi này, vận tốc trượt lớn nhất được xác định:
2 fA
0V
r
1.26 m/s (4)Dựa trên giá trị vận tốc trượt bổ sung khá lớn này, có thể phát biểu giả thuyết rằng: rung động siêu âm do có tần số lớn, nên tạo nên vận tốc chuyển động trượt đáng kể giữa dụng cụ và thành lỗ, nên có thể gây hiệu ứng giảm ma sát đáng kể. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành nhằm kiểm chứng giả thuyết này.
Hình 4 minh họa một kết quả đo mô men khi khoan. Như có thể thấy trên hình 4, trong giai đoạn đầu, mô men tăng đến giá trị cần thiết để cắt gọt, được ghi chú là "Momen cat". Về nguyên tắc, mô men cắt không phụ thuộc chiều sâu lỗ khoan. Tuy nhiên, lỗ khoan được càng sâu thì ma sát giữa phoi, mũi khoan và thành lỗ càng lớn. Tại một thời điểm bất kỳ, phần chênh lệch giữa các giá trị mô men này so với mô men cắt (coi như không đổi) chính là mô men ma sát. Giá trị mô men ma sát nói chung thay đổi ngẫu nhiên, tùy thuộc xác xuất xuất hiện phoi kẹt nhiều hay ít trong rãnh mũi khoan.
Hình 4. Mô men cắt và mô men ma sát khi khoan Tiến hành thực nghiệm cho một số chế độ cắt thông dụng khi khoan và tiến hành thống kê so sánh theo cặp (paired-t test) ma sát giữa khoan lỗ 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 khoảng 30% so với khi khoan không có rung động (Xem minh họa trên hình 5).
Kết quả thực nghiệm này đặt cơ sở kiểm chứng cho giả thuyết về hiệu ứng giảm ma sát
do rung động. Mô hình động lực học mô tả hiệu ứng này sẽ được tiếp tục trong các công bố sau.
Hình 5. Kết quả phân tích so sánh KẾT LUẬN
Một nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu ứng giảm ma sát dưới tác động của rung động dọc theo phương vận tốc trượt đã được thực hiện. Mức độ giảm của hệ số ma sát theo vận tốc chuyển động tương đối giữa các bề mặt trượt đã được xác định. Áp dụng cho bài toán cộng rung động cho gia công lỗ bằng phương pháp khoan, thực nghiệm thống kê cho thấy, với độ tin cậy trên 95%, mô men ma sát khi khoan đã giảm đến 30% khi bổ sung rung động siêu âm tần số 20 KHz dọc theo phương tiến dao. Các kết quả thực nghiệm sẽ được sử dụng cho bài toán phân tích động lực học quá trình gia công có rung động trợ giúp.
Lời cảm ơn. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 107.01- 2012.33.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Gao H., Guo Y., Bao G. And Reynaerts D., Influence Of Vibrated Area And Normal Force On Friction Reduction Ratio Between NBR/Aluminum Couple, Tribology International 82 (2015) 95–100;
2. Chowdhury MA, Helali M., The Effect Of Amplitude Of Vibration On The Coefficient Of Friction For Different Materials. Tribology International 41 (2008) 307–14.
3. Chowdhury MA, Khalil M. K., Nuruzzaman D.
M. and Rahaman M. L., The Effect of Sliding Speed and Normal Load on Friction and Wear Property of Aluminum, International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering IJMME- IJENS Vol. 11 No. 01 (2011), 45-49;
4. Grudzinski K., Kostek R., Influence Of Normal Micro-Vibrations In Contact On Sliding Motion Of Solid Body, Journal Of Theoretical And Applied Mechanics, 43, 1, Pp. 37-49, 2005;
5. Lehtovaara A., Influence Of Vibration On The Kinetic Friction Between Plastics And Ice, Wear, I15 (1987) 131 – 138;
6. Gutowski P, Leus M., The Effect Of Longitudinal Tangential Vibrations On Friction And Driving Forces In Sliding Motion. Tribology International 2012;55:108–18.
7. Kumar V, Hutchings I., Reduction Of The Sliding Friction Of Metals By The Application Of Longitudinal Or Transverse Ultrasonic Vibration.
Tribology International 37 (2004), 833–40.
8. Littmann W, Storck H, Wallaschek J, Sliding Friction In The Presence Of Ultrasonic Oscillations: Superposition Of Longitudinal Oscillations. Arch Appl Mech 2001;71:549–54.
9. Godfrey D., Vibration Reduces Metal to Metal Contact and Causes an Apparent Reduction in Friction, ASLE Transactions, Volume 10, Issue 2, 1967, 183-192;
10. Siegert K, Ulmer J. Superimposing ultrasonic waves on the dies in tube and wire drawing.
Transactions of ASME: Journal of Engineering Materials and Technology (2001);123:517–23;
11. Ding H., Ibrahim R., Cheng K., Chen S., Experimental study on machinability improvement of hardened tool steel using two dimensional vibration-assisted micro-end-milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 50 (2010) 1115–1118;
12. Siegert K, Ulmer J. Influencing the friction in metal forming process by superimposing ultrasonic waves. Annals of CIRP (2001);50(1):195–200.
13. Onikura H, Ohnishi O, Feng J, Kanda T, Morita T. Effect of ultrasonic vibration on machining accuracy in microdrilling, Journal of JSPE 1996;62(5):676–80;
14. Tawakoli T, Azarhoushang B., Influence of ultrasonic vibrations on dry grinding of soft steel, International Journal of Machine Tools and Manufacture (2008);48:1585–91;
15. Wang X.L., Ito N., Kito K., Garcia P.P., Study on use of vibration to reduce soil adhesion, Journal of Terramechanics 35 (1998) 87-101;
16. Nguyễn Văn Dự, Ngô Quốc Huy, Đặng Anh Tuấn, Experimental Study on Reducing Friction in Interference Fits By Vibration, Tạp chí KHCN ĐHTN, tập 139, số 9, 2015, tr.9-15;
17. Mellinger J. C., Ozdoganlar O. B., DeVor R.
E., and Kapoor S. G., Modeling Chip-Evacuation Forces And Prediction Of Chip-Clogging In
Drilling, Journal of Manufacturing Science and Engineering 124 (2002), pp. 605-614;
18. Mellinger J. C., Ozdoganlar O. B., DeVor R.
E., and Kapoor S. G., Modeling Chip-Evacuation
Forces in Drilling for Various Flute Geometries, Journal of Manufacturing Science and Engineering 125(3); (2003), pp. 405-415.
SUMMARY
EMPLOY THE EFFECT OF FRICTION REDUCTION IN VIBRATION ASSISTED MACHINING
Nguyen Van Du1*, Chu Ngoc Hung1, Ho Huu Duc2
1College of Technology - TNU
2Vietnam – Korea Vocational College, Vinh, Nge An
This paper presents experimental results to evaluate the effect of vibration in sliding direction on friction reduction. Vibration along the sliding velocity was then employed in ultrasonic assisted drilling. Statistical experiments showed that, friction torque when drilling can be reduced by 30 percents. The effect of friction reduction can enhance chip evacuation capacity, reduce drilling torque so as to reduce cutting temperature and thus increase the tool life. The experimental results lay a basic for further development of general theoretical models.
Keywords: Friction effect, vibration, vibration assist, sliding velocity, ultrasonic vibration
*Tel: 0916 056618, Email: vandu@tnut.edu.vn
