Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phát triển, tình trạng nghiên cứu hiện tại và xu hướng tương lai của công nghệ gia công siêu âm, tập trung vào các ứng dụng công nghiệp của nó.
Gia công siêu âm là một công nghệ chuyên dụng được sử dụng để gia công các vật liệu khó gia công như vật liệu cứng giòn, vật liệu composite và vật liệu kim loại khó gia công. Nó có tiềm năng đáng kể để sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô, chất bán dẫn, 3C và y tế.
Công nghệ này hoạt động bằng cách sử dụng năng lượng rung siêu âm để loại bỏ chính xác vật liệu khỏi các vật liệu khó gia công.
Trong vài năm qua, công nghệ gia công siêu âm đã có những bước phát triển đáng kể do sự hợp tác của các trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty cả trong nước và quốc tế. Đã có rất nhiều ứng dụng thành công của gia công siêu âm trong gia công chính xác các vật liệu thách thức khác nhau.
Là một đại diện của công nghệ sản xuất tiên tiến, gia công siêu âm sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện mức độ sản xuất chung.
Lời mở đầu
Trong những năm gần đây, các vật liệu kỹ thuật tiên tiến như hợp kim titan, siêu hợp kim, gốm kỹ thuật, vật liệu tổng hợp ma trận gốm và vật liệu tổng hợp tổ ong đã xuất hiện trong các lĩnh vực sản xuất khác nhau bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô, chất bán dẫn, 3C và y tế. Những vật liệu này có hiệu suất tuyệt vời nhưng khả năng gia công kém và được coi là vật liệu khó gia công.
Công nghệ sản xuất cơ khí truyền thống phải đối mặt với những thách thức khi gia công chính xác các vật liệu này. Để khắc phục những hạn chế này, gia công siêu âm (UM) đã được chú ý và sử dụng rộng rãi.
Gia công siêu âm là một công nghệ xử lý sử dụng năng lượng rung siêu âm để loại bỏ chính xác vật liệu khỏi các vật liệu khó gia công. Công nghệ này tập trung năng lượng rung siêu âm vào vùng làm việc của dụng cụ thông qua một loạt quá trình truyền và biến đổi cấu trúc, dẫn đến hiệu quả loại bỏ tác động lên vật liệu bị cắt và cải thiện khả năng gia công của nó.
Công nghệ gia công siêu âm có một số ưu điểm trong quá trình gia công, chẳng hạn như giảm lực cắt và nhiệt, giảm thiểu hao mòn dụng cụ và gờ sụp cạnh, tối ưu hóa hình thái chip, cải thiện chất lượng bề mặt, giảm hư hỏng dưới bề mặt và nâng cao hiệu quả gia công.
Điều quan trọng cần lưu ý là công nghệ gia công siêu âm dựa trên công nghệ siêu âm điện và là một quá trình loại bỏ vật lý không làm thay đổi tính chất vật liệu.
Do nhu cầu thị trường ngày càng tăng, các hệ thống tiêu chuẩn hóa thương mại trong công nghệ gia công siêu âm đã trở thành tâm điểm của thị trường hiện tại. Các công nghệ gia công siêu âm có liên quan đã được áp dụng trong gia công chính xác các vật liệu khó gia công khác nhau như thủy tinh quang học, sapphire, gốm, gốm alumina, hợp kim titan, siêu hợp kim, vật liệu tổng hợp sợi carbon và vật liệu tổng hợp silicon carbide dựa trên nhôm.
Nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học và doanh nghiệp sản xuất hiện đang áp dụng công nghệ gia công siêu âm trong ngành.
1. Tình hình phát triển của công nghệ gia công:
Một công cụ sắc bén là cần thiết để làm tốt công việc.” Công nghệ gia công siêu âm là một công cụ sắc bén để gia công chính xác các vật liệu khó. Trong hầu hết các lĩnh vực cắt, gia công siêu âm được gọi là "gia công chính xác có hỗ trợ siêu âm", nghĩa là sử dụng rung động siêu âm để tăng cường công nghệ cắt truyền thống và đạt được hiệu quả loại bỏ vật liệu đặc biệt. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, rung động siêu âm trở thành lực cắt chính hoặc thậm chí là duy nhất và loại gia công siêu âm này có thể được gọi là gia công siêu âm trực tiếp.
Ví dụ, dao mổ siêu âm được sử dụng trong lĩnh vực y tế để cắt xương và Dao găm siêu âm được sử dụng trong xử lý bộ phận tổ ong hàng không là những ví dụ về gia công siêu âm trực tiếp.
Vào những năm 1920, các nhà khoa học từ Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức và Liên Xô đã bắt đầu nghiên cứu cơ bản về gia công rung, tập trung vào việc cải thiện các điều kiện cắt để phá vỡ phoi vật liệu. Nghiên cứu ban đầu này chủ yếu trong lĩnh vực tiện siêu âm và gia công rung tần số thấp, có tần số hoàn toàn khác với tần số siêu âm hiện tại trên 15KHz.
Đầu những năm 2000, do số lượng vật liệu khó xử lý ngày càng tăng, các trường đại học và viện nghiên cứu ở Trung Quốc đã bắt đầu nghiên cứu công nghệ gia công siêu âm. Nghiên cứu này bao gồm thiết kế thiết bị, công nghệ điều khiển, hệ thống gia công siêu âm và công nghệ siêu âm.
Công nghệ gia công siêu âm đã trải qua giai đoạn chớm nở từ khi bắt đầu cho đến khoảng năm 2000 và sau đó là giai đoạn phát triển nhanh chóng trong hơn 20 năm. Trong năm năm qua, việc ứng dụng nhanh chóng và quy mô lớn các vật liệu khó xử lý đã thúc đẩy sự phát triển thương mại của công nghệ gia công siêu âm.
Hiện nay, thiết bị gia công siêu âm, kiểm soát rung siêu âm và công nghệ đang dần hoàn thiện cả trong nước và quốc tế, điều này cũng giúp mọi người hiểu sâu hơn về các yêu cầu cơ bản, cơ chế làm việc, đặc điểm quy trình và các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ gia công siêu âm.
Hơn nữa, ngày càng có nhiều trường đại học và viện nghiên cứu tiến hành nghiên cứu về công nghệ gia công siêu âm, và các lĩnh vực ứng dụng của gia công siêu âm ngày càng mở rộng
2. Nguyên lý cơ bản của công nghệ gia công
Hiện tại, sự hiểu biết về công nghệ gia công siêu âm vẫn đang phát triển và không có tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật thống nhất cả trong nước và quốc tế.
Hệ thống gia công siêu âm thông thường thường bao gồm bộ điều khiển truyền động siêu âm, máy phát siêu âm, đầu dò, còi, cấu trúc kẹp và dao cắt, như trong Hình dưới đây.
Bài viết này sẽ đề cập đến các đặc điểm của công nghệ gia công siêu âm thông qua việc phân loại hệ thống gia công siêu âm, cấu trúc điển hình của hệ thống gia công siêu âm, công nghệ điều khiển truyền động siêu âm và công nghệ xử lý siêu âm.
2.1 Phân loại hệ thống gia công siêu âm
Gia công siêu âm có thể được phân loại dựa trên hình thức rung động siêu âm thành gia công siêu âm một chiều, hai chiều và ba chiều. Các dạng rung động bao gồm gia công rung động siêu âm dọc (trục), gia công rung động siêu âm xoắn, gia công rung động siêu âm hình elip và gia công rung động siêu âm tổng hợp, sau này liên quan đến sự kết hợp của các dạng rung động siêu âm khác nhau.
Theo vật liệu bắt đầu rung động, gia công siêu âm có thể được chia thành gia công siêu âm điện giảo và gia công siêu âm từ giảo. Cái trước dựa trên nguyên lý khởi động rung của gốm áp điện, được điều khiển bằng điện áp, với cấu trúc đơn giản và công nghệ hoàn thiện nhưng công suất rung hạn chế, khiến nó phù hợp hơn với điều kiện cắt tải trọng nhẹ. Loại thứ hai dựa trên nguyên lý điều khiển từ trường của vật liệu từ giảo hoặc khổng lồ, với công suất rung lớn nhưng cấu trúc phức tạp, khiến nó phù hợp hơn với các điều kiện cắt hạng nặng.
Về chế độ truyền năng lượng, gia công siêu âm có thể được chia thành gia công siêu âm truyền năng lượng có dây và gia công siêu âm truyền năng lượng không dây. Cái trước thường được sử dụng trong gia công tốc độ thấp mà không có chuyển động quay hoặc sử dụng bàn chải, trong khi cái sau thường được sử dụng trong gia công siêu âm quay. Việc truyền năng lượng không dây được thực hiện thông qua phương pháp không tiếp xúc khớp nối lỏng lẻo và có thể được chia thành gia công siêu âm ghép nối hoàn toàn và gia công siêu âm ghép nối một phần. Hiện tại, loại thứ hai là loại thích ứng nhất để thay đổi công cụ tự động của máy công cụ.
Theo các loại quy trình, gia công siêu âm có thể được chia thành phay siêu âm, tiện siêu âm, khoan siêu âm, mài siêu âm, đánh bóng siêu âm, cắt siêu âm và làm cứng siêu âm (tăng cường). Mỗi quy trình có các yêu cầu cụ thể về kích thước của năng lượng siêu âm và dạng rung động.
Về độ chính xác gia công, gia công siêu âm có thể được chia thành gia công siêu âm chính xác và gia công siêu âm siêu chính xác. Sự khác biệt giữa hai loại nằm ở lượng vật liệu loại bỏ trên mỗi đơn vị cắt, với yêu cầu độ chính xác loại bỏ nhỏ hơn 1μm được coi là gia công siêu âm cực kỳ chính xác. Gia công siêu âm hình elip thường được sử dụng để cắt micro nano.
Cuối cùng, gia công siêu âm có thể được chia thành gia công siêu âm truyền thống và gia công siêu âm tốc độ cao. Loại thứ hai đề cập đến gia công siêu âm với tốc độ tuyến tính lên tới 400m/phút.
2.2 Cấu tạo máy gia công siêu âm điển hình
Một công cụ máy gia công siêu âm điển hình được minh họa trong Hình 3. Nó bao gồm bộ điều khiển truyền động siêu âm, mô-đun truyền năng lượng không dây, giá đỡ công cụ siêu âm, công cụ, hệ thống điều khiển số và thân máy công cụ.
Bộ điều khiển truyền động siêu âm bao gồm một máy phát siêu âm, một bộ khuếch đại công suất siêu âm, một bộ phát hiện phản hồi siêu âm và một bộ điều khiển siêu âm. Máy phát siêu âm và máy thu siêu âm tạo thành mô-đun truyền năng lượng không dây.
Giá đỡ dụng cụ siêu âm là thành phần chức năng chính của hệ thống gia công siêu âm, thường bao gồm máy thu, đầu dò và còi siêu âm. Hệ thống gia công siêu âm và hệ thống CNC của máy công cụ phải có một mức độ kiểm soát giao tiếp nhất định để đảm bảo toàn bộ quá trình gia công diễn ra suôn sẻ.
2.3 Công nghệ điều khiển dẫn động của hệ thống gia công siêu âm
Công nghệ điều khiển truyền động của hệ thống gia công siêu âm là rất quan trọng để nhận ra lợi ích của công nghệ gia công siêu âm và hiệu suất của bộ điều khiển là chìa khóa để đánh giá hiệu suất của gia công siêu âm.
Trong quá trình gia công, bộ điều khiển truyền động siêu âm phải kiểm soát nhiều tham số, bao gồm tần số và công suất siêu âm quan trọng nhất, cũng như độ phân giải tần số, tốc độ phản hồi và dao động biên độ của hệ thống gia công siêu âm. Các thông số này rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả của quá trình xử lý vật liệu.
Quá trình cắt của dụng cụ vào và ra khỏi vật liệu là một quá trình tải trọng thay đổi theo thời gian mạnh mẽ điển hình, nghĩa là lực cắt thay đổi đáng kể trong một khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình này, các đặc tính trở kháng của hệ thống gia công siêu âm và các đặc tính điện của hệ thống điều khiển sẽ trải qua những thay đổi đáng kể, khiến việc duy trì sự ổn định về biên độ là điều cần thiết.
Độ phân giải tần số và độ chính xác của bộ điều khiển siêu âm và tốc độ phản hồi của hệ thống là các thông số quan trọng trong quy trình này. Hình 4 cho thấy sự thay đổi đặc tính của hệ thống trong quá trình cắt siêu âm điển hình. Như thể hiện trong hình, khi dụng cụ bắt đầu vào trạng thái gia công, lực cắt tăng ngay lập tức. Để đảm bảo sự ổn định của biên độ siêu âm trong quá trình cắt, hệ thống sẽ điều chỉnh các thông số điều khiển bên trong (chẳng hạn như tần số và công suất) để duy trì biên độ rung ổn định trong quá trình gia công. Quá trình tương tự xảy ra khi dụng cụ cắt vật liệu
Trong quá trình gia công siêu âm, những thay đổi về tải trọng và nhiệt độ dẫn đến những thay đổi đáng kể về đặc tính của hệ thống trong quá trình gia công. Theo dõi tần số nhanh là rất quan trọng để gia công siêu âm hiệu quả và các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp dòng điện cực đại, phương pháp vòng khóa pha và phương pháp công suất cực đại.
Công nghệ điều khiển thích ứng công suất siêu âm cũng là một khía cạnh quan trọng của gia công siêu âm, nhằm giải quyết vấn đề công cụ không thể hoàn thành quá trình cắt hiệu quả do biên độ bị triệt tiêu sau khi tải. Các thử nghiệm này yêu cầu hệ thống gia công siêu âm có khả năng phát hiện phản hồi thời gian thực về trạng thái của bộ truyền động siêu âm. Do đó, phát hiện phản hồi rung động siêu âm là một phần quan trọng để đạt được gia công siêu âm ổn định.
Ngày nay, các thuật toán tiên tiến đang được áp dụng trong quá trình này, bao gồm PID, thuật toán mờ và mạng thần kinh nhân tạo. Cốt lõi của các thuật toán này là xác định trạng thái trong quá trình gia công, đảm bảo tính bền vững của quá trình gia công.
3.Đặc điểm quá trình và ứng dụng của công nghệ gia công siêu âm
Đối với các vật liệu có đặc tính khác nhau, cơ chế loại bỏ vật liệu và tác dụng của gia công siêu âm có thể khác nhau rất nhiều.
Vật liệu gia công khó có thể được phân thành ba loại: vật liệu cứng và giòn, vật liệu composite và vật liệu kim loại khó gia công.
Các vật liệu cứng và giòn, chẳng hạn như thủy tinh, gốm sứ, thép vonfram và vật liệu làm từ gốm, thường được xử lý bằng các công cụ kim cương. Trong quá trình xử lý, độ cứng của vật liệu phải được xem xét và nỗ lực giảm lực cắt và cải thiện chất lượng xử lý thông qua xử lý siêu âm.
Vật liệu tổng hợp, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp gia cố sợi carbon, vật liệu tổng hợp sợi aramid và vật liệu tổng hợp tổ ong có độ cứng thấp, yêu cầu lựa chọn các dạng và biên độ rung siêu âm thích hợp dựa trên đặc tính vật liệu của chúng để giảm lực cắt và làm chậm quá trình mài mòn dụng cụ.
Các vật liệu kim loại khó gia công, bao gồm hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao, thép cường độ cao và các kim loại khác có độ bền cao, đòi hỏi phải giải quyết vấn đề bám dính dụng cụ, giảm nhiệt độ cắt và làm chậm quá trình mài mòn dụng cụ. Các yêu cầu rung siêu âm đối với các vật liệu này khác rất nhiều so với yêu cầu đối với vật liệu cứng và giòn, và rung xoắn hoặc xoắn dọc thường được sử dụng, với yêu cầu biên độ tương đối cao.
Đối với vật liệu kim loại, kịch bản gia công lý tưởng liên quan đến việc cắt hoàn toàn vật liệu không liên tục, làm mát và bôi trơn hiệu quả trong khu vực cắt.
Dưới đây tóm tắt các đặc điểm quy trình chính của các vật liệu khác nhau trong quá trình gia công siêu âm.
(1) Vật liệu cứng giòn:
Các vật liệu như thủy tinh, gốm sứ (alumina, zirconia, silicon carbide và silicon nitride), vật liệu gốc gốm, gốm thủy tinh và các vật liệu khác có độ cứng và độ giòn cao được coi là vật liệu cứng giòn.
Những thách thức chính trong việc xử lý các vật liệu này bao gồm hư hỏng bề mặt đáng kể, dụng cụ bị mài mòn nhanh và hiệu quả xử lý thấp.
Gia công siêu âm có thể giúp cải thiện trạng thái cắt, dẫn đến tuổi thọ dụng cụ dài hơn, chất lượng bề mặt tốt hơn và tăng hiệu quả gia công.
Hình 5 cho thấy sự so sánh lực cắt trung bình giữa gia công siêu âm và gia công thông thường của cacbua silic bán dẫn (SIC).
(2) Vật liệu tổng hợp:
Vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi carbon và sợi aramid dễ bị hư hỏng bề mặt, rách, tách lớp, hiệu quả xử lý thấp và dụng cụ bị mài mòn nhanh chóng trong quá trình xử lý.
Tuy nhiên, gia công siêu âm có thể nâng cao đáng kể khả năng cắt của dụng cụ, giảm gờ và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.
(3) Vật liệu kim loại khó gia công:
Các vật liệu kim loại có độ dẻo dai nhất định, chẳng hạn như hợp kim titan, hợp kim nhiệt độ cao và thép cường độ cao, dễ xảy ra các vấn đề như bám dính dụng cụ và mài mòn dụng cụ nhanh do nhiệt độ xử lý cao.
Gia công siêu âm có thể giảm lực cắt, giảm nhiệt độ cắt, cải thiện hình dạng chip, giảm độ bám dính của dụng cụ và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.
5. Xu hướng phát triển của công nghệ gia công siêu âm trong tương lai
Hiện nay, công nghệ gia công siêu âm đang phát triển nhanh chóng.
Sự sẵn có của nhiều loại vật liệu mới cung cấp nền tảng vững chắc cho ứng dụng gia công siêu âm.
Kết quả là, gia công siêu âm đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để gia công chính xác các vật liệu này.
Trong tương lai, công nghệ gia công siêu âm sẽ tiếp tục phát triển nhanh chóng khi ngành công nghiệp tiến bộ.
Đồng thời, các lĩnh vực nghiên cứu sau đây có khả năng trở thành tâm điểm của nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật trong tương lai.
5.1 Công nghệ trường năng lượng hỗn hợp siêu âm tiên tiến
Trong tương lai, công nghệ gia công siêu âm đa chiều sẽ ngày càng được sử dụng nhiều hơn và sự phát triển của công nghệ điều khiển và công nghệ xử lý tương ứng sẽ là một lĩnh vực nghiên cứu chính.
Hơn nữa, việc tích hợp siêu âm, laser, plasma và các quy trình khác vào công nghệ tổng hợp là một hướng quan trọng cho sự phát triển của gia công siêu âm trong tương lai.
Việc sử dụng nhiều trường năng lượng trong quá trình xử lý các vật liệu khó gia công sẽ mang lại những lợi ích độc đáo, giúp quá trình xử lý trở nên dễ dàng hơn.
5.2 Thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển nhanh, chính xác, ổn định
Quá trình cắt thực tế khác với các quá trình tĩnh hoặc bán tĩnh.
Sự thay đổi về vật liệu, dụng cụ và các thông số cắt có thể có tác động đáng kể đến lực cắt, nhiệt độ cắt và các đặc tính trở kháng của hệ thống trong quá trình gia công. Tải trọng thay đổi theo thời gian mạnh cũng có thể gây ra sự mất ổn định trong hệ thống gia công siêu âm.
Để gia công hiệu quả và chính xác, điều cốt yếu là phải đảm bảo tính ổn định của hệ thống gia công siêu âm thông qua các thuật toán điều khiển nhanh, chính xác và ổn định.
Trong tương lai, các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn sẽ được tích hợp vào quy trình gia công siêu âm.
5.3 Tốc độ cao và hiệu quả của gia công siêu âm
Trong gia công chính xác truyền thống, có thể khó đạt được cả chất lượng và hiệu quả gia công cao, đặc biệt là khi gia công các bộ phận kết cấu phức tạp trong ngành hàng không vũ trụ.
Để đảm bảo chất lượng gia công, hiệu quả gia công thường bị ảnh hưởng.
Tuy nhiên, khi gia công siêu âm được áp dụng để xử lý các vật liệu khó gia công trong lĩnh vực này, chẳng hạn như hợp kim titan, siêu hợp kim và vật liệu composite sợi carbon, chế độ cắt gián đoạn độc đáo của nó cho phép mở vùng cắt định kỳ trong quá trình cắt, cải thiện khả năng làm mát và bôi trơn, giảm lực cắt và nhiệt độ, đồng thời tăng tốc độ cắt. Kết quả là có thể đạt được gia công chính xác chất lượng cao và hiệu quả.
5.4 Xây dựng hệ thống chuẩn hóa gia công siêu âm
Khả năng xử lý của gia công siêu âm là một minh chứng rõ ràng về những ưu điểm của nó.
Sự hiểu biết thấu đáo về khả năng xử lý có thể giúp sử dụng đầy đủ các khả năng của gia công siêu âm.
Khi nghiên cứu kỹ thuật tiến bộ, các công cụ chuyên dụng hơn, đồ gá và các thông số quy trình phù hợp cho gia công siêu âm sẽ có sẵn, cho phép sử dụng nhiều hơn các khả năng của nó.
Tuy nhiên, hiện nay, không có tiêu chuẩn thống nhất cho công nghệ gia công siêu âm.
Tục ngữ có câu “Muốn biết ngay thẳng phải theo chuẩn mực; để biết môi trường xung quanh, bạn phải tuân theo các quy tắc.
Đẩy nhanh sự phát triển của các tiêu chuẩn công nghiệp và quốc gia sẽ giúp loại bỏ các rào cản kỹ thuật và thúc đẩy việc áp dụng và phát triển rộng rãi công nghệ gia công siêu âm.
6. Kết luận
Điều quan trọng cần lưu ý là công nghệ gia công siêu âm không phải là giải pháp một kích cỡ phù hợp cho tất cả các vật liệu khó gia công.
Các loại gia công siêu âm khác nhau có điểm mạnh và hạn chế riêng, và điều quan trọng là phải làm quen với các đặc điểm của công nghệ và hiểu các yêu cầu của quy trình để có ứng dụng tối ưu.
Công nghệ gia công siêu âm là một công nghệ sản xuất tiên tiến với tiềm năng phát triển to lớn và nó đóng vai trò là hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho sức mạnh sản xuất.
Khi việc sử dụng các vật liệu khó gia công tăng lên, công nghệ gia công siêu âm sẽ nhanh chóng được áp dụng và phát triển.
Trong tương lai, công nghệ gia công siêu âm sẽ cung cấp giải pháp cho các vấn đề gia công chính xác đối với nhiều loại vật liệu khó gia công hơn.
Địa chỉ: 241 Nguyễn An Ninh, Phường 3, TP. Tân An, Long An
Email: pklasercnc@gmail.com
Hotline: 0832280882
Website: https://pklaser.vn/
