Nghiên cứu công nghệ và thiết bị ép chảy các chi tiết micro kết hợp với nguồn năng lượng siêu âm

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT SIÊU NHỎ VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Việc sản xuất chi tiết siêu nhỏ ngày càng trở nên quan trọng trong các lĩnh vực điện tử, máy tính và thiết bị y tế Những chi tiết này thường quá nhỏ để mắt thường nhìn thấy, gây khó khăn trong quá trình sản xuất, đặc biệt trong việc bôi trơn và cung cấp nhiệt, ảnh hưởng đến tính biến dạng dẻo của kim loại Công nghệ tiên tiến hiện nay đã đưa ra nhiều phương án hỗ trợ sản xuất các chi tiết này, trong đó có phương pháp gia công áp lực kết hợp với hệ thống siêu âm đang được nghiên cứu phát triển Đề tài này tập trung vào việc chế tạo thiết bị ép sử dụng khí nén tích hợp siêu âm, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về phương pháp tạo hình bằng áp lực và tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Tổng quan về chi tiết siêu nhỏ

Chi tiết micro là những thành phần có kích thước nhỏ từ vài chục micromet đến vài mm, được gọi là chi tiết siêu nhỏ trong công nghệ chế tạo Chúng thường được làm từ kim loại và hợp kim màu, được ứng dụng phổ biến trong ngành điện tử, tự động hóa, kỹ thuật đo lường, máy tính và thiết bị di động Với hình dạng phức tạp và kích thước rất nhỏ, các chi tiết siêu nhỏ thường được sản xuất bằng công nghệ dập tạo hình như cắt, đột, uốn từ phôi tấm hoặc công nghệ ép chảy, dập nổi, dập khuôn kín, mang lại lợi ích về tiết kiệm vật liệu, giảm số lượng nguyên công, đồng thời nâng cao năng suất và độ chính xác.

Hình 1.1: Một vài sản phẩm của công nghệ micro forming [10]

Tổng quan về công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ

Công nghệ tạo hình chi tiết siêu nhỏ tương tự như công nghệ tạo hình thông thường, nhưng điểm khác biệt lớn là kích thước của sản phẩm và thiết bị rất nhỏ.

1.3.1 Công nghệ tạo hình sản phẩm dạng khối [2,5]

1.3.1.1 Khái niệm và phân loại

Công nghệ dập tạo hình khối là phương pháp sản xuất sản phẩm dạng khối bằng cách sử dụng lực để làm biến dạng dẻo kim loại trong khuôn Phương pháp này cho phép tạo ra các sản phẩm có hình dạng và kích thước chính xác, đồng thời nâng cao hiệu suất sản xuất.

- Dập khối trong khuôn hở

- Dập khối trong khuôn kín

1.3.1.2 Dập khối trong khuôn hở

Sau khi dập thể tích trong khuôn hở, sản phẩm sẽ có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn Vành biên này đóng vai trò quan trọng trong công nghệ dập và là yếu tố không thể thiếu trong khuôn Các thiết bị chủ yếu được sử dụng để dập bằng khuôn hở bao gồm máy búa và các loại máy ép khác.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý dập thể tích trong khuôn hở

- Mặt phân khuôn chia khuôn thành 2 nửa khuôn trên và khuôn dưới, thuận lợi cho quá trình điền đầy kim loại, đặt phôi và lấy phôi ra khỏi khuôn

- Mặt phân khuôn có thể là mặt phẳng hoặc mặt gấp khúc

Hình 1.3: Mặt phân khuôn với một vài chi tiết đơn giản

- Vành biên là phần kim loại thừa bao quanh vật dập

- Tăng trở lực biến dạng để điền đầy các hốc hẹp, rãnh sâu trong lòng khuôn

- Vành biên được cắt bởi các nguyên công sau dập

- Rãnh thoát biên bao gồm vành cầu biên (a) và túi đựng kim loại (b)

Hình 1.4: Hình: cấu tạo rãnh thoát biên

Hình 1.5: Các loại rãnh thoát biên

Hình 1.6: Một số sản phẩm được dập khối trong khuôn hở

1.3.1.3 Dập khối trong khuôn kín

- Sau khi dập thể tích trong khuôn kín thì thể tích của phôi không thay đổi nhiều do không có rãnh thoát biên

Trong quá trình dập, một phần nhỏ kim loại sẽ chảy vào các khe hở của khuôn, hình thành nên các bavia theo hướng của lực tác dụng Đặc biệt, độ dày của lớp bavia này sẽ giữ nguyên trong suốt quá trình dập.

- Sản phẩm sau quá trình dập trên khuôn kín có độ chính xác cao

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý quá trình dập thể tích trong khuôn kín

Hình 1.8: Một số sản phẩm được dập khối trong khuôn kín

Quá trình ép chảy là phương pháp sản xuất trong đó phôi kim loại được đưa vào khuôn kín có lỗ thoát kim loại Khi quá trình này diễn ra, kim loại sẽ biến dạng theo định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất, cho phép một phần kim loại chảy ra qua các lỗ thoát Nếu kích thước phôi được xác định chính xác, sẽ gần như không có kim loại thừa trong quá trình sản xuất.

- Vật dập bằng phương pháp ép chảy bao gồm 2 thành phần: Phần thân và phần chân

Căn cứ vào đặc điểm công nghệ của ép chảy người ta phân ép chảy thành nhiều loại như sau:

Hình 1.9: (a) Nguyên lý ép chảy xuôi; (b) Nguyên lý ép chảy ngược

(c) Nguyên lý ép chảy hỗn hợp

Quá trình ép chảy diễn ra qua ba giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên bắt đầu từ khi phôi bắt đầu phình ra cho đến khi chạm vào thành lòng khuôn, mang tính chất của nguyên công chồn Giai đoạn thứ hai diễn ra khi phần phình tang trống của phôi tiếp xúc với lòng khuôn cho đến khi lòng khuôn được điền đầy hoàn toàn Cuối cùng, giai đoạn ba bắt đầu từ khi lòng khuôn đã được điền đầy cho đến khi kim loại được ép chảy ra ngoài qua lỗ thoát, đủ khối lượng cần thiết, và kết thúc quá trình ép chảy.

Hình 1.10: Một vài hình ảnh khuôn ép chảy

Hình 1.11: Một vài sản phẩm của công nghệ ép chảy

1.3.2 Công nghệ tạo hình sản phẩm dạng tấm [2]

1.3.2.1 Khái niệm và phân loại

Công nghệ tạo hình kim loại tấm là quy trình chế tạo các chi tiết hoặc cụm chi tiết với hình dạng và kích thước yêu cầu từ kim loại tấm Quá trình này được thực hiện thông qua việc biến dạng phôi kim loại bằng cách sử dụng khuôn dập.

- Công nghệ cán tạo hình bề mặt

1.3.2.2 Công nghệ cán tạo hình bề mặt

Công nghệ tạo hình bề mặt kim loại sử dụng để tạo ra các họa tiết lặp lại trên băng hoặc dải kim loại Quá trình này diễn ra thông qua việc cán nổi hình trên bề mặt kim loại, nơi kim loại bị biến dạng giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau với khe hở nhỏ hơn độ dày của phôi.

Quá trình cán có thể diễn ra dưới hình thức cán nguội hoặc cán nóng, tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm và loại vật liệu, có thể là tấm hoặc khối Sản phẩm sau khi được cán trên trục cán sẽ sở hữu những đặc điểm riêng biệt.

Cán không chỉ thay đổi hình dạng và kích thước của phôi mà còn cải thiện chất lượng kim loại Quá trình này giúp phá hủy tổ chức đúc, tạo ra tổ chức mới với độ bền cao và hạt nhỏ mịn.

- Năng suất cao, dễ cơ khí hoá và tự động hoá

- Sản phẩm cán nguội có độ nhẵn và độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu lực cán lớn và làm khuôn chóng mòn

Hình 1.12: Nguyên lý tạo hình bề mặt

Để sản xuất các sản phẩm đa dạng, chỉ cần thay đổi khuôn cán trên máy cán Trong quá trình tạo hình, việc sử dụng chất bôi trơn giúp giảm ma sát và tăng tuổi thọ cho trục cán Chất bôi trơn có thể là dầu hoặc dạng bột nhão có pha bột graphit.

Máy cán chuyên dụng được sử dụng để tạo ra các sản phẩm với nhiều hoa văn khác nhau Thiết kế của trục máy cho phép thay đổi quả cán một cách nhanh chóng, giúp đa dạng hóa sản phẩm hiệu quả.

- Pha tấm kim loại thành các tấm nhỏ

- Dập cắt tạo chi tiết

- Dập tạo lỗ trên sản phẩm

- Máy cắt chuyên dụng, máy cắt đá, cưa, máy plastma

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý cắt đột bằng khuôn

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý cắt trên máy cắt dao thẳng

Hình 1.17: Khuôn cắt đột và sản phẩm

 Định nghĩa: Uốn là nguyên công nhằm biến đổi các chi tiết có trục thẳng thành các chi tiết co trục cong

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý nguyên công uốn

Hình 1.19: Ứng dụng trong thực tế

Hình 1.20: Sản phẩm công nghệ uốn

Dập vuốt là quá trình gia công nhằm biến đổi phôi phẳng hoặc phôi rỗng thành các chi tiết rỗng với hình dạng và kích thước theo yêu cầu.

- Nhóm chi tiết có hình dạng tròn xoay( đối xứng trục)

- Nhóm chi tiết có hình dạng hình hộp

- Nhóm chi tiết có hình dạng phức tạp có một trục đối xứng hoặc không trục đối xứng

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý dập vuốt chi tiết tròn xoay

Hình 1.22: Một vài sản phẩm của công nghệ dập vuốt

Tổng quan về thiết bị gia công các chi tiết siêu nhỏ

1.4.1 Đặc điểm của các thiết bị siêu nhỏ

Trong công nghệ chế tạo các chi tiết nhỏ và siêu nhỏ, các thiết bị gia công không chỉ cần đảm bảo hiệu suất và ổn định như thiết bị cơ khí thông thường, mà còn phải đáp ứng nhiều yếu tố đặc biệt khác.

Độ chính xác trong gia công các chi tiết nhỏ và rất nhỏ là yếu tố quan trọng, với kích thước lớn nhất khoảng vài milimet và nhỏ nhất có thể tới nanomet Do đó, yêu cầu về mặt chính xác của các cụm chi tiết gia công trong thiết bị là rất cao.

Quá trình gia công và lắp đặt các cụm chi tiết của máy gặp nhiều khó khăn do kích thước tổng thể nhỏ Điều này làm cho việc lắp ghép và căn chỉnh máy trở nên phức tạp hơn.

- Các chi tiết gia công rất nhỏ dẫn tới hệ thống bôi trơn và làm mát của máy cũng khá khó khăn

Các chi tiết nhỏ hơn so với các chi tiết truyền thống đã dẫn đến việc các thiết bị phụ trợ trong nghiên cứu ứng dụng cũng có kích thước và lực gia công nhỏ hơn.

1.4.2 Một vài thiết bị điển hình [5,6,11]

Hình 1.23: Máy tiện chi tiết siêu nhỏ Thông số máy:

Chiều dài = 32mm, Chiều rộng = 25, Chiều cao = 30,5mm

Trọng lượng = 100 gram Độ phân giải vị trí: 25 nm

19 Đường kính tối thiểu của phôi gia công gia công là 60 micron

Hình 1.24: Máy phay chi tiết siêu nhỏ và một vài sản phẩm Thông số máy: Đường kính trục chính: 27mm

Công suất 80W, Tốc độ 300,000 vòng/phút Độ phân dải vị trí: 50nm Độ sâu gia công: 2-4mm

Hình 1.25: Máy cắt dây các chi tiết siêu nhỏ và một vài sản phẩm

Máy cắt dây EDM là giải pháp lý tưởng cho việc cắt kim loại tấm, rãnh đường cong và nhiều hình dạng khác nhau, phục vụ cho nhiều ứng dụng Với đường kính dây tối thiểu chỉ 20 micron, máy cho phép cắt các chi tiết với độ chính xác cao và đạt độ nhám bề mặt Ra 0,07 micron Đặc biệt, trong các ứng dụng công cụ khuôn phun, máy có thể đạt được góc dự thảo lên tới 2,5 độ.

Hình 1.26: Máy ép chảy và một số sản phẩm ép với các đường kính 1.2mm, 0.8mm,

0.48mm Thông số kỹ thuật

- Lực ép danh nghĩa 10kN

- Tốc độ lớn nhất của đầu trượt 0.18mm/s

- Kích thước tổng thể theo chiều dài 50mm

Máy là loại thiết bị để bàn, với đầu dẫn hướng được hỗ trợ bởi trụ dẫn hướng và vận hành bằng động cơ tuyến tính Cối ép chảy được kẹp chặt trên bàn máy, trong khi đầu trượt và trụ dẫn hướng được nhiệt luyện để đạt độ cứng cao Sau đó, các bộ phận này được gia công cơ khí để đạt độ bóng bề mặt lên đến 0.01mm.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống này bắt đầu từ việc truyền động từ động cơ đến hộp giảm tốc, sau đó chuyển tiếp đến trục vít có ren được tạo theo chiều ngược nhau Khi trục vít hoạt động, nó sẽ tạo ra chuyển động cần thiết cho quá trình tiếp theo.

Các đầu trượt có thể tiến lại gần hoặc xa nhau, và quá trình này được kiểm tra, giám sát thông qua bộ đo lực và cảm biến Thông tin thu thập được sẽ được phản hồi vào trục điều khiển để đảm bảo hoạt động chính xác.

Tổng quan về công nghệ siêu âm

Siêu âm là dao động cơ học được truyền qua môi trường vật chất, nơi năng lượng tác động vào các phân tử, khiến chúng dao động khỏi vị trí cân bằng Sự tương tác này làm cho các phân tử xung quanh cũng bị ảnh hưởng, tạo ra sóng lan truyền cho đến khi năng lượng giảm dần Do đó, sóng siêu âm không thể truyền trong môi trường chân không như sóng điện từ.

Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f>16kHz, cao hơn tần số âm mà con người nghe được

Siêu âm được tạo ra từ các nguồn dao động khác nhau, bao gồm việc chuyển đổi chuyển động của các dòng thủy khí và dao động điện thành sóng siêu âm thông qua các biến từ Về bản chất, sóng siêu âm tương tự như các dao động cơ học khác và được đặc trưng bởi các đại lượng vật lý như tần số, biên độ và chu kỳ.

 Một số khái niệm cơ bản

- Chu kì (T) là khoảng thời gian thực hiện nén và giãn Đơn vị thường được tính bằng đơn vị đo thời gian (s/ms)

- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất

- Tần số (f) là số chu kì dao động trong một giây, đơn vị đo là Hz

- Bước sóng (𝝀) là độ dài của một chu kì giao động

Tốc độ siêu âm (c) là khoảng cách mà sóng siêu âm di chuyển trong một đơn vị thời gian và không bị ảnh hưởng bởi công suất của máy phát Thay vào đó, tốc độ này phụ thuộc vào đặc tính của môi trường truyền âm Cụ thể, trong các môi trường có mật độ phân tử cao và tính đàn hồi lớn, sóng siêu âm truyền với tốc độ nhanh hơn, trong khi ở những môi trường có mật độ phân tử thấp, tốc độ truyền sẽ chậm hơn.

1.5.2 Phân loại sóng siêu âm

 Tùy theo tính chất của môi trường đàn hồi, có hai loại sóng siêu âm:

- Sóng dọc: gây nên sự co dãn trong môi trường rắn, lỏng, khí

- Sóng trượt: gây nên sự trượt giũa các lớp môi trường chất rắn

Tùy vào nguồn phát, hai loại sóng cơ bản trên được chia ra:

- Sóng phẳng: Phát ra từ nguồn phát là mặt phẳng, nó truyền theo phương thẳng góc với nguồn phát

- Sóng trụ: Phát ra từ nguồn phát là mặt trụ, nó lan truỳen theo phương hướng kính, thẳng góc với mặt trụ

- Sóng cầu: Phát ra từ nguôn phát là mặt cầu, nó lan truyền theo mọi hướng, thẳng góc với mặt cầu

Theo công dụng, trong môi trường đàn hồi hạn chế:

- Sóng dọc: Là sóng đàn hồi, co dãn, hướng dao động của các phần tử trùng với hướng truyền sóng

- Sóng ngang: Là sóng đàn hồi mà hướng dao động của các phần tử thẳng góc với phương truyền sóng

- Sóng dọc - ngang: Là sóng đàn hồi vừa có dao động dọc vừa có dao động ngang của các phần tử theo phương truyền sóng

Sóng uốn là loại sóng lan truyền trong thanh, trong đó mặt dao động của các phần tử không song song với nhau như sóng ngang, mà thay vào đó, chúng nghiêng theo hướng khác với đường trục dọc của thanh.

Sóng xoắn là loại sóng trượt, trong đó mỗi tiết diện ngang giữ vị trí cố định nhưng quay quanh trục của thanh, trong khi trục thanh vẫn không thay đổi Loại sóng này xuất hiện khi thanh chịu tác dụng của mômen xoắn đàn hồi.

1.5.3 Các thông số trong siêu âm

1.5.3.1 Phương trình truyền sóng siêu âm và siêu âm

P: áp lực siêu âm t: thời gian truyền sóng

1.5.3.2 Tốc độ âm thanh trong chất rắn

Loại sóng Kích thước vật thể

Không hạn chế (λkích thước vật thể)

Sóng uốn Thanh bán kính R:

 Ghi chỳ: à: Hệ số poison ; E: modul đàn hồi; : Mật độ vật chất

G: Modul đàn hồi trượt; c: Tốc độ song; λ: Bước sóng

Bảng 1 1: Tốc độ âm thanh trong chất rắn

Truyền sóng âm và siêu âm trong môi trường tạo ra áp lực âm, được mô tả bằng công thức: p = p1 – p2, trong đó p2 = p0 * cosφ(ωt – kx) với ω = 2 Biên độ áp lực âm p0 được tính bằng ρ*c*v, trong đó v = ρ*c*ω*A Ở đây, p1 là áp lực tĩnh của môi trường, p2 là áp lực thay đổi do sóng âm gây ra, và p0 là biên độ áp lực âm.

A: biên độ dao động ρ: tỷ trọng của môi trường x: tọa độ

 Mật độ năng lượng âm có thể xác định theo động năng khi tốc độ dao động đạt cực đại

Cường độ âm là một đơn vị đo lường năng lượng âm thanh truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt, được đặt vuông góc với hướng lan truyền sóng trong một khoảng thời gian nhất định.

Cường độ âm nghe được < 10 -3 W/cm 2

Cường độ âm trung bình từ 0,1 – 2 W/cm 2

Cường độ âm cao > 10 -3 W/cm 2

Cường độ sóng âm được định nghĩa là mức năng lượng mà sóng âm tạo ra trên một đơn vị diện tích, thường được đo bằng W/cm² Trong quá trình truyền tải, cường độ sóng âm sẽ suy giảm, trong khi tần số của nó vẫn không thay đổi Đặc biệt, cường độ của sóng siêu âm là một giá trị tương đối, cho phép so sánh sự khác biệt về cường độ siêu âm tại hai vị trí khác nhau trong không gian.

1.5.4 Tính chất của siêu âm

 Sự lan truyền của sóng âm

Trong môi trường đồng nhất, sóng âm truyền đi theo đường thẳng và dần mất năng lượng, hiện tượng này được gọi là suy giảm Suy giảm âm thanh tuân theo quy luật nghịch đảo của bình phương khoảng cách Khi năng lượng âm gặp vật chất, một phần năng lượng sẽ được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt.

Trong môi trường có cấu trúc không đồng nhất, sóng âm phản hồi tại mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng, tạo ra âm dội hay âm vang (echo) Phần sóng còn lại sẽ tiếp tục lan truyền theo hướng của chùm sóng phát ra Tại đường ranh giới giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, điều này phụ thuộc vào cấu trúc vật chất, đặc biệt là số nguyên tử.

Tổng trở âm được tính toán theo công thức:

Tổng trở âm Hoặc khi tính toán theo tổng trở âm riêng từng phần:

Tổng trở âm  Sự khúc xạ, nhiễu âm

Khi chùm sóng âm đi qua mặt phẳng phân cách với một góc nhỏ, chùm âm phát ra sẽ bị thụt lùi so với chùm âm tới, hiện tượng này được gọi là nhiễu âm.

Cường độ khúc xạ của sóng âm được xác định bởi:

- I: Cường độ sóng phản xạ

 Sự hấp thụ âm: được đặc trung bởi sự suy giảm độ âm và biên độ dao động theo chiều dài truyền sóng :

- I, A: cường độ âm và biên độ dao động

- I0 và A0: cường độ âm và dao động ban đầu

- Α: hệ số hấp thụ âm ( 1/m)

1.5.5 Cấu tạo bộ siêu âm

Cấu tạo bộ chuyển đổi sóng siêu âm có cấu tạo gồm 3 phần chính:

Hình 1.30: Cấu tạo bộ phát siêu âm

Nguồn phát siêu âm chuyển đổi dòng điện xoay chiều 220v với tần số 50Hz – 60Hz thành dòng điện tần số cao từ 15kHz đến 40kHz Các tần số phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng siêu âm là 15kHz, 20kHz, 30kHz và 40kHz.

Hình 1.31: Sơ đồ khối của bộ phát sóng siêu âm

− Chuyển đổi dòng điện tần số cao thành sóng siêu âm

− Cấu tạo của bộ chuyển đổi gồm 4 lá thạch anh, kẹp giữa là các lá đồng mỏng được cố định bởi hai khối kim loại trước và sau

Bộ chuyển đổi có nguy cơ bị tích nhiệt hoặc hư hỏng khi hoạt động liên tục, đặc biệt là do ăn mòn mài mòn (fretting corrosion), vấn đề phổ biến khi hệ siêu âm hoạt động ở tần số 15 - 30KHz Hiện tượng ăn mòn này xảy ra khi tải hoặc dao động tại bề mặt liên tục, gây ra ma sát giữa các bề mặt của bộ chuyển đổi/booster và giữa booster/khuôn hàn Ngược lại, khi dao động ở tần số 40KHz, biên độ tạo ra không đủ lớn để gây ra ăn mòn Trong trường hợp này, chỉ nên sử dụng keo silicon.

 Nhiệm vụ bộ khuếch đại : thay đổi độ lớn chuyển vị ở bề mặt làm việc Hỗ trợ trong việc gá đặt hệ khuôn

 Tần số cộng hưởng của booster phải cùng tần số cộng hưởng của bộ phận làm việc

Mỗi bộ booster được thiết kế với hệ khuếch đại khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử dụng cụ thể Hệ số khuếch đại (gain) thường được nhận diện qua màu sắc của booster, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn sản phẩm phù hợp.

Màu sắc Hệ số khuếch đại

Bảng 1 2: bảng hệ số khuếch đại theo màu sắc bosster

Hình 1.33: Bộ khuếch đại booster

Hiệu suất làm việc của thiết bị siêu âm phụ thuộc nhiều vào bề mặt tiếp giáp của bộ chuyển đổi và booster, vì điều này có thể tạo ra các liên kết không hoàn hảo.

 Để tăng hiệu suất của siêu âm ta sử dụng miếng đệm âm

So sánh thiết bị tạo hình chi tiết siêu nhỏ và thiết bị tạo hình chi tiết thông thường30

Các thiết bị tạo hình micro có kích thước nhỏ gọn, chỉ từ vài milimet đến vài trăm milimet, thậm chí có thiết bị chỉ bằng lòng bàn tay Điều này trái ngược với các máy tạo hình chi tiết thông thường, vốn có kích thước lớn hơn nhiều so với chi tiết cần gia công.

Các thiết bị tạo hình chi tiết micro thường sử dụng lực nhỏ do kích thước chi tiết cần tạo hình rất nhỏ Lực không cần quá lớn để gây biến dạng kim loại, và chày của thiết bị cũng rất nhỏ, vì vậy nếu lực quá mạnh có thể làm hỏng thiết bị.

Các thiết bị tạo hình chi tiết micro thường có thiết kế đơn giản và tinh gọn hơn so với các thiết bị tạo hình thông thường Điều này là cần thiết vì các chi tiết nhỏ yêu cầu độ chính xác cao trong việc bố trí vị trí.

Ứng dụng của siêu âm trong gia công các chi tiết siêu nhỏ

Máy ép chảy có tích hợp hệ thống siêu âm [7,8]

Hình 1.34: thiết bị ép chảy có tích hợp siêu âm và sản phẩm

- Chiều dài: 500mm, Chiều rộng:500mm, Chiều cao: 450mm

- Lực ép danh nghĩa: 2kN

- Tần số được khuếch đại bởi bộ phát siêu âm: 20kHz

Các thiết đặt trong hình minh họa cho thấy thiết bị tạo sóng siêu âm được đặt dưới chày dưới, tiếp xúc trực tiếp với cối và chày dưới Khi cho phôi vào cối, người dùng sử dụng tay gạt để tạo lực ép Đồng thời, tần số rung động từ các lá đồng với biên độ 22-23μm trong bộ transducer được khuếch đại, tạo ra sóng siêu âm có khả năng biến thiên từ 50% đến 100% giá trị đã nêu.

Hình 1.35: Sản phẩm thu được sau quá trình ép chảy

 Ảnh hưởng của sóng siêu âm trong quá trình tạo hình:

- Dao động siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến ma sát và cơ chế bôi trơn tại bề mặt tiết diện của phôi

- Việc giảm được ma sát dẫn đến tải và tiết kiệm được năng lượng tiêu hao trong quá trình tạo hình

- Quá trình bôi trơn tại bề mặt chi tiết tốt sẽ làm cho chi tiết có bề mặt trơn , hạn chế được các khuyết tật trên bề mặt

- Dập vuốt chi tiết có tích hợp thiết bị tạo siêu âm [3, 7]

Hình 1.36: (a) Thiết đặt quá trình dập vuốt, (b) Khuôn dập vuốt

- Dập vuốt chi tiết vật liệu đồng sâu 5mm

Không có siêu âm Vật liệu đồng C2400 Chiều dày phôi 0.5mm Chiều sâu dập 5mm Lực dập 2000N Dập không sử dụng chặn phôi

Trong quá trình dập vật liệu đồng C2400 với chiều dày phôi 0.5mm và chiều sâu dập 5mm, lực dập được sử dụng là 2000N mà không có chặn phôi Bảng 1.3 trình bày sự so sánh kết quả dập giữa hai phương pháp có và không có siêu âm.

Kết luận cho thấy rằng sóng siêu âm tác động lên chày, làm cho nó rung động Trong quá trình dập, chày phát ra siêu âm cục bộ lên bề mặt phôi, giúp các phần tử trong phôi chuyển động nhanh hơn Nhiệt năng sinh ra tại vùng tiếp xúc với chày làm tăng khả năng biến dạng dẻo cục bộ của phôi, từ đó giảm thiểu hiện tượng nhăn mép một cách đáng kể.

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo hình chi tiết Micro

Hầu hết các kim loại được chế tạo thông qua phương pháp nấu chảy lỏng, sau đó được đúc thành sản phẩm hoặc bán thành phẩm Chất lượng của vật đúc chủ yếu phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn và quá trình kết tinh tiếp theo.

Quá trình kết tinh bao gồm việc tạo ra các mầm và sự phát triển của chúng trong kim loại lỏng Khi các mầm đầu tiên phát triển, kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới cho đến khi quá trình kết tinh hoàn tất Kích thước của các hạt tạo thành không đồng đều; các hạt sinh ra sớm hơn thường lớn hơn do có điều kiện phát triển tốt, trong khi các hạt sinh ra muộn hơn thường nhỏ hơn do điều kiện phát triển hạn chế.

Kích thước hạt kim loại là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá chất lượng kim loại, đặc biệt là cơ tính Trong kỹ thuật đúc khuôn, xu hướng là làm nhỏ kích thước hạt vì hạt nhỏ thường có cơ tính tốt hơn và độ giòn thấp hơn Đặc biệt, kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kéo của kim loại, được mô tả qua định luật Hall-Petch.

Trong đó: K: hệ số d: kích thước hạt

Kích thước hạt có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo trong quá trình dập siêu nhỏ Để đảm bảo tính hợp lý của bài toán, cần xem xét sự tương quan giữa kích thước hạt với đường kính và chiều dày của phôi.

Hình 1.38 thể hiện đường cong chảy của CuZn30 theo kích thước tương đối của chiều dày phôi Trong quá trình đúc kim loại, lớp bề mặt thường có kích thước hạt nhỏ hơn và hiện tượng hoá bền, cứng bề mặt do sai lệch mạng tinh thể làm tăng ứng suất chảy, khiến vật liệu khó biến dạng hơn Sơ đồ phân bố cho thấy rằng với các chi tiết có kích thước vi mô, số lượng hạt phân bố trên chiều dày phôi rất ít, dẫn đến việc ứng suất chảy của kim loại tăng lên khi kích thước giảm, gây khó khăn cho quá trình biến dạng vật liệu.

1.8.2 Ảnh hưởng của ma sát [10]

Các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát Độ nhám bề mặt tiếp xúc

Trong đó: : hệ số ma sát 0.28 0.38 n : áp suất tiếp xúc

S tx : diện tích tiếp xúc thực

- Hệ số ma sát trong Micro (0,38) lớn hơn trong Macro (0,2)

- Bôi trơn trong Micro ma sát giảm đáng kể so với Macro

- Hệ số ma sát giảm khi áp suất tiếp xúc tăng trong điều kiện có bôi trơn

Hình 1 39: Tiếp xúc phôi - dụng cụ gia công trong dập Macro và dập Micro

Trong điều kiện dập thô không có bôi trơn, diện tích tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi trong dập micro nhỏ hơn nhiều so với dập macro Điều này cho thấy áp lực pháp tuyến trong quá trình dập micro cao hơn so với dập macro.

Khi có bôi trơn, diện tích tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và phôi sẽ tăng lên, dẫn đến áp lực pháp tuyến giảm đáng kể Điều này làm giảm lực ma sát giữa hai bề mặt, giúp quá trình gia công diễn ra hiệu quả hơn.

1.8.3 ảnh hưởng của tốc độ [10, 11]

According to the document from the Institute FEMTO-ST, Applied Mechanics Laboratory in Besançon, France, an assessment was conducted on the impact force applied to a compression cylinder made of CuZn10 material at room temperature without lubrication.

Khảo sát đồ thị lực trong khoảng tốc độ từ 0,03mm/s đến 5mm/s cho thấy các đường đồ thị gần như trùng khít, điều này chứng tỏ rằng tốc độ dập không ảnh hưởng đến lực dập.

Tốc độ tạo hình cao thường mang lại năng suất tốt hơn, nhưng trong sản xuất thực tế, việc tăng tốc độ làm việc của dụng cụ quá mức có thể dẫn đến nhiều vấn đề phát sinh như chế độ nhiệt của dụng cụ và quá trình cấp phôi Do đó, khi thiết kế, cần đặc biệt chú ý đến những yếu tố này để đảm bảo hiệu quả sản xuất.

Tóm lại, công nghệ tạp hình các chi tiết kích thước micromet rất phức tạp, với nhiều vấn đề về vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng như kích thước hạt và ma sát đã được nghiên cứu Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán công nghệ cho các chi tiết tiếp điểm trong tương lai.

Chương 1 của luận văn đã trình bày sơ lược về các sản phẩm và các công nghệ tạo hình các chi tiết bằng phương pháp gia công áp lực gồm dập khối trong khuôn hở, dập khối trong khuôn kín, ép chảy, cắt hình đột lỗ, uốn, dập vuốt Công nghệ tạo hình các chi tiết siêu nhỏ hiện nay vẫn chưa được áp dụng rộng rãi ở nước ta do còn có nhiều khó khăn trong quá trình chế tạo và lắp ráp khuôn cũng như thiết bị do sự yêu cầu cao về độ chính xác trong gia công cũng như lắp đặt…Ngoài ra chương 1 cũng giới thiệu sơ bộ một vài thiết bị tạo hình chi tiết siêu nhỏ đã được nghiên, phát triển và sử dụng bên nước ngoài và công nghệ sóng siêu âm và các ứng dụng của nó trong việc chế tạo các chi tiết siêu nhỏ Trong đó đặc biệt các thiết bị đã được tích hợp thêm công nghệ sóng siêu âm, đây là một công nghệ rất mới và đã có những bước tập trung nghiên cứu

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ

Thông số kỹ thuật

- Chi tiết cần gia công

Hình 2.1: Chi tiết tiếp điểm chân điện tử

- Sử dụng phần mềm Deform ta mô phỏng quá trình ép chảy và đưa ra được các kết quả như sau

Hình 2.2: Biểu đồ lực ép phụ thuộc hành trình chày trong quá trình ép chảy chi tiết tiếp điểm điện tử

- Tốc độ ép chảy được lựa chọn trong quá trình mô phỏng hóa là 0,5mm

Hình 2 3: Đồ thị lực với các vận tốc khác nhau

Khảo sát tốc độ từ 0,3mm/s đến 5mm/s cho thấy đường đồ thị lực gần như trùng khít, chứng tỏ tốc độ ép không ảnh hưởng đến lực dập Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc để lực ép quá cao có thể dẫn đến hiện tượng gãy chày.

- Qua đó ta lựa chọn sơ bộ được các thông số chính của thiết bị

Kích thước tổng thể máy 635x400x1115 (mm) Kích thước bàn máy 250x250 (mm) Nguyên liệu sử dụng Khí nén

Lực ép danh nghĩa 2 kN Hành trình đầu trượt 100 (mm) Chiều cao làm việc tối đa 400(mm)

Nguồn phát siêu âm 20 000kHz Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật của thiết bị máy ép khí nén có tích hợp siêu âm

Sơ đồ động và nguyên lý tạo hình chi tiết

Hình 2.4: Sơ đồ động của máy ép khí nén có tích hợp siêu âm

Khi thay đổi chiều cao làm việc, bộ điều khiển gửi tín hiệu đến động cơ, khiến động cơ phát sinh momen xoắn để quay vít me Trong quá trình này, đai ốc được cố định với cụm thân, do đó khi vít me quay và đai ốc đứng yên, cụm thân sẽ di chuyển theo trục z, từ đó điều chỉnh chiều cao làm việc một cách hiệu quả.

Xy lanh khí nén đóng vai trò quan trọng trong quá trình ép chảy, là nguồn lực ép chính Khi hoạt động, xy lanh được cố định trên cụm thân và đầu cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer sẽ di chuyển cùng với cụm khuôn Đầu chuyển đổi Tranducer được gắn chặt với cụm khuôn, giúp sóng siêu âm tác động trực tiếp vào quá trình ép, nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nguyên lý tạo hình chi tiết khi có tác động của sóng siêu âm

Bộ nguồn siêu âm chuyển đổi dòng điện xoay chiều 220V với tần số 50Hz - 60Hz thành dòng điện tần số 15kHz - 40kHz Dòng điện này được truyền tới bộ chuyển đổi, nơi tín hiệu điện được chuyển thành tín hiệu cơ nhờ hiệu ứng điện áp của thạch anh, tạo ra rung động cơ học tương ứng Rung động sau đó được khuếch đại qua bộ khếch đại, với hệ số nhận biết bằng màu của Booster, và truyền tới đầu chày, tác động lên phôi Khi đó, các hạt nội phân tử trong phôi rung động với tần số cao, gia tăng ma sát giữa chày và phôi, cùng với nhiệt lượng sinh ra trong quá trình ép chảy, giúp tăng tốc độ chuyển động của các hạt Điều này làm cho khả năng biến dạng dẻo diễn ra dễ dàng hơn, từ đó cải thiện quá trình tạo hình chi tiết.

Sơ đồ máy và các cụm chi tiết chính

Bảng kê chi tiết sơ đồ máy ép khí nén

STT Kí hiệu Tên chi tiết

2 MNK.02-00 Cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer

5 MNK.05-00 Vít me – Đai ốc

Bảng 2 2: Bảng kê chi tiết sơ đồ máy ép khí nén

2.3.2 Các cụm chi tiết chính

 Nơi gá đế khuôn dưới

Hình 2.6: Cụm bàn máy Bảng kê chi tiết cụm bàn máy

STT Kí hiệu Danh mục

Bảng 2 3: Bảng kê chi tiết cụm bàn máy

Hình 2.7: Kiểm nghiệm bền cụm trục chính của thiết bị bằng phần mềm Inventor

Kết quả mô phỏng cho thấy, với lực ép 4,5 kN, chuyển vị lớn nhất đạt 0,0001 mm, nằm trong giới hạn sai lệch cho phép, chứng tỏ độ cứng vững của thiết bị đạt yêu cầu.

2.3.2.2 Cụm vít me – đai ốc

 Tác dụng: Điều chỉnh chiều cao làm việc

Nguyên lý làm việc của máy cho phép điều chỉnh chiều cao làm việc một cách linh hoạt Khi cần thay đổi chiều cao, động cơ secvo sẽ quay thanh vít me, trong khi đai ốc được cố định vào thân máy Sự chuyển động của thanh vít me sẽ kéo theo thân máy di chuyển theo trục z, giúp người dùng dễ dàng tối ưu hóa chiều cao làm việc cho quá trình gia công.

Xi lanh khí nén hoạt động nhờ vào nguồn khí nén được cung cấp qua van điện từ, cho phép piston di chuyển hết hành trình khi lượng khí trong xy lanh được thải ra ngoài Nguồn khí nén, với áp suất và nhiệt độ nhất định, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài xy lanh, khiến không khí giãn nở và chuyển đổi năng lượng khí nén thành động năng Khi không khí được nén, nó chiếm không gian trong lòng xy lanh, làm cho piston di chuyển và tạo ra công năng cần thiết để vận hành các thiết bị.

2.3.2.4 Cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer

Hình 2.8: Cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer

STT Kí hiệu Tên Chi Tiết

1 MEKN.02.01.00 Cụm vỏ mang đầu chuyển đổi Tranducer

2 MEKN.02.02.00 Đầu chuyển đổi Tranducer

3 MEKN.02.03.00 Bích kẹp chặn trên

4 MEKN.02.04.00 Bích định vị trên

5 MEKN.02.05.00 Bích định vị dưới

6 MEKN.02.06.00 Bích kẹp chặt dưới

Bảng 2 4: Bảng kê chi tiết cụm mang đầu chuyển đổi Tranducer