Tải bản đầy đủ (.pdf) (6 trang)

ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT TRƯỢT GIỮA THÉP GIÓ VÀ NHÔM KHI BỔ SUNG RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (585.37 KB, 6 trang )

(1)

ĐÁNH GIÁ HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT TRƯỢT GIỮA THÉP GIĨ VÀ NHƠM


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 Ngun


TĨM 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 nhơm trong điều kiện ma sát khơ. Một mơ hình mơ 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 cơng 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 cơng 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 cơng có rung động trợ giúp
(VAM). Nhiều tính năng ưu việt của kĩ thuật
gia cơng 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: Vng góc [3-5], song song
[3, 6-8] hoặc vng 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 khơng cịn 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 nhơm. Nghiên cứu
tương tác ma sát cho cặp vật liệu này có ý
nghĩa ứng dụng quan trọng cho bài tốn
khoan hợp kim nhơm 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 nhơm 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.
MƠ TẢ THÍ NGHIỆM



(2)

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 nhơm.


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 khơng
córung ở 05 giá trị vận tốc trượt.


Hệ số ma sát được tính bởi cơng 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. Thơng 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 cịn 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



(3)

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) khơng 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


c


a b e


  


(2)
trong đó, x là vận tốc trượt, a,b, c là các hệ số
tính tốn. Quan hệ giữa Hệ số ma sát và vận tốc
trượt khi có rung (µUAD ) và khơng 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 khơng 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 khơng 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 Nhơm-Nhơm và Nhôm-Đồng [16] cho
thấy, hệ số ma sát tăng khi vận tốc trượt tăng.



(4)

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, ơ 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 khơng 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 khơng 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 khơng 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 mơ men sinh ra trong quá trình khoan


được chia làm hai thành phần như minh họa
trên Hình 4. Trong đó mơ 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 mơ men
thốt 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 mơ men cần thiết
để bóc tách kim loại (Mơ men cắt).


Hình 4. Mơ men trong q 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 khơng 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 khơng 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



(5)

Hình 5. Mơ 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 khơng có rung động trợ giúp. Kết
quả phân tích cho thấy với độ tin cậy 95% mơ
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
phơi 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 khơng đổi cho thấy ưu điểm vượt
trội của kĩ thuật khoan có rung trợ giúp đó là
cải thiện tính năng gia cơng 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
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)



(6)

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




*





×