Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia công lỗ sâu 5393645

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU
Mã số: ĐH2013-TN02-09
Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng
Thái Nguyên, 10/2018

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG LỖ SÂU
Mã số: ĐH2013-TN02-09
Chủ nhiệm đề tài: Chu Ngọc Hùng
Xác nhận của tổ chức chủ trì
(ký tên, đóng dấu)
KT.HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG
PGS.TS. Vũ Ngọc Pi
Chủ nhiệm đề tài
Chu Ngọc Hùng
Thái Nguyên, 10/2018

3. i
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
STT Họ và tên Đơn vị công tác
1. Chu Ngọc Hùng Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN
2. Nguyễn Văn Dự Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN
3. Lê Duy Hội Trường Cao đẳng KTKT, ĐHTN
4. Phan Văn Nghị Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, ĐHTN

4. ii
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................................vi
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...........................................................................vii
0.1. Tính cấp thiết ..................................................................................................................1
0.2. Mục tiêu và cách tiếp cận ...............................................................................................3
0.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................3
0.2.2. Cách tiếp cận vấn đề ................................................................................................3
0.2.3. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................4
0.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4
0.3. Các kết quả đạt được.......................................................................................................4
0.4. Cấu trúc của nội dung báo cáo........................................................................................4
Chương 1 ...............................................................................................................................6
TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN ....................................6
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................................6
1.2. Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ .......................................................................7
1.2.1. Gia công siêu âm......................................................................................................7
1.2.2. Gia công siêu âm quay.............................................................................................9
1.2.3. Rung động siêu âm trợ giúp gia công....................................................................11
1.3. Siêu âm trợ giúp khoan.................................................................................................16
1.3.1. Nguyên tắc chung ..................................................................................................16
1.3.2. Cơ chế của quá trình siêu âm trợ giúp khoan ........................................................18
1.4. Kết luận chương............................................................................................................21
Chương 2 .............................................................................................................................22
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN........................22
2.1. Giới thiệu ......................................................................................................................22
2.2. Một số khái niệm về dao động, rung động và siêu âm .................................................22
2.2.1. Bản chất của sóng âm ............................................................................................23
2.2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm ...................................................................24
2.2.3. Các phương pháp tạo rung động siêu âm...............................................................27
2.2.4. Siêu âm công suất ..................................................................................................30

5. iii
2.2.5. Cơ sở lí thuyết truyền sóng trong vật liệu..............................................................32
2.3. Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện ...............................................................35
2.3.1. Máy phát điện siêu âm...........................................................................................35
2.3.2. Bộ chuyển đổi siêu âm...........................................................................................36
2.3.3. Đầu khuếch đại biên độ .........................................................................................39
2.4. Xác định thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm sử dụng gốm áp điện ...................42
2.4.1. Nguyên tắc xác định tần số cộng hưởng................................................................42
2.4.2. Xác định biên độ rung............................................................................................46
2.5. Chế tạo, lắp ráp cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan....................................................49
2.5.1. Nguyên tắc gá kẹp mũi khoan với bộ chuyển đổi..................................................49
2.5.2. Lựa chọn thiết bị siêu âm.......................................................................................50
2.5.3. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan................53
2.5.4. Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho cơ cấu rung ............................................54
2.5.5. Thực nghiệm xác định tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan
.........................................................................................................................................56
2.5.6. Thực nghiệm xác định biên độ rung của dụng cụ cắt ............................................63
2.6. Kết luận chương............................................................................................................67
Chương 3 .............................................................................................................................68
THỰC NGHIỆM GIA CÔNG ĐÁNH GIÁ CƠ CẤU RUNG............................................68
3.1. Giới thiệu ......................................................................................................................68
3.2. Thiết bị thí nghiệm........................................................................................................68
3.3. Thiết kế thí nghiệm.......................................................................................................76
3.4. Kết quả và thảo luận .....................................................................................................78
3.4.1. Thực nghiệm so sánh .............................................................................................80
3.4.2. Lựa chọn bộ thông số gia công hợp lí....................................................................87
3.5. Kết luận chương............................................................................................................91
Chương 4. ............................................................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................92
4.1. Kết luận.........................................................................................................................92
4.2. Kiến nghị.......................................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................94

6. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Nguyên lý gia công siêu âm.................................................................................................. 8
Hình 2. Nguyên lí gia công siêu âm quay [76]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt................................ 9
Hình 3. Rung động siêu âm trợ giúp tiện [75]...................................................................................11
Hình 4. Các phương án bổ xung rung động vào quá trình gia công [54][41] ...................................13
Hình 5. Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [77][37]...........................................................................................15
Hình 6. Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [77][37]...........................................................................................16
Hình 7. Kiểu rung trong UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp.............17
Hình 8. Mô hình mũi khoan rung-phôi quay [8]...............................................................................17
Hình 9. Mô hình phôi rung mũi khoan quay [9][45].........................................................................18
Hình 10. Mô hình mũi khoan vừa rung vừa quay [66]......................................................................18
Hình 11. Cơ chế của rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58].................................................19
Hình 12. Mô hình liên kết nguyên tử ................................................................................................24
Hình 13. Hình dạng một số mode truyền sóng..................................................................................26
Hình 14. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm...........................................................................................28
Hình 15. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu mang từ tính để tạo rung động cơ
học.....................................................................................................................................................28
Hình 16. Hiệu ứng áp điện ................................................................................................................29
Hình 17. Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng tấm xếp chồng.............................30
Hình 18. Hệ thống siêu âm công suất [26][60] .................................................................................32
Hình 19. Mô hình rung động dọc trục của thanh vật liệu đồng nhất: (a) biên độ rung và ứng suất;
(b) ứng suất và chuyển vị của một phân tố [27][61] .........................................................................33
Hình 20. Hệ thống rung siêu âm .......................................................................................................35
Hình 21. Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62] ...................................................36
Hình 22. Đầu khuếch đại biên độ: (a) dạng hàm mũ, (b) dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e)
dạng bậc. [12][63].............................................................................................................................39
Hình 23. Tỉ lệ khuếch đại biên độ khác nhau giữa các loại horn [12][63]: (a) dạng hàm mũ, (b)
dạng catenoit, (c) cosine, (d) dạng nón, (e) dạng bậc........................................................................40
Hình 24. Đầu khuếch đại biên độ (horn) dạng bậc............................................................................40
Hình 25. Mô hình hóa bộ chuyển đổi siêu âm bằng mạch vòng Mason ...........................................43
Hình 26. Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở.............................................................................................45
Hình 27. Phương pháp I - V..............................................................................................................46
Hình 28. Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở: (a) mạch đo kiểu đơn giản, (b) mạch đo sử dụng
bộ khuếch đại ....................................................................................................................................46
Hình 29. Nguyên lí đo rung động bằng LDV [73][69] .....................................................................47
Hình 30. Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến sợi quang (hình ảnh từ trang web
https://www.mtiinstruments.com/technology-principles/fiber-optic-sensors/).................................48
Hình 31. Nguyên lí đo rung động bằng cảm biến dòng cảm ứng (hình ảnh từ trang web
https://www.shinkawaelectric.com/en/column/20170807.html).......................................................48
Hình 32. Phương án gá kẹp mũi khoan vào đầu khuếch đại biên độ: (a) sử dụng ống kẹp (collet)
[43][53], (b) sử dụng ren vít cố định trực tiếp vào đầu khuếch đại biên độ [70] ..............................49
Hình 33. Bộ chuyển đổi siêu âm YP-5020-4Z..................................................................................52
Hình 34. Máy phát điện MPI WG3000.............................................................................................52
Hình 35. Cấu tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan: (1) Mâm cặp, (2) ống gá, (3) bộ chuyển đổi
siêu âm, (4) đầu khuếch đại biên độ, (5) bích kẹp, (6) vít trí, (7) collet kẹp mũi khoan, (8) mũi
khoan, (9) nòng trục chính máy tiện, (10) chổi than-cổ góp.............................................................53
Hình 36. Thiết bị thực: (a) – chổi than cổ góp, (b) – cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan ...............54
Hình 37. Các kích thước chính của đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan.................55
Hình 38. Mô hình phân tích mô phỏng đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan ...........55

7. v
Hình 39. Thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A.................................................................................56
Hình 40. Biểu đồ Bode khi phân tích bằng phần mềm FRA4PS ......................................................58
Hình 41. Dữ liệu được xử lí trên phần mềm OriginLab....................................................................58
Hình 42. Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab....................59
Hình 43. Thiết bị phân tích trở kháng HIOKI3532-50 LCR.............................................................60
Hình 44. Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR....................61
Hình 45. Xác định tần số cộng hưởng của đầu rung bằng máy phát MPI-WG3000.........................63
Hình 46. Đo biên độ rung sử dụng micrometer của S. M. Hoseini và J. Akbari [62][79] ................65
Hình 47. Đo biên độ rung sử dụng micrmeter của W. L. Cong T và Z.J.Pei [23] ............................65
Hình 48. Đo biên độ rung bằng đồng hồ so (MИΓ) độ phân giải 1 µm............................................66
Hình 49. Đo biên độ rung bằng Panme.............................................................................................67
Hình 50. Sơ đồ bố trí thí nghiệm.......................................................................................................68
Hình 51. Ảnh chụp phôi thí nghiệm..................................................................................................69
Hình 52. Mũi khoan thí nghiệm........................................................................................................70
Hình 53. Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc IRTP_300LS ...............................................................70
Hình 54. Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) với nhiệt độ đo được trên phôi (0C) ...............71
Hình 55. Ảnh chụp Cảm biến lực ba thành phần KISTLER 9257BA ..............................................72
Hình 56.Q uan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và lực dọc trục (N)..........................................72
Hình 57. Cảm biến mô men PCB 2508-106-03A .............................................................................73
Hình 58. Quan hệ giữa điện áp ra của cảm biến (V) và mô men (Ncm)...........................................73
Hình 59. Bộ khuếch đại tín hiệu KM02A .........................................................................................74
Hình 60. Bộ thu thập dữ liệu NI PCI-6010 và cổng kết nối NI-CB-37F-LP ....................................75
Hình 61. Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm...........................................................................................76
Hình 62. Các thông số lực và momen lớn nhất, lực và momen cắt...................................................79
Hình 63. Biểu đồ so sánh mô men giữa CD và UAD: (a) mô men cắt, (b) mô men lớn nhất...........80
Hình 64. Biểu đồ so sánh lực dọc trục giữa CD và UAD: (a) lực dọc trục cắt, (b) lực dọc trục lớn
nhất....................................................................................................................................................81

8. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Quĩ đạo rung của dụng cụ cắt (DCC) trong siêu âm trợ giúp gia công [77][37] .................14
Bảng 2. Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số......................................................23
Bảng 3. Vận tốc truyền âm trong một số vật liệu kĩ thuật.................................................................24
Bảng 4. Trở kháng âm của một số vật liệu kĩ thuật...........................................................................27
Bảng 5. Thông số rung của bộ chuyển đổi siêu âm đã được sử dụng trong một số công bố ............51
Bảng 6. Thông số của bộ chuyển đổi siêu âm...................................................................................52
Bảng 7. Thông số máy phát điện siêu âm .........................................................................................52
Bảng 8. Bảng thông số kĩ thuật của thiết bị hiện sóng PicoScope 2204A ........................................56
Bảng 9. Thông số kĩ thuật của máy HIOKI3532-50 LCR ................................................................60
Bảng 10. Tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan khi độ dài mũi khoan thay đổi
...........................................................................................................................................................61
Bảng 11. Thông số của máy tiện.......................................................................................................69
Bảng 12. Thành phần hóa học chính Al6061....................................................................................70
Bảng 13. Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt ...............................................................................70
Bảng 14. Thông số kĩ thuật của cảm biến lực ...................................................................................72
Bảng 15. Thông số của cảm biến mô men ........................................................................................73
Bảng 16. Thông số bộ khuếch đại tín hiệu........................................................................................74
Bảng 17. Thông số kỹ thuật của bộ thu thập dữ liệu.........................................................................75
Bảng 18. Các mức giá trị thông số thí nghiệm..................................................................................76
Bảng 19. Ma trận thí nghiệm Taguchi L27 ........................................................................................77
Bảng 20. Giá trị các thông số đầu ra của thí nghiệm Taguchi L27...................................................79
Bảng 21. Tỉ số S/N của các chỉ tiêu và chuẩn hóa trong khoảng [0-1].............................................88
Bảng 22. Hệ số quan hệ xám.............................................................................................................89
Bảng 23. Mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ xám...............................................90

9. vii
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung
- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung động trợ giúp gia công lỗ sâu
- Mã số: ĐH2013-TN02-09
- Chủ nhiệm: Chu Ngọc Hùng
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN
- Thời gian thực hiện: 2013 - 2015
2. Mục tiêu
Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, đảm bảo nâng cao năng suất
và chất lượng lỗ khoan.
3. Tính mới và sáng tạo
- Nghiên cứu triển khai thành công các bước tính toán thiết kế và chế tạo thành công
hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công khoan lỗ sâu có tỷ lệ chiều sâu trên
đường kính trên 10. Hệ thống này chưa thấy công bố trong nước.
- Thực nghiệm gia công khoan lỗ sâu trên hợp kim nhôm Al6061. Kết quả nghiên
cứu được công bố trên 06 bài báo khoa học quốc gia và quốc tế, trong đó có 01 bài
trên tạp chí thuộc danh mục Scopus.
4. Kết quả nghiên cứu
- Hệ thống hóa, thực nghiệm triển khai cách thức tính toán, chế tạo và lắp ráp thành
công hệ thống rung động siêu âm trợ giúp giúp gia công khoan lỗ sâu;
- Thiết bị thí nghiệm đã được sử dụng triển khai thí nghiệm cho 06 bài báo khoa học
trong nước và quốc tế, được Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước công nhận.
5. Sản phẩm:
5.1. Sản phẩm khoa học
Công bố được 06 bài báo khoa học, trong đó có 04 bài báo quốc gia, 01 bài
báo trong danh mục Scopus và 01 bài báo quốc tế có chỉ số ISSN. Cụ thể là:

10. viii
- Van-Du Nguyen, Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of chip
evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep holes”,
International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET),
9(6), pp. 899–908, ISSN: 0976-6340;
- Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu, Van-Du Nguyen (2018), "A Study on
Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring
With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced
Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp. 283-296,
ISSN: 2454-2377;
- Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng (2015), "Giải pháp khoan lỗ sâu trên hợp
kim nhôm có trợ giúp của rung động tần số thấp", Tạp chí Cơ khí Việt Nam,
6, tr. 14-17;
- Chu Ngọc Hùng, Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Thị Thảo (2016), "Một số kết
quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của gia công khoan lỗ sâu tích
hợp rung", Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr.
9-13;
- Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự, Chu Ngọc Hùng, Hồ Ký Thanh (2016),
"Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của kích thước đầu rung siêu âm công
suất lớn đến tần số cộng hưởng rung động", Tạp chí Khoa học Công nghệ
Đại học Thái Nguyên, 154 (09), tr. 19-23;
- Chu Ngọc Hùng, Ngô Quốc Huy, Nguyễn Văn Dự (2017), "Đánh giá hiệu
ứng giảm ma sát trượt giữa thép gió và nhôm khi bổ sung rung động siêu
âm", Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 176(16), tr. 31-
36.
5.2. Sản phẩm đào tạo
Kết quả đề tài trực tiếp phục vụ nội dung nghiên cứu của Chủ nhiệm đề tài
trong quá trình làm nghiên cứu sinh, là nội dung chính của 02 chuyên đề NCS.
- Chu Ngọc Hùng (2014), Chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan,
Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp.

11. ix
- Chu Ngọc Hùng (2014), Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng hệ thống thí
nghiệm, Chuyên đề Tiến sĩ, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp.
5.3. Sản phẩm ứng dụng
Thiết bị rung tích cực trợ giúp gia công lỗ sâu
6. Hiệu quả:
Kết quả đào tạo trực tiếp hỗ trợ nghiên cứu sinh là chủ nhiệm đề tài để triển khai
nghiên cứu, đồng thời tạo ra nhóm nghiên cứu tiềm năng cho các đề tài sau.
7. Khả năng áp dụng và phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện để chuyển giao, ứng dụng
trong sản xuất.
Ngày 02 tháng 10 năm 2018
Cơ quan chủ trì
KT.HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG
PGS.TS. Vũ Ngọc Pi
Chủ nhiệm đề tài
Chu Ngọc Hùng

12. x
INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Design, manufacturing of experimental device for vibration assisted
deep hole machining.
Code number: ĐH2013-TN02-09
Coordinator: Chu Ngoc Hung
Implementing institution: TNU-Thai Nguyen University of Technology
Duration: from 2013 to 2015
2. Objective:
To design and manufacture a device for ultrasonic assisted drilling, which can
enhance the production rate and quality of drilled holes.
3. Creatives and innovativeness:
- Sucessfully implemented the designing calculation and manufacturing steps for
the ultrasonic assisted deep hole drilling with respect ratio larger than 10. This kind
of research has not been found in national publications.
- Practically drilled deep holes on Al6061 aluminum alloy. The experiemental
results have been published in 06 scientific papers, including 01 papers in Scopus
indexed journals.
4. Research results:
- Systemized and practically implemented methods of calculation, fabrication and
assemly an experimental system for ultrasonic vibration assisted deep hole drilling;
- The experimental system has been used to provide data for 06 scientific papers,
which are accepted by The Sate Council for Professor Title of Vietnam.
5. Products:
5.1. Scientific
The study published 06 scientific paper, including 01 paper in an Scopus papers and
01 paper in an international journal, as following:

13. xi
- Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2018), “A study on the reduction of
chip evacuation torque in ultrasonic assisted drilling of small and deep
holes”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology
(IJMET), 9(6), pp. 899–908, ISSN: 0976-6340;
- Quoc-Huy Ngo, Ngoc-Hung Chu and Van-Du Nguyen (2018), "A Study on
Design of Vibratory Apparatus and Experimental Validation on Hard Boring
With Ultrasonic-Assisted Cutting", International Journal of Advanced
Engineering Research and Applications (IJA-ERA), 3(10), pp. 283-296,
ISSN: 2454-2377;
- Van-Du Nguyen and Ngoc-Hung Chu (2015), "A solution of manufacturing
deep holes on aluminum alloy by low-frequency vibration assisted drilling",
Viet Nam Mechanical Engineering Journal, 6, pp. 14-17;
- Chu Ngoc Hung, Nguyen Van Du and Nguyen Thi Thao (2016), "An
experimental study on influences of vibration assisted drilling deep holes on
stainless steel SUS304", Journal of Science and Technology – Thai
Nguyen University, 154 (09), pp. 9-13;
- Ngo Quoc Huy, Nguyen Van Du, Chu Ngoc Hung and Ho Ky Thanh (2016),
"An experimental study on influences of power ultrasonic transducer
dimension on the resonance frequency", Journal of Science and Technology
– Thai Nguyen University, 154 (09), pp. 19-23;
- Chu Ngoc Hung, Ngo Quoc Huy and Nguyen Van Du (2017), "Evaluation of
sliding friction reduction between high speed steel and aluminum in presence
of ultrasonic vibration", Journal of Science and Technology – Thai Nguyen
University, 176(16), pp. 31-36.
5.2. Training products:
The results of this project directly provided data for PhD study of the coordinator.
The main content of 02 Ph.D. special subject.
- Chu Ngoc Hung (2014), Manufacturing ultrasonic vibration device to
assistance for deep drilling, Ph.D. special subject, Thai Nguyen Univesity of
Technology.

14. xii
- Chu Ngoc Hung (2014), Experimental research and experimental system
construction, Ph.D. special subject, Thai Nguyen Univesity of Technology.
5.3. Applied products
The experimental ultrasonic vibratory can be used to clamp several kinds of cutting
tools such as turning, drilling, can be fixed on conventional lathes to assist different
types of machining.
6. Effects:
The results directly supported the PhD study of this project coordinator and
established a potentional team for further projects in this field.
7. Transfer alternatives of reserach results andapplic ability:
The results are promissing to be developed, completed in order to transfer
and apply in practical industry.

15. 1
MỞ ĐẦU
Nội dung chương này giới thiệu các thông tin tóm tắt về cơ sở lý luận của đề
tài. Mục thứ nhất, mục 0.1, giới thiệu tóm tắt tính cấp thiết của đề tài. Mục 0.2 trình
bày mục tiêu nghiên cứu; cách tiếp cận vấn đề; phương pháp nghiên cứu; đối tượng
và phạm vi nghiên cứu. Mục 0.3 trình bày các kết quả đạt được của đề tài. Mục 0.5
là cấu trúc nội dung của báo cáo.
0.1. Tính cấp thiết
Siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining - UAM) là một
phương pháp gia công lai giữa gia công siêu âm và gia công cắt gọt. Trong phương
pháp gia công này, một rung động cưỡng bức có tần số cao (≥20 kHz), biên độ rất
nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ
cắt và chi tiết trong quá trình gia công [18]. Mũi dao hoặc phôi sẽ thực hiện dao
động theo một phương (1D) hoặc theo quĩ đạo elip (2D) so với phương của vận
tốc cắt. Sự kết hợp giữa rung động cưỡng bức này và vận tốc cắt làm cho sự tiếp
xúc giữa mũi dao và chi tiết thay đổi chu kỳ, khác hẳn với các phương pháp gia
công cắt gọt truyền thống. Kết quả của quá trình tiếp xúc thay đổi vi mô này làm
giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng
suất và tuổi bền dụng cụ.
Hiện nay, siêu âm trợ giúp gia công đã được ứng dụng trong hầu hết các phương
pháp cắt gọt truyền thống như siêu âm trợ giúp phay (Ultrasonic Assisted Milling-
UAM), siêu âm trợ giúp tiện (Ultrasonic Assisted Turning-UAT), siêu âm trợ giúp
mài (Ultrasonic Assisted Grinding-UAG), siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic
Assisted Drilling-UAD), siêu âm trợ giúp ta rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted
Tapping), siêu âm trợ giúp đánh bóng (Ultrasonic Assisted Polishing-UAP) v.v.
Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến
(Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng
tia lửa điện và gia công bằng la de [35][2].
Nhiều ưu điểm của UAM so với gia công cắt gọt thông thường đã được
quan sát ở hầu hết các phương pháp gia công: lực cắt trung bình giảm 77% khi

16. 2
tiện hợp kim Titan Ti-15333 [52][3], giảm 70% khi tiện hợp kim β-titanium [47].
Độ nhám bề mặt giảm tới 265% khi phay hợp kim nhôm Al2A12 [68]. Lực cắt
theo hai phương X và Y giảm lần lượt 44.5% và 31.6%, độ nhám giảm 42.3% khi
mài phẳng bằng mặt đầu của đá mài ngón trên hợp kim Nikel Rene [70][69][6],
lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến giảm lần lượt 56.0% và 51.9% khi mài vật liệu
Inconel 718 bằng mặt trụ của đá mài ngón [38][7]. Trong siêu âm trợ giúp gia công
bằng tia lửa điện (UAEDM), quá trình thoát các hạt kim loại bám dính vào dụng
cụ dễ dàng hơn khi bổ sung rung động siêu âm do đó cải thiện sự phóng điện. Tốc
độ bóc tách vật liệu tăng 11% và độ mòn dụng cụ giảm 21% [73][72][8] v.v.
Trong siêu âm trợ giúp khoan, ưu điểm của UAD so với kĩ thuật khoan
truyền thống (CD) đã được ghi nhận qua nhiều nghiên cứu trên nhiều loại vật liệu.
Sự khác biệt mang lại nhiều ưu điểm của UAD so với CD đó là hiệu ứng giảm ma
sát khi rung động được bổ sung: cải thiện quá trình thoát phoi khi khoan các vật
liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm ngay cả ở trường hợp khoan không tưới nguội
[5, 16][5][10] v.v ; giảm lực cắt, nhiệt cắt và nâng cao tuổi bền dụng cụ khi
khoan các vật liệu siêu bền và vật liệu cứng [79][78][11], [29][12], [1] v.v ; giảm
biến dạng do giảm lực dọc trục khi khoan các tấm mỏng [10]. Đặc biệt, trong
trường hợp khoan lỗ nhỏ (Micro-Drilling), công nghệ UAD chứng tỏ khả năng
vượt trội so với CD: lực dọc trục giảm 4 lần, tuổi bền dụng cụ tăng hơn 20 lần
tương ứng với 200 lỗ khi khoan lỗ có đường kính 20 µm trên vật liệu hợp kim
nhôm Al2017 [51][15], lực dọc trục trung bình giảm 60% khi khoan lỗ có đường
kính 1mm trên vật liệu PCB gia cố bằng sợi thủy tinh v.v.
Hiện tại UAM vẫn đang nhận được sự chú ý bởi nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới: chế tạo đầu rung trợ giúp khoan cho trung tâm gia công 5 trục của Andrea
Stoll và cộng sự (2017) [6], chế tạo đầu rung trợ giúp khoan nhằm cải thiện năng
suất của trung tâm gia công đứng của M. A. Moghaddas và cộng sự (2018) [50]
v.v.
Ở Việt Nam hiện nay, ứng dụng của siêu âm công suất cao đã được giới
thiệu và thương mại hóa thông qua nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài trong một
số lĩnh vực như hàn siêu âm (Ultrasonic Welding), siêu âm làm sạch (Ultrasonic

17. 3
Cleaning) v.v. Hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu áp điện nhằm sản xuất các bộ
chuyển đổi siêu âm cũng mới được triển khai những năm gần đây tại Đại học
Khoa học Huế [1]. Tuy nhiên, ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ khí vẫn
chưa được cập nhật, công bố khoa học về kỹ thuật ứng dụng rung động siêu âm trợ
giúp gia công chưa thấy xuất hiện trong nước.
Đề tài này được ưu tiên phê duyệt cho nghiên cứu sinh nhằm tạo dựng thiết
bị tạo rung động siêu âm phù hợp cho khoan lỗ sâu, tạo cơ sở triển khai hướng
nghiên cứu khai thác rung động siêu âm trong trợ giúp gia công cơ khí.
0.2. Mục tiêu và cách tiếp cận
0.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế, chế tạo cơ cấu rung siêu âm thí nghiệm trợ giúp khoan nhằm hỗ trợ đề tài
nghiên cứu sinh, khẳng định và đánh giá khả năng nâng cao năng suất và chất lượng
lỗ khoan. Cơ cấu rung thí nghiệm cần đạt được các yêu cầu cơ bản sau:
- Tạo được rung động siêu âm và truyền đến dụng cụ cắt, tương tự như trong
các công bố của nhiều nhà nghiên cứu quốc tế;
- Phù hợp với điều kiện chế tạo hiện có;
- Hệ thống thí nghiệm có khả năng điều chỉnh các thông số vào (biên độ, tần
số rung, chế độ cắt) theo các mức định trước. Có khả năng thu thập các giá
trị tương ứng của các hàm đầu ra.
0.2.2. Cách tiếp cận vấn đề
Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài từ các nghiên cứu trước,
trong đó bao gồm các nội dung chính sau: ứng dụng của siêu âm trong gia công
cơ; cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng gốm áp điện;
nguyên tắc, phương án và mô hình bổ sung rung động siêu âm cho quá trình
khoan; phương pháp xác định tần số rung và biên độ rung của cơ cấu rung siêu âm
trợ giúp khoan; những vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây.
Từ nghiên cứu tổng quan, lựa chọn mô hình và xây dựng hệ thống thí nghiệm; xác
định đối tượng, mục đích và phạm vi nghiên cứu.

18. 4
0.2.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu ứng dụng và thực nghiệm so
sánh; phân tích thống kê và phát triển mô hình lý thuyết-thực nghiệm.
0.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi khoan lỗ sâu có tỉ số độ sâu lỗ trên
đường kính L/D ≥10. Phạm vi khảo sát được giới hạn trên vật liệu hợp kim nhôm
Al6061, sử dụng mũi khoan xoắn thép gió đường kính 3 mm. Nghiên cứu được thực
hiện trong phòng thí nghiệm, cơ cấu rung-quay trợ giúp khoan được thiết kế và gá
đặt trên máy tiện vạn năng.
0.3. Các kết quả đạt được
Công bố 06 bài báo khoa học trong đó có 02 bài trên tạp chí khoa học quốc tế
(bao gồm 01 bài Scopus và 01 bài có chỉ số ISSN) và 04 bài trên tạp chí quốc gia.
So với chỉ tiêu đặt ra của đề tài là 02 bài báo quốc gia và 01 bài báo quốc tế, đề tài
vượt mức 01 bài Scopus và 02 bài báo trong nước.
Đã chế tạo được 01 cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan theo mô hình rung-quay gá
đặt trên máy tiện. Đánh giá các thông số làm việc của cơ cấu rung trợ giúp khoan
bằng các dụng cụ đo được kiểm chứng. Chỉ tiêu này đạt yêu cầu.
Sử dụng cơ cấu rung được chế tạo, thực nghiệm khoan sâu trong điều kiện không
tưới nguội trên vật liệu hợp kim nhôm Al6061, khẳng định ưu việt của công nghệ
siêu âm trợ giúp khoan.
0.4. Cấu trúc của nội dung báo cáo
Báo cáo tổng kết đề tài bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận.
Phần mở đầu trình bày một cách tóm tắt nghiên cứu tổng quan nhằm nêu bật
nhu cầu, tính cấp thiết của đề tài; các cơ sở phương pháp luận như mục tiêu, cách
tiếp cận, phạm vi nghiên cứu và các kết quả chính.
Trong Chương 1, nghiên cứu tổng quan tài liệu nhằm phục vụ cho việc triển
khai đề tài. Trong đó bao gồm các nôi dung chính sau: tính gia công (Machinability)

19. 5
và khả năng khoan (Drillability) của hợp kim nhôm; Đặc trưng của mô men và lực
dọc trục khi khoan (phụ thuộc và không phụ thuộc vào độ sâu lỗ khoan); Ứng dụng,
lịch sử và phát triển của công nghệ siêu âm trong gia công cơ: gia công siêu âm
(Ultrasonic Machining-USM), gia công siêu âm quay (Rotary Ultrasonic
Machining-RUM), rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration
Assisted Machining-UVAM) và siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted
Drilling); Cơ chế của siêu âm trợ giúp khoan; Tóm tắt và hệ thống kết quả của một
số nghiên cứu đã công bố trên các tạp chí uy tín, kết luận và đề xuất hướng nghiên
cứu.
Chương 2 trình bày các kiến thức cơ sở cho việc tính toán thiết kế cơ cấu
rung siêu âm trợ giúp khoan.Trong đó bao gồm những nội dung chính sau: bản chất
của sóng âm, nguyên tắc truyền rung động siêu âm và cơ sở lí thuyết truyền sóng
trong vật liệu; Nguyên lí làm việc của hệ thống rung siêu âm trợ giúp gia công, các
kiến thức cơ bản về thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer) sử dụng
gốm áp điện kiểu Lagevin và đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic Horn); Nguyên tắc
xác định tần số cộng hưởng và biên độ rung của bộ chuyển đổi siêu âm; Chế tạo, lắp
ráp và đo kiểm một số thông số cơ bản của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan.
Chương 3 trình bày ứng dụng của hệ thống rung trong thiết kế và triển khai
một số thí nghiệm nhằm vừa đánh giá hiệu quả của việc khai thác rung trợ giúp
khoan, vừa tổng kiểm tra đánh giá khả năng làm việc của hệ thống rung đã chế tạo.
Phần Kết luận và kiến nghị tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài và đề
xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

20. 6
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN
1.1. Giới thiệu chung
Khoan là một quá trình thông dụng nhất để gia công lỗ do tính đơn giản, thời gian
gia công ngắn và chi phí thấp. Theo đó, một quy trình gia công điển hình thường
bao gồm: khoan (30%), tiện (20%), phay (16%), cắt ren (15%), chép hình (6%) và
các loại khác (13%) [61]. Tuy nhiên, khoan cũng là một trong những quá trình cắt
phức tạp nhất. Đặc điểm chính để phân biệt giữa khoan với các quá trình gia công
khác là quá trình cắt trong gia công bằng khoan xảy ra đồng thời với quá trình đẩy
phoi ra khỏi lỗ khoan. Song song với đó là những khó khăn gặp phải, đặc biệt khi
khoan lỗ sâu trên vật liệu dẻo như các loại hợp kim nhôm. Đã có nhiều biện pháp
công nghệ đã và đang được sử dụng nhằm cải thiện quá trình khoan, chẳng hạn như
cải thiện chất lượng và bề mặt dụng cụ, sử dụng công nghệ bôi trơn làm nguội tiên
tiến [25][18], [30], [33], [17][21], rung tần số thấp trợ giúp khoan [58][22][57][23]
[46] v.v. Gần đây, công nghệ rung động siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic
Vibration Assisted Drilling-UVAD) đã được áp dụng thành công khi khoan các vật
liệu khó gia công. So với công nghệ khoan truyền thống, công nghệ UVAD được
biết đến với nhiều ưu điểm đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu đã được
công bố. Một số ưu việt nổi trội được tóm tắt như dưới đây.
- Mở rộng tính gia công bằng khoan một số loại vật liệu khó gia công hoặc
không gia công được [18], [8];
- Lực dọc trục giảm 70% so với khoan theo cách thông thường trên vật liệu Al
2024-T6 [4];
- Mô men giảm từ 30% đến 50% so với khoan theo cách thông thường trên vật
liệu nhôm [55], và giảm đến 94% khi khoan trên vật liệu composite CFRP
[44];
- Nhiệt độ trung bình giảm 46% so với khoan theo cách thông thường [28];
- Độ trụ và độ tròn được cải thiện 50% và 80% tương ứng, độ nhám giảm 52%
[15];

21. 7
- Chiều cao và chiều rộng trung bình của ba via ở mặt thoát lỗ khoan giảm lần
lượt 83.2% và 24% so với khoan theo cách thông thường khi khoan vật liệu
composite Al/SiC [32][31];
- Cải thiện điều kiện thoát phoi [56][32]. Đây được xem là một sự khác biệt lớn
mang lại nhiều lợi ích của khoan có rung trợ giúp so với khoan theo cách
thông thường;
- Tuổi bền của mũi khoan tăng 2,7 lần khi khoan trên vật liêu Inconel 718
[79][78][11].
Trong những năm gần đây, công nghệ gia công không dùng hoặc giảm thiểu sử
dụng chất bôi trơn làm nguội (bôi trơn làm nguội tối thiểu) đang là một xu hướng
được quan tâm [34]. Chính vì vậy, giải pháp UVAD còn có một số ý nghĩa quan
trọng nữa là giúp giảm thiểu chi phí sản xuất do sử dụng chất bôi trơn làm nguội và
các vấn đề liên quan đến việc tái chế phoi, giảm ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức
khỏe của công nhân.
1.2. Ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ
Việc áp dụng siêu âm công suất vào các máy công cụ, thuộc lĩnh vực gia công siêu
âm. Do sự đa dạng và phát triển của công nghệ này, nhiều thuật ngữ được sử dụng
và có thể gây nhầm lẫn. Công nghệ thường được tìm thấy trong các tài liệu được
biết đến với thuật ngữ gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) là một qui trình
gia công dựa trên các hạt mài chứa trong dung dịch được sử dụng để khoan các lỗ
có biên dạng phức tạp trên các vật liệu cứng như thủy tinh và gốm sứ v.v. Thuật
ngữ siêu âm trợ giúp (Ultrasonically Assisted) được sử dụng với nhiều biến thể
khác nhau, mục đích vẫn là đưa rung động siêu âm vào dụng cụ cắt truyền thống
như siêu âm trợ gúp tiện (UAT), siêu âm trợ gúp khoan (UAD) và siêu âm trợ gúp
phay (UAM) v.v.
1.2.1. Gia công siêu âm
Gia công bằng siêu âm (Ultrasonic Machining-USM) là truyền rung động vào vùng
cắt dưới tần số siêu âm. Rung động này va đập vào hạt mài, hạt mài va đập vào
vùng cắt tạo nên bề mặt cần gia công. Bản chất là dùng năng lượng va đập đồng

22. 8
thời của một số rất lớn các hạt mài có tần số va đập cao lên bề mặt gia công để tách
những hạt kim loại nhỏ, có kích thước vài µm. Nguyên lí gia công bằng siêu âm
được thể hiện như trên Hình 1.
Hình 1. Nguyên lý gia công siêu âm
Đến đầu những năm 1960 đã có khoảng bốn trăm bài báo được công bố bao gồm
các khía cạnh khác nhau về USM [22][34]. Phần lớn các tài liệu này được bao quát
bởi hai tài liệu chuyên khảo. Gia công siêu âm vật liệu khó gia công (Ultrasonic
machining of intractable materials) được viết bởi AI Markov và cắt bằng siêu âm
(Ultrasonic cutting) được viết bởi L.D. Rozenberg, cả hai ban đầu được xuất bản ở
Nga năm 1962 và sau đó được dịch sang tiếng Anh [Markov 1966; Rozenberg và
cộng sự 1964]. Gia công siêu âm cũng được gọi là siêu âm tác động mài (ultrasonic
impact grinding) [Moore 1986; Tyrrell năm 1970; Kohls 1984; Shaw 1956], mài
siêu âm (ultrasonic grinding) [Schwatrz 1992] và gia công mài siêu âm (ultrasonic
abrasive machining) [Anonymous 1964].
So với quá trình gia công thông thường như mài và khoan, gia công bằng siêu âm
có những ưu điểm sau. Thứ nhất, có thể gia công được cả vật liệu dẫn điện và không
dẫn điện một cách nhanh chóng các chi tiết có biên dạng phức tạp như những chi
tiết đơn giản. Thứ hai, quá trình này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hoặc không gây
ra thay đổi nào về hóa tính trên bề mặt phôi. Thứ ba, gia công bằng siêu âm không
bị ảnh hưởng bởi ứng suất dư trên bề mặt chi tiết. Tuy nhiên trong gia công bằng
siêu âm, hạt mài được đưa vào giữa khoảng cách dụng cụ và phôi để bóc tách vật
liệu. Từ thực tế đó, phương pháp này có một số nhược điểm. Thứ nhất, tốc độ bóc

23. 9
tách vật liệu chậm đáng kể và thậm chí dừng lại khi tăng độ sâu. Thứ hai, hạt mài có
thể gây mòn thành lỗ cũng như bề mặt đã gia công, đây là sự giới hạn về độ chính
xác của phương pháp gia công bằng siêu âm, đặc biệt là với các lỗ nhỏ. Thứ ba,
dưới tác động của hạt mài cũng gây ra mài mòn đáng kể cho dụng cụ, do đó rất khó
khăn để giữ được khoảng cách giữa dụng cụ và phôi.
Để khắc phục những nhược điểm của gia công siêu âm, gia công bằng siêu âm quay
được phát minh vào năm 1964 do Percy Legge, một nhân viên kỹ thuật tại cơ quan
năng lượng nguyên tử Vương quốc Anh (UKAEA).
1.2.2. Gia công siêu âm quay
Gia công siêu âm quay (Rotary ultrasonic machining-RUM) là một quá trình gia
công cơ học phi truyền thống được sử dụng để gia công các loại vật liệu khó gia
công, bao gồm vật liệu dẻo, cứng và giòn, gốm sứ, composit v.v. Trong RUM, quá
trình bóc tách vật liệu được kết hợp bởi gia công bằng siêu âm và mài kim loại
thông thường [69]. Nguyên lí của RUM như được thể hiện trên hình 1.12.
Hình 2. Nguyên lí gia công siêu âm quay [77]: (a) gia công lỗ, (b) mài bề mặt
RUM được trình bày lần đầu tiên năm 1964 bởi Percy Legge [22][34]. Ý tưởng ban
đầu của việc kết hợp khoan với sự trợ giúp của rung động đã được đề xuất bởi GC
Brown và các cộng sự (US Patent 2.942.383). Trong sáng chế của Brown và cộng
sự, quá trình khoan được trợ giúp bởi một rung động tần số thấp hơn 1 kHz. Ngoài

24. 10
ra quá trình khoan này chỉ đề xuất cho gia công vật liệu là gỗ. Trong thiết bị siêu âm
quay đầu tiên của Percy Legge, hạt mài đã được loại bỏ và thay thế bằng một dụng
cụ được phủ kim cương. Do phôi được kẹp trên mâm cặp nên thiết bị này có những
hạn chế sau: (1) chỉ có có thể gia công được lỗ trụ tròn, (2) chỉ có thể khoan được
phôi tương đối nhỏ. Cải tiến hơn nữa được thực hiện tại cơ quan năng lượng nguyên
tử Vương quốc Anh, một máy gia công mang bộ chuyển đổi siêu âm có thể quay
(rotating ultrasonic transducer) đã được phát triển và cho phép gia công với độ
chính xác cao. Với các dụng cụ khác nhau, phạm vi hoạt động có thể mở rộng để
phay, cắt ren, mài tròn trong và mài tròn ngoài. Nghiên cứu tại UKAEA trở thành
nguồn tài liệu tiếng Anh duy nhất nói về RUM trong những năm 1960 [Anonymous
1966, Legge 1966, Hards 1966, Dawe Instruments Ltd 1967, Chechines và
Tikhonov 1968]. Nhiều năm sau, tài liệu tiếng Nga nói về RUM mới xuất hiện
[Markov 1969, Petruka và cộng sự 1970], nghiên cứu được thực hiện tại học viện
hàng không Moscow. Trong năm 1970, các công bố về RUM tại Mỹ bắt đầu xuất
hiện [Cleave 1976, Kohls 1984 1973], nghiên cứu được thực hiện tại Công ty Điện
lực Branson Sonic.
Hầu hết trong các công bố trên đều tập trung giải thích các nguyên tắc của RUM,
mô tả các thiết bị và dụng cụ kim cương. Khảo sát thực nghiệm về mối quan hệ giữa
các biến đầu vào của quá trình (biên độ rung, tốc độ quay, kích thước hạt mài v.v)
với các biến đầu ra (tốc độ bóc tách vật liệu, mòn dụng cụ, chất lượng bề mặt v.v)
được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Nga và Nhật Bản công bố trong các bài báo
những năm 1970 [Markov và Ustinov 1972, Markov 1977, Kubota 1977].
Trong một thời gian dài, RUM đã được xem đơn giản như một sự cải tiến của USM.
Một quan điểm khác, RUM được xem như một quá trình lai, kết hợp của hai quá
trình gia công là mài kim cương và USM [Anonymous 1964, Prabhakar 1992, Dam
1993, Legge 1964]. RUM đôi khi được gọi là mài rung siêu âm (Ultrasonic
Vibration Grinding) [Moore 1986, Kohls 1984], khoan siêu âm (Ultrasonic Drilling)
[Anonymous 1964, Legge 1964], khoan xoắn siêu âm (Ultrasonic Twist Drilling)
[McGeough 1988] và mài siêu âm (Ultrasonic Grinding) [Suzuki và cộng sự 1988].

25. 11
1.2.3. Rung động siêu âm trợ giúp gia công
Rung động siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Vibration Assisted Machining-
UVAM) là quá trình sử dụng một rung động có tần số cao và biên độ rất nhỏ bổ
sung vào quá trình cắt nhằm nâng cao hiệu quả bóc tách vật liệu [78][77][37]. Rung
động siêu âm đã được áp dụng như một công nghệ trợ giúp cho các quá trình gia
công truyền thống như tiện, phay, khoan, mài, đánh bóng v.v. còn được biết đến với
thuật ngữ siêu âm trợ giúp gia công (Ultrasonic Assisted Machining-UAM). UAM
xảy ra khi rung động siêu âm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng
cụ cắt và phôi đang trong quá trình gia công.
Nguyên tắc của UVAM là làm cho sự tương tác giữa dụng cụ và phôi một cách
không liên tục, do đó tạo điều kiện tách phoi và giảm lực cắt. Nó cũng có thể làm
giảm vùng biến dạng của phôi khi gia công, qua đó cải thiện chất lượng bề mặt của
chi tiết gia công.
Hình 3. Rung động siêu âm trợ giúp tiện [76]
Hình 3 mô tả quá trình siêu âm trợ giúp tiện. Bộ chuyển đổi siêu âm sử dụng
các tấm gốm áp điện (Piezoceramic) đã gắn đầu khuếch đại biên độ (Ultrasonic
horn), dụng cụ cắt được gắn với đầu khuếch đại. Bộ chuyển đổi mang dụng cụ có
thể được kẹp chặt bởi một đồ gá và cố định trên bàn dao máy tiện hoặc trên đài gá
dao như cách thực hiện thông thường. Khi tín hiệu điện tần số cao từ máy phát điện

26. 12
được cấp vào bộ chuyển đổi, hiệu ứng áp điện xảy ra và rung động truyền tới dụng
cụ cắt.
Công nghệ UAM đã được áp dụng cho cả hai ứng dụng, gia công chính xác
và gia công các vật liệu khó cắt như thép sau nhiệt luyện, các hợp kim niken,
titanium, các loại vật liệu composite titan và hợp kim nhôm [37][40]. So với gia
công truyền thống, gia công có rung động siêu âm trợ giúp cho thấy lực cắt giảm
đáng kể và tạo ra phoi ngắn hơn [76]. Bên cạnh đó, rung động siêu âm trợ giúp có
thể nâng cao chất lượng bề mặt (độ nhám giảm đến 50%).
Một số hạn chế của công nghệ UAM
Dụng cụ cắt luôn phải duy trì rung động với tần số cao do đó tuổi bền của
dụng cụ dưới ảnh hưởng của ứng suất là một vấn đề đầy thách thức. Một hạn chế
khác khi áp dụng công nghệ này đó là việc giữ ổn định trạng thái rung ở tần số cao
là tương đối khó khăn, hiện nay vấn đề này đã được giải quyết bằng cách áp dụng
các kĩ thuật điều khiển tiên tiến tuy nhiên đi cùng với đó là vấn đề về chi phí.
Cơ chế của quá trình cắt có rung động siêu âm rợ giúp
Trong quá trình cắt có rung động siêu âm trợ giúp (Utrasonic Assisted
Cutting-UAC), dịch chuyển x của dụng cụ cắt khi có rung được mô tả bởi phương
trình (1.3) dưới đây.
x asin t asin 2 ft
    (1. 1)
Trong đó a, f, và  tương ứng với biên độ, tần số và vận tốc góc của dụng cụ cắt.
Do đó, vận tốc rung của dụng cụ cắt được xác định bởi phương trình (2).
t
v x a cos t

    (1. 2)
Trong UAC, tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi là không liên tục (dụng cụ tiếp xúc
với phôi chỉ một lần trong một chu kỳ rung động). Điều kiện cắt có rung động xảy
ra nếu, vận tốc rung của dụng cụ lớn hơn nhiều lần so với vận tốc của phôi, dẫn tới
việc tách dụng cụ ra khỏi phôi trong mỗi chu kỳ.
Lựa chọn phương án bổ sung rung động vào quá trình gia công

27. 13
Tùy thuộc vào từng phương pháp gia công cụ thể như tiện, phay hoặc mài
v.v. Phương án bổ sung rung động vào quá trình cắt thông qua phôi hoặc dụng cụ
cắt cũng như kĩ thuật bổ sung rung động theo một phương (1D-VAM) hoặc theo hai
phương (2D-VAM) sẽ được lựa chọn như sơ đồ được biểu diễn trên Hình 4.
Hình 4. Các phương án bổ xung rung động vào quá trình gia công [41]
(a) rung động trợ giúp tiện [Babitsky và Kalashnikov 2003], (b) rung động trợ giúp phay [Shen và
cộng sự 2012], (c) rung động trợ giúp mài [Zhao và cộng sự 2008], (d) rung động trợ giúp xung
điện [DeGarmo và cộng sự 2010].
Như minh họa trên Hình 4, gia công phay có thể tích hợp rung vào dụng cụ
cắt hoặc vào phôi. Trong gia công tiện, phương án tích hợp rung vào dụng cụ cắt là
lựa chọn duy nhất và khá đơn giản, có thể áp dụng kĩ thuật rung 1D hoặc rung 2D.
Trong gia công mài phẳng, phương án rung phôi sẽ được ưu tiên do việc tích hợp
rung vào đá mài (thực chất là vào trục mang đá) tương đối khó khăn. Gia công
khoan, có thể tích hợp rung vào mũi khoan hoặc vào phôi. Do đặc trưng của quá
trình khoan nên chỉ thể áp dụng kĩ thuật rung 1D hoặc kết hợp giữa rung dọc trục và
rung xoắn.

28. 14
Phân loại hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công
Hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công điển hình bao gồm ba phần
chính: Máy phát điện (chuyển đổi dòng điện tần số thấp thành dòng điện tần số cao
≥ 20 kHz), bộ điều khiển, thiết bị tạo rung (gốm áp điện dạng tấm xếp chồng-Piezo
Ceramic hoặc piezo dạng màng mỏng-Piezo Actuator). Dựa trên trên quỹ đạo của
mũi dụng cụ cắt, có thể chia hệ thống rung động siêu âm trợ giúp gia công thành ba
hệ thống dưới đây.
Hệ thống cộng hưởng 1D: dụng cụ cắt chỉ rung theo một phương duy nhất so với
hướng cắt. Trong hệ thống này, máy phát điện siêu âm được sử dụng để tạo ra tín
hiệu điện có tần số trùng với tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi siêu âm mang
dụng cụ.
Hệ thống cộng hưởng 2D: là sự kết hợp của 02 hệ thống cộng hưởng 1D để tạo
rung động theo quĩ đạo elip trên dụng cụ cắt.
Hệ thống không cộng hưởng 2D: là sự kết hợp của cơ cấu truyền động áp điện
dạng piezo màng mỏng được kích thích bởi tín hiệu điện áp dạng sin với một cơ cấu
cơ khí để chuyển sự giãn nở tuyến tính của cơ cấu truyền động thành quĩ đạo elip.
Sự khác nhau về quĩ đạo rung của dụng cụ cắt giữa kĩ thuật rung 1D và 2D như
được sơ đồ hóa trên bảng 1.
Bảng 1. Quĩ đạo rung của dụng cụ cắt (DCC) trong siêu âm trợ giúp gia công [78][77][37]
Phương pháp gia công
Hướng
rung của
DCC
Qũy đạo
rung của
DCC
Dịch chuyển của
DCC
Gia công thông thường
x(t) = vt
z(t) = 0
Rung
1D
Rung theo phương
chạy dao
(CDVA-cutting
directional vibration-
assisted)
x(t) = vt + acos (2πft)
z(t) = 0

29. 15
Phương pháp gia công
Hướng
rung của
DCC
Qũy đạo
rung của
DCC
Dịch chuyển của
DCC
Rung theo phương
tiếp tuyến
(NDVA-normal-
directional vibration-
assisted)
x(t) = vt
z(t) = bsin(2πft)
Rung 2D
(EVA-Elliptic vibration-
assisted cutting)
x(t) = vt + acos (2πft)
z(t) = bsin(2πft)
Kĩ thuật rung 1D
Kĩ thuật rung 1D lần đầu tiên được đề xuất bởi Voronin và Marknov (1960). Có thể
bổ sung rung động vào quá trình cắt theo ba phương: phương chạy dao, phương tiếp
tuyến và phương hướng kính. Rung động tần số siêu âm với biên độ rất nhỏ từ 10-
15 µm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi như mô
tả trên hình 1.16. Tốc độ cắt thấp hơn so với vận tốc rung của dụng cụ do đó sự tiếp
xúc không liên tục giữa dụng cụ và phôi làm lực cắt giảm nhiều lần so với phương
pháp cắt gọt truyền thống và kết quả là tuổi bền của dụng cụ nâng cao, quá trình cắt
ổn định và chất lượng bề mặt tốt hơn [53][42].
Hình 5. Sơ đồ kĩ thuật rung 1D [78][77][37]

30. 16
Một số nghiên cứu (Balamuth, 1966; Skelton, năm 1969, Kim và Choi năm
1997; và Astachev và Babitsky, 1998) đã tiến hành thí nghiệm rung trên các phương
khác nhau cho thấy không có cải thiện đáng kể về hiệu suất cắt so với phương tiếp
tuyến. Rung theo phương tiếp tuyến được gọi là 1-D UVC hoặc CUVC
(Conventional Ultrasonic Vibration Cutting).
Kĩ thuật rung 2D
Kĩ thuật rung siêu âm trợ giúp gia công dạng 2D hoặc dạng Elip (Elliptic
Ultrasonic Vibration Assisted Cutting – EUVAC) lần đầu tiên được đề xuất bởi
Shamoto và Moriwaki (1993). Nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật cắt này là dụng cụ
cắt rung trong một quĩ đạo elip trên mặt phẳng hình thành bởi hướng cắt và hướng
thoát phoi như được mô tả trên Hình 6.
Hình 6. Sơ đồ kĩ thuật rung 2D [78][77][37]
1.3. Siêu âm trợ giúp khoan
1.3.1. Nguyên tắc chung
Siêu âm trợ giúp khoan (Ultrasonic Assisted Drilling-UAD) là một trường
hợp cụ thể của rung động siêu âm trợ giúp gia công. Trong đó một rung động cưỡng
bức có tần số siêu âm được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa mũi khoan và
phôi. Thông thường, quá trình UAD được thực hiện dưới sự kích thích của rung

31. 17
động theo phương dọc trục, xoắn quanh trục mũi khoan hoặc kết hợp rung dọc và
rung xoắn như được mô tả trên Hình 7.
Hình 7. Kiểu rung trong UAD [36][43]: (a) rung dọc trục,(b) rung xoắn, (c) rung kết hợp
Các phương án bổ sung rung động cho quá trình khoan
Có 03 phương án bổ sung rung động vào quá trình khoan thường được sử
dụng bởi các nhà nghiên cứu. Các phương án sẽ được mô tả và minh họa trên các
hình 8, 9 và 10.
Phương án thứ nhất, mũi khoan rung - phôi quay [8], [31]. Trong phương án này,
phôi sẽ được kẹp trên mâm cặp của máy tiện, đầu rung mang mũi khoan được gá
trên ụ động hoặc trên bàn máy.
Hình 8. Mô hình mũi khoan rung-phôi quay [8]
Phương án thứ hai, phôi rung - mũi khoan quay [9, 20, 21, 31, 59, 80]. Trong
phương án này, phôi sẽ rung do đó với mỗi phôi có hình dáng hình học khác nhau,

32. 18
kích thươc và vật liệu khác nhau thì thông số rung sẽ thay đổi, việc phải thiết kế
phôi là cần thiết vì vậy phương án này phù hợp cho mục đích thử nghiệm.
Hình 9. Mô hình phôi rung mũi khoan quay [9][45]
Phương án thứ ba, mũi khoan vừa rung vừa quay [31], [48][50], [64], [40][52],
[43][53], [39][54], [72], [2], [16], [67]. Trong phương án này, mũi khoan vừa rung
vừa quay còn phôi chuyển động tịnh tiến. Do đó với mỗi phôi khác nhau (hình học,
kích thước và vật liệu khác nhau) sẽ không ảnh hưởng tới các thông số rung.
Hình 10. Mô hình mũi khoan vừa rung vừa quay [67]
1.3.2. Cơ chế của quá trình siêu âm trợ giúp khoan
Trong quá trình siêu âm trợ giúp khoan (UAD), mũi khoan rung theo phương
dọc trục và quay đồng thời. Phôi được kẹp chặt bởi đồ gá và tiến vào mũi khoan.

33. 19
Giả sử rung động tại đỉnh mũi khoan là một dao động điều hòa và ổn định, có thể
viết được được phương trình chuyển động sau:
x a.sin t
x a .cos t

 


(1. 3)
Trong phương trình (1. 5), x là dịch chuyển rung của mũi khoan, x là vận tốc rung,
a là biên độ rung và  là tần số góc.
Hình 11. Cơ chế của rung động siêu âm trợ giúp gia công [41][58]
Hình 11 minh họa chuyển động của mũi dụng cụ trong quá trình rung. Phôi
dịch chuyển với tốc độ tiến dao V về phía mũi khoan. Đỉnh mũi khoan dao động
điều hòa với biên độ lớn nhất a xung quanh điểm gốc rung O. Trong quá trình này,
mũi khoan tiếp xúc với phôi gia công ban đầu tại điểm A ở thời điểm t1 và tiếp tục
thâm nhập đến khi đạt tới dịch chuyển tối đa với vận tốc bằng 0 thì bắt đầu tách
khỏi phôi. Tại điểm B ở thời điểm t2, mũi khoan được tách ra khỏi phôi và tiếp tục
rung. Điểm tiếp xúc thứ hai giữa mũi khoan và phôi gia công diễn ra tại điểm C ở

34. 20
thời điểm t3 và đỉnh mũi khoan được tách ra khỏi phôi gia công tại điểm D ở thời
điểm t4. Trong quá trình này, trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 và từ t3 đến t4, mũi
khoan tiếp xúc với phôi. Ngược lại, trong khoảng thời gian từ t2 đến t3, mũi khoan
được tách ra khỏi phôi. Đây là bản chất ảnh hưởng của hiệu ứng rung động (vibro-
impact) và là điều cần thiết xảy ra trong UAD. Dịch chuyển của phôi trong quá trình
khoan được biểu thị là xD, chu kì rung siêu âm là T.
4 1
D
x V.(t t )
 
2
T



(1. 4)
Để duy trì ảnh hưởng tích cực của rung động trong quá trình UAD, mối quan
hệ giữa tốc độ tiến dao của phôi gia công V và vận tốc rung của mũi khoan cần được
điều chỉnh chính xác. Quan sát hình 11 có thể thấy ở cả hai điểm B và D tốc độ tiến
dao của phôi và vận tốc rung của mũi khoan là tương đương vì mũi khoan đang
trong thời điểm tách ra khỏi phôi. Sự tồn tại của hiệu ứng rung động là do vận tốc
rung tối đa của mũi khoan về cơ bản là lớn hơn tốc độ tiến dao của phôi gia công.
Do đó, vận tốc rung tới hạn của mũi khoan khi nó bằng tốc độ tiến dao có thể viết
như sau:
c
V a
 (1. 5)
Vc là vận tốc rung tới hạn của mũi khoan, có thể được tính từ phương trình (1. 5).
Hiệu ứng rung chỉ xảy ra nếu tốc độ rung tối đa của mũi khoan lớn hơn tốc độ tiến
dao liên tục của phôi, tức là a > V. Ngược lại, khi a < V, mũi khoan tiếp xúc với
phôi gia công tương tự như quá trình khoan thông thường (CD). Tuy nhiên, trong
quá trình UAD, tốc độ tiến dao nhỏ hơn rất nhiều so với vận tốc rung siêu âm của
mũi khoan, tức là a >> V.
Chênh lệch rất lớn giữa vận tốc rung lớn nhất và tốc độ cắt trong UAD dễ
dàng nhận thấy thông qua tỉ lệ vận tốc SR như sau:
2 AF
SR
N.f

 (1. 6)

35. 21
Trong công thức (1. 8): A là biên độ rung (mm), F là tần số rung (Hz/phút), N là tốc
độ cắt (vòng/phút), f là tốc độ tiến dao (mm/vòng).
1.4. Kết luận chương
Chương này đã tóm lược một số khái niệm và cơ sở lý thuyết cơ bản nhất của
rung động siêu âm và nguyên tắc khai thác rung động siêu âm trợ giúp gia công,
trong đó có khoan lỗ. Những nguyên tắc này sẽ được ứng dụng để thiết kế và chế
tạo hệ thống rung trợ giúp gia công khoan. Những vấn đề này sẽ được trình bày
trong Chương 2 tiếp sau đây.

36. 22
Chương 2
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU RUNG SIÊU ÂM TRỢ GIÚP KHOAN
2.1. Giới thiệu
Các nội dung chính của chương này bao gồm các vấn đề sau:
1. Một số khái niệm cơ bản về siêu âm và hệ thống siêu âm công suất;
2. Lựa chọn phương án, thiết kế và chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan
gá đặt trên máy tiện;
3. Hiệu chỉnh các thông số rung sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong
môi trường CAE (Computer Aided Engineering);
4. Thực nghiệm kiểm chứng các thông số rung của cơ cấu rung siêu âm trợ
giúp khoan.
2.2. Một số khái niệm về dao động, rung động và siêu âm
Dao động (Oscillation) là khái niệm mô tả trạng thái chuyển động qua lại của
đối tượng được xét quanh một vị trí cân bằng, có chu kỳ ở một giá trị tần số. Rung
động (Vibration) là khái niệm mô tả nhóm các dao động không theo một phương
xác định, có biên độ nhỏ so với kích thước vật thể và có nhiều thành phần tần số.
Trong thực tế, rung động là trạng thái phổ biến hơn dao động.
Rung động siêu âm (Ultrasonic vibration) là thuật ngữ chỉ rung động có tần
số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người. Thuật ngữ Ultrasonics thường
được dùng trong kỹ thuật để chỉ những rung động có tần số lớn, thay vì
"Ultrasound" thông thường. Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số
được trình bày trong Bảng 2.

37. 23
Bảng 2. Phân loại và ứng dụng của sóng âm dựa trên dải tần số
Tất cả các sóng âm dao động với tần số riêng, hoặc số các dao động hay chu
kỳ trong một giây. Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số cao nhất
khoảng 20000 chu kỳ trên giây (20 kHz), phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp
như phát hiện khuyết tật được thực hiện với tần số khoảng (500 kHz tới 10 MHz),
siêu âm làm sạch (20 kHz tới 40 kHz), hàn siêu âm (15 kHz tới 20 kHz) v.v. Ở các
tần số trong dải Mz, năng lượng âm không truyền tốt qua không khí nhưng truyền
hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuật thông thường. Vận tốc
của sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trường mà nó truyền qua, ảnh hưởng bởi
mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường.
2.2.1. Bản chất của sóng âm
Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật của sóng
cơ. Rung động siêu âm được lan truyền trong các môi trường đàn hồi dưới dạng
sóng cơ. Có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
truyền âm. Sự hình thành sóng cơ trong các môi trường chất đàn hồi và liên tục
(khí, lỏng, rắn) gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Ở trạng thái bình
thường mỗi phần tử có một vị trí cân bằng. Nếu tác dụng lực lên một phần tử A về
vị trí cân bằng nào đó của môi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng. Do
tương tác, các phần tử bên cạnh, một mặt kéo phần tử A một mặt cũng chịu lực tác

38. 24
dụng và do đó cũng thực hiện dao động. Hiện tượng tiếp tục xảy ra đối với các phần
tử khác của môi trường. Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi
gọi là sóng cơ.
2.2.2. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm
Nguyên tắc truyền rung động siêu âm trong môi trường truyền âm dưới dạng
sóng và không truyền trong môi trường chân không do không có hạt vật chất. Có
thể mô tả liên kết giữa các nguyên tử với nhau bởi các lò xo như minh họa trên
Hình 12. Khi năng lượng siêu âm truyền đến, năng lượng này làm xô lệch các
nguyên tử khỏi vị trí cân bằng, kéo theo sự mất cân bằng của các nguyên tử lân cận.
Cứ như vậy, năng lượng rung động được truyền qua vật liệu đến các vị trí khác
trong vật thể.
Hình 12. Mô hình liên kết nguyên tử
Các đại lượng đặc trưng đối với sóng (rung động) siêu âm bao gồm: tần số
(f), biên độ (A), vận tốc (c) và chiều dài bước sóng (). Vận tốc truyền sóng phụ
thuộc vào đặc tính khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của vật liệu truyền rung
động. Chiều dài bước sóng được xác định trực tiếp từ vận tốc truyền sóng và tần số
(= c/f). Vận tốc truyền âm trong một số loại môi trường được tóm tắt trong bảng
3.
Bảng 3. Vận tốc truyền âm trong một số vật liệu kĩ thuật
Vật liệu Tỉ khối kg/m3
Vận tốc truyền sóng dọc Vận tốc truyền sóng ngang
(m/s) x103
(in/s) (m/s) x103
(in/s)
Aluminum 2700 6300 250 3130 124
Brass 8100 4370 173 2100 83

39. 25
Vật liệu Tỉ khối kg/m3
Vận tốc truyền sóng dọc Vận tốc truyền sóng ngang
(m/s) x103
(in/s) (m/s) x103
(in/s)
Bronze 8860 3530 139 2230 88
Copper 8900 4700 185 2260 88
Gold 19300 3240 127 1200 47
Inconel 8250 5720 225 3020 119
Iron 7900 5960 235 3220 128
Iron, cast 7200 3500÷5600 138÷222 2200÷3200 87÷131
Lead 11400 2160 85 700 27
Magnesium 1740 5740 227 3080 122
Nickel 8800 5630 222 2960 118
Plastic 1180 2670 105 1120 44
Silver 10500 3600 141 1590 62
Steel 7700 5900 232 3230 127
Titanium 4540 6240 245 3215 126
Trong các hệ thống động lực, sự truyền sóng (rung động) thường được mô tả
dưới dạng các mode rung động. Mode rung động là một hình ảnh của trạng thái
sóng dừng có dạng hình sin ở một tần số đặc trưng. Mỗi hệ thống động lực có thể
được kích thích dưới nhiều mode rung động. Số lượng mode rung động của một kết
cấu phụ thuộc vào các tần số rung kích thích. Với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng,
rung động có thể truyền với 5 dạng mode cơ bản. Đặc tính của các mode này được
mô tả trên Hình 13, trong đó các điểm nút là các điểm có biên độ bằng không và
các điểm bụng sóng là điểm có biên độ lớn nhất.

40. 26
Hình 13. Hình dạng một số mode truyền sóng
Với dạng mode truyền sóng dọc (sóng nén) được đặc trưng bởi sự dao động
của các hạt cùng hướng với phương truyền sóng, vận tốc truyền sóng được xác định
bởi công thức:
 
1 2
L
c E
  (2. 1)
Với mode truyền sóng ngang được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có
hướng vuông góc với phương truyền sóng, vận tốc truyền sóng được xác định bởi
công thức:
T
G
c

 (2. 2)
Trong công thức (2. 1) và (2. 2): c là vận tốc truyền âm (m/s), E là mô đun
đàn hồi của vật liệu (N/m2
), G là mô đun cắt (N/m2
),  là khối lượng riêng của vật
liệu truyền âm (kg/m3
).
Khoảng cách sóng âm truyền được phụ thuộc vào vật liệu mà nó truyền qua.
Theo nguyên lý chung, vật liệu cứng và đồng nhất sẽ truyền âm tốt hơn vật liệu
mềm và không đồng nhất hoặc hạt thô. Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách
truyền âm trong môi trường bao gồm: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán
xạ. Khi truyền, chùm tia trở nên rộng hơn, năng lượng sóng âm lan toả trên diện tích
lớn hơn do đó năng lượng âm giảm. Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của

41. 27
năng lượng âm ở các đường biên giữa các hạt của vật liệu và các cấu trúc tế vi. Khi
tần số tăng, độ mở của chùm tia tăng nhưng ảnh hưởng của độ suy giảm và sự tán
xạ âm lại giảm.
Trong thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm, việc lựa chọn loại vật liệu có khả năng
truyền âm theo yêu cầu là một đặc tính quan trọng cần quan tâm. Khả năng truyền
âm được đánh giá thông qua đại lượng trở kháng âm (Acoustic impedance). Giá trị
trở kháng âm của một vật liệu được xác định phụ thuộc vào khối lượng riêng và vận
tốc truyền âm của vật liệu.
Z .c
  (2. 3)
Trong công thức (2. 3): Z là trở kháng âm (kg/s.m2
hoặc N.s/m3
); ρ là khối
lượng riêng (kg/m3
), c là vận tốc truyền âm (m/s). Trở kháng âm của một số vật liệu
kĩ thuật được trình bày trên bảng 4.
Bảng 4. Trở kháng âm của một số vật liệu kĩ thuật
Các môi trường vật chất Trở kháng âm (kg/s.m2
)
Nhôm 17,1.106
Đồng 41,6.106
Thép 46,1.106
Titan 28.106
Nước (200
C) 1,48.106
Không khí (200
C) 413
2.2.3. Các phương pháp tạo rung động siêu âm
Phương pháp tạo rung động siêu âm thông thường dựa trên hai hiện tượng
vật lí là hiện tượng từ giảo (Magnetostriction) và hiện tượng hiệu ứng áp điện
(Piezoelectric phenomena).
Phương pháp tạo rung động siêu âm dựa trên hiện tượng từ giảo bằng cách
chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học. Một bộ phát
rung bằng tử giảo có cấu tạo gồm một lõi phát rung làm bằng vật liệu kim loại từ

42. 28
tính đặt trong một ống dây có điện áp và tần số siêu âm. Sơ đồ mạch tạo rung động
siêu âm bằng phương pháp từ giảo được mô tả như hình 14. Khi nằm trong vùng
chịu từ trường, các vật liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định
hướng dưới tác dụng của lực từ trường theo chiều đường sức từ. Việc thay đổi
hướng của từ trường do điện áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng
giữa hai trạng thái dãn và nén của tấm vật liệu, minh họa như hình 15. Hiện tượng
này được nhà khoa học Joule khám phá ra năm 1982 [62][61][59].
Hình 14. Mạch từ giảo tạo rung siêu âm
Hình 15. Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu
mang từ tính để tạo rung động cơ học

43. 29
Phương pháp tạo rung động siêu âm dựa trên hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp
điện (Piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vật lý được phát hiện đầu tiên
vào năm 1817, sau đó được nghiên cứu chi tiết bởi Pierre và Jacques Curie vào
những năm 1880. Vật liệu áp điện là một loại vật liệu đặc biệt có chứa các phân tử
phân cực. Khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu sẽ sinh ra điện áp tại hai cực
của tấm. Ngược lại, nếu đặt một điện áp thay đổi lên hai mặt của tấm vật liệu sẽ gây
nên biến dạng. Hình 16 mô tả ứng xử cơ - điện của tấm vật liệu áp điện. Vật liệu áp
điện có đặc tính là biến dạng rất nhạy với giá trị điện áp đặt lên nó. Thêm nữa, vật
liệu này có khả năng chịu nén rất cao.
Hình 16. Hiệu ứng áp điện
So với bộ chuyển đổi từ giảo, bộ chuyển đổi áp điện có một số ưu điểm như sau:
- Tần số làm việc: đầu từ giảo hạn chế làm việc dưới 30 kHz trong khi đầu
rung áp điện không bị hạn chế;
- Tiếng ồn công nghiệp: đầu rung từ giảo phát tiếng ồn lớn, khó đảm bảo đáp
ứng ngưỡng an toàn 85 dB cho tai người, đầu rung áp điện dễ dàng đáp ứng
yêu cầu này;
- Chuyển đổi tần số: đầu rung từ giảo khó chuyển đổi tần số làm việc, đầu
rung áp điện cho phép chuyển đổi dễ dàng;
- Hiệu suất chuyển đổi: hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện-cơ của bộ
chuyển đổi từ giảo chỉ đạt khoảng dưới 50%, trong khi hiệu suất này của bộ
chuyển đổi áp điện đạt khoảng 95%.
Ngoài những ưu điểm trên, bộ chuyển đổi áp điện còn có kết cấu đơn giản vì
vậy chúng đã và đang được sử dụng rộng rãi, thay cho bộ chuyển đổi từ giảo.

44. 30
Có hai dạng kết cấu phổ biến tạo rung động siêu âm bằng hiệu ứng áp điện đó
là: kết cấu sử dụng gốm PZT dạng màng mỏng xếp chồng (Multilayer Stack) với
các tấm có chiều dày không quá 2 mm được ghép xen kẽ với các điện cực kim loại
được minh hoạ trên hình 17a, và kết cấu sử dụng gốm PZT dạng tấm xếp chồng
kiểu “Sandwich” được minh họa trên hình 17b.
Hình 17. Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng, (b) PZT dạng tấm xếp chồng
Cơ cấu tạo rung PZT dạng màng mỏng được biết đến với tên thương mại
“Piezo Stack Actuators” thường có công suất nhỏ, được sử dụng để tạo rung động
không yêu cầu chịu tải lớn hoặc để điều khiển chính xác vị trí của đối tượng. Lượng
dịch chuyển theo phương dọc trục tỉ lệ tuyến tính với điện áp kích thích, thường có
độ lớn từ 0.1% đến 0,15% chiều dài của bộ tạo rung.
Cơ cấu tạo rung sử dụng PZT dạng tấm xếp chồng kiểu “Sandwich” được
biết đến với tên thương mại “Ultrasonic transducer” do Langevin đề xuất năm 1918.
Kết cấu bộ chuyển đổi gồm một hoặc một số chẵn tấm PZT có chiều dày khoảng
5÷10 mm, được kẹp giữa hai tấm kim loại. Thiết bị tạo rung dạng này có biên độ
rung lớn nhất ở tần số cộng hưởng và được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu
công suất lớn.
2.2.4. Siêu âm công suất
Các nội dung trong mục này được tham khảo từ tài liệu [26][60]. Theo tài liệu
này, ứng dụng siêu âm được chia thành hai nhóm như sau:

45. 31
- Nhóm siêu âm có cường độ nhỏ, tần số cao (Low-intensity, high-frequency
applications);
- Nhóm siêu âm có cường độ cao, tần số thấp (High-intensity, low-frequency
applications).
Giá trị cường độ sóng âm ranh giới giữa "cường độ nhỏ" và "cường độ cao"
thường dao động trong khoảng từ 0,1 đến 1 W/cm2. Một số ví dụ về ứng dụng của
siêu âm cường độ nhỏ có thể kể đến như kiểm tra khuyết tật không phá hủy, siêu âm
trong y học v.v. Công suất của bộ phát siêu âm thấp, cỡ khoảng vài mW. Tần số
sóng siêu âm của những ứng dụng trong nhóm này cỡ MHz (siêu âm dò khuyết tật
dùng tần số khoảng 2 MHz hoặc cao hơn).
Siêu âm cường độ cao còn được dùng với thuật ngữ "Siêu âm công suất"
(Power ultrasonics). Trong những ứng dụng dạng này, siêu âm được khai thác để
làm thay đổi vĩnh viễn tính chất vật lý, hóa học hoặc sinh học của đối tượng được
tác dụng. Cường độ công suất thường từ vài chục đến vài trăm W hoặc thậm chí vài
kW. Dải tần số thường được khai thác trong các ứng dụng nằm trong khoảng từ 10
đến 500 kHz, đôi khi trong tẩy rửa và xử lý hóa học, có thể sử dụng tần số rung
động đến cỡ MHz. Một số ứng dụng siêu âm công suất có thể kể đến như: hàn siêu
âm, gia công bằng siêu âm, siêu âm trợ giúp gia công cắt gọt, siêu âm làm sạch v.v.
Nguyên tắc chung của các kỹ thuật khai thác siêu âm công suất được mô tả trên
Hình 18.

46. 32
Hình 18. Hệ thống siêu âm công suất [26][60]
Trên hình 18, đầu phát siêu âm (1) được kích thích bởi nguồn điện (2),
truyền qua môi trường truyền dẫn (3) (có thể là chất lỏng, chất rắn hoặc khí) đến đối
tượng cần tác động (4). Năng lượng siêu âm sẽ làm thay đổi tính chất, trạng thái (5)
của đối tượng.
2.2.5. Cơ sở lí thuyết truyền sóng trong vật liệu
Cơ sở lí thuyết căn bản về truyền sóng trong một thanh vật liệu đồng nhất
được tóm tắt như dưới đây. Bộ chuyển đổi siêu âm được thiết kế dựa trên cơ sở lí
thuyết truyền sóng trong vật liệu. Nội dung này được tham khảo từ tài liệu
[27][61].
Xét rung động của một thanh vật liệu đồng nhất như trên hình 19a. Các phần
tử của thanh dãn và nén xung quanh điểm giữa của thanh như hình vẽ. Điểm này có
biến dạng bằng không, thường gọi là điểm nút (Node). Hai mặt mút của thanh
(Thường gọi là điểm phản nút – Antinode), có chuyển vị đối xứng đi ra xa rồi quy
về phía điểm nút một cách tuần hoàn.

47. 33
Hình 19. Mô hình rung động dọc trục của thanh vật liệu đồng nhất:
(a) biên độ rung và ứng suất; (b) ứng suất và chuyển vị của một phân tố [27][61]
Xét một phân tố vật liệu thanh như minh họa trên hình 19b, chuyển vị u của
phân tố này, theo định luật 2 Newton, có dạng:
2
2
u
Adx A ( dx)A
x
t
 
     


(2. 4)
Trong đó,  và A lần lượt là khối lượng riêng của vật liệu và diện tích mặt cắt ngang
của thanh;  và u lần lượt là ứng suất và chuyển vị của phân tố. Rút gọn phương
trình (2.4) thu được:
2
2
u
x
t
 
 


(2. 5)
Sử dụng quan hệ biến dạng tương đối:  = u/L, ta có:
u du u
x dx x
 
   
 
(2. 6)
Theo định luật Húc, E
.

  nên thay x
u
E 

 /
.
 vào 1.3 được:
2 2
2 2
u u
E
t t
 
 
 
(2. 7)
Đặt 
/
E
c  được:
2
2
2
2
2
2
1
x
u
c
t
u





(2. 8)

48. 34
Lời giải cho dao động bình ổn (Steady-state) của (1.5) có thể tìm được bằng cách
đặt
i t
u(x,t) U(x)e
 (2. 9)
Khi đó, kết quả có dạng:
U(x) Csin x Dcos x
    (2. 10)
Với c
/

  . Xét điều kiện biên tại 2 đầu thanh, có
0
;
;
0 



dx
dU
EA
l
x
x  (2. 11)
Khi đó biên độ dao động ở mode thứ nhất có dạng:
U(x) Dcos( x/ l)
  (2. 12)
Quy luật phân bố ứng suất dọc theo thanh được xác định:
(x) EA Dsin x
     (2. 13)
Biên độ dao động của mỗi mặt cắt dọc theo thanh U(x) và phân bố ứng suất (x)
được minh họa trên hình 19a. Hai đại lượng này thay đổi tuần hoàn (quy luật
sin/cosin) và lệch pha nhau 90 độ - khi đại lượng này đạt giá trị max/min thì đại
lượng kia đạt giá trị không và ngược lại.
Chu kỳ thay đổi biên độ rung động bằng nửa bước sóng , tức là có chiều dài
bằng /2. Bản chất của rung động này chính là chuyển động tự nhiên dọc theo trục
của thanh, được biểu diễn bằng mũi tên hai chiều trên hình vẽ. Sự thay đổi biến
dạng của thanh sinh ra ứng suất thay đổi dọc theo chiều dài thanh như minh họa trên
hình.
Kết luận. Phần này trình bày cơ sở lý thuyết cơ bản nhằm giải thích cơ chế truyền
rung động dọc trong thanh vật liệu rắn. Mô hình mang tính chất gần đúng, có ý
nghĩa cơ sở cho bài toán phân tích rung động. Nhiều công trình nghiên cứu đã được
thực hiện nhằm phát triển mô hình sát với thực tiễn hơn. Đến nay, hầu hết các
nghiên cứu ứng dụng rung động siêu âm đều sử dụng các công cụ mô phỏng trên

49. 35
máy tính nhằm giải tích số bài toán truyền rung động siêu âm. Vấn đề này sẽ được
trình bày chi tiết trong chương 3. Một vài điểm quan trọng của bài toán truyền sóng
dọc trong thanh vật rắn, dùng cho ứng dụng gia công có rung động trợ giúp, có thể
được tóm tắt như sau:
 Rung động dọc có thể được truyền trong thanh vật liệu rắn mà không làm
thay đổi vị trí tuyệt đối của thanh. Như vậy, có thể kết nối nguồn phát rung
và bộ phận chấp hành thông qua thanh vật liệu rắn. Có thể kẹp chặt bộ phận
truyền rung mà không dập tắt hay làm giảm biên độ rung động.
 Biên độ dao động tại các mặt cắt ngang khác nhau là khác nhau. Tồn tại một
số vị trí có biên độ dao động bằng không (vị trí Node). Khi thiết kế bộ phận
tạo rung động, cần chọn vị trí gá kẹp tại các node. Biên độ dao động lớn nhất
tại các vị trí phản nút (Antinode).
2.3. Hệ thống rung siêu âm sử dụng gốm áp điện
Hệ thống rung siêu âm nói chung được minh họa trên Hình 20, trong đó bao
gồm các thành phần chính sau: (1) Máy phát điện siêu âm (Ultrasonic Generator),
(2) Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer), (3) Đầu khuếch đại biên độ
(Ultrasonics Horn) và (4) Dụng cụ được gắn trên đầu khuếch đại biên độ.
Hình 20. Hệ thống rung siêu âm
2.3.1. Máy phát điện siêu âm
Máy phát điện siêu âm là thiết bị chuyển đổi nguồn điện (100÷250 V, 50÷60

50. 36
Hz) thành tín hiệu điện (800÷1000 V, 20÷30 kHz). Tác dụng của máy phát điện là
kích thích phần tử áp điện (gốm PZT) của bộ chuyển đổi nhằm chuyển tín hiệu điện
thành rung động cơ học và duy trì trạng thái cộng hưởng.
Việc lựa chọn máy phát điện siêu âm dựa trên mỗi ứng dụng cụ thể. Thông
thường, hai thông số của máy được quan tâm đó là công suất và dải tần số làm việc.
Ngoài ra một số tính năng quan trọng khác cũng được quan tâm có thể kể đến như:
chức năng tự động quét (dò tìm) tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi, chức năng tự
động điều chỉnh tần số cộng hưởng khi tải thay đổi (autoresonant control) và chức
năng kết nối với máy tính v.v.
2.3.2. Bộ chuyển đổi siêu âm
Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic transducer) có chức năng chuyển đổi năng lượng
điện thành năng lượng cơ với tần số siêu âm. Trong đó, bộ chuyển đổi siêu âm sử
dụng PZT dạng tấm xếp chồng kiểu “Sandwich” hay còn gọi là kiểu Langevin)
được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng siêu âm yêu cầu công suất lớn do có hệ số
phẩm chất cơ học cao, kết cấu đơn giản và có chi phí thấp. Đặc trưng của bộ chuyển
đổi dạng này là làm việc ở vùng tần số cộng hưởng. Cấu tạo của bộ chuyển đổi siêu
âm kiểu Langevin được mô tả trên hình 21.
Hình 21. Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62]
Cấu tạo trên hình 21 gồm hai khối kim loại có chiều dài l1 và l2, một hoặc
một số chẵn các tấm PZT được kẹp ở giữa có chiều dài lc. Tổng chiều dài của bộ
chuyển đổi (l1 + l2 + lc) bằng nửa bước sóng. Giữa các tấm PZT được xen kẽ bởi các
điện cực (các lá đồng). Các phần này liên kết chặt với nhau bằng bu-lông. Khi áp

51. 37
đặt trường ngoài biến đổi, bộ chuyển đổi thực hiện dao động nén dãn theo phương
dọc trục. Thông thường, tấm kim loại phía sau (l1) có khối lượng riêng lớn (vận tốc
truyền âm nhỏ/trở kháng âm lớn), tấm kim loại phía trước (l2) có trở kháng âm nhỏ
hơn nhằm mục đích truyền sóng âm về một phía. Vật liệu và kích thước 2 tấm kim
loại quyết định tần số làm việc của bộ chuyển đổi.
Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin [24][62]. Theo phân tích của
Langevin, trong biến tử bức xạ siêu âm (bộ chuyển đổi siêu âm) nửa bước sóng,
biên độ nén đạt giá trị cực đại ở tâm, hai đầu hoạt động hầu như giống với ở bên
trong khối, do đó hai phần đầu có thể được thay thế bằng các tấm kim loại, có chi
phí thấp hơn và có hệ số phẩm chất cơ học tốt hơn. Với cấu trúc này, tần số làm
việc của cụm biến tử không phụ thuộc vào đường kính tấm gốm áp điện, mà chỉ phụ
thuộc vào chiều dài của toàn cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm
biến tử theo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dài của hai tấm kim loại mà không
cần thay đổi chiều dày của bản gốm. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi được trình bày
như dưới đây.
Tấm kim loại l1 có khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và vận tốc truyền âm
lần lượt là ρB, EB, CB (trong đó /

B B B
C E  ). Tương tự, tấm kim loại l2 có các
thông số vật liệu tương ứng ρM, EM, CM (trong đó /

M M M
C E  ).
Điều kiện truyền rung động tối ưu là khi trở kháng giữa các phần có mối liên
hệ như sau:
 
P M B
Z Z Z (2. 14)
Trong đó: ZP, ZM, ZB lần lượt là trở kháng của tấm gốm áp điện, tấm kim loại 1 và
tấm kim loại 2; tương ứng giá trị Z được tính theo công thức . .

Z c S
 . Với ; ;
c S

lần lượt là khối lượng riêng, vận tốc truyền âm và diện tích bề mặt tiếp xúc.
Bộ chuyển đổi được xét có dạng trụ đối xứng làm việc ở tần số cộng hưởng
với một điểm nút ở giữa tấm áp điện. Một số giả thiết được sử dụng để đưa các
phương trình sóng về dạng thuận tiện cho việc tìm lời giải được chấp nhận như sau:
(1) các sóng phẳng truyền theo phương dọc trục; (2) đặc tính của các vật liệu là

52. 38
hằng số và không thay đổi theo chiều dài; (3) không kể tới sự thay đổi thiết diện; (4)
vận tốc truyền sóng là như nhau ở tất cả các điểm.
Sử dụng các giả thiết trên, phương trình truyền sóng dọc được viết dưới
dạng:
2 2
2 2 2
1
0
 
 
 
u u
z c t
(2. 15)
Trong đó: u là biên độ rung tại thời điểm khảo sát; z là chuyển vị của điểm theo
phương dọc trục z; t là thời gian. Lời giải tổng quát cho phương trình vi phân (2.15)
có dạng:
 
( , ) .sin . os . .sin( ) . os( )
 
  
 
 
z z
u z t A B c M t N c t
c c
 
  (2. 16)
Trong đó: A, B là các giá trị chưa biết, sẽ được xác định từ các điều kiện biên. Giá
trị của M, N không ảnh hưởng của kích thước các tấm kẹp, nên bỏ qua sự tham gia
của chúng trong lời giải. Chú ý phương trình (2.16) là khác nhau với các phần khác
nhau của bộ chuyển đổi, do đó các hệ số A, B cũng khác nhau với từng phần. Để
tính toán giá trị A và B, điều kiện biên cần được thiết lập cho bộ chuyển đổi.
Tại điểm giữa của tấm áp điện z = 0, tại đây tồn tại nút dao động mà biên độ
dao động u(z,t) = u (0,t) = 0.
Tại z = LP/2 vị trí tiếp giáp giữa tấm áp điện với tấm kẹp trước, biên độ cũng như
lực không đổi trên điểm chung giữa 2 phần.
( , ) ( , )
2 2 0
( , ) ( , )
2 2

     

 


    


P P
P P
L L
u z t u z t
Khi z
L L
F z t F z t
(2. 17)
Tại
2
 
P
M
L
z L (điểm cuối của tấm kẹp trước) biên độ là lớn nhất. Vì vậy:
, 0
2
  
 
 
  
P
M
L
u
L t
z
. Từ các điều kiện biên này, giá trị A, B được xác định.
Với điều kiện biên phù hợp của tấm kẹp trước, phương trình liên hệ giữa chiều dài
tấm áp điện LP và tấm kẹp trước LM như sau: