Luận văn Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHAN VĂN NGHỊ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG CƠ 2012 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 1 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn. Phan Văn Nghị Tháng 12 năm 2012 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 2 Lời cám ơn Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học của tôi, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Thứ đến, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths. Lê Duy Hội và Ths. Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Tôi cũng xin cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long và các kỹ thuật viên của DNTN Thái Long đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm cho đề tài này. Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng nhƣ bộ môn Chế tạo máy, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham gia và hoàn thành khóa học này. Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với vợ và gia đình tôi, vì tất cả những gì mà mọi ngƣời đã dành cho tôi. Mọi ngƣời đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn. Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp trong trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 3 Tóm tắt Qua việc phân tích một cách hệ thống các ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp và các nguyên lý tạo rung động, 2 cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan đã đƣợc mô hình, tính toán, thiết kế và chế tạo. Hai cơ cấu tạo rung này đƣợc thiết kế lần lƣợt theo 2 nguyên lý: Cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và cơ cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện. Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm cơ khí đã đƣợc chọn để tạo rung động trợ giúp cho quá trình thí nghiệm khoan hợp kim nhôm. Cơ cấu lệch tâm đã chế tạo có thể tạo rung động với tần số từ 26 đến 60 Hz, biên độ từ 2 đến 12 micromet, đƣợc tích hợp vào hệ thống gia công nhằm tạo rung cho phôi theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Các lỗ có đƣờng kính 1,5 mm, chiều sâu 13 mm (L/D = 9) đã đƣợc gia công đối chứng cả bằng khoan thƣờng và khoan có bổ sung rung động. Các bộ thí nghiệm đã đƣợc thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ và năng suất giữa hai chế độ gia công khoan truyền thống và khoan có rung động trợ giúp. Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khi khoan nhôm và hợp kim nhôm gần nhƣ đã đƣợc khắc phục hoàn toàn. Số liệu thực nghiệm về độ lay động đƣờng kính và độ tròn lỗ khoan đƣợc phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) trên 36 mẫu đo. Kết quả cho thấy khoan có rung có thể làm giảm độ lay rộng đƣờng kính lỗ đến 3 lần, làm giảm độ không tròn của lỗ đến 2 lần so với khoan truyền thống. Trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thƣờng đƣợc thực hiện nhờ các bộ tạo rung dùng động cơ servo cồng kềnh hoặc các tinh thể áp điện rất đắt tiền. Kết quả nghiên cứu này đã đem lại khả năng chủ động thiết bị, công nghệ cho phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp trở nên rất hứa hẹn tại Việt Nam, khắc phục đƣợc vấn đề cơ bản về chủ động vật tƣ, thiết bị và giá thành. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 4 Mục lục Lời cam đoan .................................................................................................................... 1 Lời cám ơn ........................................................................................................................ 2 Tóm tắt .............................................................................................................................. 3 Các ký hiệu viết tắt ........................................................................................................... 7 Danh mục các hình ảnh ..................................................................................................... 8 Danh mục các bảng, biểu ................................................................................................ 11 GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 12 0.1. Vấn đề nghiên cứu .......................................................................................... 12 0.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây ..................................................................... 13 0.3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 16 0.4. Các kết quả đã đạt đƣợc .................................................................................. 16 0.5. Cấu trúc luận văn ............................................................................................ 17 Chƣơng 1 ........................................................................................................................ 19 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP ................................... 19 1.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 19 1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp .................................................... 19 1.3. Các phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp ............................................... 21 1.3.1. Phƣơng pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) .................... 21 1.3.2. Phƣơng pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) .......................... 22 1.3.3. So sánh giữa các phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV và UECV... 23 1.4. Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công .............................................. 24 1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí ................................................................. 24 1.4.3. Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm ..................................................... 27 1.4.4. Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực .................................. 28 1.4.5. Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện ................................... 28 1.4.5.1. Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm .............................................. 28 1.4.5.2. Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT ......................................... 30 1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ ........................................... 31 1.5. So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm . 34 1.6. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 35 Chƣơng 2 ........................................................................................................................ 37 CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ .................................................................. 37 TRÊN HỢP KIM NHÔM ............................................................................................... 37 2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 37 2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm ......................................................... 37 2.1.2. Tính gia công của hợp kim nhôm ................................................................. 41 2.3. Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm .............................................................. 42 2.3.1. Các vấn đề chung .......................................................................................... 42 2.3.1.1. Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm ...................................................... 42 2.3.1.2. Sự hình thành và tách phoi..................................................................... 42 2.3.2. Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm ............................................ 44 2.3.2.1. Biến dạng phoi khi khoan ............................................................... 45 2.3.2.2. Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc .................................................... 48 2.3.2.3. Lực di chuyển phoi cho phoi dải............................................................ 50 2.3.2.4. Ảnh hƣởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc ......................................................................................................................... 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 5 2.3.2.5. Ảnh hƣởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải .. 53 2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo .................... 54 2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung ................................................................. 54 2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp ..................................... 56 2.5. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 57 Chƣơng 3 ........................................................................................................................ 58 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN ............. 58 3.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 58 3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan ................................................ 58 3.3. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan ................. 59 3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT ......................................................................... 60 3.3.2. Bệ gá cơ sở .................................................................................................... 61 3.3.3. Ống kẹp ......................................................................................................... 62 3.3.4. Ống truyền rung động ................................................................................... 63 3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan ....... 65 3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1) .......................................................... 67 3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7) ......................................................................... 68 3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lƣợng lệch tâm (chi tiết số 8) ............................. 69 3.4.4. Bệ gá cơ sở ( chi tiết số 5) ............................................................................ 70 3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 9) ................................................ 71 3.4.6. Sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 3) ........................................................... 72 3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4) .................................................... 72 3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2) .............................. 74 3.4.9. Ống gá động cơ ............................................................................................. 75 3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) .......................................................... 76 3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh ................................ 76 3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động ..................... 77 3.5. Kết luận chƣơng ................................................................................................... 81 Chƣơng 4 ........................................................................................................................ 83 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM .......................................................................................................... 83 4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 83 4.2. Thiết lập thí nghiệm ........................................................................................ 83 4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 83 4.2.2. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm ...................................................................... 88 4.2.3. Trình tự thực hiện thí nghiệm ....................................................................... 88 4.3. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................... 89 4.3.1. Đặc tính của phoi .......................................................................................... 89 4.3.2. Độ lay rộng lỗ khoan .................................................................................... 90 4.3.3. Độ không tròn của lỗ khoan .......................................................................... 93 4.3.4. Độ ổn định của kích thƣớc lỗ khoan ............................................................. 96 4.3.5. Độ xiên của lỗ khoan .................................................................................... 97 4.3.6. Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via ở mép cuối lỗ khoan ....... 97 4.4. Kết luận chƣơng .............................................................................................. 99 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ......................................................................................... 100 Các kết quả chính đã đạt đƣợc .................................................................................. 100 Đề xuất các hƣớng nghiên cứu ................................................................................. 100 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 6 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 7 Các ký hiệu viết tắt UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting) CUVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration Cutting) PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers) PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện) ELID Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process Dressing) USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) EDM Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining) ECM Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 8 Danh mục các hình ảnh TT hình Nội dung Trang 1.1 Mô hình đặt rung động vào hệ thống gia công 22 1.2 Mô hình cắt rung theo kiểu elip 23 1.3 Nguyên lý hình thành lực ly tâm 24 1.4 Nguyên lý tạo rung bằng lực từ trƣờng 26 1.5 Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trƣờng 27 1.6 Tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung 27 1.7 Tạo rung bằng thủy lực, khí nén 28 1.8 Hiện ứng áp điện 29 1.9 Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch xảy ra trên vật liệu áp điện 30 1.10 Quan hệ giữa lực cản và hành trình (biên độ) 31 1.11 Ứng xử của một PZT làm việc theo hƣớng trục 31 1.12 PZT đơn trong công nghiệp 33 1.13 Các PZT xếp chồng 34 2.1 Một số ứng dụng thực tế của hợp kim nhôm 38 2.2 Các sản phẩm ứng dụng của hợp kim nhôm A5052 40 2.3 Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ cắt và lƣợng chạy dao đến lực cắt 42 2.4 Phoi khi khoan vật liệu dẻo 43 2.5 Ảnh hƣởng của vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi 44 2.6 Các kích thƣớc phoi khác nhau trong thí nghiệm 48 2.7 Phân tích lực khi khoan có phoi dạng xoắn ốc 48 2.8 Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 9 2.9 Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc 52 2.10 Hình dạng phoi dạng dải 53 2.11 Mô hình quỹ đạo 2 lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan 55 3.1 Mô hình khoan với rung động trợ giúp 58 3.2 Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện 59 3.3 Kích thƣớc PZT và cách đấu điện áp 61 3.4 Chồng PZT- đã ghép nối 61 3.5 Bệ gá cơ sở của cơ cấu tạo rung 62 3.6 Ống kẹp của cơ cấu tạo rung 63 3.7 Ống truyền rung động của cơ cấu tạo rung 64 3.8 Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT 64 3.9 Máy phát điện áp xung, công suất 1200W 65 3.10 (Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí 65 3.11 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan 66 3.12 Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động 67 3.13 Động cơ dẫn động quay lệch tâm 68 3.14 Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều 68 3.15 Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm 69 3.16 Các cặp quả nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm: 69 3.17 Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá cơ sở 71 3.18 Giá đỡ sống dấn hƣớng chữ V 71 3.19 Sống dẫn hƣớng chữ V 72 3.20 Lò xo duy trì rung động 73 3.21 Cụm chi tiết I sau khi chế tạo, lắp ráp 74 3.22 Tấm gá động cơ, phôi và rãnh dẫn hƣớng 75 3.23 Ống gá động cơ 76 3.24 Động cơ đƣợc lắp vào tấm gá sau khi chế tạo 76 3.25 Đồ gá kẹp phôi 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 10 3.26 Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí 78 3.27 Các lực tác dụng lên phôi gia công 78 3.28 Xác định tọa độ khối tâm 79 3.29 Các lực cắt khi khoan 81 4.1 Máy phay đứng Mazak M-800 84 4.2 Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm 85 4.3 Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan 85 4.4 Phôi hợp kim nhôm gá đặt khi thí nghiệm 86 4.5 Kính hiển vi điện tử VEGA SBU EasyProbe 86 4.6 Máy cắt dây CW322S 87 4.7 Đồng hồ so 87 4.8 Lắp đặt cơ cấu tạo rung lên máy phay 88 4.9 Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan thƣờng 89 4.10 Thực hiện quá trình thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp 89 4.11 Phoi dây khi khoan thƣờng 90 4.12 Phoi vụn khi khoan có rung động trợ giúp 90 4.13 Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thường, b. Khoan rung 91 4.14 Tính toán số lƣợng mẫu thí nghiệm cần thiết 91 4.15 Kết quả so sánh độ lay rộng 93 4.16 Hiện tƣợng lỗ không tròn (tỷ lệ 10:1): a. Khoan thƣờng, b. Khoan rung 93 4.17 Kết quả so sánh độ không tròn 95 4.18 Phân bố độ lay rộng lỗ; nét liền cho lỗ khoan thƣờng, nét đứt cho lỗ khoan rung 96 4.19 Hiện tƣợng xiên lỗ khoan: a. Khoan thƣờng, b. Khoan rung 97 4.20 Chất lƣợng bề mặt lỗ và ba via mép cuối lỗ khoan 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Thực hiện: Phan Văn Nghị 11 Danh mục các bảng, biểu TT bảng Nội dung Trang 1.1 So sánh các phƣơng pháp gia công tích hợp rung siêu âm. 24 2.1 Phôi hợp kim nhôm tấm với thành phần hóa học cơ bản 40 2.2 Cơ tính của hợp kim nhôm A5052 41 3.1 Kết quả thử chuyển vị của lò xo 73