tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế, CHẾ tạo cơ cấu tạo RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG cơ

-0-
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





PHAN VĂN NGHỊ



THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ
GIÚP GIA CÔNG CƠ

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2012





-1-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS NGUYỄN VĂN DỰ






Phản biện 1: GS. TS TRẦN VĂN ĐỊCH
Đại học Bách khoa Hà nội


Phản biện 2: TS HOÀNG VỊ
Đại học Kỹ thật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn
tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN
Ngày 9 tháng 3 năm 2013


-2-
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, hợp kim nhôm đang được sử dụng ngày càng rộng rãi
trong các lĩnh vực công nghiệp. Gia công cắt gọt hợp kim nhôm nói
chung thường dễ dàng và có năng suất cắt cao hơn so với gia công
thép và các hợp kim đen. Tuy nhiên, do tính dẻo của hợp kim nhôm,
gia công khoan vật liệu này thường gặp phải các vấn đề về năng suất
và chất lượng lỗ khoan. Trong quá trình khoan, phoi không thể thoát
ra khỏi vùng cắt một cách tự do như trong các dạng gia công khác.
Phoi (thường là phoi dây) có ma sát mạnh với mặt trước mũi khoan,
rãnh xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi thoát
ra, bám chặt vào rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn và do vậy lực ma
sát làm tăng đáng kể lực cắt. Điều này có thể gây kẹt hoặc gãy mũi
khoan. Hơn nữa, dòng ma sát của phoi dây lên thành lỗ khoan khi
phoi thoát ra sẽ cào xước vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ nhám bề

mặt lỗ khoan. Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trước, với rãnh xoắn
mũi khoan và với thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh,
gây mòn mũi khoan và cháy xém bề mặt lỗ khoan. Do hiện tượng
phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hướng
kính xuất hiện còn làm tăng hiện tượng lay rộng lỗ, méo lỗ và làm
tăng độ không thẳng của lỗ khoan.
Để khắc phục các vấn đề trên, thông thường, mũi khoan dùng để
gia công nhôm và hợp kim nhôm cần có những lưu tâm đặc biệt về
mặt kết cấu và công nghệ chế tạo. Tuy nhiên, trong đề tài này, một
cách tiếp cận mới để giải quyết các vấn đề khi khoan các vật liệu dẻo
đã được nghiên cứu. Đó chính là ứng dụng rung động cưỡng bức vào

-3-
quá trình khoan này. Đây là một vấn đề không mới trên thế giới
nhưng rất mới tại Việt Nam, chưa có một ứng dụng nào về rung động
trong gia công được triển khai. Đề tài “ Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo
rung động trợ giúp gia công cơ” này tập trung nghiên cứu lý thuyết
về các ưu điểm vượt trội khi khoan vật liệu dẻo có rung động trợ
giúp và thiết kế, chế tạo một cơ cấu tạo rung động cho khoan và tiến
hành thử nghiệm để hiện thực hóa gia công có rung động trợ giúp tại
Việt Nam.
II. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Mục đích của đề tài
1. Đánh giá tính khả thi của gia công khoan có rung động
trợ giúp;
2. Thiết kế, chế tạo được bộ tạo rung động trợ giúp cho
khoan;
3. Tiến hành thí nghiệm khoan có rung động trợ giúp để
so sánh năng suất và chất lượng quá trình khoan này

với quá trình khoan thường.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
- Máy: Máy phay đứng MAZAK M-800
- Cơ cấu tạo rung động: 2 cơ cấu khác nhau do tác giả thiết
kế, chế tạo
- Vật liệu gia công: Hợp kim nhôm A5052
- Mũi khoan: Mũi khoan thường D1.5 mm
2.3. Phương pháp nghiên cứu

-4-
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
III. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
3.1. Ý nghĩa khoa học
1. Tổng quan cơ sở, nghiên cứu đã triển khai về rung
động trợ giúp khoan;
2. Khẳng định được ưu điểm vượt trội của khoan có rung
động trợ giúp so với khoan thường thông qua các số
liệu thực nghiệm;
3. Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung
hỗ trợ khoan các vật liệu dẻo;
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Gia công với rung động trợ giúp có rất nhiều ưu điểm vượt trội
so với phương pháp gia công truyền thống, nhất là với vật liệu dẻo và
vật liệu khó gia công. Vì vậy, cơ cấu tạo rung động này có thể phát
triển để ứng dụng cho khoan và các nguyên công khác với các loại
vật liệu dẻo như nhôm, đồng và các hợp kim của chúng cũng như các
loại vật liệu khó gia công như thép không gỉ, hợp kim Titan, Niken…

-5-

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP
1.1. Giới thiệu
Chương này trình bày tổng quan về gia công có rung động
trợ giúp với các ưu việt nổi trội của nó. So sánh các phương pháp tạo
rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương pháp
tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm.
Phần 1.2 giới thiệu lịch sử, bối cảnh và sự cần thiết của việc
xuất hiện phương pháp gia công có rung động trợ giúp. Phần 1.3 thể
hiện các kiểu tích hợp rung động khi gia công theo phương pháp này.
Phần 1.4 giới thiệu về các phương pháp tạo rung đã được áp dụng
trong công nghiệp. Phần 1.5 đưa ra các so sánh về các phương pháp
tạo rung đó và quyết định chọn phương pháp để thiết kế, chế tạo và
thử nghiệm. Phần cuối cùng của chương chính là tóm tắt các kết luận
chính của chương này.
1.2. Lịch sử ngành gia công có rung động trợ giúp
Phương pháp gia công có rung động trợ giúp được Voronin và
Marknov phát triển từ năm 1960 và cho đến nay, nó là một phương
pháp gia công tiên tiến có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với phương
pháp gia công truyền thống.
1.3 Các phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp

1.3.1 Phƣơng pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống
(CUVC)

-6-

1.3.2 Phƣơng pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)

1.3.3. So sánh giữa các phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC),
CUCV và UECV
STT
Phƣơng pháp
Thôngsố
Gia công truyền
thống
Gia công với
rung siêu âm
truyền thống
Gia công với
rung siêu âm
kiểu elip
1
Lực cắt
Rất cao
Thấp
Rất thấp
2
Mòn dụng cụ cắt
Rất cao
Thấp
Rất thấp

3
Tuổi bền
Rất thấp
Cao
Rất cao
4
Chiều dày phoi
Lớn
Trung bình
Rất nhỏ
5
Sự khử ba via
Không
Trung bình
Cao
6
Độ tròn của chi tiết
Thấp
Hợp lý
Độ chính xác
cao
7
Độ nhẵn bề mặt, Ra
> 1 m
Có thể < 0.1 m
< 0.1 m


-7-
1.4. Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công

1.4.1. Tạo rung động bằng li tâm cơ khí
1.4.2. Tạo rung động bằng lực từ trƣờng
1.4.3. Tạo rung động bằng truyền dẫn lệch tâm (khứ hồi)
1.4.4. Tạo rung động bằng truyền dẫn khí nén hay thủy lực
1.4.5. Tạo rung động bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện
1.4.5.1. Hiệu ứng áp điện trong vật liệu gốm
1.4.5.2. Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT
1.4.5.3. Các cơ cấu PZT với độ bền thấp và tải nhỏ
1.5. So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo
và thử nghiệm
1.6. Kết luận chƣơng
Chương này trình bày về tầm quan trọng và tính cấp thiết
của phương pháp gia công có rung động trợ giúp. Các phương pháp
tạo rung động cưỡng bức đã được liệt kê và phân tích. Hiện có 5
phương pháp tạo rung động lần lượt theo các nguyên lý: tạo rung
bằng li tâm cơ khí, tạo rung bằng truyền dẫn lệch tâm, tạo rung bằng
thủy lực, khí nén, tạo rung bằng lực điện từ và tạo rung siêu âm bằng
hiệu ứng áp điện.
Cuối cùng, bằng các phân tích và kết hợp với điều kiện thực
tế, phương pháp tạo rung động bằng li tâm cơ khí và phương pháp
tạo rung bằng các PZT đã được chọn để thiết kế, chế tạo và thử
nghiệm.



-8-
Chƣơng 2
CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ
TRÊN HỢP KIM NHÔM
2.1. Giới thiệu

Chương này trình bày về ứng dụng rộng rãi của nhôm và hợp
kim nhôm trong công nghiệp. Các khó khăn khi khoan nhôm, hợp
kim nhôm và hướng xử lý các khó khăn bằng phương pháp khoan có
rung động trợ giúp cũng đã được được trình bày.
Phần 2.2 giới thiệu các ứng dụng của nhôm, hợp kim của
chúng nói chung và nói riêng về hợp kim nhôm A5052. Phần 2.3
trình bày về các khó khăn khi khoan nhôm và hợp kim nhôm, nhất là
hợp kim nhôm A5052. Phần 2.4 đề xuất hướng giải quyết các vấn đề
khó khăn đó và phần cuối cùng của chương đưa ra các kết luận chính
của chương.
2.2. Các ứng dụng của nhôm và hợp kim nhôm

2.3. Các vấn đề khi gia công hợp kim nhôm
2.3.1. Các vấn đề chung

-9-
2.3.1.1. Lực cắt khi gia công hợp kim nhôm
2.3.1.2. Sự hình thành và tách phoi
2.3.2. Các vấn đề khi khoan nhôm và hợp kim nhôm
2.3.2.1. Biến dạng phoi khi khoan
2.3.2.2. Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc
2.3.2.3. Lực di chuyển phoi cho phoi dải
2.3.2.4. Ảnh hƣởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo
thành phoi xoắn ốc
2.3.2.5. Ảnh hƣởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành
phoi dạng dải
2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu
dẻo
2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung
2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp

2.5. Kết luận chƣơng
Chương này đã trình bày tổng quan về nhôm và hợp kim
nhôm, các khó khăn khi khoan các hợp kim của chúng. Đây là loại
vật liệu đang được dùng phổ biến trong công nghiệp nói chung và
đặc biệt là ngành công nghiệp hàng không. Mặc dù đây là loại vật
liệu nói chung có tính gia công cao nhưng riêng với khoan, lại gặp
một số vấn đề, nhất là vấn đề về phoi.
Chương 2 cũng đã đưa ra hướng giải quyết để nâng cao tính
công nghệ khi khoan nhôm và hợp kim nhôm bằng cách áp dụng
rung động lên chính quá trình khoan này.


-10-
Chƣơng 3
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU
TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN
3.1. Giới thiệu
Chương này trình bày về nguyên lý làm việc, thiết kế mô
hình và các bước thiết kế cũng như chế tạo các chi tiết của cơ cấu tạo
rung động đặt lên phôi khi khoan. Hai cơ cấu tạo rung động theo hai
phương pháp tạo rung động là phương pháp tạo rung theo nguyên lý
li tâm cơ khí và phương pháp tạo rung bằng các PZT được thiết kế,
chế tạo và đưa vào thử nghiệm. Các bước lắp ghép các chi tiết thành
cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng được trình bày.
Phần 3.2 trình bày về mô hình khoan được trợ giúp bởi rung
động cưỡng bức. Phần 3.3 trình bày về mô hình, tính toán và các
bước tiến hành thiết kế và chế tạo các chi tiết cho cơ cấu tạo rung
động bằng việc sử dụng các tấm PZT. Phần tiếp theo đưa ra mô hình
khoan với sự trợ giúp của rung động được tạo ra bởi bánh lệch tâm
quay, tính toán mô hình này và đưa ra các bước thiết kế và chế tạo

các chi tiết của cơ cấu tạo rung theo phương pháp này. Phần cuối
cùng của chương đưa ra các kết luận tóm tắt quan trọng của chương.
3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan


-11-
3.3. Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung cho khoan theo hiệu ứng áp
điện
3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT
3.3.2. Bệ gá cơ sở
3.3.3. Ống kẹp
3.3.4. Ống truyền rung động

3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí cho
khoan
3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1)
3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7)
3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lƣợng lệch tâm (chi tiết số 8)
3.4.4. Bệ gá cơ sở (chi tiết số 5)
3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 9)
3.4.6. Sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 3)
3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4)
3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2)
3.4.9. Ống gá động cơ
3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11)
3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh

-12-

3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung
động
3.5. Kết luận chƣơng
Chương này đã trình bày 2 thiết kế bộ tạo rung động lần lượt
theo 2 nguyên lý khác nhau: Nguyên lý tạo rung bằng việc ứng dụng
hiệu ứng áp điện và nguyên lý tạo rung bằng li tâm cơ khí. Sau khi
thiết kế, 2 cơ cấu này đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Tuy
nhiên, do chưa làm chủ được hoàn toàn việc điều khiển cơ cấu tạo
rung siêu âm, là cơ cấu làm việc theo hiệu ứng áp điện, nên chỉ cơ
cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí được chọn để thử nghiệm
so sánh quá trình khoan được rung động trợ giúp và quá trình khoan
truyền thống.








-13-
Chƣơng 4
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG
TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM
4.1. Giới thiệu
Chương 4 trình bày về các bước tiến hành thí nghiệm khoan các
mẫu hợp kim nhôm A5052 với 2 phương pháp khoan khác nhau:
khoan thường và khoan có rung động trợ giúp. Sau khi thí nghiệm,
tiến hành đo đạc đường kính lỗ khoan, cắt dây qua thành lỗ khoan để
so sánh hiệu quả của 2 phương pháp khoan.

Mục 4.2 trình bày về các bước lắp đặt thiết bị, chuẩn bị các vật
tư cho thí nghiệm và các bước tiến hành thí nghiệm cũng như đo
lường các kết quả thí nghiệm. Mục 4.3 tiến hành phân tích và đánh
giá kết quả thí nghiệm. Mục này đưa ra các đánh giá so sánh 2
phương pháp khoan thường và khoan có rung động trợ giúp về độ lay
rộng lỗ khoan, mức độ ổn định của đường kính lỗ khoan, độ tròn của
lỗ, đặc tính phoi, chất lượng bề mặt lỗ cũng như độ xiên của thành lỗ.
Mục cuối cùng của chương tóm tắt các kết luận của chương.
4.2. Thiết lập thí nghiệm
4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm


-14-


4.2.2. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm
4.2.3. Trình tự thí nghiệm
4.3. Kết quả thí nghiệm
4.3.1. Đặc tính của phoi

4.3.2. Độ lay rộng lỗ khoan


-15-

4.3.3. Độ không tròn của lỗ khoan

4.3.4. Độ ổn định của kích thƣớc lỗ khoan

4.3.5. Độ xiên của lỗ khoan

-16-
4.3.6. Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan và vấn đề ba via mép cuối
lỗ

4.4. Kết luận chƣơng
Chương này trình bày các bước chuẩn bị thí nghiệm cũng
như quá trình thí nghiệm khoan theo 2 phương pháp: khoan thường
và khoan có rung động trợ giúp trên 2 mẫu phôi hợp kim nhôm
A5052, đại diện cho loại vật liệu dẻo. Sau khi thí nghiệm, tiến hành
đo đường kính tất cả các mẫu khoan để tiến hành xử lý kết quả trên
phần mềm Minitab16.0. Kết quả đo đạc, xử lý số liệu cho kết luận
quan trọng: Khoan có rung động trợ giúp có thể giảm độ lay rộng lỗ
đến 3 lần so với khoan thường; còn với việc giảm độ không tròn của
lỗ khoan, phương pháp khoan rung giảm được 2 lần so với khoan
thường. Các kết quả thí nghiệm còn chứng tở rằng, khoan có rung
động trợ giúp cải thiện đáng kể độ ổn định kích thước lỗ khoan, độ
xiên lỗ, dạng phoi, chất lượng bề mặt cũng như vấn đề ba via thành
lỗ so với phương pháp khoan thường.




-17-
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Các kết quả chính đã đạt đƣợc
Hai cơ cấu tạo rung động trợ giúp cho khoan theo 2 nguyên lý
tạo rung động là rung dựa trên nguyên lý li tâm cơ khí (tần số thấp)
và rung siêu âm (tần số cao) đã được phân tích, lựa chọn thiết kế và

chế tạo cũng như thực nghiệm khoan trên hợp kim nhôm. Các cơ cấu
được thiết kế nhỏ gọn, vận hành dễ dàng nhưng vẫn đảm bảo được
khả năng làm việc trong điều kiện thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm đã
khẳng định được sự vượt trội của phương pháp khoan có rung động
trợ giúp so với phương pháp khoan thông thường. Dưới đây là các
thành tựu cơ bản đề tài đã đạt được:
 Tổng quan về cơ sở và các nghiên cứu đã triển khai về
rung động trợ giúp gia công cơ nói chung và nguyên
công khoan nói riêng;
 Thiết kế, chế tạo được 2 cơ cấu tạo rung với 2 nguyên
lý khác nhau: cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ
khí và cơ cấu tạo rung dựa trên hiệu ứng áp điện;
 Vận hành và thu thập số liệu thực nghiệm cơ cấu rung
trợ giúp khoan hợp kim nhôm;
 Khẳng định được tính ưu việt của khoan có rung động
trợ giúp so với khoan thường thông qua việc phân tích
có hệ thống các số liệu thực nghiệm ;
 Khái quát hóa khả năng chủ động công nghệ tạo rung
động trợ giúp nguyên công khoan các vật liệu dẻo.
Đề xuất các hƣớng nghiên cứu

-18-
Mặc dù nghiên cứu đã phân tích và chứng minh được những ưu
điểm vượt trội của khoan có rung động trợ giúp so với khoan thông
thường thông qua các thực nghiệm cụ thể trên cơ cấu tạo rung đã
thiết kế, chế tạo nhưng còn có một số vấn đề cần thiết được nghiên
cứu và tìm hiểu sâu hơn cho cơ cấu này ở các bước kế tiếp. Cụ thể là:
 Nghiên cứu động lực học của cơ cấu và hệ thống gia
công;
 Hoàn thiện kết cấu cơ cấu rung nhỏ gọn, đơn giản

hơn, phù hợp với khả năng chế tạo và sử dụng trong
nước;
 Tối ưu hóa thông số rung, thông số công nghệ đa mục
tiêu;
 Thử nghiệm gia công lỗ sâu có tỷ số L/D lớn hơn;
 Thử nghiệm cho các loại vật liệu khó gia công khác
nhau;