Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (356.97 KB, 27 trang )
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
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
Thực hiện: Phan Văn Nghị
1
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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.
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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.
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 105
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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)
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
Danh mục các hình ảnh
Nội dung
TT hình
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
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
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
29
8
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật
Chuyên ngành: CN-CTM
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
61
3.4
Kích thƣớc PZT và cách đấu điện áp
Chồng PZT- đã ghép nối
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
Thực hiện: Phan Văn Nghị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
9
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
