-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. [...]... 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. .. 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 -113.3 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. .. 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... 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... 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 -13Chƣơng 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP... 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,... 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. .. lỗ so với phương pháp khoan thường -17KẾT 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... 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 -18Mặc dù nghiên... 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 . 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. “ 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. 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