BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NC KH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN LỖ VUÔNG S K C 0 9 MÃ SỐ: T2009-88 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2010 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN LỖ VUÔNG MÃ SỐ: T2009-88 Nhóm ngành: Người chủ trì: Đơn vị: Khoa học công nghệ KS Hồ Viết Bình Khoa khí máy Năm 2010 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN LỖ VUÔNG MÃ SỐ: T2009-88 Nhóm ngành: Người chủ trì: Tham gia: Đơn vị: Khoa học công nghệ KS Hồ Viết Bình Dương Thanh Hân Trần Thành Triệu Khoa khí máy Năm 2009 - 2010 MỤC LỤC Chương I-Tổng quan đề tài 1-1.Mục tiêu đề tài 1-2.Tình hình nghiên cứu nước 1-3.Ứng dụng lỗ vuông khí 1-4.Các phương pháp tạo lỗ vuông 1-5 Nội dung nghiên cứu Chương II-Nguyên lý tính toán 2-1.Nguyên lý tạo hình 2-2.Tính toán 14 2-3.Nguyên lý khoan cải tiến 17 Chương III-Thiết kế chế tạo dụng cụ cắt 19 3-1.Thiết kế mũi khoan 19 3-2 Chế tạo mũi khoan 20 Chương IV- Thiết kế chế tạo bạc dẫn 21 4-1.Chức dẫn hướng 21 4-2 Các phương án dẫn hướng 21 4-3 Chế tạo bạc dẫn hướng 24 Chương V- Thiết kế dẫn động 26 5-1.Phương án chi tiết quay 26 5-2.Phương án mũi khoan quay 28 Chương VI- Kết nghiên cứu 39 6-1.Kết chế tạo 39 6-2.Kết thử nghiệm 40 Kết luận 41 Tài liệu tham khảo 42 Chương 1- TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1-1.Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ khoan lỗ vuông để bổ sung lý thuyết tạo hình lỗ vuông theo phương pháp khoan vào chương trình công nghệ chế tạo chi tiết máy, giúp người học có tầm nhìn rộng nguyên lý tạo hình từ ứng dụng vào thực tế sản xuất 1-2.Tình hình nghiên cứu & nước Khoan lỗ vuông công nghệ có từ lâu chưa ứng dụng nhiều gia công kim loại có số lý kỹ thuật, việc chế tạo mũi khoan trở ngại Hiện việc nghiên cứu công nghệ khoan lỗ vuông thành công ứng dụng nhiều khí chế tạo để thay lỗ tròn có rãnh then, giá thành rẻ Ngoài áp dụng gia công đồ gỗ vật liệu phi kim khác 1-3 Các ứng dụng lỗ vuông khí Hình 1-1 Lỗ vuông xe đạp 1-2 Lỗcông vuônglỗtrong cấu truyền động 1-4 Các phươngHình pháp gia vuông Khoan – đục; Chuốt; Phay; Khoan Hình 1-3 Khoan kết hợp đục Hình 1-4 Chuốt lỗ vuông Hình 1-5 Phay lỗ vuông Hình 1-6 Khoan lỗ vuông 1-5 Nội dung nghiên cứu 1- Nguyên lý tính toán 2- Thiết kế chế tạo dụng cụ 3- Khoan thử nghiệm 4- Kết luận Chương 2- NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN 2-1.Nguyên lý tạo hình 1-Khái niệm tam giác Reuleaux L Hình 2-1 Tam giác Reuleaux - Vẽ tam giác cạnh L - Từ đỉnh tam giác làm tâm vẽ cung nối hai đỉnh lại Tương tự vẽ hai cung với hai đỉnh lại ta tam giác Reuleaux - Quan hệ kích thước tam giác Reuleaux sau: Hình 2-2 Quan hệ kích thước tam giác Reuleaux L 3   L 3  3 L PB  L  L  1   3   AP  (*) (**) 2-Mối quan hệ tam giác Reuleaux hình vuông: a) b) Hình 2-3 Mối quan hệ tam giác Reuleaux hình vuông Đặt tam giác Reuleaux (R) vào hình vuông có cạnh cạnh tam giác quay tam giác R hình vuông (hình 2-3) Có hai vị trí tương đối tam giác Reuleaux hình vuông : - Vị trí 1: Nếu có hai cạnh tam giác tiếp xúc với hai cạnh hình vuông A, B hai đỉnh A’, B’ tam giác đối diện trực tiếp với A, B (Hình 23a) - Vị trí 2: Nếu có cạnh tam giác cạnh hình vuông tiếp xúc C đỉnh C’ tam giác tiếp xúc trực tiếp cạnh đối diện với C, hai đỉnh lại tam giác R tiếp xúc với hai cạnh hình vuông (Hình 2-3b) Nhận xét: Khi quay tam giác R hình vuông có cạnh cạnh tam giác R đỉnh tam giác luôn tiếp xúc với cạnh hình vuông, đỉnh tam giác R không trùng đỉnh hình vuông Kết luận: Nếu tạo cho đỉnh tam giác R lưỡi cắt dẫn hướng bạc vuông khoan lỗ vuông có cạnh bo cung Hình 2-4 3-Xây dựng phương trình tham số cung bo góc hình vuông: Giả sử hình vuông tam giác có cạnh L Bắt đầu từ hình 2-4a) tam giác Reuleaux tiếp xúc với cạnh phải hình vuông điểm C Khi tam giác Reuleaux quay ngược chiều kim đồng hồ điểm C rời khỏi cạnh hình vuông chuyển sang điểm C’ (hình 2-4b), điểm C’ không tiếp xúc đỉnh hình vuông Cho tam giác R quay tiếp đỉnh tiếp xúc cạnh kế hình vuông C’’ (hình 2-4c) Chọn gốc tọa độ tâm hình vuông (x,y) tọa độ C cần tìm α =  MA' B' β góc tạo A’C’ đường thẳng nằm ngang qua A’ c tung độ điểm A’ (hình 3.4b)  β = α + 60 - 90 = α - 30 A’C’ = L Lcos α = L+ c Để tạo góc C, α thay đổi từ 30 (Hình 2-4a) đến 60 (Hình 2-4c)    cos   sin  x   L  L  cos(  30 )  ( )L 2 L L L  cos  +  sin  (2-1)  + 2   cos    sin  y  c  L  sin(  300 )  ( L cos   L)  L  sin(  300 )  ( )L 2 L L (2-2)   +  cos  + L  sin  2 L L Đặt X  x  ; Y  y  2 3 X  L2 ( cos   sin   sin  cos  ) 4 3 Y  L2 ( sin   cos   sin  cos  ) 4 XY  L2 (  sin  cos  ) L2 2  X  Y   XY 2 L  L L  L    x     y     3 x   y   2  2  2   2 3 2 3 1   Lx    Ly    Suy x  3xy  y       L        Đây phương trình hình elip, phương trình hình elip có dạng: Ax  2Bxy  Cy  2Dx  2Ey  F  với B  AC Để vẽ elip ta cần tìm tọa độ tâm bán trục elip Tọa độ tâm I(x0, y0) tính theo công thức: 2 3 2 3 L  L       4 CD  BE    L x0    2 B  AC  3    1     2 3 2 3         AE  BD    L y0    2 B  AC  3    1     Độ dài bán trục lớn: a  2AE  CD  FB  BDE  ACF  B  AC   A  C 2  4B   A  C  2            3           2       L    L    L     L    L    4                2         1       1  1                1 L      Độ dài bán trục nhỏ: - Để giảm mòn bề mặt chi tiết nối trục chữ thập người ta chọn : + Kích thước d =16 ÷150mm + Momen truyền T = 16 ÷16000 Nm + Sai lệch góc cho phép 30’ + Số vòng quay nối trục cho phép D < 240 mm 250vòng/phút +Vật liệu: Các nửa nối trục chế tạo từ thép Cac bon 40, 45 thép hợp kim có Crom, thép đúc gang đúc GX15-32,GX18-36… Đối với nối trục tải nặng nửa nối trục đĩa chế tạo từ thép 15Cr, 20Cr thấm than bề mặt - Kiểm nghiệm bền: Dựa vào cấu tạo khớp nối oldham lực dọc trục làm hư hỏng so với momen xoắn Khi khoan lực momen xoắn sinh lớn nhiếu so với lực doc trục Do kiểm nghiệm độ bền kết cấu với ảnh hưởng momen xoắn Hình 5-8 Sơ đồ tính nối trục Oldham Nếu rãnh dẫn hướng khe hở áp lực sinh bề mặt tính tương tự ứng suất uốn: 30 p 6T 6T  2 ( D  e) h D h Trong đó: T : momen xoắn, Nmm (D-e) : chiều dài đoạn tiếp xúc Tuy nhiên thực tế rãnh có khe hở áp lực sinh phần chiều dài D-e Khi ta tính toàn kiểm nghiểm trục đĩa vấu theo công thức gần đúng: p max  8KT  [ p] D2h Trong p max : áp lực lớn bề mặt tiếp xúc [p] : áp lực cho phép chi tiết K : hệ số chế độ làm việc h : chiều cao làm việc vấu đĩa D : đường kính nối trục Áp lực cho phép [p] phụ thuộc vào vật liệu phương pháp nhiệt luyện bề mặt làm việc: thép với thép [p] =15÷25 N / mm2 Với momen xoắn máy khoan khoảng 30Nm (Dựa vào bảng 9-7 trang 228, sách thiết kế chi tiết máy - Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm), ta chọn: + Đường kính lỗ nối trục d =12mm + Vận tốc cực đại v = 250v/phút + Đường kính nối trục D =46mm + Đường kính nối trục D1 =34mm + Chiều dài nối trục L = 90mm + Bề dày làm việc vấu đĩa h = 6.5mm + Khe hở e = 0,5 mm Và dựa vào bảng 9-1 trang 222 sách thiết kế chi tiết máy, Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm , ta chọn k = 1,2 Vật liệu thép nên [p] = 15÷25 MPa Khi : p max  8KT 8.1,2.30.10   22,7 N / mm  [ p] 2 D h 46 31 Vậy cấu với kích thước thỏa điều kiện bền Dẫn động khớp Cardan: Cơ cấu nối trục Cardan (bản lề) sử dụng để nối trục có độ nghiêng tương đối đến 450 thay đổi góc nghiêng nối trục hoạt động Nối trục Cardan có kết cấu kích thước khác Hình 5-9 Dạng nối trục đơn giản nối trục đơn (Hình 5-10) cấu tạo từ hai nửa khớp nối chạc 2, lắp đầu trục có vị trí vuông góc khối chữ thập nối lề với chạc Nhược điểm nối trục dạng trục dẫn trục trục bị dẫn chuyển động không điều quan trọng trục bị động bị thay đổi góc độ ta cần khống chế trục trục bị động vị trí thắng đứng trình chuyển động 32 Để đảm bảo việc quay cho trục bị dẫn với vận tốc góc không đổi để truyền chuyển động quay trục song song dịch chuyển dọc trục tăng góc nghiêng trục nối ta sử dụng nối trục Cardan kép (Hình 5-11) Để trục bị dẫn có số vòng quay không đổi điều kiện cần thiết trục dẫn bị dẫn phải song song với nghiêng với trục trung gian nằm mặt phẳng Nối trục Cardan chia ra: - Nối trục có kích thước nhỏ, sử dụng để truyền mômen nhỏ - Kích thước lớn để truyền mômen trung bình lớn Nối trục Cardan kích thước nhỏ đơn (Hình 5-10) kép (Hình 5-11) theo tiêu chuẩn nối trục có đường kính d = 8÷40mm, mômen xoắn T = 11,2÷1120Nm Nối trục lớn truyền mômen xoắn đến 3000000Nm Các kích thước D = (1,5÷1,6)d; L = (4÷5)d 1 1 0 2 2 Hình 5-12 33 Để bảo đảm tốc độ góc trục chủ động trục bị động truyền đăng hai khớp chữ thập điều kiện góc 1 =  nạng trục trung gian phải có hướng trùng mặt phẳng Vì lắp ráp hai nửa trục trung gian có then hoa di trượt cần ý đặc điểm Tỷ số vận tốc trục dẫn 1 trục bị dẫn 2 (tỷ số truyền tức thời) 1  sin  cos   1 cos  Trong đó: γ - góc đường tâm trục α - góc quay thay đổi trục dẫn vị trí ban đầu  max 1   1  cos  Khi đó: Hệ số quay không trục bị dẫn: k  max    tg sin  1 Khi γ nhỏ, ta có k ≈ γ2, với γ tính rad Tỷ số truyền thay đổi tức thời nối trục gây nên tải trọng động phụ Đảm bảo trục dẫn bị dẫn quay đồng thỏa mãn hai điều kiện: - Đường tâm trục dẫn bị dẫn nghiêng với trục trung gian góc - Chạc hai đầu trục trung gian phải nằm mặt phẳng song song Yêu cầu kỹ thuật cho khớp nối trục Cardan: (Hình 5-11) Chạc chạc7: Vật liệu – thép 20Cr; độ cứng 48 ÷ 52 HRC Thấm cacbon tới chiều sâu 0,8 ÷ 1,2 mm Lớp phủ - nhuộm đen Dung sai độ đồng trục lỗ d không lớn 0,02 mm Sai lệch giới hạn kích thước không dẫn dung sai: ±1/2 (h14=H14) Chạc 2: Vật liệu – thép 40Cr; độ cứng 48 ÷ 52 HRC Lớp phủ - nhuộm đen Dung sai độ song song mặt phẳng với không lớn 0,02 mm Dung sai độ vuông góc mặt phẳng với đường tâm không lớn 0,05 mm Thanh 3: Vật liệu – thép C20 Lớp phủ - nhuộm đen Sai lệch giới hạn kích thước không dẫn dung sai: bị bao theo h14, kích thước khác ±1/2 (h14=H14) Chốt bạc 5: Vật liệu – thép 40Cr; độ cứng 48 ÷ 52 HRC Lớp phủ nhuộm đen 34 Lựa chọn cấu dẫn động thiết kế dẫn động: So sánh hai cấu dẫn động ta nhận thấy yêu cầu kỹ thuật khớp Cardan cao việc chế tạo khó so với khớp Oldham không đảm tính kinh tế Do khớp Oldham chọn để thỉết kế, chế tạo Thiết kế khoan lỗ vuông máy khoan Alzmetall AB3/ESV Có hai phương án thiết kế: bạc dẫn hướng gắn liền với đầu khoan thông qua mối ghép vòng kẹp (Hình 5-13b) bạc dẫn hướng gắn với đồ gá đặt bàn máy Hình 5-13a  Tính toán lực chọn bulông cho trường hợp 1(Hình 5-13b) Mối ghép vòng kẹp mối ghép ma sát, áp lực pháp tuyến cần thiết tạo lực xiết bulông Mối ghép vòng kẹp không yêu cầu sử dụng then, cho phép lắp chi tiết với góc vị trí theo chiều trục Mối ghép vòng kẹp thiết kế theo momen xoắn T tải trọng dọc trục Fa Ngoài cần thiết phải tính bulông Sơ đồ tính lực Hình 5-14 35 Áp lực p bề mặt lắp ghép lớn có hướng vuông góc với mặt tháo, nhỏ dần không vị trí mặt tháo theo quy luật cosin: p=p 0cosα Tuy nhiên để thuận tiện tính toán ta giả sử áp lực p phân bố bề mặt tiếp xúc, điều kiện bền biểu diễn theo công thức: d pfπdb ≥T; pfπdb≥Fa Mặt khác áp lực bề mặt ghép xác định theo công thức:  /2 Fn  2 d p cos  bd  pdb Tuy nhiên phương trình cân lực hai vòng kẹp: 2zV = Fn Từ suy ra: p  zV db Sau thay rút gọn ta thu được: πVfzd ≥ T; 2πzVf ≥ Fa Suy lực xiết xác định theo công thức: 36 V kF kT ; V a zfd 2zf Trong : z - số bulông phân bố hướng bạc k = (1,3÷1,8) - hệ số an toàn f - hệ số ma sát (0,15÷0,18) Tính cho vòng kẹp chịu tải trọng lớn vòng kẹp bên Vòng kẹp chủ yếu chịu tác dụng momen xoắn, lực dọc trục nhỏ T 9550 N n N Công suất động máy khoan N = 3kW n : tốc độ trục  M n = 180 vg/phút 9550   159Nm =159000Nmm 180 Tỉ số truyền khớp Oldham 1, momen không đổi Ta tính V = 1,3  159000 =5624N    0,18  65 Đường kính bulông xác định theo công thức: d1   1,3  V   k  Trong đó: -  k ứng suất kéo cho phép  k    ch /s  ch : giới hạn chảy Vật liệu bulông – thép 40Cr ;  ch = 900MPa bảng 17.4, trang 573 “Cơ sở thiết kế máy”_Nguyễn Hữu Lộc s  : hệ số an toàn xiết bulông không kiểm tra Giả thiết đường kính bulông khoảng 6÷16mm, theo bảng 17.6, trang 575 “Cơ sở thiết kế máy”_Nguyễn Hữu Lộc Chọn s  =3   k  = 300MPa  d1   1,3  5624  5.57   300 Chọn bulông đường kính 6mm Hình dáng đầu dẫn động gắn máy khoan (Hình 5-15) 37 Hình 5-15 Kết luận: Với nhiều phương án thiết kế ta nhận thấy việc chế tạo theo phương án bạc dẫn hướng gắn liền với đầu khoan thông qua mối ghép vòng kẹp trường hợp mũi khoan quay kinh tế đảm bảo độ bền Do phương án đưa vào để chế tạo 38 Chương 6- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM 6-1 Kết chế tạo - Mũi khoan hình dạng tam giác Reulaeux - Bạc dẫn lỗ vuông - Khớp truyền động chuôi côn - Giá gắn bạc máy khoan Hình 6-1 Mũi khoan Reulaeux Hình 6-2 Bạc dẫn giá đỡ 39 Hình 6-3 Khớp dẫn động chuôi côn Hình 6-4 Mũi khoan gắn trục gá hành tinh 6-2 Kết khoan thử nghiệm Hình 6-5 Các lỗ khoan thử nghiệm vật liệu phi kim Với bạc dẫn 2020mm lần khoan nhận thấy: - kích thước cạnh lỗ dao động 20 đến 20,5mm - hình dáng lỗ: hình vuông có bo góc - biên dạng lỗ không thẳng, lỗ bị bóp khoảng 0,2mm Nguyên nhân lỗ bị lay rộng hẹp giữa: - Mài mũi khoan chưa phù hợp với vật liệu gia công 40 - Chiều dày bạc ngắn so với kích thước lỗ - Khoan mồi chưa xác dẫn đến lượng dư không Kết luận: - Có khả khoan lỗ vuông mũi khoan tam giác - Phải chế tạo bạc có chiều dày lớn - Nếu khoan cách cho chi tiết quay lỗ không bị méo - Nếu gia công thép phải dùng thép gió làm mũi khoan Vậy bổ sung phần lý thuyết vào môn Công nghệ chế tạo máy 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://mathworld.wolfram.com/ReuleauxTriangle.html [2] http://demonstrations.wolfram.com/ARotatingReuleauxTriangle/ [3] http://upper.us.edu/faculty/smith/reuleaux.htm [4] http://www.answers.com/topic/reuleaux-triangle [5] http://linearlyindependent.blogspot.com/2008/07/drilling-squareholes.html [6] http://www.freepatentsonline.com/5000628.html [7] http://www.maa.org/mathtourist/mathtourist_08_31_09.html [8] http://www.robotroom.com/PCB-Cutter-Motorized-Shear3.html [9] http://www.unicyclist.com/forums/showthread.php?t=67720 [10] www.robotroom.com/PCB-Cutter-Motorized-Shear.html [11] http://www.parktool.com/repair/readhowto.asp?id=103 [12] http://www.maa.org/mathtourist/mathtourist_08_31_09.html [13] http://www.nytimes.com/1991/03/30/business/patents-drill-cuts-squareholes.html [14] http://www.davehylands.com/Machinist/CNC/Wheel-Widener2/Small/04-Square-Hole.html [15] http://www.homepages.mcb.net/howe/NewsBroaching.htm [16] http://www.sherline.com/tip20.htm [17] http://www.youtube.com/watch?v=NTTzPB7SL3k [18] http://bbs.homeshopmachinist.net/showthread.php?t=92 [19] http://www.slatertools.com/video.htm [20] http://en.wikipedia.org/wiki/Mortiser [21] http://apprenticeeyes.wordpress.com/2009/03/17/drilling-square-holes/ [22] http://www.integerspin.co.uk/polygon.htm [23] http://bbs.homeshopmachinist.net/showthread.php?t=28214&page=2 [24] http://www.robotroom.com/PCB-Cutter-Motorized-Shear3.html 42 [25] http://www.homegunsmith.com/cgibin/ib3/ikonboard.cgi?;act=ST;f=8;t=17441 [26] http://www.sommatool.com/manuscripts/broaching.asp [27] http://www.rotarybroaching.net/support.htm [28] http://www.rotarybroaching.net/broachsupport.htm [29] http://www.newmantools.com/cutters/intbroach.htm 43 S K L 0