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 kết trình bày luận văn thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học tƣơng tự đƣợc công bố, trừ thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn Phan Văn Nghị Tháng 12 năm 2012 Thực hiện: Phan Văn Nghị Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Lời cám ơn Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học tôi, thầy giáo - PGS.TS Nguyễn Văn Dự, ngƣời tận tình bảo, động viên giúp đỡ cho nhiều suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Thứ đến, xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths Lê Duy Hội Ths Chu Ngọc Hùng giúp đỡ nhiều trình làm luận văn Tôi xin cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long kỹ thuật viên DNTN Thái Long giúp đỡ việc gia công, chế tạo thiết bị thí nghiệm thực thí nghiệm cho đề tài Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí nhƣ môn Chế tạo máy, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện để đƣợc tham gia hoàn thành khóa học Lòng biết ơn chân thành xin bày tỏ với vợ gia đình tôi, tất mà ngƣời dành cho Mọi ngƣời chăm sóc, động viên suốt thời gian sống, học tập làm luận văn Cuối cùng, xin cám ơn thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Tóm tắt Qua việc phân tích cách hệ thống ƣu điểm vƣợt trội phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp nguyên lý tạo rung động, cấu tạo rung động đặt lên phôi khoan đƣợc mô hình, tính toán, thiết kế chế tạo Hai cấu tạo rung đƣợc thiết kế lần lƣợt theo nguyên lý: Cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm khí cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm khí đƣợc chọn để tạo rung động trợ giúp cho trình thí nghiệm khoan hợp kim nhôm Cơ cấu lệch tâm chế tạo tạo rung động với tần số từ 26 đến 60 Hz, biên độ từ 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) đƣợc gia công đối chứng khoan thƣờng khoan có bổ sung rung động Các thí nghiệm đƣợc thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ suất hai chế độ gia công khoan truyền thống khoan có rung động trợ giúp Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khoan nhôm hợp kim nhôm gần nhƣ đƣợc khắc phục hoàn toàn Số liệu thực nghiệm độ lay động đƣờng kính độ tròn lỗ khoan đƣợc phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) 36 mẫu đo Kết cho thấy khoan có rung làm giảm độ lay rộng đƣờng kính lỗ đến lần, làm giảm độ không tròn lỗ đến lần so với khoan truyền thống Trên giới, rung động trợ giúp gia công thƣờng đƣợc thực nhờ tạo rung dùng động servo cồng kềnh tinh thể áp điện đắt tiền Kết nghiên cứu đem lại khả chủ động thiết bị, công nghệ cho phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp trở nên hứa hẹn Việt Nam, khắc phục đƣợc vấn đề chủ động vật tƣ, thiết bị giá thành Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Mục lục Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Các ký hiệu viết tắt Danh mục hình ảnh Danh mục bảng, biểu 11 GIỚI THIỆU 12 0.1 Vấn đề nghiên cứu 12 0.2 Các kết nghiên cứu gần 13 0.3 Mục tiêu nghiên cứu 16 0.4 Các kết đạt đƣợc 16 0.5 Cấu trúc luận văn 17 Chƣơng 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 phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV UECV 23 1.4 Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công 24 1.4.1 Tạo rung động li tâm khí 24 1.4.3 Tạo rung động truyền dẫn lệch tâm 27 1.4.4 Tạo rung động truyền dẫn khí nén hay thủy lực 28 1.4.5 Tạo rung động việc ứng dụng hiệu ứng áp điện 28 1.4.5.1 Hiệu ứng áp điện vật liệu gốm 28 1.4.5.2 Các tính toán cấu PZT 30 1.4.5.3 Các cấu PZT với độ bền thấp tải nhỏ 31 1.5 So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo thử nghiệm 34 1.6 Kết luận chƣơng 35 Chƣơng 37 CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ 37 TRÊN HỢP KIM NHÔM 37 2.1 Giới thiệu 37 2.2 Các ứng dụng nhôm hợp kim nhôm 37 2.1.2 Tính gia công hợp kim nhôm 41 2.3 Các vấn đề gia công hợp kim nhôm 42 2.3.1 Các vấn đề chung 42 2.3.1.1 Lực cắt gia công hợp kim nhôm 42 2.3.1.2 Sự hình thành tách phoi 42 2.3.2 Các vấn đề khoan nhôm hợp kim nhôm 44 2.3.2.1 Biến dạng phoi 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 thông số hình học mũi khoan đến tạo thành phoi xoắn ốc 51 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 2.3.2.5 Ảnh hƣởng thông số mũi khoan đến hình thành phoi dạng dải 53 2.4 Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan loại vật liệu dẻo 54 2.4.1 Mô hình toán cho khoan rung 54 2.4.2 Khả bẻ phoi khoan có rung động trợ giúp 56 2.5 Kết luận chƣơng 57 Chƣơng 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 tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan 59 3.3.1 Lựa chọn, tính toán PZT 60 3.3.2 Bệ gá sở 61 3.3.3 Ống kẹp 62 3.3.4 Ống truyền rung động 63 3.4 Thiết kế, chế tạo tạo rung động theo nguyên lý li tâm khí cho khoan 65 3.4.1 Động điện 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 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 trì rung động (chi tiết số 4) 72 3.4.8 Tấm gá động - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2) 74 3.4.9 Ống gá động 75 3.4.10 Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) 76 3.4.11 Lắp ghép chi tiết để tạo thành cấu hoàn chỉnh 76 3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo trì rung động 77 3.5 Kết luận chƣơng 81 Chƣơng 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 thiết bị thí nghiệm 88 4.2.3 Trình tự thực thí nghiệm 88 4.3 Kết thí nghiệm 89 4.3.1 Đặc tính phoi 89 4.3.2 Độ lay rộng lỗ khoan 90 4.3.3 Độ không tròn lỗ khoan 93 4.3.4 Độ ổn định kích thƣớc lỗ khoan 96 4.3.5 Độ xiên lỗ khoan 97 4.3.6 Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan vấn đề ba via mép cuối lỗ khoan 97 4.4 Kết luận chƣơng 99 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100 Các kết đạt đƣợc 100 Đề xuất hƣớng nghiên cứu 100 Tài liệu tham khảo 102 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM PHỤ LỤC 105 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 cấu chuyển đổi áp điện) ELID Quá trình mài sửa đá điện phân (Electrolytic In Process Dressing) USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) EDM Gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining) ECM Gia công điện hóa (Electrochemical Machining) Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Danh mục 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 lực từ trƣờng 26 1.5 Cơ cấu tạo rung động lực từ trƣờng 27 1.6 Tạo rung truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung 27 1.7 Tạo rung thủy lực, khí nén 28 1.8 Hiện ứng áp điện 1.9 Hiệu ứng áp điện thuận nghịch xảy vật liệu áp điện 30 1.10 Quan hệ lực cản hành trình (biên độ) 31 1.11 Ứng xử PZT làm việc theo hƣớng trục 31 1.12 PZT đơn công nghiệp 33 1.13 Các PZT xếp chồng 34 2.1 Một số ứng dụng thực tế hợp kim nhôm 38 2.2 Các sản phẩm ứng dụng hợp kim nhôm A5052 40 2.3 Mức độ ảnh hƣởng tốc độ cắt lƣợng chạy dao đến lực cắt 42 2.4 Phoi khoan vật liệu dẻo 43 2.5 Ảnh hƣởng vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi 44 2.6 Các kích thƣớc phoi khác thí nghiệm 48 2.7 Phân tích lực khoan có phoi dạng xoắn ốc 48 2.8 Phoi dải chuyển động rãnh xoắn 51 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 2.9 Trạng thái ban đầu phoi xoắn ốc 52 2.10 Hình dạng phoi dạng dải 53 2.11 Mô hình quỹ đạo lƣỡi cắt mũi khoan 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 cách đấu điện áp Chồng PZT- ghép nối 3.5 Bệ gá sở cấu tạo rung 62 3.6 Ống kẹp cấu tạo rung 63 3.7 Ống truyền rung động cấu tạo rung 64 3.8 Lắp ghép cấu tạo rung động PZT 64 3.9 Máy phát điện áp xung, công suất 1200W 65 3.10 (Mô hình hóa cấu rung lệch tâm khí 65 3.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo rung động phôi cho khoan 66 3.12 Mô hình chi tiết cấu tạo rung động 67 3.13 Động dẫn động quay lệch tâm 68 3.14 Bộ biến áp chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang chiều 68 3.15 Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm 69 3.16 Các cặp nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm: 69 3.17 Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá sở 71 3.18 Giá đỡ sống dấn hƣớng chữ V 71 3.19 Sống dẫn hƣớng chữ V 72 3.20 Lò xo trì rung động 73 3.21 Cụm chi tiết I sau chế tạo, lắp ráp 74 3.22 Tấm gá động cơ, phôi rãnh dẫn hƣớng 75 3.23 Ống gá động 76 3.24 Động đƣợc lắp vào gá sau chế tạo 76 3.25 Đồ gá kẹp phôi 77 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 ... 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 tạo rung động theo... trội phƣơng pháp gia công có rung động trợ giúp nguyên lý tạo rung động, cấu tạo rung động đặt lên phôi khoan đƣợc mô hình, tính toán, thiết kế chế tạo Hai cấu tạo rung đƣợc thiết kế lần lƣợt... 23 1.4 Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công 24 1.4.1 Tạo rung động li tâm khí 24 1.4.3 Tạo rung động truyền dẫn lệch tâm 27 1.4.4 Tạo rung động truyền dẫn khí nén