ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN HOÀNG PHÚC
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG DAO CHỐNG RUNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT KHI TIỆN LỖ SÂU VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DAO CHỐNG RUNG
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Cơng trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG-TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Phạm Huy Hoàng
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Bùi Thanh Luân
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phạm Minh Tuấn
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thể Truyền
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM, ngày 24 tháng 06 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS TS Bùi Trọng Hiếu - Chủ tịch hội đồng
2. TS Bành Quốc Nguyên - Thư ký hội đồng
3. TS Phạm Minh Tuấn - Ủy viên Phản biện 1
4. PGS TS Lê Thể Truyền - Ủy viên Phản biện 2
5. PGS TS Trương Nguyên Luân Vũ - Ủy viên hội đồng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Trang 3i
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ, tên học viên: Nguyễn Hoàng Phúc MSHV: 2170604
Ngày, tháng, năm sinh: 21/12/1994 Nơi sinh: Ba Tri - Bến Tre
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103
TÊN ĐỀ TÀI:
a Tên đề tài tiếng việt:
“Khảo sát ảnh hưởng dao chống rung đến chất lượng bề mặt khi tiện lỗ sâu và phân tích động lực học dao chống rung”
b Tên đề tài tiếng anh:
“Survey the effects of anti-vibration tools on surface quality when deep holes lathe and dynamic analysis of anti-vibration tools”
I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1 Tìm hiểu lý thuyết về rung động, lý thuyết về chế độ cắt trong gia công và các lý thuyết liên quan khác
2 Phân tích sai số hình học về đường kính lỗ và ảnh hưởng của rung động đến chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện lỗ sâu, phân tích độ nhám bề mặt
3 Phân tích cấu tạo và động lực học của dao chống rung
4 Xây dựng các quy trình và thơng số thí nghiệm khi tiện lỗ sâu 5 Phân tích, đánh giá kết quả và nhận xét sau thực nghiệm 6 Đưa ra kết luận về kết quả đã thực hiện trong thực nghiệm
II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 06 tháng 02 năm 2023
III NGÀY HOÀN THÀNH LUẬN VĂN: ngày 12 tháng 06 năm 2023
IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Phạm Huy Hoàng - TS Bùi Thanh Luân
Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO
PGS TS Phạm Huy Hồng TS Bùi Thanh Luân GV TS Hồ Triết Hưng TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự do – Hạnh phúc
Trang 4ii
LỜI CÁM ƠN
Trên con đường học vấn tìm kiếm và học hỏi những kiến thức mới không chỉ là mục tiêu để phát triển nghề nghiệp cho bản thân và trở thành người cơng dân có ích cho xã hội Trong suốt q trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, ngoài sự cố gắng, nghị lực của bản thân, em còn nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ, cũng như sự ủng hộ của gia đình, thầy cơ và bạn bè
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, q thầy cơ và các bạn Đặc
biệt hơn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy PSG TS Phạm Huy Hoàng, người đã hướng dẫn em thực hiện luận văn tốt nghiệp
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Bùi Thanh Luân đã hỗ trợ
máy móc, thiết bị đo trong q trình thực nghiệm tại nhà máy cơ khí Hiệp Phát
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS Nguyễn Trí Dũng đã hỗ trợ em sử dụng và thực hành thiết bị đo rung động trong quá trình thực nghiệm
Với sự chỉ bảo tận tình và đầy tâm huyết của quý thầy cô, em đã được cũng cố lại kiến thức và học hỏi thêm nhiều điều bổ ích Xin kính chúc q thầy cơ ln ln có sức khỏe và sẽ còn tiếp tục truyền đạt kiến thức cho nhiều thế hệ sau hơn nữa
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên thực hiện:
Trang 5iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trong nguyên công tiện lỗ sâu, tỷ lệ chiều dài trên đường kính L/D của dao tiện lỗ sâu có ảnh hưởng quyết định đến sự ổn định của quá trình cắt, nghĩa là giá trị khoảng cách chiều dài làm việc của cán dao là có giới hạn Chiều dài làm việc của cán dao ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của dao Xu hướng rung động của dao tiện lỗ sâu sẽ tăng theo tỷ lệ L/D Rung động khi tiện lỗ có tác động bất lợi đến nhiều khía cạnh khác nhau đến chất lượng sản phẩm như độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt Việc sử dụng dao tiện chống rung khi tiện lỗ sâu sẽ giúp cải thiện năng suất, không cần thay đổi các thông số kỹ thuật mà vẫn đáp ứng được bề mặt sau gia công và nâng cao tuổi thọ dụng cụ cắt Đặc tính của dao tiện chống rung là một chủ đề nghiên cứu tích cực của nhiều nghiên cứu sinh và nhà khoa học hiện nay Qua việc khảo sát dao chống rung góp phần hiểu rỏ hơn về cấu tạo và nguyên lý của dao và từ thực nghiệm tìm ra được phạm vi giới hạn làm việc đối với các chế độ gia công khác nhau của dao chống rung, góp phần làm giảm thiểu thời gian lựa chọn chế độ cắt Việc nghiên cứu các ảnh hưởng và thực nghiệm trên dao chống rung là điều cấp thiết
Do đó, em chọn đề tài: “Khảo sát ảnh hưởng dao chống rung đến chất lượng bề mặt
khi tiện lỗ sâu và phân tích động lực học dao chống rung” làm đề tài luận văn tốt
Trang 6iv
ABSTRACT
Trang 7v
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan dữ liệu và kết quả trong luận văn này là nghiên cứu độc lập của tơi Trong các đoạn được trích dẫn trong luận văn đã được liệt kê và thể hiện trong phần tài liệu tham khảo Đồng thời, dữ liệu có được là từ quá trình thực nghiệm, đây là kết quả nghiên cứu hồn tồn trung thực, khơng sao chép từ bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác Nếu có sai sót, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật của khoa cũng như nhà trường
TP.HCM, Ngày tháng năm 2023
Học viên thực hiện:
Trang 8vi
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN I TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ III ABSTRACT IV LỜI CAM ĐOAN V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH X DANH MỤC BẢNG XIII CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1
1.1 - TỔNG QUAN 1
1.2 - MỤC TIÊU 2
1.3 - GIẢ THIẾT 2
1.4 - PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3
1.5 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3
1.6 - CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 4
1.7 - PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 6
2.1 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIA CÔNG KIM LOẠI 6
2.1.1 - Tổng quan về gia công kim loại 6
2.1.2 - Chế độ cắt khi gia công 7
2.1.3 - Sự hình thành bề mặt trên chi tiết trong quá trình cắt 9
2.1.4 - Các mặt phẳng cơ bản trong q trình gia cơng 9
2.1.5 - Thành phần và cấu tạo chính của dụng cụ cắt 10
2.1.6 - Thông số hình học của dao ở trạng thái tĩnh 12
2.1.7 - Thơng số hình học của dao trong q trình cắt 13
Trang 9vii
2.2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ RUNG ĐỘNG 18
2.2.1 - Lý thuyết về rung động 18
2.2.2 - Nhược điểm của rung động trong gia công 18
2.2.3 - Phân loại rung động 19
2.2.3.1 - Rung động tự do 19
2.2.3.2 - Rung động cưỡng bức trong gia công 19
2.2.3.3 - Cộng hưởng rung động trong gia công 20
2.2.4 - Vai trò của lực cắt đối với rung động 20
2.2.5 - Sự ổn định của máy công cụ đối với rung động 22
2.2.6 - Tỷ lệ L/D 23
2.3 - CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 23
2.4 - PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG 24 2.4.1 - Phương trình chuyển động 24 2.4.2 - Phân tích động lực học tuyến tính 26 2.5 - ĐỘNG LỰC HỌC RUNG ĐỘNG 27 2.5.1 - Hệ một bậc tự do 28 2.5.2 - Hệ nhiều bậc tự do 30 2.5.3 - Hệ liên tục 32
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DAO TIỆN CHỐNG RUNG 34
3.1 - THIẾT KẾ QUY TRÌNH MƠ PHỎNG 34
3.1.1 - Thiết kế quy trình 34
3.1.2 - Tổng quan Matlab 35
3.2 - PHÂN TÍCH CẤU TẠO DAO CHỐNG RUNG 36
3.1.3 - Cấu tạo dao chống rung 36
3.1.4 - Cơ chế giảm rung động của dao 37
3.3 - PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DAO CHỐNG RUNG 39
3.2.1 - Mơ hình tĩnh của dao 39
Trang 10viii
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ QUY TRÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 43
4.1 - QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 43
4.1.1 - Mục tiêu thực nghiệm 43
4.1.2 - Thiết kế quy trình thực nghiệm 43
4.2 - VẬT LIỆU VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 43
4.2.1 - Thông số và vật liệu Phôi 43
4.2.2 - Thông số kỹ thuật dao tiện chống rung 47
4.2.3 - Thông số kỹ thuật dao tiện thường 51
4.2.4 - Thông số máy tiện 52
4.2.5 - Quy trình thực nghiệm tiện lỗ 57
4.3 - XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ GIA CÔNG 58
4.3.1 - Kiểm tra điều kiện ổn định máy 58
4.3.2 - Xác định chế độ gia công thô 59
4.3.3 - Xác định chế độ gia công tinh 59
4.3.4 - Chế độ gá dao trên máy 61
4.4 - XÁC ĐỊNH HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG 61 4.4.1 - Phương pháp đo 61 4.4.2 - Đo kích thước 62 4.4.3 - Đo độ nhám bề mặt 63 4.4.4 - Đo độ rung động 68 4.4.4.1 - Cở sở lý thuyết 68
4.4.4.2 - Thiết kế quy trình đo rung động 69
4.5 - CHI PHÍ VÀ THỜI GIAN THỰC NGHIỆM DỰ KIẾN 70
4.5.1 - Chi phí thực hiện 70
4.5.2 - Tiến độ thực nghiệm 71
4.6 - THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM 72
CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 77
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94
Trang 11ix
PHỤ LỤC A 99
PHỤ LỤC B 102
PHỤ LỤC C 105
Trang 12x
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 - Quy trình thực hiện luận văn 5
Hình 2.1 - Một số ví dụ về các bộ phận điển hình được gia cơng trên máy tiện 7
Hình 2.2 - Mơ hình điển hình trong quá trình tiện 8
Hình 2.3 - Mơ hình lượng chạy dao S trong q trình tiện 8
Hình 2.4 - Các bề mặt dao hình thành trong q trình gia cơng 9
Hình 2.5 - Biểu diễn mặt phẳng cơ bản trong quá trình tiện 10
Hình 2.6 - Các thông số bề mặt của dao tiện 11
Hình 2.7 - Thơng số hình học của dao ở trạng thái tĩnh 12
Hình 2.8 - Sự thay đổi giá trị các góc và khi gá trục dao khơng vng góc với đường tâm phơi 14
Hình 2.9 - Mơ hình biểu diễn dao động trong dao tiện 18
Hình 2.10 - Mơ hình biểu diễn tần số rung động tự do 19
Hình 2.11 - Mơ hình biểu diễn tần số rung động cưỡng bức (f = tần số và A = Biên độ) 19
Hình 2.12 - Mơ hình biểu diễn tần số rung động cộng hưởng 20
Hình 2.13 - Lực cắt của dao gây rung khi gia cơng kim loại 20
Hình 2.14 - Trường hợp lực cắt động có thể ảnh hưởng đến rung động cộng hưởng 21
Hình 2.15 - Sự bất thường trong cấu trúc vật liệu gây ra rung động 22
Hình 2.16 - Các thơng số ổn định (Tlusty và Tobias) máy cơng cụ 22
Hình 3.1 - Quy trình thực hiện mơ phỏng 34
Hình 3.2 - Giao diện công cụ phần mềm Matlab 35
Hình 3.3 - Thành phần cấu tạo tổng thể dao chống rung 36
Hình 3.4 - Thành phần cấu tạo bên trong thân dao chống rung 36
Hình 3.5 - Thành phần cấu tạo đầu dao chống rung 37
Hình 3.6 - Mơ hình vật lý dao thường và dao chống rung 38
Hình 3.7 - Mơ hình động lực học của dao thường và dao chống rung 38
Hình 3.8 - Kết quả phân tích mơ hình trên Matlab 39
Trang 13xi
Hình 3.10 - Mơ hình động học của dao chống rung 40
Hình 3.11 - Mơ hình vật lý dao thường và dao chống rung 41
Hình 3.12 - Kết quả phân tích mơ hình tốn trên matlab, Phụ lục C 42
Hình 4.1 - Thiết kế quy trình thực nghiệm 43
Hình 4.2 - Thông số của Phôi thực nghiệm 44
Hình 4.3 - Mẫu Phơi thực tế 44
Hình 4.4 - Mơ hình ký hiệu xác định kích thước lỗ hai đầu phơi 47
Hình 4.5 - Mơ hình và thơng số cán dao chống rung theo nhà sản xuất Sandvik Coromant 47
Hình 4.6 - Mơ hình và thơng số đầu cắt theo nhà sản xuất Sandvik Coromant 48
Hình 4.7 - Mơ hình và thơng số đầu cắt theo nhà sản xuất Sandvik Coromant 50
Hình 4.8 - Mơ hình cán dao thường theo nhà sản xuất Sandvik Coromant 51
Hình 4.1 - Thơng số cán dao thường theo nhà sản xuất Sandvik Coromant 51
Hình 4.2 - Máy tiện OKUMA - LR10 54
Hình 4.3 - Tháp gá dao 55
Hình 4.4 - Màn hình điều khiển 55
Hình 4.5 - Mơ hình trục X và Ys trên máy tiện LR10 55
Hình 4.6 - Mơ hình trục 3D của tháp dao Terret 55
Hình 4.7 - Mơ hình trục chính máy tiện được tích hợp với motor dẫn động (built in motor) 56
Hình 4.8 - Quy trình thực nghiệm tiện lỗ trên máy CNC 57
Hình 4.9 - Thiết lập sơ đồ thực nghiệm 57
Hình 4.10 - Máy tiện OKUMA-LR10 58
Hình 4.11 - Xác định chế độ chiều sâu cắt trên phôi 59
Hình 4.12 - Xác định chế độ gá dao 61
Hình 4.13 - Thước kẹp điện tử Mitutoyo 62
Hình 4.14 - Panme đo đường kính ngồi 63
Hình 4.15 - Đồng hồ đo lỗ 63
Hình 4.16 - Kiểm tra mẫu bằng phương pháp so sánh mẫu Accretech 63
Trang 14xii
Hình 4.18 - Biều đồ mấp mơ giá trị đo trong khoảng chiều dài chuẩn 65
Hình 4.19 - Biều đồ mấp mô giá trị đo theo Rmax 66
Hình 4.20 - Bộ dụng cụ đo rung động 68
Hình 4.21 - Thiết lập mơ hình thực nghiệm đo độ rung 69
Hình 4.22 - Đầu đo độ rung 69
Hình 4.23 - Mơ hình hấp thu lực trên ụ gá dao 70
Hình 4.24 - Thiết lập thí nghiệm 72
Hình 4.25 - Đầu đo độ rung được gá lên ổ dao tiện thường và chống rung 72
Hình 4.26 - Kẹp phôi bằng cờ lê hiển thị giá trị lực kẹp 73
Hình 4.27 - Gá phơi trên mâm cặp máy tiện CNC 74
Hình 4.28 - Kiểm tra đồng trục của phơi 74
Hình 4.29 - Gá dao trên tháp dao máy tiện CNC 74
Hình 4.30 - Kiểm tra lực kẹp dao và phơi 75
Hình 4.31 - Viết chương trình code cho máy CNC 75
Hình 4.32 - Lắp thiết bị đo cảm biến rung động 75
Hình 5.1 - Biểu đồ phân bố xác suất đường kính lỗ - Thơ 79
Hình 5.2 - Biểu đồ phân bố xác suất đường kính lỗ - Tinh 81
Hình 5.3 - Kiểm định phân bố chuẩn của dữ liệu đường kính lỗ 82
Hình 5.4 - Biểu đồ phân bố kích thước của dữ liệu đường kính lỗ 83
Hình 5.5 - Biểu đồ phân tích capacity của dữ liệu kích thước lỗ gia cơng - Thơ 83
Hình 5.6 - Kiểm định phân bố chuẩn của dữ liệu đường kính lỗ 84
Hình 5.7 - Biểu đồ phân bố kích thước của dữ liệu đường kính lỗ 85
Hình 5.8 - Biểu đồ phân tích capacity của dữ liệu kích thước lỗ gia cơng tinh 85
Hình 5.9 - Chế độ gá phơi trên mâm cặp máy tiện CNC 86
Hình 5.10 - Chế độ gá dao trên tháp dao máy tiện CNC 87
Hình 5.11 - Tần số rung động của dao thường gia cơng – THƠ 87
Trang 15xiii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 - Một số mơ hình hàm giảm rung động: 32
Bảng 4.1 - Thành phần hóa học: 45
Bảng 4.2 - Tính chất cơ tính mác thép C45: 46
Bảng 4.3 - Độ cứng thép C45: 46
Bảng 4.4 - Bảng hướng dẫn xác định kích thước lỗ của Phơi trước khi gia công: 47 Bảng 4.5 - Thông số kỹ thuật cán dao chống rung: 48
Bảng 4.6 - Thông số kỹ thuật đầu cắt: 49
Bảng 4.7 - Thông số gia công của mảnh dao T: 50
Bảng 4.8 - Thông số kỹ thuật mảnh dao T: 50
Bảng 4.9 - Thông số kỹ thuật cán dao thường: 52
Bảng 4.10 - Thông số chế độ gia công tinh dao thường – Normal: 60
Bảng 4.11 - Thông số chế độ gia công tinh dao chống rung – Anti: 60
Bảng 4.12 - Thông số kỹ thuật của máy đo độ nhám Surfcom: 66
Bảng 4.13 - Theo TCVN 2511: 1995 quy định 14 cấp độ nhám dựa theo các trị số Ra và Rz, được thể hiện cụ thể trong bảng sau: 67
Bảng 4.14 - Bảng dự tốn chi phí thực nghiệm: 71
Bảng 4.15 - Chi tiết cho các bước: 74
Bảng 4.16 - Phôi trước gia công và sau gia công: 76
Bảng 5.1 - Kết quả thống kê trong bảng sau: 79
Bảng 5.2 - Kết quả thống kê được cho trong bảng sau: 81
Bảng 5.3 - So sánh capacity sai số kích thước lỗ gia cơng trên dao thường và dao chống rung gia công tinh: 86
Bảng 5.4 - Thông số độ rung theo chế độ gia công t = 0.4 – TINH: 87
Bảng 5.5 - Thông số độ rung theo chế độ gia công t = 0.2 – TINH: 88
Bảng 5.6 - Thông số đo độ nhám theo chế độ gia cơng – THƠ: 89
Bảng 5.7 - Thông số đo độ nhám theo chế độ gia công t = 0.4 – TINH: 90
Bảng 5.8 - Thông số độ nhám theo chế độ gia công t = 0.2 – TINH: 92
Trang 161
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 - Tổng quan
Tiện là một trong những quá trình gia cơng được sử dụng phổ biến Năng suất của quá trình tiện chủ yếu bị giới hạn bởi rung động của máy gây ra bởi sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, động lực học của quá trình cắt [1] Rung động xảy ra trong quá trình gia cơng chịu tác động của các thơng số lượng chạy dao và chiều sâu cắt, dẫn đến sự phân bố độ dày không đều dọc theo lưỡi cắt Trong một quy trình khơng ổn định, biên độ dao động có thể tăng theo cấp số nhân cho đến khi chúng trở nên lớn bằng độ dày phoi [2] Rung động không ổn định sẽ tạo ra lực cắt lớn, có thể làm hỏng máy và gây mịn dao, gãy dao, độ hồn thiện bề mặt khơng đạt u cầu và sai số kích thước lớn [3]-[7] Độ nhám bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế cơ khí, vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất của các bộ phận cơ khí như khả năng sinh nhiệt, khả năng chống mài mòn và ăn mòn, tuổi thọ và độ bền mỏi [8] Trong quá trình tiện, một số yếu tố như dụng cụ cắt và vật liệu phôi, tốc độ cắt, tốc độ trục chính, chiều sâu cắt, dung dịch làm mát, cấu tạo dao cắt, bán kính mũi dao và góc cạnh của dao cũng ảnh hưởng đến độ rung và độ hoàn thiện bề mặt chi tiết Do đó, cần phải cung cấp một mối quan hệ giữa rung động của dụng cụ và các điều kiện cắt, các thơng số hình học của dao và các đặc tính của vật liệu gia công và vật liệu làm dao, điều này là rất khó do tính phức tạp của quy trình gia công chẳng hạn như nhiệt độ, biến dạng và tốc độ biến dạng cao và thiếu dữ liệu phù hợp [9] Ngồi ra, điều kiện cắt tối ưu có thể giảm chi phí, thời gian sản xuất và nâng cao độ hoàn thiện bề mặt [10]
Trong những năm gần đây, việc thiết kế và phân tích động học của dao chống rung, nhằm mục đích giảm rung động và giảm thiểu độ nhám bề mặt trong quá trình gia cơng đã trở thành một trong những chủ đề chính được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu đưa ra các mơ hình để dự đoán rung động về mối liên hệ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công
Trang 172 trung ở q trình tiện mặt ngồi Tuy nhiên việc nghiên cứu ảnh hưởng của cán dao giảm chấn (một công nghệ mới trong gia công cắt gọt) đến độ bóng bề mặt chi tiết trong quy trình tiện lỗ thì có rất ít cơng trình nghiên cứu, do cơng nghệ này cịn mới và chưa được phổ biến ở Việt Nam Việc khảo sát là rất cần thiết vì u cầu về độ bóng bề mặt của chi tiết tiện lỗ có tính đặc thù, địi hỏi khắc khe về quy trình và cơng
nghệ gia công Xuất phát từ nhu cầu, em chọn đề tài nghiên cứu: “Khảo sát ảnh hưởng
dao chống rung đến chất lượng bề mặt khi tiện lỗ sâu và phân tích động lực học dao chống rung”
1.2 - Mục tiêu
▪ Phân tích động lực học dao chống rung (tiện lỗ)
▪ Khảo sát sự ảnh hưởng của dao tiện chống rung khi tiện lỗ ▪ Khảo sát sự ảnh hưởng của dao tiện thường khi tiện lỗ ▪ Xác định độ bóng bề mặt trước và sau gia công
▪ Xác định thơng số kích thước trước và sau gia cơng
▪ Tiến hành thí nghiệm đối với dao chống rung và dao thường để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và so sánh với cán dao thường trong cùng điều kiện gia công, cùng vật liệu, cũng như các thông số kỹ thuật
1.3 - Giả thiết
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến rung động như máy, phôi, dao, chế độ cắt, môi trường, nhiệt độ, dung dịch làm mát…Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của dao chống rung và dao thường trong nguyên công tiện lỗ Do đó, giả thiết của mơ hình:
▪ Rung động trên hai dao là như nhau, gia công trên cùng một máy ▪ Vật liệu phôi là đồng nhất
▪ Tính chất cơ lý của phơi thay đổi không đáng kể ▪ Dung dịch làm mát không ảnh hưởng đến rung động ▪ Ảnh hưởng của nhiệt độ là rất nhỏ, không đáng kể
Trang 183
1.4 - Phạm vi và giới hạn đề tài
Hệ thống lý thuyết về gia công kim loại và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công:
▪ Lý thuyết về rung động trong gia công ▪ Lập quy trình thí nghiệm tiện lỗ
▪ Thực hiện thí nghiệm ▪ Thu thập số liệu
▪ Xử lý số liệu và đánh giá kết quả
Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như trang thiết bị nên phạm vi tìm hiểu chỉ tập trung vào:
▪ Phân tích động lực học dao tiện chống rung
▪ Thí nghiệm tiến hành trên hai loại cán dao khác nhau: dao cán thường và dao cán có tích hợp giảm chấn của hãng Sandvik
▪ Gia công trên cùng một loại máy tiện CNC OKUMA-LR10 ▪ Gia công cùng một loại vật liệu thép C45
▪ Đánh giá thông số độ nhám và sai số kích thước đường kính lỗ ▪ Chỉ đo độ nhám và rung động với các mẫu đại diện
1.5 - Phương pháp nghiên cứu
Trong khuôn khổ nội dung nghiên cứu, sử dụng các phương pháp tiếp cận bao gồm:
Trang 194 ▪ Thu thập thông tin, lưu trữ thông tin và xử lý số liệu: từ các tài liệu, các nghiên cứu chuyên ngành được thu thập Dữ liệu sơ cấp được thu thập từ các hệ thống cơ sở dữ liệu riêng lẻ dạng file, các bản đồ, sơ đồ, bảng biểu, báo cáo khoa học
▪ Phương pháp liệt kê các vấn đề (Checklist): Lập bảng liệt kê mô tả các vấn đề trong quá trình thực nghiệm và dữ liệu về số liệu có được từ thực nghiệm ▪ Phương pháp tổng hợp, phân tích: trên cơ sở các thơng tin đã thu thập, tiến
hành tổng hợp, phân tích đánh giá, ứng dụng các công cụ hỗ trợ để tiến hành phân tích, truy xuất kết quả
▪ Phương pháp chuyên gia: do đặc thù của dữ liệu chuyên môn về khoa học kỹ thuật, q trình áp dụng các cơng nghệ và tiêu chuẩn có thể cần phải sửa đổi cho phù hợp với điều kiện thực nghiệm Phương pháp chuyên gia là một phương pháp quan trọng và hiệu quả do huy động được kinh nghiệm và hiểu biết liên ngành về lĩnh vực nghiên cứu từ nhiều chuyên gia trong và ngoài nước khác nhau, từ đó sẽ cho các kết quả có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, kế thừa các thành quả nghiên cứu đã đạt được và hạn chế những trùng lặp với các nghiên cứu đã có Phương pháp này được thực hiện thông qua các tham vấn ý kiến của các chuyên gia trong cùng lĩnh vực
1.6 - Cấu trúc của luận văn
Bố cục, ngoài các phần: Lời cám ơn, Tóm tắt đề cương, Kết luận, Danh mục tài liệu tham khảo và Phụ lục; đề cương luận văn gồm có 6 chương:
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu liên quan Chương 3: Phân tích động lực học dao tiện chống rung Chương 4: Thiết kế quy trình và thực nghiệm
Trang 205
1.7 - Phương pháp thực hiện
v
Hình 1.1 - Quy trình thực hiện luận văn
Vấn đề Nhận diện được vấn đề đang tìm hiểu Thơng tin Tổng quan về nội dung tìm hiểu Các trường hợp nghiên cứu liên quan
Đo lường thực tế
Kế hoạch và hành động
Tìm hiểu phương pháp thực hiện
Thiết lập thực nghiệm Xây dựng mơ hình
Quy trình thực hiện
Phân tích Thu thập Kiểm chứng
Kết luận
Trang 216
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2.1 - Cơ sở lý thuyết gia công kim loại
2.1.1 - Tổng quan về gia công kim loại
Gia cơng kim loại là q trình cơng nghệ tạo nên những sản phẩm cơ khí có hình dáng kích thước và độ bóng bề mặt theo u cầu kỹ thuật từ một phôi liệu ban đầu, nhờ quá trình cắt bỏ lớp kim loại dưới dạng phoi
Một trong những hoạt động loại bỏ kim loại cơ bản nhất được sử dụng trong ngành sản xuất là quá trình tiện, được thực hiện bằng dao tiện dài và mảnh để nó có thể vừa khít hoặc xun qua hình dạng phơi phức tạp Q trình gia cơng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ cứng của máy, độ ổn định, độ cứng của dao, khả năng giảm rung động tốt và độ cứng của các bộ phận cấu thành [1] Độ nhám bề mặt là một trong những khía cạnh quan trọng trong thiết kế cơ khí, vì nó chi phối các u cầu của nhiều bộ phận cơ khí như khả năng chống mài mịn và ăn mòn, độ bền mỏi, tuổi thọ sản phẩm và khả năng sinh nhiệt [2] Rung động xảy ra trong q trình tiện tạo ra lực cắt lớn, có thể làm hỏng máy, làm hỏng dụng cụ cắt và phôi, gây mịn dụng cụ, gãy dụng cụ, bề mặt hồn thiện không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ra và sai số về kích thước [2,3] Do đó, việc giảm rung động trong quá trình tiện là rất quan trọng Bên cạnh đó, hoạt động tiện chứa nhiều thơng số như vật liệu phôi và dụng cụ cắt, tốc độ cắt, tốc độ trục chính, chiều sâu cắt, dung dịch làm mát, cấu tạo dụng cụ, phần nhô ra của dụng cụ, bán kính và góc cạnh của dụng cụ [4,5,6] Do đó, trong một quy trình tiện sẽ chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, vì vậy khó đạt được chất lượng bề mặt theo yêu cầu [6,7] Trong đó, các rung động lớn xảy ra trong quá trình tiện do chuyển động động giữa chi tiết gia công và dụng cụ cắt gây ra ảnh hưởng lớn đến khả năng hồn thiện bề mặt gia cơng [7,8,9]
Trang 227 Hình 2.1 - Một số ví dụ về các bộ phận điển hình được gia cơng trên máy tiện
2.1.2 - Chế độ cắt khi gia công
a) Vận tốc cắt (Vc):
Vận tốc cắt (Vc) là lượng dịch chuyển tương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian (hoặc lượng dịch chuyển tương đối của một điểm trên bề mặt chi tiết gia công và dụng cụ cắt trong một đơn vị thời gian) ta có:
𝑉𝐶
⃗⃗⃗⃗ = 𝑉⃗ + 𝑆 (2.1)
Đa số các trường hợp trị số của vận tốc chuyển động chạy dao S rất nhỏ nên có thể coi vận tốc cắt là vận tốc chuyển động chính V ~ V Ví dụ khi tiện ngồi chi tiết đường kính D (mm) số vịng quay trục chính n (vịng/phút) thì trị số của tốc độ cắt có thể tính theo cơng thức: 𝑉 =𝜋 𝐷 𝑛1000 (𝑚𝑝ℎú𝑡) (2.2) b) Chiều sâu cắt (t):
Trang 238 với phương chạy dao) Ví dụ: Khi tiện thì chiều sâu cắt được tính: t = (D-d)/2 (khi tiện ngồi) mm (khi tiện trong) mm t = (d-D)/2
c) Lượng chạy dao (S):
Lượng chạy dao (S) là quãng đường tương đối của dụng cụ cắt so với chi tiết theo phương chuyển động chạy dao sau một đơn vị thời gian, sau một vịng quay của phơi hay sau một hành tình kép
Hình 2.2 - Mơ hình điển hình trong quá trình tiện
Khi tiện, lượng chạy dao S là lượng dịch chuyển của dao theo phương chạy dao dọc theo bề mặt gia công sao một vịng quay của phơi (mm/vịng)
Tập hợp các yếu cấu vận tốc cắt V, chiều sâu cắt t và lượng chạy dao S được
gọi là chế độ cắt Một chế độ cắt được xác lập dựa trên hệ thống công nghệ bao gồm: máy – dao – đồ gá và chi tiết gia công
Trang 249
2.1.3 - Sự hình thành bề mặt trên chi tiết trong quá trình cắt
Bất kỳ phương pháp gia cơng nào, q trình tách dần lớp lượng dư gia cơng cơ (q trình cắt) đều hình thành trên chi tiết ba bề mặt có đặc điểm khác nhau Xét tại một thời điểm nào đó trong q trình gia cơng (khi tiện), ba bề mặt trên được phân biệt như sau:
▪ Mặt sẽ gia công: là bề mặt của phôi mà dao sẽ cắt đến theo qui luật chuyển động Tính chất của bề mặt này là tính chất bề mặt phôi
▪ Mặt đã gia công: là bề mặt trên chi tiết mà dao đã cắt qua Tính chất của bề mặt này là phản ánh những kết quả của các hiện tượng cơ lý trong quá trình cắt
▪ Mặt đang gia công: là bề mặt trên chi tiết mà lưỡi dao đang trực tiếp thực hiện tách phoi Cũng là mặt nối tiếp giữa mặt đã gia công và mặt sẽ gia công Trên bề mặt này đang diễn ra các hiện tượng phức tạp
▪ Vùng cắt: Là phần kim loại của chi tiết vừa được tách ra ở gần mũi dao và lưỡi cắt nhưng chưa thoát ra ngoài Đây là vùng đang xảy ra các quá trình cơ lý phức tạp
Hình 2.4 - Các bề mặt dao hình thành trong q trình gia cơng
2.1.4 - Các mặt phẳng cơ bản trong q trình gia cơng
Trang 2510 Hình 2.5 - Biểu diễn mặt phẳng cơ bản trong quá trình tiện Hệ toạ độ được xác định trên cơ sở của ba phương chuyển động cắt (𝑆 , 𝑡 , 𝑉⃗ ):
▪ Mặt phẳng cơ bản 1: Được tạo bởi vectơ tốc độ 𝑉⃗ và vectơ chạy dao 𝑆 ▪ Mặt phẳng cơ bản 2: Được tạo bởi vectơ tốc độ 𝑉⃗ và vectơ chiều sâu cắt
𝑡
▪ Mặt phẳng cơ bản 3:(còn gọi là mặt đáy) được tạo bởi vectơ chạy dao 𝑆 và vectơ chiều sâu cắt 𝑡 Là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và vng góc với vectơ vận tốc cắt tại điểm đó Đối với dao có tiết diện là hình lăng trụ thì mặt đáy song song với mặt tỳ của thân dao trên ổ gá dao
▪ Mặt phẳng cắt là mặt phẳng đi qua một điểm của lưỡi cắt chính và tiếp xúc với mặt đang gia công Mặt cắt chứa vectơ vận tốc cắt 𝑉⃗ Hay mặt phẳng chứa lưỡi cắt chính và vectơ vận tốc cắt mà nó vng góc với mặt đáy (gọi là mặt phẳng gia cơng)
2.1.5 - Thành phần và cấu tạo chính của dụng cụ cắt
Trang 2611 ▪ Thân dao: dùng để gá vào bàn dao, nó phải đủ độ bền và độ cứng vững
Nhằm đảm bảo vị trí tương quan giữa dao và chi tiết
▪ Đầu dao: là phần làm nhiệm vụ cắt gọt Đầu dao được hợp thành bởi các bề mặt sau:
+ Mặt trước (1): là bề mặt của dao tiếp xúc với phoi và phoi trực tiếp
trượt - trên trên đó và thốt ra ngồi
+ Mặt sau chính (2): là bề mặt của dao đối diện với mặt đang gia công + Mặt sau chính (3): là bề mặt của dao đối diện với mặt đã gia cơng
▪ Lưỡi cắt chính: là giao tuyến của mặt trước và mặt sau chính, nó trực tiếp cắt vào kim loại Độ dài lưỡi cắt chính có liên quan đến chiều sâu cắt và bề rộng của phoi
▪ Lưỡi cắt phụ: là giao tuyến của mặt trước và mặt sau phụ, một phần lưỡi cắt phụ gần mũi dao cũng tham gia cắt với lưỡi cắt chính
▪ Lưỡi cắt nối tiếp: (chỉ có một số loại dao tiện) là phần nối tiếp giữa lưỡi cắt chính và lưỡi cắt phụ Khi khơng có lưỡi cắt nối tiếp dao tiện sẽ có mũi Mũi dao có thể nhọn hoặc lượng trịn (bán kính mũi dao R =1-2mm) Các lưỡi cắt có thể thẳng hoặc cong và một đầu dao nên có thể có một hoặc hai lưỡi cắt phụ Một dao có thể có nhiều đầu dao nên có rất nhiều lưỡi cắt
Trang 2712
2.1.6 - Thơng số hình học của dao ở trạng thái tĩnh
Để đảm bảo năng suất - chất lượng bề mặt gia công, dao cắt cần phải có hình dáng và góc độ hợp lý Thơng số hình học của dao được xét ở trạng thái tĩnh (khi dao chưa làm việc) Góc độ của dao được xét trên cơ sở: dao tiện đầu thẳng đặt vuông góc với phương chạy dao, mũi dao được gá ngang tâm phơi Các thơng số hình học của dao nhằm xác định vị trí các góc độ của dao nằm trên đầu dao Những thông số này được xác định ở tiết diện chính N – N, ở mặt đáy, ở tiết diện phụ Nı – Ni và trên mặt phẳng cắt gọt
Hình 2.7 - Thơng số hình học của dao ở trạng thái tĩnh ▪ Góc trước γ: là góc tạo thành giữa mặt trước và mặt đáy đo trong tiết diện
Trang 2813 ▪ Góc sau chính α: là góc tạo thành giữa mặt sau và mặt phẳng cắt gọt đo trong tiết diện chính Góc sau thường có giá trị dương Góc sau càng lớn mặt sau ít bị ma sát vào bề mặt gia công nên chất lượng bề mặt gia công càng tốt
▪ Góc cắt δ: là góc tạo bởi giữa mặt trước và mặt cắt đo trong tiết diện chính ▪ Góc sắc β: là góc được tạo bởi mặt trước và mặt sau chính đo trong tiết diện
chính ta có quan hệ:
α + β + γ = 90°; δ = α + β
▪ Góc trước phụ γ1: tương tự như góc trước, nhưng đo trong tiết diện phụ N – N
▪ Góc sau phụ α1: tương tự như góc sau, nhưng đo trong tiết diện phụ N-N ▪ Góc mũi dao ε: là góc hợp bởi hình chiếu lưỡi cắt chính và hình chiếu của lưỡi
cắt phụ trên mặt phẳng đáy
▪ Góc nghiêng chính φ: là góc của hình chiếu lưỡi cắt chính với phương chạy dao đo trong mặt đáy
▪ Góc nghiêng phụ φ1: là góc của hình chiếu lưỡi cắt phụ với phương chạy dao đo trong mặt đáy Ta có:
φ + ε + φ1=180°
▪ Góc nâng của lưỡi cắt chính λ: là góc tạo bởi lưỡi cắt chính và hình chiếu của nó trên mặt đáy
+ λ > 0: Có giá trị dương, khi mũi dao là điểm thấp nhất của lưỡi cắt + λ < 0: Có giá trị âm, khi mũi dao là điểm cao nhất của lưỡi cắt
+ λ = 0: Khi lưỡi cắt nằm ngang (song song với mặt đáy) Các định nghĩa trên
cũng đúng cho các loại dao khác
2.1.7 - Thơng số hình học của dao trong quá trình cắt
a) Sự thay đổi giá trị các góc φ và φ1 khi gá trục dao khơng vng góc với đường tâm phơi:
Dụng cụ sau khi mài sắc có góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ Sau khi gá dao, trục dao khơng vng góc với đường tâm phơi thì:
Trang 2914 + Góc nghiêng chính khi làm việc: φc = φ + (900 - τ)
+ Góc nghiêng phụ khi làm việc: φ1c = φ1 + (900 - τ) ▪ Nếu gá dao nghiêng về bên phải:
+ Góc nghiêng chính khi làm việc: φc = φ + (900 - τ) + Góc nghiêng phụ khi làm việc: φ1c = φ1 - (900 - τ)
Hình 2.8 - Sự thay đổi giá trị các góc và khi gá trục dao khơng vng góc với đường tâm phơi
b) Sự thay đổi giá trị các góc khi mũi dao gá không ngang tâm máy:
Trang 3015 ▪ Gá cao hơn tâm (tiện trong):
Trang 3116 Khi tiện ngoài, nếu mũi dao gá cao hơn đường tâm của máy thì góc trước của
dụng cụ khi làm việc γtt sẽ tăng lên, góc sau αtt sẽ giảm đi;
Khi gá dao thấp hơn đường tâm của máy thì góc trước khi làm việc γtt sẽ gảm
đi, cịn góc sau khi làm việc αtt sẽ tăng lên
Khi tiện trong kết quả sẽ ngược lại Ở cả hai trường hợp trên, giá trị của các góc
sẽ thay đổi một giá trị bằng góc μ Góc đó được tính theo cơng thức:
μ = arcsin(H/R) 2.1
Trong đó:
▪ H: là độ cao (thấp) của mũi dao so với tâm máy
▪ R: là bán kính của bề mặt được gia cơng (hay bán kính chi tiết)
a) Sự thay đổi giá trị của dao khi có thêm các chuyển động phụ:
Chuyển động chạy dao ngang và chuyển động chạy dao dọc:
▪ Chuyển động chạy dao ngang khi xén mặt đầu, cắt đứt…khi có chuyển động chạy dao ngang thì quỹ đạo của chuyển động cắt là đường acsimet ▪ Do đó lượng chạy dao ngang với hướng của vector tốc độ cắt tổng hợp
luôn thay đổi, làm thay đổi góc của dụng cụ cắt, ta có: γyc = γy + μ1
αyc = αy - μ1
2.3
Góc μ1 được tính theo biểu thức sau: 𝑡𝑔μ1 = 𝑉𝑆
𝑉0 =𝑆𝑛𝜋𝐷
Trang 3217
2.1.8 - Các thông số của lớp vật liệu bị cắt
▪ Chiều dày cắt a: là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của lưỡi cắt sau một vịng quay của phơi hay một hành trình kép của dao (bàn máy) đo theo phương thẳng góc với chiều rộng cắt
▪ Chiều rộng cắt b: là khoảng cách giữa hai bề mặt chưa gia công và bề mặt đã gia cơng đo dọc theo lưỡi cắt (tính bằng mm)
Nếu lưỡi cắt thẳng thì b là chiều dài phần lưới đang tham gia cắt, còn nếu lưỡi cắt cong chiều rộng cắt b là chiều dài cung cong của lưỡi cắt đang tham gia cắt Thông
số hình học của phoi có ảnh hưởng đến lực cắt và nhiệt cắt Khi tăng a thì lực cắt và nhiệt cắt tăng, dao bị mòn nhanh còn khi tăng b thì lực cắt và nhiệt cắt trên đơn vị dài
của lưỡi cắt không thay đổi Trường hợp tiện (dao gá ngang tâm phải, thì γ = 0, λ = 0)
𝑏 = 𝑡𝑠𝑖𝑛𝜑
Trang 3318
2.2 - Cơ sở lý thuyết về rung động 2.2.1 - Lý thuyết về rung động
Rung động là một hiện tượng cơ học trong đó các dao động xảy ra xung quanh một điểm cân bằng [10] Những dao động này có thể là tuần hoàn giống như dao động của con lắc hoặc ngẫu nhiên giống như chuyển động của lốp xe trên đường rải sỏi
Trong một số tình huống rung động là cần thiết Ví dụ, một chiếc điện thoại di động hoạt động chính xác vì âm thanh là sự rung động của khơng khí Tuy nhiên, trong trường hợp, rung động sẽ gây lãng phí năng lượng tạo ra biến dạng và tiếng ồn khơng mong muốn Ví dụ, hầu hết các chuyển động rung của động cơ nổ, động cơ điện và các thiết bị cơ khí khác là không mong muốn Các bộ phận quay không cân bằng, ma sát không đều, sự ăn khớp của các bánh răng và các vấn đề khác có thể gây ra rung động làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị
Hình 2.9 - Mơ hình biểu diễn dao động trong dao tiện
Máy công cụ, phôi và dụng cụ khơng ổn định và cân bằng thì lực cắt có thể làm cho chúng bị rung động Các đặc tính rung động của máy, phơi và dụng cụ cắt làm hạn chế hiệu suất cắt Độ cứng thấp, cũng như giảm rung khơng đủ, có thể dẫn đến các vấn đề về rung động tự kích thích hoặc va đập, hiện tượng điển hình này là tiếng kêu và có thể dự đốn được, cho phép cải thiện hiệu suất cắt [11,12]
2.2.2 - Nhược điểm của rung động trong gia công
Rung động trong q trình gia cơng có nhiều hạn chế, trong đó quan trọng nhất bao gồm:
Trang 3419 ▪ Lớp hoàn thiện bề mặt xuống cấp và phôi gia công bị loại bỏ hoặc gia công lại tăng lên Do đó, rung động gây nguy hiểm cho hệ thống gia cơng và có thể dẫn đến các vấn đề về thời gian hoàn thành sản phẩm
▪ Rung động có tác động trực tiếp đến dụng cụ và phôi, làm giảm năng suất gia công
▪ Rung động cũng sẽ gây ra tốn kém về mặt chi phí và thời gian
▪ Do rung động cần năng lượng nên nó cũng gây lãng phí năng lượng và thách thức mơi trường làm việc của người vận hành gia công
2.2.3 - Phân loại rung động
2.2.3.1 - Rung động tự do
Hình 2.10 - Mơ hình biểu diễn tần số rung động tự do
Rung động tự do xảy ra khi một đầu vào ban đầu kích hoạt rung động trong một hệ thống cơ khí, sau đó hệ thống này sẽ rung động tự do Điều này có thể so sánh với điều xảy ra khi kéo xích đu của một đứa trẻ ra sau rồi thả nó ra Sau đó, hệ thống cơ học sẽ dao động ở một hoặc nhiều "tần số tự nhiên" của nó và sau đó giảm dần về khơng [11,12,13]
2.2.3.2 - Rung động cưỡng bức trong gia công
Rung động cưỡng bức xảy ra khi một nhiễu loạn thay đổi theo thời gian (tải, chuyển vị hoặc vận tốc) áp dụng cho một hệ thống cơ học Sự xáo trộn có thể là định kỳ, đầu vào trạng thái ổn định hoặc đầu vào ngẫu nhiên [12,13] Ví dụ, trường hợp của máy giặt bị mất cân bằng rung lắc hoặc tòa nhà rung chuyển khi động đất, đây là những ví dụ về rung động cưỡng bức
Trang 3520 Đáp ứng tần số của hệ thống thể hiện một trong những tính năng quan trọng nhất của rung động cưỡng bức Trong một hiện tượng gọi là cộng hưởng, biên độ của dao động có thể trở nên cực kỳ cao khi tần số cưỡng bức gần bằng tần số tự nhiên của một hệ thống giảm chấn nhẹ Tần số tự nhiên của một hệ thống được gọi là tần số cộng hưởng [14,15] Ví dụ trong trường hợp bạn đẩy một đứa trẻ trên xích đu, bạn phải đẩy vào đúng thời điểm làm cho xích đu ngày càng cao hơn và chuyển động lớn không cần tác dụng một lực lớn Các lần đẩy chỉ cần tiếp tục bổ sung năng lượng vào hệ thống Trong các hệ thống ổ trục roto, bất kỳ tốc độ quay nào kích thích tần số cộng hưởng được gọi là tốc độ tới hạn
2.2.3.3 - Cộng hưởng rung động trong gia công
Cộng hưởng trong một hệ thống cơ khí có thể dẫn đến lỗi hệ thống Do đó, phân tích rung động phải dự đốn khi nào loại cộng hưởng này có thể xảy ra và xác định các bước phòng ngừa Giảm rung động bổ sung có thể làm giảm đáng kể cường độ rung động, cũng như có thể thay đổi độ cứng hoặc khối lượng của hệ thống để chuyển tần số tự nhiên ra khỏi tần số cưỡng bức [15] Nếu hệ thống khơng thể thay đổi, tần số cưỡng bức có thể thay đổi (ví dụ, bằng cách thay đổi tốc độ của máy tạo ra lực)
Hình 2.12 - Mơ hình biểu diễn tần số rung động cộng hưởng
2.2.4 - Vai trò của lực cắt đối với rung động
Các lực tác dụng trong quá trình gia công cũng tác dụng lên dụng cụ cắt Các lực này làm biến dạng, uốn cong dụng cụ cắt và có thể dẫn đến rung động
Trang 3621 Bản chất động của lực cắt có thể dẫn đến rung động cộng hưởng Nguy cơ của tình huống xảy ra tăng lên với dụng cụ cắt hoặc phơi gia cơng có hình dạng mảnh, lực cắt quá cao, vật liệu của dụng cụ hoặc phôi gia công thiếu khả năng giảm chấn, phương pháp cắt không chính xác hoặc hình dạng dụng cụ khơng phù hợp…
Hình 2.14 thể hiện giá đỡ dụng cụ bằng thép (đường kính 100 mm và chiều dài phần nhơ ra 500 mm)
Hình 2.14 - Trường hợp lực cắt động có thể ảnh hưởng đến rung động cộng hưởng
Với lực cắt tĩnh 500 N, dụng cụ này sẽ lệch đi 25 µm Nếu lực cắt thay đổi theo dạng hình sin ở 142 Hz, thì độ lệch thay đổi sẽ xảy ra, với biên độ lớn hơn 20 lần so với độ lệch tĩnh Điều này sẽ dẫn đến rung động cộng hưởng [12,13]
Rung động cộng hưởng có thể xảy ra khi tần số mà lực cắt tác động lên lưỡi cắt bằng với Tần số riêng (tần số cộng hưởng) của dụng cụ cắt Những thay đổi về điều kiện cắt, sự phân mảnh phoi mạnh, khơng liên tục hoặc thậm chí là sự bất thường trong cấu trúc vật liệu có thể gây ra tình trạng này (Hình 2.14)
Trang 3722 Hình 2.15 - Sự bất thường trong cấu trúc vật liệu gây ra rung động Trong mô hình trên, giai đoạn 1 biểu thị tình huống trong đó vật liệu khơng đều tạo ra thành phần động trong lực cắt Trong giai đoạn 2, sự bất thường này trong vật liệu phôi gây ra sự thay đổi về độ dày phoi Điều này dẫn đến các lực cắt động liên tục và khi tần số của chúng tiến gần với tần số riêng của dụng cụ, rung động cộng hưởng có thể xảy ra [15,16]
2.2.5 - Sự ổn định của máy công cụ đối với rung động
Bất kỳ phân tích nào về rung động và rủi ro của nó trong q trình gia công đều phải xem xét độ ổn định của máy công cụ Máy công cụ không thể cung cấp độ ổn định vơ hạn và nói chung, khi tốc độ quay của trục chính máy cơng cụ tăng lên, độ ổn định của dụng cụ giảm xuống (xem Hình 2.16)
Hình 2.16 - Các thơng số ổn định (Tlusty và Tobias) máy công cụ
Trang 3823 máy để loại bỏ rung động Ngược lại, vịng quay được chọn có thể nằm trong vùng có độ ổn định cao, cho phép các điều kiện cắt duy trì ở mức cao Để tránh rung động, đặc biệt là trong q trình gia cơng ở tốc độ vòng quay cao hơn, chọn tốc độ một cách cẩn thận [15,16,17]
2.2.6 - Tỷ lệ L/D
Sử dụng tỷ lệ L/D để giúp dự đoán rủi ro ảnh hưởng của rung động Đầu tiên, một con dao cắt có chiều dài thân dao là L= 200 mm và đường kính D= 50 mm sẽ có tỷ lệ L/D = 4 và một con dao khác có chiều dài L = 100 mm và đường kính D = 25 mm cũng sẽ có tỷ lệ L/D = 4 𝑓𝑏 ≈ 𝐹 𝐿33 𝐸 𝐼 ≈𝐹 𝐿33 𝐸.𝜋 𝐷644≈ 𝐶.𝐹 𝐿33 𝐷42.5
➢ Công thức độ uốn làm tăng tỷ lệ rung động
Liệu cả hai dụng cụ này có nguy cơ rung như nhau?
Áp dụng các giá trị này cho hai cán dao trong công thức, cho thấy cán dao thứ hai hiển thị gấp đơi độ uốn và do đó tăng gấp đơi nguy cơ rung động Khi rủi ro rung động cao, thì đường kính của dao là yếu tố quan trọng nhất
2.3 - Các nghiên cứu liên quan
Trang 3924 Ảnh hưởng của các thông số dụng cụ và thông số cắt đối với độ nhám bề mặt và rung động khi tiện thép AISI 1045 sử dụng phương pháp Taguchi [21] Kết quả thực nghiệm của tác giả đưa ra:
▪ Các giá trị Ra nhỏ nhất xảy ra khi tiện thép AISI 1045 lần lượt là 1,033 µm và 0,569 µm đối với dụng cụ cắt tiêu chuẩn và dao tiện lỗ sâu ▪ Các giá trị tần số tự nhiên nhỏ nhất xảy ra khi tiện thép AISI 1045 lần
lượt là 2069,1 Hz và 2124 Hz đối với dụng cụ cắt tiêu chuẩn và dụng cụ tiện lỗ sâu
▪ Sử dụng ANOVA, thông số quan trọng nhất đã được xác định, đó là tốc độ trục chính đối với Ra, trong khi biến này là phần thân dao đối - tần số tự nhiên đối với cả hai dụng cụ cắt
▪ Kết quả thu được khẳng định việc ứng dụng thành công phương pháp Taguchi trong nghiên cứu gia cơng cơ khí
2.4 - Phân tích rung động
2.4.1 - Phương trình chuyển động
Giả sử hệ có N bậc tự do đang thực hiện dao động nhỏ quanh điểm cân bằng Xét vectơ tọa độ:
q = { q1(t), q2(t),…, qN(t) }T ∈ RN 2.6
Thế năng có thể được mở rộng dưới dạng chuỗi Taylor trong vùng lân cận của vị trí cân bằng như: 𝜈(𝑞) = 𝜈(0) + ∑(𝜕𝜈𝜕𝑞𝑗)𝑞=0 𝑞𝑗𝑁𝑗=1+ 12∑ ∑( 𝜕2𝜈𝜕𝑞𝑗𝜕𝑞𝑘)𝑞=0+𝑁𝑘=1𝑁𝑗=1𝑞𝑗𝑞𝑘 + 𝒪(𝑞3) 2.7
Trang 4025 𝜈(𝑞) =12∑ ∑ 𝐾𝑗𝑘𝑞𝑗𝑞𝑘𝑁𝑘=1𝑁𝑗=12.8
Vì số hạng thứ hai bằng không ở trạng thái cân bằng, nên hệ số đàn hồi:
𝐾𝑗𝑘 = ( 𝜕2𝜈𝜕𝑞𝑗𝜕𝑞𝑘)𝑞=0
2.9
Phương trình (2.9) được viết ở dạng bậc hai của ma trận: 𝜈(𝑞) =1
2𝑞
𝑇𝐾𝑞 2.10
Trong đó:
K ∈ RN×N, ma trận độ cứng (tuyến tính) của hệ thống, đối xứng và khơng âm
Trong trường hợp khơng có bất kỳ lực hướng tâm và lực quán tính Coriolis, động năng của một hệ thống có thể được biểu thị bằng:
𝒯(𝑞) =12∑ ∑ 𝑀𝑗𝑘𝑞𝑗̇ 𝑞𝑘̇𝑁𝑘=1𝑁𝑗=12.11 Trong đó:
𝑞̇ là vectơ vận tốc và M ∈ RN×N, ma trận khối lượng của hệ, là một ma trận xác định dương và đối xứng Các phương trình chuyển động của dao động tự do có thể thu được bằng cách áp dụng phương trình Lagrange:
𝑑𝑑𝑡(𝜕ℒ𝜕𝑞𝑘̇ ) −𝜕ℒ𝜕𝑞𝑘 = 𝑄𝑛𝑐𝑘 + 𝑓𝑘, ∀𝑘 = 1, … , 𝑁 2.12 Trong đó: ▪ ℒ = 𝒯 − 𝜈 là Lagrange
