Xây dựng phương pháp mô phỏng trạng thái ứng su

Sự mài mòn và phá hủy đối với lớp dph ủ là điều vô cùng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật và việc mô tả được ứng suất lớp ph ủ có ý nghĩa to lớn trong qui trình công nghệ ạo lớp phủ.. K

BIÊN TƯƠNG Ứ NG VỚI QUÁ TRÌNH GIA CÔNG

M C L C Ụ Ụ

Lời cam đoan ……… ……… ……… 4

Danh mục các bảng ……….……… 5

Danh m c các hình vụ ẽ, đồ ị th ……… …………5

M Ở ĐẦU ……… ……… …… 8

CHƯƠNG 1: TỔ NG QUAN V Ề PHƯƠNG PHÁP PHẦ N T H U H N (FEM) Ử Ữ Ạ 1.1 Gi i thi ớ ệ u về phương pháp phần tử ữu hạ h n ……… …… ……… … ………… 10

1.1.1 Khái niệm cơ bản ……… …… … … …… 10

1.1.2 Kh ả năng của FEM……… ……….……… …… … ….11

1.1.3 L ch s phát tri ị ử ển FEM……… ……… … …… … ………… 12

1.1.4 Phương pháp FEM trong kế ất c u……… ….… … ………12

1.2 Các kiểu phần tử……… ……….………….13

1.2.1 Phầ ửn t 1D …… ………13

1.2.2 Phầ ửn t 2D ……….13

1.2.3 Phầ ửn t 3D ……… ……….14

1.2.4 Phầ ửn t lò xo ……… ……… 14

1.2.5 Phầ ử thanh dần t m ……… …….16

1.2.6 H c thuy ọ ết cơ bản về ứ ng su t và bi n d ng v i ph n t 3D ấ ế ạ ớ ầ ử ……….……….…18

1.3 H ọc thuyết đàn hồ ới phần tử i v 3D ……….……… 21

1.3.1 Các ph n t solid 3D ầ ử ……….21

1.3.2 H c thuy ọ ết đàn hồi ……….……….22

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎ NG NG SU T L P PH Ứ Ấ Ớ Ủ TiN TRÊN CHI TI T MÁY Ế 2.1 L ập mô hình mô phỏng……….……….……….…….31

2.1.1 Thi t k ế ế mũi khoan ……….…….… …32

2.1.1.1 C u t o và các thông s hình hấ ạ ố ọc của mũi khoan ……… … …… … 32

2.1.1.2 Thi t k ế ế mũi khoan ……… ……. ….34

2.1.2 Mô hình t m ph ng ấ ẳ ……….……… ………… …42

2.2 Mô hình vậ ệu sử ụ t li d ng trong mô ph ỏ ng……… 42

2.2.1 Mô hình v t liậ ệu đặc trưng trong mô phỏng c t kim lo i ắ ạ ……….………… 42

2.2.1.1 Mô hình v t liậ ệu Oxley ……….………… …….……… 43

2.2.1.2 Mô hình v t li u Johnson-cook ậ ệ ……….……… 43

2.2.1.3 Mô hình v t li u Zerilli – Armstrong ậ ệ ……….……… … ….44

2.2.2 Mô hình v t liậ ệu mũi khoan ……….………… 45

2.2.3 Mô hình t m ph ng ấ ẳ ……….……… ………45

2.3 C ấu tạo và đặc tính lớp phủ TiN ……….……….………… 53

2.3.1 C u trúc tinh th ấ ể……….……… ………53

2.3.2 ng su Ứ ất dư ………56

2.3.3 Kh ả năng chố g ăn mòn ………n .… …….………56

2.3.4 Các tính ch t khác cấ ủa TiN ……… …….… ………58

2.3.5 ng d ng Ứ ụ ……… ……… 59

2.3.6 L p ph trên d ng c c t ớ ủ ụ ụ ắ ……….……….………… … 60

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰ C C T - NG SU Ắ Ứ ẤT TRÊN MŨI KHOAN 3.1 Ki ể u vậ ệ t li u và phoi t o thành ạ ……… ……….………… … 62

3.2 Phân tích tính toán l ự c cắ t ……… ………….….……… 63

3.2.1 Mô hình khoan ……….……….……… ……….67

3.2.2 Mô hình lực cắt trên lưỡ ắi c t chính ……….…….… ……… 67

3.2.3 Mô hình lực cắt trên lưỡ ắi c t ngang ……….…… ……….70

4.1 Lý thuy t tính toán ng su t l ế ứ ấ ớ p phủ ……….……… ….……… ….72

4.1.1 L p ph có ng su ớ ủ ứ ất thay đổi ……… … 72

4.2 Lý thuy t tính toán ng su t l ế ứ ấ ớ p phủ trên chi ti t máy ế ……… …….75

4.3 Mô hình tương đương vậ ệu mũi khoan có phủ dùng trong mô phỏng t li 78

4.3.1 Modulus đàn hồ tương đương i ……… ……….78

4.3.2 H s ệ ố giãn nở nhi t ệ tương đương ……….79

4.3.3 H s poisson t ệ ố ương đương ……… ……….79

CHƯƠNG 5: KẾ T QU MÔ PH NG Ả Ỏ 5.1 Gi i thi u ớ ệ ……… …… 81

5.2 S li ố ệu và bướ c th ự c hiệ n trong Deform ……… 82

5.2.1 Ki u ph n t ể ầ ử và kích thước lưới thích h p ợ ……….……… 82

5.2.2 Điều ki n biên ệ ……….……… 84

5.2.3 Điều ki n ti p xúcệ ế ……… ………85

5.2.4 Bước và điều khiển mô ph ng ỏ ……….85

5.3 K ết quả mô phỏng……….……86

5.3.1 Ảnh hưởng của lớp phủ ớ t i nhiệt độ trên mũi khoan ……….… 86

5.3.1.1 Mô ph ng ỏ ……… …….86

5.3.1.2 Th c nghi m ự ệ ……… ………….94

5.3.2 L ực cắt sinh ra trên mũi khoan ……… ……….……97

5.3.3 ng su Ứ ất trên mũi khoan không phủ và có ph ủ……….….…… 103

TH O Ả LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚ NG PHÁT TRI N Ể Th o lu nả ậ ……… ……… 110

Định hướng phát tri n ể ……… ……….111

L I CAM DOAN Ờ

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi làm Tuyệt đối không sao chép

n i dung cộ ủa bất kỳ tài liệu nào Nếu lời cam đoan là không dung tôi xin chịu mọi trách nhi m cệ ủa hội động ch p luấ ận văn Thạc sỹ, nhà trường và trước pháp lu t ậ

B ng 5.2 ả Điều ki n biên- u ki n ti p xúc nh p trong mô hình ệ điề ệ ế ậ 85

B ng 5.3 K t qu nhiả ế ả ệt độ xét tại một vài điểm đặc biệt 91

B ng 5.4 B ng tả ả ổng hợ ếp k t qu ả đo được theo th c nghi m ự ệ 96

B ng 5.5 ả K t qu mô ph ng ế ả ỏ ứng suấ ấ ại một vài điểt l y t m khi khoan

DANH M C HÌNH V Ụ Ẽ ĐỒ THỊ

Hình 2.2 Hình học lưỡi cắ ủa mũi khoant c 33

Hình 2.5 Sơ đồ ổng quát mô hình mài mũi khoan t 36

Hình 2.8 Mô hình 3D phần làm việc mũi khoan 42 Hình 2.9 Đường cong Oxley-flow nhiở ệt độ T=20oC 46 Hình 2.10 Đường cong Oxley-flow nhiở ệt độ T=300oC 47

Hình 2.11 Đường cong Oxley – flow nhiở ệt độ T= 900oC 47 Hình 2.12 Đường cong Johnson Cook-flow nhiở ệt độ T=20oC 48 Hình 2.13 Đường cong Johnson Cook-flow nhiở ệt độ T=300oC 48 Hình 2.14 Đường cong Johnson Cook-flow nhiở ệt độ T=900oC 49 Hình 2.15 Đường cong Zerilli Armstrong –flow nhiở ệt độ T=20oC 49 Hình 2.16 Đường cong Zerilli Armstrong - flow nhiở ệt độ T=300oC 50 Hình 2.17 Đường cong Zerilli Armstrong-flow nhiở ệt độ T= 900oC 50 Hình 2.18 Độ ẫ d n nhi t c a ANSI 1045 (C45 ệ ủ 51 Hình 2.19 H s ệ ốgiãn nở nhi t c a ANSI 1045 (C45) ệ ủ 52 Hình 2.20 Kh ả năng nhiệ ủt c a ANSI 1045 (C45) 52

Hình 2.22 Mật độ ắ s p xếp các nguyên t ử ởcác mặ ủt c a tinh th TiN ể 54

Hình 5.2 Mô hình chia lưới mũi khoan trong mô phỏng 83 Hình 5.3 K t qu mô ph ng ế ả ỏ ở bước 10200 và 14830 87

Hình 5.6 Đồ ị ể ệph ủ th th hi n nhiệt độ theo thời gian trên mũi khoan không 89 Hình 5.7 Đồ ị ể ệ th th hi n nhiệt độ trên l p ph theo th i gian ớ ủ ờ 90 Hình 5.8 K t qu mô phế ả ỏng nhiệt độ sinh ra trên mũi khoan 92 Hình 5.9 Đồ ị th nhiệt độ sinh ra trên mũi khoan theo thời gian 94 Hình 5.10 Đồ ị th quá quá trình khoan với HSS 95

Hình 5.12 Đồ thì l c cự ắt theo phương z theo thời gian 98

Hình 5.15 Đồ ị ự th l cc ắt theo phương z khi cắ ất t m 5mm 101 Hình 5.16 Đồ ị ự ắt theo phương z giai đoạn đầ5mm th l c c u khi khoan t m ấ 102 Hình 5.17 Mô hình l p ph TiN trong Deform ớ ủ 103 Hình 5.18 Biph n riêng r ểu đồ ể ện hướầ th hiẽ trong mũi khoan khi khoan tấng lực cắt và ng suứ ất tác dụm 1mm ng trên các 105 Hình 5.19 Đồ ị ứvà có ph TiN theo th th ng su t hi u d ng tác dủ ấ ệ ời gian không tính đế ảnh hưởụ ụng lên mũi khoan không phủn ng của

nhi t lệ ớp phủ khi khoan t m 1mm ấ 106 Hình 5.20 Đồ ị ứvà có ph l p TiN theo th th ng su t hi u d ng tác dủ ớ ấ ệ ụ ời gian tính đế ảnh hưởụng lên mũi khoan không phủn ng nhiệt độ

l p ph khi khoan tớ ủ ấm phẳng 1mm 107 Hình 5.21 Đồ ị ứtheo th i gian khi khoan t m 5mm th ng su t hi u d ng tác dờ ấ ệ ụ ấ ụng lên mũi khoan không phủ 108

M Ở ĐẦ U

Lớp phủ được sử ụng rộng rãi trong nhữ ứng dụng ma sát và yêu cầu sử ụ d ng d ng

ph ủ trong lĩnh vực này ngày càng tăng Phương pháp phủ giúp cải thiện thuộc tính ma sát của những bề ặt trượ m t trong việc chế ạ t o nh ng chi ti t máy Nh ng lữ ế ữ ớp phủ này

đang t ra r t hi u qu trong vi c gi m h s ỏ ấ ệ ả ệ ả ệ ố ma sát và mòn mà không làm thay đổi tính ch t v t li u chi ti t hay viấ ậ ệ ế ệc cần ph i có dung dả ịch bôi trơn Titanium nitride là

lớp phủ được sử ụng rộng rãi trong công nghiệp Sự mài mòn và phá hủy đối với lớp d

ph ủ là điều vô cùng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật và việc mô tả được ứng suất lớp

ph ủ có ý nghĩa to lớn trong qui trình công nghệ ạo lớp phủ Tuổi thọ ủa lớp phủ ị t c b

hạn chế không chỉ do mòn thông thường mà còn do sự bong ra của lớp phủ (phá vỡbám dính) hay sự gãy v c a lớỡ ủ p ph (phá vủ ỡ ế k t dính) S bong ra là do ng suự ứ ất tăng

dọc theo mặt phân cách, ứng suất trong lớp phủ và trên bề ặt gây ra sự phá vỡ ết m kdính Vì v y viậ ệc xác định ứng suấ ắt đầu như thết b nào và lan truy n ra sao là r t quan ề ấ

tr ngọ Bên cạnh đó, cũng rất cần thiết phải phát triển những phuơng pháp để ả gi m

nh ng ữ ứng suất tới hạn này ệc nghiên cứ Vi u này đòi hỏi phải dùng phương pháp phần

t hử ữu hạn đượ ặc trưng bởc đ i các phần mềm mô phỏng mới có thể quan sát tường tận đượ ực s lan tru n ng su t – nhi t c t xyề ứ ấ ệ ắ ảy ra trong quá trình khoan Nghiên cứ u này

đã đưa ra phương pháp mô phỏng tr ng thái ng su t l p ph cạ ứ ấ ớ ủ ứng trên mũi khoan trong quá trình khoan và thống qua đó cũng đồng thời đánh giá ả năng kh nhi t –l c c t ệ ự ắsinh ra khi khoan và ảnh hướng c a nó tủ ớ ứi ng suấ mũi khoan có phủt và không phủnhư thế nào

Luận văn gồ 5 chương và mộm t phần kế ật lu n

Chương I: Tổng quan v ề phương pháp phầ ử ữn t h u h n ạ

Chương II: Xây dựng phương pháp mô phỏng ng su t l p ph TiN trên chi ti t máy ứ ấ ớ ủ ếChương III: Tính toán lự ắ ức c t - ng suất trên mũi khoan

Chương IV: Tính toán mô ph ng ng su t l p ph TiN ỏ ứ ấ ớ ủ

Được sự giúp đỡ và chỉ ảo tận tình của TS.Nguyễn Thị Phương Mai đến nay b

luận văn đã được hoàn thành và cũng đạt được một vài kết quả như mong đợi Em mong nh ng thi u sót a em trong luữ ế củ ận văn này sẽ nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy, cô cùng các b n h c viên ạ ọ

Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn ị Phương Mai và các Thầy Cô trong Th

Viện Cơ Khí đã tận tình chỉ ảo giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành luậ b n văn

Hà nội, Ngày 25 thang 9 năm 2011

Nguy ễ n Duy Quân

CHƯƠNG 1

T NG QUAN V Ổ Ề PHƯƠNG PHÁP PHẦ N TỬ ỮU HẠ H N (FEM)

1.1 Gi i thi ớ ệ u phương pháp phần tử ữu hạ h n (FEM)

Ví d : ụ

• Đồ chơi dành cho trẻ em (Thường b ng kh i ho c ằ ố ặ

nhựa được ghép l i v i nhau) ạ ớ

Nhận xét:

Những vật ể có cấu tạo phức tạp hoặ ồth c đ ng nhất có thể đư c bi u diợ ể ễn bằng

nhi u phề ần tử đơn giản về hình h c ọ

1.1.2 Kh ả năng của phương pháp (FEM)

Phương pháp FEM là một phương pháp số đặc biệt, nó tìm dạng gần đúng của

m t ộ ẩn hàm chưa biết trong miền xác định giới hạn bởi mô hình của nó Nó không tìm

hàm xấp xỉ ủ c a một hàm mà tìm trong t ng mi n con, chính nhừ ề ờ đặc điểm này mà

FEM đượ ử ụng tương đố ộc s d i r ng rãi

Phương pháp FEM có thể tính toán:

• Tính toán đượ ằc b ng tay hay có th mô ph ng b ng máy tính ể ỏ ằ

• Có kh ả năng tích hợp các ph n m m CAD/CAM ầ ề

Nh ữ ng ứng dụng củ a FEM trong k ỹ thuậ t:

• Ch t o máy, k thu t hàng không, xây d ng và ô tô ế ạ ỹ ậ ự

• Phân tích c u trúc, kấ ết cấ ĩnh/độu (t ng lực học, tuy n tính/phi tuy n) ế ế

1.1.3 Tóm lược lịch sự phát tri ể n của phương p háp

• Năm 1943, Courant với phương pháp biến phân (variational methods)

• Năm 1956, Turner, Clough, Martin và Topp với độ ứng hay độ ề c b n v ng.ữ

• Năm 1960 Clough ra đờ, i ph n t h u h n v i nh ng vầ ử ữ ạ ớ ữ ấn đề ề ặ v m t ph ng.ẳ

• Những năm 1970, ứng dụng trên (Mainframe computers)

• Những năm 1980, trên máy tính cỡ nh ỏvà bộ ử s lý

• Những năm 1990, phân tích những h th ng c u trúc l n.ệ ố ấ ớ

• Chia c u trúc thành các m nh nh (ph n t v i các nút ) ấ ả ỏ ầ ử ớ

• Mô t trả ạng thái đại lượng v t lý trên m i ph n t ậ ỗ ầ ử

• Liên kết ph n t tầ ử ại các nút để hình thành lên m t h ộ ệ phương trình tương đương cho toàn b c u trúc ộ ấ

• Giải hệ phương trình bao gồm cả các đại lượng chưa biết tại các nút đó (ví dụchuy n v ) ể ị

• Tính các đại lượng c n quan tâm (ví d bi n d ng và ng su t) tầ ụ ế ạ ứ ấ ại các nút đã chọn

Ví dụ

Các ph ầ n mề m FEM hi ệ n có sẵn trên thị trường

• ANSYS (Phân tích đầy đủ và t ng h p, ch y trên PC ho c workstations) ổ ợ ạ ặ

• SDRC/I-DEAS (tr n b CAD/CAM/CAE) ọ ộ

• NASTRAN (Phân tích đầy đủ và t ng h p FEA trên máy tính l n) ổ ợ ớ

• ABAQUS (Phân tích động l c h c và phi tuy n) ự ọ ế

• COSMOS (Phân tích đầy đủ và t ng h p FEA) ổ ợ

• ALGOR (Ch y trên PC và workstation) ạ

Linear : đường tuy n tính ế

Nonlinear : đường phi tuy n ế

V i K = ớ 

 (>0) là lực cần thiết để ạ t o ra sức căng đơn vịXét cân b ng lằ ực tại các nút ta rút ra được phương trình: 󰇣     󰇤 󰇥  󰇦= 

F = F(x) Lực cắt ngang (Shear force)

M = M(x) Momen theo tr c z (quay quanh trụ ục z)

Lý thuyết cơ sở ề ầ v d m (Elementary Beam Theory)

EI = M(x)

σ = 

1.2.6 H ọc thuyết cơ bản về ứ ng su t và bi ấ ế n dạng ới phần tử v 3D

Nhìn chung, ng su t và bi n dứ ấ ế ạng trong một cấu trúc g m sáu thành ph n: ồ ầ

Quan hệ ở trên cũng đúng cho trường hợ ứng suất phẳng và biến dạng phẳp ng Chúng ta ch cỉ ần thay đổi các hệ ố ề ật liệ ở phương trình s v v u (1.2)

Ví d ụ như quan hệ ữ gi a ứng su t và bi n dấ ế ạng được cho bởi phương trình sau:

(1.1)

(1.2)

Bi n dế ạng ban đầu do s ự thay đổi nhiệt độ đưa ra bởi phương trình:

Trong đó α là hệ ố s giãn nở nhiệt, ΔT là sự thay đổi nhiệt độ Nếu như cấu trúc là chịu tác d ng riêng c a tả ọụ ủ i tr ng nhi t thì s không có ng su t đàn h i trong c u trúc ệ ẽ ứ ấ ồ ấnày

Trong đó fx và fylà lực do bản chất vật thể sinh ra ( như là trọng lực) trên đơn vị ể th tích Trong FEM thì điều ki n cân b ng ch mang tính ch t gệ ằ ỉ ấ ần đúng.

Điề u ki n biên ệ

Điều kiện biên S của vật thể có thể chia ra thành 2 phần Su và St Điều kiện biên (BC’s) được miêu t : ả

V i tớ x và ty là l c kéo ( ng su t trên biên) ự ứ ấ

Với FEM, tất cả các kiểu tải trọng (lực tác dụng trên bề ặt, lực do bản thân vậ m t sinh ra, lực tập trung, mô men…v…v) được chuyển thành lực tại điểm tác động trên nút Để ải quyết bài toán cần xét đến phương trình cân bằ (1.5) và điều kiện biên gi ng

k t h p vế ợ ới điều kiệ ề ả năng tương thíchn v kh

• Kh i 6 m t ố ặ

• Kh i 5 m t ố ặ

Tránh sử ụng phần tử ối tứ ện tuyến tính (4 nút) trong những phân tích ứ d kh di ng

su t 3-D Tuy nhiên có th s d ng nó trong phân tích bi n dấ ể ử ụ ế ạng hoặc là dao động

• Bi ế n dạng

• Phương trình cân bằng

Ho ặc, σij,j + fi = 0

• Điề u ki n biên ệ

Giải Pt (1.8) , (2.0) và (2.1) kết hợp với Pt điều kiện biên BC’s (2.2) cho ra được

ứng suát, bi n d ng và chuy n v ế ạ ể ị (15 phương trình cho ra 15 ẩ ố đố ớn s i v i bài toán D)

3-• Xây d ự ng công thức phần tử ữu hạ h n

- Trường chuy n v ể ị

(1.11)

trên trên

(chuy n v c bi t) ể ị đặ ệ(lực kéo đặc bi t), tệ i = σij n j

(1.12)

Giá tr nút ịTheo d ng ma tr n: ạ ậ

(1.15)

• Xây d ự ng phần tử tuyến tính đặc trưng cho khố i 6 m t ặ

Đố ới v i ph n t solid 3D ta ch n ph n t kh i 6 mầ ử ọ ầ ử ố ặt làm đặc trưng để ế ti n hành phân tích nh m xây d ng nên mằ ự ột phương trình tổng quát mô t toàn bả ộ ạ tr ng thái trong phân tích FEM

Trường chuy n v : ể ị

- Hàm hình d ng ạ

(1.16)

Và

V i d là vecto chuy n v nút ớ ể ị

(1.21) (1.20)

(1.24)

(1.25)

CHƯƠNG 2

XÂY D ỰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎ NG NG SU Ứ Ấ T LỚ P

PH Ủ TiN TRÊN CHI TIẾ T MÁY 2.1 Lập mô hình mô phỏng

Trong bất kỳ ột phần mềm mô phỏng sử ụng FEM có trên thị trường hiện nay, m dtùy thuộc vào đặc tính yêu c u cầ ủa bài toán mà ta chọn lo i ph n m m thích h p Thạ ầ ề ợ ực

ra, phần mềm mô ph ng chỏ ỉ là một công cụ để ả gi i quy t bài toán mế ột cách nhanh chóng và trực quan hơn tránh việc ph i gi i mả ả ột loạt các phương trình và hệ phương trình v i nh ng ma tr n nhi u hàng và cớ ữ ậ ề ột phức tạp Khi gi i các bài toán d a trên ả ựphương pháp mô phỏng s thì ph n mố ầ ềm được xây d ng v i nh ng công c tích h p ự ớ ữ ụ ợtương ứng để có th t o ra mể ạ ột mô hình đúng với th c t nh t ự ế ấ

Ví dụ, Như khi ta muốn tính toán kiểm tra bền của một chi tiết máy nào đó, ặho c sâu hơn nữa là nghiên c u quá trình va ch m phá h y ứ ạ ủ như ủc a 2 chi c xe ô tô v i nhau ế ớCâu hỏi đặt ra là chúng ta c n phầ ải đưa điều kiện ban đầu như thếnào cho phù hợp với

thực tế Điều đầu tiên ta phải xây dựng đượ? c mô hình tương đương 3D c a 2 xe sao ủcho đơn giản nh t Tiấ ếp đó mô hình hóa vậ ệt li u các chi ti t c u thành chính cho ô tô ế ấ

rồi thiết lập các quan hệ đầu vào như ận tố gia tố v c, c thời gian mô phỏng, hướng chuyển động và điều kiện tiếp xúc phá hủy …v v Chúng ta càng đưa được nhiề điều u

ki n ệ ảnh hưởng vào mô hình thì mức độ chính xác c a bài toán càng l n ủ ớ

B t c m t phấ ứ ộ ần mềm FEM nào cũng trải quan các bước sau:

Với m là ma trận khối lượng, c là ma trận giảm rung, k là ma trận độ ứng và F(t) là c

m t hàm cộ ủa véc tơ tải trọng theo t

Giải phương trình ra được nghi m là ma tr n x ệ ậ

Bướ c 3: Post- processing

- Xu t ra kấ ết quả mong muốn – th v v đồ ị

2.1.1 Thiế ế mũi khoan t k

Để ế k t qu mô phả ỏng đạt độ chính xác cao thì c n ph i mô hình hóa chính xác ầ ảmũi khoan Từ khâu tính toán thi t k các thông s hình hế ế ố ọc cho đến vi c xây d ng nên ệ ự

mô hình 3D t t cấ ả phải chính xác so với mô hình mũi khoan dùng cho sản xuât Hiện nay có r t nhiấ ều loại mũi khoan, ví dụ như mũi khoan xoắn, mũi khoan nhiều bậc, mũi khoan ratio v v

2.1.1.1 C ấ u tạ o và thông s ố hình học mũi khoan

Để thi t k ế ế đúng mũi khoan thì yêu cầu đặt ra là phải xác định đúng thông số mũi khoan c n ch t o T ầ ế ạ ừ đó đưa ra phương pháp thiế ế mũi khoan hợt k p lý

(2.1)

Hình 2 1 : Cấu tạo mũi khoan xoắ n

Thông thường mũi khoan gồm phần đuôi, phần làm việc, sửa đúng Để xây dựng

mô mình mô ph ng ta cỏ ần quan tâm đến thông s ốhình học của chúng

Phần đuôi: Là b ph n dùng l p vào tr c chính cộ ậ ắ ụ ủa máy khoan để truy n mô men xoề ắn

và chuyển động khi c t Tùy thuắ ộc vào đường kính mũi khoan mà quyết định vi c làm ệ

phần đuôi côn hay là trụ

Ph ầ n cổ dao: Phầ ổn c là ph n n i li n gi a cán dao và ph n làm việc Dùng để thoát ầ ố ề ữ ầ

đá mài khi mài phần chuôi và ph n làm vi c ầ ệ

Ph ầ n làm việ : Gồ c m ph n c t và ph n sầ ắ ầ ửa đúng, phần sửa đúng có tác dụng định hướng mũi khoan khi làm việc và cũng là phần d tr khi mài l i ph n cự ữ ạ ầ ắt đã bị mòn Đường kính c a phủ ần định hướng gi m d n t ph n c t v ả ầ ừ ầ ắ ề phía đuôi để ạ t o thành góc nghiêng phụ φ1 (thường giảm 0,01 0,08 mm /100 mm chiều dài) Trên phần đị- nh hướng có 2 góc xo n ω = 18-30ắ othay đổi theo đường kính và điều ki n gia công ệ

Ph ầ n cắ : Là phầ t n ch y u củ ế ủa mũi khoan cần quan tâm Ta có th ể ví như mũi khoan

là hai dao ti n ghép v i nhau b ng lõi hình trệ ớ ằ ụ Mũi khoan gồm có 5 lướ ắi c t bao g m 2 ồlưỡ ắt chính 2 lưỡ ắi c i c t ph ụ và 1 lưỡ ắi c t ngang (Hình 2.2) Lưỡ ắi c t ph ụ là đường

xoắn, chạy dọc cạnh viền của mũi khoan Nó chỉ tham gia cắt trên một đoạn ngắn kho ng ả ½ lượng chạy dao Mặt trước là mặt xoắn và mặt sau có thể là mặt côn, mặt

ph ng hoẳ ặc mặt xo n tùy thu c vào cách màắ ộ i mặt sau

2.1.1.2 Thiế ế mũi khoa t k n

Thông s hình hố ọc của mũi khoan xoắn được xác định giống như thông sốchế ạ t o

Ch tế ạo mũi khoan bao gồm cơ bản là 2 ph n chính ( mài rãnh và mài m t bên) Các ầ ặthông số ủa đá mài sẽ c quy t đế ịnh đến thông s hình hố ọc của mũi khoan Các thông số như là góc ở đỉnh, đường kính lõi s là hàm n c a thông s ch t o ẽ ẩ ủ ố ế ạ

Hình dạng của đá mài là một bánh hình trụ ới đường kính và profin giống với v

Dĩ nhiên là các chuyển động phải phối hợp để ạo hình được chính xác bề ặ t m t rãnh

Hình 2.4 Mài rãnh mũi khoan

Trong suốt quá trình mài mặt sau, đá mài quay xung quanh mộ ục cố định tạt tr o

ra góc côn mài θ và mũi khoan quay tại ch Đá mài s th c hi n vi c mài này t i hai ỗ ẽ ự ệ ệ ở ạ

v ị trí đối xứng nhằm tạo ra hai bề ặt sau đối xứng Xem hình dưới đây để ấy được m thgóc côn và v trí cị ủa đỉnh côn mài.(hình 2.5)

Mũi khoan được quay quanh trục AA, nó được cố định trong không gian và mặt sau của mũi khoan sẽ ế ti p xúc i bvớ ề ặ m t phẳng của bánh mài G trong quá trình mài

Trục AA và mặt phẳng bánh mài cắt nhau tại điểm O ự di chuyển của bề ặt bánh S mmài trong mối quan hệ ới đ ể mũi khoan có thể đượ v i m c suy ra bằng cách coi như đ ểi m mũi khoan ấy là c nh và b m t bánh mài quay xung quanh tr c AA, chuy n đ ng ố đị ề ặ ụ ể ộ

thực tế ủa bề ặt bánh mài là đồng thời và đối ngược với chuyể ộ c m n đ ng thực của mũi khoan M t m t ph g quanh quanh m t trộ ặ ẳn ộ ục cố đị nh sẽ ạ t o lên một mặt côn Để mà b ề

mặt bánh mài ạo ra từng phần của bề ặt côn trong mối quan hệt m chuyển động của nó

nhằm tạo ra điểm mũi khoan và mặt sau Điểm mũi khoan đấy sẽ thuộc bề ặt côn m

Đỉnh c a ủ hình côn là điểm O và góc côn là góc h p b i tr c AA và b mợ ở ụ ề ặt bánh mài (θ ) Hình côn có thể được giới hạn bởi bánh mài hình côn và phương pháp mài điểm mũi khoan được đưa ra như mài côn ộ ệ M t h c bên ph i s d ng d a vào nhtrụ ả ử ụ ự ững đặc điểm sau:

- Trục z nằm dọ ục mũi khoac tr n

- Trục y vuông góc v i ớ trục z và cắt lưỡ ắi c t ngang tại điểm gi ữa.

- Tr c x vuông góc v i trụ ớ ục y và z

Hình 2.5 Sơ đồ ổng quát mô hình mài mũi khoan t

Như mô hình ở trên, số lượng tham số ả được chọn để ạo ra ột đặc tính ph i t mriêng cho mũi khoan Người ta tách mũi khoan làm 2 loại chính

Đầu tiên là các thông số hình học được sử ụng để xác định hình dàng chính của dmũi khoan

Tỉnh lược sơ đồ để ử ụ s d ng cho thi t k 3D ta có: ế ế

Hình 2.6 Mài mặt sau mũi khoan

H trệ ục tọ ộa đ ủ c a trục côn nghiêng một góc ϕ theo chiều ngược chiều quay của kim đồng h trong m t ph ng (x z) so vồ ặ ẳ - ớ ệ ụ ọi h tr c t a đ cộ ủa mũi khoan Hệ ụ tr c m i ớcách đầu mũi khoan một kho ng cách d c ả ố định khi mà đo dọc hệ ụ tr c tọ ộ quay này a đ

Dịch chuyển hệ ục tọ ộ tr a đ mới theo trục y một khoảng cách S Hình.2 ở trên cho ta 6

th y v ấ ị trí đầu tiên của trục côn, ví trí th ứ 2 được lấy đối xứng để mài m t còn l i ặ ạ

• Xây d ự ng hình dáng mặ ắt ngang mũi khoan t c

Mặt cắt ngang mũi khoan phụ thuộc vào hình dáng của đá mài đ mài mũi khoan ể

đó Mặ ắt c t ngang của mũi khoan được thi t k nh m t o ra c nh c t th ng ph khi ế ế ằ ạ ạ ắ ẳ ụmài Vì v y, hình d ng cậ ạ ủa đá mài phụ thuộc vào đặc điểm của mũi khoan sau khi mài

Thay vi c mô t thông sệ ả ố đá mài chúng ta sẽ xem xét profin của mặ ắt ngang mũi t ckhoan

Mặt cắt ngang được chia làm 8 phần, phần 1, 2, 3, 4 là phần bao ngoài nó chính

bằng đường kính mũi khoan cần chế ạo Phần 5 và 6 được mô tả ằng phương trình t bsau:

( ) là tr,υ ọa độ cực cần thiết cho mặt cắt ngang mũi khoan, với r thay đổ ừi t W/2

đến D/2 Biên d ng cạ ủa đường rãnh chuy n (không g m i c t) có th ể ồ lưỡ ắ ể được xác định theo một cách thứ ể ực đ th c hi n di chuy n phoi dệ ể ễ dàng, trong khi đảm b o b n ả đủ độ ềcho mũi khoan Điều đáng đề ập trong phương pháp tiế c p c n c a Galloway hoàn toàn ậ ủ

v mề ặt hình học, điều này có nghĩa là cho phép tính toán phân tích của tất cả các đặc điểm c n c a d ng c ầ ủ ụ ụ ( như góc nghiêng, góc sau v.v) dựa trên các phân tích 2D c a ủcác mặt ph ng hình h c khác nhau ẳ ọ

Phương trình (2.2) này đảm b o ch c ch n r ng ch tả ắ ắ ằ ế ạo ra mũi khoan có cạnh cắt thẳng Phần 7 và 8 không ảnh hưởng gì nhiều đến đặc trưng của lưỡi cắt mũi khoan

mà chỉ làm tăng cứng cho mũi khoan Để đơn giản chúng ta s ẽ mô hình đố ứi x ng ph n ầ

5 và 6 (hình 2.7)

(2.2)

Hình 2.7: Mặt cắt ngang mũi khoan

Sau khi xây d ng mô hình 2D cho m t c t ngang xong ta chuyự ặ ắ ển đổi sang mô hình 3D

T ừcác dữ ệu đầ li u vào là thông s hình hố ọc mũi khoan cần mô hình hóa ta có:

V i h là góc xo n, thì chiớ ắ ều dài mũi khoan được tính theo công thức:

H trệ ục tọ ộa đ ủa đá c mài côn so v i h trớ ệ ục toạ độ ủa mũi khoan là: c

(2.5)