Đề tài thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ

66 Trang 7 DANH MĂC TĈ VIÀT TÀT PZT: Piezoelectric UAT: Ultrasonic Assisted Turning UVC: Ultrasonic Vibration Cutting EDM: Electrical Discharge Machining CUVC: Conventional Ultrasonic

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

S 0 9

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁN DAO TIỆN

CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ

MÃ SỐ: SV2020-107

S KC 0 0 7 4 0 4

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KĀ THU¾T TPHCM

BÁO CÁO TèNG KÀT

ĐÂ TÀI NGHIÊN CĆU KHOA HàC CĄA SINH VIÊN

Chą nhiám đà tài: TS HOÀNG TRUNG KIÊN

THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O CÁN DAO TIàN CÓ DAO ĐìNG Hê TRĀ

Mã så đà tài: SV2020-107

Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2014

NHI àM VĂ Đæ ÁN TäT NGHIà

CàNG HÒA XÃ HàI CHĂ NGH)A VIàT NAM Đác lập – Tự do – H¿nh phúc

***

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KĀ THU¾T TPHCM

BÁO CÁO TèNG KÀT

ĐÂ TÀI NGHIÊN CĆU KHOA HàC CĄA SINH VIÊN

THIÀT KÀ VÀ CHÀ T¾O CÁN DAO TIàN CÓ DAO ĐìNG Hê TRĀ

Mã så đà tài: SV2020-107

Thuác nhóm ngành khoa học: Khoa Học Ąng Dāng

Dân tác: Kinh

Lãp, khoa: 16144CL2-Khoa đào t¿o chất l°ÿng cao

Ngành học: CNKT C¡ Khí

Sinh viên chịu trách nhiám đề tài: Lê Hoàng Anh Khoa

Ng°ßi h°ãng dẫn: TS HOÀNG TRUNG KIÊN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020

M ĂC LĂC DANH MĂC TĈ VIÀT TÀT VI MĂC LĂC VII DANH M ĂC CÁC HÌNH ÀNH X

CH¯¡NG 1 : TèNG QUAN 1

1 GIâI THIàU 1

1.1 Tìm hiểu về cán dao tián: 1

1.1.1 Cán dao tián d¿ng Insert: 1

1.1.2 Cán dao tián d¿ng Solid 2

1.1.3 Vật liáu: 2

1.1.4 Công nghá tián có dao đáng hß trÿ: 2

1.1.5 Nguồn dao đáng: 3

1.1.6 Nguồn dao đáng c°ỡng bąc: 3

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cąu thuác l*nh vực căa đề tài á trong và ngoài n°ãc: 4

1.2.1 Ngoài n°ãc: 4

1.2.2 Trong n°ãc: 4

1.3 Tính cấp thiết căa đề tài 5

1.4 Māc tiêu đề tài, đối t°ÿng nghiên cąu 5

1.4.1 Māc tiêu đề tài: 5

1.4.2 Đối t°ÿng nghiên cąu 5

1.5 Cách tiếp cận, ph°¡ng pháp nghiên cąu 6

1.5.1 Cách tiếp cận 6

1.5.2 Ph°¡ng pháp nghiên cąu 6

1.6 Kế ho¿ch thực hián 6

CH¯¡NG 2 C¡ SÞ LÝ THUYÀT QUÁ TRÌNH TIàN CÓ DAO ĐìNG Hê TR Ā 7

2.1 Giãi thiáu chung: 7

2.1.1Những °u điểm v°ÿt trái: 8

2.1.2 Kết luận 8

2.2 Công nghá cắt rung siêu âm (UCV) 8

2.3 Ph°¡ng pháp cắt tích hÿp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) 9

2.4 Ph°¡ng pháp cắt tích hÿp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) 10

2.5 Công nghá rung đáng trÿ giúp gia công (VAM) 10

2.6 So sánh giữa các ph°¡ng pháp 11

2.7 Nguyên tắc khai thác rung siêu âm và ąng dāng hiáu ąng áp đián 12

2.7.1 Các tính toán c¡ bản về các c¡ cấu PZT 13

2.7.2 Các c¡ cấu PZT vãi đá bền thấp 14

2.8 Khái niám về khãp nối mềm: 17

2.8.1 Khãp mềm là gì? 17

2.8.2 C¡ chế uốn hình bình hành: 17

2.8.3 Nguyên lý ho¿t đáng khãp mềm: 20

2.8.4 Mô hình c¡ khí 20

2.9 Khái niám về đá chính xác khi gia công 29

2.9.1 Khái niám 29

CH¯¡NG 3: PH¯¡NG PHÁP MÔ PHâNG VÀ THÍ NGHIàM 32

3.1 Yêu cầu căa đề tài: 32

3.2 Giải pháp thực hián: 32

CH¯¡NG 4 TÍNH TOÁN, THIÀT KÀ SÀN PHÀM 34

4.1 Ph°¡ng án thiết kế khãp nối mềm cho cán dao: 34

4.1.1 Dữ liáu ban đầu 34

4.1.2 C¡ sá lí thuyết tính toán đá cąng vững căa cán dao: 34

4.1.3 Chọn mãnh dao tián hÿp kim phù hÿp: 35

4.1.4 Tính toán chế đá cắt phù hÿp: 36

4.1.5 Tính toán lực cắt: 37

4.2 C¡ sá công thąc tính toán khãp mềm: 39

4.3 Áp dāng tính toán khãp mềm vào cán dao 40

CH¯¡NG 5: MÔ PHâNG 43

5.1 Giãi thiáu phần mềm: 45

5.2 Phân tích biến d¿ng trên phần mềm: 45

5.2.1 Mô phỏng, phân tích biến d¿ng cán dao không khãp mềm: 46

5.2.1.1 Dữ liáu đầu vào: 46

5.2.2 Mô phỏng, phân tích biến d¿ng cán dao có khãp nối mềm: 53

5.2.2.1 Dữ liáu đầu vào: 53

5.2.2.2 Dữ liáu đầu ra: 60

5.3 So sánh kết quả mô phỏng: 62

5.4 Nhận xét: 62

Ch°¢ng 6: THIÀT KÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIàM 64

6.1.Giãi thiáu các bá phận PZT: 64

6.1.1.Bá khuếch đ¿i nguồn đián: 64

6.1.2.Bá điều khiển: 64

6.1.3 Bá chuyển đổi siêu âm: 65

6.2Thiết kế đồ gá cho bá phận t¿o rung đáng siêu âm: 66

6.2.1Đo kích th°ãc đồ gá dao trên máy tián 66

6.2.2.Mô phỏng lắp ráp bằng phần mềm Inventor: 67

6.2.3.Bản vẽ chi tiết : 67

6.3.Tiến hành thí nghiám: 68

6.3.1Chuẩn bị dāng cā thí nghiám: 68

6.3.2.Lắp đặt mô hình thí nghiám: 69

6.3.3.Quy trình thí nghiám: 70

6.4.Kết quả thí nghiám: 71

Ch°¢ng 7: KÀT LU¾N 77

7.1 Kết quả đ¿t đ°ÿc: 77

7.2 Ý ngh*a thực tißn 77

7.3 H°ãng phát triển căa đề tài: 77

DANH M ĂC TĈ VIÀT TÀT

PZT: Piezoelectric

UAT: Ultrasonic Assisted Turning

UVC: Ultrasonic Vibration Cutting

EDM: Electrical Discharge Machining

CUVC: Conventional Ultrasonic Vibration Cutting

VAM: Vibration Assisted Machining

CAE: Computer- Aided Engineering

DANH MĂC HÌNH

Hình 1.1: Các cán dao tián d¿ng insert

Hình 1.2: Hình d¿ng các mảnh hÿp kim gắn á cán dao tián d¿ng insert

Hình 1.3: Các cán dao tián d¿ng solid

Hình 1.4: Các lo¿i PZT

Hình 2.1: Mô hình rung đáng căa há thống

Hình 2.2 : Mô hình cắt theo kiểu elip

BÁng 1.1 So sánh giữa các ph°¡ng pháp gia công

Hình 5.12: L°ãi trên chi tiết

Hình 5.13: Biến d¿ng toàn phần khi chịu lực theo ph°¡ng X

Hình 5.14: Biến d¿ng toàn phần khi chịu lực theo ph°¡ng Z

Hình 5.15: Các điểm xét biến d¿ng theo ph°¡ng Z

Hình 5.16: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm A

Hình 5.17: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm B

Hình 5.18: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm C

Hình 5.19: Vật liáu mũi dao và cán dao

Hình 5.26: Mặt phăng liên kết

Hình 5.27: Ph°¡ng căa lực

Hình 5.28: Mặt phẳng đ°ÿc hß trÿ cố định

Hình 5.29: L°ãi trên chi tiết

Hình 5.30: Biến d¿ng toàn phần khi chịu lực theo ph°¡ng X

Hình 5.31: Biến d¿ng toàn phần khi chịu lực theo ph°¡ng Z

Hình 5.32: Các điểm xét biến d¿ng theo ph°¡ng Z

Hình 5.33: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm A

Hình 5.34: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm B

Hình 5.35: Biến d¿ng theo ph°¡ng Z căa điểm C

Hình 6.1: HVPZT-POWER-AMPLIFIER

Hình 6.2: Bá điều khiển rung đáng

Hình 6.3: Đầu phát rung đáng siêu âm

Hình 6.4: Đo đế gá trên máy tián

Hình 6.5: Mô phỏng gá đặt mô hình

Hình 6.6: Bản vẽ đầu phát dao đáng PZT

Hình 6.7: Dāng cā thí nghiám

Hình 6.8: Gá đặt hoàn tất các chi tiết

Hình 6.10: Tián vãi đián áp 2V

BÁng 6.3: Thông số tián không có dao đáng

BÁng 6.4: Thông số tián khi có dao đáng hß trÿ

Hình 6.11: Phôi khi gia công không có dao đáng

Hình 6.12: Phôi khi gia công có dao đáng

Hình 6.13: Phoi khi gia công không có dao đáng hß trÿ

Hình 6.14 Phoi khi gia công á tần số 1kHz

Hình 6.15 Phoi khi gia công á tần số 1,5kHz

Hình 6.16 Phoi khi gia công á tần số 2kHz

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯àNG ĐH S¯ PH¾M KĀ THU¾T TPHCM THÔNG TIN KÀT QUÀ NGHIÊN CĆU CĄA Đ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: ThiÁt kÁ và chÁ t¿o cán dao tián có dao đíng hë trā

- Chă nhiám đề tài: Lê Hoàng Anh Khoa Mã số SV:16144076

- Lãp: 161440CL2 Khoa: Đào t¿o chất l°ÿng cao

- Thành viên đề tài:

- Ng°ßi h°ãng dẫn: TS Hoàng Trung Kiên

2 Măc tiêu đà tài:

- Nghiên cąu, thiết kế cán dao tián có dao đáng hß trÿ

- Phân tích, mô phỏng cán dao tián bằng phần mềm Moldex 3D

- Thí nghiám thực tế quá trình tián

- So sánh vãi ph°¡ng pháp tián truyền thống, tổng kết kết quả

3 Tính mßi và sáng t¿o:

- Vận hành và kiểm chąng cho thấy sự °u viát căa viác tián có dao đáng hß trÿ về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, đá tròn, đá trā so vãi tián truyền thống inox304 nh° sau :

 Rung đáng c°ỡng bąc làm tăng khả năng bẻ phoi cho tián cąng, phoi tián

có rung th°ßng là phoi vān

 S¡ bá đánh giá tuổi bền dao: Đá mòn mảnh dao căa tián cąng có rung chỉ bằng khoảng 1/3 so vãi tián cąng truyền thống

 Nhám bề mặt chi tiết tián cąng rung so vãi tián cąng truyền thống kh¡ng

những có giá trị trung bình nhỏ h¡n mà còn có ph¿m vi phân tán nhỏ h¡n hẳn Giảm cấp đá nhám từ 1 đến 2 cấp

 Đá tròn căa tián rung chỉ bằng khoảng gần 1/3 lần so vãi đá tròn bề mặt khi tián th°ßng

- Đá trā căa tián rung chỉ bằng khoảng gần 1/2 lần so vãi đá trā bề mặt khi tián th°ßng

4 KÁt quÁ nghiên cću:

- Đề tài đã góp phần hoàn thián thêm các kiến thąc về gia công cắt gọt, đặc biát là tián bề mặt inox304 có trÿ giúp căa rung đáng siêu âm, cā thể là:

- Khẳng định đ°ÿc tác đáng tích cực căa rung đáng đến chất l°ÿng bề mặt, đá bền dao cắt và phoi t¿o thành khi gia công góp phần t¿o an toàn khi gia công

- Làm rõ đặc tính bám dính và hián t°ÿng kẹt phoi làm giảm khả năng khi tián các

vật liáu hÿp kim dẻo nh° inox

- Các kết quả thu đ°ÿc căa đề tài cũng hình thành c¡ sá lý thuyết và thực nghiám cho các nghiên cąu tiếp sau Kết quả căa đề tài cũng có thể dùng làm tài liáu tham khảo cho giảng d¿y và nghiên cąu khoa học

- Tuy nhiên, đề tài đã chỉ ra nhiều vấn đề còn tồn t¿i và khó khăn khi áp dāng công nghá này chẳng h¿n nh°: sự t°¡ng thích giữa các thông số rung căa c¡ cấu rung vãi các thông số gia công, cách thiết lập mát c¡ cấu rung cho gia công cắt gọt v.v;

5 Đóng góp và mặt giáo dăc và đào t¿o, kinh tÁ - xã híi, an ninh, quåc phòng

v à khÁ năng áp dăng cąa đà tài:

- Đề tài đã ąng dāng thành công ph°¡ng pháp tián có dao đáng hß trÿ Kết quả thu đ°ÿc có thể áp dāng trực tiếp vào sản xuất để nâng cao hiáu quả kinh tế kỹ thuật căa quá trình tián, đặc biát trong gia công cắt gọt

- Theo nhận định căa nhóm, đề tài ąng dāng dao đáng trÿ giúp gia công là mát đề tài mãi mẻ căa đất n°¡c, do vậy các nái dung đã thực hián có ý ngh*a c¡ sá tham khảo để tiếp tāc duy trì và phát triển cho các nghiên cąu tiếp theo

- Từ nghiên cąu tổng quan cho thấy, á thßi điểm hián t¿i nhiều công bố về l*nh vực dao đáng trÿ giúp gia công vẫn đ°ÿc công bố trên các t¿p chí có uy tín Điều này cho thấy, l*nh vực này còn nhiều tồn t¿i cần nghiên cąu để hoàn thián công nghá -

- Do đó, nhóm nghiên cąu đề xuất mát số định h°ãng tiếp tāc phát triển đề tài nh° sau:

-Tiếp tāc đầu t° các thiết bị đo nhằm đánh giá và hiáu chỉnh c¡ cấu rung

-Tiếp tāc nghiên cąu hoàn thián và chế t¿o c¡ cấu rung siêu âm trÿ giúp gia công có kích th°ãc nhỏ gọn, có khả năng tích hÿp trên nhiều máy công cā khác nhau

-Nghiên cąu, áp dāng công nghá dao đáng siêu âm trÿ giúp gia công cắt gọt trên các lo¿i vật liáu mãi và vật liáu đặc biát trong các ąng dāng hàng không và y tế v.v;

6 Công bå khoa hác cąa SV tĉ kÁt quÁ nghiên cću cąa đà tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá căa c¡ sá đã áp dāng các kết quả nghiên cąu (nếu có):

Long An Ngày 20 tháng 07 năm 2020

SV chßu trách nhiám chính thực hián đà tài

(kí, họ và tên)

CH¯¡NG 1 : TèNG QUAN

1 Gißi thiáu:

1.1 Tìm hiểu và cán dao tián:

1.1.1 Cán dao tián d¿ng Insert:

- Là lo¿i cán dao tián có phần cán dao và phần cắt gọt kim lo¿i có thể tách ròi nhau,

có thể thay thế l°ỡi cắt, l°ỡi cắt là những mảnh hÿp kim (carbide) có các hình d¿ng khác nhau để phù hÿp vãi māc đích cắt: Carbide là hÿp kim cąng gồm kim lo¿i và carbon

Hình 1.1: Các cán dao tián d¿ng insert

Hình 1.2: Hình d¿ng các mảnh hÿp kim gắn á cán dao tián d¿ng insert

1.1.2 Cán dao tián d¿ng Solid

- Là lo¿i cán dao có phần thân và phần l°ỡi cắt nguyên khối, ¯u điểm căa cán dao solid là có phần l°ỡi cắt dß dàng mài dũa, Sauk hi đ°ÿc định hình mà mài dũa săc,

sẽ giữ đ°ÿc °u thể trong thßi gian dài Chất liáu th°ßng là thép gió (HSS)

Hình 1.3: Các cán dao tián d¿ng solid

1.1.3 V¿t liáu:

- Cán dao tián cùng vãi l°ỡi cắt sẽ gia công vãi nhiều lo¿i chất lỏng cắt gốc n°ãc và dầu, và nó phải có khả năng chống ăn mòn thích hÿp cho môi tr°ßng này Cán dao cũng phải có đá ổn định nhiát tốt và há số giãn ná nhiát t°¡ng đối nhỏ Để có đ°ÿc khả năng chống ăn mòn mong muốn, c°ßng đá cao, mô đun đàn hồi và há số giãn ná nhiát vãi chi phí hÿp lý, cán dao đ°ÿc làm từ thép không gỉ lo¿i 403 martinsitic Thép không gỉ lo¿i 403 đ°ÿc ă có đá bền kéo khoảng 275 MPa, có thể tăng đáng kể bằng cách xử lý nhiát Vật liáu này có há số giãn ná nhiát khoảng 10 × 10-6 / ºC và mô đun đàn hồi 200 GPa, đặc tr°ng căa hầu hết các lo¿i thép

Công nghá tián có dao đáng hß trÿ

1.1.4 Công nghá tián có dao đíng hë trā:

- Hián nay, gia công cắt gọt có trÿ giúp căa siêu âm đã đ°ÿc áp dāng cho hầu hết các ph°¡ng pháp cắt gọt truyền thống, chẳng h¿n phay (Ultrasonic Assisted Milling), tián (Ultrasonic Assisted Turning), mài (Ultrasonic Assisted Grinding), khoan (Ultrasonic Assisted Drilling), ta-rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping) v.v Ngoài ra, siêu âm còn đ°ÿc tích hÿp vào mát số ph°¡ng pháp gia công tiên tiến (Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) nh° gia công bằng tia lửa đián và gia công bằng lazer có trÿ giúp căa siêu âm

Công nghá tián có dao đáng hß trÿ là mát ph°¡ng pháp gia công mà á đó, rung đáng c°ỡng bąc có tần số cao, biên đá rất nhỏ (tính bằng micromet) đ°ÿc bổ sung vào chuyển đáng t°¡ng đối giữa dāng cā và chi tiết trong quá trình gia công L°ỡi dao

hoặc phôi sẽ thực hián dao đáng theo mát hay nhiều ph°¡ng so vãi ph°¡ng căa vận tốc cắt Sự kết hÿp giữa chuyển đáng rung c°ỡng bąc này vãi chuyển đáng cắt làm cho sự tiếp xúc giữa l°ỡi cắt và phôi thay đổi theo chu kỳ Điều này dẫn đến sự thay đổi t°¡ng tác ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dāng cā, chi tiết gia công và phoi, do

đó có thể làm giảm lực cắt, cải thián chất l°ÿng bề mặt và đá chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dāng cā

1.1.5 Nguçn dao đíng:

- Nguồn dao đáng tự nhiên:

Trong quá trình cắt gọt luôn xảy ra các rung đáng Hián t°ÿng này xảy ra trên toàn

bá há thống công nghá: dao cắt, mũi cắt, đồ gá, chi tiết gia công&

Các nguyên nhân gây ra rung đáng:

– Do đá cąng vững căa há thống công nghá

– Do thành phần căa vật liáu, chi tiết gia công không đồng đều

– Do l°ÿng d° gia công không đồng đều hoặc do rung đáng từ các bá phận máy móc khác truyền tãi&

Tác h¿i , ảnh h°áng căa sự rung đáng:

– Rung đáng làm cho chất l°ÿng bề mặt gia công xấu

– Giảm tuổi thọ căa dao cắt, mũi khoan

– Giảm tuổi thọ trung bình căa vòng đßi máy

Khắc phāc rung đáng bằng những bián pháp cā thể sau:

Để có thể khắc phāc tốt hián t°ÿng rung đáng thì tr°ãc hết cần phải tìm hiểu rõ nguyên nhân gây nên những rung đáng đó để có đ°ÿc bián pháp lo¿i trù nó tốt nhất – Làm móng cāc bá cho những máy gây ra rung đáng lãn trong quá trình gia công – Cân bằng đáng các chi tiết, bá phận căa máy

– Cân bằng, cố định chi tiết khi gá nó trên bàn máy, mâm cặp

– Tăng đá cąng vững căa há thống công nghá: tăng khối l°ÿng thân máy, tăng đá cąng vững căa đồ gá, gá dao, thu gọn chi tiết.&

1.1.6 Nguçn dao đíng c°ÿng bćc:

Đáng c¡ PZT (piezoelectric)

Là lo¿i đáng c¡ đián ho¿t đáng dựa trên hiáu ąng áp đián, trong đó khi có đián tr°ßng đặt lên khối vật liáu áp đián sẽ làm thay đổi hình d¿ng căa khối đó, t¿o ra c¡ năng

¯u điểm căa đáng c¡ áp đián là kích th°ãc nhỏ, có tỷ số công suất trên khối l°ÿng rất cao,, ho¿t đáng không cần từ tr°ßng, và làm viác đ°ÿc trong chân không Nó đ°ÿc ąng dāng trong các thiết bị đián tử thông dāng và trong nghiên cąu vũ trā

°u tiên để cải thián tuổi thọ công cā Điều này lần l°ÿt thúc đẩy mąc chất l°ÿng ổn định và để tối °u hóa hiáu quả gia công, nên sử dāng chất làm mát áp suất cao để phá

vỡ phoi trực tiếp và chèn vãi bá phận bẻ phoi phù hÿp mát cách tiếp cận hoàn toàn mãi để kiểm soát phoi vãi công nghá cắt rung tần số thấp Vào mùa thu 2013, Citizen

đã thu hút sự chú ý cả trong và ngoài n°ãc bằng cách giãi thiáu mát máy kết hÿp công nghá này Yoshimitsu Oita thuác Phòng kinh doanh vật liáu Mitsubishi và Akira Sato căa Phòng phát triển vật liáu Mitsubishi đã đến thăm Takaichi Nakaya và Kazuhiko Sannomiya t¿i Phòng phát triển máy móc công dân để phỏng vấn họ về khái niám và t°¡ng lai căa công nghá cắt rung tần số thấp

1.2 2 Trong n°ßc:

- à Viát Nam hián nay, ąng dāng căa siêu âm công suất cao đã đ°ÿc giãi thiáu và th°¡ng m¿i hóa thông qua nhập khẩu các thiết bị từ n°ãc ngoài trong mát số l*nh vực nh° hàn siêu âm (Ultrasonic Welding), siêu âm làm s¿ch (Ultrasonic 3 Cleaning) v.v H°ãng nghiên cąu chế t¿o vật liáu áp đián nhằm sản xuất các bá chuyển đổi siêu âm

cũng mãi đ°ÿc triển khai những năm gần đây t¿i mát số tr°ßng Đ¿i học Tuy nhiên, ąng dāng căa siêu âm trong gia công c¡ khí vẫn ch°a đ°ÿc cập nhật, công bố khoa học về kỹ thuật ąng dāng rung đáng siêu âm trÿ giúp gia công ch°a thấy xuất hián trong n°ãc

1.3 Tính cấp thiÁt cąa đà tài

Viác gia công các vật liáu mãi đ°ÿc sử dāng trong ngành hàng không vũ trā, quốc phòng, hàng không, y tế và đián tử, sá hữu khả năng chống mòn, đá bền cao á nhiát

đá cao, khả năng chống suy thoái hóa học t¿o ra những thách thąc lãn cho các nhà nghiên cąu

Cuác cách m¿ng công nghiáp đã đ°ÿc bắt đầu và chuyển sang các quy trình sản xuất mãi, từ sản xuất thă công đến quy trình gia công Để giảm chi phí sản xuất và bảo vá môi tr°ßng, mát số kỹ thuật đ°ÿc sử dāng Trong khi bôi tr¡n đóng mát vai trò quan trọng trong các thông số thay đổi, chẳng h¿n nh° tuổi thọ dao, nhiát đá cắt, hoàn thián

bề mặt, hình thành phoi và lực cắt Tián ích siêu âm (UAT) đã đ°ÿc giãi thiáu Trong kỹ thuật này, rung đáng đ°ÿc kết hÿp vãi quy trình tián thông th°ßng để đ¿t đ°ÿc lÿi thế kết hÿp căa cả hai kỹ thuật trong quy trình gia công Há thống điều khiển UAT đ°ÿc phát triển bằng cách sử dāng bá t¿o chąc năng để t¿o ra tần số yêu cầu và đián áp đầu ra đ°ÿc kết nối trực tiếp vãi bá truyền đáng áp đián Trong khi bá truyền đáng áp đián PZT là thiết bị chính đ°ÿc sử dāng để chuyển đổi năng l°ÿng đián thành năng l°ÿng rung, trong đó rung đáng truyền đến đầu cắt và thực hián trong năng l°ÿng c¡ học để lo¿i bỏ vật liáu không mong muốn và t¿o ra kích th°ãc chính xác căa vật liáu làm viác Đặc tính căa quy trình gia công này về mặt lý thuyết có khả năng giảm hao mòn dāng cā, lực cắt và dựa trên phân tích thử nghiám hián t¿i đã cho thấy sự cải thián đáng kể về hoàn thián bề mặt và giảm hao mòn công cā

Tián có dao đáng hß trÿ phá vỡ phoi thành những mảnh nhỏ và xả chúng trong quá trình ho¿t đáng Điều này giải quyết tất cả các vấn đề gây ra bái phoi v°ãng víu trong quá trình gia công vật liáu khó cắt và khoan lß sâu

1.4 Măc tiêu đà tài, đåi t°āng nghiên cću

1.4.1 M ăc tiêu đà tài:

Nghiên cąu, thiết kế cán dao tián có dao đáng hß trÿ

Phân tích, mô phỏng cán dao tián bằng phần mềm Moldex 3D

Thí nghiám thực tế quá trình tián

So sánh vãi ph°¡ng pháp tián truyền thống, tổng kết kết quả

1.4.2 Đåi t°āng nghiên cću

Cán dao tián

Khãp nối mềm

Ph°¡ng pháp mô phỏng đá cąng căa khãp mềm

a Ph°¡ng pháp thu thập và tổng hÿp tài liáu:

Thu thập, phân tích và biên dịch tài liáu liên quan tãi công nghá tián có dao đáng hß trÿ,đảm bảo tính đa d¿ng, đa chiều và tận dāng đ°ÿc các kết quả căa các nghiên cąu mãi nhất, phù hÿp vãi nái dung nghiên cąu căa đề tài

b Ph°¡ng pháp phân tích mô phỏng:

Nghiên cąu lý thuyết: nghiên cąu các lý thuyết về phần mềm mô phỏng Ansys

Mô phỏng: tiến hành các mô phỏng liên quan đến thiết kế căa đề tài

Dựa trên các kết quả về mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench về các yếu tố: + Đá biến d¿ng căa cán dao

+ Đá cąng căa cán dao theo ph°¡ng X và ph°¡ng Z

Từ đó làm sang tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phāc cao

1.6 K Á ho¿ch thực hián

Kế ho¿ch thực hián luận văn đ°ÿc trình bày tóm tắt trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Kế ho¿ch thực hián đồ án

STT Các nái dung, công viác

thực hián chă yếu Sản phẩm phải đ¿t (số tháng) Thßi gian

CH¯¡NG 2 C¡ SÞ LÝ THUYÀT QUÁ TRÌNH TIàN CÓ DAO ĐìNG Hê

TR Ā

2.1 Gißi thiáu chung:

Gißi thißu vß c¡ sß lý thuy¿t:

Nßi dung ch±¡ng này là trình bày c¡ sß lý thuy¿t cÿa quá trình tißn có sÿ trÿ giúp cÿa dao đßng t¿o ra tÿ thi¿t bß PZT

Nguyên t¿c và c¡ ch¿ cÿa quá trình tißn có dao đßng hß trÿ

Mßt sß v¿n đß vß khßp nßi mßm cũng nh± đß cÿng cÿa v¿t lißu làm cán dao

Tißn có dao đßng hß trÿ PZT

- Các nghiên c°ú về khoa học gần đây đã chỉ ra viác giảm há số ma sát căa các thành phần trong quá trình gia công sản phẩm góp phần hoàn thián bề mặt sản phẩm

- Trong gia công c¡ khí vấn đề nâng cao chất l°ÿng bề mặt và năng suất cắt khi gia công các lo¿i vật liáu có đá cąng cao đang là mát l*nh vực đ°ÿc các nhà chế t¿o, các nhà khoa học đang nghiên cąu

- Nó là mát ph°¡ng pháp gia công phổ biến cần đ¿t đá nhẵn bóng bề mặt và năng suất cắt cao Để khắc phāc những h¿n chế kể trên, gia công cắt rung nói chung hay công nghá tián có tích hÿp rung đáng c°ỡng bąc nói riêng đã đ°ÿc nhiều nhà nghiên cąu trên thế giãi quan tâm và công bố Cắt rung là mát kỹ thuật sử dāng rung đáng vãi tần số cao hay thấp tác đáng lên dāng cā cắt hoặc phôi trong mát ho¿t đáng gia công để đ¿t đ°ÿc hiáu suất cắt tốt h¡n.Kỹ thuật này đã đ°ÿc sử dāng trong gia công chính xác gß và thép cacbon thấp

- Trong qúa trình tián cąng có tích hÿp rung đáng c°ỡng bąc là ta đ°a thêm vào qúa trình cắt mát nguồn rung đáng chă đáng vãi tần số cao và biên đá dao đáng theo h°ãng chuyển đáng ch¿y dao căa dāng cā cắt và phôi à qúa trình này thì nguồn t¿o rung là các c¡ cấu ąng dāng hiáu ąng áp đián.Các c¡ cấu rung sử dāng tinh thể gốm áp đián hay c¡ cấu chuyển đổi áp đián PZT ( Piezoelictric Transducers) th°ßng có tần số rung lãn và biên đá rung nhỏ.Vì vậy khi tián có tích hÿp rung đáng c°ỡng bąc có sử dāng các c¡ cấu này sẽ khắc phāc đ°ÿc những nh°ÿc điểm mà gia công tián còn tồn t¿i kể trên.Các PZT này đã đ°ÿc ąng dāng phổ biến và chế t¿o thành công trên nhiều lo¿i máy á các n°ãc trên thế giãi

- Các thực nghiám trên thế giãi chỉ ra rằng tián có tích hÿp rung đáng c°ỡng bąc

có 9 °u điểm v°ÿt trái so vãi tián cąng truyền thống đó là:

 Đá cąng vững căa há thống công nghá cao

 Quy trình cắt ổn định, lo¿i bỏ hián t°ÿng va đập giữa dao và phôi khi cắt

 Tuổi thọ căa dāng cā cắt tăng từ 3 đến 8 lần

 Tăng đá bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho chi tiết gia công

- Trong l*nh vực gia công c¡ khí á Viát Nam thì viác chế t¿o đ°ÿc c¡ cấu PZT ąng dāng phù hÿp vãi điều kián sản xuất trong n°ãc là mát vấn đề mãi mẻ đã đ°ÿc các nhà khoa học, các nhà nghiên cąu và chế t¿o bàn luận đ°a ra h°ãng tiếp cận t¿i hái nghị c¡ học

2.1.1 Những °u điểm v°āt tríi:

- Vận hành và kiểm chąng cho thấy sự °u viát căa viác tián có dao đáng hß trÿ về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, đá tròn, đá trā so vãi tián truyền thống inox304 nh° sau :

 Rung đáng c°ỡng bąc làm tăng khả năng bẻ phoi cho tián cąng, phoi tián

2.2 Công nghá cÁt rung siêu âm (UCV)

- Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là mát qúa trình cắt tiên tiến đã đ°ÿc ąng dāng từ những năm 1960 Trong kỹ thuật cắt này, dāng cā

cắt truyền thống dao đáng vãi tần số siêu âm bái đặc tính căa các PZT (Voronin

và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác) Do có sự chuyển đáng gián đo¿n giữa dāng cā cắt và phôi nên lực cắt giảm

rõ rát, làm tăng tuổi thọ dāng cā cắt và cải thián đ°ÿc tính ổn định khi cắt cũng nh° đá chính xác gia công, chất l°ÿng bề mặt (Skelton 1969; Kumabe và cáng sự,

1984 & 1989; Kim và Choi, 1997; Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cáng sự, 2002; Suzuki và cáng sự, 2004; Ma và cáng sự)

- H¡n nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc đ°ÿc các khó khăn về tính kinh tế trong các ph°¡ng pháp gia công truyền thống nh° đã đ°ÿc đề cập á trên và nó còn có thể

nhận đ°ÿc đá chính xác gia công cao cho nhiều lo¿i vật liáu gia công khác nhau (Skelton và cáng sự, 1969; Kumabe và cáng sự, 1979; Gao và cáng sự, 2002; Shamoto và Moriwaki, 1994; Baibitsky và cáng sự 2002; Suzuki và cáng sự, 2004

& 2007)

- Vãi các lý do đó, công nghá UVC đã nhận đ°ÿc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cąu và các nhà chế t¿o trong tất cả các công nghá gia công Ngày nay, nguyên lý căa kỹ thuật UVC đang đ°ÿc kết hÿp vãi các ph°¡ng pháp gia công khác, nh° tián, khoan, phay, mài, -EDM, mài giũa, đánh bóng để t¿o ra các lÿi ích mong muốn (Guo và cáng sự, 1997; Egashira và cáng sự, 2002; Gao và Liu, 2003; Moriwaki và cáng sự, 2004; Jaitana và cáng sự, 2004 & 2005; Suzuki và cáng sự, 2006)

2.3 Ph°¢ng pháp cÁt tích hāp siêu âm kiểu truyÃn thång (CUVC)

- Kỹ thuật CUVC (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) lần đầu tiên đ°ÿc

đề xuất bái Voronin và Marknov năm 1960 Trong 3 h°ãng rung có thể đ°ÿc cung cấp trên đầu dāng cā cắt bái các c¡ cấu rung áp đián- PZT, đ°ÿc thể hián trên hình 1.1, chỉ có h°ãng tiếp tuyến vãi chi tiết th°ßng đ°ÿc các nhà nghiên cąu sử dāng để thực nghiám Để đ¡n giản, gọi đây là ph°¡ng pháp UVC (Ultrasonic Vibration Cutting) Tuy nhiên, không ít các nhà nghiên cąu (Balamuth, 1966; Skelton, 1969; Kim và Choi, 1997; và Astachev và Babitsky, 1998) đã thực hián các thực nghiám trên h°ãng rung theo ph°¡ngch¿y dao và thấy rằng năng suất cắt không đ°ÿc cải thián rõ ràng khi so sánh vãi ph°¡ng pháp UVC tiếp tuyến

Hình 2.1: Mô hình rung đáng căa há thống

- Không có mát nghiên cąu nào sử dāng UVC theo ph°¡ng h°ãng kính chi tiết bái vì rung đáng theo h°ãng này không khả thi khi cắt vật liáu Trong nhiều nghiên cąu, UVC theo ph°¡ng tiếp tuyến đ°ÿc sử dāng Trong 3 thập kỷ gần nhất, ph°¡ng pháp CUVC đã đ°ÿc ąng dāng thành công cho nhiều lo¿i vật liáu khó gia công khác nhau bái nhiều nhà nghiên cąu (Kumabe và cáng sự, 1984 & 1989; Babitsky và cáng sự, 2003 & 2004; Zhou và cáng sự, 2002; Kim và choi, 1997; Gao và cáng sự, 2002; Xiao và cáng sự, 2002) Trong ph°¡ng pháp này,

tần số siêu âm khoảng 20 kHz và biên đá rất nhỏ, khoảng 10-15 µm đ°ÿc đặt lên chuyển đáng liên tāc căa dāng cā cắt (Babitsky và cáng sự, 2002) Tốc đá cắt trong kỹ thuật UVC đ°ÿc đặt thấp h¡n tốc đá rung lãn nhất căa dāng cā để dāng

cā có thể tách ra khỏi bề mặt phôi gia công trong từng chu kỳ rung Do sự tiếp xúc không liên tāc giữa dāng cā cắt và phôi, lực cắt trong ph°¡ng pháp này giảm đến khoảng vài lần khi so sánh vãi ph°¡ng pháp truyền thống và tuổi thọ

dāng cā lãn h¡n, quá trình cắt ổn định h¡n và chất l°ÿng bề mặt cao h¡n [5]

2.4 Ph°¢ng pháp cÁt tích hāp rung siêu âm kiểu elip (UEVC)

- Ph°¡ng pháp UEVC(hoặc 2-D UVC) lần đầu tiên đ°ÿc đề xuất bái Shamoto và Moriwaki vào năm 1993 Ph°¡ng pháp này đã phát triển để trá thành mát công nghá hąa hẹn v°ÿt trái h¡n nhiều so vãi các ph°¡ng pháp CC (gia công truyền thống) và CUVC và lÿi ích h¡n nhiều so vãi các ph°¡ng pháp gia công tiên tiến khác cho viác gia công siêu chính xác các lo¿i vật liáu khó gia công Nguyên lý

c¡ bản căa kỹ thuật cắt này là dāng cā cắt rung trong theo quỹ tích hình elip trong mặt phẳng t¿o bái ph°¡ng cắt gọt và h°ãng căa dòng phoi, nhƣ đ°ÿc thể hián trên hình 1.2 Do vậy, mặt tr°ÿc dāng cā cắt có thể t°¡ng trÿ để kéo các phoi ra từ phôi trong chuyển đáng thẳng đąng căa nó thuác rung đáng Ngoài ra,

ma sát giữa mặt tr°ãc dāng cā cắt và phoi trong h°ãng chuyển đáng thẳng căa dāng cā cắt trong mßi chu kỳ rung cũng giảm làm giảm đáng kể lực cắt và năng l°ÿng để cắt (Shamoto và Moriwaki, 1994; và Ma và cáng sự, 2004), làm tăng

tuổi thọ dāng cā cắt và cải thián đ°ÿc công suất cắt trong tất cả các khía c¿nh (Shamoto và cáng sự, 1997 & 2005) [5]

Hình 2.2 : Mô hình cắt theo kiểu elip

2.5 Công nghá rung đíng trā giúp gia công (VAM)

- Mát cách tiếp cận khác giải quyết vấn đề này là sử dāng công nghá rung đáng trÿ giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) tác đáng lên phôi hoặc lên dāng cā cắt khi tián cąng Nguyên tắc chung căa các ph°¡ng ph°¡ng pháp này là

bổ sung mát nguồn rung đáng t°¡ng đối theo ph°¡ng dọc trāc dao tián hay theo ph°¡ng căa lực cắt khi tián Rung đáng đ°ÿc khai thác cho tián cąng là rung siêu

âm, có tần số cao (f = 10 ÷ 40 KHz) và biên đá thấp (A = 2 ÷ 10 micromet) Các kết qăa cho thấy gia công bằng tián có rung đáng trÿ giúp cải thián điều kián bẻ phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền dao tián, nâng cao chất l°ÿng bề mặt chi tiết gia công Gia công tích hÿp rung siêu âm là ph°¡ng pháp gia công có nguồn rung đáng trÿ giúp vãi tần số rung đáng từ 15 ÷ 20 KHz trá lên, nguồn rung đáng vãi tần số càng cao thì hiáu quả căa qúa trình gia công các vật liáu dòn càng tốt [13] Nhiều nghiên cąu khác nhau đã có nhiều cải thián đáng kể về lực cắt khi tián, kích th°ãc các bavia, mài mòn dāng cā cắt thấp, giảm ồn, nâng cao đá chính xác và chất l°ÿng bề mặt sau tián cąng

- Nh° vậy, nói chung chất l°ÿng tổng thể căa ph°¡ng pháp tián đ°ÿc cải thián đáng

kể vãi sự trÿ giúp căa rung siêu âm Viác sử dāng rung siêu âm trong các qúa trình gia công đã t¿o ra nhiều °u thế cho gia công các lo¿i vật liáu khó gia công

Để t¿o ra đ°ÿc qúa trình tián rung tích hÿp siêu âm, cần phải có thiết bị t¿o siêu

âm gồm các tấm Piezoelectric và máy phát xung

2.6 So sánh giữa các ph°¢ng pháp

- Qua các nghiên cąu lý thuyết và thực nghiám đã thực hián, lực cắt, mòn dāng cā cắt, tuổi bền dāng cā cắt, chiều dày phoi, vấn đề giảm ba via, đá tròn căa chi tiết cũng nhƣ đá nhẵn bề mặt gia công đ¿t đ°ÿc đã đ°ÿc so sánh giữa các ph°¡ng pháp gia công: ph°¡ng pháp gia công truyền thống, ph°¡ng pháp gia công tích hÿp rung truyền thống và ph°¡ng pháp gia công tích hÿp rung kiểu elip Các kết

quả đã cho thấy, ph°¡ng pháp gia công truyền thống tồn t¿i nhiều nh°ÿc điểm nhƣ lực cắt lãn, gây mòn nhanh dāng cā cắt và giảm tuổi bền căa dāng cā cắt; chiều dày phoi còn chƣa cải thián đ°ÿc, trong khi chất l°ÿng chi tiết sau gia công còn quá cao Trong khi đó, áp dāng ph°¡ng pháp gia công tích hÿp rung, mà đặc biát là ph°¡ng pháp gia công tích hÿp rung kiểu elip, chất l°ÿng và hiáu quả căa quá trình gia công đ°ÿc cải thián rất đáng kể So sánh cā thể đ°ÿc thể hián trong bảng 1.1

Thông så

Gia công truy Ãn

th ång

Gia công v ßi rung siêu âm truy Ãn thång

Gia công v ßi

ki ểu rung siêu âm ki ểu elip

B Áng 1.1 So sánh giữa các ph°¡ng pháp gia công 2.7 Nguyên tÁc khai thác rung siêu âm và ćng dăng hiáu ćng áp đián

- Hiáu ąng áp đián: đ°ÿc Jacques và Pierre Curie phát hián và năm 1880 Họ thấy rằng nếu đặt mát biến d¿ng c¡ học lên các tinh thể thì chúng sẽ bị phân cực về đián và mąc đá phân cực tỷ lá vãi mąc đá lãn biến d¿ng đặt vào Curie còn khám phám ra rằng, các vật liáu giống vãi vật liáu này sẽ bị biến d¿ng khi đặt vào chúng

mát đián tr°ßng Hián t°ÿng này đ°ÿc gọi là hiáu ąng áp đián ng°ÿc Bản chất căa hiáu ąng áp đián đ°ÿc thể hián trên hình 2.7

hoặc nén) đ±ÿc đặt lên tinh thß s¿ làm thay đßi kho¿ng cách giÿa các vß trí đißn tích âm và d±¡ng trong mßi ph¿n tÿ d¿n đ¿n sÿ phân cÿc m¿ng ß bß mặt tinh thß Hißu ÿng này th±ßng là tuy¿n tính Sÿ phân cÿc thay đßi trÿc ti¿p

vßi ÿng su¿t đặt vào và phÿ thußc vào h±ßng ÿng su¿t, d¿n đ¿n các ÿng su¿t nén và kéo s¿ phát sinh đißn tr±ßng và do v¿y đißn áp bß phân cÿc ng±ÿc

Ng±ÿc l¿i, n¿u tinh thß đ±ÿc đặt vào mßt đißn tr±ßng thì nó s¿ phát sinh mßt

bi¿n d¿ng d¿o làm cho chißu dài cÿa tinh thß tăng hoặc gi¿m t±¡ng ÿng vßi

đß phân cÿc đißn tr±ßng Các c¡ c¿u làm vißc theo ph±¡ng dßc trÿc và theo

ph±¡ng ngang có đß cÿng cao và đ±ÿc tßi ±u cho các chuyßn đßng nhß và lÿc

lßn Các c¡ c¿u hßn hÿp (tinh thß kép) sÿ dÿng cho các ÿng dÿng yêu c¿u chuyßn vß lßn N¿u đặt lên c¡ c¿u mßt đißn áp thì s¿ có mßt chuyßn vß xu¿t

hißn Khi chuyßn vß này bß ngăn c¿n, mßt lÿc s¿ xu¿t hißn, gßi là lÿc c¿n, thÿc

t¿ nó là thông sß xác đßnh đß cÿng cÿa c¡ c¿u

Vißc chuyßn đßi tÿ năng l±¡ng đißn sang chuyßn vß c¡ hßc đ±¡c thß hißn b¿ng công thÿc sau [16]:

S=dE=dU/l

Ở đây, S là bi¿n d¿ng c¡ hßc phát sinh do đißn tr±ßng E hoặc đißn áp V đặt vào

mi¿ng v¿t lißu áp đißn (xem hình 1.9) còn l là chißu cao cÿa mi¿ng áp đißn đó

Hình 2.4: Hiáu ąng áp đián thuận và nghịch

2.7.1 Các tính toán c¢ bÁn và các c¢ cấu PZT

- Các c¡ cấu chuyển đổi áp đián (Piezoelectric Tranducers- PZT) là các tấm đ°¡c chế t¿o bằng các lo¿i vật liáu áp đián để t¿o ra các biến d¿ng (t¿o ra rung đáng) khi có sự phân cực đián áp đặt vào hoặc phát ra tín hiáu đián áp khi có biến d¿ng

do ngo¿i lực Các c¡ cấu PZT biến đổi tín hiáu đián nhƣ đián áp hoặc đián tích thành chuyển vị c¡ học hoặc lực Dãy tần số điều khiển căa các c¡ cấu từ t*nh đến khoảng 1/2 tần số cáng hƣáng căa há thống c¡ học Giống nhƣ mát cảm biến, cần biết mối quan há tuyến tính hÿp lý giữa tín hiáu đầu vào và chuyển vị c¡ học Mặt khác, có mát lo¿i c¡ cấu đặc biát đ°¡c điều khiển t¿i tần số cáng hƣáng căa chúng, đ°¡c gọi là bá chuyển đổi siêu âm Những bá chuyển đổi này biến đổi năng l°¡ng đián thành năng l°¡ng c¡ học

- Các c¡ cấu PZT đ°¡c chia thành 3 nhóm chính sau:

 Các c¡ cấu làm viác theo ph°¡ng dọc trāc

 Các c¡ cấu làm viác theo ph°¡ng ngang

 Các c¡ cấu làm viác theo kiểu hßn hÿp

- Các c¡ cấu làm viác theo phƣ¡ng dọc trāc và theo phƣ¡ng ngang có đá cąng cao và đƣÿc tối ƣu cho các chuyển đáng nhỏ và lực lãn Các c¡ cấu hßn hÿp (tinh thể kép) sử dāng cho các ąng dāng yêu cầu chuyển vị lãn

- Nếu đặt lên c¡ cấu mát đián áp thì sẽ có mát chuyển vị xuất hián Khi chuyển vị này bị ngăn cản, mát lực sẽ xuất hián, gọi là lực cản, thực tế nó là thông số xác định đá cąng căa c¡ cấu Hình 2.7.2 đƣa ra mát minh họa về sự kết hÿp khả thi giữa lực cản hành trình

Hành trình- chính là biên đá rung khi &F=0 (không có tải):

Đá cąng (hằng số lò xo):

ÿĀ = &ā&ℎ = þþĀ

33Ā ℎ (2.8) Tần số cáng hƣáng cho PZT tự do vãi w và l < h:

- D ( chỉ số trên) thể hián điều kián lƣÿng dịch chuyển đián cố định,

- E ( chỉ số trên) thể hián điều kián đián trƣßng cố định;

(5) d33 là há số biến d¿ng c¡ theo phƣ¡ng dọc (m/V) hay là đá phân cực theo phƣ¡ng 3 trên 1 đ¡n vị ąng suất tác dāng theo phƣ¡ng 3;

(6) d31 là há số biến d¿ng c¡ theo phƣ¡ng ngang (m/V) hay là đá phân cực theo hƣãng 3 trên 1 đ¡n vị ąng suất tác dāng theo phƣ¡ng 1;

(7) g31 là hằng số đián áp áp đián theo phƣ¡ng ngang (Vm/N) hay là lƣÿng đián trƣßng đƣÿc t¿o ra theo chiều 3 trên 1 đ¡n vị ąng suất tác dāng theo hƣãng 1; (8) g33 là hằng số đián áp áp đián theo phƣ¡ng dọc (Vm/N) hay là lƣÿng đián trƣßng đƣÿc t¿o ra theo chiều 3 trên 1 đ¡n vị ąng suất tác dāng theo hƣãng 3; (9) g15, đ¡n vị Vm/N, là lƣÿng đián trƣßng gây ra theo chiều 1 trên 1 đ¡n vị ąng

- k31 là há số hiáu suất lắp ghép theo phƣ¡ng ngang (%);

- PZT này th°ßng đ°ÿc chế t¿o thành hai d¿ng c¡ bản sau:

 D¿ng PZT d¿ng miếng đ¡n, đ°ÿc thể hián á hình 2.7.3:

Hình 2.6: PZT d¿ng miếng đ¡n

 Lo¿i này gồm các số hiáu PZT-4, PZT-8 vãi các kích th°ãc đa d¿ng phù hÿp cho từng tr°ßng hÿp cā thể Đây là các miếng PZT đ°ÿc dùng để đo lực cắt, trọng l°ÿng hoặc sử dāng t¿o rung đáng tần số cao và biên đá nhỏ

vì mßi miếng PZT chỉ có thể t¿o ra rung đáng vãi biên đá 1.8 ÷ 2 (m) và tần số rất lãn (đến hàng chāc, hàng trăm kHz)

 D¿ng PZT xếp chồng, đ°ÿc thể hián á hình 2.4

Hình 2.7: PZT d¿ng xếp chồng

 Lo¿i PZT này đ°ÿc các công ty chế t¿o sẵn thành các cát xếp chồng vãi các số hiáu PZT5A, PZT5K có thể t¿o đ°ÿc rung đáng vãi biên đá lãn và tần số rất lãn (hàng chāc đến hàng trăm, nghìn kHz)

- Ph°¡ng pháp t¿o rung đáng bằng các PZT là ph°¡ng pháp t¿o rung tiến tiến nhất hián nay và đang đ°ÿc ąng dāng rất phổ biến trong công nghiáp ¯u điểm căa ph°¡ng pháp chính là có thể t¿o ra rung đáng vãi công suất rất lãn (đến hàng nghìn W) và tần số rung đáng rất cao, v°ÿt qua tần số siêu âm nhiều lần (f > 20 kHz) H¡n nữa, các c¡ cấu này th°ßng cho biên đá rung thấp A = 2 ÷ 5 (m) nó thích hÿp cho gia công tián cąng nhằm nâng cao chất l°ÿng bề mặt cho chi tiết sau tián Nh°ÿc điểm căa ph°¡ng pháp này chính là chi phí chế t¿o cao (chi phí cho các PZT và máy phát đián áp xung tần số cao tính bằng hàng trăm hoặc hàng ngàn USD) Qua các phân tích á trên kết hÿp vãi māc tiêu căa đề tài là nâng cao

đá chính xác và chất l°ÿng bề mặt cho chi tiết khi tián, ph°¡ng pháp t¿o rung đáng siêu âm tần số cao bằng các PZT đã đ°ÿc chọn để thiết kế, chế t¿o và thử nghiám

2.8 Khái niám và khßp nåi mÃm:

2.8.1 Khßp mÃm là gì?

- Khãp mềm (Flexure hinge) đ°ÿc sử dāng ráng rãi trong giai đo¿n định vị vi mô

và vi điều khiển vì có nhiều °u điểm Nó không có ma sát chống tr°ÿt, không có khe há, chuyển vị tr¡n tru và liên tāc, và không cần bôi tr¡n và đá phân giải vốn

có vô h¿n Có nhiều lo¿i khãp mềm, nh° khãp mềm phải, góc phải, elip, góc đầy, parabol và khãp mềm hyperbolic Khãp mềm uốn cong phải là lo¿i phổ biến nhất

vì nó đ¡n giản để thiết kế và sản xuất Khãp mềm uốn cong không đối xąng phải đ°ÿc trình bày và tổng hÿp trong nghiên cąu theo kích th°ãc bán kính cung tròn cắt căa cả hai mặt căa bản lề uốn tròn phải và công thąc tính toán đá cąng xoay căa bản lề uốn cong không đối xąng đ°ÿc suy ra [1] [2]

2.8.2 C¢ chÁ uån hình bình hành:

- C¡ chế uốn cung cấp chuyển đáng có h°ãng dẫn thông qua biến d¿ng đàn hồi và đ°ÿc sử dāngtrong mát lo¿t các ąng dāng đòi hỏi đá chính xác cao, lắp ráp tối thiểu, ho¿t đáng lâu dài cuác sống, hoặc thiết kế đ¡n giản Các chąc năng h°ãng dẫn chuyển đáng căa mát uốn cong c¡ chế dẫn đến mąc đá tự do (DoF) và mąc

đá ràng buác (DoC), t°¡ng tự nh° những gì nhìn thấy trong các c¡ chế liên kết cąng nhắc truyền thống Trong tr°ßng hÿp uốn cong các c¡ chế, h°ãng DoF đ°ÿc liên kết vãi đá cąng nhỏ trong khi DoC h°ãng thể hián mát số đ¡n đặt hàng đá

cąng cao h¡n, Ví dā, c¡ chế uốn cong hình bình hành đ°ÿc hiển thị trong Hình 2.8.1 và hình 2.8.2 [3]

Hình 2.8.1: C¡ chế uốn hình bình hành

Hình 2.8.2: Góc nhìn khác căa c¡ chế uốn

- Đối vãi mát c¡ chế uốn cho tr°ãc, nh° c¡ chế đ°ÿc hiển thị á trên, mát nhà thiết

kế th°ßng tìm cách xác định ph¿m vi dịch chuyển căa nó tr°ãc khi hỏng vật liáu,

đá cąng dọccác h°ãng DoF và DoC, sự thay đổi trong các giá trị đá cąng này vãi tải tăngvà chuyển vị, và chuyển đáng không mong muốn hoặc lßi dọc theo h°ãng DoC Các nhà thiết kế cũng có thể tìm cách hiểu làm thế nào các thuác tính h°ãng

dẫn chuyển đáng nàyphā thuác vào các tham số hình học (tąc là kích th°ãc) căa c¡ chế uốn

- Điều đó sẽ cho phép tối °u hóa thiết kế Những māc tiêu này thúc đẩy nhu cầu dự đoán, mô hình phân tích các c¡ chế uốn

- Tuy nhiên, tr°ãc khi đi sâu vào mô hình hóa, có mát số quan sát nhất định rằng

có thể đ°ÿc thực hián định tính Ví dā, trong c¡ chế uốn căa Hình 2.8.1 [4]

1 Có các chuyển đáng lßi dọc theo X và DoC tăng khi tăng chuyển vị dọc theo Y DoF

2 Mát lực kéo dọc theo X DoC làm tăng đá cąng dọc theo Y DoF và lực nén làm ng°ÿc l¿i

3 Chữ X và Đá cąng h°ãng DoC giảm vãi đá dịch chuyển dọc theo Y DoF

- Kết quả phân tích và thử nghiám má ráng đã chỉ ra rằng các thuác tính trên, ảnh h°áng trực tiếp đến hiáu suất h°ãng dẫn chuyển đáng căa c¡ chế uốn, phā thuác m¿nh mẽ vào các phi tuyến hình học trong c¡ học uốn Vì thế, trong khi mô hình chuyển vị tải đàn hồi tuyến tính đ¡n giản để lấy đ°ÿc, d¿ng đóng và tham số, nó không nắm bắt đ°ÿc những quan sát này Bao gồm các phi tuyến hình học trong

mô hình phân tích căa các c¡ chế uốn nói chung là không cần thiết

- Mặc dù ph°¡ng pháp số nh° phân tích phần tử hữu h¿n phi tuyến (FEA) có thể đ°ÿc sử dāng để có đ°ÿc kết quả chính xác, họ cung cấp cái nhìn sâu sắc thiết kế tham số nhỏ Thay vào đó, mát phân tích-Mô hình ical là mong muốn, đ¡n giản,

d¿ng đóng và tham số mát mặt, nh°ng cũng nắm bắt chính xác các phi tuyến hình học có liên quan để tải chung điều kián trên mát ph¿m vi thực tế hữu ích căa chuyển vị [5]

Hình 2.8.2: Đá uốn căa dầm

- Về nguyên tắc, nếu các yếu tố cấu thành c¡ bản căa c¡ chế uốn đ°ÿc mô hình hóa, sau đó toàn bá c¡ chế uốn cũng có thể đ°ÿc mô hình hóa thông qua toán học thích hÿp các b°ãc Điều này sau đó chuyển sự chú ý đến mô hình hóa các yếu tố cấu thành, trong đó điểm nổi bật nhất là đá uốn căa chùm tia (Hình 3.2) Cho nó dài

và thon hình học, mát uốn cong cung cấp đá cąng thấp theo h°ãng uốn ngang và

đá cąng cao theo h°ãng kéo dài trāc, và do đó phāc vā nh° là mát hữu ích yếu tố ràng buác hoặc khối xây dựng trong các c¡ chế uốn khác nhau

2.8.3 Nguyên lý ho¿t đíng khßp mÃm:

- Thiết bị truyền đáng áp đián, th°ßng đ°ÿc sử dāng á vị trí vi mô vàdāng cā chính xác, có đặc tính đá cąng cao,đáp ąng nhanh, và lực đầu ra cao Tuy nhiên, nh° đầu ra căa nóchuyển vị th°ßng chỉ 10um-30um, và tối đa chuyển vị đầu ra không quá 100um c¡ chế khuếch đ¿i dịch chuyển là cần thiết cho thực tếcác ąng dāng[5]

- Bản lề uốn là mát thiết bị truyền đáng c¡ học sử dāngbiến d¿ng đàn hồi căa phần yếu căa nó để đ¿t đ°ÿc chuyển đáng Do đặc điểm không ma sát, không khe há

và cao đá nh¿y căa chuyển đáng, bản lề uốn là phổ biến trong bá khuếch đ¿i vi dịch chuyển Nói chung, nó có thể phóng to dịch chuyển thành vài trăm micron, rất lãn má ráng các ąng dāng căa bá truyền đáng áp đián Nhiều các lo¿i bản lề

uốn đ°ÿc phát triển và dựa trên hình d¿ng khác nhau căa mát bản lề, bản lề uốn

có thể đ°ÿc đ°ÿc chia thành các lo¿i sau: góc phải, vòng tròn phải, hình elip, parabol, hyperbolic, hình chữ V và góc phi So vãi bản lề uốn cong góc phải, mát bản lề phải bản lề uốn tròn có đá cąng lãn h¡n và dịch vā tốt h¡n cuác sống, đó

là lý do t¿i sao thiết kế đề xuất áp dāng mát vòng tròn bên phải khãp nối [6]

- Theo nguyên lý khuếch đ¿i dịch chuyển,cho các māc đích thực tế, các c¡ chế khuếch đ¿i có thể đ°ÿc chia thành ba lo¿i sau: lo¿i đòn bẩy[7]

- Kiểu đòn bẩy khuếch đ¿i dịch chuyển thông qua các nguyên tắc căa đòn bẩy má ráng, có cấu trúc đ¡n giản và làm cho đầu vào và đầu ra duy trì mối quan há tuyến tính tốt; tuy nhiên, nó tỷ lá khuếch đ¿i cấp đầu tiên nhỏ đến mąc hai cấp hoặc c¡ chế khuếch đ¿i đa cấp có thể cần thiết, dẫn đầu đến mát cấu trúc t°¡ng đối lãn Chuyển vị kiểu cầu Về mặt lý thuyết, tỷ lá khuếch đ¿i có thể đ¿t đ°ÿc tỷ lá 40:1, mặc dù lßi sẽ đ°ÿc khuếch đ¿i cùng mát lúc và nó có tần số cáng h°áng cao

và hiáu suất đáng tốt Bá khuếch đ¿i dịch chuyển kiểu mặt móc th°ßng đ°ÿc sử dāng cho biến d¿ng tấm mỏng và đá cong ban đầu nhỏ h¡n, khuếch đ¿i càng lãn; tuy nhiên, cấu trúc không ổn định khi ho¿t đáng trong môi tr°ßng tần số cao.[8] [9]

2.8.4 Mô hình c¢ khí

- Vãi c¡ chế khuếch đ¿i góc vuông th°ßng đ°ÿc sử dāng trong các thí nghiám nghiên cąu khoa học, h°ãng dịch chuyển đầu ra căa nó là h°ãng về phía bên trong nh° thể hián trong hình 2.8.4 (a) Mặc dù cấu trúc này có thể đáp ąng nhu cầu dịch chuyển, có thể có mát thiếu sót cho ąng dāng kỹ thuật nhất định Ví dā, công nghá cần mát lực đầu ra đ°ÿc áp dāng trên vòi phun để đ¿t đ°ÿc hiáu quả niêm phong, để mát c¡ chế vãi l¿c hậu đầu ra không phù hÿp Do đó, chúng tôi đã thay

đổi h°ãng căa đầu ra và chọn mát bản lề uốn vòng tròn bên phải thay vì lo¿i góc phải S¡ đồ cấu trúc kết quả đ°ÿc hiển thị trong Hình 2.8.4 (b) [10]

Hình 2.8.4 (a) Kiểu khãp hình vuông

Hình 2.8.4 (b) Kiểu khãp hình cầu

- Hai điều quan trọng nhất đối vãi thiết kế khãp mềm là mát công thąc tỷ lá

khuếch đ¿i chính xác và biết làm thế nào các tham số ảnh h°áng đến tỷ lá

khuếch đ¿i

- Có thể thấy rằng mô hình tỷ lá khuếch đ¿i căa c¡ chế kiểu cầu có mát mối quan

há tốt vãi đá cąng xoay và đá cąng tịnh tiến căa bản lề Đối vãi mát uốn cong vòng tròn bên phải bản lề Paros và Weisbord[11]đã thiết lập mát mô hình t*nh dựa trên giả định biến d¿ng nhỏ và dẫn xuất công thąc phân tích có thể đ°ÿc đ¡n giản hóa khi tối thiểu đá dày nhỏ h¡n nhiều so vãi bán kính cắt; và Wu [12]

đã phát triển mát công thąc tính toán ngắn gọn và chính xác h¡n bằng cách sử

dāng công thąc c¡ bản căa c¡ học vật liáu và lấy góc cung tròn nh° biến tích phân Nh° hình 2.8.5

ăĀąĂăÿ:4ā + 1

- Đá cąng tịnh tiến căa bản lề uốn cong vòng tròn bên phải trāc x là:

ÿą = āĄĈ2 (2.6)

Ĉ2 = 2(2Ą+1):4Ą+1 ăĀąĂăÿ:4ā + 1 2ÿ2

2.8.5.Mô hình hóa các phi tuy¿n hình hßc trong khßp mßm ußn cong

- Công thąc c¡ học tiêu chuẩn cho dầm dài, mảnh, phẳng dựa trên Euler và Bernoulli giả định rằng các mặt cắt ngang căa mặt phẳng vuông góc vãi chùm trāc trung tâm tr°ãc khi biến d¿ng vẫn là mặt phẳng và vuông góc vãi trāc trung tính sau khi biến d¿ng Giả định này lo¿i trừ biến d¿ng cắt ngay cả khi có mặt tải

trọng cắt Mát công thąc c¡ học tiêu chuẩn dựa trên giả định này dẫn đến mối quan há chi phối sau đây đối vãi chùm tia đ°ÿc chỉ ra trong công thąc d°ãi đây:

āă(Ā) = āāĀ+ ĂĀĀ(1 2 Ā) (2.8)

- Điều này chỉ hÿp lý khi các chuyển vị căa chùm tia cực nhỏ Biểu thąc chính xác nhất cho tr¿ng thái cân bằng tải có đ°ÿc khi nó đ°ÿc áp dāng trong cấu hình biến

d¿ng căa chùm tia, nh° sau:

āă(Ā) = āāĀ+ ĂĀĀ(1 + ýÿĀ2 Ā) 2 ĂÿĀ(ýĀĀ 2 ýĀ(Ā)) (2.9)

- Áp dāng cân bằng tải trong cấu hình chùm biến d¿ng là về mặt toán họcvà t°¡ng đ°¡ng về mặt vật lý vãi viác nhận ra sự đóng góp căa xoay vòng giây Tions cho biến d¿ng dọc trāc hoặc công nhận t°¡ng đ°¡ng bảo tồn chiều dài chùm tia, tất

cả đều là phi tuyến hình học quan trọng

- Thą hai, chùm cong ρ ( X ) phải đ°ÿc thể hián bằng vị trítọa đá và biến số dịch

chuyển căa chùm tia Đối vãi biến d¿ng trong vòng 10% căa chiều dài chùm tia,

đá cong có thể xấp xỉ là:

1 Ā(ÿ) = ā′′(Ā)(2.9)

- Tuy nhiên, biểu thąc chính xác nhất về mặt toán học cho đá cong đ°ÿc đ°a ra bái:

1

(12Ā′′(ÿ) 2 ) 1 2 ⁄ (2.10)

- Phân tích các c¡ chế uốn trong ph¿m vi dịch chuyển trung gian chùm U Y (0)

= U Y (0) = 0 để t¿o ra các mối quan há chuyển vị tải trọng sau đây t¿i kết thúc tự

- Mát cách riêng biát, ng°ßi ta có thể áp dāng Định luật Hooke trong Định

h°ãng X để t¿o ra những điều sau đây

đáng hành vi căa các c¡ chế uốn đ°ÿc thảo luận tr°ãc đây Đối vãi định h°ãng X ,

kết quả là chính xác chỉ khi chuyển vị ngang ( U YL và L * θ ZL ) là căa thą tự đá

dày T căa dầm Theo h°ãng ngang hoặc uốn, các mối quan há chỉ chính xác khi tải trọng trāc F XL không đáng kể và chuyển vị ngang ( U YL và L * θ ZL ) nằm trong 10% chiều dài chùm L Ngoài ra, ng°ßi ta có thể sử dāng biểu thąc cân bằng tải phi tuyến chính xác và biểu thąc đá cong Thay thế những điều này vào ph°¡ng trình t¿o ra ph°¡ng trình vi phân hoàn toàn chùm phi tuyến: (2.14)

ā�㔼āāā′′(Ā)(1 2 ā′(Ā)2)1⁄2 =āĂĀ+ ĂāĀ(1 + ýĀĀ2 Ā)2 ĂĀĀ(ýāĀ2 ýā(Ā))

- Giải ph°¡ng trình phi tuyến này, cùng vãi ranh giãi đã nêu tr°ãc đó ditions, cho tải cuối chung là không cần thiết về mặt toán học Đối vãi tải cuối cùng cā thể và tiết dián dầm đồng đều, quy trình giải pháp dựa trên tích phân elip đ°ÿc thảo luận chi tiết đáng kể Tuy nhiên, các giải pháp cuối cùng cho chuyển vị cuối trong ph°¡ng pháp này phải đ°ÿc lấy bằng số, làm cho nó cũng vậy phąc t¿p cho thiết kế c¡ chế uốn Giải pháp dịch chuyển cho mọi kết thúc chung tải cũng có thể thu đ°ÿc bằng cách sử dāng phân tích phần tử hữu h¿n phi tuyến (FEA) mà kết hÿp tất cả các phi tuyến hình học

á trên Cả hai giải pháp phi tuyến này ph°¡ng pháp tiếp cận, mặc dù rất chính xác, cung cấp ít kiến thąc thiết kế tham số Mối quan tâm này đ°ÿc giải quyết, mát phần, bái mô hình c¡ thể giả cąng (PRBM) PRBM đ¿i dián cho mát tham số gáp mô hình tiếp cận để nắm bắt hành vi dịch chuyển lãn căa uốn cong chùm và đ°ÿc lấy từ mát quá trình tối °u hóa sử dāng giải pháp phi tuyến chính xác cho mát đá uốn căa chùm tia có thể thu đ°ÿc thông qua các tích phân elip hoặc các số khác ph°¡ng pháp ical Vì

lý do này, các tham số PRBM phải đ°ÿc tính toán l¿i cho mọi thay đổi trong điều kián tải và ranh giãi Sau khi có đ°ÿc, PRBM chính xác nắm bắt các mối quan há dịch chuyển tải ngang h°ãng trên mát ph¿m vi rất lã ph¿m vi vị

trí: U YL và L * θ ZL căa trật tự căa chiều dài chùm L H¡n nữa, n ghi l¿i sự cąng l¿i

căa các h°ãng DoF khi có tải DoC cũng nh các thành phần đáng học hoặc hình học thuần túy căa các chuyển đáng lßi trong direc DoC-tions Tuy nhiên, giả định tuân thă gáp vốn có căa mát lo¿i trừ PRBM bất kỳ biến đổi đá cąng nào theo h°ãng DoC khi tăng chuyển vị DoF và chuyển đáng lßi DoC nhất định Những quan sát này có nguồn gốc định l°ÿng và minh họa bằng đồ họa sau này trong ch°¡ng này Để khắc phāc những h¿n chế này, cách tiếp cận đ°ÿc trình bày trong ch°¡ng này là thực hián

ra mát tuyến tính hóa mát phần căa ph°¡ng trình điều khiển chùm tia, tąc là sử dāng tuyến tính hóa biểu thąc gần đúng cho đá cong nh°ng biểu thąc chính xác phi tuyến cho cân bằng tải Vì c¡ chế uốn th°ßng sử dāng thanh mảnh dài các chùm tia trải qua các chuyển vị DoF nằm trong ph¿m vi 10% t°¡ng ąng chiều dài chùm tia, đá phi

tuyến cong căa chùm tia không có nhiều ý ngh*a ( < 1% sai số xấp xỉ) Tuy nhiên, sự

hián dián căa mát lực dọc trāc F XL t°¡ng đ°¡ng tải trọng ngang ( F YL và M ZL /

L) t¿o ra đóng góp lãn tãi 10% đến thßi điểm uốn t¿i mát mặt cắt nhất định, và do đó

có thể không đ°ÿc bỏ qua Ngoài ra, nh° đã l°u ý tr°ãc đó, tính phi tuyến hình học

liên quan đến cân bằng tải là hoàn toàn t°¡ng đ°¡ng vãi phi tuyến bảo tồn chiều dài chùm tia, đó là quan trọng để nắm bắt các đáng học căa biến d¿ng uốn-chùm

Nắm bắt các mối quan há dịch chuyển tải ngang h°ãng trên mát ph¿m vi rất lãn ph¿m

vi vị trí: U YL và L * θ ZL căa trật tự căa chiều dài chùm L H¡n nữa, nó ghi l¿i sự cąng l¿i căa các h°ãng DoF khi có tải DoC cũng nh° các thành phần đáng học hoặc hình học thuần túy căa các chuyển đáng lßi trong direc DoC-tions Tuy nhiên, giả định tuân thă gáp vốn có căa mát lo¿i trừ PRBM bất kỳ biến đổi đá cąng nào theo h°ãng DoC khi tăng chuyển vị DoF và chuyển đáng lßi DoC nhất định Những quan sát này có nguồn gốc định l°ÿng và minh họa bằng đồ họa sau này trong ch°¡ng này

Để khắc phāc những h¿n chế này, cách tiếp cận đ°ÿc trình bày trong ch°¡ng này là thực hián ra mát tuyến tính hóa mát phần căa ph°¡ng trình điều khiển chùm tia, tąc

là sử dāng tuyến tính hóa biểu thąc gần đúng cho đá cong nh°ng biểu thąc chính xác phi tuyếncho cân bằng tải Vì c¡ chế uốn th°ßng sử dāng thanh mảnh dài các chùm tia trải qua các chuyển vị DoF nằm trong ph¿m vi 10% t°¡ng ąng chiều dài chùm tia,

đá phi tuyến cong căa chùm tia không có nhiều ý ngh*a ( < 1% sai số xấp xỉ) Tuy

nhiên, sự hián dián căa mát lực dọc trāc F XL t°¡ng đ°¡ng tải trọng ngang ( F YL và M ZL / L) t¿o ra đóng góp lãn tãi 10% đến thßi điểm uốn t¿i mát mặt cắt

nhất định, và do đó có thể không đ°ÿc bỏ qua Ngoài ra, nh° đã l°u ý tr°ãc đó, tính phi tuyến hình học liên quan đến cân bằng tải là hoàn toàn t°¡ng đ°¡ng vãi phi tuyến bảo tồn chiều dài chùm tia, đó là quan trọng để nắm bắt các đáng học căa biến d¿ng uốn-chùm

2.8.6.Mô hình rang bußc cÿa khßp mßm

- Tầm quan trọng căa viác áp dāng cân bằng tải trong cấu hình biến d¿ng căa chùm

tia là trong khi tải h°ãng trāc F XL tìm thấy mát vị trí trong vi sai này ph°¡ng trình,

chính ph°¡ng trình và các điều kián biên liên quan vẫn tuyến tính trong tải h°ãng

ngang ( F YL và M ZL ) và chuyển vị ( U Y ( X ) và dẫn xuất căa nó-c¡n giận) Do

đó, viác giải ph°¡ng trình này dẫn đến mối quan há tuyến tính giữa các tải cuối và

chuyển vị cuối ( U YL và θ ZL = U YL ) Các điều khoản đá cąng liên quan, tuy nhiên,

không còn đ¡n thuần là các thuật ngữ đàn hồi, mà là các chąc năng siêu viát căa trāc

tải F XL Các chąc năng này đ°ÿc má ráng thành mát chußi vô h¿n trong F XL và

bị cắt cāt công suất đầu tiên, vãi sai số nhỏ h¡n 1% khi F XL t°¡ng đ°¡ng vãi tải ngang F YL và M ZL / L , để mang l¿i mối quan há dịch chuyển tải ngang cuối sau:

- Phía bên trái và bên phải căa ph°¡ng trình này biểu thị đá dài chùm tr°ãc và sau đá lách uốn t°¡ng ąng Chiều dài chùm không biến d¿ng đ°ÿc tăng c°ßng vãi bất kỳ đá

co giãn nào do tải trọng trāc F XL đ°ÿc áp dāng á phía bên trái Trong tr°ßng hÿp

này, điều quan trọng là bao gồm thuật ngữ bậc hai trong U Y ( X ) á bên phải-phía

bên để nắm bắt các đáng học liên quan đến hình học lách chùm, và phù hÿp vãi viác

áp dāng cân bằng tải trong điều kián biến d¿ng (3.3) Sử dāng giải pháp U Y ( X ) cho

ph°¡ng trình Ph°¡ng trình cũng có thể đ°ÿc giải quyết á d¿ng kín để tiết lá mát

thành phần căa U XL có sự phā thuác bậc hai vào U YL và θ ZL Nh° có thể đ°ÿc dự

kiến, các há số trong mối quan há bậc hai này cũng siêu viát chąc năng căa tải trọng

trāc F XL Mát lo¿t má ráng và cắt ngắn cho sąc m¿nh đầu tiên trong sản l°ÿng F XL

chuyển vị và chiều dài đ°ÿc chuẩn hóa bái chiều dài chùm L , lực bằng EI ZZ / L 2,

và những khoảnh khắc bái EI ZZ / L Do đó, ng°ßi ta có thể định ngh*a:

mát quy mô đác lập, nhỏ gọn và định d¿ng tham số Nh° đã thấy á trên, ąng dāng cân bằng tải trong cấu hình biến d¿ng bao gồm sự đóng góp căa lực dọc trāc chąng

tỏ là rất quan trọng trong các ràng buác đặc tính căa mát chùm tia Trong tr°ßng hÿp chùm tia kẹp, kết quả căa nó có ý ngh*a ngay cả đối vãi các chuyển vị

DoF, u y 1 và θ z 1 , nhỏ h¡n 0,1 Mặc dù bao gồm hiáu ąng phi tuyến này, ph°¡ng

trình vi phân điều khiển chùm tia vẫn tuyến tính trong tải trọng ngang và chuyển vị, dẫn đến t°¡ng đối đ¡n giản mô hình toán học Mặt khác, th° giãn tuyến tính hóa đá cong căa chùm tia giả định không cung cấp cái nhìn sâu sắc bổ sung trong hành vi ràng buác, cũng không ảnh h°áng căa no trá nên quan trọng cho đến khi chuyển vị DoF lãn h¡n 0,1 Tuy nhiên, nó làm cho ph°¡ng trình chùm tia phi tuyến và do đó không thể sử dāng để phân tích d¿ng đóng Các giả định BCM đ°ÿc lựa chọn cẩn thận sao cho chúng chỉ nắm bắt đ°ÿc các liên quan phi tuyến, do đó cung cấp đá chính xác trong mát tải trọng và chuyển vị thực tế ph¿m vi, nh°ng không làm cho mô hình khó sử dāng

2.8.7.Nghiên cÿu vß c¡ ch¿ khßp mßm song song

- Tiếp theo, hiáu quả căa BCM trong viác dự đoán chính xác h°ãng dẫn chuyển đáng các thuác tính căa c¡ chế uốn đ°ÿc làm nổi bật bằng cách sử dāng c¡ chế uốn cong hình bình hành Anism (Hình 2.8.7), bao gồm hai chùm tia đ¡n giản giống hát nhau

Hình 2.8.7 Mô hình ußng song song

- Sử dāng quy °ãc chuẩn hóa đ°ÿc giãi thiáu tr°ãc đó, mô hình tuyến tính cho điều này c¡ chế uốn có thể đ°ÿc hiển thị là:

- Trong các mối quan há trên, tất cả các tải và chuyển vị đ°ÿc chuẩn hóa theo

ph°¡ng trình Đá dày chùm và kích th°ãc khoảng cách chùm đ°ÿc chuẩn hóa

là: t = T / L và w =W / L Thay thế các giá trị căa há số đặc tr°ng căa chùm tia cho

mát chùm tia đ¡n giản từ các mối quan há này giảm xuống

giả định là không đáng kể Rõ ràng, định h°ãng Y (ngang) đ¿i dián cho mát DoF, trong khi X (trāc) và Z (ngang) - các h°ãng dẫn đ¿i dián cho DoC, trong tr°ßng hÿp

này Dự đoán hành vi ràng buác chính-Tions đ°ÿc thực hián bái ba mô hình trên cùng

vãi kết quả từ FEA phi tuyến là vẽ trong hình 3.6 xăng3.8 trong ph¿m vi u y là 0.1

0.1 Hình 3.6 vẽ đồ thị phi tuyến sự phā thuác căa u x ( chuyển đáng lßi ký

sinh X DoC) vào u y ( chuyển vị Y DoF) và minh họa rằng cả PRBM và BCM đều thu

đ°ÿc hiáu ąng đáng học trong dầm chính xác Hình 3.7 vẽ đồ thị đá biến thiên căa đá

cąng X DoC vãi u y ( Y DoF dis-vị trí) Mặc dù PRBM không nhận ra bất kỳ sự tuân

thă nào theo h°ãng DoC này

2.8.8.K¿t lu¿n:

- Nghiên cąu tr°ßng hÿp trên cho thấy khả năng ąng dāng và đá chính xác căa BCM Trongnđặc biát, đáng chú ý là mô hình nắm bắt đ°ÿc đá cąng và chuyển đáng lßi kết hÿp vãi c¡ chế uốn đ°ÿc xem xét á d¿ng kín và tham số cách cho bất kỳ tải chung á giai đo¿n chuyển đáng cąng nhắc H¡n nữa, tải cuối cùng quan há chuyển vị vẫn còn hiáu lực bất kể hình d¿ng chùm thực tế Nếu dầm giả định bất kỳ hình d¿ng nào khác vãi tr°ßng hÿp đá dày đồng đều đ°ÿc xem xét á đây, sự khác biát duy nhất