nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy

Mã số đề tài: CTM-65 – Tên đề tài: Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy.. TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG MỎI DO XOẮN CỦA CHI TIẾT MÁY Kiểm tra độ bền mỏi cho chi tiế

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết của đề tài

Trong nền kinh tế hiện đại, việc thiết kế và đánh giá chất lượng của sản phẩm công nghiệp là vô cùng quan trọng Nó là một bước không thể thiếu trong bất kể ngành nghề nào trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt Nhằm đưa ra những tiêu chuẩn nhất định để sàng lọc chất lượng của chi tiết một cách tối ưu nhất Và việc nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy cũng là một bước để kiểm tra và đánh giá khả năng chịu tải của các linh kiện và vật liệu trong sản xuất

Thực tế trong sản xuất có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng chi tiết máy như ma sát, ăn mòn, làm việc quá tải, bị nóng trong nền nhiệt cao,…Và hiện tượng mỏi là một trong những nguyên nhân đó Phá hủy do mỏi chiếm tỉ lệ lớn trong các hư hỏng trong các hệ thống công nghiệp cơ khí, ảnh hưởng lớn đến sự an toàn của hệ thống máy móc, hiệu quả sản xuất và sức khỏe con người Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy trong quá trình làm việc sẽ giúp ta nắm được những thông số tối ưu của vật liệu Từ đó cải thiện chất lượng sản xuất và độ tin cậy của sản phẩm Đóng góp quan trọng vào việc nghiên cứu và phát triển vật liệu mới để nâng cao độ bền cơ học cho chi tiết máy.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu hiện tượng mỏi xoắn của chi tiết máy có thể giúp chúng ta hiểu sâu sắc hơn về bản chất của hiện tượng này Từ đó, có thể xây dựng những mô hình lý thuyết chính xác hơn để mô tả hiện tượng mỏi xoắn Những mô hình lý thuyết này được sử dụng để dự đoán khả năng chịu mỏi xoắn của các chi tiết máy, từ đó giúp thiết kế, chế tạo chi tiết máy có độ bền mỏi cao hơn

 Việc nghiên cứu hiện tượng mỏi xoắn của chi tiết máy có ý nghĩa thực tiễn quan trọng như:

 Xác định giới hạn bền mỏi của chi tiết máy

 Nắm được các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết máy bao gồm: vật liệu, ứng suất xoắn, nhiệt độ, tần suất, chu kỳ ứng suất, môi trường, Để giúp

2 chúng ta có thể chọn vật liệu, thiết kế chi tiết máy, và điều kiện vận hành phù hợp để tăng độ bền mỏi của chi tiết máy

 Phát triển các phương pháp cải thiện độ bền mỏi của chi tiết máy như sử dụng vật liệu có độ bền mỏi cao, gia công bề mặt chi tiết máy, ứng dụng các kỹ thuật gia công bề mặt tiên tiến Việc nghiên cứu các phương pháp này giúp chúng ta có thể cải thiện độ bền mỏi của chi tiết, giảm thiểu sự cố kỹ thuật, và nâng cao hiệu quả sử dụng chi tiết máy.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy" là tạo ra một bộ thông số để chế tạo chi tiết máy Sau đó sẽ chạy thử nghiệm trên máy xoắn mỏi để thu thập dữ liệu momen xoắn mỏi từ cảm biến Từ cơ sở dữ liệu đã lấy được, ta tiến hành phân tích thông qua đồ thị, biểu đồ để xác định được độ bền xoắn của các nhóm vật liệu đã tạo ra Giúp ta tìm được những thông số tối ưu nhất trong việc sản xuất, chế tạo chi tiết máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Hiện tượng mỏi trên chi tiết chịu tải dạng xoắn

 Các bộ thông số của chi tiết in 3D

 Số liệu sau khi chạy thử nghiệm

 Thiết kế và chế tạo mẫu thử in 3D

 Lựa chọn và tích hợp cảm biến: lựa chọn các cảm biến phù hợp để đo lường momen xoắn trong quá trình thử nghiệm Cảm biến sẽ được tích hợp vào mô hình máy thử xoắn để ghi nhận và truyền thông tin momen xoắn

 Phát triển đơn vị điều khiển: Nghiên cứu sẽ phát triển một đơn vị điều khiển thông minh và linh hoạt cho mô hình máy thử xoắn Đơn vị điều khiển sẽ điều chỉnh và kiểm soát quá trình thử nghiệm, cung cấp giao diện người dùng và hiển thị kết quả đo lường

 Thử nghiệm và phân tích vật liệu: Nghiên cứu sẽ thực hiện các thử nghiệm xoắn trên các mẫu vật liệu nhựa để đánh giá độ bền và tính chất cơ học của chúng Sau đó sẽ tiến hành phân tích trên phần mềm mô phỏng

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu, phân tích lý thuyết dựa trên việc tham khảo, tìm kiếm các tài liệu liên quan đến mỏi xoắn và in 3D Tiến hành các thí nghiệm với các mẫu in 3D và đưa ra biểu đồ để giải quyết những vấn đề sau:

 Phân tích và đánh giá kết quả: Dữ liệu thu thập từ quá trình thử nghiệm sẽ được phân tích và đánh giá để xác định độ bền xoắn của các mẫu vật liệu

 Tiến hành phân tích kết quả của mẫu thử trên phần mềm để so sánh kết quả thử nghiệm đã thu được với mẫu thử sau cùng.

Kết cấu của ĐATN

Đồ án tốt nghiệp bao gồm 5 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái quát về hiện tượng mỏi

Mỏi là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi tuần hoàn theo thời gian Ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi ở mức tế vi, sau đó các vết nứt mỏi đó phát triển và dẫn tới sự phá hủy của vật liệu Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi

Có ba yếu tố chính gây ra mỏi:

 Ứng suất lặp đi lặp lại hoặc dao động: Đây là yếu tố quan trọng nhất gây ra mỏi Ứng suất càng cao và số chu kỳ tải càng nhiều thì khả năng xảy ra mỏi càng cao

 Tập trung ứng suất: Các điểm tập trung ứng suất, chẳng hạn như các rãnh, khía và lỗ, có thể làm giảm tuổi thọ mỏi của chi tiết máy

 Đặc tính vật liệu: Một số vật liệu, chẳng hạn như thép và hợp kim, dễ bị mỏi hơn các vật liệu khác, chẳng hạn như nhựa và gốm sứ

2.1.3 Các giai đoạn của mỏi

Quá trình mỏi xảy ra theo ba giai đoạn:

1 Khởi đầu vết nứt: Giai đoạn này bắt đầu với sự hình thành các vết nứt trên bề mặt vật liệu Các vết nứt này thường hình thành các điểm tập trung ứng suất

2 Tăng trưởng vết nứt: Trong giai đoạn này, các vết nứt nhỏ sẽ tiếp tục phát triển dưới tác dụng của ứng suất lặp đi lặp lại

3 Gãy vỡ: Giai đoạn này xảy ra khi vết nứt phát triển đến kích thước tới hạn và chi tiết máy bị gãy.

Cơ sở lý thuyết mỏi

 Mỏi là hiện tượng phá hủy dần dần của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại với cường độ nhỏ hơn giới hạn bền tĩnh của vật liệu Hiện tượng mỏi có thể xảy ra ở tất cả các loại vật liệu, bao gồm kim loại, phi kim loại và vật liệu tổng hợp

 Có nhiều lý thuyết khác nhau về cơ chế của hiện tượng mỏi, nhưng hai lý thuyết chính là:

 Lý thuyết nứt: Lý thuyết này cho rằng mỏi bắt đầu từ sự hình thành và phát triển các vết nứt nhỏ trên bề mặt vật liệu Các vết nứt này phát triển dần dần dưới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại, cuối cùng dẫn đến gãy vỡ vật liệu

 Lý thuyết biến dạng: Lý thuyết này cho rằng mỏi là do sự tích tụ của biến dạng dẻo trong vật liệu dưới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại Biến dạng dẻo này cuối cùng dẫn đến sự phá hủy của vật liệu

 Ngoài hai lý thuyết chính trên, còn có một số lý thuyết khác về cơ chế mỏi, như:

 Lý thuyết hóa học: Lý thuyết này cho rằng mỏi có liên quan đến các quá trình hóa học xảy ra trên bề mặt vật liệu

 Lý thuyết vật lý: Lý thuyết này cho rằng mỏi có liên quan đến các quá trình vật lý xảy ra trong cấu trúc vi mô của vật liệu

 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của vật liệu bao gồm:

 Loại vật liệu: Các loại vật liệu khác nhau có độ bền mỏi khác nhau

 Cường độ tải trọng: Cường độ tải trọng càng cao, độ bền mỏi càng thấp

 Tần số tải trọng: Tần số tải trọng càng cao, độ bền mỏi càng thấp

 Môi trường: Môi trường ăn mòn có thể làm giảm độ bền mỏi của vật liệu

 Kích thước và hình dạng chi tiết: Kích thước và hình dạng chi tiết có thể ảnh hưởng đến độ bền mỏi của vật liệu.

Công nghệ in 3D

2.3.1 Tổng quan về công nghệ in 3D

Cách đây khoảng 40 năm về trước, những ai lần đầu tiên nghe tiếng phát ra trên radio, nhìn thấy hình mình trên 1 tấm giấy, hay xem những con người bé tí chạy nhảy trong chiếc hộp vuông thì ta đã thấy công nghệ đó thật hiện đại Ngày nay khoa học công nghệ phát triển vượt bậc, đi bất cứ đâu chúng ta cũng nghe thấy TV 3D, phim 3D, âm thanh 3D, hình 3D Tất cả những cụm từ trên dùng để chỉ những công nghệ tạo ảo giác hình khối lên thị giác và thính giác của con người, nhằm mô phỏng lại những gì ta có thể thấy và nghe được Nhưng 3D trong công nghệ in 3D là một định nghĩa hoàn toàn khác với 3D mang tính mô phỏng mà ta đã nói như ở trên

In 3D ở đây là sản phẩm thật, vật thể thật mà ta có thể cầm trên tay, quan sát một cách chính xác, 3D ở đây là mọi thứ xung quanh ta, mà từ nguyên thủy đến hiện nay ta vẫn tiếp xúc hàng ngày, quá quen thuộc mà ta chẳng gọi nó là 3D làm gì

Thế nào là in 3D? In 3D là in ấn ra một vật thể theo không gian ba chiều (Dài- Rộng-Cao) mà ta có thể cầm nắm, quan sát hay sử dụng nó như: mô hình xe hơi, máy bay, lọ hoa, giày, quần áo thậm chí là một ngôi nhà, đôi giày, cái chụp đèn ngủ Đối với in 3D, cảm hứng sáng tạo là vô tận, tất cả những gì bạn cần là một ý tưởng tuyệt vời

Công nghệ bồi đắp vật liệu (AM) đang được chú tâm bởi những lợi ích nó mang lại vô cùng to lớn Nó có thể chế tạo sản phẩm một cách nhanh chóng với chi phí và thời gian được giảm đáng kể so với các công nghệ truyền thống Từ dữ liệu thiết kế 3D trên máy tính (CAD – Computer Aided Design), các thiết bị AM tạo thành sản phẩm theo nguyên lý bồi đắp vật liệu theo từng lớp, lớp sau chồng lên lớp trước cho đến khi hoàn tất quá trình Với nguyên lý trên, công nghệ ÂM có thể tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng mà các phương pháp gia công truyền thống khó hoặc không thể chế tạo được

Mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng của nó Trong đó, công nghệ FDM là một trong những công nghệ phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện đối với môi trường

Công nghệ tạo mẫu nhanh, từ khi ra đời đến nay đã được cải tiến và phát triển rất nhiều Hàng loạt phương pháp và công nghệ tạo mẫu ra đời như FDM (Fused Deposition Modeling, SLS (Selective Laser Sintering), SLA (Stereo Lithography Aparatus)… Mỗi công nghệ tạo mẫu có những ưu điểm riêng của nó Trong đó, công nghệ FDM là một trong những công nghệ phổ biến nhất do giá thành rẻ và sử dụng các loại vật liệu thông dụng, dễ tìm và thân thiện đối với môi trường

Công nghệ in 3D xu hướng của tương lai!

Công nghệ in 3D có những đặc điểm gì khiến các chuyên gia đánh giá đây là xu hướng phát triển đầy mạnh mẽ trong thời gian tới, xu hướng của tương lai?

- Ưu điểm đầu tiên: Đúng như tên gọi của nó: công nghệ tạo mẫu nhanh công nghệ này có sự vượt trội về thời gian chế tạo một sản phẩm hoàn thiện “Nhanh” ở đây cũng chỉ là một giới hạn tương đối Thông thường, để tạo ra một sản phẩm mới mất khoảng từ 3-72 giờ, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của sản phẩm Có thể bạn cho rằng khoảng thời gian này có vẻ chậm, nhưng so với thời gian mà các công nghệ chế tạo truyền thống thường mất từ nhiều tuần đến nhiều tháng để tạo ra một sản phẩm thì nó nhanh hơn rất nhiều Chính vì cần ít thời gian hơn để tạo ra sản phẩm nên các công ty sản xuất tiết kiệm được chi phí, nhanh chóng đưa ra thị trường những sản phẩm mới

- Ưu điểm đặc biệt thứ 2: ví dụ ta có thể chế tạo được cái đầu người với đầy đủ bộ phận cả bên trong lẫn bên ngoài một cách chi tiết chỉ trong một lần thực hiện mà các phương pháp truyền thống không thể chế tạo được

Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy in 3D, sự phát triển của vật liệu in cũng không hề kém cạnh Vật liệu in ban đầu chủ yếu là nhựa dẻo, bột kim loại hay bột sứ, nhưng với sự tìm hiểu nghiên cứu không ngừng nghỉ của con người, các vật liệu in ngày càng đa dạng

Vật liệu in 3D: Có thể là nhựa PLA, ABS, PETG, Flexible, Wood, giấy, bột, polymer, kim loại, đặc biệt là socola, kem các vật liệu này có đặc điểm là có sự kết dính với nhau để vật liệu lớp bên trên kết dính với lớp bên dưới được.

2.3.2 Ảnh hưởng thông số in 3D đến độ bền xoắn mỏi

Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ bền kéo, uốn, độ va đập của sản phẩm Tuy nhiên, độ chính xác kích thước cũng là một chỉ tiêu quan trọng cần được nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của bài báo cáo này là cải thiện chất lượng vật liệu, điều chỉnh được các thông số liên quan đến độ bền xoắn mỏi Sau khi có kết quả thí nghiệm ta có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ chính xác kích thước và từ đó đưa ra kết luận cho bài báo cáo này Dưới đây là những thông số ảnh hưởng đến độ bền xoắn mỏi của chi tiết chịu tải dạng xoắn a Độ dày lớp in Độ dày của mỗi lớp xác định độ phân giải của bản in theo cách tương tự như số pixel xác định độ phân giải của màn hình tivi hoặc máy tính Chiều cao lớp thấp hơn thường dẫn đến các bộ phận có bề mặt mịn hơn Nhược điểm là chiều cao lớp càng thấp thì càng mất nhiều thời gian để hoàn thành một bản in Nadir Ayrilmis và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp in đến độ nhám bề mặt của mẫu in Kết quả của nghiên cứu này cho thấy độ dày lớp in tác động trực tiếp đến độ nhám bề mặt Độ nhám bề mặt tăng khi độ dày lớp in tăng Thời gian in tăng khi giảm độ dày lớp in kéo dài thời gian sản xuất và tăng chi phí in Dựa trên kết quả kiểm tra và thời gian in, lớp in có độ dày 0.2mm được đề xuất là độ dày lớp in tối ưu Khi bề mặt không láng mịn bóng thì sai số kích thước của mẫu in càng cao, qua đó ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác kích thước của mẫu Pritish Shubha, Arnab Sikidarn, Teg Chand đã nghiên cứu và đưa ra kết luận độ dày lớp in đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các cơ chế của vật liệu ABS Khi độ dày lớp tăng thì độ bền kéo giảm, độ cứng giảm, và độ chính xác mẫu giảm

Hình 2.1: Độ dày lớp in b Tốc độ khi in

Tốc độ in thành sản phẩm ảnh hưởng rất lớn đến khả năng bám dính của các lớp vật liệu Tốc độ in quá thấp thì thời gian in càng lâu, tốc độ thấp có thể gây ra hiện tượng đùn nhựa ở đầu phun, gây tắc nghẽn đầu phun Tốc độ in quá nhanh thì có thể khiến các đường nét sợi nhựa được đùn ra không đúng vị trí, khả năng bám dính của các lớp vật liệu thấp, sản phẩm bị biến dạng cong vênh

Hình 2.2: Tốc độ in c Tỉ lệ điền đầy

Hay còn được gọi là mật độ điền đầy (Fill density) , mật độ điền đầy xác định lượng nhựa điền đầy bên trong chi tiết in Tỉ lệ phần trăm và mẫu ảnh hưởng đến trọng lượng in, sử dụng vật liệu, độ bền, thời gian in và đôi khi tính chất trang trí Cụ thể khi in ở mật độ 30% và 50% có sự khác biệt rất lớn về độ nhám bề mặt, cũng như thời gian in của sản phẩm

Hình 2.3: Phần trăm tỉ lệ điền đầy d Góc nghiêng khi in

Góc nghiêng khi in là góc giữa mặt phẳng in và trục Z của máy in 3D Nó là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng, độ bền và thời gian in của bản in Lựa chọn góc nghiêng phù hợp có thể giúp giảm thiểu các lớp in bị sần sùi, các đường viền không mịn và các lỗi in khác Ngoài ra, thay đổi góc nghiêng còn giúp tăng độ bền của bản in, giảm thời gian khi in

0 độ 30 độ 45 độ 60 độ 90 độ

Hình 2.4: Các góc nghiêng khi in e Nhiệt độ in

 Nhiệt độ in 3D là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng, độ bám dính và thời gian in của bản in Nó bao gồm:

 Nhiệt độ vòi phun: Nhiệt độ cần thiết để nung chảy vật liệu in trước khi ép đùn

 Nhiệt độ bàn in: Nhiệt độ cần thiết để giữ cho bản in bám dính vào bàn in và ngăn ngừa cong vênh

 Nhiệt độ buồng: Nhiệt độ cần thiết để duy trì nhiệt độ ổn định trong buồng in, giúp giảm thiểu cong vênh và cải thiện chất lượng in

Nghiên cứu về hiện tượng mỏi của chi tiết máy chịu tải dạng xoắn

- Mỏi là hiện tượng phá hủy vật liệu do ứng suất lặp đi lặp lại hoặc dao động Nó có thể xảy ra trong các chi tiết máy chịu tải trọng động, chẳng hạn như trục, bánh răng, lò xo và cánh quạt

- Đối với các chi tiết máy chịu tải dạng xoắn, hiện tượng mỏi thường xảy ra tại các điểm tập trung ứng suất, chẳng hạn như:

● Chỗ thay đổi tiết diện

- Ứng suất xoắn lặp đi lặp lại sẽ làm xuất hiện các vết nứt nhỏ tại các điểm tập trung ứng suất Các vết nứt nãy sẽ tiếp tục phát triển dưới tác dụng của ứng suất và cuối cùng dẫn đến gãy vỡ chi tiết máy

- Dưới đây là một số hình ảnh về hiện tượng mỏi của chi tiết máy chịu tải dạng xoắn:

Hình 3.1: Mỏi tại rãnh then của trụ

Phần lớn các chi tiết máy làm việc trong trạng thái ứng suất thay đổi theo thời gian, nó có thể bị hỏng khi chịu ứng suất thấp hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không thay đổi Tiến hành quan sát chi tiết máy khi chịu ứng suất thay đổi người ta thấy những vết nứt tế vi bắt đầu xuất hiện tại vùng chi tiết máy chịu ứng suất tương đối lớn và khi số chu kỳ làm việc tăng lên thì các vết nứt này cũng dần mở rộng Điều này làm cho chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng, đó chính là sự phá hủy do mỏi.

Thiết kế-chế tạo đồ gá và mẫu thử

 Việc sử dụng với cảm biến đo xoắn khi gắn trực tiếp vào máy thì buộc chúng ta phải tính toán thiết kế đồ gá sao cho vừa cố định được cảm biến, vừa đủ khoảng cách để đặt mẫu phôi vào chạy thử nghiệm

 Dựa trên máy đã có sẵn, nhóm chúng tôi đã lên ý tưởng và tính toán, thiết kế hoàn chỉnh đồ gá như sau: a Mặt bích

Hình 3.2: Thiết kế 3D của chi tiết mặt bích

Hình 3.3: Bản vẽ 2D của chi tiết mặt bích

Bảng 3.1: Chu trình tiện gia công mặt bích [1]

Phần mềm dùng lập trình:

Creo 10.0.0 Hình 3.4: Chuẩn gia công G54

TT Bước gia công Dao

Chiều sâu cắt (mm) s (v/ph)

1 Vạt mặt đầu Turning R 0.2 ( góc dao 20)

2 Tiện thô bề mặt chi tiết

3 Tiện tinh bề mặt chi tiết

4 Cắt đứt chi tiết Turn_Grooving 24 600 0.3

Hình 3.6: Tiện thô bề mặt chi tiết

Hình 3.7: Tiện tinh bề mặt chi tiết

Hình 3.8: Cắt đứt chi tiết

Hình 3.9: Thiết kế 3D của chi tiết Gá phôi I

Hình 3.10: Bản vẽ 2D của chi tiết gá phôi I

Bảng 3.2: Chu trình phay gia công chi tiết gá phôi I [2]

1 Phay thô mặt trên Phay mặt đầu EM 8

2 Phay tinh mặt trên Phay mặt đầu EM 8

Hình 3.12: Phay thô mặt trên

Hình 3.13: Phay tinh mặt trên

Hình 3.16: Thiết kế 3D của chi tiết gá phôi II

Hình 3.17: Bản vẽ 2D của chi tiết gá phôi II

Bảng 3.3: Chu trình phay gia công chi tiết gá phôi II [2]

Chương trình: Gá phôi II

1 Phay thô mặt trên Phay mặt đầu EM 8

2 Phay tinh mặt trên Phay mặt đầu EM 8

3 Phay thô hốc mặt trên EM 3 11.9 1500 600

4 Phay tinh hốc mặt trên EM 3 0.1 2500 1000

5 Phay thô mặt dưới Phay mặt đầu EM 8

6 Phay tinh mặt dưới Phay mặt đầu EM 8

7 Phay thô hốc mặt dưới

8 Phay tinh hốc mặt dưới

Hình 3.19: Phay thô mặt trên

Hình 3.20: Phay tinh mặt trên

Hình 3.21: Phay thô hốc mặt trên

Hình 3.22: Phay tinh hốc mặt trên

Hình 3.23: Phay thô mặt dưới

Hình 3.24: Phay tinh mặt dưới

Hình 3.25: Phay thô hốc mặt dưới

Hình 3.26: Phay tinh hốc mặt dưới

Hình 3.27: Khoan lỗ mặt bên

Hình 3.28: Taro lỗ mặt bên

 Việc nghiên cứu chi tiết máy chịu tải dạng xoắn thì liên quan rất nhiều đến các bộ phận trong máy, đặc biệt là các trục, khớp nối Đây là nơi làm việc cũng như chịu áp lực không nhỏ trong quá trình sản xuất Vì thế mẫu thử trong thí nghiệm lần này sẽ là dạng trụ tròn được tạo ra bởi công nghệ in 3D

 Nhựa PA, hay còn gọi là Polyamide hoặc Nylon, là một loại nhựa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Nhựa PA có nhiều đặc tính nổi bật như:

 Độ cứng cao: Nhựa PA có độ cứng cao, thậm chí ở nhiệt độ thấp và có khả năng chịu tải trọng tốt

 Độ bền cơ học cao: Nhựa PA có độ bền cơ học cao, bao gồm độ bền kéo, độ bền nén và độ bền va đập

 Chống mài mòn tốt: Nhựa PA có khả năng chống mài mòn tốt, phù hợp cho các ứng dụng có ma sát cao

 Chống hóa chất tốt: Nhựa PA có khả năng chống nhiều loại hóa chất, bao gồm axit, bazơ và dung môi

 Khả năng chịu nhiệt tốt: Nhựa PA có khả năng chịu nhiệt tốt, có thể sử dụng trong môi trường có nhiệt độ cao

 Dễ gia công: Nhựa PA có thể dễ dàng gia công bằng nhiều phương pháp khác nhau như đùn, ép phun, gia công cơ

 Ứng dụng của nhựa PA: Nhựa PA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm:

 Ngành công nghiệp ô tô: Nhựa PA được sử dụng để sản xuất các bộ phận ô tô như cản, gương và nội thất

 Ngành công nghiệp cơ khí: Nhựa PA được sử dụng để sản xuất các bộ phận cơ khí như bánh răng, trục và ổ đỡ

 Ngành công nghiệp điện tử: Nhựa PA được sử dụng để sản xuất các bộ phận điện tử như vỏ máy, ổ cắm và dây điện

 Ngành công nghiệp dệt may: Nhựa PA được sử dụng để sản xuất các loại sợi và vải

 Ngành công nghiệp thực phẩm: Nhựa PA được sử dụng để sản xuất các bao bì thực phẩm và dụng cụ nấu ăn

Hình 3.29: Bản vẽ 2D của mẫu thử

Dưới đây là 25 trường hợp được lập bởi 5 biến khác nhau ( trong đó có 5 trường hợp trùng nhau: 3, 8, 13, 18, 23)

Bảng 3.4: Bảng đơn biến về các thông số in 3D nhựa PA

Tiến hành kiểm tra mỏi xoắn và thu thập dữ liệu cho chi tiết

3.3.1 Tiến hành chạy thí nghiệm để kiểm tra mỏi xoắn

 Bước 1: Chuẩn bị phôi thử nghiệm Vì đây là mẫu in 3D nên sẽ có một số ba via nên ta sẽ thực hiện mài dũa phần dư ra để đặt vào phần đồ gá một cách dễ dàng hơn

Hình 3.30: Mẫu phôi ban đầu

 Bước 2: Gắn đồ gá cố định với cảm biến đo momen xoắn lên mâm cặp của máy

Sau đó dùng tay quay siết chặt mâm cặp để cố định một bên Lắp phôi lên vị trí đã thiết kế sẵn để chạy thí nghiệm Sau cùng dùng tay quay siết chặt mâm cặp còn lại để cố định, đảm bảo sự chắc chắn khi máy chạy

Hình 3.31: Gá phôi lên máy

 Bước 3: Kết nối nguồn điện vào bộ PLC Thực hiện nối các dây của cảm biến với bộ PLC, và cáp mạng kết nối với máy tính có cài phần mềm TIA Portal v17 hỗ trợ đo mỏi xoắn

Dây kết nối sensor với bộ PLC

Dây cáp mạng kết nối bộ PLC với máy tính

Dây cấp nguồn điện cho bộ PLC

Hình 3.32: Tiến hành nối dây và cấp nguồn cho máy

 Bước 4: Thay đổi IP của máy tính trùng với IP của PLC

Hình 3.33: Tiến hành thay đổi IP của máy tính

 Bước 5: Mở phần mềm mỏi xoắn lên và thực hiện đổ chương trình đã được lập trình vào PLC như sau:

Chọn mở dự án đã được cài vào phần mềm

Hình 3.34: Mở phần mềm đã được cài sẵn

Nhấn đúp chuột vào Open the project view để tiến hành bước tiếp theo

Hình 3.35: Mở dự án để đổ chương trình vào PLC

Nhấn chọn vào mục PLC_1 [CPU 1212C DC/DC/DC ]

Nhấn chọn vào biểu tượng này trên thanh công cụ

Hình 3.36: Tiến hành đổ chương trình mỏi xoắn vào PLC

Nhấn Load để tiến hành tải trương trình và kiểm tra lỗi, đến khi không nhấn được nữa và nếu tích xanh hết rồi thì nhấn Finish

Hình 3.37: Quá trình đổ chương trình mỏi xoắn vào PLC

Nhấn chọn mục PC-System_1 [SIMATIC PC station]

Nhấn chọn vào biểu tượng này trên thanh công cụ để hoàn tất thao tác đổ chương trình vào PLC

Hình 3.38: Quá trình đổ chương trình mỏi xoắn vào PLC

Nếu hiện thị ra bảng này thì đã đổ chương trình PLC thành công

Hình 3.39: Giao diện của phần mềm đo mỏi xoắn

 Bước 6: Thực hiện thao tác trên giao diện của phần mềm Dùng tay quay nhẹ vào mẫu thử xem giá trị trên màn hình có nhảy số không để biết hoạt động bình thường hay không Thiết lập giá trị ban đầu của góc xoắn là -45 độ đến 45 độ, reset chu kỳ về 0 Set 0 Encoder để giá trị về 0

Nhấn vào Set 0 Encoder để đưa về góc 0 độ

Nhập góc xoắn trái, xoắn phải, số chu kỳ vào các ô trên

Nhấn vào Reset chu ky để đưa số chu kỳ về 0

Hình 3.40: Thiết lập các giá trị ban đầu để ghi dữ liệu

 Bước 7: Tiến hành tạo file ghi dữ liệu và bắt đầu chạy thí nghiệm

Nhập tài khoản và mật khẩu sau đó nhấn login

Hình 3.41: Đăng nhập vào địa chỉ để ghi dữ liệu

Hình 3.42: Tạo file mới để ghi nhận dữ liệu đo được

Chọn mục Datalogs để tiến hành tạo file

Hình 3.43: Tạo file mới để ghi nhận dữ liệu đo được Đây là giao diện mục tạo File ghi dữ liệu Moment xoắn

Chưa tạo file nên chưa có file nào hiện ở phần này

Hình 3.44: Các bước tiến hành tạo file mới

1-Ta kiểm tra lại các thông số làm thí nghiệm

2-Kiểm tra xong thì ta nhấn Tao File moi để tạo file ghi dữ liệu

Hình 3.45: File mới được tạo ra

1-Sau khi tạo file thì bên Web sẽ hiện file ghi dữ liệu như này

2-Chọn Start để máy chạy

Hình 3.46: Bắt đầu chạy thí nghiệm

 Bước 8: Thu thập dữ liệu

Sau khi chạy được 100 chu kì như đã quy định, máy sẽ tự động dừng và ta tiến hành lưu file dữ liệu từ trên web về

1-Khi Chu kì trả về số 0 thì chúng ta bắt đầu tải file ghi dữ liệu về

Record_Data.csv để tải file ghi dữ liệu về file sẽ được lưu dưới dạng file excel

Hình 3.47: Lưu file dữ liệu về thiết bị

3.3.2 Thu thập dữ liệu cho chi tiết

Sau khi chạy hoàn thành với số chu kỳ đã quy định trước, chúng em tiến hành thu thập và xử lý tất cả số liệu vào trong bảng excel để tiến hành phân tích ở các bước tiếp theo.

Tổng hợp các kết quả chạy thí nghiệm

3.4.1 Tổng hợp các dữ liệu đã chạy thí nghiệm

Sau khi đã tiến hành chạy thí nghiệm với tất cả 21 mẫu ( 25 mẫu nhưng có 4 mẫu trùng), thì ta có được 21 bảng số liệu khác nhau giữa các trường hợp Đây sẽ là những dữ liệu vô cùng quan trọng để chúng tôi phân tích, đánh giá được hiện tượng xoắn mỏi trên chi tiết máy Từ đó sẽ đưa ra bộ thông số tối ưu nhất cho chi tiết máy để có thể kết luận phù hợp nhất cho đề tài này Được xây dựng từ bảng đơn biến với 5 biến khác nhau, chúng ta có được 5 nhóm trường hợp Mỗi nhóm trường hợp gồm 5 mẫu, là sự thay đổi của 1 biến, 4 biến còn lại sẽ không thay đổi Dưới đây sẽ là những biểu đồ thể hiện sự thay đổi momen xoắn mỏi của các nhóm qua 100 chu kỳ

Nhóm tỉ lệ điền đầy (+)

Hình 3.48: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi momen xoắn phần dương

Nhóm tỉ lệ điền đầy (-)

Hình 3.49: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi momen xoắn phần âm

Nhóm độ dày lớp in (+)

Nhóm độ dày lớp in (-)

3.4.2 Báo cáo kết quả sau khi phân tích a Đánh giá, phân tích, so sánh các kết quả với nhau (giữa các mẫu của 5 nhóm)

 Nhóm tỉ lệ điền đầy:

Bao gồm 5 mẫu đầu tiên (1, 2, 3, 4, 5) như hình (3.51) ở trên Đầu tiên ở mẫu số 1 với 60% tỉ lệ điền đầy, các thông số khác như: nhiệt độ in, góc nghiêng khi in, độ dày lớp in, tốc độ in thì chọn giá trị trung bình Ta thu được momen xoắn tương đối nhỏ, với giá trị momen ghi nhận lúc ban đầu là 2 Nm Bởi lẽ các liên kết trong chi tiết còn chưa chặt chẽ và chỉ hơn một nửa thể tích Khi tăng tỷ lệ điền đầy từ 60 % lên 100% ở các mẫu tiếp theo, thì momen xoắn cũng tăng theo Mẫu 1 và mẫu 2 có độ bền kém hơn mẫu 3, mẫu 4 và mẫu 5 Momen xoắn của các chi tiết sẽ giảm dần theo chu kỳ, đây chính là hiện tượng mỏi Đặc biệt các đường có khoảng cách rất rõ ràng , điều này chứng tỏ tỉ lệ điền đầy khi in 3D có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền xoắn mỏi Đồng thời cho thấy tỉ lệ điền đầy tỉ lệ thuận với momen xoắn

Bao gồm các mẫu 6, 7, 8, 9, 10 như hình (3.53) ở trên Ở mẫu số 6 với nhiệt độ in 200°C, các thông số khác như tỉ lệ điền đầy, góc nghiêng khi in, độ dày lớp in, tốc độ in thì chọn giá trị trung bình Ta thu được giá trị momen ban đầu là 2.25 Nm Khi ta tăng nhiệt độ in lên các giá trị khác nhau thì momen xoắn cũng có sự thay đổi đáng kể Tuy nhiên đây là momen xoắn mỏi nên ta thấy các đường có sự phân bố không rõ ràng, tức là chi tiết đã biến dạng khi xoắn từ trái sang phải (từ momen âm sang momen dương) Momen đã bị lệch so với gốc tọa độ 0 Và ta thấy mẫu số 9 là có momen xoắn lớn nhất khi in ở nhiệt độ 215°C lẫn phần âm và phần dương Điều này chỉ ra rằng khi in ở nhiệt độ 215°C thì sẽ tạo ra được độ kết dính, liên kết bền vững cũng như là nhiệt độ tối ưu cho vật liệu nhựa này

 Nhóm góc nghiêng khi in:

Bao gồm các mẫu 11, 12, 13, 14, 15 như hình (3.55) ở trên Tiến hành chạy thí nghiệm ở mẫu số 11 với góc nghiêng khi in là 0°, các thông số khác như tỉ lệ điền đầy, nhiệt độ in, độ dày lớp in, tốc độ in thì chọn giá trị trung bình Ta thu được giá trị momen lúc ban đầu là 2.68 Nm, đây cũng là momen tương đối lớn so với các mẫu của hai nhóm trước Khi thay đổi với các góc nghiêng khi in khác như 30°, 45°, 60° và 90° ở các mẫu

50 tiếp theo thì ta thấy góc nghiêng khi in 0°, 30°, 45° có momen cao hơn tại góc nghiêng 60° và 90° ở phần momen dương, nhỏ nhất là mẫu 14 với góc nghiêng 60 độ Nếu như ở phần dương momen lớn nhất khi góc nghiêng là 0° và 30° thì ở phần momen âm ta thấy góc nghiêng 30° và 60° là lớn nhất Điều này cho ta thấy rằng các góc nghiêng khi in có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của chi tiết chịu tải dạng xoắn

 Nhóm độ dày lớp in :

Bao gồm các mẫu 16, 17, 18, 19, 20 như hình (3.57) ở trên Tiến hành chạy thí nghiệm ở mẫu số 16 với độ dày lớp in là 0.1mm, các thông số khác như tỉ lệ điền đầy, nhiệt độ in, góc nghiêng khi in, tốc độ in thì chọn giá trị trung bình Ta thu được giá trị momen ban đầu là 3.75 Nm Tăng độ dày lớp in từ 0.1 mm lê 0.3 mm ở các mẫu tiếp theo, thì ta thấy momen lớn nhất là từ mẫu 17 và 16 với độ dày nét in là 0.15mm và 0.1mm Momen nhỏ nhất là ở mẫu 18 với độ dày nét in là 0.2 mm Từ biểu đồ ta nhận thấy rằng với độ dày nét in là 0.15 mm sẽ tạo ra cấu trúc bền vững bên trong chi tiết, giúp tăng khả năng chịu tải và tăng độ bền mỏi của chi tiết in 3D

Bao gồm các mẫu 21, 22, 23, 24, 25 như hình (3.59) ở trên Tiến hành chạy thí nghiệm ở mẫu số 21 với tốc độ in là 40 mm/s, các thông số khác như tỷ lệ điền đầy, nhiệt độ in, góc nghiêng khi in, tốc độ in thì chọn giá trị trung bình Ta thu được giá trị momen là 2.61 Nm Tăng tốc độ in từ 40 mm/s lên 60 mm/s ở các mẫu tiếp theo thì ta thấy các giá trị momen chênh lệch không đáng kể Điều này cho thấy tốc độ in cũng có ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết tuy nhiên không lớn Và cũng có thể ở khoảng tốc độ này sẽ là giới hạn cho phép đối với vật liệu nhựa này

 Từ các đường đồ thị cũng như phân tích theo từng nhóm ở trên thì chúng ta quan sát rằng sự thay đổi của các thông số in 3D ảnh hưởng đáng kể đến độ bền xoắn mỏi của chi tiết Mỗi thông số có mỗi tác động riêng đến kết cấu của chi tiết Có thể đưa ra một vài kết luận như sau:

 Tỉ lệ điền đầy càng cao, độ bền xoắn mỏi càng cao do cấu trúc của chi tiết được gia cố, tăng khả năng chịu tải xoắn Ngược lại tỉ lệ điền đầy thấp dẫn đến cấu trúc chi tiết rỗng, giảm khả năng chịu tải và độ bền xoắn mỏi

 Nhiệt độ in ảnh hưởng đến độ kết dính giữa các lớp in và tính chất cơ học của vật liệu Nhiệt độ in quá cao hay quá thấp có thể giảm độ bền xoắn mỏi

 Góc nghiêng khi in ảnh hưởng đến cách các lớp in được xếp chồng lên nhau, ảnh hưởng đến độ bền xoắn mỏi In theo hướng song song với trục chịu tải xoắn thường cho độ bền cao hơn so với ịn theo hướng vuông góc

 Độ dày lớp in càng cao, độ bền xoắn mỏi càng thấp do xuất hiện các rãnh và khe hở giữa các lớp in, tạo điểm yếu cho sự nứt vỡ Độ dày lớp in thấp giúp tăng độ mịn bề mặt và giảm thiểu các rãnh, khe hở dẫn đến cải thiện độ bền xoắn mỏi

 Tốc độ in in cao có thể dẫn đến sự xuất hiện các lỗi in, giảm độ bền xoắn mỏi Tốc độ in phù hợp giúp đảm bảo chất lượng in tốt và độ bền xoắn mỏi cao b So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả dự đoán mạng nơ ron nhân tạo

 Mạng Nơ Ron nhân tạo hay ANN [3] (Artificial Neural Network) là một chuỗi các thuật toán được sử dụng để tìm kiếm các mối quan hệ cơ bản trong tập dữ liệu Nó là một hệ thống gồm các tế bào thần kinh nhân tạo, có thể tự nhiên hoặc nhân tạo, được mô phỏng theo cấu trúc và hoạt động của hệ thống thần kinh trong não bộ con người

 Mạng Nơ Ron nhân tạo có khả năng tự thích ứng với bất kỳ thay đổi nào trong đầu vào Điều này cho phép nó đưa ra các kết quả tối ưu mà không cần phải thiết kế lại các tiêu chí đầu ra Khái niệm này có nguồn gốc từ lĩnh vực Trí tuệ Nhân tạo và đang được sử dụng phổ biến hơn trong phát triển các hệ thống giao dịch điện tử

ỨNG DỤNG

Chạy thử mẫu nhựa đặc trên máy mỏi xoắn

Sau khi hoàn thành chạy thí nghiệm với các mẫu in 3D Chuẩn bị phôi và tiến hành gia công mẫu nhựa đặc cùng với thiết kế với mẫu in 3D

Hình 4.1: Thanh nhựa PA đặc

Ta tiến hành gia công như bản thiết kế của mẫu in 3D ta sẽ được mẫu thực tế dưới đây

Hình 4.2: Mẫu nhựa đặc sau khi được gia công

Kiểm tra mỏi xoắn, thu thập xử lý số liệu và so sánh với mẫu in 3D

Sau khi tiến hành kiểm tra mỏi xoắn, kết quả cho thấy độ bền mỏi xoắn của mẫu nhựa đặc PA cho ta thấy sự khác biệt về khả năng chịu tải xoắn so với từng mẫu in 3D Từ đó ta sẽ thấy khả năng chịu tải thay đổi theo bộ thông số của in 3D

Dưới đây sẽ là những hình ảnh thể hiện rõ nhất về mối quan hệ giữa momen xoắn và số chu kỳ xoắn của từng mẫu in 3D so với mẫu nhựa đặc

Nhóm tỷ lệ điền đầy (+)

Hình 4.3 : Biểu đồ thể hiện sự chênh lệch momen xoắn của mẫu in 3D và mẫu đặc phần dương

Nhóm tỷ lệ điền đầy (-)

Hình 4.4 : Biểu đồ thể hiện sự chênh lệch momen xoắn của mẫu in 3D và mẫu đặc phần âm

Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện sự chênh lệch momen xoắn của mẫu in 3D và mẫu đặc phần dương

Nhóm độ dày lớp in (+)

Nhóm độ dày lớp in (-)

Sau khi chạy thí nghiệm với mẫu nhựa đặc thì ta thu được momen xoắn lớn gấp 3→4 lần so với các mẫu in 3D Momen xoắn mỏi giảm một cách từ từ và ổn định Và với góc xoắn 45° thì mẫu nhựa đặc vẫn chưa bị phá vỡ so với ban đầu Điều này cho thấy rằng độ bền xoắn mỏi của chi tiết nhựa này khá lớn

So sánh với các nhóm thì độ chênh lệch của nhóm tỉ lệ điền đầy với mẫu đặc là ít nhất so với các nhóm còn lại Cụ thể mẫu nhựa đặc có giá trị momen xoắn chênh lệch với các mẫu in 3D khoảng 2→2,5 lần Do vậy ta thấy tỉ lệ điền đầy là thông số rất quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến độ bền xoắn mỏi

Tiêu đề	Nghiên cứu hiện tượng mỏi do xoắn của chi tiết máy
Tác giả	Cao Hữu Quốc Hưng, Nguyễn Hoài Phong
Người hướng dẫn	PGS.TS Phạm Sơn Minh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	10,98 MB