phân tích thí nghiệm và mô phỏng cơ chế hoàn thiện thùng trục chính

Nhóm 81.Lê Anh Tuấn - 201875082.Nguyễn Hữu Nhân - 201760473.Trần Đình Thức – 20175909Phân tích thí nghiệm và mô phỏng cơ chế hoàn thiệnthùng trục chínhTóm tắtQuá trình hoàn thiện thùng t

Nhóm 8

1.Lê Anh Tuấn - 20187508

2.Nguyễn Hữu Nhân - 20176047

EDEM Mối quan hệ giữa lượng vật liệu được loại bỏ và thời

gian và vị trí kẹp phôi được định lượng Nó phù hợp tốt với kết quả thử nghiệm; độ lệch tối đa là 20,14% Cơ chế hoàn thiện được phân tích dựa trên quỹ đạo chuyển động của phương tiện hoàn thiện thùng tiếp xúc với phôi được quan sát trong mô phỏng và các lực tiếp xúc tương ứng thu được từ cả

mô phỏng và thử nghiệm Hơn nữa, hiệu ứng gia công của phôi sau quá trình hoàn thiện được thảo luận khi xem xét phântích quỹ đạo chuyển động và lực tiếp xúc Các quỹ đạo đạt được cho phép tính toán thời gian làm việc tích cực

1 Lời giới thiệu

Công nghệ hoàn thiện thùng [1], thuộc loại gia công chính xác

và siêu chính xác, là một quy trình sản xuất công nghệ cơ bảntrong lĩnh vực cơ khí xử lý Nó nhằm mục đích cải thiện chấtlượng và tính toàn vẹn của bề mặt phôi Yêu cầu về độ chínhxác sản xuất cho các thiết bị gia công không cao Ngoài ra, chiphí tổng thể của việc bảo trì thiết bị và phương tiện hoàn thiệntiêu thụ tương đối thấp Công nghệ hoàn thiện thùng có ưuđiểm là sự tuân thủ cao chất lượng bề mặt và các yêu cầu vềtính toàn vẹn, phạm vi ứng dụng đa dạng và mức chi phí thấpcùng quy trình sản xuất thân thiện với môi trường [2, 3] Do

đó trong lĩnh vực công nghệ xử lý bề mặt, công nghệ hoànthiện thùng được sử dụng rộng rãi trong xử lý bề mặt của các

bộ phận hiệu suất cao và những bộ phận có cấu hình phức tạp[4] Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hoàn thiện thùng

có tầm quan trọng lớn đối với các nước công nghiệp đang pháttriển Có hàng trăm công ty ở Hoa Kỳ chuyên sản xuất vàquảng bá công nghệ hoàn thiện thùng Nghiên cứu sâu rộng vềcông nghệ này được thực hiện bởi các công ty Đức Nhật Bản

và Canada cũng có các nhóm nghiên cứu chuyên ngành thamgia vào lĩnh vực này Hiện tại, các nhà nghiên cứu tập trungvào các thông số xử lý của các thiết bị hoàn thiện khác nhauđối với tác động xử lý của phôi và các thiết bị hoàn thiện khácnhau được sử dụng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu raphương tiện theo nhiều cách để đạt được kết quả xử lý phôicần thiết Tốc độ loại bỏ vật liệu và biến dạng dẻo của chi tiếtgia công được xác định bởi các thông số cài đặt thiết bị hoặcthông số tiếp xúc vật liệu và vận tốc tác động của phương tiệnthu được Do đó, nghiên cứu sâu rộng về các quy trình hoànthiện đã tập trung vào nghiên cứu các thông số thiết bị, vậtliệu tiếp xúc và hành vi động của phương tiện hạt Mark vàcác cộng sự [5] đã đề xuất các bước và tầm quan trọng củaviệc lựa chọn phương tiện khi gia công phôi để gia công hàngloạt phôi có kích thước, hình dạng và vật liệu khác nhau.Boschetto và các cộng sự [6] đã áp dụng công nghệ theo dõihình ảnh hạt cho một thùng mỏng trong suốt để thu được vị trícủa bộ phận ở trạng thái dòng hạt đang lăn Quỹ đạo bộ phậnthu được được sử dụng để tính toán thời gian làm việc hiệuquả, phân bố mật độ bộ phận, độ dốc vận tốc trung bình và độdốc vận tốc trung bình từ phôi đến trung bình Li và cộng sự.[7] đã sử dụng cảm biến dịch chuyển laze CCD để kiểm tra sự

dịch chuyển của phương tiện trong quá trình hoàn thiện khốilượng của trục chính song song, để tính toán vận tốc tổng thể

và vận tốc tác động của phương tiện lên phôi gia công và đểcung cấp tài liệu tham khảo cho phân tích lý thuyết, chấtlượng đoán và điều khiển tự động Bằng cách đo giá trị độnhám bề mặt của phôi ở các vị trí xử lý khác nhau của máyhoàn thiện rung, Wang và các cộng sự[8] đã đề xuất phươngpháp hoàn thiện rung treo tường để cải thiện chất lượng bề mặtcủa các bộ phận tấm mỏng có kích thước vừa và nhỏ Mô hìnhtruyền thống (phù hợp với kinh nghiệm khám phá và xác định

kế hoạch quy trình tối ưu) không thể đáp ứng yêu cầu pháttriển nhanh chóng, do yêu cầu đa dạng và phong phú của các

bộ phận Sự xuất hiện của phần mềm mô phỏng có thể cungcấp một tài liệu tham khảo để trực quan hóa các vấn đề kỹthuật khác nhau Takahashi và cộng sự [9] dựa vào phươngpháp phần tử rời rạc để nghiên cứu hành trạng của hai hạttrong ống hành tinh quay quanh trục hoành và trục tung và đặcđiểm phân li trong chuyển động quay của hành tinh, kết quả

mô phỏng phù hợp tốt với thực nghiệm kết quả, xác minh độtin cậy của phân tách dự đoán phương pháp phần tử rời rạc(DEM) Wang và cộng sự [10] đã trích xuất và phân tích lựctiếp xúc của phương tiện dạng hạt tác động lên phôi và tốc độcủa phương tiện dạng hạt và phôi trong máy đánh bóng rungbát động với đồng mô phỏng dựa trên ADAMS-EDEM Môphỏng DEM được kiểm tra để nghiên cứu hệ thống về cơ chếkích thích rung động và hành vi phức tạp của môi trường hạt

tiềm ẩn Dựa trên EDM, Li và cộng sự [11] đã thực hiện phântích lý thuyết và mô phỏng về cơ chế chuyển động và đặcđiểm phân bố của phương tiện mài trong quá trình hoàn thiệnthùng ly tâm và xác định tỷ số truyền tốt nhất cũng như xácminh độ tin cậy của mô phỏng DEM thông qua các thửnghiệm Tian và cộng sự [12] đã xây dựng mô hình động họcgia công tinh trục khuỷu ngang dựa trên phương pháp phần tửrời rạc, mô phỏng và phân tích lực tiếp xúc trung bình trên bềmặt trục khuỷu trong quá trình gia công Quá trình chuyểnđộng của hạt mài hệ thống hạt trong hộp vật liệu được thựchiện, cung cấp một tài liệu tham khảo để thay thế thí nghiệmtiếp theo bằng các phần tử rời rạc Trục chính của phôi songsong với trục chính của con lăn và duy trì một khoảng cáchthích hợp Bằng cách này, phương tiện hoàn thiện thùng và bềmặt của phôi tạo ra va chạm, lăn, trượt, trầy xước và các hiệuứng mài vi mô khác, cải thiện chất lượng bề mặt và tính toànvẹn bề mặt của các bộ phận Thông qua việc đọc và tóm tắtnội dung nghiên cứu của các học giả khác nhau, có thể thấyrằng trong nghiên cứu học thuật và nghiên cứu công nghiệp vềhoàn thiện quy mô lớn, người ta chưa tiến hành nghiên cứuchuyên sâu về cơ chế xử lý của thiết bị hoàn thiện thùng kiểutrục chính trong quá trình hoàn thiện quá trình xử lý trongquốc gia kết hợp với mô phỏng Vấn đề chính đã được giảiquyết trong nghiên cứu này nhằm giải thích cách vật liệu gốm

và phôi kim loại tương tác với nhau trong quá trình hoàn thiệnthùng Phương tiện xử lý sử dụng cơ chế vi cắt để loại bỏ vật

liệu khỏi phôi, do đó cần phải hiểu lực và chuyển động tươngđối giữa phương tiện và công việc Một số nhà nghiên cứu đãthực hiện nhiều nghiên cứu về cơ chế loại bỏ vật liệu và nhữngthay đổi về hình thái bề mặt của phôi Boschetto và cộng sự[13] đã thực hiện một nghiên cứu thử nghiệm về việc màibavia tấm kim loại trong quá trình hoàn thiện thùng và pháttriển một mô hình kỹ thuật để đánh giá chiều cao của baviatrong quá trình gia công và thời gian làm việc phương tiệnmài trong quá trình hoàn thiện thùng ly tâm và xác định tỷ sốtruyền tốt nhất cũng như xác minh độ tin cậy của mô phỏngDEM thông qua các thử nghiệm Tian và cộng sự [12] đã xâydựng mô hình động học gia công tinh trục khuỷu ngang dựatrên phương pháp phần tử rời rạc, mô phỏng và phân tích lựctiếp xúc trung bình trên bề mặt trục khuỷu trong quá trình giacông Quá trình chuyển động của hạt mài Boschetto và cộng

sự [14] sau đó đề xuất một mô hình tiến hóa để mô tả biêndạng nhám được xử lý bởi nguyên công hoàn thiện con lăndựa trên giả định vật liệu di chuyển lại và không có biến dạngdẻo và đỉnh cắt Cariapa [15] đã thiết lập một mô hình loại bỏvật liệu cho công việc của phương tiện gốm hình cầu và phôicho quy trình làm việc và đặc điểm loại bỏ vật liệu củaphương tiện trong thiết bị hoàn thiện máy ly tâm Gates vàcộng sự [16] đề xuất rằng chuyển động ngẫu nhiên củaphương tiện so với phôi sẽ tạo ra một phạm vi lực tác động vàtải trọng trượt nhất định, và các thông số cài đặt thiết bị khácnhau sẽ dẫn đến lượng vật liệu bị loại bỏ khác nhau Nói tóm

lại, quy trình hoàn thiện thùng phải tính đến các đối tượng cơbản như đối tượng và yêu cầu xử lý, thiết bị và thông số xử lý,loại và hình dạng của phương tiện đánh bóng con lăn, kíchthước và tác nhân hóa học Mỗi yếu tố ảnh hưởng và hạn chếlẫn nhau Hệ thống quy trình đánh bóng là một hệ thống phứctạp.

Ngày nay, quy trình hoàn thiện thùng trục chính chủ yếu được

sử dụng để cải thiện chất lượng bề mặt của các bộ phận quýgiá trong sản xuất thiết bị cao cấp Trong quá trình này, các chitiết gia công được kẹp và cố định trên trục quay Các chi tiếtgia công được đặt vào một con lăn thực hiện chuyển độngquay và được đổ đầy một lượng phương tiện hoàn thiện thùngnhất định hệ thống hạt trong hộp vật liệu được thực hiện,cung cấp một tài liệu tham khảo để thay thế thí nghiệm tiếptheo bằng các phần tử rời rạc Trục chính của phôi song songvới trục chính của con lăn và duy trì một khoảng cách thíchhợp Bằng cách này, phương tiện hoàn thiện thùng và bề mặtcủa phôi tạo ra va chạm, lăn, trượt, trầy xước và các hiệu ứngmài vi mô khác, cải thiện chất lượng bề mặt và tính toàn vẹn

bề mặt của các bộ phận Thông qua việc đọc và tóm tắt nộidung nghiên cứu của các học giả khác nhau, có thể thấy rằngtrong nghiên cứu học thuật và nghiên cứu công nghiệp vềhoàn thiện quy mô lớn, người ta chưa tiến hành nghiên cứuchuyên sâu về cơ chế xử lý của thiết bị hoàn thiện thùng kiểutrục chính trong quá trình hoàn thiện quá trình xử lý trongquốc gia kết hợp với mô phỏng Vấn đề chính đã được giải

quyết trong nghiên cứu này nhằm giải thích cách vật liệu gốm

và phôi kim loại tương tác với nhau trong quá trình hoàn thiệnthùng Phương tiện xử lý sử dụng cơ chế vi cắt để loại bỏ vậtliệu khỏi phôi, do đó cần phải hiểu lực và chuyển động tươngđối giữa phương tiện và chi tiết trong quá trình gia công Điềuquan trọng là phân tích độ nhám bề mặt và hình thái bề mặtcủa phôi bằng cách nghiên cứu cơ chế loại bỏ vật liệu, lực tiếpxúc, và quỹ đạo chuyển động phương tiện của phương tiệnném cuộn tiếp xúc với phôi

Trong bài báo này, quy trình hoàn thiện thùng kiểu trục chínhđược phân tích bằng cả thí nghiệm và mô phỏng dựa trên cácthiết bị và điều kiện giống hệt nhau để tạo thuận lợi cho việc

so sánh và xác minh lẫn nhau Các tham số cần thiết trong môphỏng được xác định dựa trên các thử nghiệm đáng tin cậy.Đầu tiên, dựa trên mô hình hao mòn của Hertz-Mindlin(Hertz-MD) với Archard, mô phỏng EDEM được sử dụng để

mô phỏng quá trình hoàn thiện thùng kiểu trục chính của cáctấm thép hình chữ nhật 20 mm x 12 mm ở các vị trí kẹp khácnhau ở các tốc độ con lăn khác nhau Một phương tiện màigốm hình cầu có đường kính 6 mm được sử dụng làm phươngtiện xử lý Có được quỹ đạo của phương tiện mài khi phươngtiện tiếp xúc với phôi, lực tiếp xúc giữa phương tiện mài vàphôi, tốc độ tiếp xúc va chạm và lượng mài mòn của phôi(lượng loại bỏ vật liệu) Sau đó đo lượng loại bỏ vật liệu củaphôi gia công bằng thí nghiệm Cơ chế xử lý đã được thảoluận đầy đủ với các kết quả mô phỏng

Mối quan hệ chức năng giữa lượng vật liệu được loại bỏ vàthời gian cũng như vị trí kẹp đã thu được để hoàn thiện thùngkiểu trục xoay Phân tích định tính giá trị độ nhám bề mặttrung bình và kết cấu bề mặt của phôi trước và sau khi xử lý

để đánh giá hiệu quả xử lý của phôi làm cho mô phỏng thực sựđược sử dụng để dự đoán các kết quả xử lý khác nhau màkhông yêu cầu các thử nghiệm thử nghiệm khó khăn hơn.1.1 Dụng cụ thí nghiệm

Thiết bị hoàn thiện thùng kiểu trục chính thường được sử dụngtrong phòng thí nghiệm là con lăn thép có đường kính 700 vàchiều cao 800 mm Đối với quá trình hoàn thiện trong các thí.nghiệm, cần có 800000 vật liệu mài có đường kính 6 mm choquá trình hoàn thiện trong thí nghiệm Nếu điều kiện làm việcthực tế này được mô phỏng bởi EDEM, sẽ mất 40 ngày đểhoàn thành quá trình mô phỏng trong 5 giây Xem xét khảnăng tính toán, một thiết bị quy mô nhỏ được thông qua trongcông việc hiện tại Sơ đồ thiết bị thiết bị thí nghiệm được thểhiện trong Hình 1 Con lăn quay là con lăn bằng thép không gỉ

201 (0Cr18Ni9 (GB)) có đường kính 216 mm và chiều cao

210 mm Vật liệu nghiền là vật liệu hình cầu được thiêu kết từ

co rundum màu nâu (như thể hiện trong Hình 2) với đườngkính trung bình là D = 6,2044 mm (độ lệch chuẩn là 0,0504,

số mẫu là 80) và phần khối lượng của Al2O3 là 96,7% và độcứng là 1,1711e + 07 Pa chiếm 60% thể tích con lăn

2 Mô hình mô phỏng phần tử rời rạc

2.1 Mô hình tiếp xúc mòn của Hertz-Mindlin với Archard

Mô hình Hertz-MD với độ mòn Archard là một phần mở rộngcủa mô hình Hertz-MD tiêu chuẩn (không trượt) trong EDEM

và dựa trên lý thuyết độ mòn Archard [17, 18] Chỉ số hiệusuất để đánh giá mài mòn là giá trị độ sâu mài mòn gần đúngcủa hình học trong quá trình tiếp xúc Ở trạng thái lý tưởng,khối lượng vật liệu bị loại bỏ bởi hình học càng nhiều thì càng

có nhiều công việc được thực hiện đối với sự dịch chuyển của

bề mặt tương ứng Nghĩa là thể tích của vật liệu bị mài mòn cóquan hệ tuyến tính với công ma sát trên bề mặt

Khối lượng vật liệu bị loại bỏ do hao mòn liên quan đếnphương trình Archard là:

K là hằng số không thứ nguyên, H là độ cứng bề mặt của vậtliệu, F là lực tiếp xúc và L là khoảng cách di chuyển tiếptuyến;

:

Khối lượng vật liệu đã bị loại bỏ trong quá trình xử lý phươngtiện mài và phôi được dự đoán bởi biểu thức (1) Một lần nữa,Cung cấp cho mỗi đơn vị độ sâu trong EDEM :

trong đó S là diện tích vật liệu được loại bỏ,

Việc xác định hệ số mài mòn bắt nguồn từ tài liệu (19) :

trong đó δn là sự chồng lấp, E* là mô đun đàn hồi tươngđương, ν là tỷ lệ Poisson, G là mô đun cắt, Rp là bán kính môitrường và là hằng số không thứ nguyên, = 0,84 [20].ϕ ϕ2.2 Mô hình hình học phần tử rời rạc

Mô phỏng sử dụng phần mềm EDEM và chọn Hertz-MD với

mô hình tiếp xúc đeo Archard được tích hợp trong khungEDEM Hệ thống được phát triển trong Solidwork giống với

hệ thống trong thử nghiệm và được nhập vào EDEM Mô hình

mô phỏng cho phần tử rời rạc thể hiện trong hình 3

3.Xác định các tham số mô phỏng

Sự khác biệt giữa mô phỏng DEM và thực nghiệm có thể

do nhiều nguyên nhân, đặc biệt là việc lựa chọn cácthông số vật lý liên quan Trong mô phỏng, các thông sốthuộc tính vật lý nội tại của con lăn, phương tiện hoànthiện và phôi gia công được xác định trực tiếp bởi các chitiết của nhà sản xuất Phân tích độ nhạy được thực hiệntrên cơ sở DEM để thu được các thông số tiếp xúc của

các bộ phận tiếp xúc Quá trình này chủ yếu được tiếnhành bằng cách liên tục điều chỉnh các tham số phần tửrời rạc của phương tiện hoàn thiện để đảm bảo rằng gócđặt lại phương tiện giống như trong thử nghiệm, để thuđược giải pháp tối ưu

3.1 Xác định các tham số mô phỏng giữa các phương tiện

3.1.1 Xác định góc nghỉ

Đầu tiên, góc phun được sử dụng để xác định góc xếp chồngcủa vật liệu mài Phương pháp cụ thể như sau: xi lanh nângđược đổ đầy phương tiện hoàn thiện thùng và bịt kín bằng mộtmiếng bìa cứng Xi lanh nâng được đặt lộn ngược trên tấmthép không gỉ Giấy cứng được loại bỏ và các hạt vẫn còntrong xi lanh Xi lanh nâng được nâng lên từ từ để các chấtmài mòn chảy ra khỏi đáy và tạo thành một đống phương tiệntrên tấm Góc xếp chồng của phương tiện được xử lý sau khicọc được ổn định bằng công nghệ xử lý ảnh MATLAB [21].Hình ảnh một mặt của đống phương tiện được đọc và đườngbiên thu được bằng cách tô xám, nhị phân hóa và trích xuấtđường biên Khớp biên theo phương pháp bình phương nhỏnhất để có được phương trình hệ số góc kθ và góc chồng củacọc phương tiện nghiền được tính theo công thức (7) Hình 4cho thấy hình ảnh xử lý góc đặt lại hình ảnh

3.1.2 Xác định các thông số tối ưu

Bằng cách tham khảo bảng hệ số ma sát thường được sử dụng,hãy xác định sơ bộ phạm vi của hệ số ma sát (giữa môi trường

và xi lanh nâng, và giữa môi trường và tấm thép) Mô phỏngthăm dò giá trị tham số tiếp điểm được thực hiện bằng cách sửdụng dải tham số trên để thực hiện thử nghiệm mô phỏng gócxếp chồng, dựa trên mô hình tiếp điểm “Hertz-MD (khôngtrượt)” Phạm vi tham số cần thiết cho mô phỏng được hiển thịtrong Bảng 1 và kết quả thử nghiệm mô phỏng như trong Hình5

Hình 7 là sơ đồ đo lường hệ số ma sát tĩnh Khi xác định hệ số

ma sát tĩnh của phương tiện mài con lăn và tấm mang, một sốphương tiện mài con lăn hình cầu được liên kết với nhau vàđặt trên tấm mang, và cơ cấu đai ốc vít được điều chỉnh Khivật liệu đánh bóng mới bắt đầu trượt xuống, ngừng điều chỉnhđai ốc vít me và ghi lại góc giữa tấm chất tải và tấm đáy Thựchiện nhiều thử nghiệm và tìm giá trị trung bình γ2, sau đó cóthể thu được hệ số ma sát tĩnh fs của phương tiện đánh bónglăn và tấm mang bằng phương trình (9): Phép thử Plackett-Burman trong phần mềm Minitab [22] được sử dụng để sànglọc các mục thông số có ảnh hưởng đáng kể đến góc nghiêngcủa phương tiện lăn (hệ số ma sát lăn, hệ số phục hồi va chạm,

hệ số ma sát tĩnh giữa các phương tiện) Sau đó, sử dụngphép thử leo dốc nhất để giá trị mức tham số liên quan gần vớigiá trị thực hơn Cuối cùng, phương pháp kiểm tra bề mặt đápứng Box-Behnken [23–24] được sử dụng để xác định tổ hợptham số tối ưu và các tham số tối ưu đã hiệu chuẩn được môphỏng Góc nghỉ đo được so sánh với góc nghỉ thử nghiệm đểkiểm tra các thông số giữa các phương tiện lăn

3.2 Xác định các tham số mô phỏng giữa phương tiện

và phôi