Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm các mối ghép kết cấu thân máy phay gỗ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

NGUYỄN PHƯỚC HƯNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM

CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU

THÂN MÁY PHAY GỖ

RESEARCH IN DESIGNING AND EXPERIMENTING OF JOINTS FOR ROUTER STRUCTURE

Ngành: Kĩ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, tháng 5 năm 2019

Mã số : 60520103

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 ………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN PHƯỚC HƯNG MSHV:1770002

Ngày, tháng, năm sinh: 09/11/1994 Nơi sinh: Cần Giuộc, Long An Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số : 60520103

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ

1 Tính toán và mô phỏng mối ghép hàn

- Phân tích chọn các mối ghép chỉ tiêu độ bền cắt và độ cứng động

- Khảo sát ảnh hưởng của các mối ghép đến đặc độ cứng và độ bền kết cấu 2 So sánh kết cấu dùng mối ghép hàn với mối ghép bu lông

- Phân tích độ bền cắt và độ cứng của các dạng mối ghép trong mô hình thân máy phay gỗ

3 Thực nghiệm sự ảnh hưởng của các chế độ công nghệ đến rung động máy phay gỗ có kết cấu hàn

- Dùng 3 phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng phương trình hồi qui biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ quay trục chính n, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao s và biên độ rung động A trục chính của mô hình máy phay CNC với thân máy sử dụng mối ghép hàn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)………

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin phép gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc, người đã vạch ra những hướng đi đúng đắn cho tôi và luôn theo dõi để hoàn thành luận văn đúng tiến độ Nhờ thầy tôi có được những nền tảng kiến thức quý giá phục vụ đắc lực cho luận văn cũng như công việc của tôi sau này

Bên cạnh đó chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Trần Văn Thùy luôn đồng hành và tư vấn các vấn đề liên quan đến đề tài giúp tôi bổ sung nhiều kiến thức thực hiện tốt nhiệm vụ luận văn Đồng thời tôi cũng cảm ơn TS Bùi Đức Vinh, bộ môn vật liệu xây dựng, khoa Kỹ thuật xây dựng đã hỗ trợ thiết bị để tôi có thể tiến hành việc thực nghiệm trên mô hình máy sau khi chế tạo Cuối cùng là lời cảm ơn gửi đến bạn Nguyễn Hoàng Hiệp đã hỗ trợ, tư vấn các vấn đề về thực nghiệm

Một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến hai thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc và thầy ThS Trần Văn Thùy cùng các thầy và các bạn trong khoa đã luôn hỗ trợ tôi trong suốt khoảng thời gian vừa qua

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 5 năm 2019 Học viên thực hiện

Nguyễn Phước Hưng

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Những sản phẩm mỹ nghệ tạo ra yêu cầu mức độ thẩm mỹ cũng như độ tinh xảo ngày càng cao để đáp ứng nhu cầu đời sống ngày càng cao như hiện nay Nhờ sự hỗ trợ của công nghệ CNC ngành mỹ nghệ đã có những bước tiến vượt bậc Năng suất ngày càng cao và chất lượng sản phẩm đồng đều hơn so với các phương pháp truyền thống Khi đề cập đến máy CNC thì yếu tố về độ chính xác gia công là cực kỳ quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của sản phẩm Độ cứng vững là yếu tố then chốt quyết định đến độ chính xác gia công của thiết bị Đồng thời, hiện nay trong các kết cấu khung máy CNC, mối ghép bu lông và mối ghép hàn được sử dụng phổ biến để ghép nối các thành phần với nhau Trước tình hình đó việc đưa ra sự tương quan giữa hai loại mối ghép cùng với việc đưa ra giải pháp kết nối các thành phần nhằm cải thiện được độ chính xác gia công là vấn đề cần thiết Với lý do đó tôi quyết định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ” làm đề tài luận văn thạc sĩ Nội dung luận văn bao gồm các công đoạn: Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới; tính toán và mô phỏng mối ghép hàn; so sánh kết cấu mối ghép hàn và mối ghép bu lông, thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng đến rung động của máy phay gỗ dùng mối ghép hàn và cuối cùng đưa ra kết luận cho toàn bộ luận văn

Nguyễn Phước Hưng Khoa Cơ khí

Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

DISSERTATION ABSTRACTS

Fine art products create a high level of aesthetic requirements as well as a high level of sophistication to meet the increasing demands of living today Thanks to the support of CNC technology, the fine arts industry has made great progress Productivity is higher and product quality is more uniform than traditional methods When referring to CNC machines, the element of machining accuracy is extremely important, it determines the quality of the product Rigidity is a key factor that determines the machining accuracy of the device Besides, in CNC frame structures, bolt joints and welding joints are commonly used to connect components together Because of that thing, the correlation between the two kinds of joint with the introduction of solutions to connect components to improve machining accuracy is necessary For that reason, I decided to choose the article " RESEARCH IN DESIGNING AND EXPERIMENTING OF JOINTS FOR CNC ROUTER STRUCTURE" as the master thesis The content of the thesis includes the following chapter: Overview of research situation in local and in the world; calculate and simulate welding joint; comparing the properties of welding joints and bolts; experimenting with factors affecting the vibration of wood milling machines using welding joints and finally making conclusions for the whole thesis

Nguyen Phuoc Hung

The Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, và chưa được công bố trong các công trình khác Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình

Người cam đoan

Nguyễn Phước Hưng

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN BTÓM TẮT LUẬN VĂN CLỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ EMỤC LỤC FDANH SÁCH HÌNH VẼ HDANH SÁCH BẢNG BIỂU J

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỐI GHÉP HÀN 3

Độ bền cắt của mối ghép hàn trong trường hợp tổng quát 3

2.2.3 Phân tích độ nhạy lực kéo nén Fz 19

2.2.4 Phân tích độ nhạy momen xoắn T 21

2.2.5 Đánh giá kết quả 24

CHƯƠNG 3: SO SÁNH KẾT CẤU MỐI GHÉP HÀN VÀ KẾT CẤU MỐI GHÉP BU LÔNG TRONG MÁY PHAY GỖ 25

Xây dựng mô hình mô phỏng 25

Độ bền cắt và độ cứng của các dạng mối ghép trong mô hình thân máy phay gỗ 27

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỌ CÔNG NGHỆ ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA TRỤC CHÍNH MÁY PHAY GỖ CÓ KẾT

CẤU HÀN 32

Thiết lập thí nghiệm 32

Thiết kế thí nghiệm 34

Xây dựng phương trình hồi quy 40

4.3.1 Phương pháp quy hoạch bậc hai hỗn hợp đối xứng quay đều 41

4.3.2 Phương pháp quy hoạch bậc hai hỗn hợp đối xứng dạng B 43

4.3.3 Phương pháp quy hoạch bậc hai hỗn hợp đối xứng dạng Box-Behnken 44

4.3.4 So sánh mức độ phù hợp của các phương pháp thực nghiệm 46

Đánh giá kết quả thực nghiệm 49

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC: SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM TẠI TÂM 56

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong ngành công nghiệp đồ nội thất hiện đại, máy phay gỗ CNC được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là khi chất lượng sản phẩm ngày càng cao và tính linh hoạt của quá trình sản xuất ngày càng được cải tiến

Chất lượng và độ chính xác của máy CNC có thân máy được chế tạo từ kết cấu hàn hoặc bulông phụ thuộc vào chất lượng, độ chính xác của các bộ phận của máy cũng như phụ thuộc vào các mối ghép và chi tiết truyền động trong máy CNC như: Mối ghép bulông (bolts), mối ghép hàn (welds), đường dẫn hướng trượt (linear guides), bộ truyền vitme – đai ốc bi (Ball screw) … [1, 2] Trong quá trình làm việc, các mối ghép phá hỏng tính liên tục của kết cấu máy, làm cho đặc tính động lực học của kết cấu máy bị ảnh hưởng bởi các bộ phận cấu thành máy và các đặc tính động lực học của các mối ghép

Hàn là một trong những phương pháp công nghệ hiện đại để tạo kết cấu máy, kết cấu xây dựng và các kết cấu khác Phương pháp hàn thường được sử dụng để chế tạo bệ máy, khung máy, thân máy Kết cấu máy sử dụng thép hình và liên kết với nhau bằng mối ghép hàn có ưu điểm là khả năng thay đổi kích thước kết cấu dễ dàng, thiết kế và chế tạo nhanh Tuy nhiên giảm chấn của kết cấu là một vấn đề rất quan trọng Khác với gang đúc hoặc các kết cấu bê tông, kết cấu hàn của thép hình hạn chế sự giảm chấn trong và do đó dễ bị rung động không mong muốn Đặc biệt đối với kết cấu máy CNC cao tốc, tốc độ trục chính có thể lên đến trên 40000 vòng/phút Ðể đạt được tốc độ trục chính như vậy yêu cầu kết cấu máy phải đảm bảo độ bền, độ cứng và khả năng chống rung động tốt [3, 4]

Các nhà nghiên cứu đã cố gắng thiết kế kết cấu máy CNC có độ cứng phù hợp để giảm rung động và tăng tính ổn định trong suốt quá trình gia công [5] Thông thường tần số tự nhiên đầu tiên của kết cấu máy dạng giàn hiếm khi cao hơn 100Hz, tương ứng với tốc độ trục chính khoảng 6000 vòng/phút [6, 7] Máy có tần số tự nhiên dưới 150Hz không thể gia công được các sản phẩm có chất lượng cao Do đó để có máy CNC cho các hoạt động gia công tốc độ cao đòi hỏi phải thiết kế kết cấu máy có độ ổn định về rung động

Các nghiên cứu chỉ ra rằng khoảng 60% tổng độ cứng động và khoảng 90% tổng độ giảm xóc của kết cấu máy bắt nguồn từ các mối ghép và các chi tiết truyền động [8] Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của các loại mối ghép và các chi tiết truyền động nói chung và các mối ghép nói riêng đến đặc tính động lực học của kết cấu máy CNC là vấn đề rất quan trọng hiện nay

Nghiên cứu này trình bàyviệc tính toán và phân tích để lựa chọn kết cấu máy sử dụng phương pháp hàn và dạng đường hàn hợp lý nhất cho kết cấu máy CNC, nghiên cứu ảnh hưởng của dạng đường hàn đến đặc tính động học của kết cấu máy nhằm nâng cao độ cứng cho kết cấu máy, tăng khả năng chống rung động khi máy làm việc ở tốc độ cao và tránh hiện tượng cộng hưởng để đạt được chất lượng bề mặt gia công tốt nhất

Ở đề tài này, tác giả thực hiện các nghiên cứu trên mô hình máy phay CNC gỗ dạng giàn di chuyển, bàn cố định (Mobile gantry, stationary bed), với khung được

lắp ráp từ thép CT38, vật liệu có chỉ số kết cấu cao (Structural index), với các thông

số máy cụ thể như sau

Kích thước tổng thể của máy (mm) 800x800x650

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỐI GHÉP HÀN

Độ bền cắt của mối ghép hàn trong trường hợp tổng quát

Yêu cầu chủ yếu khi thiết kế kết cấu hàn - đảm bảo độ bền đều của mối hàn và các chi tiết ghép Tương ứng với yêu cầu này, phụ thuộc vào kích thước và bố trí các chi tiết hàn người ta xác định dạng mối hàn tương ứng của mối ghép đã cho Nếu mối ghép hàn thực hiện bằng nhiều mối hàn thì giả thuyết rằng chúng được tải đều [9]

Xét mối hàn ở góc chịu lực phức tạp như hình 1 Các thành phần lực tác động lên mối ghép gồm lực kéo FZ, lực cắt FX, FY, momen uốn MX, MY và momen xoắn T

Với giá trị của các thành phần: Lực FX = FY = 270N, FZ = 250N, Momen xoắn T = 955 N.mm, chiều cao cạnh mối hàn k = 5mm, kích thước dầm h = 120mm, b = 60mm, l = 200mm Thực hiện tính toán ứng suất tương đương của mối ghép hàn ở

mặt cắt nguy hiểm theo hai phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn

- Lực Fx song song với mặt phẳng ghép được dời về trọng tâm mối hàn và được

thay thế bởi moment uốn Mx và lực cắt Fx nằm trong mặt phẳng mối hàn:

- Lực Fy song song với mặt phẳng ghép được dời về trọng tâm mối hàn và được

thay thế bởi moment uốn My và lực cắt Fx nằm trong mặt phẳng mối hàn

TyI

trong đó: Aw – diện tích mặt cắt nguy hiểm

a – độ dài cánh tay đòn từ lực Fx, Fy đến mặt phẳng ghép Ix – momen quán tính của mối hàn theo trục Ox

Iy – momen quán tính của mối hàn theo trục Oy IP – momen quán tính độc cực của mối hàn

x – khoảng cách từ một điểm trên mối hàn đến trục Oy

y – khoảng cách từ một điểm trên mối hàn đến trục Ox

Đối với các thành phần ứng suất như trên thì độ bền mối hàn tính theo thuyết bền ứng suất cắt

Các dạng đường hàn được khảo sát

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 a [11]:

Ứng suất gây ra bởi lực Fz:

2.0, 7 .

Fk h

3.2 2.2.

Ứng suất gây ra bởi lực Fy:

2.0, 7 .

Fk h

2 2 2.2.

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 b [11]:

Ứng suất gây ra bởi lực Fz:

2.0, 7 .

Fk b

3.2 2.2.

2.0, 7 .

k b

2 2 2.2.

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 c [11]:

Ứng suất gây ra bởi lực Fz:

Ứng suất gây ra bởi lực Fy:

Ứng suất gây ra bởi Moment T:

32 2.2.

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 d [11]:

Ứng suất gây ra bởi lực Fz:

Ứng suất gây ra bởi lực Fy:

12 2

b hbbhhb

b h

  

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 a

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) của dạng đường hàn 2.3 a

Sai số tương đối giữa hai phương pháp được xác định như sau 4,89 4, 93

 

Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 b

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) của dạng đường hàn 2.3 b

13, 49 12,87

13, 49

 

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) của dạng đường hàn 2.3 c

Sai số tương đối giữa hai phương pháp được xác định như sau

2, 96 3, 2

2, 96

 

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) của dạng đường hàn 2.3 d

Sai số tương đối giữa hai phương pháp được xác định như sau

6, 45 6, 58

6, 45

 

Tổng hợp lại ta có Bảng kết quả tính toán ứng suất tương đương và kết quả so sánh của các dạng đường hàn khác nhau sử dụng hai phương pháp giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn

Bảng 2.1: Kết quả ứng suất tương đương

STT Đường hàn

Ứng suất tương đương

Chuyển vị Phương pháp

giải tích, tđ

Phương pháp FEM, FEM

Sai số tương đối (%)

Xét về chỉ tiêu độ bền cắt, ở dạng đường hàn thứ 2 (hình 2.3 b), ứng suất cắt tương đương của dạng này lớn hơn đáng kể so với ba dạng còn Kết quả ứng suất nhỏ

nhất đạt được khi mối hàn áp dụng dạng đường hàn thứ 3, tuy nhiên dạng đường hàn này lại có tổng chiều dài mối hàn lớn nhất Dạng 1 (hình 2.3 a) và dạng 4 (hình 2.3 d) có ứng suất cắt gần tương đương nhau, không quá lớn so với dạng thứ 3, chúng có tổng chiều dài đường hàn là bằng nhau và ngắn hơn so với dạng thứ 3

Xét về chỉ tiêu độ cứng, ở dạng đường hàn thứ 2 chuyển vị của dạng này cũng lớn hơn đáng kể so với ba dạng còn lại Kết quả chuyển vị nhỏ nhất đạt được khi mối hàn áp dụng dạng đường hàn thứ 1, tiếp theo là dạng đường hàn thứ 3 Chuyển vị của dạng đường hàn thứ 3 nằm ở vị trí trung bình của bốn phương pháp

Dựa trên các kết quả tính toán và nhận xét trên, dựa vào các chỉ tiêu về độ bền cắt, độ cứng và yếu tố kinh tế ta có thể áp dụng dạng 1 vào trong các kết cấu hàn, dạng đường hàn này cũng là dạng thường gặp trong các kết cấu hàn thực tế

Đánh giá các chỉ tiêu ảnh hưởng đến độ bền cắt và độ cứng của mối ghép hàn

Sau khi lựa chọn được dạng hàn phù hợp là dạng thứ nhất, để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành phần tác động đến độ bền cắt của mối hàn, ta tiến hành dùng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng bao gồm

các lực FX , FY, FZ, momen xoắn T bằng cách tính toán 30% giá trị chênh lệnh của

từng yếu tố với giá trị không đổi của các yếu tố còn lại, sau đó đánh giá mức độ thay đổi của ứng suất và chuyển vị trong từng trường hợp và rút ra kết luận

2.2.1 Phân tích độ nhạy lực cắt Fx

- Khi Fx+ = 130% Fx = 130% 270N = 350N

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị Fx+

- Khi Fx- = 70% Fx = 70% 270N = 190N

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị Fy+

- Khi Fy- = 70% Fy = 70% 270N = 190N

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị Fy- 2.2.3 Phân tích độ nhạy lực kéo nén Fz

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị Fz+

- Khi Fz- = 70% Fz = 70% 250N = 175N

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị Fz- 2.2.4 Phân tích độ nhạy momen xoắn T

(a)

(b)

Ứng suất tương đương (a) và chuyển vị (b) với giá trị T+

- Khi T- = 70% T = 70% 955Nmm = 670Nmm