Đánh bóng là công đoạn cuối cùng trong quá trình chế tác ra sản phẩm làm từ kim loại. Bằng cách sử dụng các vật rắn hoặc mềm để tác động lên bề mặt của kim loại, chúng sẽ cho ra thành quả cuối cùng là những sản phẩm mịn và bóng, sáng. Vào thế kỷ thứ 20 cho đến những năm đầu thế kỷ 21, thông thường việc đánh bóng kim loại đều được thực hiện thủ công. Người ta sẽ phải dùng chính lực từ tay của mình để thực hiện. Dễ hình dung nhất là việc sử dụng giấy nhám để chà lên các bề mặt sần sùi, với mục đích là làm nhẵn, mịn bề mặt sản phẩm. Việc này không chỉ tốn nhiều thời gian và công sức, mà hiệu quả đánh bóng cũng không cao. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, quy trình đánh bóng đã được công nghiệp hóa. Thay vì làm thủ công, con người đã chế tạo ra hệ thống máy móc hiện đại. Từ đó, năng suất công việc cao hơn và chất lượng sản phẩm cũng tốt hơn rất nhiều.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐÁNH BÓNG TỪ TÍNH
Khái niệm về công nghệ đánh bóng từ tính
Định nghĩa Đánh bóng là công đoạn cuối cùng trong quá trình chế tác ra sản phẩm làm từ kim loại Bằng cách sử dụng các vật rắn hoặc mềm để tác động lên bề mặt của kim loại, chúng sẽ cho ra thành quả cuối cùng là những sản phẩm mịn và bóng, sáng
Vào thế kỷ thứ 20 cho đến những năm đầu thế kỷ 21, thông thường việc đánh bóng kim loại đều được thực hiện thủ công Người ta sẽ phải dùng chính lực từ tay của mình để thực hiện
Dễ hình dung nhất là việc sử dụng giấy nhám để chà lên các bề mặt sần sùi, với mục đích là làm nhẵn, mịn bề mặt sản phẩm Việc này không chỉ tốn nhiều thời gian và công sức, mà hiệu quả đánh bóng cũng không cao
Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, quy trình đánh bóng đã được công nghiệp hóa Thay vì làm thủ công, con người đã chế tạo ra hệ thống máy móc hiện đại Từ đó, năng suất công việc cao hơn và chất lượng sản phẩm cũng tốt hơn rất nhiều
Những quốc gia có nền công nghiệp đánh bóng phát triển phải kể đến như: Đức, Nhật, Thái Lan, Trung Quốc…Cũng nằm trong xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam cũng đã bước đầu ứng dụng các loại máy móc tự động cũng như bán tự động trong việc xử lý bề mặt kim loại khiến năng suất, sản lượng được tăng lên rất nhiều
Công nghệ đánh bóng từ tính sử dụng lực hút của từ trường hỗ trợ chuyển động của “kim từ làm sạch” giúp đánh bóng các chi tiết gia công một cách hiệu quả, chính xác trong thời gian ngắn nhất Máy thích hợp với các sản phẩm có kích thước nhỏ, cần xử lý bề mặt tinh xảo; các chi tiết mỏng, dẹt cần xử lý bề mặt sáng, bóng mà không gây ảnh hưởng tới biên dạng ví dụ như: linh kiện điện tử, chi tiết trong các thiết bị kỹ thuật số như máy ảnh, điện thoại, các hạt nhỏ như kíp nổ, đầu đạn trong quân đội
Các đầu mũi kim sẽ len lỏi vào những góc chi tiết nhỏ nhất, tiếp xúc tới những góc cạnh phức tạp; xử lý sạch, sáng, đạt độ bóng cao, giữ nguyên kích thước, biên dạng với thời gian xử lý nhanh, hiệu quả
Mục đích của quy trình đánh bóng Đánh bóng từ tính được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thấu kính đã được định hình, xử lý phần thô… giúp vật thể sáng bóng phù hợp với yêu cầu của người sử dụng Đây là phương pháp sử dụng vật liệu mài có hỗ trợ của từ trường để làm nhẵn các bề thấu kính
12 Khi được đánh bóng, bề mặt của các vật cần đánh bóng sẽ được loại bỏ các khuyết tật và trở nên sáng bóng hơn, làm tăng giá trị thẩm mĩ
Hầu hết các sản phẩm sau khi chế tạo sau vẫn còn vẻ thô sơ, thiếu tính thẩm mỹ như các vết xước, độ trong, tính quang học chưa đạt Do đó, quy trình đánh bóng các sản phẩm thấu kính ra đời thực chất chính là mang lại vẻ hoàn hảo cuối cùng trước khi đưa chúng ra thị trường
Nhờ có quy trình này, các sản phẩm được tiêu thụ thường có tính thẩm mỹ cao, bề mặt mịn, sáng và bóng Cũng chính nhờ vậy mà giá thành của các sản phẩm sau khi đánh bóng sẽ cao hơn và có tính cạnh tranh tốt hơn trên thị trường so với những sản phẩm không được đánh bóng
Quy trình đánh bóng Đánh bóng thấu kính là quá trình gia công bề mặt thấu kính quang học bằng cách sử dụng các máy nhiều trục hỗ trợ cho việc di chuyển giữa bề mặt cần đánh bóng tiếp xúc với dung dịch chứa vật liệu mài, thông qua việc sử dụng từ tính để thay đổi trạng thái của vật liệu mài (vật liệu mang từ tính).
Lịch sử phát triển công nghệ đánh bóng thấu kính
Hoàn thiện từ lưu biến (MRF) là một phương pháp xác định để tạo ra quang học phức tạp với độ chính xác hình ảnh Bước vít: p = db + (1÷5) = 3+4 = 7 (mm) (3.5) Chọn p = 12 (mm)
Bán kính rãnh lăn: r1 = (0,51 ÷ 0,53).db = 1.56 (mm) (3.6) Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi:
𝛽 là góc tiếp xúc Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: dtb = d1 + 2.(r1 – c) = 8.036 (mm) (3.8) Đường kính trong của đai ốc:
D1 = dtb + 2.(r1 – c) = 11.072 (mm) (3.9) Chiều cao làm việc của ren:
76 Chọn h1 = 1 mm Đường kính ngoài của vít và đai ốc: d = d1 + 2.h1 = 7(mm) (3.11)
Số bi trong các vòng ren làm việc:
𝑑𝑏 − 1 = 18.35 ≈ 19 (viên) (3.14) Trong đó: K là số vòng ren làm việc K = 2,3
Góc ma sát lăn thay thế:
𝑑 1 sin 𝛽 ) = 1,62 0 (3.17) Trong đó: 𝑓 𝑡 là hệ số ma sát lăn =0,005
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:
*Tính kiểm nghiệm độ bền:
Tải trọng riêng dọc trục:
𝑍 𝑏 𝑑 𝑏 2 𝜆= 2,67 (3.19) Với 𝜆 = 0,8 – là hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi
Từ X =0.0144 và 𝑞 𝑎 = 0.016 ta khảo sát đồ thị:
Hình 3 23 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất 𝜎 𝑚𝑎𝑥
𝜎 𝑚𝑎𝑥 ≤ [𝜎 𝑚𝑎𝑥 ] = 5000 𝑀𝑃𝑎 (thỏa mãn điều kiện bền)
(tham khảo ở sách tính toán hệ thống dẫn động cơ khí tập 1)
Như vậy vit me bi thỏa mãn điều kiện tải và những thông số đề ra sẽ có:
+ Đường kính trục vit d=8mm
Bộ truyền đai Thông số đầu vào:
- Số vòng quay tối đa: n 1 = 10 𝑣/𝑝ℎ
- Hiệu suất dây đai và pulley: 𝜂 = 0,9
- Tốc độ di chuyển: V= 100mm/s
Mô đun m được xác định theo công thức:
+ P: công suất của động cơ (kW)
78 Công suất động cơ P được tính:
Ta chọn m = 2 để tính toán
Với m = 2, ta chọn chiều rộng đai b = 8mm
Với m = 2, chọn bước đai p = π.m = 6,28 (mm)
Chọn số răng: 𝑧 1 = 𝑧 2 = 20 răng Theo puli thực tế
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện:
2 Đường kính vòng chia của các bánh đai:
𝑑 1 = 𝑑 2 = 𝑚 𝑧 1 = 2 20 = 40 Đường kính ngoài bánh đai theo thực tế: 𝑑 𝑎 1 = 𝑑 𝑎 2 = 12𝑚𝑚
𝑎 ∙ 57.3 𝑜 = 180 𝑜 Lực vòng riêng trên đai phải thảo mãn:
Lực tác dụng lên trục:
Ta chọn puli GT2, 20 răng, bước răng 2mm, trục 8mm Đai răng GT2 (dây curoa) bước răng 2mm, chiều rộng đai 8mm, vật liệu cao su và lớp mành tăng cường, chiều dài đai tùy theo hành trình
❖ Tính toán động cơ của vit me
Thông số tính toán động cơ bước trên trục vitme:
+ Hệ số ma sát của giá dẫn hướng: 𝜇 = 0,1
+ Góc nghiêng so với phương ngang: θ
+ Tốc độ của trượt vitme: V=0.1 m/s
+ Đường kính trục vít me: d=8 mm
+ Độ chính xác mong muốn ∆ 𝑙 = 0,06 𝑚𝑚/𝑏ướ𝑐
+ Khoảng cách dịch chuyển: l = 300 mm
Tính toán lựa chọn động cơ step: Độ phân giải cần thiết của động cơ step:
Số vòng quay động cơ:
𝑝 𝑏 = 500 𝑣/𝑝 Tính momen xoắn cho động cơ servo 20
𝑆 𝑓 : hệ số an toàn Công thức tính 𝑇 𝐿 :
F: lực làm bàn máy di chuyển
𝜇 0 : hệ số ma sát khớp nối ren (0,1-0,3 lấy bằng 0,3) 𝜂: hiệu suất động cơ (0,85 - 0,95 lấy bằng 0,9) 𝒾: tỷ số truyền của hệ thống
𝑃 𝐵 : bước của vít me (5 mm) Lực làm bàn máy dịch chuyển:
𝜇: hệ số ma sát bề mặt (0,1) 𝜃: góc nghiêng của trục 90 m: khối lượng phải tải (m=1kg)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
Thay số vào công thức (3.23) ta có:
1 =0,054 (N.m) Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng chung cho các động cơ)
𝑁 𝑀 : tốc độ quay của động cơ
Hình 3 24 Đồ thị dịch chuyển của cơ cấu
Tính momen quán tính tải:
Momen quán tính của trục vitme:
Thay số vào công thức (3.44) ta có:
Hình 3 25 Momen quán tính trục vít me
𝐷 𝐵 : Đường kính trục vít me
𝐿 𝐵 : chiều dài vít me 𝜌: khối lượng riêng của thép Momen quán tính của bàn máy:
83 Thay số vào công thức (3.45) ta được:
2𝜋 1 = 2,3 10 −5 (Kg.𝑚 2 ) Trong đó: m: tải trọng
𝑃 𝐵 : bước của vít me Suy ra momen quán tính tải theo công thức (3.43):
𝐽 𝐿 = 1,27 10 −5 + 2,3 10 −5 = 3,57 10 −5 (Kg.𝑚2) Momen tăng tốc theo công thức (3.42):
Ta có hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 3 ta có momen xoắn của động cơ theo công thức (3.39):
Có công suất làm việc an toàn của động cơ là:
➔Từ những tính toán trên và dựa vào catalog của IAI.AMERICA nhóm lựa chọn được IAI ROBO Cylinder RCP4-SA5R thỏa mãn những thông số đề ra(gồm cả vit me bi đã tính toán ở trên và động cơ)
Tính toán động cơ truyền đai:
+ Khối lượng dây đai là m1=0,1 kg
+ Tải trọng cần kéo là m2=1 kg
+ Đường kính pulley chuyển động là 12,22mm
Ta có công suất cần thiết của động cơ là:
𝜂 là hiệu suất truyền tải 𝜂 = 0,99
=>Như vậy với công suất cần thiết và vận tốc cần của pully ta chọn được động cơ Step A3K-S545W 5pha thỏa mãn
Van hút chân không Van hút chân không SMC ZU07S:
Hình 3 26 Van hút chân không SMC ZU07S Để tính toán lực hút của van hút chân không, cần biết diện tích của bề mặt tiếp xúc giữa van và bề mặt vật nặng, cũng như áp suất chân không và ma sát giữa bề mặt tiếp xúc
+ Diện tích bề mặt tiếp xúc: A = 962.11mm = 0.96211 m
Do bề mặt tiếp xúc giữa cốc hút và thấu kính không đáng kể nên ma sát = 0 Áp dụng công thức:
F = m * g ➔ F = 0.05*9.8 = 0.49N Vậy lực hút tối thiểu cần để giữ vật là F= 0.49N Để tính áp suất P cần thiết để tạo ra lực hút 0.49N, ta có thể sử dụng công thức sau:
Ta thấy van hút chân không SMC ZU07S thỏa mãn yêu cầu dưới đây là thông số
Cỡ ống ỉ6 Áp suất nguồn 0,1-0,6Mpa Áp suất chân không -85Kpa ( -0,85Bar)
Van điện từ khí nén AIRTAC 4V210-08 là loại van khí nén 3/2 có 3 cổng 2 vị trí và 1 đầu coil điện, được điều khiển bằng điện, thường được dùng để điều khiển xi lanh khí nén:
Kích thước cổng 1/4”.(ren 13) kích thước cổng xả 1/4″ (ren 13) Áp suất hoạt động 0.15 – 0.8 MPa
Loại van Loại van hơi 3 cửa 2 vị trí (1 Đầu Coil Điện)
Xuất Xứ AIRTAC (Đài Loan)
Dòng Series 3V310 có 3 loại như sau:
3V310-10 là loại van khí nén 3/2 có1 đầu coil điện
3V210-08 l là loại van khí nén 3/2 có 1 đầu coil điện
3V110-06 là loại van khí nén 3/2 có 1 đầu coil điện
Bảng 3 2 Bản thông số van điện từ ẢITAC 4V210-08
CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí
Khung mô hình máy tự động đánh bóng thấu kính sử dụng dung dịch từ tính
Hình 4 1 Hình ảnh 3D của mô hình
Mô hình đánh bóng thực tế:
Hình 4 2 Mô hình máy đánh bóng sau khi hoàn thiện
Hình 4 3 Phôi mẫu sử dụng trong mô hình
Chế tạo mô hình hệ thống điều khiển
Bố trí các thiết bị điện trong bảng mạch:
Hình 4 4 Bố trí trong Layout trong tủ điện
115 Hình ảnh thực tế của bảng mạch điện
Hình 4 5 Hình ảnh thực tế bảng mạch điện
Thử nghiệm và đánh giá hoạt động hệ thống
Hệ thống thực hiện đánh bóng thấu kính bị xước theo trình tự: lúc chưa có phôi gá giữ phôi và trục vitme ở vị trí home Sau khi phôi được cấp, gá giữ sẽ đưa phôi ra vị trí đánh bóng và trục vitme sẽ xuống lấy phôi và tiến hành đánh bóng Sau thời gian đánh bóng phôi được đưa trở lại gá và được đưa ra vị trí xuất để công nhân nhận phôi đi đánh giá Sau đó gá phôi quay trở về trị trí nhận phôi để tiếp tục chờ phôi lặp lại quá trình đánh bóng
Các bước thực hiện đánh bóng:
Hình 4 6 Vị trí home của gá và vitme
Hình 4 7 Phôi ở vị trí đánh bóng
Hình 4 8 Phôi đang được đánh bóng
Hình 4 9 Phôi ở vị trí xuất
− Đánh giá sau khi đánh bóng
Hình 4 10 Vết xước được phát hiện trên phôi
120 Hoạt động của hệ thống
Quá trình mới đầu thử nghiệm còn xảy ra khá nhiều lỗi như vị trí của vitme và khá phôi hoạt động không chính xác như mong muốn, cảm biến không nhận được tín hiệu
Sau khi qua quá trình chỉnh sửa và thử nghiệm lại nhận thấy mô hình hoạt động khá ổn định Hoạt động chính sác theo nguyên lý đã đặt ra
Hình 4 11 Hệ thống sau khi hoàn thành
Hoạt động của dung dịch từ tính
Hoạt động của dung dịch từ tính sau khi thử nghiệm có hiệu quả khá tốt, hoạt động trong vùng từ trường ổn định, tuy nhiên do thiết kế bố trí từ trường chưa đều nên phần dung dịch từ tính chưa phân bố toàn bộ bề mặt đánh bóng
Hình 4 12 Dung dịch từ tính
121 Sau khi thử nghiệm nhận thấy có thể nhận diện được vết xước trên thấu kính Tuy nhiên còn một số phần cần cải thiện như ánh sáng cung cấp vào buồn soi chưa ổn định và camera có độ phóng đại thấp
Hình 4 13 có thể phát hiện vết xước trên phôi
122 Sau hơn 3 tháng học tập, nghiên cứu và làm việc, sau đây là kết quả mà nhóm đã đạt được:
+ Thiết kế được mô hình đánh bóng thấu kính trên phần mêm Solidworks + Phân tích, tính toán và lựa chọn được động cơ phù hợp
+ Phân tích, tính toán trục Z để lựa chọn được bộ truyền động
+ Xây dựng, kết nối được hệ thống mạch điều khiển, cảm biến, các module giao tiếp, các cơ cấu chấp hành để tạo thành một hệ thống hoạt động ổn định
+ Thiết kế được mạch điều khiển sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 + Điều khiển mô hình đánh bóng thấu kính theo yêu cầu mong muốn
Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp, nhóm đã cố gắng hoàn thiện thiết kế mô hình một cách tốt nhất có thể Tuy nhiên trong thời gian ngắn, cách thiết kế, tính toán, lựa chọn và mô phỏng còn thiếu kinh nghiệm thực tế, gặp nhiều khó khăn nên vẫn còn những thứ cần cải thiện như:
+ Do phần tính toàn thiết kế chưa được hoàn chỉnh nên còn có độ lắc rung phần máng quay và phần giữ phôi
+ Trong quá trình lập trình lập trình nguyên lý còn gặp một số lỗi và chưa được tốt ưu hóa
❖ Định hướng phát triển Để nghiên cứu phát triển và mở rộng mô hình cần mất rất nhiều thời gian và kinh phí Cần tham khảo nhiều hơn các bài nghiên cứu, sáng tạo về các mô hình thực tế đã hoạt động thành công Để hoàn toàn tự động cần phải kết nối sử lý ảnh với bộ điều khiển để hoàn thiện mô hình hơn
123 [1] Trần Văn Địch, Thiết kế đồ án Công Nghệ Chế Tạo Máy, 2007
[2] Nguyễn Đắc Lộc - Lê Văn Tiến - Ninh Đức Tốn - Trần Xuân Việt, Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy Tập 3, 2006
[3] Nguyễn Ngọc Đào - Trần Thế San - Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia công cơ khí, 2002
[4] Nguyễn Đắc Lộc - Lê Văn Tiến - Ninh Đức Tốn - Trần Xuân Việt, Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy Tập 2, 2006
[5] Nguyễn Đắc Lộc - Lê Văn Tiến - Ninh Đức Tốn - Trần Xuân Việt, Sổ Tay Công Nghệ Chế Tạo Máy Tập 1, 2006
[6] K.Kato, N.Umeharra, S Adachi, and S Sato, “Method for Grinding Using a Magnetic Fluid and an Apparatus Thereof,” U.S Patent 4,821,466 (1989)
[7] S D Jacobs, Magnetorheological Glass Polishing, Informational Brief dated 16
[8] W.I Kordonski, S.D Jacobs, D.Golini, E Fess, D Strafford, J Ruckman, and M.Bechtold, “Vertical Wheel Magnetorheological Finishing Machine for Flats, Convex, and Concave Surfaces,” Optical Fabrication and Testing Technical Digest
[9] H Suzuki, S Kodera, H Matsunaga, and T Kurobe, “Study on Magnetic Field- Assisted Polishing: Effect of Magnetic Field Distribution on Removal Distribution,”