thiết kế chế tạo máy đo lực cắt khi gia công kim loại dùng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1-Tổng quan các kết qủa nghiên cứu trong và ngoài nước về các phương pháp xác định lực cắt 2-Tính toán thiết kế thiết bị đo lực cắt 3-Chế tạo thiết bị đo lực cắt trên máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO LỰC CẮT

KHI GIA CÔNG KIM LOẠI DÙNG TRONG GIẢNG DẠY

VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MÃ SỐ: T18 - 2006

Tp Hồ Chí Minh, 2007

S 0 9

S KC 0 0 1 7 9 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO LỰC CẮT KHI GIA CÔNG KIM LOẠI DÙNG TRONG GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MÃ SỐ : T18 - 2006

THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGƯỜI CHỦ TRÌ : PGS TS PHÙNG RÂN

ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ MÁY

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2007

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

1-Tổng quan các kết qủa nghiên cứu trong và ngoài nước về các phương pháp xác định lực cắt

2-Tính toán thiết kế thiết bị đo lực cắt

3-Chế tạo thiết bị đo lực cắt trên máy tiện

4-Lắp ráp và thử nghiệm

5-Đo lường và xây dựng các bài thí nghiệm

Phần 1 – ĐẶT VẤN ĐỀ

I-ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Thiết bị đo lực cắt là loại thiết bị thí nghiệm rất cần thiết trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học Nhiều đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ và tiến tới luận án tiến sĩ có thể không thực hiện được vì thiếu thiết bị này

Nhằm từng bước xây dựng các thiết bị thí nghiệm phục vụ giảng dạy và nghiên cứu trong ngành Công nghệ chế tạo máy, đề tài này là một trong những thiết bị thí nghiệm cần được trang bị Hơn nữa các thiết bị nhập ngoại thường rất đắt tiền, trong khi đó Thầy và trò trường ta có khả năng chế tạo được với giá thành rẻ Vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị đo lực cắt trên máy tiện với phương pháp đo riêng rẽ từng thành phần

II-TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Như trên đã nói, thiết bị nhập ngoại thường rất đắt tiền và nếu nhập thì phải đồng bộ và phải xây dựng dự án

Trong nước một số cơ sở và trường học cũng đã nghiên cứu chế tạo tuy nhiên mỗi nơi làm theo một phương pháp khác nhau

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật đang đi theo hướng chế tạo thử nghiệm các mô hình dạy học giống thực tế, các thiết bị thí nghiệm nhằm giúp sinh viên tiếp cận nhanh với sản xuất và phục vụ nghiên cứu khoa học Đề tài này đáp ứng tốt nhiệm vụ này

Phần 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I-MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

1-Nhằm biến lý thuyếtû thành thiết bị cụ thể

2-Thiết bị dùng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học

3-Thí nghiệm để tìm các thông số thực nghiệm

II-PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1-Tham khảo tài liệu và thiết kế sơ bộ

2-Tìm kiếm các linh kiện có trên thị trường phù hợp với thiết kế

3-Chế tạo và thử nghiệm

4-Thiết kế hoàn chỉnh

5-Thay đổi một số kết cấu

6-Làm thí nghiệm nhiều lần để xác định một số thông số cần thiết

III-NỘI DUNG

A- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LỰC CẮT

1-Xác định lực cắt bằng con đường lí thuyết

a) Xác định lực cắt dựa trên cơ sở phân tích cơ học của quá trình cắt:

Từ vị trí của mặt trượt ( góc tách phoi 1 ), từ diện tích của tiết diện phoi cắt và từ tính chất của vật liệu chi tiết gia công, ta có thể xác định được lực cần thiết để cắt được một đơn vị diện tích phoi cắt (1mm2)

Lực sinh ra đểtách được một đơn vị diện tích phoi cắt gọi là lực cắt đơn vị,kí hiệu p, tính bằng N/mm2 Kết quả nghiên cứu của Time (người Nga ), Piispanen ( người Phần Lan ), Mechent ( người Mỹ ), và Hucks ( người Đức) thì lực cắt đơn vị được biểu diễn bằng mối quan hệ :

) / ( cot )

1

1 g N mm tg

 Trong đó c là ứng suất cắt sinh ra trong mặt trượt

  là hằng số phụ thuộc vào vật liệu gia công

 1 là góc tách phoi

Tiếp tục nếu gọi q là diện tích lớp phoi được tách ra thì lực cắt được xác định theo công thức :

Với q = a tb.b = S.t ( mm2)

atb - là chiều dày cắt trung bình được tính bằng mm

b - là chiếu rộng cắt cũng được tính bằng mm

b) Xác định lực cắt trên cơ sở phân tích biến dạng:

Phương pháp này được các nhà nghiên cứu rất quan tâm

Khi các phần tử kim lọai phoi cắt di chuyển theo mặt trước của dao thì trong phương trượt xuất hiện ứng suất cắt và ứng suất nén Trên (hình 1) mô tả bằng 2 lực P e



vàP e



Theo lý thuyết thì lực tác dụng lên dao phải cân bằng với lực tác dụng lên vùng cắt Để khảo sát lực sinh ra trong quá trình cắt ta lập 1 hệ trục tọa độ Decass trong trường hợp cắt tự do như hình 4.9 Lúc đó ta có :

0 cos sin

sin

c là ứng suất cắt sinh ra trong mặt trượt

Thay (19) vào (18) và biến đổi ta nhận được:

0 sin cos

cos

)cos(sin

)sin

(cos1

1 1 1

c tb e

b a

.)

1(

1

1 1

tb c

Độ lớn lực cắt phụ thuộc vào mức độ biến dạng phát sinh khi cắt Mức độ biến dạng có thể được đặc trưng bằng hệ số co rút phoi Hệ số co rút phoi K có thể được xác định từ kích thước của phoi và lớp cắt nhưng cũng có thể tính được trên cơ sở hình học ( hình 4.2)

Từ hình 4.2 ta có :

1 sin

L K





L K tg

Thay các công thức trên vào công thức 20 ta được :

)cos(sin

sincos

)sin

coscos

sin(

K

K

K b a

Sau khi biến đổi ta được:

)sin(

cos)sin(cos

)cos(sin

cos

cos)sin[(

2

2 2

K

K b a

Công thức (11) cho thấy rõ lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công (c) , vào độ lớn tiết diện cắt (atb;b), vào góc trước dao(), vào độ lớn ma sát giữa dao và phoi (), vào hệ số co rút phoi (K) và phụ thuộc vào các yếu tố có liên quan đến các quá trình cắt (như vận tốc cắt, làm nguội, bôi trơn )

Công thức (12) được thiết lập trên cơ sở chú ý tới ứng suất trượt sinh ra trên mặt trượt Nhưng khi cắt trong vật liệu xuất hiện trạng thái ứng suất vô cùng phức tạp Theo kết quả thí nghiệm thì giá trị ứng suất nén cũng ảnh hưởng đáng kể đến mức độ biến dạng Cụ thể là khi áp lực của dao tăng thì chiều dài của lớp biến dạng dư cũng tăng theo Trên cơ sở đó áp lực pháp tuyến được tính như sau:

Trong đó :c là ứng suất nén trong vùng cắt

t - là chiều sâu cắt

S - là lượng chạy dao

m - là hệ số poisson c) Xác định lực cắt bằng bảng và biểu đồ:

Việc xác định lực cắt bằng cách tính tóan nói chung rất tốn thời gian và cần đến công việc chuẩn bị Để đỡ công tính tóan, những giá trị lực cắt thường gặp được lập thành bảng hoặc cho dưới dạng đồ thị, chỉ việc tra bảng hoặc dựa vào đồ thị để xác định lực cắt

2-Xác định lực cắt bằng thực nghiệm

a)Dùng các phương tiện đo lực cắt

Đo theo nguyên lý cơ học:

Dao 1 được kẹp chặt lên cơ cấu kẹp dao 2 nhờ các vít 7 Cơ cấu kẹp dao 2 và lò xo 4 có thể quay quanh chốt 3 và 9 gắn trên thân dụng cụ đo 5

Nguyên lý: Khi cắt gọt dưới tác dụng của lực cắt P dao được gắn chặt trên

cơ cấu kẹp dao bị chuyển vị, độ lớn chuyển vị được thể hiện ở đồng hồ đo 6 Từ độ lớn chuyển vị đọc được thông qua xử lý số đo ta nhận được giá trị lực cắt

9 8 7

6

5 3

4 2

6.Đồng hồ đo

7.Bu lông kẹp

8 Chốt tỳ

9.Chốt quay

Ưu điểm của lọai thiết bị đo này là đơn giản về kết cấu, dễ dàng sử dụng Nhưng có nhược điểm là độ chính xác thấp do ma sát tại khớp quay.

Đo theo nguyên lý thủy khí :

Nguyên lý : Khi cắt dao 3 gắn trên cơ cấu kẹp dao 2 chịu tác dụng của lực P

Cơ cấu 2 có thể quay quanh chốt 1 Chuyển vị của cơ cấu 4 di trượt lên xuống làm thay đổi áp suất trong buồng chất lỏng 5 Sự thay đổi áp suất có thể đọc được trực tiếp ở đồng hồ 6

Lọai thiết bị đo này có ưu điểm là độ nhạy, độ chính xác cao Nhược điểm của nó là kết cấu phức tạp, ảnh hưởng của nhiệt độ lớn

Đo theo nguyên lý điện dung :

Nguyên lý đo lực của Cảm biến điện dung ( hình 5) : Lực cắt tác dụng lên dao làm dịch chuyển tấm đàn hồi của tụ điện , tức là thay đổi khe hở h, do đó làm thay đổi điện dung Thay đổi điện dung làm thay đổi dòng điện, sự thay đổi dòng điện được máy ghi lại để xử lý

Đo theo nguyên lý điện cảm :

Cảm biến cảm ứng ( hình 6) họat động trên cơ sở thay đổi dòng điện trong cuộn dây do thay đổi khe hở h giữa các vật từ tính Sự thay đổi lực cắt sẽ làm thay đổi giá trị của dòng điện

Đo theo nguyên lý biến dạng điện trở :

1: thân dao

2: thiết bị ghi lại sự thay đổi dòng điện

3: cơ cấu khuếch đại

4: cơ cấu ổn định điện thế

Hình 6 – Đo lực cắt bằng cảm biến điện cảm

Hình 7 – Đo lực cắt bằng cảm biến biến dạng điện trở

Cảm biến biến gồm một số vòng dây có đường kính 0.015 0.06 mm từ hợp kim đặc biệt có khả năng thay đổi điện trở khi biến dạng Các vòng dây được đặt giữa hai tấm giấy và được dán trên thân dao 1 và vòng dây 6 biến dạng ( hình 7 ) Dưới tác dụng của lực cắt thân dao 1 và vòng dây 6 biến dạng Điều này sẽ làm dòng điện trong mạch thay đổi và được khuyếch đại nhờ cơ cấu 3 sau đó thiết bị 2 ghi lại Cơ cấu 4 được nối với nguồn điện 5 có tác dụng ổn định điện thế nhằm mục đích ổn định kết quả đo khi điện thế thay đổi

Đo lực theo nguyên lý biến dạng dư:

Trong sức bền vật liệu đã nghiên cứu : nếu có lực P tác dụng lên quả cầu , quả cầu sẽ ép lên bề mặt vật liệu kim lọai thì vật sẽ bị biến dạng Sau khi bỏ tải trọng P do có biến dạng dư nên trên vật vẫn còn tồn tại lõm cầu có đường kính D

do quả cầu ép còn tồn tại trên vật Ngòai phụ thuộc vào đường kính viên bi d đã được xác định nó còn phụ thuộc vài tải trọng P

Như vậy khi d = const thì : D = f(P)

Nhờ quan hệ trên bằng cách đo đường kính lõm cầu D ta suy ra được P Ứng dụng nguyên lý trên người ta đã chế tạo lực kế đo 3 thành phần lực cắt như hình 8

Nếu như các lọai dụng cụ đo đã kể trên cho ta giá trị lực cắt trung bình hoặc giá trị lực cắt tức thời thì lọai dụng cụ đo dựa vào biến dạng dư này cho ta giá trị lớn nhất của lực cắt

Ưu điểm lớn của lọai dụng cụ đo này là đơn giản, dễ thao tác Nhưng nhược điểm của nó là độ chính xác thấp do ngọai ma sát giữa các chi tiết trong dụng cụ đo

b) Xác định lực cắt bằng cách thông qua đo công suất cắt:

Xác định lực cắt bằng phương pháp đo trực tiếp chỉ có thể tiến hành bằng thí nghiệm Phương pháp đo nói chung có nhược điểm là tốn kém, nhất là phải có thiết

8 7

6

5 4

3 2 1

Hình 8 – Đo lực cắt theo nguyên lý biến dạng dư

bị đo Vì lẽ đó người ta có thể xác định lực cắt theo phương pháp khác kinh tế hơn, đó là xác định lực cắt thông qua đo công suất Như ta đã biết giữa lực cắt và công suất có quan hệ như sau:

102 60

.v p

N 

Trong đó : N - là công suất (KW)

v - là vận tốc theo phương lực tác dụng (m/ph)

Để đơn giản cho việc tính tóan khi tính công suất cắt Nc thường người ta bỏ qua công suất chạy dao lúc đó:

60 102

.v P N

N

N Trong đó  là hiệu suất của động cơ và máy , thường  = 0.6-0.8

Như vậy rõ ràng công suất đợng cơ một phần để thực hiện cắt gọt, phần còn lại để thắng lực ma sát giữa các chi tiết tiếp xúc có chuyển động tương đối với nhau trong bản thân động cơ và máy

Nếu mở máy mà không cắt thì công suất đo được ở cơ cấu chấp hành chính là công suất tổn thất đó, người ta gọi là công suất chạy không( Nck ) Từ đó công suất động cơ, công suất cắt, và công suất chạy không có mối quan hệ như sau :

N N

P dc ck v



B - THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO LỰC CẮT

Nội dung chính :

- Lựa chọn phương pháp đo : Đo riêng rẽ từng thành phần lực Pz ; Py ; Px

- Lựa chọn cảm biến đo : Dùng cảm biến biến dạng điện trở loại chuẩn được nhập ngoại (thường gọi là Load Cell)

- Thiết kế từng bộ phận gá đặt riêng và cấu tạo phần dao cắt cho từng loại lực cắt

- Sử dụng thiết bị hiển thị lực kỹ thuật số (Digital Weighing Indicator)

Phân tích : Ba thành phần

lực tác động theo 3 phương

như hình 9, nếu sử dụng

chung một thiết bị đo thì

cấu tạo sẽ phức tạp Đồng

thời Load Cell chỉ có thể

đo lực theo một phương

nhất định Vì vậy sử dụng

Load Cell như cán dao và

gắn phần cắt của dao vào

đầu chịu lực của Load Cell

và đo từng loại lực riêng

rẽ

1- Giới thiệu Load Cell

Load cell làm việc theo nguyên tắc biến dạng đàn hồi của Tenzô

Nguyên lý làm việc của chuyển đổi Tenzô (điện trở Tenzô) dựa vào hiệu ứng Tenzô, tức là sự thay đổi điện trở của dây dẫn khi có biến dạng cơ học Đặc trưng cho hiệu ứng Tenzô của vật liệu là hệ số nhạy tương đối k, nó được xác định bằng tỉ số giữa biến đối điện trở và biến đổi chiều dài dây dẫn

k = 



R l

Trong đó:

R = R/R : biến đổi tương đối của điện trở dây

l = l/l : biến đổi tương đối của chiều dài dây

Đối với vật liệu lỏng, thực tế không thay đổi thể tích trong quá trình biến dạng như thủy ngân, chất điện phân nên hệ số nhạy Tenzô k = 2

Đối với vật liệu rắn, sự thay đổi chiều dài của chúng phụ thuộc vào biến thiên thể tích, hơn nữa trị số của sự biến thiên thể tích trong vùng biến dạng đàn hồi đối với mỗi loại vật liệu là không đổi và đặc trưng bằng hệ số Poat-xông  Hệ số nhạy Tenzô lúc này bằng:

k = R l

Điện trở Tenzô được dùng dưới 3 dạng: dạng dây, dạng lá mỏng và dạng màng

Loại điện trở Tenzô dùng dây phổ biến nhất như hình 10a) Trên tấm lót bằng giấy mỏng hay màng sơn người ta dán những dây mảnh có đường kính 0,020,05mm theo hình răng lược Đầu các dây đưọc hàn nối với dây dẫn bằng đồng Phía trên của chuyển đổi được phủ sơn hoặc dán dạ hay giấy

Đại lượng chủ của chuyển đổi là biến dạng của lớp ngoài chi tiết mà trên đó có dán chuyển đổi, còn đại lượng ra là sự thay đổi điện trở của chuyển đổi, tỉ lệ với biến dạng đó

Hình 10 Điện trở Tenzo : a) dạng dây; b) dạng lưới màng

LOAD

Loaded LC Unloaded LC

Trên hình 11a) chỉ rõ cách dán các tenzo lên dầm và khi chưa có tải trọng thì dòng ra bằng không hình 11b), khi có tải trọng dòng ra sẽ khác không hình 2-19c Các cảm biến đo lực dùng biến dạng như hình 11 được gọi là Load Cell, hiện nay trên thị trường có nhiều dạng khác nhau để sử dụng vào các mục đích như làm các cân điện tử tự động

2- Lựa chọn Load Cell

Lọai Load cell: Để đo các thành

phần của lực cắt khi tiện, sử dụng

lọai Load cell như hình 13 Tùy

theo việc đo Pz, Py, hay Pz mà thay

đổi vị trí gá Load cell trên ổ dao

tiện

Thông số: Trong phạm vi các bài

thí nghiệm ta chọn Load cell đo được khỏang 300 Kg

3- Lựa chọn thiết bị hiển thị lực kỹ thuật số (Digital Weighing Indicator)

Hình 12 - Các kiểu Load Cell

Hình 13

Hình 14 – Load cell gắn với thiết bị hiển thị lực

Khi tiện có lực PZ tác động lên đầu dao tiện đặt trên đầu chịu tải trọng của loadcell Lúc này đầu chịu tải trọng của loadcell bị chuyển vị làm cho mạch cầu trong loadcell mất cân bằng và làm điện thế trong mạch thay đổi Đầu ra của loadcell ghi nhận sự thay đổi điện thế này và truyền tín hiệu ra cho bộ phận biến đổi gọi là đầu hiển thị để giá trị hiện ra trên màn hình đầu hiển thị là lực

4-Thiết kế đầu đo Px

Hình 15- Sơ đồ mạch điện của thiết bị

Bộ gá (hình 17) dùng để đỡ

loadcell, trên load cell có gắn mảnh

dao tiện để đo lực cắt Px

Khi cắt do lực Px, load cell sẽ

biến dạng theo chiều ngược với

chiều chạy dao S, lực Px sẽ hiển thị

lên đầu đọc

4-Thiết kế đầu đo Py

Khi tiện lực PY tác động lên

đầu dao tiện đặt trên đầu chịu tải

trọng của loadcell Lúc này đầu chịu

tải trọng của loadcell bị chuyển vị làm

cho mạch cầu trong loadcell mất cân

bằng và làm điện thế trong mạch thay

đổi Đầu ra của loadcell ghi nhận sự

thay đổi điện thế này và truyền tín

Px

hiệu ra cho bộ phận biến đổi gọi là đầu hiển thị để giá trị hiện ra trên màn hình

đầu hiển thị là lực

4-Thiết kế đầu đo Pz

Khi tiện lực PZ tác động lên dao

tiện đặt trên đầu chịu tải trọng của

loadcell Lúc này đầu chịu tải trọng của

loadcell bị chuyển vị làm cho mạch cầu

trong loadcell mất cân bằng và làm điện

thế trong mạch thay đổi Đầu ra của

loadcell ghi nhận sự thay đổi điện thế

này và truyền tín hiệu ra cho bộ phận

biến đổi gọi là đầu hiển thị để giá trị

hiện ra trên màn hình đầu hiển thị là lực

Các thông số của Loadcell: UBX 200KG

Dùng cho việc đo cả 3 phương của lực cắt

- Đầu vào :10V AC hay DC

- Độ nhạy : 2mV/V

- Tải trọng cho phép : 150% tải trọng ghi trên loadcell (300 đến 450 Kg)

- Tải trọng phá hủy : 200% tải trọng ghi trên loadcell

- Đầu vào (+) : dây màu đỏ

- Đầu vào (-) : dây màu đen

3:đầu gắn dao tiện

4:tấm đỡ

5:dao tiện

Pz

S