Bài viết này trình bày phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xác định giá trị của lực cắt trên bề mặt của chi tiết gia công thông qua việc thiết lập hệ thống đo, sử dụng phần mềm DASYlab7.0 có chức năng đo lường tự động và ghi dữ liệu.
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT TRÊN MÁY MÀI TRÒN NGOÀI A STUDY ON DESIGN AND CONNECTION OF CUTTING FORCE MEASUREMENT SYSTEM ON CYLINDRICAL GRINDING MACHINE Trần Hải Đăng, Nguyễn Thị Liễu Email: dangctts@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 20/4/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 14/6/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018 Tóm tắt Mài phương pháp gia công tinh sử dụng phổ biến ngành chế tạo máy Đồng thời mài trình phức tạp, thơng số đầu vào q trình mài ảnh hưởng đến chất lượng mài Do đó, thực nghiệm biện pháp hiệu để xác định xác thơng số q trình mài Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xác định giá trị lực cắt bề mặt chi tiết gia công thông qua việc thiết lập hệ thống đo, sử dụng phần mềm DASYlab7.0 có chức đo lường tự động ghi liệu Từ khóa: Phương pháp mài; mài trịn ngồi; hệ thống đo; thông số đo; lực cắt Abstract Grinding is a finish machinery method commonly used in the machine-building industry At the same time grinding is a complex process, the input parameters of the grinding process affect the quality of grinding Therefore, experiment is one of the effective measures to accurately determine parameters during grinding This paper presents an empirical research for determining the value of the cutting force on the surface of the machining part through the establishment of a measuring system in combination with the use of the DASYlab7.0 software which has function of automatic measurement and data recording Keywords: Grinding method; external grinding; measuring system; measuring parameters; cutting force GIỚI THIỆU q trình cắt, có nhiều mơ hình đưa [3, 4], số hãng giới thiệu hệ thống đo Tuy nhiên, hệ thống có giá thành q cao khơng phù hợp với điệu kiện kinh tế nước ta Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật giới lĩnh vực khí, mài coi nguyên công gia công tinh sau gia công tiện, phay, bào sau nhiệt luyện [1]… nhằm nâng cao độ xác kích thước độ nhẵn bóng bề mặt chi tiết gia cơng Ưu điểm trình mài dễ đạt độ xác kích thước, độ xác hình dáng hình học chất lượng bề mặt gia cơng theo u cầu Hơn nữa, mài cịn gia cơng vật liệu có độ cứng cao qua nhiệt luyện với lượng dư gia công nhỏ, đạt suất hiệu kinh tế cao mà phương pháp khác khó thực [2] Để khảo sát vấn đề cần phải mơ hình hóa Người phản biện: GS.TS Trần Văn Địch TS Vũ Hoa Kỳ 44 Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm đo lực cắt trình mài để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mang lại hiệu kinh tế cao TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Điều kiện thí nghiệm gồm: máy mài trịn ngồi, mẫu thí nghiệm, đá mài, dụng cụ sửa đá, phương pháp mài, chế độ sửa đá, chế độ cắt [5], cụ thể: - Máy mài trịn ngồi: Sử dụng máy mài trịn ngồi: GU-20.25A SHIGIYA Nhật Bản - Mẫu thí nghiệm mài: Mẫu thí nghiệm chế tạo từ thép 45 tơi cứng 45÷47 HRC - Đá mài: Sử dụng đá mài Nga ký hiệu €K25CM2, kích thước đá 305x50x127 mm Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC - Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại hạt có kích thước ∅12 x 40 mm - Phương pháp mài: Mài trịn ngồi có tâm chạy dao dọc - Chế độ sửa đá: Tốc độ quay trục chính: nđ = 2000 vg/ph, bước tiến dọc: Ssđ = m/ph, chiều sâu cắt: tsđ = 0,015 mm/htđ - Chế độ cắt: Tốc độ quay trục đá: nđ = 2000 vg/ph, tốc độ quay phôi: nct = 97 vg/ph, bước tiến dọc: Sđ = 0,5 m/ph, chiều sâu cắt: t = 0,05 mm Ngoài ra, để đo lực cắt thí nghiệm, tác giả sử dụng thiết bị đo lực cắt gồm: - Bộ cảm biến: Hai mũi tâm đóng vai trị phần tử đàn hồi có dán tenzo điện trở (cịn gọi lực kế) - Bộ chuyển đổi ADC: Bộ vi điều khiển MSC-51 điều khiển hoạt động chuyển đổi tương tự - số - Thiết bị xuất số liệu: máy tính cá nhân, máy in - Phần mềm điều khiển xử lý thông tin: sử dụng phần mềm DASYlab7.0 - 32 bit hãng IOTECH có chức đo lường, điều khiển, phân tích, ghi số liệu thiết kế mơ q trình đo MƠ TẢ THÍ NGHIỆM dụng để tính tốn kiểm nghiệm phần tử hệ thống, đảm bảo độ xác độ tin cậy cao, khác so với số cơng trình nghiên cứu trước phải tính tốn kiểm nghiệm tay 3.2 Thiết kế, chế tạo lực kế Để đo lực cắt gia công máy mài trịn ngồi, ta sử dụng mũi tâm làm phần tử đàn hồi có dán tenzo điện trở Nguyên lý đo: Trong trình mài thành phần lực cắt cần đo (lực pháp tuyến Py, lực tiếp tuyến Pz) thông qua chi tiết gia công (2) làm biến dạng mũi tâm (3), làm thay đổi điện trở tenzo dán hai mũi tâm, làm thay đổi dịng điện qua tenzo Sự thay đổi dịng điện lấy làm tín hiệu đo Độ lớn cực đại lực cần đo q trình mài tinh theo tính tốn lý thuyết máy mài GU - 20.25 A sau: - Lực tiếp tuyến: Pzmax = 60 N dùng để xác định cơng suất mài - Lực hướng kính: Pymax = 100 N vng góc với bề mặt làm việc Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm nghiệm chuyển vị phần tử biến dạng (hình 2) Kết kiểm nghiệm chuyển vị Ymax = 1,1 µm 3.1 Mơ hình thí nghiệm đo lực Một phương pháp đo lực cắt sử dụng rộng rãi dùng cảm biến có gắn tenzo điện trở phần tử đàn hồi có hình dạng khác Thông qua việc đo biến dạng phần từ đàn hồi đầu đo điện trở, ta xác định trị số lực Để đo lực cắt mài trịn ngồi ta sử dụng sơ đồ hình 1 n 3 n Hình Kiểm nghiệm chuyển vị phần tử biến dạng sử dụng phần mềm ANSYS [5] P P Hình Mơ hình thí nghiệm đo lực [5, 6] 1- đá mài; - chi tiết gia cơng; - mũi tâm có gắn cảm biến; - tốc độ truyền mômen Chi tiết gia công (2) gá hai mũi tâm (3) (đóng vai trị phần tử đàn hồi) Với sơ đồ thí nghiệm có sử dụng phần mềm chuyên Trong mài, phôi gá lên hai mũi tâm, hai mũi tâm lắp chặt với thân cảm biến, kết cấu thân cảm biến phải đủ độ cứng vững để q trình mài khơng ảnh hưởng đến độ xác sản phẩm đồng thời phải đủ độ nhạy để đo hai thành phần lực Py, Pz đá mài tác dụng lên phôi Từ yêu cầu trên, cảm biến thiết kế gồm hai phần là: thân cảm biến mũi tâm Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 45 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Ngoài cịn có vỏ bao bên ngồi để q trình làm việc, cảm biến không bị ảnh hưởng dung dịch tưới nguội phoi mài Q trình tính tốn kích thước, độ bền phần tử đàn hồi phải giải hai vấn đề bản, là: đảm bảo đủ độ cứng vững độ biến dạng thân cảm biến đó: (1−n) hệ số phi tuyến, với n số phi tuyến Trong thực tế, giá trị bé song ln tồn tại, gây khó khăn việc thao tác chỉnh cầu Tuy nhiên, giải pháp thực nghiệm ta khống chế cầu cảm biến làm việc đoạn tuyến tính mong muốn Trong trường hợp này, phần tử cảm biến tem biến dạng sử dụng tổ hợp biến dạng chịu uốn Để đảm bảo độ nhạy cảm biến khơng gian để đấu dây, phía thân cảm biến khoan rỗng Việc tính tốn độ nhạy thiết lập mạch cầu cảm biến phần tử biến dạng sử dụng phần mềm tính tốn chun dụng cho cảm biến tem biến dạng Transcalc hãng KYOWA Khi có lực Py tác động vào phần tử biến dạng chịu uốn (đồng thời thân cảm biến), điện trở tem R2, R4 tăng, R1, R3 giảm Điện áp lực tác dụng vào phần tử biến dạng Ura = Ky.Py, Py lực tác dụng vào phần tử biến dạng theo phương Y, Ky hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào điện áp nuôi cảm biến, độ nhạy tem điện trở kết cấu phần tử biến dạng 3.3 Thiết lập mạch cầu cảm biến chọn vị trí dán tem điện trở Khi có lực Pz tác động vào cảm biến, mạch cầu cảm biến đo lực Pz xảy tượng tương tự trường hợp Py tác động Mạch cầu cảm biến chứa một, hai, ba, bốn tem điện trở nhiều tuỳ thuộc vào độ lớn lực cần đo, độ xác mong muốn ảnh hưởng tác động bên Chiều biến dạng tem phụ thuộc vào kết cấu phần tử biến dạng vị trí dán tem Các tem biến dạng cảm biến xếp phần tử biến dạng, bốn tem điện trở vừa đóng vai trị tem đo vừa có tác dụng tự bù trừ nhiệt hình Trong mạch cầu này, tem chọn đồng nên: R1 = R2 = R3 = R4 = Rg, đó, Rg giá trị điện trở tem [5, 6] R°° 1°° Các vị trí dán tem phần tử biến dạng thể hình Tất tem điện trở dán phần tử biến dạng cho tem biến dạng dương (+) dán phía tem biến dạng âm (-) dán phía đối diện qua tâm phần tử biến dạng chịu uốn 1°° R°° R°° 2°° 4°° R°° R°° 2°° U°° ra°° R°° 4°° R°° 3°° R°° 3°° Hình Vị trí dán tem thân cảm biến [5] 3.4 Thiết kế thiết bị xử lý tín hiệu cho cảm biến U°° N°° Hình Mạch cầu điện trở với bốn tem vừa đo vừa tự bù trừ nhiệt Nếu điều kiện lý tưởng cầu thỏa mãn R1.R3 = R2.R4, nghĩa điện áp cầu không (Ura = 0) Chênh lệch điện áp cầu ∆Ura viết theo biểu thức sau: 46 Do cảm biến phải đảm bảo độ cứng vững nên cảm biến chế tạo có độ nhạy nhỏ Từ thiết bị xử lý tín hiệu thiết kế, chế tạo cần phải có hệ số khuếch đại tương đối lớn Bên cạnh đó, làm việc tránh khỏi loại nhiễu làm ổn định hệ thống đo nên khả lọc nhiễu thiết bị phải quan tâm Thiết bị xử lý tín hiệu bao gồm phần sơ đồ sau: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC khuếch đại yêu cầu chống nhiễu đảm bảo [5, 7] 3.5 Kết nối hệ thống đo lực Hình Sơ đồ thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến Thiết bị xử lý tín hiệu hai kênh sử dụng hệ thống đo lực máy mài tròn chế tạo nhờ ứng dụng vi mạch khuếch đại chuyên dụng cho cảm biến đo hãng RS Khi sử dụng vi mạch yêu cầu tính ổn định, hệ số Tín hiệu từ cảm biến đưa vào khuếch đại xử lý tín hiệu Card DBK16 Tín hiệu tương tự từ xử lý tín hiệu DBK16 đưa vào chuyển đổi A/D Daqbook 216 hiển thị máy tính cá nhân máy in Để thực phương pháp đo, sử dụng phần mềm điều khiển xử lý tín hiệu đo DASYlab 7.0 thiết kế hệ thống đo lường tự động ghi liệu hình Hình Hệ thống đo lực ghi liệu tự động máy tính KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Kết đo hành trình mài trình bày hình Các thơng số đo gồm thành phần lực Py, Pz Trên đồ thị, trục hoành thời gian mài (s), trục tung lực cắt (N) Quan sát đồ thị cho thấy, đường đặc tính chia thành giai đoạn sau: giai đoạn đầu đường đặc tính đường thẳng nằm song song với trục hoành, khoảng thời gian chưa có lực tác dụng đá vào bề mặt chi tiết, giai đoạn đường đặc tính đường cong, giai đoạn tiếp xúc đá với bề mặt chi tiết, lúc bắt đầu xuất lực cắt, giai đoạn lực cắt bắt đầu tăng lên chiều dài tiếp xúc đá bề mặt chi tiết tăng dần, đường đặc tính tăng gần tuyến tính tồn chiều rộng đá tiếp xúc với bề mặt chi tiết lực cắt đạt giá trị lớn nhất, giai đoạn đường đặc tính bắt đầu giảm, trình đá khỏi chi tiết, chiều dài tiếp xúc đá chi tiết giảm, lực cắt giảm dần đá khỏi chi tiết lực cắt khơng, điều cho thấy thông số đo thành phần lực Py, Pz đá bề mặt chi tiết tương đối ổn định Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 47 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Kết thí nghiệm đo lực mài hành trình máy mài trịn ngồi KẾT LUẬN - Thiết kế, chế tạo kết nối hệ thống đo lực hai thành phần: lực hướng kính Py, lực tiếp tuyến Pz máy mài trịn ngồi Hệ thống làm việc ổn định, đảm bảo độ xác - Sử dụng phần mềm để xác định lực cắt lưu trữ xử lý số liệu thực nghiệm - Hệ thống thí nghiệm đo lực sử dụng để xác định ảnh hưởng lực mài đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công chiều sâu mài đến độ nhám bề mặt mài phẳng hợp kim 16Mn có nhiệt luyện Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, số 46, trang 18-21 [3] L.N Filimonop (1978) Old grinding wheel Publishers manufacturing machinery Leningrat [4] S Markin (1989) Grinding technology theory and application machining with abrasive Massachusetts [5] Trần Đức Quý (2007) Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết mài trịn ngồi Luận án tiến sĩ kỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [1] Phạm Minh Đạo, Trần Anh Tuấn, Đỗ Lan Anh (2010) Giáo trình mài Nhà xuất Lao động, Hà Nội [6] Phan Bá, Đào Mộng Lâm (2001) Đo lường-sen [2] Lương Công Nhớ, Nguyễn Tiến Dũng (2016) Nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc chi tiết thống đo lực cắt máy mài trịn ngồi Tạp xơ Nhà xuất Qn đội Nhân dân [7] Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng (2007) Hệ chí Khoa học Cơng nghệ số 3, trang 104-108 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 ... Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 47 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Kết thí nghiệm đo lực mài hành trình máy mài trịn ngồi KẾT LUẬN - Thiết kế, chế tạo kết nối hệ thống. .. chống nhiễu đảm bảo [5, 7] 3.5 Kết nối hệ thống đo lực Hình Sơ đồ thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến Thiết bị xử lý tín hiệu hai kênh sử dụng hệ thống đo lực máy mài tròn chế tạo nhờ ứng dụng vi... liệu tự động máy tính KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Kết đo hành trình mài trình bày hình Các thơng số đo gồm thành phần lực Py, Pz Trên đồ thị, trục hoành thời gian mài (s), trục tung lực cắt (N) Quan