Thiết kế chế tạo cơ cấu tạo rung động trợ giúp gia công cơ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHAN VĂN NGHỊ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CÔNG CƠ 2012 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Lời cam đoan Tơi xin cam đoan kết trình bày luận văn thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học tƣơng tự đƣợc cơng bố, trừ thơng tin tham khảo đƣợc trích dẫn Phan Văn Nghị Tháng 12 năm 2012 Thực hiện: Phan Văn Nghị Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Lời cám ơn Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học tôi, thầy giáo - PGS.TS Nguyễn Văn Dự, ngƣời tận tình bảo, động viên giúp đỡ cho nhiều suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Thứ đến, xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Ths Lê Duy Hội Ths Chu Ngọc Hùng giúp đỡ nhiều q trình làm luận văn Tơi xin cám ơn thầy giáo Cao Thanh Long kỹ thuật viên DNTN Thái Long giúp đỡ việc gia công, chế tạo thiết bị thí nghiệm thực thí nghiệm cho đề tài Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí nhƣ mơn Chế tạo máy, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện để đƣợc tham gia hồn thành khóa học Lịng biết ơn chân thành xin bày tỏ với vợ gia đình tơi, tất mà ngƣời dành cho tơi Mọi ngƣời chăm sóc, động viên suốt thời gian sống, học tập làm luận văn Cuối cùng, xin cám ơn thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chun ngành: CN-CTM Tóm tắt Qua việc phân tích cách hệ thống ƣu điểm vƣợt trội phƣơng pháp gia cơng có rung động trợ giúp nguyên lý tạo rung động, cấu tạo rung động đặt lên phôi khoan đƣợc mô hình, tính tốn, thiết kế chế tạo Hai cấu tạo rung đƣợc thiết kế lần lƣợt theo nguyên lý: Cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm khí cấu tạo rung theo nguyên lý áp điện Cơ cấu tạo rung tần số thấp (khoảng 50 Hz) theo nguyên lý li tâm khí đƣợc chọn để tạo rung động trợ giúp cho q trình thí nghiệm khoan hợp kim nhơm Cơ cấu lệch tâm chế tạo tạo rung động với tần số từ 26 đến 60 Hz, biên độ từ đến 12 micromet, đƣợc tích hợp vào hệ thống gia công nhằm tạo rung cho phôi theo phƣơng dọc trục mũi khoan Các lỗ có đƣờng kính 1,5 mm, chiều sâu 13 mm (L/D = 9) đƣợc gia công đối chứng khoan thƣờng khoan có bổ sung rung động Các thí nghiệm đƣợc thiết kế nhằm so sánh độ tròn, độ trụ suất hai chế độ gia công khoan truyền thống khoan có rung động trợ giúp Vấn đề kẹt phoi, gãy mũi khoan khoan nhôm hợp kim nhôm gần nhƣ đƣợc khắc phục hoàn toàn Số liệu thực nghiệm độ lay động đƣờng kính độ trịn lỗ khoan đƣợc phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 sample t-test) 36 mẫu đo Kết cho thấy khoan có rung làm giảm độ lay rộng đƣờng kính lỗ đến lần, làm giảm độ khơng tròn lỗ đến lần so với khoan truyền thống Trên giới, rung động trợ giúp gia công thƣờng đƣợc thực nhờ tạo rung dùng động servo cồng kềnh tinh thể áp điện đắt tiền Kết nghiên cứu đem lại khả chủ động thiết bị, công nghệ cho phƣơng pháp gia cơng có rung động trợ giúp trở nên hứa hẹn Việt Nam, khắc phục đƣợc vấn đề chủ động vật tƣ, thiết bị giá thành Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Mục lục Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Các ký hiệu viết tắt Danh mục hình ảnh Danh mục bảng, biểu 11 GIỚI THIỆU 12 0.1 Vấn đề nghiên cứu 12 0.2 Các kết nghiên cứu gần 13 0.3 Mục tiêu nghiên cứu 16 0.4 Các kết đạt đƣợc 16 0.5 Cấu trúc luận văn 17 Chƣơng 19 TỔNG QUAN VỀ GIA CƠNG CĨ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 19 1.1 Giới thiệu 19 1.2 Lịch sử ngành gia cơng có rung động trợ giúp 19 1.3 Các phƣơng pháp gia cơng có rung động trợ giúp 21 1.3.1 Phƣơng pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) 21 1.3.2 Phƣơng pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) 22 1.3.3 So sánh phƣơng pháp: cắt truyền thống (CC), CUCV UECV 23 1.4 Các phƣơng pháp tạo rung động trợ giúp gia công 24 1.4.1 Tạo rung động li tâm khí 24 1.4.3 Tạo rung động truyền dẫn lệch tâm 27 1.4.4 Tạo rung động truyền dẫn khí nén hay thủy lực 28 1.4.5 Tạo rung động việc ứng dụng hiệu ứng áp điện 28 1.4.5.1 Hiệu ứng áp điện vật liệu gốm 28 1.4.5.2 Các tính tốn cấu PZT 30 1.4.5.3 Các cấu PZT với độ bền thấp tải nhỏ 31 1.5 So sánh, lựa chọn phƣơng pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo thử nghiệm 34 1.6 Kết luận chƣơng 35 Chƣơng 37 CÁC KHÓ KHĂN KHI KHOAN LỖ NHỎ 37 TRÊN HỢP KIM NHÔM 37 2.1 Giới thiệu 37 2.2 Các ứng dụng nhôm hợp kim nhôm 37 2.1.2 Tính gia cơng hợp kim nhôm 41 2.3 Các vấn đề gia công hợp kim nhôm 42 2.3.1 Các vấn đề chung 42 2.3.1.1 Lực cắt gia công hợp kim nhôm 42 2.3.1.2 Sự hình thành tách phoi 42 2.3.2 Các vấn đề khoan nhôm hợp kim nhôm 44 2.3.2.1 Biến dạng phoi khoan 45 2.3.2.2 Lực di chuyển phoi cho phoi xoắn ốc 48 2.3.2.3 Lực di chuyển phoi cho phoi dải 50 2.3.2.4 Ảnh hƣởng thơng số hình học mũi khoan đến tạo thành phoi xoắn ốc 51 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 2.3.2.5 Ảnh hƣởng thơng số mũi khoan đến hình thành phoi dạng dải 53 2.4 Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan loại vật liệu dẻo 54 2.4.1 Mơ hình tốn cho khoan rung 54 2.4.2 Khả bẻ phoi khoan có rung động trợ giúp 56 2.5 Kết luận chƣơng 57 Chƣơng 58 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN 58 3.1 Giới thiệu 58 3.2 Mơ hình rung động trợ giúp nguyên công khoan 58 3.3 Thiết kế, chế tạo tạo rung động theo hiệu ứng áp điện cho khoan 59 3.3.1 Lựa chọn, tính tốn PZT 60 3.3.2 Bệ gá sở 61 3.3.3 Ống kẹp 62 3.3.4 Ống truyền rung động 63 3.4 Thiết kế, chế tạo tạo rung động theo nguyên lý li tâm khí cho khoan 65 3.4.1 Động điện chiều (chi tiết số 1) 67 3.4.2 Bánh lệch tâm (chi tiết số 7) 68 3.4.3 Quả nặng để thay đổi khối lƣợng lệch tâm (chi tiết số 8) 69 3.4.4 Bệ gá sở ( chi tiết số 5) 70 3.4.5 Giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 9) 71 3.4.6 Sống dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 3) 72 3.4.7 Các lò xo trì rung động (chi tiết số 4) 72 3.4.8 Tấm gá động - Rãnh dẫn hƣớng chữ V (chi tiết số 2) 74 3.4.9 Ống gá động 75 3.4.10 Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11) 76 3.4.11 Lắp ghép chi tiết để tạo thành cấu hồn chỉnh 76 3.4.12.Tính tốn lực quán tính li tâm để tạo trì rung động 77 3.5 Kết luận chƣơng 81 Chƣơng 83 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM 83 4.1 Giới thiệu 83 4.2 Thiết lập thí nghiệm 83 4.2.1 Các trang thiết bị thí nghiệm 83 4.2.2 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm 88 4.2.3 Trình tự thực thí nghiệm 88 4.3 Kết thí nghiệm 89 4.3.1 Đặc tính phoi 89 4.3.2 Độ lay rộng lỗ khoan 90 4.3.3 Độ khơng trịn lỗ khoan 93 4.3.4 Độ ổn định kích thƣớc lỗ khoan 96 4.3.5 Độ xiên lỗ khoan 97 4.3.6 Chất lƣợng bề mặt lỗ sau khoan vấn đề ba via mép cuối lỗ khoan 97 4.4 Kết luận chƣơng 99 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 100 Các kết đạt đƣợc 100 Đề xuất hƣớng nghiên cứu 100 Tài liệu tham khảo 102 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM PHỤ LỤC 105 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Các ký hiệu viết tắt UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting) CUVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration Cutting) PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers) PZT-4 (Một loại cấu chuyển đổi áp điện) ELID Quá trình mài sửa đá điện phân (Electrolytic In Process Dressing) USM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) EDM Gia công tia lửa điện (Electrical Discharge Machining) ECM Gia công điện hóa (Electrochemical Machining) Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Danh mục hình ảnh Nội dung TT hình Trang 1.1 Mơ hình đặt rung động vào hệ thống gia cơng 22 1.2 Mơ hình cắt rung theo kiểu elip 23 1.3 Nguyên lý hình thành lực ly tâm 24 1.4 Nguyên lý tạo rung lực từ trƣờng 26 1.5 Cơ cấu tạo rung động lực từ trƣờng 27 1.6 Tạo rung truyền dẫn lệch tâm dùng cho máy tải rung 27 1.7 Tạo rung thủy lực, khí nén 28 1.8 Hiện ứng áp điện 1.9 Hiệu ứng áp điện thuận nghịch xảy vật liệu áp điện 30 1.10 Quan hệ lực cản hành trình (biên độ) 31 1.11 Ứng xử PZT làm việc theo hƣớng trục 31 1.12 PZT đơn công nghiệp 33 1.13 Các PZT xếp chồng 34 2.1 Một số ứng dụng thực tế hợp kim nhôm 38 2.2 Các sản phẩm ứng dụng hợp kim nhôm A5052 40 2.3 Mức độ ảnh hƣởng tốc độ cắt lƣợng chạy dao đến lực cắt 42 2.4 Phoi khoan vật liệu dẻo 43 2.5 Ảnh hƣởng vận tốc cắt đến dạng phoi dạng phoi 44 2.6 Các kích thƣớc phoi khác thí nghiệm 48 2.7 Phân tích lực khoan có phoi dạng xoắn ốc 48 2.8 Phoi dải chuyển động rãnh xoắn 51 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 2.9 Trạng thái ban đầu phoi xoắn ốc 52 2.10 Hình dạng phoi dạng dải 53 2.11 Mơ hình quỹ đạo lƣỡi cắt mũi khoan khoan 55 3.1 Mơ hình khoan với rung động trợ giúp 58 3.2 Mơ hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện 59 3.3 61 3.4 Kích thƣớc PZT cách đấu điện áp Chồng PZT- ghép nối 3.5 Bệ gá sở cấu tạo rung 62 3.6 Ống kẹp cấu tạo rung 63 3.7 Ống truyền rung động cấu tạo rung 64 3.8 Lắp ghép cấu tạo rung động PZT 64 3.9 Máy phát điện áp xung, cơng suất 1200W 65 3.10 (Mơ hình hóa cấu rung lệch tâm khí 65 3.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo rung động phơi cho khoan 66 3.12 Mơ hình chi tiết cấu tạo rung động 67 3.13 Động dẫn động quay lệch tâm 68 3.14 Bộ biến áp chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang chiều 68 3.15 Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm 69 3.16 Các cặp nặng để tăng khối lƣợng lệch tâm: 69 3.17 Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá sở 71 3.18 Giá đỡ sống dấn hƣớng chữ V 71 3.19 Sống dẫn hƣớng chữ V 72 3.20 Lị xo trì rung động 73 3.21 Cụm chi tiết I sau chế tạo, lắp ráp 74 3.22 Tấm gá động cơ, phôi rãnh dẫn hƣớng 75 3.23 Ống gá động 76 3.24 Động đƣợc lắp vào gá sau chế tạo 76 3.25 Đồ gá kẹp phôi 77 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM  H : 1  2   H1 : 1  2 (4.1) Đây dạng giả thuyết đảo phía – vùng giới hạn nằm phía bên phải đƣờng cong phân phối t [23] Chọn độ tin cậy thống kê 95% (mức ý nghĩa thống kê =0.05), mức độ mạo hiểm đánh giá sai số 10% (=0.1); kỳ vọng dự đốn đƣợc giá trị trung bình lƣợng biến động sai khác so với thực tế không lần độ lệch chuẩn (≤) Số mẫu thí nghiệm cần thiết đƣợc xác định 18 mẫu cho phƣơng pháp khoan (Xem minh họa hình 4.14) Hình 4.13 Lỗ khoan thí nghiệm (tỷ lệ 10:1): a Khoan thường, b Khoan rung Hình 4.14 Tính tốn số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết Qua thí nghiệm (ở mục 4.2.3), đo đƣờng kính lỗ khoan kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe xác định đƣợc độ lay rộng lỗ cho trƣờng hợp khoan thƣờng khoan rung (xem bảng 4.5) Độ lay rộng lỗ tƣơng đối đƣợc xác định số  xác định nhƣ sau:  Di  1.5 *100% 1.5 (4.2) Ở đây: Di đƣờng kính lỗ khoan thứ i: i=118 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 1.5 đƣờng kính danh nghĩa mũi khoan (cũng đƣờng kính lỗ khoan lƣợng lay rộng lỗ không) Bảng 4.5 Độ lay rộng lỗ khoan cho phương pháp khoan Đƣờng kính Lỗ khoan Độ lay rộng lỗ Đƣờng kính lỗ khoan thƣờng lỗ khoan rung khoan thƣờng 1 Di1(mm) Di2 (mm) (%) Độ lay rộng lỗ khoan rung 2 (%) 1.6586 1.6066 10.57333 7.106667 1.6312 1.6174 8.746667 7.826667 1.6778 1.6066 11.85333 7.106667 1.7738 1.5928 18.25333 6.186667 1.7738 1.5790 18.25333 5.266667 1.8038 1.5928 20.25333 6.186667 1.7052 1.5785 13.68 5.233333 1.7052 1.6092 13.68 7.28 1.7490 1.5352 16.6 2.346667 10 1.6832 1.538 12.21333 2.533333 11 1.6778 1.5516 11.85333 3.44 12 1.8038 1.5462 20.25333 3.08 13 1.7134 1.5132 14.22667 0.88 14 1.6614 1.5216 10.76 1.44 15 1.7325 1.5679 15.5 4.526667 16 1.7655 1.602 17.7 6.8 17 1.7325 1.5628 15.5 4.186667 18 1.7555 1.5855 17.03333 5.7 Để đánh giá so sánh độ lay rộng lỗ hai phƣơng án khoan, sử dụng phép phân tích thực nghiệm so sánh “2 samples t-test” [23] Sau chạy thử chƣơng trình phân tích thống kê, cho thấy khả giá trị trung bình độ lay rộng khoan thƣờng lớn khoan rung đến 8% Để kiểm chứng, tiến hành kiểm nghiệm giả thuyết thống kê sau: Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM  H : 1    (4.3)   H1 : 1    Trong công thức (4.3), 1 2 lần lƣợt giá trị trung bình tập tồn giá trị độ lay rộng lỗ khoan thƣờng lỗ khoan rung Giả thuyết đảo H1 đƣợc phát biểu rằng, giá trị trung bình độ lay rộng lỗ khoan thƣờng lớn lỗ khoan rung 8% Kết phép kiểm định t (t-test) đƣợc minh họa hình 4.15 Hình 4.15 Kết so sánh độ lay rộng Qua kết thống kê hình 4.15, thấy, độ lay rộng trung bình lỗ khoan thƣờng 14.8%; giá trị khoan rung khoảng 4.8% Nghĩa là, độ lay rộng khoan rung khoảng 1/3 lần so với độ lay rộng lỗ khoan thƣờng Kiểm định giả thuyết thống kê cho thấy (dòng cuối hình 4.15) giá trị pvalue (0.023) nhỏ mức ý nghĩa thông dụng (=0.05), vậy, ta loại bỏ giả thuyết đảo Nói cách khác, với độ tin cậy 95%, chấp nhận giả thuyết (độ lay rộng trung bình khoan thƣờng lớn khoan rung 8%) 4.3.3 Độ khơng trịn lỗ khoan Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 4.16 Hiện tượng lỗ khơng trịn (tỷ lệ 10:1): a Khoan thường, b Khoan rung Độ khơng trịn lỗ khoan ảnh hƣởng lớn đến khả làm việc lỗ nên thơng số quan trọng để đánh giá chất lƣợng trình khoan Vẫn sử dụng kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe, xác định đƣợc tƣơng đối xác đƣờng kính nhỏ đƣờng kính lớn tất 36 lỗ phơi thí nghiệm với trƣờng hợp khoan thƣờng khoan rung Kết đo đƣờng kính kết xác định độ khơng tròn lỗ đƣợc thể bảng 4.6 Độ khơng trịn đánh giá qua thông số E (mm) đƣợc xác định nhƣ sau: E Dmax  Dmin (4.4) Ở đây: Dmax: Đƣờng kính lớn lỗ khoan (mm) Dmin: Đƣờng kính nhỏ lỗ khoan (mm) Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chun ngành: CN-CTM Bảng 4.6 Độ khơng trịn lỗ khoan cho phương pháp khoan Đƣờng Lỗ khoan Đƣờng Đƣờng Độ kính nhỏ kính lớn kính nhỏ lỗ lỗ khoan lỗ khoan thƣờng khoan rung thƣờng Dmax1(mm)) Dmin2 (mm) 1.7025 1.6797 1.717 0.02395 0.01865 Dmin1(mm) Đƣờng 1.6546 kính lớn lỗ khoan rung Dmax2(mm) Độ khơng khơng trịn trịn lỗ khoan lỗ khoan thƣờng E1 rung E2 (mm) (mm) 1.5977 1.7073 1.6468 1.7359 0.0548 0.04455 1.64 1.712 1.6054 1.6407 0.036 0.01765 1.7427 1.9107 1.6026 1.6152 0.084 0.0063 1.767 1.8191 1.5716 1.6337 0.02605 0.03105 1.7807 1.843 1.6213 1.6814 0.03115 0.03005 1.6803 1.7766 1.6416 1.6757 0.04815 0.01705 1.6751 1.7456 1.6389 1.68 0.03525 0.02055 1.7182 1.831 1.5747 1.5814 0.0564 0.00335 10 1.6681 1.7097 1.533 1.6071 0.0208 0.03705 11 1.6989 1.7496 1.5633 1.6509 0.02535 0.0438 12 1.7218 1.847 1.5315 1.6054 0.0626 0.03695 13 1.6733 1.8171 1.5255 1.5426 0.0719 0.00855 14 1.653 1.7043 1.5074 1.5444 0.02565 0.0185 15 1.6656 1.7852 1.535 1.5812 0.0598 0.0231 16 1.7022 1.876 1.5897 1.6231 0.0869 0.0167 17 1.612 1.772 1.543 1.5798 18 1.6781 1.7843 1.5241 1.6023 0.08 0.0184 0.0531 0.0391 Sử dụng phần mềm Minitab16.0 với phép phân tích thực nghiệm so sánh “2 samples t-test” tƣơng tự nhƣ phân tích độ lay rộng lỗ khoan, kết phân tích thống kê cho thấy, khoan rung làm giảm độ khơng trịn trung bình mẫu khoan từ 0.04 mm xuống 0.02 mm (xem hình 4.17) Kiểm định Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM giả thuyết thống kê cho thấy, với xác xuất tin cậy 95%, khẳng định lỗ khoan có rung trợ giúp làm giảm độ khơng trịn thêm 0.01 mm Hình 4.17 Kết so sánh độ khơng trịn 4.3.4 Độ ổn định kích thước lỗ khoan Một thơng số quan trọng khác cần quan tâm độ ổn định đƣờng kính lỗ khoan Độ ổn định lỗ khoan ảnh hƣởng lớn đến dung sai lỗ khoan gây khó khăn cho việc xác định quy luật gây sai số khoan dẫn đến khó khăn cho việc tìm giải pháp để giảm tăng độ xác khoan Hình 4.18 trình bày đồ thị phân bố độ lay rộng lỗ từ số liệu tập mẫu nói dựa vào bảng thống kê đƣờng kính 18 lỗ khoan thƣờng 18 lỗ khoan rung (bảng 4.1) Hình 4.18 Phân bố độ lay rộng lỗ; nét liền cho lỗ khoan thường, nét đứt cho lỗ khoan rung Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Qua hình 4.18 thấy rằng, so với khoan thƣờng, độ lay rộng lỗ khoan rung có giá trị trung bình nhỏ (4.84% so với 14.83%) mà cịn có phạm vi phân tán nhỏ hẳn (Độ lệch chuẩn 2.143 so với 3.418) Nói cách khác, tập đƣờng kính lỗ khoan rung có giá trị ổn định nhiều so với lỗ khoan thƣờng 4.3.5 Độ xiên lỗ khoan Để lỗ sau khoan đạt yêu cầu làm việc, độ thẳng lỗ thông số quan trọng Khi khoan thƣờng (khơng có rung động trợ giúp), tƣợng phoi dây dính bám lên rãnh xoắn mũi khoan gây tƣợng đẩy ngang mũi khoan làm mũi khoan bị xiên Trong khoan tích hợp rung, phoi tạo phoi vụn nên mũi khoan bị xiên Để đánh giá sơ độ không thẳng (độ xiên) lỗ, sử dụng máy cắt dây CW322S cắt dọc lỗ khoan, chụp ảnh so sánh hình 4.19 Ở hình 4.19.a, ứng với khoan thƣờng, lỗ khoan bị xiên đáng kể xiên theo hƣớng khác Trong hình 4.19.b ứng với khoan rung, lỗ khoan bị xiên xiên theo hƣớng cố định Hình 4.19 Hiện tượng xiên lỗ khoan: a Khoan thường, b Khoan rung Dựa vào hình 4.19, kết luận sơ khoan tích hợp rung khơng cải thiện đƣợc độ lay rộng lỗ, nâng cao độ tròn lỗ, cải thiện độ phân tán kích thƣớc lỗ mà cịn cải thiện đƣợc độ xiên lỗ khoan đáng kể so với khoan thƣờng 4.3.6 Chất lượng bề mặt lỗ sau khoan vấn đề ba via mép cuối lỗ khoan Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Sử dụng kính hiển vi điện tử quét VEGA SBU EasyProbe chụp bề mặt thành lỗ, dễ dàng nhận thấy rằng, chất lƣợng bề mặt khoan tích hợp rung đƣợc cải thiện đáng kể so với khoan thƣờng Hình 4.20.Chất lượng bề mặt lỗ ba via mép cuối lỗ khoan: a Khoan thường, b Khoan rung Khi khoan tích hợp rung động, loại vật liệu dẻo nhƣ nhôm hợp kim chúng, tính dẻo vật liệu gia cơng nên phoi thoát ma sát lớn với mặt trƣớc mũi khoan, với rãnh xoắn thành lỗ khoan làm nhiệt độ vùng cắt khu vực phoi ma sát với thành lỗ tăng lên lớn, gây cháy xém bề mặt lỗ khoan Hơn nữa, phoi dây cịn cào xƣớc mãnh liệt lên thành lỗ gây nên vết cào xƣớc làm tăng độ nhấp nhơ bề mặt lỗ Trên hình 4.19.a hình 4.20.a, bề mặt thành lỗ khoan xuất nhiều vùng màu đen, khu vực cháy xém nhiệt cắt cao Càng cuối lỗ tần suất xuất cháy xém cao lỗ khoan sâu, phoi khó nên nhiệt cắt lớn Hình 4.19.b hình 4.20.b thể chất lƣợng bề mặt lỗ khoan khoan tích hợp rung động Ở đây, tƣợng cháy xém bề mặt lỗ giảm rõ rệt, vết xƣớc thành lỗ xuất khoan thƣờng Bề mặt lỗ cháy xém khoan tích hợp rung, phoi tạo phoi vụn nên ma sát phoi với thành lỗ giảm thời gian tiếp xúc thực dụng cụ cắt phoi giảm (gián đoạn theo rung động) nên điều kiện thoát nhiệt đƣợc cải thiện Hiệu nhiệt cắt khoan rung giảm đáng kể Ngoài ra, khoan rung, phoi vụn thoát Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM dễ dàng nên cào xƣớc phoi lên thành lỗ giảm, kết nhấp nhô bề mặt giảm đáng kể so với khoan thƣờng Quan sát ảnh chụp hình 4.20.a thấy rằng, mép cuối bề mặt lỗ, ba via xuất với kích thƣớc lớn làm giảm chất lƣợng trình khoan cần có ngun cơng phụ để loại bỏ ba via Hiện tƣợng ba via xuất nhiều khoan vật liệu dẻo Khi mũi khoan tiến phía cuối mép lỗ, phần thể tích vật liệu gia cơng phần cuối lỗ đƣợc giữ khối vật liệu chi tiết, nữa, tính dẻo vật liệu cao nên thể tích vật liệu hầu nhƣ không bị cắt mà bị đẩy xuống theo chuyển động mũi khoan, tạo ba via mép cuối lỗ Với trƣờng hợp khoan có rung động trợ giúp, kích thƣớc ba via giảm đáng kể, nhƣ thể hình 4.20.b Nhờ có thêm chuyển động dao động rung, trình cắt phoi (tạo phoi) khoan rung xảy khác với khoan thƣờng Khi khoan thƣờng, vật liệu phải trải qua bƣớc biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo đến biến dạng phá hủy (đứt phoi) Vật liệu gia công vật liệu dẻo nên trình biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo dài Nhƣng với khoan rung, trình biến dạng dẻo ngắn hơn, phoi nhanh bị đứt chịu tác động lƣợng rung động tạo Do đó, phần thể tích kim loại cuối mép lỗ dễ bị đứt so với khoan thƣờng 4.4 Kết luận chương Chƣơng trình bày bƣớc chuẩn bị thí nghiệm nhƣ q trình thí nghiệm khoan theo phƣơng pháp: khoan thƣờng khoan có rung động trợ giúp mẫu phôi hợp kim nhôm A5052, đại diện cho loại vật liệu dẻo Sau thí nghiệm, tiến hành đo đƣờng kính tất mẫu khoan để tiến hành xử lý kết phần mềm Minitab16.0 Kết đo đạc, xử lý số liệu cho kết luận quan trọng: Khoan có rung động trợ giúp giảm độ lay rộng lỗ đến lần so với khoan thƣờng; với việc giảm độ khơng trịn lỗ khoan, phƣơng pháp khoan rung giảm đƣợc lần so với khoan thƣờng Các kết thí nghiệm cịn chứng tở rằng, khoan có rung động trợ giúp cải thiện đáng kể độ ổn định kích thƣớc lỗ khoan, độ xiên lỗ, dạng phoi, chất lƣợng bề mặt nhƣ vấn đề ba via thành lỗ so với phƣơng pháp khoan thƣờng Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Các kết đạt Hai cấu tạo rung động trợ giúp cho khoan theo nguyên lý tạo rung động rung dựa nguyên lý li tâm khí (tần số thấp) rung siêu âm (tần số cao) đƣợc phân tích, lựa chọn thiết kế chế tạo nhƣ thực nghiệm khoan hợp kim nhôm Các cấu đƣợc thiết kế nhỏ gọn, vận hành dễ dàng nhƣng đảm bảo đƣợc khả làm việc điều kiện thí nghiệm Kết thí nghiệm khẳng định đƣợc vƣợt trội phƣơng pháp khoan có rung động trợ giúp so với phƣơng pháp khoan thông thƣờng Dƣới thành tựu đề tài đạt đƣợc:  Tổng quan sở nghiên cứu triển khai rung động trợ giúp gia công nói chung ngun cơng khoan nói riêng;  Thiết kế, chế tạo đƣợc cấu tạo rung với nguyên lý khác nhau: cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm khí cấu tạo rung dựa hiệu ứng áp điện;  Vận hành thu thập số liệu thực nghiệm cấu rung trợ giúp khoan hợp kim nhôm;  Khẳng định đƣợc tính ƣu việt khoan có rung động trợ giúp so với khoan thƣờng thơng qua việc phân tích có hệ thống số liệu thực nghiệm ;  Khái qt hóa khả chủ động cơng nghệ tạo rung động trợ giúp nguyên công khoan vật liệu dẻo Đề xuất hướng nghiên cứu Mặc dù nghiên cứu phân tích chứng minh đƣợc ƣu điểm vƣợt trội khoan có rung động trợ giúp so với khoan thông thƣờng thông qua thực nghiệm cụ thể cấu tạo rung thiết kế, chế tạo nhƣng cịn có số vấn đề cần thiết đƣợc nghiên cứu tìm hiểu sâu cho cấu bƣớc Cụ thể là: Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM  Nghiên cứu động lực học cấu hệ thống gia cơng;  Hồn thiện kết cấu cấu rung nhỏ gọn, đơn giản hơn, phù hợp với khả chế tạo sử dụng nƣớc;  Tối ƣu hóa thơng số rung, thơng số cơng nghệ đa mục tiêu;  Thử nghiệm gia cơng lỗ sâu có tỷ số L/D lớn hơn;  Thử nghiệm cho loại vật liệu khó gia cơng khác nhau; Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Tài liệu tham khảo [1] Gilbert Kaufman, Applications for Aluminum Alloys and Tempers, ASM International, 2000, pp 87-118; [2] Feng Ke, Jun Ni, D.A Stephenson, Continuous chip formation in drilling, International Journal of Machine Tools & Manufacture 45 (2005); pp 1562-1568 [3] Gwo-Lianq Chern, Han-Jou Lee, Using workpiece vibration cutting for microdrilling, International Journal of Advance Manufacturing Technology 27 (2006); pp 688-692; [4] ASM- Machining processes- Handbook [5] Chandra Nath, A study on ultrasonic vibration cutting of difficult – to - cut materials, PhD, Nation University of Singapore, 2008 [6] Adachi K.; Arai N.; Harada S.; Okita K.; Wakisaka S., A study on burr in low frequency vibration drilling – Drilling of aluminum, Bulletin of JSPE, 21 (4); pp 258–264; [7] G.-L Chern, J.M Liang, Study on boring and drilling with vibration cutting, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(1), 2007, pp.133140; [8] B Azarhoushang, J Akbari, Ultrasonic-assisted drilling of Inconel 738-LC, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(7–8), 2007, pp 1027–1033; [9] S.S.F Chang, G.M Bone, Burr size reduction in drilling by ultrasonic assistance, International Journal of Robotics Computer-Integrated Manufacturing (21) (2004) 442–450 [10] Zhang DY, et al (1994), Study on the drill skidding motion in ultrasonic vibration microdrilling, International Journal of Machine Tools and Manufacture 34(6), pp 847–857; Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM [11] H Onikura, O Ohnishi, J.H Feng, T Kanda, T Morita, U Bopp, Effects of ultrasonic vibration on machining accuracy in microdrilling, International Journal of JSPE 30 (3) (1996), pp 210–216; [12] H Onikura, O Ohnishi, Drilling mechanisms in ultrasonic-vibration assisted micro drilling, Journal of JSPE 64 (11) (1998) 1633–1637 (in Japanese) [13] H Takeyama, S Kato, Burrless drilling by means of ultrasonic vibration, Annals of CIRP 40 (1) (1991) 83–86 [14] Erofeev L.V., Russian Impact-Vibration Pile driving Equipment Available online at http://www.vulcanhammer.net/info/udarvib.php [15] Franca L.F.P., Weber H.I.,(2004), Experimental and numerical study of a new resonance hammer drilling model with drift, Chaos, Solitons and Fractals 21, 789-801 [16] J W Waanders, Piezoelectric Ceramics: Properties and Applications, 1991 91 pages [17] Metals Handbook, Vol.2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International 10th Ed 1990 [18] Structural Alloys Handbook, 1996 edition, John M (Tim) Holt, Technical Ed; C Y Ho, Ed., CINDAS/Purdue University, West Lafayette, IN, 1996 [19] Số liệu Ban kiểm nghiệm, xí nghiệp khí 59 ( Thái Nguyên), quốc phòng [20] V Songmene, R Khettabi, I Zaghbani, J Kouam, and A Djebara ; Machining and Machinability of Aluminum Alloys, DepartmentofMechanicalEngineering, 1100Notre-DameStreetWest,MontrealQuebecH3C1K3, Canada [21] J.S Zhoul, B.Y Ye, X.Y Lai, A study on chip breakage in mini-pore vibration drilling for hard-to-cut material of austenitic stainless steel, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China [22] Matthew w.Hooker, Properties of PZT – Based piezoelectric ceramics between 150-250C, NASA, Lockheed Martin Engineering and Science, Co., Hampton, Virginia, Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM [23] Nguyễn Văn Dự, Nguyễn Đăng Bình, Quy hoạch thực nghiệm kỹ thuật, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2011 Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM PHỤ LỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC Thực hiện: Phan Văn Nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... gia cơng có rung động trợ giúp nguyên lý tạo rung động, cấu tạo rung động đặt lên phôi khoan đƣợc mơ hình, tính tốn, thiết kế chế tạo Hai cấu tạo rung đƣợc thiết kế lần lƣợt theo nguyên lý: Cơ. .. 58 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN 58 3.1 Giới thiệu 58 3.2 Mơ hình rung động trợ giúp nguyên công khoan 58 3.3 Thiết kế, chế tạo tạo rung động theo... nghiệm cấu tạo rung tính ƣu việt khoan có rung động trợ giúp Các kết mà đề tài đạt đƣợc bao gồm: Tổng quan sở, nghiên cứu triển khai rung động trợ giúp khoan; Thiết kế, chế tạo đƣợc cấu tạo rung: cấu