Dao động của hệ thống khoan lỗ sâu là một hiện tượng tương đối phức tạp và ảnh hưởng lớn đến chất lượng lỗ sau khi khoan. Bài báo khảo sát dao động của hệ thống khoan lỗ sâu khi khoan nòng súng với đường kính d = 22mm bằng phương pháp Gun drilling.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Khảo sát dao động hệ thống khoan nòng súng phương pháp Gun drilling Investigating the vibration of the deep hole drilling system using gun drilling method Dương Quốc Dũng1, Trần Quang Dũng1,*, Chu Việt Hùng2 Học viện Kỹ thuật Quân Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phịng *Email: tranquangdung79@gmail.com Mobile: 016 66 22 33 79 Tóm tắt Từ khóa: Khoan lỗ sâu; Nịng súng; Gun Drilling; Dao động; Độ lệch tâm Dao động hệ thống khoan lỗ sâu tượng tương đối phức tạp ảnh hưởng lớn đến chất lượng lỗ sau khoan Bài báo khảo sát dao động hệ thống khoan lỗ sâu khoan nòng súng với đường kính d = 22mm phương pháp Gun drilling Bài toán dao động riêng dao động uốn mũi khoan với chiều sâu khoan khác khảo sát cách sử dụng phần mềm ANSYS Workbench Các kết nghiên cứu áp dụng cho việc thiết kế chế tạo thiết bị khoan nòng súng Việt Nam Abstract Keywords: Deep hole drilling; Gun Barrel; Vibrations; Gun Drilling; Misalignment The vibration of the deep hole drilling system is a complex phenomenon and affects the hole quality after drilling This paper investigated vibration of the system while drilling the gun barrel with diameter of 22 mm by Gun drilling method The natural and bending vibration of the drill at different drilling depths were studied using ANSYS Workbench The results could be applied to design and manufacture gun barrel drilling equipments in Vietnam Ngày nhận bài: 01/07/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Khoan lỗ sâu phương pháp gia cơng lỗ có tỷ lệ chiều dài L đường kính d tương đối lớn, thường L/d = 10 100 Công nghệ khoan lỗ sâu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp đóng tàu, hàng khơng vũ trụ, khn mẫu, dầu khí… Đặc biệt lĩnh vực qn cơng nghệ khoan lỗ sâu ứng dụng rộng rãi chế tạo nòng súng pháo - chi tiết quan trọng công nghệ sản xuất vũ khí Các phương pháp khoan lỗ sâu phổ biến sử dụng giới gồm: phương pháp khoan nòng súng Gun drilling, phương pháp khoan BTA (Boring and Trepannning HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Association) hay STS (Single Tube System) phương pháp khoan Ejector (hình 1) Sự chủ yếu phương pháp khoan lỗ sâu cách cấp dung dịch cắt cách thoát phoi Do đặc điểm nguyên lý nên phương pháp BTA Ejector phù hợp với việc gia cơng lỗ có đường kính lớn, u cầu chất lượng bề mặt cao thường sử dụng việc gia công nguyên công cuối sản phẩm có giá thành phơi đắt lỗ nịng loại pháo, lỗ trục nén khí, lỗ trục cánh turbine… a) Phương pháp Gun drilling b) Phương pháp BTA c) Phương pháp Ejector Hình Các phương pháp khoan lỗ sâu [1] Nòng súng thuộc loại lỗ sâu có đường kính nhỏ Việc gia cơng lỗ nòng súng chủ yếu sử dụng phương pháp Gun drilling, dung dịch cắt bơm vào vùng gia công thông qua lỗ nhỏ nằm mũi khoan, phoi dung dịch cắt chuyển ngồi thơng qua rãnh chữ V thân dao Do đặc điểm thân mũi khoan có đường kính nhỏ chiều dài lớn, nên hệ thống dẫn khoan nòng súng dễ xảy dao động khoan Các nghiên cứu [2] chứng tỏ độ lệch tâm khoan ảnh hưởng hưởng lớn đến độ thẳng lỗ khoan Vì với tượng loe phần đầu lỗ khoan [3, 4] dao động hệ thống khoan làm giảm chất lượng bề mặt độ xác hình học lỗ khoan Trong báo này, tác giả tập trung nghiên cứu dao động của hệ thống khoan lỗ sâu phương pháp Gun drilling với trục khoan khoan nịng súng có đường kính khoan d = 22mm chiều dài khoan L = 1830 mm phần mềm ANSYS Workbench MƠ HÌNH KHẢO SÁT MŨI KHOAN NỊNG SÚNG 2.1 Mơ hình mũi khoan nịng súng Cấu tạo chung mũi khoan nòng súng gồm phần: phần thân mũi khoan phần kẹp chặt (hình 2a) Để phục vụ cho toán khảo sát dao động mũi khoan nịng súng, mơ hình 3D mơ hình phần tử hữu hạn nịng súng xây dựng hình 2b a) Mũi khoan nịng súng [2] b) Mơ hình PTHH mũi khoan Hình Mơ hình mũi khoan nòng súng Để đảm bảo độ cứng vững thân mũi khoan dẫn hướng cần khoan, hệ thống khoan nòng súng sử dụng bạc dẫn hướng mũi khoan hệ thống luy net dẫn hướng cần HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 khoan Bạc dẫn hướng cần khoan đặt đầu mũi khoan Căn vào đường kính lỗ khoan điều kiện khoan, số lượng luy net chọn bố trí cách khoảng 555 mm hình Hình Sơ đồ bố trí luy net vị trí chuẩn bị khoan 2.2 Mơ hình động lực học mũi khoan nịng súng Trong trình làm việc, mũi khoan lỗ sâu chịu tác dụng lực cắt R hình Lực cắt R gồm lực thành phần: lực dọc Fz, lực hướng kính Fr lực tiếp tuyến Ft Lực dọc Fz xác định theo công thức [5]: Fz k 10.C p d q S y k p (1) đó: k số trục khoan (k = 4), d đường kính lỗ khoan (mm), S lượng chạy dao (mm/vòng), hệ số Cp, q, y, kp tra theo [5] Hình Lực cắt tác dụng lên mũi khoan theo phương pháp Gun drilling Lực tiếp tuyến Ft xác định theo: Ft M / d tb (2) với M0 mô men xoắn (Nm), dtb khoảng cách từ điểm đặt lực cắt đến trục mũi khoan (dtb = d/4) Theo [5], mô men xoắn tác dụng lên hệ thống khoan gồm trục khoan xác định theo công thức: M 22 k 10.CM d q S y k M (3) hệ số CM, q, y, kp tra theo [5] Với vật liệu gia công thép bon thép hợp kim có giới hạn bền 750 MPa đến 1100 MPa, vật liệu lưỡi cắt thép gió hợp kim cứng CM = 0,0345; q = 2; y = 0,8; kM = Theo [1], khoan nịng súng với đường kính mũi HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 khoan 22 S = 0,03÷0,1mm/vịng Chọn S = 0,1 mm/vịng, mơ men xoắn tác dụng lên trục khoan là: M 22 4.10.0,0345.222.0,10,8.1 105,8 (Nm) (4) Do mơ men xoắn M0 tác dụng lên trục khoan M0 = M22/4 lực tiếp tuyến Ft bằng: Ft M M 22 105,8 4809 (N) d tb 4.d tb 4.5,5.10 3 (5) Ngồi ra, mũi khoan cịn chịu tác dụng lực ma sát Fms có chiều ngược với chiều chuyển động lưỡi cắt [5]: Fms f Fr (6) với f hệ số ma sát Trên thực tế lực hướng kính Fr thường nhỏ đáng kể so với lực dọc trục Fz lực tiếp tuyến Ft Lực hướng kính Fr thường xét đến tính tốn góc dốc độ bền giá đỡ lưỡi cắt Vì nghiên cứu khơng xét đến tác dụng lực Fr Fms KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA MŨI KHOAN NÒNG SÚNG 3.1 Khảo sát toán dao động riêng Khảo sát toán dao động riêng hệ thống khoan lỗ sâu cho phép xác định tần số dao động riêng dạng dao động riêng thân mũi khoan Với sơ đồ hệ thống khoan vị trí bắt đầu khoan hình Trong mục khảo sát toán dao động riêng hệ thống chiều sâu khoan L khác nhau: - Khi chuẩn bị khoan: L = 0, - Khi khoan mồi xong: L = 60 mm, - Khi khoan ổn định đoạn: L = 900 mm, - Khi chuẩn bị vào giai đoạn kết thúc L = 1720 mm, - Khi kết thúc khoan: L = 1830 mm Kết tính tốn tần số riêng thân mũi khoan sử dụng mô đun Modal Analysis ANSYS Workbench thể bảng Các kết chứng tỏ chiều sâu khoan lớn tần số dao động riêng hệ nhỏ Điều chiều sâu khoan tăng khoảng cách từ đầu mũi khoan đến vị trí gối đỡ thứ tăng, điều làm cho độ cứng vững hệ thống giảm Các kết cho thấy tần số dao động riêng nhỏ khoảng 19,702 Hz Tuy nhiên, trình khoan lỗ sâu tốc độ trục khoảng n = 700 vịng/phút Nên giả sử thành phần lực cắt thay đổi tuần hoàn với tần số tốc độ quay trục chính, tức khoảng 11,67 Hz tượng cộng hưởng không xảy khoan Điều chứng tỏ việc bố trí mơ hình hệ thống khoan hợp lý khoan tránh xảy cộng hưởng, nguyên nhân gây sai số hình dạng giảm chất lượng lỗ sâu sau gia công Bảng Các tần số dao động riêng thân mũi khoan Các tần số dao động riêng (Hz) L=0 L = 60 mm L = 900 mm L = 1720 mm L = 1830 mm 264,12 298,01 297,99 331,24 66,166 93,853 22,002 31,393 19,702 28,127 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 331,32 370,35 416,59 462,98 331,4 416,48 462,82 463,16 181,86 257,55 297,92 329 181,86 86,408 118,62 169,01 54,261 77,43 106,24 151,48 Bằng việc giải toán dao động riêng cho phép tìm dạng dao động riêng thân mũi khoan Dạng dao động riêng thứ ứng với L = 900mm L = 1830mm thể hình a) L = 900mm b) L = 1830mm Hình Dạng dao động riêng thứ ứng với L = 900mm L = 1830mm 3.2 Khảo sát dao động cưỡng Trong thành phần lực cắt tác dụng lên mũi khoan, lực pháp tuyến Fr nhỏ đáng kể so với lực tiếp tuyến Ft lực dọc Fz Đồng thời, dao động uốn đầu mũi khoan gây độ lệch tâm mũi khoan nguyên nhân gây sai số hình học lỗ sau khoan Dao động uốn đầu mũi khoan chủ yếu lực Ft gây Nên mục xét dao động đầu mũi khoan tác dụng lực tiếp tuyến Ft Giả sử trục quay với tốc độ n = 700 vịng/phút lực Ft có phương, chiều thay đổi với chu kỳ ứng với tốc độ quay trục Do phân tích lực tiếp tuyến Ft phân tích thành: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ft Fx Fy (7) với: Fx = Ft.cos(73,3t) Fy = Ft.sin(73,3t) Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench với mô đun Transient Structural nhận chuyển vị đầu mũi khoan theo phương x y hình a) Chuyển vị theo phương x b) Chuyển vị theo phương y Hình Chuyển vị đầu mũi khoan ứng với L = 900mm L = 1830mm Chuyển vị lớn theo phương x y điểm đầu mũi khoan tương ứng chiều dài khoan 60mm, 900mm 1830mm thể bảng Các kết chứng tỏ chiều dài khoan lớn dao động mũi khoan lớn So sánh với tài liệu khuyến cáo hãng Sandvik [1] khoan với chiều dài 900 mm độ lệch tâm cho phép trường hợp mũi khoan quay, phôi đứng yên khoảng 0,776mm So sánh với bảng cho thấy dao động mũi khoan nằm giới hạn cho phép Bảng Chuyển vị lớn đầu mũi khoan Chiều dài khoan L (mm) 60 900 1830 Chuyển vị lớn theo phương x (mm) 0,174 0,306 0,410 Chuyển vị lớn theo phương y (mm) 0,0897 0,128 0,159 KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình động lực học hệ thống khoan lỗ sâu, xác định lực tác dụng lên đầu mũi khoan Khảo sát toán dao động riêng hệ thống khoan lỗ sâu chứng tỏ tốc độ quay trục 700 vịng/phút khơng xảy tượng cộng hưởng Khi xét đến tác dụng lực tiếp tuyến, sử dụng phần mềm ANSYS Workbench định dao động uốn đầu mũi khoan theo phương x y Kết cho thấy hệ thống khoan nịng súng với đường kính nịng d = 22mm xét dao động điểm đầu mũi khoan nằm giới hạn cho phép Các kết toán khảo sát sử dụng cho tốn thiết kế hệ thống khoan lỗ sâu đánh giá ảnh hưởng độ cứng hệ thống công nghệ đến chất lượng lỗ sau khoan phương pháp Gun drilling HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sandvik Coromant Deep hole drilling, Product catalog and application guide, 144p [2] Deng, C S., Huang, J C., Chin, J H., (2001) Effects of support misalignments in deep-hole drill shafts on hole straightness, International Journal of Machine Tools & Manufacture 41,1165–1188 [3] Astakhov, V P., 2002 The mechanisms of bell mouth formation in gundrilling when the drill rotates and the workpiece is stationary Part I: the first stage of drill entrance International Journal of Machine Tools & Manufacture 42, 1135–1144 [4] Astakhov, V P., 2002 The mechanisms of bell mouth formation in gundrilling when the drill rotates and the workpiece is stationary Part II: the second stage of drill entrance International Journal of Machine Tools & Manufacture 42, 1145–1152 [5] Lộc, N Đ., Tốn, N Đ, Tiến, L.V., 2000 Sổ tay công nghệ chế tạo máy, tập 2, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật ... lực Fr Fms KHẢO SÁT DAO ĐỘNG CỦA MŨI KHOAN NÒNG SÚNG 3.1 Khảo sát toán dao động riêng Khảo sát toán dao động riêng hệ thống khoan lỗ sâu cho phép xác định tần số dao động riêng dạng dao động riêng... turbine… a) Phương pháp Gun drilling b) Phương pháp BTA c) Phương pháp Ejector Hình Các phương pháp khoan lỗ sâu [1] Nòng súng thuộc loại lỗ sâu có đường kính nhỏ Việc gia cơng lỗ nòng súng chủ... động hệ thống khoan làm giảm chất lượng bề mặt độ xác hình học lỗ khoan Trong báo này, tác giả tập trung nghiên cứu dao động của hệ thống khoan lỗ sâu phương pháp Gun drilling với trục khoan khoan