Nghiên cứu thiết kế máy ISF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC TÂM ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF Chuyên ngành: Chế tạo máy Mã số ngành: 605204 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM, tháng 06 năm 2013 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Nam (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phan Đình Huấn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phạm Huy Hoàng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 29 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS Dương Minh Tâm PGS.TS Nguyễn Thanh Nam PGS.TS Phan Đình Huấn PGS.TS Phạm Huy Hồng TS Tơn Thiện Phương Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Đã ký) Dương Minh Tâm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 TRƢỞNG KHOA (Đã ký) Nguyễn Hữu Lộc THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Tâm ; MSHV: 11040399 Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1980 ; Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy ; Mã số : 60.52.04 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế máy ISF II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan xung quanh đề tài luận văn Xây dựng sở tính tốn cho cơng nghệ ISF Thiết kế sơ cho máy ISF Tính tốn thiết kế chi tiết cho máy ISF Tính tốn, lựa chọn thiết bị điều khiển cho máy ISF Xây dựng phần mềm tự động hóa q trình thiết kế III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS Nguyễn Thanh Nam Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2013 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Đã ký) Nguyễn Thanh Nam CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Đã ký) Trần Nguyên Duy Phương TRƢỞNG KHOA (Đã ký) Nguyễn Hữu Lộc LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM LỜI CẢM ƠN Để hồn thành Luận văn cịn có nhiều hỗ trợ Tôi muốn gửi lời cảm ơn trân trọng đến: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam, Người hướng dẫn suốt hành trình luận văn Từ tiếp cận ban đầu, hướng nghiên cứu phương pháp giải vấn đề cụ thể, thầy giúp tơi bước giải mục tiêu, hồn thành nhiệm vụ đăng ký PGS.TS Phan Đình Huấn, Thầy giúp tiếp cận nhiều trang thiết bị công nghệ đại, góp phần quan trọng định hướng xây dựng phương án thiết kế KS Nguyễn Thiên Bình, Nhân viên thiết kế Phịng thí nghiệm trọng điểm điều khiển số kỹ thuật hệ thống(DCSELAB), với nhiều hỗ trợ tính tốn chi tiết, chọn thiết bị điều khiển, mô ThS Lê Khánh Điền, NCV Phịng thí nghiệm DCSELAB, với hỗ trợ kiểm tra vẽ thiết kế, cung cấp nhiều tài liệu cơng nghệ ISF góp phần xây dựng sở tính tốn cho luận văn KS Đỗ Phƣơng Đông Lê Trần Danh, Nhân viên điện tử viễn thơng Phịng thí nghiệm DCSELAB với nhiều giúp đỡ xây dựng phần mềm tự động hóa q trình thiết kế Ngồi ra, Tơi xin gửi lời cảm ơn đến: Tập thể thầy cô giáo Khoa khí trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh giúp tơi hồn thành khối kiến thức liên quan Tập thể bạn lớp cao học chế tạo máy CH.CTM11, tơi đồn kết gắn bó suốt trình học tập, nghiên cứu Tập thể CB, CNV Phịng thí nghiệm DCSELAB với nhiều giúp đỡ thiết thực thời gian thực luận văn Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Nguyễn Thị Hoài Thanh, người vợ hiền yêu quý, nguồn động viên chia sẽ, ủng hộ suốt năm tháng nghiên cứu học tập Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tp HCM, Ngày 15 tháng 06 năm 2013 Tác giả LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM TÓM TẮT Trong xu mở cửa quan hệ quốc tế nay, kinh tế nước nhà phải đối mặt với nhiều cạnh tranh khốc liệt Một nhiệm vụ quan trọng đặt cho người thiết kế nắm bắt phát triển cơng nghệ giải tốn tối ưu cho thiết bị Công nghệ tạo mẫu biến dạng cục liên tục (tên tiếng Anh Incremental Sheet Forming – ISF) công nghệ lĩnh vực tạo hình Ưu điểm đáng ý cơng nghệ khả tạo hình kim loại phi kim mà không cần sử dụng khuôn mẫu phức tạp Công nghệ sử dụng dụng cụ tạo hình điều khiển số thơng qua máy tính, giúp cho q trình tạo hình sản phẩm kết nối linh hoạt với giai đoạn thiết kế mơ hình CAD Chính vậy, cơng nghệ có tiềm ứng dụng cao Tuy có nhiều ưu điểm việc ứng dụng cơng nghệ vào thực tiễn chưa nhiều Nguyên nhân thiếu hụt máy móc thiết bị chuyên dụng, phù hợp với q trình gia cơng biến dạng dẻo Trong phần lớn thiết bị dùng để nghiên cứu công nghệ máy CNC, vốn thiết kế chuyên biệt cho trình cắt gọt kim loại Luận văn “Nghiên cứu thiết kế máy ISF” nhằm mục đích thiết kế máy CNC có khả gia cơng sản phẩm với bề mặt phức tạp, không đối xứng, không dùng khuôn, góp phần cho việc phát triển cơng nghệ Việt Nam – công nghệ ISF, nghiên cứu, ứng dụng giảm giá thành đầu tư thiết bị tương đương từ nước Trước hết, luận văn tổng hợp lý thuyết nghiên cứu công nghệ ISF Từ tiến hành xây dựng sở lý thuyết cho tính tốn lực tạo hình yếu tố đầu vào cần thiết cho việc thiết kế máy CNC lại có khả năng, đặc điểm công nghệ ISF Để nâng cao hiệu độ tin cậy, luận văn xây dựng phần mềm tự động hóa q trình thiết kế để kiểm chứng Các chi tiết mơ hình hóa Inventor, thiết kế kiểm tra hiệu chuẩn kết cấu qua Abaqus KS Nguyễn Ngọc Tâm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM MỤC LỤC Lời cảm ơn Tóm tắt Error! Bookmark not defined Danh mục ký hiệu chữ viết tắt 10 Danh mục bảng biểu 12 Danh mục hình vẽ đồ thị 13 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MÁY GIA CÔNG ISF 18 1.1 Tổng quan phƣơng pháp tạo hình cục liên tục (ISF) 17 1.1.1 Lịch sử phát triển phương pháp ISF 17 1.1.2 Mơ tả q trình 18 1.1.3 Khả biến dạng dẻo vật liệu phương pháp ISF 19 1.1.4 Ưu nhược điểm phương pháp ISF 20 1.2 Tổng quan thiết bị gia công công nghệ ISF 21 1.2.1 Máy thực trình biến dạng 21 1.2.2 Dụng cụ tạo hình trình biến dạng 22 1.2.3 Đồ gá kẹp kim loại 24 1.3 Ảnh hƣởng thông số gia công lên khả tạo hình - chất lƣợng bề mặt độ xác 25 1.3.1 Ảnh hưởng vận tốc tiến dụng cụ F 25 1.3.2 Ảnh hưởng tốc độ quay trục n 25 1.3.3 Ảnh hưởng bước tiến dao dọc Δz 26 1.3.4 Ảnh hưởng đường kính dụng cụ tạo hình d 26 1.3.5 Ảnh hưởng loại vật liệu gia công 27 1.3.6 Ảnh hưởng bôi trơn 28 1.3.7 Ảnh hưởng đường chạy dụng cụ lên độ nhám bề mặt 28 1.3.8 Ảnh hưởng đường chạy dụng cụ tới suất gia công 29 1.3.9 Ảnh hưởng hiều dày sản phẩm công nghệ ISF 30 CHƢƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN VÀ CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG BẰNG ISF 31 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM 2.1 Nguyên lý biến dạng gia công công nghệ ISF 31 2.1.1 Cơ chế biến dạng phương pháp gia công truyền thống 31 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo biến dạng kim loại 31 2.1.3 Khả biến dạng vật liệu phương pháp ISF 31 2.2 Tính tốn thành phần lực ứng suất 33 2.2.1 Trạng thái ứng suất phương trình dẻo 33 2.2.2 Mơ hình tính lực thứ 35 2.2.3 Mơ hình tính lực thứ hai 36 2.3 Đặc tính kỹ thuật, ƣu-nhƣợc điểm loại thiết bị có dùng để gia công theo ISF 38 2.3.1 Máy phay CNC trục loại thiết bị phổ biến để gia công ISF 38 2.3.2 Máy chuyên dụng hãng AMINO Inc Nhật 39 2.3.3 Robot công nghiệp 40 2.4 Phân tích, lựa chọn phƣơng án thiết kế tổng thể máy ISF……………… ……….41 2.4.1 Phân tích đặc điểm biến dạng yêu cầu cho máy gia công ISF 41 2.4.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy ISF 42 2.4.3 Lựa chọn phương án thực chuyển động 42 2.5 Đánh giá lựa chọn phƣơng án 45 2.6 Lựa chọn phƣơng án thiết kế cụm chi tiết 46 2.6.1 Sơ đồ động máy 46 2.6.2 Động 47 2.6.3 Bộ phận truyền động 50 2.6.4 Bộ phận dẫn hướng 51 2.6.5 Lựa chọn phương án thiết kế cụm chuyển động quay trục 53 2.7 Tóm tắt phƣơng án thiết kế 53 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ISF 55 3.1 Cơ chế biến dạng công nghệ biến dạng cục liên tục ISF 55 3.2 Mơ hình phân tích 55 3.2.1 Mơ hình động lực học dụng cụ tạo hình 55 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM 3.2.2 Khảo sát động lực học dụng cụ tạo hình 56 3.3 Tính tốn động lực học q trình tạo hình 59 3.3.1 Tính thành phần lực 59 3.3.2 Moment tác dụng dụng cụ tạo hình 63 3.3.3 Công suất 64 CHƢƠNG THIẾT KẾ SƠ BỘ KẾT CẤU MÁY ISF 67 4.1 Những định hƣớng thiết kế ban đầu 68 4.2 Thiết kế sơ cụm di chuyển phƣơng x, y, z 68 4.2.1 Yêu cầu bàn máy cụm trục 68 4.2.2 Kết cấu cụm trục 68 4.3 Thiết kế sơ khung máy, đế máy, bàn máy, đầu gắn dụng cụ tạo hình 70 4.3.1 Thiết kế khung máy 70 4.3.2 Hệ thống đế máy 70 4.3.3 Hệ thống trụ đỡ cầu trục cầu trục 71 4.3.4 Lựa chọn bàn máy 73 4.3.5 Lựa chọn đầu gắn dụng cụ tạo hình 74 4.4 Thiết kế chi tiết truyền động 74 4.4.1 Trục vít me đai ốc 74 4.4.2 Các xích động máy ISF 75 4.4.3 Thiết kế sơ phần điều khiển 76 CHƢƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CHI TIẾT CHO MÁY ISF 79 5.1 Đặt vấn đề 79 5.1.1 Các yêu cầu thiết kế 79 5.1.2 Xác định lực gia công 79 5.2 Tính tốn thiết kế cụm trục 80 5.2.1 Các yêu cầu ban đầu 80 5.2.2 Chọn vật liệu 81 5.2.3 Tính tốn thơng số lực cắt so sánh với lực tạo hình 82 5.2.4 Tính tốn đường kính trục 85 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM 5.2.5 Tính tốn rung động cho trục 87 5.2.6 Tính độ võng trục 88 5.2.7 Tính tốn ổ lăn 90 5.3 Tính tốn thiết kế cụm trục vít 93 5.3.1 Xác định đường kính ren theo độ bền kéo 93 5.3.2 Xác định thông số truyền vít me đai ốc 94 5.3.3 Moment quay đai ốc 95 5.3.4 Tính kiểm nghiệm độ bền 95 5.4 Tính tốn thiết kế hệ băng trƣợt X,Y Z 94 5.4.1 Tính chọn băng trượt 966 5.4.2 Kiểm tra bền hai dầm ngang phương Y 98 5.5 Tính chọn nối trục 100 5.6 Tính tốn cơng suất chọn động cho trục truyền động trục 101 5.6.1 Chọn động trục Z 101 5.6.2 Chọn động dẫn động trục 101 5.6.3 Chọn động trục X, Y 102 CHƢƠNG MƠ HÌNH HỐ VÀ MÔ PHỎNG MÁY 103 6.1 Mơ hình hóa thiết kế máy 103 6.1.1 Hệ thống đế máy 103 6.1.2 Hệ thống khung máy 1033 6.1.3 Hệ thống mang cụm trục Z 107 6.1.4 Cụm di chuyển theo trục Z 109 6.1.5 Cụm trục 110 6.1.6 Mơ hình hóa tổng qt máy 111 6.2 Phân tích biến dạng ứng suất 112 6.2.1 Phân tích mơ hình ABAQUS 113 6.2.2 Kết phân tích mơ 120 CHƢƠNG LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ TÍNH CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 125 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM 7.1 Sơ đồ điều khiển 125 7.2 Những yêu cầu điều khiển 125 7.3 Phƣơng án điều khiển lựa chọn điều khiển 127 7.3.1 Phương án điều khiển 127 7.3.2 Lựa chọn điều khiển 128 CHƢƠNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH THIẾT KẾ 134 8.1 Các vấn đề chung xây dựng phần mềm tự động hóa thiết kế 136 8.1.1 Nội dung xây dựng phần mềm tự động hóa trình thiết kế 134 8.1.2 Phương pháp lập trình tính tốn thiết kế 135 8.1.3 Những quy định chung lập trình 136 8.2 Xây dựng module cho phần mềm tự động hóa thiết kế 141 8.2.1 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế truyền đai 141 8.2.2 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế truyền vitme-đai ốc 143 8.2.3 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế ổ lăn 144 8.2.5 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế lò xo 150 8.2.6 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế mối ghép ren 150 CHƢƠNG TỔNG KẾT 151 Đánh giá mục tiêu ý nghĩa luận văn 153 Kết luận kiến nghị 154 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF 143 CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM  Xây dựng giao diện(Chi tiết xem phụ lục 2) Hình Giao diện module tính tốn thiết kế truyền đai 8.2.2 Xây dựng module tự động thiết kế truyền vitme-đai ốc Bộ truyền vít – đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp cặp ren để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Tùy vào tính chất tiếp xúc cặp ren, ta chia truyền làm hai loại ma sát trượt ma sát lăn Với ưu điểm sau:  Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành khơng cao, có kích thước nhỏ gọn, tiện sử dụng  Khả tải cao, làm việc tin cậy Không gây tiếng ồn  Tỷ số truyền lớn, tạo lực dọc trục lớn, cần đặt lực nhỏ vào tay quay  Có thể thực di chuyển chậm, xác cao a/ Các thông số đầu vào(Chi tiết phụ lục 2) Tùy thuộc vào truyền ma sát trượt ma sát lăn có u cầu riêng - Cơng dụng truyền - Dạng ren, dạng tiếp xúc đầu vít gối lót ổ gối tỳ, dạng sơ đồ động - Khả tải - Chiều dài làm việc - Điều kiện làm việc LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 2013 THỰC HIỆN : NGUYỄN NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF 144 CBHD: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM b/ Trình tự tính tốn thiết kế(Chi tiết phụ lục 2) Một số bước quan trọng cần thực như: Bước 1: Chọn sơ đồ động vật liệu truyền Bước 2: Chọn công dụng truyền để chọn kết cấu đai ốc Bước 3: Xác định thơng số vít đai ốc Bước 4: Tính kiểm nghiệm vít độ bền c/ Xây dựng phần mềm  Sơ đồ tính tốn Bắt đầu Lấy thơng số đầu vào Chọn loại vít theo độ xác Ước lượng chiều dài vít Chọn phương pháp gá đặt (có thể cho người dùng chọn) Chọn thơng số đường kính vít, bước vít, loại đai ốc   Kiểm tra Điều kiện kéo, nén, ổn định Điều kiện cộng hưởng dao động  Tuổi thọ truyền  l