Pz = KMV(10.Cp.tx.Szy.Bu.Z)/(Dq.nw)
Với:
KMV = 1: tra theo bảng 5.10 trang 9.
n = 11000 vòng/phút: số vòng quay của dao.
Cp và các số mũ: tra bảng 5-41 trang 34 tài liệu [1]
Lực cắt Pz khi phay hợp kim nhôm đƣợc tính nhƣ đối với thép và nhân với hệ số k = 0,25
Cp x y u q w
825 1.0 0.75 1.1 1.3 0.2
Thay vào công thức trên:
2 2 2 2 2 2 w w . .10. . . . .10. . . . . .2 . (cot ) . . y y MV p Z x u MV p Z u x u u Z q q K k C S Z K k C S Z P t B t D n D n Thay các hệ số vào ta đƣợc: 2,1 1,1 2,193. .(cot ) Z P t Tra bảng 5-42 ta đƣợc: Py/Pz = 0.3/0.4 Py = 0,75Pz Px/Pz = 0.5/0.55 Px = 0,91Pz d) Tính công suất: N = Ka(Pz.V)/(1020.60)
Thay vào công thức:
2,1 0,25 1,85 0,95 0,95 . . .352,32.2,193. .0, 0126. 1020.60 1020.60 (tan ) (tan ) a Z a a K P V K t t N K (1)
Với Ka là hệ số an toàn để b đắp cho giả thiết tƣơng đƣơng đƣa ra ở trên.
- Thông thƣờng ngoài thực tế chỉ mài góc mài α=30o÷60o.
- Nên theo biểu thức (1) công suất lớn nhất khi α=30o tanα= 3 3 Chọn hệ số an toàn Ka = 1,8 1,85 1,85 max 0,95 1,8.0, 0126 . 0, 01346. 3 3 N t t
`55
Cho các giá trị chiều sâu cắt t = 1÷7 mm; góc mài α = 30° ÷ 60° Ta đƣợc bảng tính nhƣ sau: t (mm) α(độ) V(m/ph) Pz(N) Py(N) Px(N) N(W) t=1 30 324,5 4 3 3,6 38 45 352,3 2,2 1,65 2 23 60 382,6 1,2 0,9 1,1 13 t=2 30 272,8 17,2 12,9 15,6 138 45 296,3 9,4 7,05 8,5 82 60 321,7 5,1 3,8 4,6 49 t=3 30 246,5 40,3 30,2 36,6 292 45 267,7 22 16,5 20 173 60 290,7 12 9 10,9 103 t=4 30 229,4 73,8 55,4 67,1 497 45 249,1 40,3 30,2 36,6 295 60 270,5 22 16,5 20 175 t=5 30 217 117,8 88,4 107,1 751 45 235,6 64,4 48,3 58,5 445 60 255,8 35,2 26,4 32 264 t=6 30 207,3 172,8 129,6 157,1 1052 45 225,1 94,4 70,8 85,8 624 60 244,4 51,6 38,7 46,9 370 t=7 30 199,5 238,9 179,2 217,2 1399 45 216,6 130,5 97,9 118,6 830 60 235,2 71,3 53,5 64,8 493
Bảng 4.2 Mối quan hệ giữa chiều sâu cắt, lực mài và công suất máy.
Ghi chú:Tránh thực hiện với các trƣờng hợp bị tô đậm.
e) Chọn máy mài cầm tay:
Theo bản thiết kế nguyên lý hoạt động, trên thân trục máy có lắp thêm một số chi tiết gá máy. Đòi hỏi phải nối trục dài hơn bình thƣờng. Để hạn chế gãy trục do mômen uốn gây ra trong quá trình mài, ta nên chọn trục ren loại lớn.
Khảo sát thị trƣờng ta thấy, các loại máy mài cầm tay có kích thƣớc trục ren phổ biến M10, M12 và M14.
`56
Hình 4.4 Máy mài cầm tay Makita GA 4030.
Thông số của máy:
Cốt trục quay: M14.
Công suất: 720W.
Số vòng quay: 11000 vòng/phút.
Đƣờng kính đĩa mài tối đa: 125 mm.
IV.3.3 Tính toán lực tác dụng:
a) Xác định trọng tâm và trọng lƣợng của máy:
Khi chọn đƣợc động cơ ph hợp, nhóm tiến hành thiết kế chi tiết và hoàn chỉnh. Bằng công cụ “Center Gravity” của phần mềm Inventor, ta dễ dàng xác định đƣợc trọng tâm của máy ( nhƣ hình).
Hình 4.5 Tìm trọng tâm của máy bằng Inventor.
`57
Hình 4.6 Thông số vật lý của máy.
Trọng lƣợng của máy là P = m.g = 13,2 . 9,81 = 129,5 (N).
b) Tính lực ép đá khi mài:
Từ kết cấu 3D, thực hiện mô hình hóa đơn giản và phân tích hệ lực tác dụng lên máy.
`58
Sơ đồ 4.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên máy.
Trong mặt phẳng xOy, các lực tác dụng lên máy khi mài gồm có:
Trọng lực của máy P: có điểm đặt tại trọng tâm máy, phƣơng thẳng đứng ngƣợc chiều Oy và độ lớn P = 129,5 N ( nhƣ đã tính ở trên).
Thành phần lực mài F1, F3 (tức lực Px và Pz đã tính ở phần chọn động cơ)
Các phản lực N1, N2 và lực ma sát Fms1, Fms2
Dễ dàng nhận thấy, điểm đặt trọng lực nằm ngoài mặt chân đế (bề mặt tiếp xúc) của máy với đá. Do đó, nó sẽ tạo một momen quay quanh điểm C.
Khi đó, tác dụng của lò xo là sẽ tạo ra một phản lực N2 đủ lớn để gây ra momen chống lại momen của trọng lực.
Điều kiện chống lật của máy quanh điểm C: N2.CE + F1y.CA + F3.sinα.sinβ ≥ N1.CD + P.CB
`59 Vì đơn vị áp lực trên suốt chiều dài bánh xe là không giống nhau. Nên theo nguyên lý qui đổi lực phân bố thành lực tập trung tƣơng đƣơng, điểm đặt lực toàn phần ở vị trí 1/3 chiều dài tính từ điểm có áp lực lớn nhất.
Hình 4.7 Qui đổi từ lực phân bố thành lực tập trung tƣơng đƣơng.
CD = 20mm ; CE = 35mm
CA = 60mm ; C = L (mm) ( đo trực tiếp trên phần mềm Auto Cad)
Vị trí trọng tâm của máy sẽ thay đổi khi góc α thay đổi. Tuy nhiên với khoảng khảo sát 30° ( từ 30° – 60°) thì CB không quá lớn nên áp dụng tính đối với góc mài 45° chung cho cả 3 trƣờng hợp .Khi đó C 45mm.
F1x = F1.cosα ; F1y = F1.sinα
Xét máy ở trạng thái cân bằng tạm thời khi mài ta có hệ phƣơng trình nhƣ sau: N1 – N2 + F1y – P + F3.sinα.sinβ = 0 (phƣơng trình cân bằng lực theo Oy)
N1. CD – N2. CE + P.CB – ( F1y - F3.sinα.sinβ).CA = 0 (phƣơng trình momen quay tại điểm C)
Đƣa các giá trị đã biết vào hệ phƣơng trình ta có: N1 – N2 = P – F1.sinα
20N1 – 35N2 = 60.F1.sinα – P.45 Giải hệ phƣơng trình ta đƣợc:
N1 = 16/3P - 5.(F1.sinα + F3.sinα.sinβ) = N2 + P – (F1.sinα + F3.sinα.sinβ ) (*) N2 = 13/3P – 4.(F1.sinα + F3.sinα.sinβ)
Giá trị lực kẹp cần thiết:
Khi chƣa mài, máy chƣa chịu tác dụng của lực mài nên F1 = F3 = 0. N01 = 16P/3 = 691 (N) ; N02 = 13P/3 = 561 (N)
`60
Wct = k.N02 = 1,3.561 = 729 (N)
Với k = 1,3 là hệ số an toàn.
Kiểm tra khả năng chống nảy của máy lên khỏi mặt đá:
Khi mài, máy chịu thêm lực F1 và thành phần lực F3.sinβ có xu hƣớng nhấc máy lên khỏi mặt đá hoa cƣơng.
Theo bảng B4.2 , giá trị lớn nhất của F1 và F3 mà máy có thể tạo ra đƣợc là F1 = 85,8 (N), tƣơng ứng với chiều sâu cắt t = 6mm, góc mài α =45°.
Áp lực lên đá lúc đó là:
N1 = 16/3P - 5.(F1.sinα + F3.sinα.sinβ) = 691 – 5.(85,8. sin45 +94,4.sin45.sinβ) Vì 0 ≤ sinβ ≤ 1 N1 ≥ 53,9 N > 0
Điều này chứng tỏ, máy sẽ không bị nhấc khỏi mặt đá trong mọi giá trị t và α mà máy có thể làm việc được.
Kiểm tra khả năng chống trƣợt khỏi mặt cạnh đá:
Ngoài xu hƣớng nhấc máy lên khỏi bề mặt đá, lực F1 còn có xu hƣớng đẩy máy ra
khỏi mặt cạnh đá, gây cản trở quá trình mài.
Tƣơng tự, xét trƣờng hợp lực lớn nhất của F1 mà máy có thể tạo ra đƣợc là F1 =
85,8 (N), tƣơng ứng với chiều sâu cắt t = 6mm, góc mài α =45°. N1 = 387 - F3.sinα.sinβ (N)
N2 = 13/3P – 4.(F1.sinα + F3.sinα.sinβ) = 318 – 4.F3.sinα.sinβ
Điều kiện chống trƣợt: Fms = Fms1 + Fms2 > Fx Trong đó: Fx = 85,8.cos45 = 60,7 Fms = f1.N1 + f2.N2 = f( N1+N2) Tra bảng hệ số ma sát ta có f = 0,35 Fms = 0,35. (387 + 318 - 5 F3.sinα.sinβ ) = 247 – 0,35.5. F3.sinα.sinβ
= 247 - 116,8.sinβ > 0 với mọi giá trị của β
Như vậy, máy đảm bảo không bị trượt khỏi cạnh đá với mọi giá trị t và α mà máy có thể làm việc được.
Kiểm tra khả năng chống lật quanh điểm H. Điều kiện chống lật quanh điểm H:
N2.HE + P.HB ≥ N1.HD + (F1.cosα + F3.sinα.sinβ).HA (2)
Ta xét trƣờng hợp lớn nhất của F1 và F3 gây ra để làm lật máy quanh điểm H.
F = F1.cosα + F3.sinα.sinβ = 127,4 N
`61
Ở trạng thái máy cân bằng:
N1 – N2 = P – F = 129,5 – 127,4 = 2,1 N N1 = N2 + 2,1
(2) N2.HE + P.HB - N1.HD – F.HA ≥ 0
N2. 35 – N1.20 ≥ 127,4.121 - 129,5.107,2 = 1533
15N2 – 20.2,1 ≥ 1533 N2 ≥ 105 N (*)
N02 = 561 ban đầu thỏa mãn điều kiện (*).
Vậy máy đảm bảo khả năng chống lật quanh điểm H với mọi giá trị chiều sâu cắt t và góc vát cạnh a mà máy có thể làm việc được.
IV.3.4 Tính chọn lò xo cho cơ cấu kẹp. a) Mô tả hoạt động:
Lò xo là chi tiết tạo lực kẹp trực tiếp của máy mài lên tấm đá. Vậy nên cần lựa chọn lò xo phù hợp đáp ứng đƣợc yêu cầu chung của thiết kế và phải đảm bảo về mặt cơ học của máy.
Trong bản thiêt kế này, khi siết thanh kẹp (3), lò xo (1) sẽ bị nén lại và tạo lực đàn hồi ép lên bề mặt dƣới của chi tiết mài (2) thông qua hệ thống bánh xe ép (4).
Hình 4.8 Sơ đồ lực trên bộ kẹp. b) Tính toán và chọn lò xo:
Phƣơng trình cân bằng lực trên trục kẹp: Fdh = N2 + Pk = k. ∆l
Do trọng lƣợng của trục kẹp đƣợc xem là nhỏ so với phản lực N2 nên có thể xem nhƣ lực đàn hồi của lò xo gần bằng với phản lực N2.
Để thao tác nhanh trong việc siết thanh kẹp (3), lò xo cần tạo đủ lực trong vòng từ 6÷8 vòng vặn ren tức là ∆l = m.n = 1,5. (6÷8) = 9÷12 (mm)
`62 Tính độ cứng của mỗi lò xo: k = Fđh/∆l = f.N2 / ∆l = 1,1.561/2.10 ≈ 30 (N/mm) Các tiêu chí để chọn lò xo:
+ Phù hợp thiết kế nhỏ gọn: l0 ≈ 65 mm + Đƣờng kính trong: d ≈ 11mm
+ Độ cứng cần thiết: k ≈ 30 (N/mm) + Chiều dài khi nén tối đa: lc ≈ 45mm
Dựa theo các tiêu chí trên, nhóm em tiến hành vào trang web
http://www.vanel.com/ tiềm kiếm nâng cao.
Hình 4.9 Tìm kiếm nâng cao chi tiết lò xo nén tại Vanel.
`63
ảng hiển thị 10 kết quả gần với các tiêu chí đã đề xuất. Nhóm em đã cân nhắc và
chọn lò xo gần với số liệu tính toán nhất mang mã C.170.320.0650.I với các thông số cụ
thể nhƣ sau:
Hình 4.11 Chi tiết các thông số lò xo đƣợc chọn. IV.3.5 Tính chọn ổ lăn (chi tiết bánh xe kẹp):
Lực tác dụng lên các ổ:
Theo nhƣ phần kiểm nghiệm khả năng chống trượt khỏi mặt cạnh đá ở mục (
IV.3.5.b) và sơ đồ lực (Sơ đồ 4.2), bánh xe kẹp luôn cố định theo phƣơng Ox. Vòng trong ổ lăn dù chịu tác dụng lực từ F1x và F3 nhƣng vòng ngoài vẫn đứng yên. Điều đó có ngĩa là ổ lăn đang chịu tác động của lực dọc trục Fa với:
Fa = F1x - F3.cosα.sinβ >= F1x
Lực dọc trục lớn nhất trên mỗi ổ lăn ( bánh xe kẹp) là:
Fa max = (1/3).85,8.cos45 = 20,3 N
1
Fr N 243 (N).
Do ổ lăn chịu lực dọc trục nhỏ và Fa /Fr 20,3 / 2430, 080,3 nên ƣu tiên chọn ổ bi đỡ 1 dãy cỡ siêu nhẹ, vừa để có kết cấu đơn giản nhất, giá thành thấp nhất nhƣ sau:
Ta có : Ổ bi đỡ 1 dãy ký hiệu 1000099 có:
D = 20 mm, d = 9 mm, r = 0,5 mm
C = 2,1 kN, C0 = 1,07 kN.
`64
a) Kiểm nghiệm khả năng tải động của ổ:
Tra bảng 11.4 trang 215 [2], ta đƣợc X = 1 ; Y = 0, Ổ bi có vòng trong quay nên V=1 ( trang 214 [2])
Ta tính đƣợc tải trọng tác dụng :
QB = (XVFr + YFa )KtKđ = ( 1.1.243).1.1 = 243(N)
Tải trọng tƣơng đƣơng tác dụng :(công thức 11.12 trang 219 [2] )
2 3 3 1 3 E 2 max 1 . 0, 7 0, 3 Q 243. 1 . 0,8 . 1 1 m m i i i m i i m B i i i Q L T L Q T L L QE = 230,5 (N)
Theo khả năng tải động của ổ, từ công thức 11.17 trang 220 [2] , ta có:
Ctt = QEmL
Với điều kiện : 1 năm máy làm việc 300 ngày, 1 ngày 2 ca, 1 ca 8 giờ => Lh = 300x2x8 = 4800 giờ.
Và quy định với ngƣời công nhân : mài 1,5 mét đá trong vòng 1 phút ta có :
60000. 60000.( / ) . . lv v s t n D D 60000.(1,5 / 60) 15 .32 lv n (vòng/phút). L = 60.n.10-6.Lh = 60.15.10-6.4800 = 4,32 (triệu vòng quay) Ctt = 230,5.34,32 = 375,4 < C = 2100( N)
Như vậy ổ đã chọn đảm bảo khả năng tải động.
b) Kiểm nghiệm theo khả năng tải tĩnh:
Điều kiện : Qt ≤ C0 ( theo 11.18 trang 221 [2])
Với C0 - khả năng tải tĩnh,
Từ bảng 11.6 trang 221 [3] ta có các hệ số : X0 = 0,6 ; Y0 = 0,5 Qt là giá trị lớn nhất trong hai giá trị sau :
.Qt = Fr = 243 (N)
=>Chọn Qt= 243(N)
Do Qt << C0 =1070N
`65
IV.3.6 Tính bền các chi tiết quan trọng bằng phần mềm Inventor:
Các chi tiết cần kiểm bền như vai trái, gối lắp con lăn phụ và trục kẹp đều làm bằng thép C45 - là vật liệu có tính dẻo . Nên kết quả phân tích ứng suất sẽ được kiểm tra theo thuyết bền 3.
Với vật liệu thép C45 thì ứng suất uốn cho phép là: [u] = 20 35 N/mm2 ,
trang 25 tài liệu [5].
Chuyển vị cho phép đƣợc kiểm tra bằng biểu thức :
[f/L] = 1/300 ÷ 1/1000 , trang 2 tài liệu [7] Với f: chuyển vị lớn nhất
L: chiều dài lớn nhât của chi tiết.
a) Vai trái hoặc vai phải:
Vị trí fix
Xét ở thời điểm lực ép của lò xo tạo ra sự cân bằng tạm thời:
Mặt đáy (1) lắp với bánh xe thông qua 2 bulong M10, dƣới tác dụng của lực kẹp gây cố định tạm thời theo mọi phƣơng. Do đó fix cứng toàn bọ mặt đáy.
Vị trí các lỗ (2) lắp thanh tăng cứng, bị khống chế theo phƣơng Ox.
Hình 4.12 Vị trí fix và đặt lực
`66 Vị trí đặt lực:
Vai chịu 2 tải chủ yếu đó là trọng lƣợng của cụm máy mài (3) và bộ gá máy (4) đƣợc lắp trên lỗ (6), và áp lực do bộ kẹp (5) gây ra trên lỗ (7).
Ƣớc lƣợng trọng lƣợng của cụm máy mài khoảng 30N = 6,74 lbf
Áp lực do lực kẹp gây ra trên mỗi lỗ: F = Wct/4 = 182N = 40,92 lbf
Kết quả phân tích:
`67
Hình 4.15 Kết quả ứng suất vai trái theo thuyết bền 3.
Hình 4.16 Kết quả chuyển vị vai trái.
Kết luận:
Ứng suất: σmax = 0.61 Mpa < [σ]
Chuyển vị: f/L = 0.0091/205 = 4,44.10-5 < [f/L] =1/1000
`68
b) Gối lắp con lăn phụ:
Vị trí fix: Vị trí 2 lỗ lắp bulong cứng với vai. Vậy ta fix toàn bộ mặt tựa của gối (nhƣ hình).
Hình 4.17 Vị trí fix của gối lắp con lăn phụ.
Vị trí đặt lực: Ở trạng thái kẹp chặt, lực đàn hồi của lò xo tác dụng lên gối thông qua thanh trƣợt dọc, gây ra áp suất trên bề mặt dạng vành khăn nhƣ hình.
`69 Kết luận:
Áp suất tác dụng lên gối: p = Wct/2A
Với A = 199mm2
(diện tích hình vành khăn đƣợc đo bằng inventor)
p = 729/(2.199) = 1,83 (Mpa)
Kết quả:
`70
Hình 4.20 Kết quả ứng suất theo thuyết bền 3 của gối lắp con lăn phụ.
Hình 4.21 Chuyển vị của gối lắp con lăn phụ.
Nhận xét:
Ứng suất : σmax = 3,08 Mpa < [σ]
Chuyển vị: f/L = 0,0014/55 = 2,55.10-5
< [f/L] =1/1000
`71
c) Trục kẹp:
Vị trí fix: khi siết lò xo đến độ cân bằng ổn định. ề mặt của bánh xe kẹp ép vào mặt dƣới tấm đá. Do vậy phần trục lắp bánh xe kẹp sẽ cố định tạm thời.
Hình 4.22 Vị trí của trục kẹp trong bộ kẹp.
Hình 4.23 Vị trí fix của trục kẹp.
Vị trí đặt lực: Lực ép từ lò xo tác dụng lên trục kẹp nhƣ hình vẽ.
`72
Hình 4.24 Vị trí đặt lực của trục kẹp.
Kết quả phân tích: