Trong gia cụng cơ khớ đặc biệt là quỏ trỡnh mài thỡ việc xỏc định được topography của đỏ mài là rất quan trọng, bởi vỡ topography của đỏ là yếu tố cú ảnh hưởng quyết định đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia cụng.
Việc nghiờn cứu, xỏc định và kiểm soỏt được topography của đỏ mài cú ý nghĩa đến việc nõng cao chất lượng bề mặt của chi tiết gia cụng. Trong quỏ trỡnh mài dưới tỏc dụng của nhiệt, lực cắt, lực ma sỏt, rung động, mũn ... thỡ topography của đỏ luụn thay đổi. Nếu xỏc định và đỏnh giỏ được topography của đỏ thỡ cú thể nõng cao tớnh cắt gọt của đỏ và hiệu quả của quỏ trỡnh mài. Xỏc định được topography ngay trong quỏ trỡnh mài cú thể giỳp cho nhà cụng nghệ quyết định thời gian sửa đỏ và chế độ sửa đỏ phự hợp.
Hiện nay, nhờ sự phỏt triển của khoa học kỹ thuật mà cỏc phương phỏp đo topography đỏ mài được nghiờn cứu ngày một hoàn thiện hơn, vớ dụ một số phương phỏp:
- Dựng ống nhũm, mỏy quay phim hoặc thiết bị chụp ảnh khụng gian 3 chiều để theo dừi và đỏnh gia sự thay đổi liờn tục của topography.
- Nghiờn cứu cấu trỳc bề mặt đỏ mài và biểu đồ biờn dạng bề mặt đỏ nhờ thiết bị dũ tiếp xỳc trực tiếp, khi đú biờn dạng bề mặt đỏ được ghi lại như hỡnh 2.5.
Hỡnh 2.6.Biờn dạng bề mặt đỏ
- Nghiờn cứu topography thụng qua tớnh chất tiếp xỳc thực tế giữa đỏ và bề mặt chi tiết gia cụng bằng phương phỏp in dấu.
- Nghiờn cứu bề mặt đỏ mài bằng mẫu đỏ mài nhỡn từ nhiều hỡnh chiếu để thấy cấu trỳc hỡnh học bề mặt đỏ.
- Nghiờn cứu cấu trỳc hỡnh học từng hạt mài, loại hạt nghiờn cứu ma sỏt, biến dạng của vết cắt do hạt mài cắt trờn bề mặt gia cụng.
- Xỏc định khả năng cắt của đỏ mài thụng qua thể tớch vật liệu được hớt đi trong một đơn vị thời gian.
- Xỏc định kớch thước và số lượng hạt mài nằm trong vựng cắt để xỏc định số lượng lưỡi cắt trực tiếp tham gia cắt trong vựng tiếp xỳc. Sử dụng cỏc phương phỏp chụp ảnh khụng gian 3 chiều, ghi lại xung nhiệt khi mỏy mài phỏt ra.
- Phương phỏp đỏnh giỏ Topography giỏn tiếp thụng qua cỏc thụng số xảy ra trong quỏ trỡnh mài như: lực cắt, nhiệt cắt, rung động, mũn đỏ hoặc chất lượng bề mặt chi tiết gia cụng.
- Phương phỏp đo Topography của đỏ mài bằng đầu lazer mà kết quả đo được thể hiện trờn hỡnh 2.6.
Hỡnh 2.7.Topography của bề mặt đỏ và biờn dạng 2D của bề mặt
a - Trước khi mài; b - Sau khi mài
2.6. KẾT LUẬN
Trờn cơ sở phõn tớch, đỏnh giỏ một số yếu tố cụng nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia cụng khi mài và với điều kiện cụng nghệ cụ thể trong phạm vi luận ỏn này tụi nghiờn cứu ảnh hưởng đồng thời của 2 thụng số cụng nghệ đú là chiều sõu cắt t và lượng chạy dao dọc sd tới độ nhấp nhụ tế vi Ra của chi tiết gia cụng theo thời gian mài.
Xõy dựng cỏc mối quan hệ: Ra = f( )sd,t; Um = f( )τ
và: T = f(sd, t); P= f(sd, t)
Tiến hành thực nghiệm với điều kiện vật liệu chi tiết gia cụng là thộp 45, tụi cứng đạt 45 – 47 HRC ; đỏ mài Nga ký hiệu 3K25CM2 305x50x127.
Xõy dưng kết quả đo bằng cỏc đồ thị và hàm thực nghiệm
- Nghiờn cứu quy luật biến thiờn nhấp nhụ tế vi bề mặt Ra của chi tiết mài theo chế độ cắt sd, t và thời gian mài.
- Quy luật biến thiờn của thành phần lực cắt tiếp tuyến Pz, lực hướng kớnh Py theo chế độ cắt sd, t và thời gian mài.
- Quy luật mũn và lượng mũn hớưng kớnh của đỏ mài theo chế độ cắt sd, t và thời gian mài.
Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 3.1. LỰA CHỌN Mễ HèNH THÍ NGHIỆM
Như đó trỡnh bày ở trờn, mài là một quỏ trỡnh phức tạp, cỏc thụng số đầu vào của quỏ trỡnh mài đều ảnh hưởng đến kết quả mài. Do đú, thực nghiệm là một trong cỏc biện phỏp hiệu quả để xỏc định chớnh xỏc cỏc thụng số mài trong quỏ trỡnh mài.
Việc xõy dựng hệ thống thớ nghiệm đảm bảo cỏc yờu cầu kỹ thuật cú vai trũ rất lớn trong cụng tỏc nghiờn cứu khoa học. Một hệ thống thớ nghiệm cần đảm bảo cỏc yờu cầu:
- Đỏp ứng được cỏc yờu cầu lý thuyết cần nghiờn cứu. - Đảm bảo độ chớnh xỏc, độ tin cậy và độ ổn định.
- Đảm bảo việc thu thập, lưu trữ và xử lý cỏc số liệu thớ nghiệm thuận lợi. - Đảm bảo tớnh khả thi và hiệu quả kinh tế cao.
Để nghiờn cứu ảnh hưởng cỏc yếu tố, ta xõy dựng bài toỏn đỏnh giỏ đồng thời bằng nhiều chỉ tiờu biến đổi theo thời gian và chế độ cắt sd, t; lực cắt phỏp tuyến Py; lực cắt tiếp tuyến Pz; tuổi bền của đỏ mài T; độ nhấp nhụ tế vi bề mặt Ra.
Hệ thống thớ nghiệm phải đảm bảo được việc thực hiện cỏc bước thớ nghiệm theo thiết kế và phải đo được đồng thời nhiều thụng số trong một lần thớ nghiệm.
Nội dung của chương này bao gồm vấn đề sau: - Xõy dựng mụ hỡnh hệ thống thớ nghiệm.
- Thiết kế, chế tạo và kết nối hệ thống đo lực cắt 2 thành phần trờn mỏy mài trũn ngoài.
- Thiết kế, chế tạo và kết nối hệ thống đo mũm đỏ trờn mỏy mài trũn ngoài bằng phương phỏp đo Laze.
- Kết nối và thử nghiệm cỏc hệ thống đo gồm: Hệ thống đo lực cắt, hệ thống đo mũn đỏ và đo nhấp nhụ tế vi bề mặt chi tiết.
3.1.1. Mụ hỡnh thớ nghiệm đo lực
Một trong những phương phỏp đo lực cắt được sử dụng rộng rói, hiện nay là dựng cỏc cảm biến cú gắn cỏc tenzo điện trở trờn những phần tử đàn hồi cú cỏc hỡnh
dạngkhỏc nhau. Thụng qua việc đo biến dạng của cỏc phần từ đàn hồi bằng cầu đo điện trở mà ta xỏc định được trị số của lực.
Để đo lực cắt khi mài trũn ngoài tasử dụng sơ đồ như hỡnh 3.1. Chi tiết gia cụng (2) được gỏ trờn hai mũi tõm (3) (đúng vai trũ là phần tử đàn hồi). Với sơ đồ thớ nghiệm này cú sử dụng cỏc phần mềm chuyờn dụng để tớnh toỏn kiểm nghiệm cỏc phần tử của hệ thống, đảm bảo độ chớnh xỏc và độ tin cậy cao, khỏc so với một số cụng trỡnh đó nghiờn cứu trước đõy phải tớnh toỏn kiểm nghiệm bằng tay.
Hỡnh 3.1.Mụ hỡnh thớ nghiệm đo lực
1- Đỏ mài; 2 - Chi tiết gia cụng;
3 - Mũi tõm cú gắn cảm biến; 4 - Tốc độ truyền mụ men
3.1.2. Mụ hỡnh thớ nghiệm đo mũn đỏ
Phương phỏp đo lượng mũn hướng kớnh của đỏ mài được sử dụng đầu đo laze ZX-LD30V của hóng OMRON chế tạo theo nguyờn lý đo phản xạ, độ phõn giải 0.00025mm. Bản chất của phương phỏp là phộp đo khoảng cỏch từ đầu đo đến bề mặt của đỏ mài.
* Đặc điểm của phương phỏp
Phương phỏp đo lượng mũn của đỏ bằng đầu đo laze cú nhiều ưu điểm như: đơn giản, dễ sử dụng, độ chớnh xỏc cao.
Điều kiện đặt ra đối với phương phỏp đo này là: tại thời điểm đo khụng cú tưới nguội. n n 3 2 3 4 1 P P
3.1.3. Cỏc trang thiết bị thớ nghiệm khỏc
*Mỏy: Mỏy mài trũn ngoài: GU-20.25A SHIGIYA
- Đường kớnh lớn nhất của chi tiết gia cụng: 100mm - Chiều dài lớn nhất của chi tiết gia cụng: 250mm - Cụn moúc ụ trước và ụ sau: No 2.
- Kớch thước đỏ: 305x50x127
- Tốc độ quay trục đỏ: 2000v/ph
- Tốc độ quay chi tiết: 97v/ph
- Tốc độ dịch chuyển của bàn mỏy: Vụ cấp từ 0.1ữ5m/ph - Dịch chuyển của ụ đỏ sau mỗi vạch chia: 0.005mm/vạch
- Cụng suất động cơ đỏ: 2.2KW
* Đỏ mài: Sử dụng đỏ mài của Nga ký hiệu €K25CM2, kớch thước của đỏ
305x50x127
* Dụng cụ sửa đỏ: Đầu sửa đỏ kim cương loại 1 hạt cú kớch thước 12x40
* Chi tiết gia cụng: Vật liệu chi tiết: Thộp 45, tụi cứng 45 ữ 47HRC
* Phương phỏp mài: Mài cú tõm chạy dao dọc
Chế độ cắt V = 35m/s; nct = 97v/ph; Sd = 0,3 m/ph; t = 0,005 - 0,02mm;
Hỡnh 3.2.Mẫu phụi thớ nghiệm
1x45° °
200 65
135 3
Hỡnh 3.3. Mỏy mài trũn ngoài GU-20.25A SHIGIYA
* Thiết bị đo nhỏm: Mỏy đo độ nhỏm: SJ 4.2 - Mitutoyo (hỡnh 3.4)
- Hiển thị LCD. Tiờu chuẩn DIN,ISO, JIS, ANSI
`
- Thụng số đo được: Ra, Rz, Rt, Rq,... - Độ phõn giải: 0,032àm
- Bộ chuyển đổi A/D; RS - 232
- Phần mềm điều khiển và xử lý số liệu: MSTATW324.0 - Thiết bị hiển thị: mỏy tớnh, mỏy in.
3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT
3.2.1. Cỏc thụng số cơ bản của hệ thống
- Bộ cảm biến: Gồm cú 2 mũi tõm đúng vai trũ là phần tử đàn hồi trờn đú cú dỏn cỏc tenzo điện trở(Gọi tắt là lực kế) hỡnh 3.5:
Hỡnh 3.5.Sơ đồ cấu trỳc thõn cảm biến đo lực cắt
Một số thụng số kỹ thuật của thõn cảm biến và phần tử biến dạng: - Vật liệu chế tạo thộp 40X, tụi cải thiện đạt 20ữ25HRC
- Độ khụng đồng tõm ≤ 0,02/L
- Cỏc kớch thước cơ bản chọn như hỡnh 3.6
- Chuyển vị trớ lớn nhất tại đầu mũi tõm Ymax = 2,3àm - Độ cứng Cy = 24,68N/àm
- Bộ khuếch đại Card DBK16 (Mỹ)
+ Số kờnh đo: 2 kờnh tương thớch với hệ Daqbook 216 + Độ khuếch đại x100 đến x1200
+ Kiểu khuếch đại: cả cầu, 1/2 cầu và 1/4 cầu + Trở khỏng đầu vào: 100MΩ X° ° Y° ° 150 16 20 20 31, 2 °60 N° °02° °
+ Nguồn điện kớch thớch: 12V- DC, 50mA/kờnh
- Bộ chuyển đổi ADC: Bộ vi điều khiển MSC-51 điều khiển hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự - số (hỡnh 3.6)
Hỡnh 3.6.Sơ đồ chức năng bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC)
+ Kết nối với mỏy tớnh, mỏy PC qua cổng songsong hoặc với PC - Card + Tớn hiệu vào tương tự
+ Bộ chuyển đổi ADC 100kHz, độ phõn giải 32bit, độ chớnh xỏc ±0,025FS + Tốc độ lấy mẫu 106mẫu/s
+ Mụi trường làm việc 00đến 500C - Thiết bị hiển thị: mỏy tớnh, mỏy in
- Phần mềm điều khiển và xử lý thụng tin: sử dụng phần mềm DASYlab7.0 - 32 bit của hóng IOTECH cú chức năng đo lường, điều khiển, phõn tớch, ghi số liệu và thiết kế mụ phỏng quỏ trỡnh đo.
3.2.2. Thiết kế, chế tạo lực kế
Để đo lực cắt khi gia cụng trờn mỏy mài trũn ngoài, ta sử dụng 2 mũi tõm làm phần tử đàn hồi trờn đú cú dỏn tenzo điện trở.
Nguyờn lý đo: Trong quỏ trỡnh mài cỏc thành phần lực cắt cần đo (lực phỏp tuyến Py), (lực tiếp tuyến Pz) thụng qua chi tiết gia cụng (2) làm biến dạng mũi tõm (3) (hỡnh 3.1), làm thay đổi điện trở của cỏc tenzo được dỏn trờn hai mũi tõm (hỡnh 3.6), do đú sẽ làm thay đổi dũng điện qua tenzo. Sự thay đổi dũng điện này được lấy làm tớn hiệu đo.
Độ lớn cực đại của cỏc lực cần đo trong quỏ trỡnh mài tinh theo tớnh toỏn lý MSC - 51° Hiển thị° ° Bộ chuyển đổi ADC°
Cổng truyền nối° ° tiếp RS - 232° ° Bus du liệu° ° khiển° ° Bus điều ° ° Tín hiệu ° ° tuơng tụ° °
thuyết trờn mỏy mài GU - 20.25A như sau:
- Lực tiếp tuyến: PZmax= 60 N dựng để xỏc định cụng suất khi mài. - Lực xuyờn tõm: Pymax = 100 N vuụng gúc với bề mặt làm việc.
Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng (hỡnh 3.7). Kết quả kiểm nghiệm chuyển vị Ymax = 1.1àm.
Hỡnh 3.7.Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng
sử dụng phần mềm ANSYS
Trong khi mài phụi được gỏ lờn hai mũi tõm, hai mũi tõm lắp chặt với thõn cảm biến vỡ vậy kết cấu của thõn cảm biến phải đủ độ cứng vững để trong quỏ trỡnh mài khụng làm ảnh hưởng đến độ chớnh xỏc của sản phẩm và đồng thời phải đủ độ nhạy để đo được hai thành phần lực Py, Pz do đỏ mài tỏc dụng lờn phụi như trờn hỡnh 3.1.
Từ những yờu cầu trờn cảm biến được thiết kế gồm hai phần chớnh là: thõn cảm biến và mũi tõm. Ngoài racũn cú vỏ bao bờn ngoài để quỏ trỡnh làm việc cảm biến khụng bị ảnh hưởng bởi dung dịch tưới nguội và phoi khi mài.
Quỏ trỡnh tớnh toỏn kớch thước, độ bền của phần tử đàn hồi phải giải quyết hai vấn đề cơ bản đú là: đảm bảo đủ độ cứng vững và độ biến dạngcủa thõn cảm biến.
Trong trường hợp này phần tử cảm biến tem biến dạng sử dụng tổ hợp cỏc biến dạng chịu uốn. Để đảm bảo độ nhạy của cảm biến và khụng gian để đấu dõy, phớa giữa thõn cảm biến được khoan rỗng. Việc tớnh toỏn độ nhạy của và thiết lập mạch cầu cảm biến của phần tử biến dạng sử dụng phần mềm tớnh toỏn chuyờn dụng cho cỏc cảm biến tem biến dạng Transcalccủa hóng KYOWA (hỡnh 3.8ữ hỡnh 3.11).
Hỡnh 3.8.Tớnh toỏn độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo lực theo
Hỡnh 3.9.Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phương Y
Hỡnh 3.10.Tớnh toỏn độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo lực
Hỡnh 3.11.Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phương Z
Tuy nhiờn, để cú được một cảm biến đo ổn định và tuyến tớnh trong miền làm việc cần thiết phải cú những biện phỏp bằng thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế trong chế tạo cảm biến đo.
3.2.3. Thiết lập cỏc mạch cầu cảm biến và chọn vị trớ dỏn tem điện trở
Mạch cầu cảm biến cú thể chứa một, hai, bốn tem điện trở hoặc nhiều hơn tuỳ thuộc vào độ lớn của lực cần đo, độ chớnh xỏc mong muốn và ảnh hưởng của cỏc tỏc động bờn ngoài.
Chiều biến dạng của cỏc tem phụ thuộc vào kết cấu của phần tử biến dạng và vị trớ dỏn tem. Cỏc tem biến dạng của cảm biến được sắp xếp trờn phần tử biến dạng, trong đú bốn tem điện trở vừa đúng vai trũ là tem đo vừa cú tỏc dụng tự bự trừ nhiệt. (hỡnh 3.12)
Trong mạch cầu này, cỏc tem đó được chọn là đồng nhất nờn: R1 = R2 = R3 = R4 = Rg, trong đú, Rg là giỏ trị điện trở của tem [1].
Hỡnh 3.12.Mạch cầu điện trở với 4 tem vừa đo vừa tự bự trừ nhiệt
N° ° U° ° ra° ° U° ° 2° ° R° ° 4° ° R° ° R° °3° ° 1° ° R° °
Nếu như điều kiện lý tưởng của cầu được thoả món R1.R3 = R2.R4, nghĩa là điện ỏp ra của cầu bằng khụng (Ura = 0). Chờnh lệch điện ỏp ra của cầu ∆Ura cú thể viết
theo biểu thức sau:
( R R R R )( n) R U U g g g g g ra ra = ∆ −∆ +∆ −∆ − ∆ 1 4 1 2 3 4 [1] (3.1)
Trong đú (1 - n) là hệ số phi tuyến, với n là số phi tuyến. Trong thực tế giỏ trị này cú thể rất bộ song nú vẫn luụn tồn tại, do đú gõy khú khăn trong việc thao tỏc căn chỉnh cầu. Tuy nhiờn, bằng những giải phỏp thực nghiệm ta cú thể khống chế cầu cảm biến làm việc ở những đoạn tuyến tớnh mong muốn.
Khi cú lực Py tỏc động vào phần tử biến dạng chịu uốn (đồng thời cũng chớnh là thõn cảm biến), cỏc điện trở tem R2, R4 tăng cũn R1, R3 giảm. Điện ỏp là lực tỏc dụng vào phần tử biến dạng Ura = Ky.Py, trong đú Py là lực tỏc dụng vào phần tử biến dạng theo phương Y, Ky là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ Ky phụ thuộc vào điện ỏp