Dựa trên cơ sở lý thuyết, yêu cầu của đề tài và cơ sở vật chất hiện có; giải pháp đưa ra là thiết kế chế tạo khớp mềm trên cán dao tiện.
Phương án 1 : Thiết kế khớp mềm với dao động theo phương X
Phương án 2 : Thiết kế khớp mềm với dao động theo phương Y
3.3 Lựa chọn phương án :
Chọn giải pháp 1 vì đây là phương án mới mà các nhà khoa học đang nghiên cứu và chế tạo, phương án này có khả năng phát triển theo nhiều hướng nhằm đóng góp cho sự phát triển khoa học kỹ thuật trong tương lai.
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SẢN PHẨM 4.1. Phương án thiết kế khớp nối mềm cho cán dao:
4.1.1 Dữ liệu ban đầu
- Kích thước của cán dao ban đầu là: 20x20x125
- Vât liệu là thép cacbon C45
- Mã cán dao: SDNCN 2020K
Hình 4.1.1: Cán dao ban đầu
4.1.2 Cơ sở lí thuyết tính toán độ cứng vững của cán dao: [15]
- Từ kết cấu đàn hồi ta xét một phân tử nhỏ dạng thanh với diện tích mặt cắt ngang là da và độ dài là dl.
- Có ứng suất tiếp Hình 4.1.2 tác dụng trên bề mặt diện tích da. Giả thiết rằng đầu còn lại của cán dao bị ngàm chặt còn đầu có gắn mãnh dao tiện tự do. Chuyển vị của mũi dao khi đó là:
Δ =
- Ở đây G là hệ số đàn hồi của cán dao:
- Trong đó:
=
Δ = = (4.3)
- Nếu tác động từ từ lực da để gây nên các chuyển vị trên, thì năng lượng lưu trữ trong phần tử sẽ là:
=
- Dùng ký hiệu chung cho biến dạng, phương trình có dạng:
=
- Biến dạng trong phương trình 4.6 do ứng suất tiếp nên = . G và E có liên hệ với nhau bằng:
=
ở đây là hệ số Poisson, do vậy biến dạng do ứng xuất tiếp có dạng là
=
4.1.3 Chọn mãnh dao tiện hợp kim phù hợp: [14]
-Vật liệu gia công: Thép không gỉ SUS304 (SAE 304 Stainless Steel), với các thông số:
Mật độ ( Density) : 8000 (kg/m3)
Độ cứng (Hardness): 92 (HB)
Độ bền kéo (Tensile Strength): 520 (MPa)
Sức mạnh năng suất (Yield Strength): 240 (MPa)
Tỷ số Poisson ( ): 0,3
- Lựa chọn mãnh hợp kim phù hợp để tiện thép không gỉ: Từ các yếu tố trên ta lựa chọn mãnh dao có các thông số như hình 4.1.3:
Hình 4.1.3: Thông số được ghi trên vỏ cùng mãnh hợp kim
Hình 4.1.4: Thông số tham khảo từ catalog nhà sản xuất
4.1.4 Tính toán chế độ cắt phù hợp:
-Từ các thông số nhà sản xuất đưa ra cùng điều kiện gia công nên các thông số chạy dao được lựa chọn là:
Chiều sâu cắt (ap): 0.5 mm
Lượng chạy dao (fn): 0.08 mm/vòng
- Từ các thông số trên ta tính được số vòng quay trục chính (Spindle Speed) như sau:
= 1000 (4.9)
= 1000 =1000.100= 1061 (RPM) 30
Chú ý: Do máy tiện dùng để thí nghiệm là loại máy tiện thứ cấp nên ta chỉ chỉnh được số vòng quay là 1000 (RPM) Trong đó: Vc: Tốc độ cắt (mm/phút) : Hằng số Pi D: Đường kính phôi (mm) n: Số vòng quay trục chính (Vòng/phút) 4.1.5 Tính toán lực cắt: [13]
- Từ các thông số chạy dao:
Chiều sâu cắt (ap): 0.5 mm
Lượng chạy dao (fn): 0.08 mm/vòng
Tốc độ cắt (vc): 100 m/phút
– Ta có khi tiện dọc ngoài, tiện ngang, tiện trong, tiện cắt đứt, tiện rãnh, tiện định hình thì lực cắt thành phần được định hình ở công thức (4.10)
(Sổ tay CNCTM quyển II trang 15):
= 10. . . . . = 10.300.0,51.0,080,75.1000,15.0,55=247,6 (N/mm2)
(4.10)
-Hệ số và các số mũ x, y, n là: = 300, x=1, y=0.75, n=0.15 (Bảng 5-22, Sổ tay CNCTM quyển II, Trang 18)
- Hệ số điều chỉnh là tích số của một loạt các hệ số trong công thức (4.11) (Bảng 5-9 và 5-10 và 5-22, Sổ tay CNCTM quyển II)
=
...=0.55
= (
Khi tiện n= 00..7535 = 90
=1 =1
4.1.6 Áp dụng tính toán độ cứng vững cần thiết của cán dao:
- Vật liệu cảu cán dao là thép cacbon dụng cụ có mã là C45 nên ta có:
Young’s Modulus (E) : 210 GPa
Poisson’s ratio : 0.3 - Từ công thức (4.10) đặt vào một lực: 247,6 (N/mm2) - Áp dụng công thức (4.7) ta có: = - Từ công thức (4.4) ta có: = => = =247,6400 = 0,619
- Gán vào công thức (4.2) ta có độ biến dạng khi chưa có khớp mềm:
=
- Khi đó chuyển vị của cán dao áp dụng công thức (4.3) ta có:
Δ = = = 0.00077 45 = 0.0347( )
4.2. Cơ sở công thức tính toán khớp mềm:
- Dựa theo các đặc điểm của cán dao tiện nghiên cứu từ đó lấy các thông số để đặt vào đó một khớp mềm thích hợp, công thức tổng quát để tính toán khớp mềm được biểu thị dưới đây:
Đối với độ dịch chuyển rất nhỏ (h/(2R+t)->1):
=
9
5
E: Young’s Modulus
Dịch chuyển theo phương Y
ℎ = (1 − cos( )) ≈ (1 − cos( Z Hình 4.2.1: Kích thước khớp mềm Độ cứng theo phương q1 = Khi t<R<5t: ≈ = = . = (d=t)
Khi đó độ cứng theo q1 có công thức:
=
4.3 Áp dụng tính toán khớp mềm vào cán dao
4.3.1. Xét tác dụng lực theo phương Z ( Lực cắt khi tiện phôi)
- Từ các công thức (4.3) và (4.10) ta đã tính được lực cắt cùng với độ dịch chuyển q1 áp dụng vào công thức (4.15).
=
- Phương pháp này cung cấp độ chính xác tốt hơn so với các phương pháp khác tùy
thuộc vào tỷ lệ t/ R của bản khớp mềm. Điều kiện đặt ra ở đây là sau khi ta đặt vào cán dao một khớp mềm thì độ cứng của cán dao phải thỏa điều kiện là: Kz lúc sau phải lớn hơn hoặc bằng 80% Kz ban đầu.
- Từ công thức (4.15) ta có được độ cứng ban đầu cảu khớp nối mềm từ đó ta suy ra độ cứng lúc sau trong điều kiện đặt ra. Do t/R và L có liên hệ với nhau nên ta lựa chọn t và R để tính ra L sao cho khi tối ưu trên phần mềm ta có kết quả tốt nhất.
Hình 4.3.2: Khoảng dịch chuyển lớn nhất theo phương z
- Từ các kết quả mô phỏng thực tế của cán dao ban đầu ta xác định được khoảng dịch chuyển lớn nhất cùng độ cứng, từ đó ta suy ra khoảng dịch chuyển thảo điều kiện mà ta đặt ra cho cán dao khi có khớp nối mềm có độ lớn trong khoảng từ 80% độ cứng ban đầu.
- Ta chọn nhiều thông số t và R khác nhau để mô phỏng và từ đó chọn ra kích thước tối ưu nhất:
Hình 4.3.3: Mô phỏng nhiều trường hợp trên phần mềm
- Qua nhiều lần tính toán và mô phỏng theo phương x và z trên phần mềm ANSYS
4.3.2 Xét tác dụng lực theo phương X ( Lực tác dụng của PZT)
- Tương tự như khi tính toán trường hợp như ở phương z, tuy nhiên ở phương x lực tác dụng của PZT khó kiểm soát được do bề mặt gá đặt cũng như là bề mặt tiếp xúc giữa đầu PZT và cán dao không được hoàn thiện tốt nhất. Đầu PZT nối với cán dao thông qua một con Bulong cầu M8:
Hình 4.3.5: Setup máy
- Thông số kỹ thuật của Piezo p-225.1s Pica:
Phạm vi điện áp hoạt động Phạm vi hành trình (vòng lặp) Lực đẩy/ kéo theo hướng chuyển
động Tải trọng Phạm vi nhiệt độ hoạt động Khối lượng
Hình 4.3.7. Bảng thông số kỹ thuật PZT
– Ta cũng thực hiện kiểm tra độ cứng của cán dao theo phương X tương tự như phương Z nhưng ở đây lực do PZT tác dụng theo phương X như mô hình mô phỏng dưới hình 4.3.8:
Hình 4.3.9: Khoảng dịch chuyển lớn nhất theo phương X
- Từ các kết quả thu được ở trên thì ta rút ra được kết quả tối ưu nhất đối với việc gia công khớp mềm và việc gá đặt cán dao tiện lợi nhất cho việc gia công
Hình 4.3.10: Mô phỏng khoảng dịch chuyển tối ưu nhất
t (mm)
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu phần mềm:
- CAE ( Computer- Aided Engineering) là kĩ thuật phân tích lợi dụng khả năng phân tích và tính toán chính xác, nhanh chóng của máy vi tính để hiểu mô hình nguyên lí của hệ thống, đồng thời kết hợp với chức năng đồ họa giúp người sử dụng thu được kết quả nhanh chóng và dung kết quả để tối ưu hóa thông số thiết kế.
Dùng những phương pháp cũ như áp dụng cơ lý thuyết, sức bền vật liệu để tính toán thì chưa chính xác với điều kiện thực tế, tốn nhiều thời gian. ANSYS là công cụ có thể giải quyết được vấn đề trên, ngoài việc phân tích các phần tử hữu hạn, liên kết với các phần mềm thiết kế hình học, ANSYS có thể phân tích ứng suất, biến dạng, xác định độ bền mỏi và độ phá hủy của chi tiết một cách chính xác và có độ tin cậy cao.
5.2 Phân tích biến dạng trên phần mềm:
- Khởi động phần mềm ANSYS
- Khởi động modul : Static Structural
Hình 5.2: Khởi động moldul
5.2.1 Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao không khớp mềm:
- Đưa ra các tham số số của mô phỏng bằng ANSYS 18.2. Nó bao gồm thông số đầu
vào và đầu ra.
5.2.1.1 Dữ liệu đầu vào:
- Giải thích một số vấn đề cơ bản về hình học, vật liệu, ứng suất,… Tính toán để biết được vùng chịu tác động của lực nằm trong khoản nào.
- Vật liệu:
- Cán dao: thép C45
- Mũi dao: Hợp kim cứng Khối
lượng riêng: 15700 kg/m3 Modun đàn hồi: 6.83E+0.5 MPa Hệ số Poisson: 0.3
- Kiểu phân tích: - Biên dạng hình học: Hình 5.4: Biên dạng hình học Đơn vị: mm Các kích thước: Hình 5.5: Các kích thước
Điều kiện biên mô phỏng chịu lực theo phương X: Contact region:
Hình 5.6: Mặt phăng liên kết.
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Contact: 12 Faces Target: 12 Faces Geometry: 1 Face Definition: Type: Bonded Force: Hình 5.7: Phương của lực.
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Edge
Definition: Type: Force
Defined by: component Global coordinate system X Component: 100N Suppressed: No
Fixed support
Hình 5.8: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Face
Definition:
Type: Fixed Support Suppressed: No
Chia lưới :
Hình 5.8: Lưới trên chi tiết
Điều kiện biên mô phỏng chịu lực theo phương Z: Contact region:
Hình 5.9: Mặt phăng liên kết. Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Contact: 12 Faces Target: 12 Faces Geometry: 1 Face Definition: Type: Bonded Force: Hình 5.10: Phương của lực.
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Face
Definition: Type: Force
Defined by: component Global coordinate system Y Component: 600N Suppressed: No
Fixed support
Hình 5.11: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Face
Definition:
Type: Fixed Support Suppressed: No
Chia lưới :
Hình 5.12: Lưới trên chi tiết
5.1.1.2 Dữ liệu đầu ra:
Biến dạng toàn phần:
Cho thấy được sự biến đổi trước và sau khi chịu tác động của ngoại lực, thông qua đó có thể xác định được các phần của chi tiết khi chịu tác động của ngoại lực.
Hình 5.13: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương X
Hình 5.14: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương Z
Chọn 3 điểm A,B,C để so sánh sự biến dạng
Hình 5.16: Biến dạng theo phương Z của điểm A
Hình 5.17: Biến dạng theo phương Z của điểm B
Hình 5.18: Biến dạng theo phương Z của điểm C
5.2.2 Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao có khớp nối mềm:
Đưa ra các tham số số của mô phỏng bằng ANSYS 18.2. Nó bao gồm thông số đầu vào và đầu ra.
5.2.2.1 Dữ liệu đầu vào:
Giải thích một số vấn đề cơ bản về hình học, vật liệu, ứng suất,… Tính toán để biết được vùng chịu tác động của lực nằm trong khoản nào.
Vật liệu:
Cán dao: thép C45
Khối lượng riêng: 7850 kg/m3 Modun đàn hồi: 2.1E+0.5 MPa Hệ số Poisson: 0.3
Mũi dao: Hợp kim cứng. Khối lượng riêng: 15700 kg/m3 Modun đàn hồi: 6.83E+0.5 MPa Hệ số Poisson: 0.3
Hình 5.19: Vật liệu mũi dao và cán dao
Kiểu phân tích:
Hệ thống phân tích : kết cấu tĩnh. Loại phân tích : mô phỏng 3D.
Biên dạng hình học:
Đơn vị: mm Các kích thước:
Hình 5.21: Các kích thước
Điều kiện biên mô phỏng chịu lực theo phương X: Contact region:
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Contact: 12 Faces Target: 12 Faces Geometry: 1 Face Definition: Type: Bonded Force: Hình 5.23: Phương của lực. Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Edge
Definition: Type: Force
Defined by: component Global coordinate system X Component: 100N Suppressed: No
Hình 5.24: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Face
Definition:
Type: Fixed Support Suppressed: No
Chia lưới :
Hình 5.25: Lưới trên chi tiết
Điều kiện biên mô phỏng chịu lực theo phương Z: Contact region:
Hình 5.26: Mặt phăng liên kết. Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Contact: 12 Faces Target: 12 Faces Geometry: 1 Face Definition: Type: Bonded Force: Hình 5.27: Phương của lực. Scope:
Geometry: 1 Face Definition:
Type: Force
Defined by: component Global coordinate system Y Component: 600N Suppressed: No
Fixed support
Hình 5.28: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định
Scope:
Scoping Method: Geometry Selection Geometry: 1 Face
Definition:
Type: Fixed Support Suppressed: No
Chia lưới :
5.2.2.2 Dữ liệu đầu ra:
Cho ta biết được kết quả quá trình phân tích như chuyển vị, biến dạng,…
Biến dạng toàn phần:
Cho thấy được sự biến đổi trước và sau khi chịu tác động của ngoại lực, thông qua đó có thể xác định được các phần của chi tiết khi chịu tác động của ngoại lực.
Hình 5.30: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương X
Hình 5.31: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương Z
Hình 5.32: Các điểm xét biến dạng theo phương Z
Hình 5.33: Biến dạng theo phương Z của điểm A
Hình 5.35: Biến dạng theo phương Z của điểm C
5.3 So sánh kết quả mô phỏng:
Bảng so sánh độ cứng của hai loại cán dao Loại
Phương (lực) Z (600N) X (100N)
5.4 Nhận xét:
Độ cứng theo phương Z của cán dao có dao động hỗ trợ bằng 65,3% so với cán thường.
Độ cứng theo phương X của cán dao có dao động hỗ trợ bằng 30,6% so với cán thường.
Biểu đồ dựa kết quả mô phỏng biến dạng tại các điểm A, B, C khi chịu lực tác động theo phương Z 0.04 0.03 0.02 0.01 0 Điểm A
Biểu đồ dựa vào kết quả mô phỏng biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương X: 10 8 6 4 2 0 1
Chương 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 6.1.Giới thiệu các bộ phận PZT:
6.1.1.Bộ khuếch đại nguồn điện:
- HVPZT-POWER-AMPLIFIER là thiết bị có chức năng chuyển đổi nguồn điện
(100÷250 V, 50÷60 Hz) thành nguồn điện có tần số siêu âm.
Hình 6.1: HVPZT-POWER-AMPLIFIER
6.1.2.Bộ điều khiển:
- Thông thường, hai thông số của máy được quan tâm là công suất và dải tần số làm việc. Ngoài ra một số tính năng khác cũng được quan tâm như: chức năng tự động quét tần số cộng hưởng, chức năng tự động điều chỉnh tần số khi tải thay đổi và chức
năng điều khiển bằng máy tính v.v.
Hình 6.2: Bộ điều khiển rung động
6.1.3 Bộ chuyển đổi siêu âm:
-Bộ chuyển đổi siêu âm (Ultrasonic Transducer) có chức năng chuyển đổi năng lượng điện siêu âm thành dao động cơ học với tần số siêu âm.
6.2Thiết kế đồ gá cho bộ phận tạo rung động siêu âm: 6.2.1Đo kích thước đồ gá dao trên máy tiện
- Dựa vào kích thước đồ gá thông thường trên máy tiện, thiết kế đồ gá bộ phận hỗ trợ rung động cho cán dao.
6.2.2.Mô phỏng lắp ráp bằng phần mềm Inventor: