2.9.1 Khái niệm
- Sau khi gia công, các chi tiết có thể đạt được những mức độ khác nhau về các yếu tố hình học với bản vẽ thiết kế đề ra. Mức độ khác nhau đó gọi là độ chính xác gia công.
- Độ chính xác gia công của mỗi chi tiết được đánh giá qua ba yếu tố sau Độ chính xác về kích thước ;
Độ chính xác về hình dạng hình học và vị trí tương quan giữa các bề mặt ; Độ nhám bề mặt.
- Chất lượng bề mặt khi gia công Khái niệm:
Chất lượng của lớp kim loại bề mặt (CLBM) chịu ảnh hưởng bởi vật liệu gia công, phương pháp gia công cơ và chế độ công nghệ gia công. CLBM ảnh hưởng rất lớn đến tính chất sử dụng của chi tiết máy.
Khái niệm về CLBM → ảnh hưởng của CLBM đến tính chất sử dụng của CTM → Các yếu tố ảnh hưởng đến đến CLBM → Phương pháp đánh giá CLBM →Phương pháp đảm bảo CLBM.
Tính chất hình học lớp bề mặt
2.9.2 Độ nhám bề mặt
- Tập hợp các mấp mô tế vi bề mặt quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn được gọi là nhám bề mặt.
- Một số chỉ tiêu đánh giá :Theo TCVN 2511-1995 nhám bề mặt được đánh giá theo 7 chỉ tiêu (*). Thường sử dụng 2 chỉ tiêu là Sai lệch số học trung bình của prophin Ra và Chiều cao mấp mơ prophin theo mười điểm Rz.
- Theo Theo TCVN 2511-1995 thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp từ cấp 1 đến cấp 14 ứng với các giá trị Ra và Rz. Đối với độ nhám thơ và rất tinh(từ cấp 1- cấp 5 và cấp 13,14), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Rz. Đối với độ nhám trung bình (từ cấp 6 đến cấp 12), việc kiểm tra chỉ áp dụng cho Ra.
2.9.3 Sóng bề mặt
- Chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt quan sát trong khoảng lớn tiêu chuẩn được gọi là sóng bề mặt.
Tính chất cơ lý lớp bề mặt
-Trong qúa trình gia công cơ, dưới tác dụng của các qúa trình vật lý xảy ra trong vùng cắt, lớp kim loại bề mặt bị biến dạng dẻo. Sau khi gia công, biến dạng dẻo làm bề mặt sẽ tạo nên lớp biến cứng và ứng suất dư lớp bề mặt. Lớp biến cứng bề mặt được đặc trưng bởi mức độ biến cứng và chiều sâu lớp biến cứng. ứng suất dư lớp bề mặt được đặc trưng bởi trị số, dấu và chiều sâu phân bố ứng suất dư
2.9.4.Ảnh hưởng chất lượng bề mặt
-Ảnh hưởng đến tính chống mòn
-Ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn
-Ảnh hưởng đến độ bền mỏi
-Ảnh hưởng đến độ chính xác mối ghép
-Ảnh hưởng của biến cứng bề mặt
-Ảnh hưởng của ứng suất dư bề mặt
2.9.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
-Ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
-Ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt
-Phương pháp đánh giá chất lượng bề mặt
-Để đánh giá độ nhám bề mặt người ta sử dụng các phương pháp sau đây: + Phương pháp so sánh
+ So sánh bằng mắt
+ So sánh bằng kính hiển vi quang học
- Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt bằng phương pháp quang học (dùng kính hiển vi Linich, kính hiển vi điện tử qt).
-Đo các chỉ tiêu nhám bề mặt Ra, Rz , Rmax .v.v. bằng máy dò profin.
-Phương pháp đảm bảo chất lượng bề mặt
-Lựa chọn phương pháp gia công hợp lí
-Lựa chọn được chế độ công nghệ hợp lí
2.9.8 Kết luận:
-Nhám bề mặt là một thơng số quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt của một quá trình gia công, bởi vì sự thay đổi của nhám bề mặt kéo theo sự thay đổi của lực cắt, chất lượng bề mặt gia công. Vì vậy cần nghiên cứu nhám bề mặt để đưa ra chế độ công nghệ hợp lí, sao cho qúa trình tạo phoi là thuận lợi nhất và biến dạng kim loại nhỏ nhất.
- Việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ qúa trình cắt một cách hợp lý có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia công và mòn dụng cụ cắt. Do rung động siêu âm hỗ trợ qúa trình cắt có khả năng làm giảm ma sát giữa dao và phơi cũng như giữa dao và bề mặt gia công, nên có thể làm giảm mòn một cách đáng kể.
-Hơn nữa, rung động siêu âm hỗ trợ qúa trình cắt còn có khả năng làm giảm lực cắt và nhiệt cắt như đã nói ở phần trên. Nên việc sử dụng rung động siêu âm hỗ trợ qúa trình tiện cứng làm tăng độ chính xác, tăng chất lượng bề mặt gia công, tăng tuổi thọ của dao hay để giảm lượng mòn dao là rất cần thiết.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 3.1 Yêu cầu của đề tài:
Yêu cầu của đề tài này là thiết kế chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ, đánh giá mức độ cải thiện khả năng tiện khi áp dụng gia công có trợ giúp của rung động siêu âm. Các mục tiêu cụ thể là:
- Cải thiện chất lượng bề mặt, tăng tuổi thọ dụng cụ cắt, tối ưu hóa hiệu quả gia công, kết nối các thiết bị đo phù hợp với điều kiện nhằm phục vụ các nghiên cứu thực nghiệm.
- Đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động siêu âm đến quá trình tiện trên inox 304
3.2 Giải pháp thực hiện:
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