Kí hiệu IRTP-300LS Thời gian đáp ứng 100 ms Phạm vi đo 0 ÷ 300 0 C Nguồn cấp 24 V DC Độ chính xác ± 1% Tín hiệu đầu ra 0 ÷ 10 V
Cảm biến dịch chuyển
Chuyển động tương đối giữa phôi và mũi khoan được đo bởi cảm biến dịch chuyển (Linear Variable Differential Transformer - LVDT). Hình 3.30 và bảng 3.16 là ảnh chụp và các thơng số cơ bản của cảm biến.
Hình 3.30 Cảm biến dịch chuyển Bảng 3. 16 Bảng thông số của cảm biến dịch chuyển Bảng 3. 16 Bảng thông số của cảm biến dịch chuyển
Kí hiệu LWF-100-A1 Độ tuyến tính 0.3 %
Hành trình 0-100 mm Độ chính xác 0.2 %
Nguồn cấp 5 ÷ 10 V DC
Thiết bị thu thập dữ liệu
Thiết bị thu thập dữ liệu được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện áp từ các cảm biến thành tín hiệu số, hiển thị và lưu trữ trên máy tính. Các thơng số cơ bản của thiết bị này được mơ tả trên hình 3.31 và bảng 3.17.
Hình 3.31 Bộ thu thập dữ liệu Bảng 3. 17 Bảng thông số của bộ thu thập dữ liệu Bảng 3. 17 Bảng thông số của bộ thu thập dữ liệu
Kí hiệu NI-USB 6008 Độ phân giải 12 bits Số kênh 8 Ngưỡng điện áp nhỏ nhất ± 1 V
Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm
Phần mềm MiniTab® 2017 được lựa chọn để hỗ trợ lập kế hoạch thí nghiệm và phân tích thống kê các số liệu thí nghiệm. Phần mềm OriginLab® 2017 được sử dụng để xử lý dữ liệu, phân tích hồi quy và vẽ đồ thị mơ tả.
Kết luận chương 3
Chương này đã trình bày các bước thiết kế, chế tạo, đo kiểm và đánh giá khả năng làm việc của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan.
Một số kết quả đã đạt được trong chương này như sau:
Đã chế tạo thành công cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan gá đặt trên máy tiện theo mơ hình mũi khoan rung-quay đồng thời;
Đã đưa ra giải pháp xác định tần số cộng hưởng của cơ cấu rung siêu âm bằng thiết bị hiện sóng số kết nối trực tiếp với máy tính. So với thiết bị chuyên dụng (HIOKI3532- 50 LCR, có giá khoảng 3500 USD), giải pháp đã đưa ra có mức giảm chi phí hơn 10 lần, sai số phép đo khoảng 1% đến 2%;
Cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan đã chế tạo sẽ được sử dụng cho các nghiên cứu thực nghiệm ở chương 4 tiếp theo.
Chương 4
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHOAN LỖ SÂU CÓ TRỢ GIÚP CỦA RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM
4.1 Giới thiệu
Nội dung chương này trình bày cách thức và kết quả nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng giả thuyết: “Rung động siêu âm có thể cải thiện tính năng gia cơng lỗ sâu
bằng khoan”.
Phương pháp đánh giá tính gia cơng khi khoan thơng qua chỉ tiêu tốc độ tiến dao khi duy trì lực tiến dao khơng đổi [71, 117-119] là một phương pháp đánh giá đơn giản cũng được sử dụng trong nghiên cứu này.
Nghiên cứu này đánh giá mức độ cải thiện tính gia cơng khi khoan có trợ giúp của rung động siêu âm so với khoan thường bằng cả hai phương pháp sau:
1) Thiết lập thí nghiệm tạo lực tiến dao được duy trì trong mỗi quá trình khoan, thực nghiệm đánh giá mức độ cải thiện về tốc độ tiến dao, độ sâu lỗ đạt được, mô men và nhiệt khi khoan;
2) Thiết lập thí nghiệm duy trì tốc độ tiến dao không đổi trong mỗi quá trình khoan, thực nghiệm đánh giá mức độ cải thiện về độ sâu khoan lỗ an tồn, mơ men và lực dọc trục khi khoan.
Nội dung chương được trình bày trong 5 mục. Mục 4.2 tiếp theo sẽ mô tả cách bố trí và tiến hành thí nghiệm, bao gồm cả thí nghiệm với lực tiến dao khơng đổi và thí nghiệm với tốc độ tiến dao khơng đổi. Mục 4.3 một số ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu với lực tiến dao không đổi. Mục 4.4 một số ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu với tốc độ tiến dao không đổi. Mục 4.5 lựa chọn bộ thông số gia công. Cuối cùng là kết luận chương.
4.2 Tiến hành thí nghiệm
4.2.1 Thí nghiệm với lực tiến dao khơng đổi
Hình 4.1 mơ tả sơ đồ ngun lí hệ thống thí nghiệm với lực tiến dao khơng đổi.
Hình 4.1 Sơ đồ ngun lí hệ thống thí nghiệm với lực tiến dao khơng đổi
1_cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, 2_mâm cặp, 3_mũi khoan, 4_cảm biến nhiệt, 5_phôi, 6_đầu kẹp phôi, 7_gối đỡ, 8_loadcell, 9_cảm biến dịch chuyển, 10_ray trượt, 11_puli, 12_quả nặng, 13_bộ khuếch đại tín hiệu, 14_bộ thu thập dữ liệu, 15 &16_máy tính, 17_RS485-USB, 18_máy phát điện siêu âm.
Trên hình 4.1, mũi khoan (3) được gá kẹp trên cơ cấu rung (1) được kẹp chặt trên mâm cặp (2) của máy tiện. Chi tiết gia công (5) được kẹp trong tấm kẹp (6) ở đầu trục gá được đỡ bằng hai ổ lăn (7). Load cell (8) chặn xu hướng xoay của trục gá trong q trình khoan, tín hiệu từ load cell cho phép thu được giá trị mô men sinh ra khi khoan. Toàn bộ trục gá, ổ lăn và load cell được cố định trên một tấm thép. Tấm thép này được lắp ghép với con trượt của ray trượt (10), cho phép chi tiết gia cơng có thể chuyển động tự do dọc theo trục mũi khoan. Dịch chuyển của chi tiết gia công so với mũi khoan được đo bằng cảm biến dịch chuyển (9). Trên đầu thanh trượt gắn ròng rọc (11), sử dụng dây cáp nhỏ gắn vào tấm thép và treo các quả nặng. Trọng lực của quả nặng gây nên lực kéo chi tiết gia cơng tiến về phía mũi khoan tạo chuyển động tiến dao. Do khối lượng quả
Hình 4.2 Hệ thống thí nghiệm với lực tiến dao không đổi
1- Cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, 2- mũi khoan, 3- cảm biến nhiệt, 4- trục gá, 5-load cell, 6- LVDT, 7- ray trượt, 8- ròng rọc treo quả nặng.
Để đánh giá mức độ thay đổi của nhiệt sinh ra khi khoan, cảm biến nhiệt luôn cách chi tiết gia công một khoảng cố định. Cảm biến này cho phép thu nhận để so sánh mức độ chênh lệch về nhiệt trên chi tiết gia cơng giữa các q trình khoan chứ khơng đo được nhiệt tại vùng cắt. Hình 4.2 là ảnh chụp hệ thống thí nghiệm.
Mỗi thí nghiệm được thực hiện như sau: một khối lượng được chuẩn bị gồm các quả cân có trọng lượng chuẩn được treo lên đầu dây cáp vắt qua ròng rọc. Một chốt hãm được bố trí trên ray trượt có tác dụng ngăn bàn trượt mang phơi trượt tự do. Sau đó phơi được kẹp chặt trên đồ gá có đệm hai tấm cách nhiệt nhằm hạn chế sự truyền nhiệt từ phôi đến đồ gá. Sau khi khởi động máy tiện (và bật máy phát điện siêu âm với chế độ khoan có trợ giúp của rung), phơi được điều chỉnh tiếp xúc với mũi khoan, sau đó chốt hãm trên ray trượt được giải phóng và q trình khoan bắt đầu. Các thí nghiệm được thực hiện theo cặp, hai thí nghiệm trong cùng một cặp được thiết lập các điều kiện gia công như nhau: một khoan thường, cịn một khoan có trợ giúp của rung.
Giả thiết được đặt ra trong q trình thí nghiệm là: các mẫu phơi có tính năng cắt như nhau và các mũi khoan mới có khả năng cắt như nhau.
Để đánh giá và so sánh các chỉ tiêu giữa UAD và CD, dữ liệu thí nghiệm được lưu tương ứng với thứ tự của các lỗ khoan. Lỗ số 1 là lỗ đầu tiên được gia công bởi một mũi
mũi khoan. Tất cả tín hiệu từ LVDT, cảm biến lực và cảm biến nhiệt độ được thu thập, lưu trữ và phân tích. Dữ liệu thí nghiệm của CD và UAD được so sánh theo cặp lỗ có cùng số thứ tự.
Ba bộ thí nghiệm được thực hiện với 03 mức lực tác dụng là 58,8 N, 88,29 N và 117,6 N, tương ứng với 03 mức trọng lượng 6 Kg, 9 Kg và 12 Kg của các quả nặng được treo. Mỗi bộ thí nghiệm sử dụng một mũi khoan mới, thực hiện 5 lỗ khoan liên tiếp trên 5 mẫu phơi. Trong mỗi bộ thí nghiệm, có hai chế độ gia cơng là khoan thường (CD) và khoan có trợ giúp của rung (UAD). Do đó, mỗi bộ thí nghiệm gồm 5 lỗ CD và 5 lỗ UAD. Trong tất cả các thí nghiệm với UAD, tần số rung và cường độ rung được duy trì ở 25 kHz và 100%. Quá trình khoan được kết thúc khi lỗ khoan thủng hoặc mũi khoan không tiến được thêm sau khoảng thời gian 10 giây, tùy theo điều kiện nào đến trước. Dữ liệu của quá trình khoan được lưu từ khi phơi và mũi khoan tiếp xúc đến khi kết thúc quá trình khoan. Các thơng số thí nghiệm được trình bày trong bảng 4.1.
Bảng 4. 1 Các thơng số thí nghiệm với lực tiến dao khơng đổi
Tốc độ trục chính (v/ph) 1250 Khối lượng vật nặng tạo lực tiến dao (kg) 6; 9; 12
Lực tiến dao (N) 58,86; 88,29; 117,72 Đường kính lỗ khoan (mm) 3
Kích thước phơi (mm) 10 x 10 x 40 Điều kiện bôi trơn làm nguội Khoan khô
Cường độ rung (%) 0; 100
4.2.2 Thí nghiệm với tốc độ tiến dao khơng đổi
Trong các thí nghiệm dạng này, tốc độ tiến dao được cố định trong mỗi thí nghiệm. Các thơng số đầu ra gồm lực dọc trục, mô men, nhiệt trên chi tiết gia cơng. Điểm khác biệt so với thí nghiệm lực tiến dao không đổi là đồ gá chi tiết được cố định trực tiếp trên đầu đo lực cắt ba thành phần để thu thập tín hiệu đo lực dọc trục. Do đến giai đoạn này đã đầu tư được cảm biến đo mô men nên cảm biến này được dùng thay cho load cell. Hình 4.3 mơ tả sơ đồ ngun lí hệ thống thí nghiệm với tốc độ tiến dao khơng đổi.
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lí hệ thống thí nghiệm với tốc độ tiến dao không đổi
1_cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan, 2_mâm cặp, 3_mũi khoan, 4_cảm biến nhiệt, 5_ phôi, 6_đầu kẹp phôi, 7_ổ đỡ, 8_cảm biến lực, 9_cảm biến mơ men, 10_bộ khuếch đại tín hiệu, 11_bộ thu thập dữ liệu, 12 & 13_máy tính, 14_máy phát điện siêu âm, 15_cổng kết nối, 16_bàn máy.
Trên hình 4.3, trục gá phôi được cố định trực tiếp trên cảm biến đo lực 3 thành phần. Cảm biến mô men được cố định một đầu, đầu làm việc có khả năng quay được gắn vào đầu trục gá. Khoảng cách giữa cảm biến nhiệt và phôi luôn được giữ cố định. Tín hiệu từ các cảm biến được truyền tới bộ thu thập dữ liệu và lưu dưới dạng số. Hình 4.4 mơ tả hệ thống thí nghiệm, các chi tiết được đánh số giống như sơ đồ hình 4.3.
Các thơng số thí nghiệm được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4. 2 Các thơng số thí nghiệm với tốc độ tiến dao khơng đổi
Tốc độ trục chính (v/ph) 1000; 1250; 1500 Tốc độ tiến dao (mm/v) 0,05; 0,065; 0,085 Đường kính lỗ khoan (mm) 3; 4
Độ sâu lớn nhất của lỗ khoan (mm) 30 Điều kiện bôi trơn làm nguội Khoan khô
Cường độ rung (%) 0; 50; 100
Kế hoạch triển khai thí nghiệm được thiết kế theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và sẽ được trình bày chi tiết trong các phần sau.
4.3 Một số ưu việt của UAD khi khoan lỗ sâu với lực tiến dao khơng đổi
Bộ thí nghiệm đánh giá ưu việt của UAD so với CD khi khoan lỗ sâu với lực tiến dao không đổi được thực hiện với một tốc độ quay của trục chính là 1250 vịng/ phút.
Ba mức giá trị lực dọc trục được dùng cho thí nghiệm, tương ứng với ba mức khối lượng 6 kg, 9 kg và 12 kg được treo lên đầu dây cáp vắt qua ròng rọc. Mức 6 kg là mức nhỏ nhất tạo ra tiến trình cắt đáng kể và liên tục khi khoan. Mức 12 kg là mức lớn nhất khơng làm gãy mũi khoan khi thí nghiệm. Mức 9 kg là mức trung bình giữa hai mức.
Mục đích của thí nghiệm là chỉ ra được ưu việt của UAD so với CD khi gia công ở cùng chế độ cắt. Các tiêu chí đánh giá gồm: tốc độ tiến dao đạt được, độ sâu lỗ lớn nhất đạt được, mô men và nhiệt sinh ra khi khoan. Kết quả đánh giá từng chỉ tiêu được phân tích và bàn luận trong các phần tương ứng dưới đây. Trong các nội dung phân tích, các ký hiệu như trong bảng 4.3 được sử dụng.
Bảng 4. 3 Ký hiệu và giá trị các thơng số thí nghiệm
Mức giá trị lực tiến dao 1 2 3 Giá trị lực tiến dao (N) 58,86 88,29 117,72
Khoan thường (CD) CD1 CD2 CD3 Khoan có rung trợ giúp (UAD) UAD1 UAD2 UAD3
4.3.1 Tốc độ tiến dao
được coi là dễ gia công hơn. Nghiên cứu này áp dụng cách tiếp cận này nhằm kiểm chứng giả thuyết: bổ sung rung động trợ giúp có thể cải thiện tính năng gia cơng khi khoan lỗ sâu trên hợp kim nhơm.
Hình 4.5 Đồ thị tiến dao của một số quá trình khoan
Hình 4.5 mơ tả kết quả lượng tiến dao (tính theo tỷ số L/D) khi khoan gồm khoan thường (CD1 lỗ 1, CD3 lỗ 5) và khoan có trợ giúp của rung động siêu âm (UAD1 lỗ 1, UAD3 lỗ 5). Như có thể thấy trên hình 4.5, lượng tiến dao khi khoan tăng gần như tuyến tính theo thời gian. Dưới cùng một giá trị lực tiến dao tác động, khoan có trợ giúp của rung động siêu âm có tốc độ tiến dao nhanh hơn khoan thường. Chẳng hạn, với cặp lỗ cùng khoan bằng mũi khoan mới (lỗ 1) với giá trị lực 58,86 N (CD1, UAD1), đường đồ thị UAD1 lỗ 1 dốc hơn nhiều đường CD1 lỗ 1. Tương tự, với giá trị lực 117,72 N, đường UAD3 lỗ 5 dốc hơn đường CD3 lỗ 5. Bên cạnh đó, có hiện tượng mũi khoan khơng tiến sâu thêm được sau khi khoan được một độ sâu nào đó. Chẳng hạn trên biểu đồ, lỗ khoan CD3 lỗ 5 gần như không tiến được thêm sau 18,039 giây.
Do các q trình khoan được khảo sát có cùng đường kính lỗ, nên tốc độ tiến dao tỷ lệ bậc nhất với năng suất gia công. Năng suất gia cơng là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá hiệu quả của một quá trình khoan, đặc biệt là khoan lỗ nhỏ, lỗ sâu và khoan từ phôi đặc, khi mà không thể áp dụng lượng tiến dao lớn.
Ký hiệu lượng tiến dao là Lk, năng suất gia cơng trung bình MRR sau một khoảng thời gian cắt Tk có thể được tính như sau:
2 D Lk MRRk 4 Tk (4. 1)
Trong đó: D là đường kính mũi khoan (mm). Để dễ so sánh giữa các quá trình khoan, Lk và Tk lần lượt được xác định là lượng tiến dao và thời gian tương ứng trong giai đoạn lượng tiến dao tăng gần như bậc nhất theo thời gian.
Hình 4.6 và bảng 4.4 mơ tả kết quả thống kê năng suất cắt trung bình thu được từ các thí nghiệm.
Bảng 4.4 Số liệu thống kê năng suất gia cơng trung bình
Lực tiến dao (N) MRR(UAD) (mm3/s) MRR(CD) (mm3/s) MRR(UAD) MRR(CD) Độ lệch chuẩn MRR(UAD) Độ lệch chuẩn MRR(CD) 58,86 1,01102 0,43609 2,32 0,06297 0,07153 88,29 0,90751 0,61662 1,47 0,06878 0,08986 117,72 1,56158 1,04944 1,49 0,14563 0,15651
Hình 4.6 Kết quả thống kê năng suất gia cơng trung bình
Như có thể thấy trên hình 4.6 và bảng 4.4, ở tất cả các mức lực tiến dao, năng suất gia cơng trung bình của UAD đều cao hơn so với CD (từ 1,47 lần ở mức 88,29 N đến 2,32 lần ở mức 58,86 N). Ngoài ra, mức độ phân tán của giá trị năng suất gia công của các lỗ khoan (xem cột “Độ lệch chuẩn”) trong UAD phân bố trong phạm vi nhỏ hơn so với CD. Tức là, năng suất của các q trình khoan có trợ giúp của rung động ổn định hơn các quá trình khoan thường.
4.3.2 Độ sâu lỗ đạt được
Kết quả thực nghiệm cho thấy, hầu hết các lỗ khoan, đặc biệt là khi khoan thường bằng các mũi khoan cũ (lỗ thứ 2, 3, 4 và 5 trong các thí nghiệm), mũi khoan hầu như không thể tiến thêm vào chi tiết (xem mô tả trên hình 4.7a).
(a) (b)
Hình 4. 7 Độ sâu lỗ đạt được: khoan thường (a), khoan có rung trợ giúp (b)
Hình 4.7a và 4.7b lần lượt mô tả các độ sâu lỗ đạt được khi khoan thường và khoan có trợ giúp của rung động. Như có thể thấy trên hình 4.7a (khoan thường), chỉ có lỗ khoan thứ nhất (mũi khoan mới) mới khoan được hết độ sâu định sẵn (L/D=13,3). Độ sâu đạt được của các lỗ khoan tiếp sau giảm dần, phản ánh sự suy giảm khả năng cắt của mũi khoan. Ở lỗ khoan thứ năm, mũi khoan ở chế độ lực tiến dao nhỏ nhất (CD1) đạt