Nhỏm bề mặt là một thụng số quan trọng quyết định đến chất lượng bề mặt của một quỏ trỡnh gia cụng, bởi vỡ sự thay đổi của nhỏm bề mặt kộo theo sự thay đổi của lực cắt, chất lượng bề mặt gia cụng. Vỡ vậy cần nghiờn cứu nhỏm bề mặt để đưa ra chế độ cụng nghệ hợp lớ, sao cho quỏ trỡnh tạo phoi là thuận lợi nhất và biến dạng kim loại nhỏ nhất.
Việc sử dụng rung động siờu õm hỗ trợ quỏ trỡnh cắt một cỏch hợp lý cú ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt gia cụng và mũn dụng cụ cắt. Do rung động siờu õm hỗ trợ quỏ trỡnh cắt cú khả năng làm giảm ma sỏt giữa dao và phụi cũng như giữa dao và bề mặt gia cụng, nờn cú thể làm giảm mũn một cỏch đỏng kể.
Hơn nữa, rung động siờu õm hỗ trợ quỏ trỡnh cắt cũn cú khả năng làm giảm lực cắt và nhiệt cắt như đó núi ở phần trờn. Nờn việc sử dụng rung động siờu õm hỗ trợ quỏ trỡnh tiện cứng làm tăng độ chớnh xỏc, tăng chất lượng bề mặt gia cụng, tăng tuổi thọ của dao hay để giảm lượng mũn dao là rất cần thiết.
Chương 2
TRIỂN KHAI THỰC NGHIỆM CƠ CẤU
TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP GIA CễNG TIỆN CỨNG
Giới thiệu
Chương này trỡnh bày về nguyờn lý làm việc và cỏc bước triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động đặt lờn dao khi tiện cứng. Cơ cấu tạo rung động theo phương phỏp tạo rung bằng cỏc PZT được thiết kế, chế tạo và đưa vào thử nghiệm. Cỏc bước lắp ghộp cỏc chi tiết thành cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng được trỡnh bày.
Phần 2.1 trỡnh bày về nguyờn tắc tạo rung và tớch hợp rung khi tiện cứng. Phần 2.2 trỡnh bày về đề xuất thiết kế. Phần 2.3 trỡnh bày về triển khai thực nghiệm cơ cấu tạo rung động bằng việc sử dụng cỏc tấm PZT. Phần 2.4 kiểm chứng thiết kế và chế tạo.Phần cuối cựng của chương đưa ra cỏc kết luận túm tắt quan trọng của chương.
2.1.Nguyờn tắc tạo rung và tớch hợp rung
Hỡnh 2.1.(a). Mụ hỡnh tiện với rung động trợ giỳp
2.1.1.Nguyờn tắc tạo rung
Cú hai nguyờn tắc tạo rung khi tiện đú là nguyờn tắc cộng hưởng và nguyờn tắc khụng cộng hưởng.
Rung động được tạo ra trong PZT từ việc ộp hai miếng thạch anh được mài phẳng và chớnh xỏc lại với nhau.Linh kiện thạch anh này làm việc đựa trờn hiệu ứng ỏp điện đó trỡnh bày ở mục 1.3.2. Hiệu ứng ỏp điện này cú tớnh thuận nghịch.Khi ỏp một điện ỏp vào hai mặt của thạch anh nú sẽ bị biến dạng.Ngược lại khi tạo sức ộp vào hai bề mặt đú nú sẽ phỏt ra điện ỏp.Như vậy nếu ta đặt một điện ỏp xoay chiều vào thỡ nú sẽ biến dạng theo
tần số của điện ỏp đú.Khi thay đổi tần số điện ỏp đặt vào PZT bằng với tần số của hai miếng thạch anh đó ghộp nối thỡ nú sẽ cộng hưởng.Tần số cộng hưởng của thạch anh tựy thuộc vào hỡnh dỏng và kớch thước của cỏc miếng thạch anh.Mỗi tinh thể thạch anh cú hai tần số cộng hưởng đú là tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song.Hai tần số này rất gần nhau và cú trị số bền vững làm cho mạch dao động thạch anh cú xung dao động chuẩn hầu như rất ớt bị ảnh hưởng bởi cỏc mụi trường bờn ngoài.Vỡ vậy tinh thể thạch anh cũn được gọi là tinh thể gốm ỏp điện.
Nếu ta đặt lờn tinh thể gốm ỏp điện một hiệu điện thế thỡ phu thuộc vào chiều cuả hiệu điện thế đú tinh thể gốm sẽ gión ra hay nộn lại. Và nếu như ta đặt lờn tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thỡ tinh thể gốm sẽ nộn gión liờn tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra ỏp lực nộn và gión liờn tục và mụi trường bao quanh tức là tạo ra súng õm trong PZT hỡnh 2.1.b. Súng õm tạo ra trờn bề mặt cỏc tinh thể thạch anh đó ghộp nối được truyền trong Hon và lờn trờn bề mặt của Hon theo biờn dạng hỡnh sin như hỡnh vẽ 2.1.b.Súng õm được tạo ra này cú đầy đủ cỏc tớnh chất đặc trưng và cỏc thụng số ký thuật của một súng cơ học được truyền trong vật rắn.Súng siờu õm này cú cỏc thụng số kỹ thuật ta cú thể tớnh toỏn và tối ưu được.
Hop kim nhụm Thach anh Hop kim nhụm Hon a -a
Hỡnh 2.1.(b). Nguyờn tắc tạo rung trong PZT
2.1.2.Nguyờn tắc tớch hợp rung
Nguyờn tắc tớch hợp rung động lờn quỏ trỡnh gia cụng núi chung là tạo ra chuyển động rung tương đối giữa dụng cụ cắt và phụi gia cụng theo một phương hay một số phương nào đú [6-12]. Khi tiện, chuyển động cắt chớnh là chuyển động quay trũn của phụi gỏ trờn mõm cặp với tốc độ quay nph (v/ph) và chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của dao hay chi tiết gia cụng theo phương dọc trục phụi nú kết hợp với chuyển động cắt chớnh tạo nờn quỏ trỡnh cắt gọt. Như vậy, theo nguyờn lý đú, cú thể cú cỏc nguyờn tắc tớch hợp rung như sau: bố trớ nguồn rung trờn phụi hoặc lờn dụng cụ cắt hoặc cả hai, phụ thuộc vào ý đồ và điều kiện cụ thể, hỡnh 2.1(a).
2.2. Đề xuất phương ỏn tiện rung
Khi tiện, do phụi gia cụng chuyển động quay trũn nờn việc đặt nguồn rung lờn phụi sẽ rất khú khăn. Do vậy, để đơn giản cho việc thiết kế, chế tạo, vận hành và tớch hợp rung cho quỏ trỡnh tiện, bố trớ đặt nguồn rung động lờn dao tiện, tức là gắn bộ tạo rung động cưỡng bức lờn phần thõn dao tiện tại nơi khụng gắn với đài dao.Nguồn rung động được tớch hợp lờn phần thõn dao tiện cú thể cú ba phương ỏn tớch hợp rung đú là: tớch hợp rung theo phương thẳng đứng(phương lực cắt Pz); tớch hợp rung theo phương chạy dao dọc trục phụi Sd; tớch hợp rung theo phương chạy dao hướng kớnh Sn như hỡnh 2.1(a).
Tiện cứng là tiện tinh nờn việc tớch hợp rung lờn thõn dao tiện theo phương chạy dao hướng kớnh Sn sẽ làm tăng độ nhỏm bề mặt cho chi tiết sau tiện nờn phương ỏn này khụng khả thi.
Trong nghiờn cứu này chọn phương ỏn tớch hợp rung cho thõn dao tiện theo phương thẳng đứng Pz.Bởi vỡ khi tớch hợp rung theo phương này cú cỏc mặt tớch cực sau: bản chất của quỏ trỡnh rung là rung được cả liờn tục hoặc rung giỏn đoạn nờn khi tiện cứng nhấp nhụ bề mặt được là phẳng do đú giảm độ nhỏm cho bề mặt chi tiết gia cụng; giảm lực cắt khi gia cụng; rung giỏn đoạn sẽ làm giảm nhiệt cắt tại vựng tiếp xỳc khi tiện, giảm mũn dao đồng thời ghúp phần bẻ phoi rất tốt.Mụ hỡnh rung được đề xuất thiết kế như hỡnh vẽ 2.2. ph ụi n Dao Phụi Rung (f, A) Sd Sn
Hỡnh 2.2. Mụ hỡnh phương ỏn tiện rung
Như đó phõn tớch so sỏnh ở trờn, lựa chọn thiết kế, chế tạo bộ tạo rung theo phương phỏp tạo rung bằng hiệu ứng ỏp điện PZT.
2.3. Sơ đồ nguyờn lý gia cụng tiện cứng rung theo phương phỏp tạo rung bằng cỏc PZT. 220V ULTRASONIC GENERATOR PZT Sn Dao phụi n Phụi Rung (f, A) Sd
Hỡnh 2.3.(a). Sơ đồ nguyờn lý gia cụng tiện cứng rung
2.3.1. Thiết kế, chế tạo thõn dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng và chọn mảnh dao dao
Bản chất của tiện cứng là phụi cú độ cứng cao nờn khụng sử dụng dao thộp giú liền con để gia cụng được vỡ vậy chọn dao tiện gắn mảnh hợp kim. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phụi n
V? trớ gỏ Piezo trờn thõn dao ti?n V? trớ k?p dao trờn đài dao
22 20 180 A - A A A
Hỡnh 2.3.(b). Hỡnh dỏng và thụng số của dao tiện
Chọn thõn dao tiện làm bằng vật liệu thộp giú P9 gắn mảnh hợp kim cứng cú hỡnh dỏng và kớch thước như hỡnh vẽ (2.4).
Chọn mảnh dao hợp kim cứng CBN cú kớch thước và hỡnh dỏng như hỡnh vẽ.Mảnh dao được hàn lờn dao tiện và được mài cỏc gúc cắt: gúc trước là 15 độ; gúc sau 12 độ; gúc nghiờng chớnh 15 độ; gúc nghiờng phụ 10 độ hỡnh vẽ (2.3.b).
Hỡnh 2.4. Hỡnh dỏng và thụng số của mảnh dao hợp kim cứng
2.3.2. Lựa chọn, chế tạo và ghộp nối bộ tạo rung siờu õm tần số cao PZT
Tiện cứng là phương phỏp gia cụng tinh nờn việc tớch hợp rung yờu cầu cỏc PZT phải cú tần số cao và biờn độ rất nhỏ. Với yờu cầu tạo rung động lờn dao cho nguyờn cụng tiện cứng, sử dụng 2 tấm PZT loại PZT-4 để ghộp thành chồng và chỳng được đấu nối dõy với cỏc cực như thể hiện trờn hỡnh 2.6.
Loại PZT-4 là loại PZT vành khăn, cú cỏc thụng số như sau: - Kớch thước: D x d x h = 50 x 11x 5 (mm)
- Tần số rung lớn nhất theo chiều dày của PZT là 28kHz - Biờn độ rung khi khụng cú tải được A = 2 ữ 5 (m)
D
d
h
Hỡnh 2.5. Kớch thước PZT và cỏch đấu điện ỏp
U
Hỡnh 2.6. Cỏch đấu nối cỏc tấm thạch anh của PZT và Chồng PZT- đó ghộp nối
Hop kim nhụm Thach anh Hop kim nhụm Hon Hỡnh 2.7. Hỡnh dỏng và kớch thước Piezo Piezo cú kết cấu, hỡnh dỏng và kớch thước như hỡnh 2.7
2.3.3. Lắp ghộp Piezo với thõn dao tiện và bộ tạo xung
Đầu rung của Piezo cú lỗ ren M10. Nú được lắp lờn thõn dao tiện bằng trục ren M10 và được kẹp chặt bằng đai ốc M10 như kết cấu trờn hỡnh 2.8(b).
Hỡnh 2.8. (c) Mụ hỡnh đấu nối bộ tạo rung theo hiệu ứng ỏp điện
Nguyờn lý tạo rung động theo hiệu ứng ỏp điện bằng việc sử dụng cỏc tấm PZT đó được trỡnh bày ở mục 1.3. Với nguyờn lý tạo rung động này, cú thể tạo ra rung động với tần số rất cao (tần số siờu õm, f = 28kHz) và cụng suất (lực rung) rất lớn và ổn định. Một cơ cấu tạo rung động theo nguyờn lý này đó được thiết kế và chế tạo. Mụ hỡnh làm việc của cơ cấu tạo rung này được thể hiện trờn hỡnh 2.8. Theo hỡnh 2.8 (a), Piezo(cơ cấu tạo rung) được gắn trờn phần đầu của dao tiện.Khối gồm dao tiện (2) và Piezo được gỏ cỏch điện trờn đài dao (1) của mỏy tiện.Hai cực của Piezo được nối với mỏy phỏt điện ỏp xung tần số cao (hỡnh 2.9). Phụi số (3) được kẹp cỏch điện trờn mõm cặp mỏy tiện. Ảnh chụp đồ gỏ lắp trờn mỏy được minh họa trờn hỡnh 2.8(b). Như vậy, khi cung cấp điện ỏp xung với tần số f = 28KHz cho cỏc tấm PZT, nhờ hiệu ứng ỏp điện, cỏc tấm này sẽ biến dạng tạo ra rung động theo tần số f và biờn độ A, rung động này được truyền lờn lưỡi cắt của dao tiện và tham gia vào quỏ trỡnh tiện rung.
2.3.4. Mỏy phỏt điện ỏp xung
Bộ tạo rung PZT đó thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, song để bộ tạo rung cú thể hoạt động được và điều khiển theo yờu cầu, cần thiết phải cung cấp cho cỏc PZT một điện ỏp xung cú thể điều chỉnh giỏ trị điện ỏp và tần số dũng điện một cỏch dễ dàng. Do vậy, một mỏy phỏt điện ỏp xung tần số cao điều chỉnh được tần số đó được sử dụng, đú là mỏy Ultrasonic Generator do Beijing Ultrasonic sản xuất với cụng suất 1200W, tần số phỏt điện ỏp xung là 19 kHz; 28 kHz; 35 kHz và 40 kHz . Mỏy chạy điện ỏp đầu vào 110-120V/60Hz, dũng định mức là 4.5A. Hỡnh ảnh cũng như sơ đồ mạch điện của mỏy được thể hiện trờn hỡnh 2.9. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 2.9. Mỏy phỏt điện ỏp xung, cụng suất 1200W
2.4.Kiểm chứng
Sau khi thiết kế, chế tạo được bộ tạo rung tớch hợp cho tiện tiến hành lắp đặt và tiện thử.Thấy rằng bộ tạo rung làm việc ổn định cỏc thụng số đỳng với thiết kế ban đầu,quỏ trỡnh tiện cứng tốt và an toàn.Vỡ vậy bộ tạo rung này sẽ được sử dụng để tiến hành cỏc thớ nghiệm tiện cứng cú tớch hợp rung siờu õm tần số cao.
2.5. Kết luận chương
Chương này đó trỡnh bày thiết kế bộ tạo rung động theo nguyờn lý tạo rung bằng việc ứng dụng hiệu ứng ỏp điện. Sau khi thiết kế, cơ cấu này đó được chế tạo và lắp rỏp hoàn chỉnh. Nú được chọn để thử nghiệm so sỏnh quỏ trỡnh tiện cứng cú rung động trợ giỳp và quỏ trỡnh tiện cứng truyền thống.
Chương 3
THIẾT BỊ VÀ KẾ HOẠCH THÍ NGHIỆM
Giới thiệu
Chương này trỡnh bày về cỏc bước thiết kế thớ nghiệm tiện cứng cỏc mẫu thộp hợp kim 9XC đó tụi cú độ cứng 58-60 HRC với 2 phương phỏp tiện khỏc nhau: tiện truyền thống và tiện cú rung động trợ giỳp. Mục 3.1 trỡnh bày về thiết bị gia cụng, chuẩn bị cỏc vật tư cho thớ nghiệm. Mục 3.2 trỡnh bày về cỏc thiết bị đo kết quả sau gia cụng tiện cứng cú rung và khụng rung.Mục 3.3 trỡnh bày về cỏc cỏch thu thập dữ liệu sau gia cụng. Mục 3.4 trỡnh bày về thiết kế thớ nghiệm tiện cứng và tớnh toỏn số lượng mẫu thớ nghiệm. Mục cuối cựng của chương túm tắt cỏc kết luận của chương.
3.1.Thiết bị gia cụng
Để so sỏnh hiệu quả quỏ trỡnh tiện cứng tớch hợp rung động so với tiện cứng truyền thống, tiến hành thớ nghiệm tiện thộp hợp kim 9XC đó tụi trờn mỏy tiện MAZAK (hỡnh 3.1) với dao tiện thộp giú gắn mảnh hợp kim cứng như đó trỡnh bày ở mục 2.3 ở trờn và đo xỏc định cỏc thụng số của cỏc phụi tiện và đặc điểm phoi trờn cỏc dụng cụ đo tại phũng thớ nghiệm của trường Đại học Kỹ thuật cụng nghiệp- Đại học Thỏi Nguyờn. Cỏc thiết bị cho qua trỡnh thớ nghiệm cụ thể như sau:
3.1.1.Mỏy tiện MAZAK:
Đõy là loại mỏy tiện do tập đoàn chế tạo mỏy cụng cụ nổi tiếng thế giới, Mazak của Nhật Bản sản xuất. Hỡnh 3.1 thể hiện mỏy tiện dựng để thớ nghiệm tiện tại doanh nghiệp tư nhõn của anh Nguyễn Đức Dũng. Cỏc thụng số mỏy như sau:
Bảng 3.1. Thụng số cơ bản của mỏy tiện sử dụng thớ nghiệm
Số hiệu mỏy Tốc độ trục chớnh (v/ph) Số cấp tốc độ trục chớnh (cấp) Kớch thước gia cụng lớn nhất (mm) Cụng suất động cơ (KW)
Lượng chạy dao (mm/ph)
MAZAK
D = 280 25 - 1500 Z = 12 800x400x400 N = 7.5
Hỡnh 3.1. Mỏy tiện Mazak D = 280
3.1.2.Dao tiện cú tớch hợp rung
a. Nguyờn tắc tạo rung động bổ sung
Nguồn tạo rung là một cơ cấu ứng dụng hiệu ứng ỏp điện.Cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm ỏp điện hay cơ cấu chuyển đổi ỏp điện PZT( Piezoelictric Transducers) thường cú tần số rung lớn và biờn độ rung nhỏ. Piezo này cú tần số 28 KHz với biờn độ rung là 5 micromet được nối với dũng phần tử điện rung để tạo rung.Dũng phần tử điện dung là một thiết bị biến tần, thiết bị này sử dụng đầu vào là dũng xoay chiều tần số 50 – 60 Hz. Cỏc PZT này đó được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành cụng trờn nhiều loại mỏy ở cỏc nước trờn thế giới.
b. Sơ đồ gỏ khi tiện rung
Dựa trờn nguyờn tắc tạo rung đó trỡnh bày ở trờn, mụ hỡnh gỏ rung đó được thiết kế hoàn chỉnh. Hỡnh 3.2 trỡnh bày kết cấu sơ đồ gỏ đặt khi tiện tinh cú sự trợ giỳp của rung siờu õm tần số cao.
Hỡnh 3.2. (a) Mụ hỡnh thiết kế và (b) thiết bị gỏ rung thực tế
Trờn hỡnh 3.2 (a), Piezo được gắn trờn phần đầu của dao tiện.Khối gồm dao tiện (2) và Piezo được gỏ cỏch điện trờn đài dao (1) của mỏy tiện.Hai cực của Piezo được nối với mỏy phỏt điện ỏp xung tần số cao (hỡnh 3.3). Mỏy phỏt điện ỏp xung tần số cao được sử dụng đú là mỏy Ultrasonic Generator do Beijing Ultrasonic sản xuất với cụng suất 1200W, tần số phỏt điện ỏp xung lớn nhất là 40 kHz. Mỏy chạy điện ỏp đầu vào 110- 120V/60Hz, dũng định mức là 4.5A. Phụi số (3) được kẹp cỏch điện trờn mõm cặp mỏy tiện. Ảnh chụp đồ gỏ lắp trờn mỏy được minh họa trờn hỡnh 3.2(b).
Hỡnh 3.3. Mỏy phỏt điện ỏp xung
3.1.3. Phụi gia cụng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiến hành thớ nghiệm tiện cứng 18 phụi trong chế độ tiện khụng cú rung trợ giỳp