CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ SẢN PHẨM
4.1. Phương án thiết kế khớp nối mềm cho cán dao:
4.1.3 Chọn mãnh dao tiện hợp kim phù hợp:
- 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 (𝒗): 0,3
36 - Lựa chọn mãnh hợp kim phù hợp để tiện thép không gỉ: Từ các yếu tố trên ta lựa chọn mãnh dao có các thơng số như hình 4.1.3:
Hình 4.1.3: Thơng số được ghi trên vỏ cùng mãnh hợp kim
Hình 4.1.4: Thơng số tham khảo từ catalog nhà sản xuất 4.1.4 Tính tốn 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
37 - Từ các thơng số trên ta tính được số vịng quay trục chính (Spindle Speed) như sau: 𝑉𝑐 = 𝜋𝐷𝑛 1000 (4.9) 𝑛 = 1000𝑉𝑐 𝜋𝐷 = 1000.100 𝜋30 = 1061 (RPM)
Chú ý: Do máy tiện dùng để thí nghiệm là loại máy tiện thứ cấp nên ta chỉ chỉnh được số vịng quay là 1000 (RPM) Trong đó: Vc: Tốc độ cắt (mm/phút) 𝜋: Hằng số Pi D: Đường kính phơi (mm) n: Số vịng quay trục chính (Vịng/phút) 4.1.5 Tính tốn 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 ngồi, tiện ngang, tiện trong, tiện cắt đứt, tiện rãnh, tiện định hình thì lực cắt thành phần được định hình ở cơng thức (4.10)
(Sổ tay CNCTM quyển II trang 15):
𝑃𝑧 = 10. 𝐶𝑝. 𝑡𝑥. 𝑆𝑦. 𝑉𝑛. 𝐾𝑝= 10.300.0,51.0,080,75.1000,15.0,55=247,6 (N/mm2) (4.10)
- Hệ số 𝐶𝑝 và các số mũ x, y, n là: 𝐶𝑝 = 300, x=1, y=0.75, n=0.15 (Bảng 5-22, Sổ tay CNCTM quyển II, Trang 18)
- Hệ số điều chỉnh 𝐾𝑝 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)
𝐾𝑝 = 𝐾𝑀𝑃. 𝐾𝜑. 𝐾𝛾𝑃. 𝐾𝛾𝑝. 𝐾𝜆𝑝. 𝐾𝑟𝑝= 0.55 (4.11)
𝐾𝑀𝑃 = ( 𝜎𝐵
750)𝑛 = (600
38 Khi tiện n= 0.75
0.35
𝐾𝜑 = 90𝑜
𝐾𝛾𝑃 = 1 𝐾𝑟𝑃 = 1
4.1.6 Áp dụng tính tốn 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 𝑣: 0.3 - Từ công thức (4.10) đặt vào một lực: 247,6 (N/mm2) - Áp dụng cơng thức (4.7) ta có: 𝐺 = 𝐸 2(1 + 𝑣)= 210 2(1 + 0,3)= 80,769 - Từ công thức (4.4) ta có: 𝑉 = 𝜏𝑑𝑎 => 𝜏 = 𝑉 𝑑𝑎 = 247,6 400 = 0,619
- Gán vào công thức (4.2) ta có độ biến dạng khi chưa có khớp mềm:
𝜀 = 𝜏 𝐺 =
0,619
80.769 = 0.00077
- Khi đó chuyển vị của cán dao áp dụng cơng thức (4.3) ta có:
Δ = 𝜀𝑑𝑙 = 𝜏
39 X Y Z Trong đó: h : Chiều rộng khớp mềm (mm) R : Bán kính của khớp mềm (mm) B : Bề dày của khớp mềm (mm) Θz: Góc xoay và biến dạng tương ứng t : Độ dày cổ (mm)
L : Khoảng cách giữa 2 khớp trịn
Hình 4.2.1: Kích thước khớp mềm
Hình 4.2.2: Kích thước khớp trịn 4.2. Cơ sở cơng thức tính tốn khớp mềm:
- Dựa theo các đặc điểm của cán dao tiện nghiên cứu từ đó lấy các thơng số để đặt
vào đó một khớp mềm thích hợp, cơng thức tổng qt để tính tốn khớp mềm được biểu thị dưới đây:
Đối với độ dịch chuyển rất nhỏ (h/(2R+t)->1):
𝜃𝑧 = 9𝜋𝑅 1 2𝑀 2𝐸𝑏𝑡 5 2 (4.13a) E: Young’s Modulus
Dịch chuyển theo phương Y
ℎ = 𝐿(1 − cos(𝜃𝑧)) (4.14) ≈ 𝐿(1 − cos(𝑞1 𝐿)) ≈ 𝑞12 2𝐿 Độ cứng theo phương q1 𝝀 = 𝑭 𝒒𝟏 ≈ 𝟖𝑬𝒃𝒕 𝟓 𝟐 𝟗𝝅𝑳𝟐𝑹 𝟏 𝟐 (4.15) Khi t<R<5t: 𝜽𝒛 ≈ 𝟐𝑲𝑹𝑴 𝑬𝑰 = 𝟐𝟒𝑲𝑹𝑴 𝑬𝒃𝒕𝟑 (4.16) 𝑲 = 𝟎. 𝟓𝟔𝟓𝒕 𝑹+ 𝟎. 𝟏𝟔𝟔 (4.16) 𝑰 = 𝒃𝒅𝟑 𝟏𝟐 (4.17) (d=t) b
40
Khi đó độ cứng theo q1 có cơng thức:
𝜆 = 𝐹
𝑞1 = 2𝐸𝐼
𝐾𝑅𝐿2 = 𝐸𝑏𝑡3
6𝐾𝑅𝐿2 (4.19)
4.3 Áp dụng tính tốn khớp mềm vào cán dao
4.3.1. Xét tác dụng lực theo phương Z ( Lực cắt khi tiện phôi)
- Từ các cơng 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). 𝜆 = 𝐹 𝑞1 ≈ 8𝐸𝑏𝑡52 9𝜋𝐿2𝑅12 ≈ 247,6 0.0347 ≈ 7135
- 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 cơng 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.
41
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 mơ phỏng và từ đó chọn ra kích thước tối ưu nhất:
Hình 4.3.3: Mơ phỏng nhiều trường hợp trên phần mềm
- Qua nhiều lần tính tốn và mơ phỏng theo phương x và z trên phần mềm ANSYS Workbench từ đó ta rút ra kết quả tốt nhất.
42
4.3.2 Xét tác dụng lực theo phương X ( Lực tác dụng của PZT)
- Tương tự như khi tính tốn trường hợp như ở phương z, tuy nhiên ở phương x lực tác dụng của PZT khó kiểm sốt được do bề mặt gá đặt cũng như là bề mặt tiếp xúc giữa đầu PZT và cán dao khơng được hồn thiện tốt nhất. Đầu PZT nối với cán dao thơng qua một con Bulong cầu M8:
Hình 4.3.5: Setup máy
- Thông số kỹ thuật của Piezo p-225.1s Pica:
43
Đơn vị
Phạm vi điện áp hoạt động 0 đến 1000 V
Phạm vi hành trình (vịng lặp) 15 µm
Lực đẩy/ kéo theo hướng chuyển động 12500/2000 N Tải trọng 255 N Phạm vi nhiệt độ hoạt động -40 đến 80 ºC Khối lượng 410 g Hình 4.3.7. Bảng thơng 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 mơ hình mơ phỏng dưới hình 4.3.8:
44
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: Mơ phỏng khoảng dịch chuyển tối ưu nhất
t (mm) R (mm) L (mm) F (N) b (mm) ∆ (mm) KC đặt khớp
3 3 20,7 247 20 0,015 102
45
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 tốn chính xác, nhanh chóng của máy vi tính để hiểu mơ hình ngun 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 thơng số thiết kế.
Dùng những phương pháp cũ như áp dụng cơ lý thuyết, sức bền vật liệu để tính tốn thì chưa chính xác với điều kiện thực tế, tốn nhiều thời gian. ANSYS là cơng cụ có thể giải quyết được vấn đề trên, ngồi 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
46 - Khởi động modul : Static Structural
Hình 5.2: Khởi động moldul
5.2.1 Mơ phỏng, phân tích biến dạng cán dao khơng khớp mềm:
- Đưa ra các tham số số của mơ 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 tốn 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
47
- Kiểu phân tích:
Hệ thống phân tích : kết cấu tĩnh. Loại phân tích : mơ phỏng 3D.
- Biên dạng hình học:
Hình 5.4: Biên dạng hình học
Đơn vị: mm Các kích thước:
48
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.
49 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:
50
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.
51 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:
52
Biến dạng toàn phần:
Cho thấy được sự biến đổi trước và sau khi chịu tác động của ngoại lực, thơng qua đó có thể xác định được các phần của chi tiết khi chịu tác động của ngoại lực.
Hình 5.13: Biến dạng tồn phần khi chịu lực theo phương X
Hình 5.14: Biến dạng tồn phần khi chịu lực theo phương Z
Chọn 3 điểm A,B,C để so sánh sự biến dạng
53
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 Mơ phỏng, phân tích biến dạng cán dao có khớp nối mềm:
Đưa ra các tham số số của mơ phỏng bằng ANSYS 18.2. Nó bao gồm thơng 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 tốn để biết được vùng chịu tác động của lực nằm trong khoản nào.
54
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 : mơ phỏng 3D.
Biên dạng hình học:
55 Đơn vị: mm
Các kích thước:
Hình 5.21: Các kích thước Điều kiện biên mơ phỏng chịu lực theo phương X: Contact region:
56 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
57
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:
58
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:
59 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 :
60
5.2.2.2 Dữ liệu đầu ra:
Cho ta biết được kết quả q 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, thơng qua đó có thể xác định được các phần của chi tiết khi chịu tác động của ngoại lực.
Hình 5.30: Biến dạng tồn phần khi chịu lực theo phương X
Hình 5.31: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương Z
61
Hình 5.32: Các điểm xét biến dạng theo phương Z
Hình 5.33: Biến dạng theo phương Z của điểm A
62
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) Khơng khớp mềm Có khớp mềm Z (600N) 24,8963.109 N/m2 16,2513.109 N/m2 X (100N) 42,448.109 N/m2 12,9687.109 N/m2 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.
63
Biểu đồ dựa kết quả mô phỏng biến dạng tại các điểm A, B, C khi chịu lực tác động theo phương Z
Biểu đồ dựa vào kết quả mơ phỏng biến dạng tồn phần khi chịu lực theo phương X: 0 0.01 0.02 0.03 0.04
Điểm A Điểm B Điểm C
Biến dạng của cán dao theo phương Z
Khơng có khớp mềm Có khớp mềm 0 2 4 6 8 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Biến dạng toàn phần của cán dao theo phương X
64
Chương 6: THIẾT KẾ MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 6.1.Giới thiệu các bộ phận PZT: 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. Ngồi 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
65
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.
66
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 thơng thường trên máy tiện, thiết kế đồ gá bộ phận hỗ trợ rung động cho cán dao.
67
6.2.2.Mô phỏng lắp ráp bằng phần mềm Inventor:
- Mơ phỏng trên phần mềm nhằm mục đích tìm ra kích thước đồ gá để khi gá đặt bộ phận hỗ trợ rung động tiếp xúc với cán dao ở vị trí phù hợp và hoạt động hiệu quả.
Hình 6.5: Mơ phỏng gá đặt mơ hình
6.2.3.Bản vẽ chi tiết :