Trong quá trình khoan rung, mặc dù lƣợng chạy dao danh nghĩa không bị thay đổi nhƣng khoảng cách theo trục giữa bất kỳ vòng quỹ đạo nào cũng bị thay đổi theo sự rung chồng nhau tại mọi thời điểm. Gọi khoảng cách theo trục nhƣ là lƣợng chạy dao thực tế là Ftt.
Từ phƣơng trình (2.15) là phƣơng trình biểu diễn chuyển động của mũi khoan khi khoan rung, có thể nhận đƣợc khoảng cách tọa độ theo trục giữa các vòng quỹ đạo liên tiếp của mũi khoan tại mọi thời điểm. Các tọa độ của các điểm trong 2 quỹ đạo liên tiếp là:
z1 = F.n.t1 + A.sin(2ft1)
z2 = F.n.(t1 + t) + A.sin[2f(t1+t)] (2.18)
Với t là khoảng thời gian dụng cụ quay 1 vòng quanh phôi nên t =1/n. Do vậy phƣơng trình xác định lƣợng chạy dao thực tế là :
Ftt= z2 - z1 = F.n(t1+ t)+ A.sin2f(t1+t) - F.n.t1 - A.sin2ft1 Ftt = F+ 2A.sin(f/n).cos(2ft1 + f/n) (2.19)
Trong quá trình khoan rung, lƣợng chạy dao thực Ftt thay đổi theo chu kỳ với biên độ 2Asin f/n và giá trị của Ftt phụ thuộc vào F, A và c.
Kết hợp các phƣơng trình (2.16), (2.17) và (2.19), có phƣơng trình mới: Ftt = F + 2Asinkcos( 2ft1 + k) (2.20)
Nếu cần phát sinh hiện tƣợng bẻ phoi trong khoan rung thì phải có điều kiện là trong 1 vòng rung, tồn tại ít nhất 1 thời điểm mà Fttmin 0, nghĩa là:
f 2Asink (2.21)
Khi khoan, hầu hết các mũi khoan đều có 2 lƣỡi cắt cùng làm việc. Điểm tƣơng ứng trên lƣỡi cắt thứ 2 sẽ tiến đến điểm giống nó so với lƣỡi cắt 1 trên phôi
sau khi dụng cụ quay 1 vòng. Bởi vậy, trong quá trình cắt với chuỗi 2 lƣỡi cắt, t biểu thị thời gian dụng cụ quay nửa vòng thay vì 1 vòng nhƣ ở phƣơng trình (2.18) và có nghĩa là t = 1/2n. Do vậy, kết hợp với phƣơng trình (2.21), có:
2 . sin 2 2 . cos 2 2 sin 2 n f A n f A k A F (2.22)
Nếu kết hợp (2.16) và (2.22) thì điều kiện bẻ phoi sẽ xảy ra.
2.5. Kết luận chương
Chƣơng này đã trình bày tổng quan về nhôm và hợp kim nhôm, các khó khăn khi khoan các hợp kim của chúng. Đây là loại vật liệu đang đƣợc dùng phổ biến trong công nghiệp nói chung và đặc biệt là ngành công nghiệp hàng không. Mặc dù đây là loại vật liệu nói chung có tính gia công cao nhƣng riêng với khoan, lại gặp một số vấn đề, nhất là vấn đề về phoi.
Chƣơng 2 cũng đã đƣa ra hƣớng giải quyết để nâng cao tính công nghệ khi khoan nhôm và hợp kim nhôm bằng cách áp dụng rung động lên chính quá trình khoan này.
Với i lẻ theo (2.16) Với i chẵn theo (2.16)
Chương 3
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU TẠO RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN
3.1. Giới thiệu
Chƣơng này trình bày về nguyên lý làm việc, thiết kế mô hình và các bƣớc thiết kế cũng nhƣ chế tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung động đặt lên phôi khi khoan. Hai cơ cấu tạo rung động theo hai phƣơng pháp tạo rung động là phƣơng pháp tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí và phƣơng pháp tạo rung bằng các PZT đƣợc thiết kế, chế tạo và đƣa vào thử nghiệm. Các bƣớc lắp ghép các chi tiết thành cơ cấu tạo rung động hoàn chỉnh cũng đƣợc trình bày.
Phần 3.2 trình bày về mô hình khoan đƣợc trợ giúp bởi rung động cƣỡng bức. Phần 3.3 trình bày về mô hình, tính toán và các bƣớc tiến hành thiết kế và chế tạo các chi tiết cho cơ cấu tạo rung động bằng việc sử dụng các tấm PZT. Phần tiếp theo đƣa ra mô hình khoan với sự trợ giúp của rung động đƣợc tạo ra bởi bánh lệch tâm quay, tính toán mô hình này và đƣa ra các bƣớc thiết kế và chế tạo các chi tiết của cơ cấu tạo rung theo phƣơng pháp này. Phần cuối cùng của chƣơng đƣa ra các kết luận tóm tắt quan trọng của chƣơng.
3.2. Mô hình rung động trợ giúp nguyên công khoan
Hình 3.1. Mô hình khoan với rung động trợ giúp
Nguyên lý áp dụng rung động lên quá trình gia công nói chung là tạo ra chuyển động rung tƣơng đối giữa dụng cụ cắt và phôi gia công theo một phƣơng
hay một số phƣơng nào đó [5-9]. Nhƣ vậy, theo nguyên lý đó, có thể bố trí nguồn rung trên phôi hoặc lên dụng cụ cắt hoặc cả hai, phụ thuộc vào ý đồ và điều kiện cụ thể.
Khi khoan, chuyển động cắt chính là chuyển động quay tròn của mũi khoan với tốc độ quay nd (v/ph) và chuyển động chạy dao F là chuyển động tịnh tiến tƣơng đối theo phƣơng trục mũi khoan giữa mũi khoan và phôi gia công. Nhƣ vậy, để áp dụng rung động vào quá trình khoan, có thể đặt nguồn rung lên dụng cụ cắt (mũi khoan xoắn) hoặc lên phôi gia công. Khi khoan, do mũi khoan chuyển động quay tròn nên việc đặt nguồn rung lên nó sẽ rất khó khăn. Do vậy, để đơn giản cho việc thiết kế, chế tạo, vận hành và tích hợp rung cho quá trình khoan, bố trí đặt nguồn rung động lên phôi gia công, tức là lên phần gá đặt phôi.
Nhƣ đã phân tích so sánh ở mục 1.5, lựa chọn thiết kế, chế tạo 2 bộ tạo rung theo 2 phƣơng pháp tạo rung bằng hiệu ứng áp điện và bằng ly tâm cơ khí.
3.3. Thiết kế, chế tạo cơ cấu tạo rung cho khoan theo hiệu ứng áp điện
Hình 3.2. Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện
Nguyên lý tạo rung động theo hiệu ứng áp điện bằng việc sử dụng các tấm PZT đã đƣợc trình bày ở mục 1.5. Với nguyên lý tạo rung động này, có thể tạo ra rung động với tần số rất cao (tần số siêu âm, f > 13kHz) và công suất (lực rung) rất lớn và ổn định. Một cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý này đã đƣợc thiết kế
và chế tạo. Mô hình làm việc của cơ cấu tạo rung này đƣợc thể hiện trên hình 3.2. Theo hình này, cơ cấu đƣợc cấu tạo đơn giản gồm một bệ gá để làm cơ sở lắp ghép các chi tiết khác và nó còn có nhiệm vụ định vị và kẹp chặt cả cơ cấu lên bàn máy khi gia công. Các tấm PZT đƣợc ghép nối lại với nhau thành chồng và đấu nối dây vào đúng các cực của tấm, rồi kết nối với nguồn là máy phát điện áp xung tần số cao tƣơng ứng. Để có thể nhận đƣợc rung động từ chồng PZT này, sử dụng một cụm chi tiết gồm các ống kẹp, ống truyền rung động và lò xo để tạo ứng suất ban đầu. Nhƣ vậy, khi cung cấp điện áp xung với tần số f cho các tấm PZT, nhờ hiệu ứng áp điện, các tấm này sẽ biến dạng tạo ra rung động theo tần số f và biên độ A, rung động này đƣợc truyền lên phôi gia công áp dụng cho nguyên công khoan.
Các chi tiết chính trên sẽ đƣợc tính toán, đƣa ra bản vẽ thiết kế và chế tạo.
3.3.1. Lựa chọn, tính toán các PZT
Với yêu cầu tạo rung động cho nguyên công khoan lỗ nhỏ trên hợp kim nhôm là loại vật liệu có độ bền thấp nên lực khoan thƣờng nhỏ, sử dụng 7 tấm PZT loại PZT-4 để ghép thành chồng và chúng đƣợc đấu nối dây với các cực nhƣ thể hiện trên hình 3.3.
Loại PZT-4 là loại PZT vành khăn, có các thông số nhƣ sau [22]: - Kích thƣớc: D x d x h = 32 x 11x 5 (mm)
- Tần số rung lớn nhất theo chiều dày (h): 410 kHz
- Biên độ rung khi không có tải đƣợc tính theo công thức A= h=d33.U (3.1) Với PZT-4 thì d33=289 x 10-12 (m/V) nên biên độ rung là A=289U x 10-12 (m) hay A= 289U x 10-6 (m). Nhƣ vậy, với chồng ghép nối bởi 7 miếng PZT-4, biên độ lớn nhất có thể đạt đƣợc khi cộng hƣởng là:
D
d
h
Hình 3.3. Kích thước PZT và cách đấu điện áp
35 Ø32 Ø11 Hình 3.4. Chồng PZT- đã ghép nối 3.3.2. Bệ gá cơ sở
Bệ gá này có nhiệm vụ định vị cho cả cơ cấu và cố định cơ cấu lên bàn máy trong quá trình gia công khoan. Ngoài ra, đây là chi tiết cơ sở để liên kết các chi tiết khác của cơ cấu. Để đảm nhận đƣợc các vai trò này và phù hợp với kích thƣớc của chồng PZT-4 trên, cũng nhƣ dễ dàng lắp lên bàn máy, chi tiết này đƣợc thiết kế nhƣ sau:
Bệ gá có dạng đĩa với kích thƣớc bao là 140 x 12 (mm), trên đó có 4 lỗ ren M8 để bắt bu lông cố định ống kẹp và có 2 rãnh rộng 16 để xỏ bu lông cố định cơ cấu lên bàn máy. Ngoài ra, trên bệ này còn đƣợc thiết kế 1 lỗ ren M8 để cố định trụ ren xỏ chồng PZT. Để đảm bảo các mặt định vị tốt cho lắp ghép và dễ lắp, làm lõm vào mặt kích thƣớc 60 và làm lồi lên phần kích thƣớc 62 x 2. Bản vẽ chi tiết và ảnh chụp sau khi chế tạo của bệ này đƣợc thể hiện trên hình 3.5.
Ø140
12
Hình 3.5. Bệ gá cơ sở của cơ cấu tạo rung
3.3.3. Ống kẹp
Ống kẹp có nhiệm vụ ép lò xo lên chồng PZT để tạo lực căng và gây ứng suất ban đầu để tăng hiệu quả của các PZT. Cần căn cứ vào kích thƣớc ngoài cũng nhƣ chiều cao của chồng PZT để đƣa ra kết cấu của ống kẹp này. Ống kẹp đƣợc chế tạo thành 2 đoạn ống trụ có đƣờng kính 82 và 51. Đoạn ống 51 có đƣờng kính trong là 31 có nhiệm vụ dẫn hƣớng cho ống truyền rung, còn đoạn đƣờng kính 82 có đƣờng kính trong là 62 chỉ làm nhiệm vụ chứa chồng PZT. Để cố định ống kẹp này lên bệ gá cơ sở, thiết kế 4 lỗ thông kích thƣớc 10 với khoảng cách tâm trùng với khoảng cách tâm 4 lỗ M8 trên bệ gá cơ sở. Hình 3.6 thể hiện bản vẽ thiết kế và ốn kẹp sau khi chế tạo.
Ø140 11 3 ± 0 .1 10
Hình 3.6. Ống kẹp của cơ cấu tạo rung
3.3.4. Ống truyền rung động
Chi tiết ống truyền rung động có nhiệm vụ quan trọng là truyền rung động từ chồng PZT đến đồ gá kẹp phôi để truyền rung động lên phôi. Chi tiết này thực chất là một ống trụ có đoạn phần bậc 42x5 để lò xo tỳ lên đó nhằm tạo ra lực nén ban đầu lên chồng PZT. Đoạn trụ kích thƣớc 31x77 tiếp xúc với lỗ trên ống kẹp nhằm dẫn hƣớng rung động. Để kẹp đồ gá kẹp phôi lên ống này, cần có 4 lỗ ren M5 bố trí đều nhau trên mặt đầu của ống. Hình 3.7 thể hiện bản vẽ thiết kế và chi tiết sau khi chế tạo của ống truyền rung động.
Ø42
82
Hình 3.7. Ống truyền rung động của cơ cấu tạo rung
Ngoài 4 chi tiết chính đã trình bày ở trên, còn có một số chi tiết kèm theo nhƣ bu lông, vít, đai ốc, lò xo và đồ gá kẹp phôi. Quá trình lắp ghép các bƣớc cơ bản cơ cấu tạo rung động bằng PZT đƣợc thể hiện trên hình 3.8.
Hình 3.8. Lắp ghép cơ cấu tạo rung động bằng các PZT
Bộ tạo rung này đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, song để bộ tạo rung có thể hoạt động đƣợc và điều khiển theo yêu cầu, cần thiết phải cung cấp cho các PZT một điện áp xung có thể điều chỉnh giá trị điện áp và tần số dòng điện một cách dễ dàng. Do vậy, một máy phát điện áp xung tần số cao đã đƣợc sử dụng, đó là máy Ultrasonic Generator do Beijing Ultrasonic sản xuất với công suất 1200W, tần số phát điện áp xung lớn nhất là 40 kHz. Máy chạy điện áp đầu vào
110-120V/60Hz, dòng định mức là 4.5A. Hình ảnh cũng nhƣ sơ đồ mạch điện của máy đƣợc thể hiện trên hình 3.9.
Mặc dù đã có đầy đủ thiết bị, nhƣng do chƣa làm chủ hoàn toàn thiết bị này, nhất là vấn đề điều khiển điện áp và tần số phát xung phù hợp với chồng PZT nên cơ cấu tạo rung này chƣa đƣợc đƣa vào thử nghiệm thực tế để khoan hợp kim nhôm A5052 trong đề tài này.
Hình 3.9. Máy phát điện áp xung, công suất 1200W
3.4. Thiết kế, chế tạo bộ tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí cho khoan
Dựa vào nguyên lý tạo rung động bằng li tâm cơ khí, cần thiết kế một cơ cấu mà phần chính là động cơ dẫn động bánh lệch tâm quay làm phát sinh lực li tâm tạo ra rung động. Với phƣơng án tạo rung động trên phôi gia công, cơ cấu đƣợc mô hình hóa nhƣ trên hình 3.10.
x(A)
k Ff
Ff Flt k
Fx
m
Hình 3.10. Mô hình hóa cơ cấu rung bằng lệch tâm cơ khí
Trong mô hình trên, m là tổng khối lƣợng của bộ phận dao động, Flt là lực li tâm sinh ra do chuyển động quay của bánh lệch tâm lắp trên động cơ. Phản lực tƣơng hỗ và lực cản của bộ phận đỡ tổng khối lƣợng m đƣợc mô hình hóa bằng 2 lò xo k. Ff là lực ma sát giữa bộ phận chuyển động m và phần định hƣớng. X
(mm) chính là chuyển vị của khối lƣợng m, cũng chính là biên độ rung động A của cơ cấu. Còn thành phần lực Fx chính là lực dọc trục mũi khoan tác dụng lên phôi trong quá trình khoan. Lực này làm cản trở quá trình rung. Để rung động có thể trợ giúp đƣợc quá trình khoan, tổng các lực ngƣợc chiều với lực Fx phải lớn hơn giá trị lực Fx.
Xuất phát từ mô hình trên hình 3.10, xây dựng một cơ cấu tạo rung động bằng việc ứng dụng nguyên lý li tâm cơ khí đƣợc minh họa trên hình 3.11.
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tạo rung động trên phôi cho khoan
Cơ cấu đƣợc minh họa trên hình 3.11 gồm có một bệ gá cơ sở (đế kẹp bàn máy) có nhiệm vụ liên kết các chi tiết khác của cơ cấu và làm nhiệm vụ định vị cũng nhƣ cố định cơ cấu trên bàn máy khi khoan; 2 giá đỡ làm nhiệm vụ đỡ toàn bộ phần lắp động cơ, đồng thời có 2 rãnh dẫn hƣớng chữ V để kết hợp với sống dẫn hƣớng trên phần giá lắp động cơ để khống chế phƣơng rung chỉ theo phƣơng thẳng đứng; phần giá lắp động cơ có nhiệm vụ cố định động cơ và nhận rung động từ lực li tâm do động cơ quay. Bộ phận quan trọng của cơ cấu này chính là động cơ điện một chiều lắp 2 bánh lệch tâm có thể điều chỉnh đƣợc lực li tâm và tốc độ quay. Ngoài ra, cơ cấu còn có 4 trụ ren và 4 lò xo làm nhiệm vụ duy trì rung động và đỡ tấm kẹp động cơ tiếp xúc với 2 giá đỡ qua 2 dẫn hƣớng chữ V.
Cơ cấu này còn có các bu lông, đai ốc, đệm lót làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết và bộ đồ gá kẹp phôi hợp kim nhôm để truyền rung động từ cơ cấu lên phôi. Sử dụng phần mềm Inventor, mô hình các chi tiết đƣợc thể hiện trên hình 3.12.
Hình 3.12. Mô hình các chi tiết của cơ cấu tạo rung động
Các bƣớc tiến hành tính toán, thiết kế và chế tạo các chi tiết đƣợc thể hiện ở các mục tiếp theo.
3.4.1. Động cơ điện một chiều (chi tiết số 1)
Để dẫn động cho bánh lệch tâm quay để tạo ra lực li tâm gây ra rung động yêu cầu, một động cơ điện có thể điều chỉnh tốc độ quay đã đƣợc sử dụng. Đây là loại động cơ điện loại nhỏ, dùng dòng điện một chiều. Hình 3.13 chính là hình ảnh về động cơ này.
Hình 3.13. Động cơ dẫn động quay lệch tâm
Động cơ đƣợc thay đổi tốc độ quay n (v/ph) với việc điều chỉnh điện áp U cung cấp cho động cơ bằng việc việc sử dụng một biến áp và mạch chuyển đổi từ nguồn xoay chiều sang nguồn một chiều (hình 3.14) với các mức điện áp sau: - Điện áp U=12V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=1200 v/ph
- Điện áp U=24V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=2400 v/ph - Điện áp U=36V ứng với tốc độ quay của động cơ là n=3600 v/ph
Hình 3.14. Bộ biến áp và chuyển đổi dòng điện từ xoay chiều sang một chiều
3.4.2. Bánh lệch tâm (chi tiết số 7)
Để tạo ra lực li tâm gây rung động, sử dụng 2 bánh lệch tâm lắp vào 2 đầu