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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 trục động cơ. Điều chỉnh lực li tâm bằng cách điều chỉnh khối lƣợng lệch tâm hoặc khoảng cách từ khối lƣợng lệch tâm đến trục quay. Tuy nhiên, việc thay đổi khoảng cách lệch tâm thƣờng khó khăn hơn, nên chọn phƣơng pháp thay đổi khối lƣợng lệch tâm bằng cách lắp thêm các quả nặng lên lỗ có sẵn trên 2 bánh lệch
tâm. Trong đề tài này, sử dụng bánh lệch tâm có khoan một lỗ 5.8 (mm) để thực hiện nhiệm vụ đó. Bánh lệch tâm đƣợc thiết kế nhƣ thể hiện trên hình 3.15.
Hình 3.15. Bản vẽ thiết kế bánh lệch tâm
3.4.3. Quả nặng để thay đổi khối lượng lệch tâm (chi tiết số 8)
Để thay đổi đƣợc lực li tâm nhằm thay đổi biên độ rung, cần nhiều khối lƣợng lệch tâm càng tốt. Tuy nhiên, với mục đích chỉ so sánh hiệu quả của quá trình khoan rung và quá trình khoan thƣờng, sử dụng 3 cặp quả nặng bằng đồng với bản vẽ thiết kế và hình ảnh sau khi chế tạo và lắp ráp với bánh lệch tâm đƣợc thể hiện trên hình 3.16. a) b) c) 5 16 Ø10±0.0 2 Ø5.9 5 16 Ø5.9 Ø15±0.0 2 5 16 Ø5.9 Ø20±0.0 2
Hình 3.16. Các cặp quả nặng để tăng khối lượng lệch tâm: a) loại nhỏ nhất b) loại trung bình c) loại lớn nhất
mi = Vi x 8.89 (kg). Với mi, Vi lần lƣợt là khối lƣợng và thể tích của quả nặng thứ i; chỉ số 8.89 thể hiện khối lƣợng riêng của đồng là 8.89 kg/dm3. Nhƣ vậy, khối lƣợng lần lƣợt của 3 quả nặng là:
- Quả nặng thứ nhất (hình 3.16.a): m1 = V1 x 8.89 = 3.14 x [ (10 x 10 x 5)+(5.9 x 5.9 x 11)] x 8.89/(4 x 1.000.000) = 0.006162 (kg)
- Tƣơng tự, khối lƣợng quả nặng thứ 2 (hình 3.16.b): m2 = 0.0105 (kg) - Khối lƣợng quả nặng thứ 3 (hình 3.16.c): m3 = 0.0166 (kg)
3.4.4. Bệ gá cơ sở (chi tiết số 5)
Chi tiết bệ gá cơ sở là chi tiết số 5 đƣợc thể hiện trên hình 3.12. Gọi là chi tiết cơ sở vì nó có nhiệm vụ làm cơ sở để liên kết các chi tiết khác trong cơ cấu. Đồng thời, đây là chi tiết làm bệ để định vị và cố định toàn bộ cơ cấu tạo rung lên bàn máy trong quá trình khoan.
Để đảm nhiệm đƣợc nhiều nhiệm vụ nhƣ trên, cần thiết kế chi tiết này với kích thƣớc bao lớn 300 x 180 x 20 (mm) để đủ bề mặt định vị lên bàn máy và đủ độ bền làm việc. Bề mặt tiếp xúc với bàn máy và bề mặt để lắp ghép với 2 giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V đƣợc mài với độ nhẵn bề mặt Ra1.25 m. Trên chi tiết này bố trí 10 lỗ ren M10 dùng để lắp 2 giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V và 4 trụ ren lắp lò xò đàn hồi. Để cố định bệ gá vào bàn máy khi làm việc, trên bệ có 2 rãnh 18 x 31 để xỏ bu lông kẹp. Cần làm lõm bề mặt tiếp xúc của bệ với bàn máy xuống 5 x 90 (mm) để giảm khối lƣợng, diện tích gia công và tăng độ phẳng tiếp xúc. Bản vẽ thiết kế chi tiết này đƣợc thể hiện trên hình 3.17, còn chi tiết sau khi chế tạo đƣợc thể hiện trên hình 3.21.
A A A-A 300 180 20
Hình 3.17. Bản vẽ chế tạo chi tiết bệ gá cơ sở
3.4.5. Giá đỡ sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 9)
Chi tiết giá đỡ sống dẫn hƣớng chữ V là chi tiết số 9 đƣợc thể hiện trên hình 3.12. Đây là chi tiết rất quan trọng vì nó cho nhiệm vụ đỡ và cố định sống dẫn hƣớng chữ V để định hƣớng cho phƣơng rung động luôn theo phƣơng thẳng đứng. Bản vẽ thiết kế của chi tiết giá đỡ này đƣợc thể hiện trên hình 3.18. Chi tiết này đƣợc hàn nối từ 2 phần khác nhau: Phần đế có 5 lỗ 12 để xỏ bu lông M10 cố định giá đỡ trên bệ gá cơ sở, phần giá thẳng đứng có 3 lỗ ren M8 để kẹp sống dẫn hƣớng chữ V. Để tăng cứng cho chi tiết này, sử dụng 2 gân tăng cứng nhƣ đƣợc thể hiện trên hình vẽ. A A A-A 85 14 80 166 Hình 3.18. Giá đỡ sống dấn hướng chữ V
3.4.6. Sống dẫn hướng chữ V (chi tiết số 3)
Sống dấn hƣớng là chi tiết số 3 trong tổng thể các chi tiết của cơ cấu tạo rung, đƣợc thể hiện trên hình 3.12. Sống dẫn hƣớng luôn tiếp xúc với rãnh dẫn hƣớng trên tấm gá động cơ và phôi để làm nhiệm vụ định hƣớng cho phôi luôn rung theo phƣơng thẳng đứng. Trên chi tiết này, thiết kế 3 lỗ bậc 10, 16 để bắt bu lông đầu chìm cố định sống dẫn hƣớng trên giá đỡ. Thông số quan trọng trên sống dẫn hƣớng chính là phần sống chữ V với góc 45. Góc này cần đƣợc gia công chính xác với sai lệch -3’ và bề mặt sống này phải đạt độ bóng cấp 8 (Ra<0.63m). Bản vẽ thiết kế chi tiết này đƣợc minh họa trên hình 3.19.
B B B-B 20 160 Hình 3.19. Sống dẫn hướng chữ V
3.4.7. Các lò xo duy trì rung động (chi tiết số 4)
Để duy trì đƣợc rung động, bố trí 4 lò xo với độ cứng K (N/m) xỏ vào 4 trụ ren đều 4 góc của bệ gá cơ sở. Lò xo (hình 3.20) có các thông số sau:
- Đƣờng kính ngoài: De = 18 (mm) - Đƣờng kính trong: Di = 12 (mm) - Đƣờng kính dây: d = 2.5 (mm) - Bƣớc xoắn: p = 6 (mm)
- Chiều dài tự nhiên: L0 = 70 (mm) - Độ cứng K (N/m)
Độ cứng của lò xo đƣợc xác định theo phƣơng pháp thực nghiệm. Dựa vào công thức của định luật Huc, có: F = Kx với F là lực tác dụng (N), K là độ cứng lò xo và x là chuyển vị của lò xo do lực F. Sử dụng định luật này, dùng 10 quả cân với trọng lƣợng F khác nhau đặt lên lò xo, sau đó đo độ biến dạng của lò xo. Các kết quả thu thập cho vào bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả thử chuyển vị của lò xo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
F (N) 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 x
(10-3m ) 7.1 8.2 8.9 10.1 10.9 12.1 13.2 14.2 15.1 16.3
Hình 3.20. Lò xo duy trì rung động
Căn cứ vào bảng 3.1, quan hệ giữa lực F và chuyển vị x gần với phƣơng trình F = 10 x 10-3X hay K = 10-2 (N/m) hay K = 10 (N/mm).
Bốn lò xo với các thông số đã đƣợc xác định ở trên đƣợc lồng vào 4 trụ ren M10. Trụ ren này có nhiệm vụ giữ cho các lò xo luôn thẳng đứng để duy trì rung động. Đồng thời, nó còn làm nhiệm vụ khống chế biên độ rung của cơ cấu.
Lắp các chi tiết giá đỡ, sống dẫn hƣớng, lò xo và 4 trụ ren lên bệ gá cơ sở sau khi đã chế xong thành một cụm chi tiết (gọi là cụm chi tiết số I), đƣợc thể hiện trên hình 3.21.
Hình 3.21. Cụm chi tiết I sau khi chế tạo, lắp ráp
3.4.8. Tấm gá động cơ - Rãnh dẫn hướng chữ V (chi tiết số 2)
Tấm gá động cơ (chi tiết số 2) đảm nhiệm nhiều nhiệm vụ trong cơ cấu. Thứ nhất, cố định động cơ trên nó thông qua ống kẹp động cơ để nhận rung động. Đồng thời, cố định phần gá động cơ để truyền rung động lên phôi gia công. Chi tiết này còn chứa 2 rãnh dẫn hƣớng chữ V tƣơng ứng với 2 sống dẫn hƣớng chữ V (xem mục 3.4.6) để định hƣớng cho rung động chỉ theo phƣơng thẳng đứng. Với các nhiệm vụ đó, chi tiết đƣợc thiết kế 4 lỗ thông 14 để xỏ 4 trụ ren M10; 4 lỗ bậc 10, 16 để xỏ 4 bu lông M8 đầu chìm kẹp ống gá động cơ; 2 rãnh rộng 16 có bậc 12 để 2 bu lông đầu vuông kẹp đồ gá kẹp chi tiết và có thể điều chỉnh vị trí của gá kẹp này nhằm thay đổi vị trí phôi gia công trên cơ cấu. Chi tiết có 2 rãnh chữ V định hƣớng đƣợc gia công cắt dây từ một khối nguyên với sống dẫn hƣớng để đảm bảo góc 45. Bề mặt rãnh chữ V này cũng phải đƣợc mài với độ bóng cấp 8 (Ra<0.63m) để đảm bảo ma sát nhỏ khi tiếp xúc với sống dẫn hƣớng trong quá trình làm việc. Hình 3.22 thể hiện chi tiết bộ phận quan trong này.
A A A-A 182 20 1 60
Hình 3.22. Tấm gá động cơ, phôi và rãnh dẫn hướng
3.4.9. Ống gá động cơ
Động cơ đƣợc định vị và cố định trong ống gá động cơ. Ống gá động cơ đƣợc chế tạo từ 2 phần: Phần ống trụ đƣờng kính 48 để định vị trụ ngoài của động cơ, phần đế có 4 lỗ 10 để xỏ 4 bu lông chìm M8 cố định ống gá với tấm chứa rãnh chữ V. Hai phần này đƣợc cố định với nhau bằng hàn. Để chống xoay cho động cơ, bố trí thêm 2 lỗ ren M6 để bắt 2 vít M6 chí vào rãnh trên vỏ động cơ. Hình 3.23 chính là bản vẽ chi tiết ống gá động cơ. Sau khi chế tạo xong, ống gá đƣợc lắp vào tấm gá và động cơ nhƣ thể hiện trên hình 3.24.
5 90 100 B B B-B Hình 3.23. Ống gá động cơ
Hình 3.24. Động cơ được lắp vào tấm gá sau khi chế tạo
3.4.10. Đồ gá kẹp phôi gia công (chi tiết 11)
Để truyền đƣợc rung động từ động cơ lên tấm gá và lên phôi gia công, đồ gá kẹp phôi có nhiệm vụ định vị và cố định phôi; đồng thời cố định toàn bộ lên tấm gá bằng thanh kẹp (chi tiết 12) để nhận rung động. Đồ gá kẹp phôi đƣợc thiết kế đơn giản. Hình 3.25 thể hiện chi tiết đồ gá sau khi đƣợc chế tạo.
Hình 3.25. Đồ gá kẹp phôi
3.4.11. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh
Ngoài các chi tiết chính đã đƣợc thiết kế và chế tạo ở trên, để hoàn thiện cơ cấu tạo rung này, các đai ốc, đệm đã đƣợc đƣa vào để lắp ghép. Dựa vào mô hình chuẩn bị lắp ghép của cơ cấu đƣợc thể hiện trên hình 3.12, tiến hành lắp ghép tuần tự các chi tiết đã chế tạo thành cơ cấu tạo rung hoàn chỉnh thể hiện trên hình