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
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 3.16, cụ thể nhƣ sau:
- Trƣớc hết, lắp 2 giá đỡ (9) vào đế (5) bằng 10 bu lông M10 rồi lắp 2 sống dẫn hƣớng chữ V (3) lên (9) bằng 6 bu lông chìm M10;
- Tiếp theo, lắp các quả nặng (8) vào 2 bánh lệch tâm (7) đƣợc lắp trên trục động cơ, rồi lắp động cơ (1) vào ống gá động cơ (10) và kẹp chặt động trên ống gá này bằng 2 vít chí M4, dùng 4 bu lông M8 lắp ống gá động cơ lên bàn gá phôi (2);
- Lắp đồ gá phôi (11) lên bàn gá bằng thanh kẹp (12) bằng 2 bu lông đầu vuông trƣợt trong 2 rãnh trên bán gá phôi;
- Sau đó, lắp 4 thanh ren M10 (6) lên đế (5) và cố định chúng bằng 8 đai ốc M10 rồi lắp 4 lò xo (4) lên 4 thanh ren, lót thêm 4 vòng đệm trên lo xò; - Cuối cùng, lắp cả cụm bàn gá phôi, động cơ đã đƣợc cố định chồng lên 4
lò xo trên với đảm bảo 2 rãnh chữ V dẫn hƣớng trên bàn gá (2) tiếp xúc với 2 sống dẫn hƣớng chữ V (3) rồi cố định cụm đó trên các lò xo bằng 8 đai ốc M10.
Hình 3.26. Cơ cấu tạo rung động theo nguyên lý li tâm cơ khí
3.4.12.Tính toán lực quán tính li tâm để tạo ra và duy trì rung động
Với cơ cấu tạo rung đã xây dựng, lực gây rung động phải thắng đƣợc lực dọc trục mũi khoan do quá trình khoan tạo ra. Nhƣ vậy, cần xác định các lực tác dụng có liên quan đến lực khoan và lực li tâm. Dựa vào mô hình hóa quá trình làm việc của cơ cấu đƣợc thể hiện trên hình 3.10, có thể đƣa ra sơ đồ các lực tác dụng lên phôi gia công với giả sử chiều các lực theo hình 3.27. Trong trƣờng hợp này, bỏ qua biến dạng của cơ cấu rung trong quá trình khoan (trừ 4 lò xo).
Fx Fms Fms FR G Flx Flx
Hình 3.27. Các lực tác dụng lên phôi gia công
Các thành phần lực trên sẽ lần lƣợt đƣợc xây dựng và tính toán.
a. Lực li tâm do bánh lệch tâm quay, FR (N)
FR chính là lực li tâm lớn nhất theo phƣơng thẳng đứng do 2 bánh lệch tâm quay gây ra: FR 2*Flt 2*m*2*r (3.3)
Với:
+ m là khối lƣợng lệch tâm (kg);
+ chính là vận tốc góc của bánh lệch tâm, 2n (rad/s) với n là tốc độ vòng quay động cơ (v/s);
+ Còn r (m) là bán kính lệch tâm, là khoảng cách từ khối lƣợng lệch tâm m đến tâm quay của bánh lệch tâm lắp trên trục động cơ.
(*) Tính r (m):
Gọi điểm G (xG, yG) là tọa độ của khối tâm bánh lệch tâm khi đã lắp quả nặng theo hệ trục toạn độ Oxy đặt vào tâm đƣờng kính 21.1 nhƣ hình 3.28. Với bánh lệch tâm lắp vào trục động cơ tại lỗ 3.9 và lỗ để lắp quả nặng (5.8) cùng nằm trên đƣờng tâm của trụ 5.8 nên xG =0, hay G nằm trên đƣờng tâm thẳng đứng (trục Oy). Nhƣ vậy r sẽ đƣợc xác định nhƣ sau:
x O Y G Y G Ø21.1 4.05 3.9 (7.95 ) Ø5.8 Ø3.9 11.1 0.25x45° ( 2 bên) 0.2x45° ( 2 b ê n ) 0.1x45° ( 2 bên)
Hình 3.28. Xác định tọa độ khối tâm
r=3.9 yG (mm) (3.4)
Lựa chọn quả nặng bằng đồng (loại nặng nhất- hình 3.16.c) và dựa vào cách xác định khối tâm vật rắn, xác định giá trị yG = 0.56 (mm). Theo (3.4) sẽ có: r=3.9+ yG = 3.9 + 0.56 = 4.46 (mm). Hay r = 0.00446 (m)
(*) Tính m (kg):
Với cách xác định khối tâm nhƣ trên, m chính là khối lƣợng của cả bánh lệch tâm bằng thép và quả nặng bằng đồng: m=mlt + mđ - ml mlt= (3.14*21.1*21.1*11*7.85)/4000000 = 0.030453 (kg) mđ= 0.0166 (kg) (theo 3.4.3) ml= 3.14*5.8*5.8*11.1*7.85/4000000= 0.002301 (kg) Nhƣ vậy, m= 0.044752(kg) (*) Tính :
=2n= 2*3.14*n/60= 0.103*n với n là số vòng quay của trục động cơ (v/ph). Nhƣ vậy:
r m
FR 2* *2* =2*0.044752*(0.103*n)2*0.0046
Do đó, có thể điều chỉnh giá trị lực li tâm theo phƣơng thẳng đứng bằng cách điều chỉnh tốc độ quay động cơ hay là điều chỉnh điện áp vào động cơ theo 3 mức 12V, 24V và 36V tƣơng đƣơng với tốc độ động cơ 1200, 2400 và 3600 (v/ph).
b. Tổng trọng lượng khối rung động, G (N):
Để xác định tổng trọng lƣợng rung động trong quá trình cơ cấu là việc, cần xác định khối lƣợng của chúng. Khối lƣợng này (m) chính là tổng khối lƣợng của động cơ, ống lắp động cơ, tấm kẹp động cơ và phôi gia công cũng nhƣ các bộ phận mà lực FR tác động. Dựa vào kích thƣớc các chi tiết trên và chú ý rằng các bộ phận này đƣợc làm bằng thép (khối lƣợng riêng là 7.85 kg/dm3), riêng phôi hợp kim nhôm có khối lƣợng riêng khoảng 2.7 kg/dm3. Từ các kích thƣớc bản vẽ chi tiết và khối lƣợng riêng trên, xác định đƣợc tổng khối lƣợng m = 2.836 (kg). Do vậy, trọng lƣợng G = m*g = 2.836*9.81= 27.821 (N). (3.6)
c. Lực đẩy do 4 lò xo tác dụng lên tấm gá phôi, Fđh (N):
Lực đẩy do 4 lò xo đàn hồi đẩy lên tấm gá phôi đƣợc xác định dựa vào định luật Huc: Fđh = 4*Flx = 4*K*x (3.7)
Với K = 10 N/m là độ cứng của mỗi lò xo (theo 3.4.7), còn x (m) là độ nén của lò xo khi làm việc, cũng chính là biên độ rung động A (m) của phôi gia công. Do vậy, có thể viết lại: Fđh = 4Flx = 4Kx = 4KA = 40A (N) (3.8)
d. Lực ma sát khi rung do tiếp xúc ở dẫn hướng chữ V, FV (N):
Tổng lực ma sát do sự trƣợt của 2 sống dẫn chữ V tiếp xúc với 2 rãnh chữ V trên tấm gá động cơ là: FV = 2Fms = 2FN, với FN chính là thành phần lực li tâm lớn nhất theo phƣơng ngang, là thành phần áp lực của sống chữ V lên rãnh chữ V, độ lớn FN =FR, còn chính là hệ số ma sát trƣợt giữa sống và rãnh chữ V. Giá trị hệ số ma sát khi 2 mặt đã đƣợc mài bóng tiếp xúc có dầu bôi trơn có thể lấy
=0.05. Dựa vào kết quả tính FR ở (3.5), FR = 4.3679*10-6 *n2 (N), giá trị tổng lực ma sát phụ thuộc vào tốc độ quay N là:
FV=2FR=2*0.05*4.3679*10-6*n2 hay FV=0.43679*10-6*n2 (N) (3.9)
Các lực tác dụng lên mũi khoan trong quá trình khoan đƣợc thể hiện trên hình 3.29. Trên hình đó, quan tâm đến tổng các lực tác dụng lên mũi khoan theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Đây cũng chính là tổng các lực mà mũi khoan tác