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 dụng lên phôi theo phƣơng dọc trục (ngƣợc chiều lực Px trên hình vẽ).
FX = 2PXC + 2PXP + PXN ( 3.10)
Hình 3.29. Các lực cắt khi khoan
Lực FX đƣợc tính theo công thức thực nghiệm sau: FX = 2D1,4S0,8 bp0,75 (3.11) Với:
+ D: Đƣờng kính mũi khoan (mm) + S: Lƣợng chạy dao (mm/v)
+ b: Độ bền của vật liệu gia công (N/mm2)
Để quá trình rung động đƣợc duy trì trong quá trình khoan nhƣ yêu cầu, điều kiện cần là không để thành phần lực dọc trục mũi khoan FX kết hợp với tổng trọng lƣợng phần rung động G thắng lực li tâm kết hợp với lực đẩy tƣơng hỗ của 4 lò xo. Có nghĩa là: FR + Fđh > Fx + G + FV (3.12)
Dựa vào kết quả từ các công thức (3.5), (3.6), (3.8), (3.9) và (3.11), có: (4.3679*10-6 *n2 + 40A ) > (2D1,4S0,8bp0,75 + 27.82 + 0.43679*10-6*n2)
Hay: 3.93111*10-6 *n2 + 40A > 2D1,4S0,8 bp0,75 + 27.82 (3.13)
3.5. Kết luận chương
Chƣơng này đã trình bày 2 thiết kế bộ tạo rung động lần lƣợt theo 2 nguyên lý khác nhau: Nguyên lý tạo rung bằng việc ứng dụng hiệu ứng áp điện
và nguyên lý tạo rung bằng li tâm cơ khí. Sau khi thiết kế, 2 cơ cấu này đã đƣợc chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh. Tuy nhiên, do chƣa làm chủ đƣợc hoàn toàn việc điều khiển cơ cấu tạo rung siêu âm, là cơ cấu làm việc theo hiệu ứng áp điện, nên chỉ cơ cấu tạo rung theo nguyên lý li tâm cơ khí đƣợc chọn để thử nghiệm so sánh quá trình khoan đƣợc rung động trợ giúp và quá trình khoan truyền thống.
Chương 4
THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP KHOAN HỢP KIM NHÔM
4.1. Giới thiệu
Chƣơng 4 trình bày về các bƣớc tiến hành thí nghiệm khoan các mẫu hợp kim nhôm A5052 với 2 phƣơng pháp khoan khác nhau: khoan thƣờng và khoan có rung động trợ giúp. Sau khi thí nghiệm, tiến hành đo đạc đƣờng kính lỗ khoan, cắt dây qua thành lỗ khoan để so sánh hiệu quả của 2 phƣơng pháp khoan.
Mục 4.2 trình bày về các bƣớc lắp đặt thiết bị, chuẩn bị các vật tƣ cho thí nghiệm và các bƣớc tiến hành thí nghiệm cũng nhƣ đo lƣờng các kết quả thí nghiệm. Mục 4.3 tiến hành phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm. Mục này đƣa ra các đánh giá so sánh 2 phƣơng pháp khoan thƣờng và khoan có rung động trợ giúp về độ lay rộng lỗ khoan, mức độ ổn định của đƣờng kính lỗ khoan, độ tròn của lỗ, đặc tính phoi, chất lƣợng bề mặt lỗ cũng nhƣ độ xiên của thành lỗ. Mục cuối cùng của chƣơng tóm tắt các kết luận của chƣơng.
4.2. Thiết lập thí nghiệm
4.2.1. Các trang thiết bị thí nghiệm
Để so sánh hiệu quả quá trình khoan tích hợp rung động so với khoan truyền thống, tiến hành thí nghiệm khoan hợp kim nhôm A5052-H34 trên máy phay đứng MAZAK- M-800 (hình 4.1) với mũi khoan HSS, D1.5 và đo xác định các thông số của các lỗ sau khoan và đặc điểm phoi trên các dụng cụ đo tại phòng thí nghiệm của trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp- Đại học Thái Nguyên. Các thiết bị cho qua trình thí nghiệm cụ thể nhƣ sau:
1. Máy phay đứng MAZAK M-800:
Đây là loại máy phay đứng do tập đoàn chế tạo máy công cụ nổi tiếng thế giới, Mazak của Nhật Bản sản xuất. Trong thí nghiệm khoan này, sử dụng máy phay đứng thay vì máy khoan với mục đích dễ dàng chọn lƣợng chạy dao cũng nhƣ thuận tiện cho quá trình gá đặt và thao tác trong quá trình thí nghiệm. Hình 4.1
thể hiện máy phay đứng dùng để thí nghiệm khoan tại doanh nghiệp tƣ nhân Thái Long, Thái Nguyên. Các thông số máy nhƣ sau:
Bảng 4.1. Thông số cơ bản của máy phay sử dụng thí nghiệm
Số hiệu máy Tốc độ trục chính (v/ph) Lƣợng chạy dao (mm/ph) Kích thƣớc gia công lớn nhất (mm) MAZAK M-800 58-1500 15-1000 800x400x400
Hình 4.1. Máy phay đứng Mazak M-800
2. Mũi khoan xoắn:
Mũi khoan sử dụng để khoan trong thí nghiệm đƣợc thể hiện trên hình 4.2 là loại mũi khoan xoắn loại thƣờng do Trung Quốc sản xuất với các đặc điểm đƣợc thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Thông số mũi khoan thí nghiệm
Đƣờng kính D (mm) Chiều dài phần làm việc l (mm) Vật liệu mũi khoan Góc nghiêng chính () Góc nghiêng của rãnh xoắn () 1.5 19 P18 120 30
Hình 4.2. Mũi khoan xoắn P18, D1.5 dùng cho thí nghiệm
3. Cơ cấu tạo rung động:
Cơ cấu tạo rung đã đƣợc thiết kế, chế tạo với thông số đặt khi thí nghiệm là tần số f = 60 Hz (ứng với tốc độ trục chính là 3600 v/ph) và biên độ A = 10 m đƣợc thể hiện trên hình 4.3.
Hình 4.3. Cơ cấu tạo rung động cho nguyên công khoan
4. Phôi hợp kim nhôm:
Phôi dùng cho thí nghiệm (hình 4.4) là 2 tấm phôi hợp kim nhôm Mg với số hiệu A5052 có kích thƣớc 25x25x13 (mm) đã đƣợc phay, mài đạt độ chính xác cao để đảm bảo định vị trong quá trình gia công và đo đạc. Thành phần hóa học vật liệu phôi:
Bảng 4.3. Thành phần hợp kim nhôm A5052 thí nghiệm[19]
Si (%) Fe(%) Cu (%) Mn (%) Mg (%) Zn(%) Ti(%) Cr(%) Pb(%) Sn(%) 0.110 0.365 0.012 0.026 2.489 0.023 0.013 0.253 0.008 <0.002