Ảnh hƣởng của các lực động Fwf
và Fwn
đƣợc xác định bởi góc xoắn và tốc độ di chuyển của phoi vcf . Khi góc xoắn không đổi, tăng vcf sẽ làm giảm Fwf và tăng Fwn. Trong sự đẩy phoi theo hình xoắn, bởi vì vcf nhỏ trong đa số các trƣờng hợp, Fwf có thể làm cho phoi di chuyển lên trên. Tuy nhiên, trong quá trình bóc tách phoi dạng dải, tốc độ di chuyển phoi vcf sẽ lớn hơn nhiều so với trƣờng hợp phoi dạng xoắn do các phoi trải ra. Tốc độ vcf của phoi dải xấp xỉ bằng tốc độ hình thành phoi ở góc ngoài của lƣỡi cắt chính :
K r vcf
Trong đa số trƣờng hợp khoan, giá trị vcf lớn làm cho thành phần lực Fwf âm, có nghĩa là nếu nhƣ phoi tiếp xúc với thành lỗ, lực ma sát sẽ ngăn cản phoi dạng dải di chuyển ra ngoài.
Hình 2.8 thể hiện chuyển động của phoi dải trong rãnh xoắn. Hình ảnh thể hiện rằng, do nội ứng suất của phoi dạng dải nên các phoi hợp lại về phía tâm mũi khoan mà không tiếp xúc với thành lỗ. Trong trƣờng hợp này, các lực cắt chính trong quá trình tạo phoi dạng dải chính là lực đẩy từ quá trình tạo phoi và áp lực từ rãnh xoắn mũi khoan. Khi lỗ khoan càng sâu, các lực này đều tăng. Khi lực đẩy đạt đến một giá trị giới hạn, phoi sẽ bị có thắt và đứt gãy. Các phoi dạng dải đã bị bẻ gãy sẽ dễ tạo khối trong rãnh xoắn nếu không lực đẩy từ các phoi kế tiếp. Do vậy, khả năng để di chuyển phoi dạng dải phụ thuộc vào khả năng không co thắt của phoi đó. Khả năng không bị co thắt của phoi dạng dải đƣợc xác định bằng chiều dày phoi và diện tích mặt cắt ngang của rãnh xoắn. Khi phoi dày và không gian rãnh xoắn nhỏ, hiện tƣợng co thắt phoi giảm.
Hình 2.8. Phoi dải chuyển động trong rãnh xoắn
2.3.2.4. Ảnh hưởng của thông số hình học mũi khoan đến sự tạo thành phoi xoắn ốc
Phoi xoắn ốc đƣợc xác định bằng chuyển động quay quanh trục của chúng trong quá trình di chuyển để thoát ra. Chuyển động này sẽ là chuyển động tự do khi khoan lỗ nông. Trong quá trình khoan, phoi sẽ tiếp xúc với rãnh xoắn và thành lỗ và làm tăng ma sát, cản trở chuyển động của phoi. Đây là trƣờng hợp đặc biệt khi phoi bị bẻ cong bởi rãnh xoắn. Khi lực cản trở đạt đến một giá trị tới hạn, phoi sẽ ngừng quay và bị bẻ gãy. Do vậy, chiều dài phoi xoắn ốc phụ thuộc
vào độ mịn của chuyển động phoi trong rãnh xoắn. Phoi chuyển động càng tự do, phoi sẽ càng dài.
Độ mịn của chuyển động phoi bị ảnh hƣởng bởi góc nghiêng chính, góc xoắn và kích thƣớc rãnh xoắn mũi khoan. Hình 2.9 thể hiện trạng thái ban đầu của phoi khi phoi xoắn ốc đƣợc hình thành trên lƣỡi cắt chính. Hình này thể hiện sự tồn tại một góc thoát phoi tự nhiên , biểu thị hƣớng ban đầu của phoi xoắn ốc. Góc có quan hệ với góc nghiêng chính p. Khi góc nghiêng chính p tăng, góc tăng. Tuy nhiên, hƣớng phoi thực tế trong phạm vi rãnh xoắn bị giới hạn bởi góc xoắn . Do vậy, nếu = , phoi sẽ tự do trong quá trình đi vào rãnh xoắn từ lƣỡi cắt chính. Nếu , phoi sẽ bị bẻ cong và đi vào rãnh xoắn, gây ra lực ma sát gây cản trở phoi. Khả năng ảnh hƣởng của ứng suất uốn đƣợc xác định bằng cách so sánh sự khác nhau giữa góc và góc xoắn bằng giá trị .
Từ hình 2.9, góc có thể nhận đƣợc từ : 2
p
(2.8)
Đƣờng kính của phoi xoắn ốc thƣờng là kích thƣớc của rãnh xoắn mũi khoan :
2 d d W D AB (2.9)
Hình 2.9. Trạng thái ban đầu của phoi xoắn ốc
Và : 2 sin 2 p d D BC (2.10)
Do vậy : 2 ) sin ) ( ( sin ) ( sin 1 1 d p b d D W D BC AB (2.11)
Ở đây Dd là đƣờng kính mũi khoan, Wb là đƣờng kính lõi mũi khoan.
2.3.2.5. Ảnh hưởng của thông số mũi khoan đến sự hình thành phoi dạng dải
Mô hình chiều dài phoi dạng dải dựa trên sự khác nhau giữa góc và xoắn
. Khái niệm tƣơng tự sẽ đƣợc ứng dụng để mô hình hóa chiều dài phoi dạng trải. Sự khác nhau giữa việc mô hình phoi dải và việc mô hình phoi xoắn ốc chính là việc xác định góc thoát phoi tự nhiên . Trong quá trình tạo phoi xoắn ốc, một góc trƣợt tự nhiên tồn tại khi phoi đƣợc hình thành một cách tự do. Tuy nhiên, do các phoi dạng dải không phải là dạng tự nhiên nên góc trƣợt tự nhiên không tồn tại trong quá trình hình thành phoi dải.
Hình 2.10 thể hiện rằng, phoi dạng dải có xu hƣớng tạo dòng đến tâm mũi khoan khi góc nghiêng chính nhỏ. Trong mô hình này, hƣớng vuông góc với lƣỡi cắt nhƣ là “hƣớng trƣợt tự nhiên” của phoi dạng dải. Góc giữa “hƣớng trƣợt tự nhiên” của phoi và trục mũi khoan đƣợc gọi là góc trƣợt tự nhiên của phoi dải , xấp xỉ bằng [90- ( d / 2)].
Hình 2.10. Hình dạng phoi dạng dải
Góc trƣợt phoi thực tế đƣợc xác định bởi rãnh xoắn mũi khoan mà rãnh xoắn này độc lập với góc nghiêng chính. Từ việc phoi dải bó lại quanh đƣờng
tâm mũi khoan, bề mặt của rãnh xoắn gần với tâm mũi khoan xấp xỉ bằng góc trƣợt của phoi , nhận đƣợc nhƣ sau:
Từ bƣớc rãnh xoắn mũi khoan:
tan d D p (2.12)
Bƣớc rãnh xoắn gần tâm mũi khoan giống với bƣớc ở phần còn lại của rãnh xoắn, nên: tan . b W p (2.13)
Thay phƣơng trình (2.12) vào (2.13) thì góc xoắn mũi khoan gần với tâm mũi khoan có thể đƣợc xác định: d b D W tan1. tan (2.14)
2.4. Ứng dụng rung động cho nguyên công khoan các loại vật liệu dẻo
Nhôm và các hợp kim đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp do đặc tính nhẹ và các đặc tính cơ học tốt nhƣng loại vật liệu này lại gây khó khăn cho một số nguyên công nhƣ nguyên công khoan, đặc biệt là khoan các lỗ nhỏ và sâu. Khó khăn này là do tính dẻo của nhôm thƣờng tạo phoi dây gây ma sát lớn lên các mặt của mũi khoan và có thể làm cản trở quá trình khoan cũng nhƣ có thể làm gãy mũi khoan [1-4].
Quá trình khoan với rung động trợ giúp có rất nhiều ƣu điểm về công nghệ hơn so với quá trình khoan truyền thống, đặc biệt là khi khoan các lỗ nhỏ và sâu. Các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng rung động chồng nhau có thể giảm kích thƣớc của các ba via, lực cắt, tuổi bền của mũi khoan và tăng khả năng bẻ phoi
[8, 9]. Mặc dù trong nhiều ví dụ, thực nghiệm đã chỉ ra quá trình khoan rung có thể cải thiện chất lƣợng quá trình khoan, song mối quan hệ giữa các thông số rung động và thông số công nghệ quá trình khoan đến việc bẻ phoi cũng chƣa đƣợc nghiên cứu một cách hệ thống. Vấn đề này sẽ đƣợc nghiên cứu cụ thể trong các mục sau đây:
2.4.1. Mô hình toán cho khoan rung
Khoan rung theo hƣớng trục có nghĩa là quá trình đƣợc đặt lên một rung động với tần số xác định theo phƣơng dọc trục mũi khoan. Quỹ đạo của một
điểm trên lƣỡi cắt của của mũi khoan so với phôi là một đƣờng xoắn không gian với các vòng rung, do rung động có chu kỳ đƣợc đặt vào. Trong quá trình khoan rung, thƣờng gọi lƣợng chạy dao là F (mm/v), tốc độ quay của mũi khoan là n (r/s), tần số rung là f (Hz), và biên độ rung là A (mm). Do vậy, biểu diễn toán học của một điểm trên lƣỡi cắt mũi khoan so với phôi là:
) 2 sin( . ) 2 cos( . ) 2 sin( . . . nt r y nt r x ft A t n F z (2.15)
Nếu gọi số lần rung của mũi khoan (hoặc phôi) trong một vòng quay của mũi khoan cũng là hệ số chồng rung là c và nhƣ vậy: c = f/n = i+k (2.16)
i là phần nguyên của thƣơng f/n, k là phần thập phân, -0.5< k <0.5. Ví dụ f/n = 2.4 thì k = 0.4, f/n = 2.7 thì k = -0.3
Góc lệch pha giữa 2 vòng quay liên tiếp là =2k (2.17)
a) b)
Hình 2.11. Mô hình quỹ đạo 2 lưỡi cắt mũi khoan khi khoan rung
Hình 2.11.a thể hiện quỹ đạo của mũi khoan khi đƣợc đặt vào một rung động. Trong hình này, đƣờng liền đậm và đƣờng đứt lần lƣợt chỉ quỹ đạo của 2 lƣỡi cắt tƣơng ứng của mũi khoan. Từ hình có thể thấy rằng khi một quỹ đạo không lệch pha thì khoảng cách trục của 2 quỹ đạo liền nhau sẽ thay đổi theo chu kỳ thay vì biến đổi nhƣ khi khoan truyền thống. Hình 2.11.b thể hiện hình trải của quỹ đạo và chiều dày cắt lý thuyết theo hình 2.11.a. Từ hình 2.11.b, có thể
thấy rằng, quỹ đạo của lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan rung là một họ đƣờng hình sin quanh quỹ đạo của lƣỡi cắt mũi khoan khi khoan truyền thống. Bởi vậy, nếu thay đổi các thông số rung (A và f), có thể xen kẽ các quỹ đạo đó và chiều dày phoi tức thời theo chiều trục có thể trở về bằng 0 (không) theo chu kỳ và sự bẻ phoi có thể xảy ra [21].
2.4.2. Khả năng bẻ phoi khi khoan có rung động trợ giúp
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