Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ" nhằm nghiên cứu, thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ; Phân tích, mô phỏng cán dao tiện bằng phần mềm Moldex 3D; Thí nghiệm thực tế quá trình tiện; So sánh với phương pháp tiện truyền thống, tổng kết kết quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁN DAO TIỆN S K C 0 0 3 9 5 9 CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ MÃ SỐ: SV2020-107 S KC 0 0 7 4 0 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁN DAO TIỆN CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ Mã số đề tài: SV2020-107 Chủ nhiệm đề tài: TS. HOÀNG TRUNG KIÊN I Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁN DAO TIỆN CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ Mã số đề tài: SV2020-107 Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa Học Ứng Dụng SV thực hiện: Lê Hoàng Anh Khoa Nam, Nữ: Nam Trần Trí Nhân Nam Trần Hoàng Khang Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16144CL2-Khoa đào tạo chất lượng cao Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4 Ngành học: CNKT Cơ Khí Sinh viên chịu trách nhiệm đề tài: Lê Hoàng Anh Khoa CỘNG TRUNG HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Người hướng dẫn: TS. HOÀNGHÒA XÃ KIÊN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----***---- Tp. Hồ Chí Minh, ngày--- tháng--- năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020 II
MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................VI MỤC LỤC............................................................................................................VII DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH............................................................................X CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN..................................................................................1 1. GIỚI THIỆU .........................................................................................................1 1.1 Tìm hiểu về cán dao tiện: ....................................................................................1 1.1.1 Cán dao tiện dạng Insert: ............................................................................. 1 1.1.2 Cán dao tiện dạng Solid ............................................................................... 2 1.1.3 Vật liệu:........................................................................................................ 2 1.1.4 Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ:............................................................. 2 1.1.5 Nguồn dao động:.......................................................................................... 3 1.1.6 Nguồn dao động cưỡng bức:........................................................................ 3 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước: .........................................................................................................................4 1.2.1 Ngoài nước: ................................................................................................. 4 1.2.2 Trong nước: ................................................................................................. 4 1.3 Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................5 1.4 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu ................................................................5 1.4.1 Mục tiêu đề tài: ............................................................................................ 5 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 5 1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .............................................................6 1.5.1. Cách tiếp cận ............................................................................................... 6 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 6 1.6 Kế hoạch thực hiện ..............................................................................................6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TIỆN CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ. .........................................................................................................................7 2.1 Giới thiệu chung: .................................................................................................7 2.1.1Những ưu điểm vượt trội: ............................................................................. 8 2.1.2 Kết luận ........................................................................................................ 8 2.2 Công nghệ cắt rung siêu âm (UCV) ....................................................................8 III
2.3 Phương pháp cắt tích hợp siêu âm kiểu truyền thống (CUVC) ..........................9 2.4 Phương pháp cắt tích hợp rung siêu âm kiểu elip (UEVC) ..............................10 2.5 Công nghệ rung động trợ giúp gia công (VAM)...............................................10 2.6 So sánh giữa các phương pháp ..........................................................................11 2.7 Nguyên tắc khai thác rung siêu âm và ứng dụng hiệu ứng áp điện ..................12 2.7.1 Các tính toán cơ bản về các cơ cấu PZT.................................................... 13 2.7.2 Các cơ cấu PZT với độ bền thấp ................................................................ 14 2.8 Khái niệm về khớp nối mềm: ............................................................................17 2.8.1 Khớp mềm là gì?........................................................................................ 17 2.8.2 Cơ chế uốn hình bình hành: ....................................................................... 17 2.8.3 Nguyên lý hoạt động khớp mềm: .............................................................. 20 2.8.4 Mô hình cơ khí ........................................................................................... 20 2.9 Khái niệm về độ chính xác khi gia công ...........................................................29 2.9.1 Khái niệm................................................................................................... 29 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ..................32 3.1 Yêu cầu của đề tài: ............................................................................................32 3.2 Giải pháp thực hiện: ..........................................................................................32 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ SẢN PHẨM .......................................34 4.1. Phương án thiết kế khớp nối mềm cho cán dao: ..............................................34 4.1.1 Dữ liệu ban đầu .......................................................................................... 34 4.1.2 Cơ sở lí thuyết tính toán độ cứng vững của cán dao: ................................ 34 4.1.3 Chọn mãnh dao tiện hợp kim phù hợp: ..................................................... 35 4.1.4 Tính toán chế độ cắt phù hợp: ................................................................... 36 4.1.5 Tính toán lực cắt: ....................................................................................... 37 4.2. Cơ sở công thức tính toán khớp mềm: .............................................................39 4.3 Áp dụng tính toán khớp mềm vào cán dao .......................................................40 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG...................................................................................43 5.1 Giới thiệu phần mềm: ........................................................................................45 5.2 Phân tích biến dạng trên phần mềm: .................................................................45 5.2.1 Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao không khớp mềm:...................... 46 5.2.1.1 Dữ liệu đầu vào: ..........................................................................................46 IV
5.2.2 Mô phỏng, phân tích biến dạng cán dao có khớp nối mềm: ...................... 53 5.2.2.1 Dữ liệu đầu vào: ...............................................................................53 5.2.2.2 Dữ liệu đầu ra: ..................................................................................60 5.3 So sánh kết quả mô phỏng: ........................................................................... 62 5.4 Nhận xét: ...........................................................................................................62 Chương 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ............................................64 6.1.Giới thiệu các bộ phận PZT: .............................................................................64 6.1.1.Bộ khuếch đại nguồn điện: ........................................................................ 64 6.1.2.Bộ điều khiển: ............................................................................................ 64 6.1.3 Bộ chuyển đổi siêu âm:.............................................................................. 65 6.2Thiết kế đồ gá cho bộ phận tạo rung động siêu âm: ..........................................66 6.2.1Đo kích thước đồ gá dao trên máy tiện ....................................................... 66 6.2.2.Mô phỏng lắp ráp bằng phần mềm Inventor: ............................................ 67 6.2.3.Bản vẽ chi tiết : .......................................................................................... 67 6.3.Tiến hành thí nghiệm: .......................................................................................68 6.3.1Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm: ..................................................................... 68 6.3.2.Lắp đặt mô hình thí nghiệm: ..................................................................... 69 6.3.3.Quy trình thí nghiệm:................................................................................. 70 6.4.Kết quả thí nghiệm: ...........................................................................................71 Chương 7: KẾT LUẬN .........................................................................................77 7.1 Kết quả đạt được: ..............................................................................................77 7.2 Ý nghĩa thực tiễn ...............................................................................................77 7.3 Hướng phát triển của đề tài: ..............................................................................77 V
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PZT: Piezoelectric UAT: Ultrasonic Assisted Turning UVC: Ultrasonic Vibration Cutting EDM: Electrical Discharge Machining CUVC: Conventional Ultrasonic Vibration Cutting VAM: Vibration Assisted Machining CAE: Computer- Aided Engineering VI
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các cán dao tiện dạng insert Hình 1.2: Hình dạng các mảnh hợp kim gắn ở cán dao tiện dạng insert Hình 1.3: Các cán dao tiện dạng solid Hình 1.4: Các loại PZT Hình 2.1: Mô hình rung động của hệ thống Hình 2.2 : Mô hình cắt theo kiểu elip Bảng 1.1. So sánh giữa các phương pháp gia công Hình 2.3: Hiệu ứng áp điện Hình 2.4: Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch Hình 2.5: Quan hệ giữa lực cản và hành trình Hình 2.6: PZT dạng miếng đơn Hình 2.8.1: Cơ chế uốn hình bình hành Hình 2.8.2: Góc nhìn khác của cơ chế uốn Hình 2.8.2: Độ uốn của dầm Hình 2.8.4 (a) Kiểu khớp hình vuông Hình 2.8.4 (b) Kiểu khớp hình cầu Hình 2.8.5: Tham số của khớp mềm Hình 5.1: Khởi động Ansys Hình 5.2: Khởi động moldul Hình 5.3: Vật liệu mũi dao và cán dao Hình 5.4: Biên dạng hình học Hình 5.5: Các kích thước Hình 5.6: Mặt phăng liên kết. Hình 5.7: Phương của lực. Hình 5.8: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định Hình 5.9: Mặt phăng liên kết. Hình 5.10: Phương của lực. Hình 5.11: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định Hình 5.12: Lưới trên chi tiết Hình 5.13: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương X Hình 5.14: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương Z Hình 5.15: Các điểm xét biến dạng theo phương Z Hình 5.16: Biến dạng theo phương Z của điểm A Hình 5.17: Biến dạng theo phương Z của điểm B Hình 5.18: Biến dạng theo phương Z của điểm C Hình 5.19: Vật liệu mũi dao và cán dao Hình 5.20: Biên dạng hình học Hình 5.21: Các kích thước Hình 5.22: Mặt phăng liên kết. Hình 5.23: Phương của lực. Hình 5.24: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định Hình 5.25: Lưới trên chi tiết VII
Hình 5.26: Mặt phăng liên kết. Hình 5.27: Phương của lực. Hình 5.28: Mặt phẳng được hỗ trợ cố định Hình 5.29: Lưới trên chi tiết Hình 5.30: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương X Hình 5.31: Biến dạng toàn phần khi chịu lực theo phương Z Hình 5.32: Các điểm xét biến dạng theo phương Z Hình 5.33: Biến dạng theo phương Z của điểm A Hình 5.34: Biến dạng theo phương Z của điểm B Hình 5.35: Biến dạng theo phương Z của điểm C Hình 6.1: HVPZT-POWER-AMPLIFIER Hình 6.2: Bộ điều khiển rung động Hình 6.3: Đầu phát rung động siêu âm Hình 6.4: Đo đế gá trên máy tiện Hình 6.5: Mô phỏng gá đặt mô hình Hình 6.6: Bản vẽ đầu phát dao động PZT Hình 6.7: Dụng cụ thí nghiệm Hình 6.8: Gá đặt hoàn tất các chi tiết Hình 6.10: Tiện với điện áp 2V Bảng 6.3: Thông số tiện không có dao động Bảng 6.4: Thông số tiện khi có dao động hỗ trợ Hình 6.11: Phôi khi gia công không có dao động Hình 6.12: Phôi khi gia công có dao động Hình 6.13: Phoi khi gia công không có dao động hỗ trợ Hình 6.14. Phoi khi gia công ở tần số 1kHz Hình 6.15. Phoi khi gia công ở tần số 1,5kHz Hình 6.16. Phoi khi gia công ở tần số 2kHz VIII
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cán dao tiện có dao động hỗ trợ - Chủ nhiệm đề tài: Lê Hoàng Anh Khoa Mã số SV:16144076 - Lớp: 161440CL2 Khoa: Đào tạo chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Trần Trí Nhân 16144119 16144CL2 CLC 2 Trần Hoàng Khang 16144072 16144CL2 CLC - Người hướng dẫn: TS. Hoàng Trung Kiên 2. Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu, thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ. - Phân tích, mô phỏng cán dao tiện bằng phần mềm Moldex 3D - Thí nghiệm thực tế quá trình tiện. - So sánh với phương pháp tiện truyền thống, tổng kết kết quả. 3. Tính mới và sáng tạo: - Vận hành và kiểm chứng cho thấy sự ưu việt của việc tiện có dao động hỗ trợ về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ so với tiện truyền thống inox304 như sau :  Rung động cưỡng bức làm tăng khả năng bẻ phoi cho tiện cứng, phoi tiện có rung thường là phoi vụn.  Sơ bộ đánh giá tuổi bền dao: Độ mòn mảnh dao của tiện cứng có rung chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện cứng truyền thống.  Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền thống khơng những có giá trị trung bình nhỏ hơn mà còn có phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn. Giảm cấp độ nhám từ 1 đến 2 cấp.  Độ tròn của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/3 lần so với độ tròn bề mặt khi tiện thường. - Độ trụ của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/2 lần so với độ trụ bề mặt khi tiện thường. IX
4. Kết quả nghiên cứu: - Đề tài đã góp phần hoàn thiện thêm các kiến thức về gia công cắt gọt, đặc biệt là tiện bề mặt inox304 có trợ giúp của rung động siêu âm, cụ thể là: - Khẳng định được tác động tích cực của rung động đến chất lượng bề mặt, độ bền dao cắt và phoi tạo thành khi gia công góp phần tạo an toàn khi gia công. - Làm rõ đặc tính bám dính và hiện tượng kẹt phoi làm giảm khả năng khi tiện các vật liệu hợp kim dẻo như inox. - Các kết quả thu được của đề tài cũng hình thành cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp sau. Kết quả của đề tài cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu khoa học. - Tuy nhiên, đề tài đã chỉ ra nhiều vấn đề còn tồn tại và khó khăn khi áp dụng công nghệ này chẳng hạn như: sự tương thích giữa các thông số rung của cơ cấu rung với các thông số gia công, cách thiết lập một cơ cấu rung cho gia công cắt gọt v.v; 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: - Đề tài đã ứng dụng thành công phương pháp tiện có dao động hỗ trợ. Kết quả thu được có thể áp dụng trực tiếp vào sản xuất để nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật của quá trình tiện, đặc biệt trong gia công cắt gọt. - Theo nhận định của nhóm, đề tài ứng dụng dao động trợ giúp gia công là một đề tài mới mẻ của đất nươc, do vậy các nội dung đã thực hiện có ý nghĩa cơ sở tham khảo để tiếp tục duy trì và phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo. - Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy, ở thời điểm hiện tại nhiều công bố về lĩnh vực dao động trợ giúp gia công vẫn được công bố trên các tạp chí có uy tín. Điều này cho thấy, lĩnh vực này còn nhiều tồn tại cần nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ. - - Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất một số định hướng tiếp tục phát triển đề tài như sau: -Tiếp tục đầu tư các thiết bị đo nhằm đánh giá và hiệu chỉnh cơ cấu rung -Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và chế tạo cơ cấu rung siêu âm trợ giúp gia công có kích thước nhỏ gọn, có khả năng tích hợp trên nhiều máy công cụ khác nhau -Nghiên cứu, áp dụng công nghệ dao động siêu âm trợ giúp gia công cắt gọt trên các loại vật liệu mới và vật liệu đặc biệt trong các ứng dụng hàng không và y tế v.v; 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): Long An Ngày 20 tháng 07 năm 2020 SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) X
XI
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Giới thiệu: 1.1 Tìm hiểu về cán dao tiện: 1.1.1 Cán dao tiện dạng Insert: - Là loại cán dao tiện có phần cán dao và phần cắt gọt kim loại có thể tách ròi nhau, có thể thay thế lưỡi cắt, lưỡi cắt là những mảnh hợp kim (carbide) có các hình dạng khác nhau để phù hợp với mục đích cắt: Carbide là hợp kim cứng gồm kim loại và carbon Hình 1.1: Các cán dao tiện dạng insert Hình 1.2: Hình dạng các mảnh hợp kim gắn ở cán dao tiện dạng insert 1
1.1.2 Cán dao tiện dạng Solid - Là loại cán dao có phần thân và phần lưỡi cắt nguyên khối, Ưu điểm của cán dao solid là có phần lưỡi cắt dễ dàng mài dũa, Sauk hi được định hình mà mài dũa săc, sẽ giữ được ưu thể trong thời gian dài. Chất liệu thường là thép gió (HSS) Hình 1.3: Các cán dao tiện dạng solid 1.1.3 Vật liệu: - Cán dao tiện cùng với lưỡi cắt sẽ gia công với nhiều loại chất lỏng cắt gốc nước và dầu, và nó phải có khả năng chống ăn mòn thích hợp cho môi trường này. Cán dao cũng phải có độ ổn định nhiệt tốt và hệ số giãn nở nhiệt tương đối nhỏ. Để có được khả năng chống ăn mòn mong muốn, cường độ cao, mô đun đàn hồi và hệ số giãn nở nhiệt với chi phí hợp lý, cán dao được làm từ thép không gỉ loại 403 martinsitic. Thép không gỉ loại 403 được ủ có độ bền kéo khoảng 275 MPa, có thể tăng đáng kể bằng cách xử lý nhiệt . Vật liệu này có hệ số giãn nở nhiệt khoảng 10 × 10-6 / ºC và mô đun đàn hồi 200 GPa, đặc trưng của hầu hết các loại thép. Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ 1.1.4 Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ: - Hiện nay, gia công cắt gọt có trợ giúp của siêu âm đã được áp dụng cho hầu hết các phương pháp cắt gọt truyền thống, chẳng hạn phay (Ultrasonic Assisted Milling), tiện (Ultrasonic Assisted Turning), mài (Ultrasonic Assisted Grinding), khoan (Ultrasonic Assisted Drilling), ta-rô ren (Ultrasonic Vibration Assisted Tapping) v.v. Ngoài ra, siêu âm còn được tích hợp vào một số phương pháp gia công tiên tiến (Ultrasonic Vibration Assisted Non-Conventional Machining) như gia công bằng tia lửa điện và gia công bằng lazer có trợ giúp của siêu âm. Công nghệ tiện có dao động hỗ trợ là một phương pháp gia công mà ở đó, rung động cưỡng bức có tần số cao, biên độ rất nhỏ (tính bằng micromet) được bổ sung vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ và chi tiết trong quá trình gia công. Lưỡi dao 2
hoặc phôi sẽ thực hiện dao động theo một hay nhiều phương so với phương của vận tốc cắt. Sự kết hợp giữa chuyển động rung cưỡng bức này với chuyển động cắt làm cho sự tiếp xúc giữa lưỡi cắt và phôi thay đổi theo chu kỳ. Điều này dẫn đến sự thay đổi tương tác ma sát trong vùng tiếp xúc giữa dụng cụ, chi tiết gia công và phoi, do đó có thể làm giảm lực cắt, cải thiện chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, nâng cao năng suất và tuổi bền dụng cụ. 1.1.5 Nguồn dao động: - Nguồn dao động tự nhiên: Trong quá trình cắt gọt luôn xảy ra các rung động. Hiện tượng này xảy ra trên toàn bộ hệ thống công nghệ: dao cắt, mũi cắt, đồ gá, chi tiết gia công…. Các nguyên nhân gây ra rung động: – Do độ cứng vững của hệ thống công nghệ – Do thành phần của vật liệu, chi tiết gia công không đồng đều. – Do lượng dư gia công không đồng đều hoặc do rung động từ các bộ phận máy móc khác truyền tới…. Tác hại , ảnh hưởng của sự rung động: – Rung động làm cho chất lượng bề mặt gia công xấu. – Giảm tuổi thọ của dao cắt, mũi khoan – Giảm tuổi thọ trung bình của vòng đời máy Khắc phục rung động bằng những biện pháp cụ thể sau: Để có thể khắc phục tốt hiện tượng rung động thì trước hết cần phải tìm hiểu rõ nguyên nhân gây nên những rung động đó để có được biện pháp loại trù nó tốt nhất. – Làm móng cục bộ cho những máy gây ra rung động lớn trong quá trình gia công – Cân bằng động các chi tiết, bộ phận của máy – Cân bằng, cố định chi tiết khi gá nó trên bàn máy, mâm cặp – Tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ: tăng khối lượng thân máy, tăng độ cứng vững của đồ gá, gá dao, thu gọn chi tiết.… 1.1.6 Nguồn dao động cưỡng bức: Động cơ PZT (piezoelectric) Là loại động cơ điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, trong đó khi có điện trường đặt lên khối vật liệu áp điện sẽ làm thay đổi hình dạng của khối đó, tạo ra cơ năng. Ưu điểm của động cơ áp điện là kích thước nhỏ, có tỷ số công suất trên khối lượng rất cao,, hoạt động không cần từ trường, và làm việc được trong chân không. Nó được ứng dụng trong các thiết bị điện tử thông dụng và trong nghiên cứu vũ trụ. 3
Hình 1.4: Các loại PZT 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước: 1.2.1 Ngoài nước: - Kiểm soát phoi là một trong những vấn đề cần giải quyết trong việc sử dụng máy tiện tự động nhỏ được sử dụng trong sản xuất phụ tùng ô tô và gia công chính xác nhỏ các bộ phận trong sản xuất thiết bị y tế và thiết bị OA. Nếu phoi không được sản xuất hoặc xử lý tốt, chúng có thể bị vướng và dẫn đến giảm tuổi thọ công cụ, bề mặt sản phẩm bị hỏng và thậm chí là hỏng máy. Nói cách khác, kiểm soát phoi là yếu tố ưu tiên để cải thiện tuổi thọ công cụ. Điều này lần lượt thúc đẩy mức chất lượng ổn định và để tối ưu hóa hiệu quả gia công, nên sử dụng chất làm mát áp suất cao để phá vỡ phoi trực tiếp và chèn với bộ phận bẻ phoi phù hợp. một cách tiếp cận hoàn toàn mới để kiểm soát phoi với công nghệ cắt rung tần số thấp. Vào mùa thu 2013, Citizen đã thu hút sự chú ý cả trong và ngoài nước bằng cách giới thiệu một máy kết hợp công nghệ này. Yoshimitsu Oita thuộc Phòng kinh doanh vật liệu Mitsubishi và Akira Sato của Phòng phát triển vật liệu Mitsubishi đã đến thăm Takaichi Nakaya và Kazuhiko Sannomiya tại Phòng phát triển máy móc công dân để phỏng vấn họ về khái niệm và tương lai của công nghệ cắt rung tần số thấp. 1.2.2 Trong nước: - Ở Việt Nam hiện nay, ứng dụng của siêu âm công suất cao đã được giới thiệu và thương mại hóa thông qua nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài trong một số lĩnh vực như hàn siêu âm (Ultrasonic Welding), siêu âm làm sạch (Ultrasonic 3 Cleaning) v.v. Hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu áp điện nhằm sản xuất các bộ chuyển đổi siêu âm 4
cũng mới được triển khai những năm gần đây tại một số trường Đại học. Tuy nhiên, ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ khí vẫn chưa được cập nhật, công bố khoa học về kỹ thuật ứng dụng rung động siêu âm trợ giúp gia công chưa thấy xuất hiện trong nước. 1.3 Tính cấp thiết của đề tài Việc gia công các vật liệu mới được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, quốc phòng, hàng không, y tế và điện tử, sở hữu khả năng chống mòn, độ bền cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống suy thoái hóa học tạo ra những thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu. Cuộc cách mạng công nghiệp đã được bắt đầu và chuyển sang các quy trình sản xuất mới, từ sản xuất thủ công đến quy trình gia công. Để giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường, một số kỹ thuật được sử dụng. Trong khi bôi trơn đóng một vai trò quan trọng trong các thông số thay đổi, chẳng hạn như tuổi thọ dao, nhiệt độ cắt, hoàn thiện bề mặt, hình thành phoi và lực cắt. Tiện ích siêu âm (UAT) đã được giới thiệu. Trong kỹ thuật này, rung động được kết hợp với quy trình tiện thông thường để đạt được lợi thế kết hợp của cả hai kỹ thuật trong quy trình gia công. Hệ thống điều khiển UAT được phát triển bằng cách sử dụng bộ tạo chức năng để tạo ra tần số yêu cầu và điện áp đầu ra được kết nối trực tiếp với bộ truyền động áp điện. Trong khi bộ truyền động áp điện PZT là thiết bị chính được sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng rung, trong đó rung động truyền đến đầu cắt và thực hiện trong năng lượng cơ học để loại bỏ vật liệu không mong muốn và tạo ra kích thước chính xác của vật liệu làm việc. Đặc tính của quy trình gia công này về mặt lý thuyết có khả năng giảm hao mòn dụng cụ, lực cắt và dựa trên phân tích thử nghiệm hiện tại đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về hoàn thiện bề mặt và giảm hao mòn công cụ. Tiện có dao động hỗ trợ phá vỡ phoi thành những mảnh nhỏ và xả chúng trong quá trình hoạt động. Điều này giải quyết tất cả các vấn đề gây ra bởi phoi vướng víu trong quá trình gia công vật liệu khó cắt và khoan lỗ sâu. 1.4 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, thiết kế cán dao tiện có dao động hỗ trợ. Phân tích, mô phỏng cán dao tiện bằng phần mềm Moldex 3D Thí nghiệm thực tế quá trình tiện. So sánh với phương pháp tiện truyền thống, tổng kết kết quả. 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu Cán dao tiện Khớp nối mềm Phương pháp mô phỏng độ cứng của khớp mềm. 5
1.5 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 1.5.1. Cách tiếp cận Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả. 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu a. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới công nghệ tiện có dao động hỗ trợ,đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài b. Phương pháp phân tích mô phỏng: Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các lý thuyết về phần mềm mô phỏng Ansys Mô phỏng: tiến hành các mô phỏng liên quan đến thiết kế của đề tài. Dựa trên các kết quả về mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench về các yếu tố: + Độ biến dạng của cán dao + Độ cứng của cán dao theo phương X và phương Z. Từ đó làm sang tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao. 1.6 Kế hoạch thực hiện Kế hoạch thực hiện luận văn được trình bày tóm tắt trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện đồ án Các nội dung, công việc Sản phẩm Thời gian STT thực hiện chủ yếu phải đạt (số tháng) 1 Nghiên cứu lý thuyết Báo cáo 2 tháng 2 Chế tạo sản phẩm Sản phẩm 2 Tuần 3 Thử nghiệm, phân tích kết quả Báo cáo 1 Tuần 4 Viết báo cáo tổng kết Báo cáo 1 tháng 6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TIỆN CÓ DAO ĐỘNG HỖ TRỢ. 2.1 Giới thiệu chung: Giới thiệu về cơ sở lý thuyết: Nội dung chương này là trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình tiện có sự trợ giúp của dao động tạo ra từ thiết bị PZT. Nguyên tắc và cơ chế của quá trình tiện có dao động hỗ trợ. Một số vấn đề về khớp nối mềm cũng như độ cứng của vật liệu làm cán dao. Tiện có dao động hỗ trợ PZT - Các nghiên cưú về khoa học gần đây đã chỉ ra việc giảm hệ số ma sát của các thành phần trong quá trình gia công sản phẩm góp phần hoàn thiện bề mặt sản phẩm. - Trong gia công cơ khí vấn đề nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất cắt khi gia công các loại vật liệu có độ cứng cao đang là một lĩnh vực được các nhà chế tạo, các nhà khoa học đang nghiên cứu. - Nó là một phương pháp gia công phổ biến cần đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cắt cao. Để khắc phục những hạn chế kể trên, gia công cắt rung nói chung hay công nghệ tiện có tích hợp rung động cưỡng bức nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và công bố. Cắt rung là một kỹ thuật sử dụng rung động với tần số cao hay thấp tác động lên dụng cụ cắt hoặc phôi trong một hoạt động gia công để đạt được hiệu suất cắt tốt hơn.Kỹ thuật này đã được sử dụng trong gia công chính xác gỗ và thép cacbon thấp. - Trong qúa trình tiện cứng có tích hợp rung động cưỡng bức là ta đưa thêm vào qúa trình cắt một nguồn rung động chủ động với tần số cao và biên độ dao động theo hướng chuyển động chạy dao của dụng cụ cắt và phôi. Ở qúa trình này thì nguồn tạo rung là các cơ cấu ứng dụng hiệu ứng áp điện.Các cơ cấu rung sử dụng tinh thể gốm áp điện hay cơ cấu chuyển đổi áp điện PZT ( Piezoelictric Transducers) thường có tần số rung lớn và biên độ rung nhỏ.Vì vậy khi tiện có tích hợp rung động cưỡng bức có sử dụng các cơ cấu này sẽ khắc phục được những nhược điểm mà gia công tiện còn tồn tại kể trên.Các PZT này đã được ứng dụng phổ biến và chế tạo thành công trên nhiều loại máy ở các nước trên thế giới. - Các thực nghiệm trên thế giới chỉ ra rằng tiện có tích hợp rung động cưỡng bức có 9 ưu điểm vượt trội so với tiện cứng truyền thống đó là:  Lực cắt giảm từ 3 đến 10 lần  Sản phẩm đạt cấp độ chính xác cao  Nhiệt cắt thấp  Không tạo nên hiện tượng lẹo dao, không có bavia khi cắt, biến dạng ít  Độ nhám bề mặt thấp  Độ cứng vững của hệ thống công nghệ cao  Quy trình cắt ổn định, loại bỏ hiện tượng va đập giữa dao và phôi khi cắt 7
 Tuổi thọ của dụng cụ cắt tăng từ 3 đến 8 lần  Tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn cho chi tiết gia công. - Trong lĩnh vực gia công cơ khí ở Việt Nam thì việc chế tạo được cơ cấu PZT ứng dụng phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước là một vấn đề mới mẻ đã được các nhà khoa học, các nhà nghiên cứu và chế tạo bàn luận đưa ra hướng tiếp cận tại hội nghị cơ học. 2.1.1 Những ưu điểm vượt trội: - Vận hành và kiểm chứng cho thấy sự ưu việt của việc tiện có dao động hỗ trợ về khả năng bẻ phoi, tuổi bền dao, nhám bề mặt, độ tròn, độ trụ so với tiện truyền thống inox304 như sau :  Rung động cưỡng bức làm tăng khả năng bẻ phoi cho tiện cứng, phoi tiện có rung thường là phoi vụn.  Sơ bộ đánh giá tuổi bền dao: Độ mòn mảnh dao của tiện cứng có rung chỉ bằng khoảng 1/3 so với tiện cứng truyền thống.  Nhám bề mặt chi tiết tiện cứng rung so với tiện cứng truyền thống khơng những có giá trị trung bình nhỏ hơn mà còn có phạm vi phân tán nhỏ hơn hẳn. Giảm cấp độ nhám từ 1 đến 2 cấp.  Độ tròn của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/3 lần so với độ tròn bề mặt khi tiện thường.  Độ trụ của tiện rung chỉ bằng khoảng gần 1/2 lần so với độ trụ bề mặt khi tiện thường. 2.1.2 Kết luận - Trong qúa trình tiện do phôi có độ cứng khá cao nên trong qúa trình cắt ma sát giữa phoi và dụng cụ cắt lớn làm cho lực cắt lớn, dụng cụ cắt mòn nhanh, đồng thời tại vùng cắt nhiệt phát sinh cao làm giảm chất lượng bề mặt của chi tiết sau qúa trình gia công. Để khắc phục các nhược điểm của tiện truyền thống, việc ứng dụng rung động cưỡng bức vào qúa trình tiện nhằm nâng cao độ chính xác về kích thước, độ chính xác về hình dáng hình học và độ nhẵn bóng bề mặt cho gia công tiện cứng nói chung. 2.2 Công nghệ cắt rung siêu âm (UCV) - Cắt rung siêu âm (Ultrasonic vibration cutting – UVC) chính là một qúa trình cắt tiên tiến đã được ứng dụng từ những năm 1960. Trong kỹ thuật cắt này, dụng cụ cắt truyền thống dao động với tần số siêu âm bởi đặc tính của các PZT (Voronin và Marknov, 1960; Isaev và Anokhin, 1961; Skelton 1968 & 1969, và các tác giả khác). Do có sự chuyển động gián đoạn giữa dụng cụ cắt và phôi nên lực cắt giảm rõ rệt, làm tăng tuổi thọ dụng cụ cắt và cải thiện được tính ổn định khi cắt cũng như độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt (Skelton 1969; Kumabe và cộng sự, 1984 & 1989; Kim và Choi, 1997; Shamoto và Moriwaki, 1994; Xiao và cộng sự, 2002; Suzuki và cộng sự, 2004; Ma và cộng sự). - Hơn nữa, kỹ thuật UVC có thể khắc được các khó khăn về tính kinh tế trong các phương pháp gia công truyền thống như đã được đề cập ở trên và nó còn có thể 8