Tài liệu đánh giá ảnh hưởng của khoan thép không gỉ sus 304 có rung trợ giúp

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------------- NGUYỄN THỊ THẢO ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA KHOAN THÉP KHÔNG GỈ (SUS 304) CÓ RUNG TRỢ GIÚP CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 60.52.01.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ Thái Nguyên, năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thảo Học viên lớp cao học khóa K16 - chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí- Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiên đang công tác tại Trường Cao đẳng nghề dân tộc nội trú Bắc Kạn, tỉnh Bắc Kạn. Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Dự. Ngoài thông tin trích dẫn từ các tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016 Người thực hiện Nguyễn Thị Thảo LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học, thầy giáo - PGS.TS. Nguyễn Văn Dự đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc và ThS Chu Ngọc Hùng của Trung tâm sáng tạo sản phẩm – Khoa Quốc tế - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm cho đề tài này. Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, trường Cao đẳng nghề Dân tộc nội trú Bắc Kạn đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn. Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016 Người thực hiện Nguyễn Thị Thảo TÓM TẮT Các ưu điểm vượt trội của phương pháp khoan có rung động trợ giúp so với khoan truyền thống (không có rung động trợ giúp) đã được thực nghiệm, kiểm chứng và đánh giá thông qua các bộ thí nghiệm khoan lỗ sâu, có tỷ số L/D = 12 trên vật liệu thép không gỉ SUS 304. Một thiết bị tạo rung động tích cực tần số 50 – 70 Hz, sử dụng năng lượng khí nén, gọn nhẹ, đơn giản, dễ vận hành, giá thành rẻ đã được thiết kế, chế tạo lần đầu tiên ở Việt Nam. Thiết bị đã vận hành ổn định, tin cậy, cho phép thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động trợ giúp gia công khoan lỗ sâu so với phương pháp khoan truyền thống. Cơ cấu tạo rung động bằng khí nén có thể tạo rung động với tần số từ 52 Hz, biên độ từ 61 µm, được tích hợp vào hệ thống khoan nhằm tạo rung động cho phôi theo phương dọc trục mũi khoan để khoan các mẫu thép không gỉ SUS 304. Các lỗ có đường kính 3.0mm, tỷ số chiều sâu lỗ trên đường kính L/D bằng 12 đã được gia công đối chứng cả hai phương pháp khoan có rung và không rung. Các bộ thí nghiệm đã được thiết kế nhằm so sánh 5 chỉ tiêu chính, bao gồm: Lực dọc trục, hiện tượng mòn mũi khoan, sự hình thành và thoát phoi, độ lay rộng lỗ khoan, độ không tròn lỗ khoan… Kết quả thí nghiệm sau gia công được phân tích so sánh thông qua kiểm nghiệm so sánh t (2 samp le t-test) trên 44 mẫu đo. Kết quả cho thấy khoan có rung động trợ giúp có thể giảm lực cắt đến 2,6 lần, giảm độ lay rộng lỗ đến 4.3 lần, giảm độ không tròn lỗ khoan đến 14.8 lần, so với khoan không rung. Các kết quả thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng, khoan có rung động trợ giúp cải thiện đáng kể tuổi bền dụng cụ cắt, độ ổn định kích thước lỗ khoan, cải thiện điều kiện thoát phoi. Trong nước và trên thế giới, rung động trợ giúp gia công thường được thực hiện bởi các bộ tạo rung công kềnh (như động cơ Servo, li tâm cơ khí..) hoặc các thiết bị đắt tiền (các tinh thể áp điện, sóng siêu âm…). Kết quả nghiên cứu này đã đem lại khả năng làm chủ về công nghệ với thiết bị tạo rung động trợ giúp gia công dễ chế tạo, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Kết quả đã được công bố trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam tháng 5/2016 và Tạp chí Khoa học và công nghệ Đại học Thái Nguyên, tháng 7 năm 2016. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 3 TÓM TẮT .................................................................................................................. 4 MỤC LỤC .................................................................................................................. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 12 DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 12 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................... 12 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 13 0.1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................13 0.2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................14 0.3. Các kết quả đã đạt được .....................................................................................14 0.4. Cấu trúc luận văn ...............................................................................................15 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP .... 16 1.1. Giới thiệu............................................................................................................16 1.2. Tổng quan về khoan có rung trợ giúp ................................................................16 1.3. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp ..........................................................16 1.3.1. Phương pháp tạo rung động bằng cơ khí ( thủy lực) .....................................16 1.3.2. Phương pháp tạo rung bằng điện từ ................................................................ 19 1.3.3. Tạo rung bằng hiệu ứng áp điện ......................................................................20 1.4. Kết luận chương ................................................................................................. 24 Chương 2. CHẾ TẠO, VẬN HÀNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ........................ 25 2.1. Giới thiệu............................................................................................................25 2.2. Nguyên lý tạo rung tần số thấp ..........................................................................25 2.3. Xác định các thông số chế tạo ............................................................................26 2.4. Kết quả ...............................................................................................................29 2.4.1. Sơ đồ lắp đặt gá khoan tần số thấp ..................................................................29 2.4.2. Chế tạo, lắp láp các chi tiết chính ...................................................................30 2.4.3. Lắp ghép các chi tiết để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh .....................................34 2.5. Kết luận chương .................................................................................................35 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SO SÁNH .................................... 36 3.1. Giới thiệu............................................................................................................36 3.2. Thiết bị thí nghiệm ............................................................................................36 3.2.1. Máy công cụ ....................................................................................................36 3.2.2. Mũi khoan ......................................................................................................37 3.2.3. Phôi gia công ...................................................................................................37 3.2.4. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm: .............................................................................38 3.2.5. Chế độ công nghệ ............................................................................................39 3.3. Thiết bị tạo rung .................................................................................................39 3.3.1. Cơ cấu tạo đầu rung khí nén ...........................................................................39 3.3.2. Máy nén khí .....................................................................................................41 3.3.2. Van điều áp .....................................................................................................41 3.4. Thiết bị đo. .........................................................................................................42 3.4.1. Thiết bị đo lực .................................................................................................42 3.4.2. Kính hiển vi điện tử SEM (Scanning Electron Microscope) ..........................44 3.4.3. Đồng hồ so ......................................................................................................44 3.5. Cách thức thực hiện thí nghiệm .........................................................................44 3.6. Xác định số lượng mẫu cần thí nghiệm..............................................................48 3.7. Kết luận chương ................................................................................................. 48 Chương 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SO SÁNH ............................................ 49 4.1. Giới thiệu............................................................................................................49 4.2. So sánh lực dọc trục khi khoan ..........................................................................49 4.2.1. So sánh lực dọc trục ở chế độ cắt thứ nhất......................................................49 4.2.2. So sánh lực dọc trục ở chế độ cắt thứ hai........................................................61 4.3. So sánh mòn dụng cụ cắt ....................................................................................72 4.3.1. So sánh mòn dụng cụ cắt ở chế độ thứ nhất ...................................................72 4.3.2. So sánh độ mòn dụng cụ cắt ở chế độ thứ hai .................................................73 4.4. So sánh sự hình thành và thoát phoi...................................................................74 4.4.1. So sánh sự hình thành và thoát phoi ở chế độ thứ nhất ...................................74 4.4.2. So sánh sự hình thành và thoát phoi ở chế độ thứ hai .....................................75 4.5 . So sánh độ lay lộng lỗ khoan : ..........................................................................77 4.5.1.So sánh độ lay rộng lỗ khoan ở chế độ thứ nhất .............................................77 4.5.2. So sánh độ lay rộng lỗ khoan ở chế độ thứ hai ...............................................85 4.6. So sánh độ không tròn lỗ khoan : .......................................................................93 4.6.1. So sánh độ không tròn ở chế độ thứ nhất ........................................................93 4.6.2. So sánh độ không tròn lỗ khoan ở chế độ cắt thứ hai .....................................95 4.7. Mức độ biến động của đường kính lỗ khoan : ...................................................98 4.8. Kết luận chương .................................................................................................99 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................101 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................102 Báo cáo về việt tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa Luận văn thạc sĩ theo Nghị quyết của Hội đồng đáng giá Luận văn thạc sĩ. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý hình thành lực li tâm................................................................ 17 Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lí tạo rung li tâm cho gia công khoan.................................. 17 Hình 1.3. Sơ đồ tạo rung bằng khí nén và thủy lực .................................................. 18 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường .......................................... 19 Hình 1.5. Cơ cấu tạo rung động bằng lực từ trường ................................................. 20 Hình 1.6. Sơ đồ hiệu ứng áp điện .............................................................................. 21 Hình 1.7. Ảnh chụp các tấm PZT dạng miếng đơn trong công nghiệp .................... 22 Hình 1.8. Ảnh chụp các PZT xếp chồng ................................................................... 22 Hình 1.9. Mô hình tạo rung theo hiệu ứng áp điện ................................................... 23 Hình 2.1. Mô hình khoan rung với rung động trợ giúp............................................. 25 Hình 2.2. Các thông số kích thước chính của cơ cấu tạo rung bằng khí nén ............ 27 Hình 2.3. Ảnh chụp kết quả thống kê biên độ rung .................................................. 28 Hình 2.4. Ảnh chụp đồ thị biên độ rung.................................................................... 28 Hình 2.5. Ảnh chụp đồ thị phân tích tần số rung ...................................................... 29 Hình 2.6. Mô hình tạo rung theo truyền dẫn khí nén ................................................ 29 Hình 2.7. Ảnh chụp bệ gá cơ sở ................................................................................ 31 Hình 2.8. Ảnh chụp thiết bị đo lực Loadcell ............................................................. 31 Hình 2.9. Sơ đồ đấu mạch 04 Loadcell ..................................................................... 32 Hình 2.10. Ảnh chụp tấm đế ..................................................................................... 32 Hình 2.11. Ảnh chụp thân đồ gá ............................................................................... 33 Hình 2.12. Sơ đồ và ảnh chụp đầu rung kiểu FP-35-M ............................................ 33 Hình 2.13. Ảnh chụp tấm gá ..................................................................................... 34 Hình 2.14. Ảnh chụp cơ cấu tạo rung sau khi lắp ráp ............................................... 35 Hình 3.1. Ảnh chụp máy phay đứng KNUTH – VHF3 ............................................ 37 Hình 3.2. Ảnh chụp mũi khoan HSS – Nachi ........................................................... 37 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép không gỉ SUS 304 ..................................... 37 Hình 3.3. Sơ đồ thí nghiệm ....................................................................................... 38 Hình 3.4. Sơ đồ đầu rung khí nén FP - 35 - M.......................................................... 40 Hình 3.5. Ảnh chụp máy nén khí .............................................................................. 41 Hình 3.6. Ảnh chụp van điều áp................................................................................ 41 Hình 3.7. Loadcell ..................................................................................................... 42 Hình 3.8. Bộ khuếch đại KM02 ................................................................................ 42 Hình 3.9 Ảnh chụp Bộ thu thập dữ liệu NI USB - 6008 ........................................... 43 Hình 3.10. Ảnh chụp kính hiển vi điện tử ................................................................. 44 Hình 3.11. Ảnh chụp đồng hồ so .............................................................................. 44 Hình 3.12.Ảnh chụp ký hiệu các lỗ khoan sau gia công ........................................... 45 Hình 3.13. Ảnh chụp ký hiệu các lỗ khoan sau gia công .......................................... 45 Hình 3.14. Ảnh chụp hệ thống đo lực khi khoan cho cả hai chế độ ......................... 46 Hình 3.15. Ảnh chụp quan hệ điện áp và khối lượng ............................................... 46 Hình 3.16. Minh họa cách đổi điện áp sang lực ........................................................ 47 Hình 3.17. Tính toán số lượng mẫu thí nghiệm cần thiết ......................................... 48 Hình 4.1. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan không rung ......................... 53 Hình 4.2. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan có rung ............................... 53 Hình 4.3. Ảnh chụp giá trị lực trung bình của hai phương pháp khoan ................... 54 Hình 4.4. Ảnh chụp cách phân tích so sánh Two Sampled t – Test ........................ 55 Hình 4.5. Ảnh chụp đồ thị giá trị lực trung bình cả hai phương pháp khoan .......... 56 Hình 4.6. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Two – Sample t – test (giả thuyết đảo = 0.0) ......................................................................................................................... 56 Hình 4.7. Ảnh chụp cách phân tích so sánh Two Sampled t – Test ........................ 57 Hình 4.8. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Two – Sample t – test (giả thuyết đảo = 198) ........................................................................................................................ 57 Hình 4.9. Ảnh chụp cách kiểm định t cho dữ liệu dạng cặp ..................................... 58 Hình 4.10. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 58 Hình 4.11. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0) .... 59 Hình 4.12. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 59 Hình 4.13. Ảnh chụp so sánh lực dọc trục theo cặp.................................................. 60 Hình 4.14. Ảnh chụp phân tích lực dọc trục trung bình và tần suất ......................... 60 Hình 4.15. Ảnh chụp kết quả phân tích Paired T-Test and CI .................................. 61 Hình 4.16. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan có rung ............................. 65 Hình 4.17. Ảnh chụp kết quả thu được của 11 lỗ khoan không rung ....................... 65 Hình 4.18. Ảnh chụp giá trị lực trung bình của hai phương pháp khoan ................. 66 Hình 4.19. Ảnh chụp đồ thị giá trị lực trung bình cả hai phương pháp khoan ........ 67 Hình 4.20. Ảnh chụp kết quả phân tích lực dọc trục bằng so sánh Two Sample t Test ............................................................................................................................ 68 Hình 4.21. Ảnh chụp kết quả phân tích Two-Sample T ........................................... 69 Hình 4.22. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 70 Hình 4.23. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh t dạng cặp ...................................... 70 Hình 4.24. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh Paired t - Test .................................. 70 Hình 4.25. Ảnh chụp so sánh lực dọc trục theo cặp.................................................. 71 Hình 4.26. Ảnh chụp phân tích lực dọc trục trung bình và tần suất ......................... 71 Hình 4.27. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh Paired t – Test ............................... 72 Hình 4.28. Ảnh chụp lưỡi cắt mũi khoan sau 11 lỗ a. Khoan không rung; b. Khoan có rung; c. Sơ đồ các lưỡi cắt .................................................................................... 73 Hình 4.29. Ảnh chụp lưỡi cắt mũi khoan sau 11 lỗ a. Khoan thường; b. Khoan rung; c. Sơ đồ các lưỡi cắt......................................................................................... 74 Hình 4.30. Ảnh chụp phoi sau khoan 11 lỗ ............................................................... 75 Hình 4.31. Ảnh chụp phoi sau khoan 11 lỗ ............................................................... 75 Hình 4.32. Khoan có rung trợ giúp ........................................................................... 76 Hình 4.33. Hiện tượng phoi bám dính ...................................................................... 77 Hình 4.34. Ảnh chụp kết quả phân tích Two Sampled t – Test ................................ 78 Hình 4.35. Ảnh chụp kết quả so sánh độ lay rộng lỗ khoan ..................................... 79 Hình 4.36. Ảnh chụp kết quả phân tích Two – Sample T ......................................... 80 Hình 3.37. Ảnh chụp để so sánh t theo cặp ............................................................... 81 Hình 4.38 . Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0) ... 82 Hình 4.39. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 82 Hình 4.40.Ảnh chụp so sánh độ lay rộng lỗ theo cặp t ............................................. 83 Hình 4.41.Ảnh chụp so sánh độ lay rộng lỗ và tần suất............................................ 83 Hình 4.42. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh theo cặp t ....................................... 84 Hình 4.43. Ảnh chụp cách vẽ và cách tính các thông số của lượng biến độ độ lay rộng lỗ khoan ......................................................................................................................... 84 Hình 4.44. Ảnh chụp kết quả so sánh độ lay rộng lỗ khoan ..................................... 86 Hình 4.45. Ảnh chụp so sánh độ lay rộng trung bình ............................................... 87 Hình 4.46.Ảnh chụp kết quả phân tích Two Sample t - Test .................................... 88 Hình 4.47. Ảnh chụp để so sánh t theo cặp ............................................................... 89 Hình 4.48. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh dạng cặp (Giả thuyết đảo = 0.0 ..... 90 Hình 4.49. Ảnh chụp các lựa chọn để so sánh t theo cặp.......................................... 90 Hình 4.50. Ảnh chụp kết quả phân tích Paired t - test ..............................................91 Hình 4. 51. Ảnh chụp kết quả phân tích so sánh theo cặp t ...................................... 91 Hình 4.52. Ảnh chụp cách vẽ và cách tính các thông số của lượng biến độ độ lay rộng lỗ ....................................................................................................................... 92 Hình 4.53. Ảnh chụp đường kính của lỗ khoan không rung thứ nhất ...................... 94 Hình 4.54. Ảnh chụp kết quả so sánh độ không tròn ................................................ 95 Hình 4.55 .Ảnh chụp đường kính của lỗ khoan không rung thứ sáu ........................ 96 Hình 4.56. Ảnh chụp kết quả so sánh độ không tròn ................................................ 97 Hình 4.57. Ảnh chụp phân bố thông kê đường kính lỗ khi khoan không rung ........ 98 Hình 4.58. Ảnh chụp phân bố thống kê đường kính lỗ khi khoan có rung ............... 99 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Thành phần hóa học của thép không gỉ SUS 304 ..................................... 37 Bảng 3.2. Thông số tập thí nghiệm thứ nhất ............................................................. 39 Bảng 3.3. Thông số tập thí nghiệm thứ hai ............................................................... 39 Bảng 3.4. Thông số của đầu rung khí nén .................................................................40 Bảng 4.1.Thông số chế độ cắt thứ nhất ..................................................................... 49 Bảng 4 2. Đồ thị lực dọc trục thu được của thí nghiệm ............................................ 50 Bảng 4.3. Bảng tổng hợp lực dọc trục trung bình của hai phương pháp ................. 55 Bảng 4. 4. Thông số chế độ cắt thứ hai ..................................................................... 61 Bảng 4.5. Đồ thị lực dọc trục thu được của thí nghiệm ............................................ 62 Bảng 4.6. Bảng tổng hợp lực dọc trục trung bình của cả hai phương pháp .............. 67 Bảng 4.7. Thông số chế độ cắt ................................................................................. 72 Bảng 4.8. Thông số chế độ cắt .................................................................................. 73 Bảng 4.9.Thông số chế độ cắt ................................................................................... 74 Bảng 4.10. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 75 Bảng 4.11. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 77 Bảng 4.12. Độ lay rộng lỗ khoan cho cả hai phương pháp khoan ............................ 77 Bảng 4.13. Độ lay rộng lỗ khoan theo mm .............................................................. 80 Bảng 4.14. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 85 Bảng 4.15. Độ lay rộng lỗ khoan cho cả hai phương pháp khoan (%) ..................... 85 Bảng 4.15. Độ lay rộng đường kính lỗ khoan (mm) ................................................. 89 Bảng 4.16 . Thông số chế độ cắt ............................................................................... 93 Bảng 4.17. Độ không tròn của lỗ khoan cho cả hai phương pháp ............................ 94 Bảng 4.18. Thông số chế độ cắt ................................................................................ 95 Bảng 4.19. Độ không tròn của lỗ khoan cho cả hai phương pháp ............................ 96 CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT UVC Gia công với rung siêu âm (Ultrasonic Vibration Cutting) CUVC UEVC Gia công với rung siêu âm kiểu truyền thống (Conventional Ultrasonic Vibration Cutting) Gia công với rung siêu âm kiểu elip (Ultrasonic Elip Vibration Cutting) PZT Cơ cấu chuyển đổi áp điện (Piezoelectric Transducers) PZT-4 (Một loại cơ cấu chuyển đổi áp điện) ELID Quá trình mài sửa đá bằng điện phân (Electrolytic In Process Dressing) USM EDM Gia công siêu âm (Ultrasonic Machining) Gia công bằng tia lửa điện (Electrical Discharge Machining) ECM Gia công bằng điện hóa (Electrochemical Machining) MỞ ĐẦU 0.1. Tính cấp thiết của đề tài Thép không gỉ SUS 304 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: Xây dựng , ô tô, xe máy, y tế và các thiết bị hàng không như: Trục, van và ốc vít …Tuy nhiên gia công thép không gỉ SUS 304 là rất khó vì thép này có những đặc tính sau: - Có độ bền kéo cao - Độ dẻo cao - Tính dẫn nhiệt kém - Chịu mài mòn cao Do những đặc tính như vậy khi gia công thép không gỉ SUS 304, nhiệt độ cao tập trung ở giữa mũi khoan và phôi đẫn đến ảnh hưởng độ nhám bề mặt của lỗ khoan, chất lượng lỗ khoan, làm giảm tuổi thọ dụng cụ cắt [1]. Vì những lý do trên, khi gia công khoan vật liệu này thường gặp phải các vấn đề về năng suất và chất lượng lỗ khoan [2]. Trong quá trình khoan, phoi không thể thoát ra khỏi vùng cắt một cách tự do như trong các dạng gia công khác. Phoi có ma sát mạnh với mặt trước mũi khoan, rãnh xoắn thoát phoi và thành lỗ khoan, càng cản trở dòng phoi thoát ra, bám chặt vào rãnh xoắn làm tăng mô men xoắn, đồng thời làm phát sinh các lực đẩy ngang mũi khoan. Lực ma sát cũng làm tăng lực cắt [3]. Điều này có thể gây kẹt hoặc xoắn gãy mũi khoan. Hơn nữa, ma sát của phoi dây lên thành lỗ khoan khi phoi thoát ra sẽ cào xước vào bề mặt lỗ khoan làm tăng độ nhám bề mặt lỗ khoan. Ma sát lớn giữa phoi dây với mặt trước, với rãnh xoắn mũi khoan và với thành lỗ khoan còn làm cho nhiệt cắt tăng nhanh, gây mòn mũi khoan và cháy bề mặt lỗ khoan. Do hiện tượng phoi dây gây ma sát lớn nên khi khoan, thành phần lực cắt hướng kính xuất hiện còn làm tăng hiện tượng lay rộng lỗ, méo lỗ, đồng thời làm tăng độ không thẳng của lỗ khoan [4]. Thông thường, mũi khoan dùng để gia công thép không gỉ cần có những lưu tâm đặc biệt về mặt kết cấu và công nghệ chế tạo, chẳng hạn tạo lớp phủ bề mặt mũi khoan nhằm giảm ma sát hoặc mài rãnh xoãn. Một cách tiếp cận khác giải quyết được vấn đề là sử dụng công nghệ rung động trợ giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) [4-9]. Nguyên tắc chung của các phương pháp này là bổ sung một nguồn rung động tương đối dọc trục mũi khoan. Có thể bổ sung rung động cho mũi khoan [5, 7-9] hoặc cho chi tiết gia công [4,6]. Rung động thường là rung siêu âm, có tần số cao (10 – 40 KHz) và biên độ thấp (2- 40 micromet) [4]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng rung động tần Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 13 số thấp (100-200 Hz), được tạo bởi động cơ servo thủy lực [5]. Các kết quả cho thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện thoát phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ không tròn lỗ khoan. Tuy vậy, các thiết bị tạo rung nói trên có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền. Chính vì vậy, ứng dụng khai thác ưu điểm của rung động trợ giúp gia công khoan vẫn chưa được phổ biến. Đề tài này được thực hiện nhằm phát triển một mô hình ứng dụng rung động tần số thấp, giá thành rẻ trợ giúp gia công khoan lỗ sâu trên Thép không gỉ (SUS 304). 0.2. Mục tiêu nghiên cứu. Mục tiêu chủ yếu của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá một mô hình thực nghiệm khoan có rung tích cực, đơn giản, giá thành thấp. - Các mục tiêu cụ thể là: Lựa chọn mô hình rung phôi cho gia công khoan, đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật sau: o Cấu tạo đơn giản; nhỏ gọn; o Dễ vận hành, bảo dưỡng; o Giá thành thấp; - o Có thể chế tạo trong điều kiện công nghệ trong nước; Lắp đặt, vận hành hệ thống thí nghiệm nhằm khảo sát các thông số công nghệ của quá trình khoan có rung động trợ giúp. Nghiên cứu thực nghiệm nhằm kết luận 2 vấn đề sau: o Thực nghiệm so sánh đánh giá các ưu việt của khoan thép không gỉ có rung động trợ giúp so với khoan không rung; o Đưa ra bộ thông số phù hợp khi khoan thép không gỉ có rung động trợ giúp. 0.3. Các kết quả đã đạt được Đề tài đã nghiên cứu so sánh, lựa chọn đánh giá các ưu việt của khoan thép không gỉ có rung động trợ giúp so với khoan không rung. Các thí nghiệm đã được thực hiện để kiểm nghiệm cơ cấu tạo rung và tính ưu việt của khoan có rung động trợ giúp. Các kết quả mà đề tài đã đạt được bao gồm: - Thiết kế, chế tạo một hệ thống thiết bị gá rung tích cực dùng cho gia công khoan; - Vận hành, thí nghiệm khoan với sự trợ giúp của rung động bằng cơ cấu tạo rung động khí nén. Đưa ra bộ thông số công nghệ gia công khoan có rung động trợ giúp. Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 14 - Khẳng định được ưu việt vượt trội của khoan có rung động trợ giúp so với khoan không rung qua các số liệu thực nghiệm. - 01 bài báo đăng trên Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 5/2016: tên bài báo “Nghiên cứu thực nghiệm khoan lỗ sâu thép không gỉ SUS 304 có trợ giúp bằng rung động tần số thấp” - 01 bài báo đăng trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số tháng 7/2016: tên bài báo “Một số kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của gia công khoan lỗ sâu tích hợp rung” 0.4. Cấu trúc luận văn Ngoài phần giới thiệu và phần kết luận chung, luận văn được chia thành 4 chương với các nội dung như sau: Chương 1. Tổng quan về gia công có rung động trợ giúp với các ưu việt nổi trội của phương pháp này sẽ được trình bày. Phần cốt lõi của chương chính là so sánh các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Chương 2 . Chế tạo và vận hành thiết bị thí nghiệm bằng cơ cấu tạo rung khí nén cũng được trình bày trong chương này. Các bước lắp ghép chi tiết máy để hoàn chỉnh cơ cấu tạo rung động. Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm so sánh, trong chương này trình bày cách thức thiết kế, triển khai, thu thập và phân tích số liệu thí nghiệm.. Chương 4. Kết quả thực nghiệm so sánh, chương này xử lý, phân tích và đánh giá tính ưu việt của khoan có rung động trợ giúp so với khoan không rung được phân tích thông qua các thí nghiệm so sánh đối chứng. Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong phần cuối cùng của luận văn. Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 15 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG TRỢ GIÚP 1.1. Giới thiệu Chương này trình bày về tổng quan quá trình gia công có rung động trợ giúp với các ưu việt của nó. So sánh các phương pháp tạo rung động, kết hợp với điều kiện thực tế để lựa chọn phương pháp tạo rung để thiết kế, chế tạo và thử nghiệm. Phần 1.2 trình bày về về khoan có rung động trợ giúp. Phần 1.3 giới thiệu về các phương pháp tạo rung đã được áp dụng trong công nghiệp. Phần cuối là tóm tắt các kết luận của chương. 1.2. Tổng quan về khoan có rung trợ giúp Thép không gỉ có vai trò quan trọng và được ứng dụng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, thiết bị y tế, thiết bị chế biến thực phẩm cũng như xây dựng và đồ dân dụng. Do đặc tính có độ bền nhiệt cao, tương tác với hầu hết các loại vật liệu dụng cụ cắt, nên thép không gỉ được xếp vào một trong những vật liệu khó gia công. Trong họ thép không gỉ, SUS304 là một trong những mác thép khó gia công nhất, với hệ số tính năng cắt chỉ khoảng 50% [10]. Các tồn tại khi gia công thép không gỉ, đặc biệt là khi khoan thép SUS304, bao gồm: dụng cụ mòn nhanh, năng suất cắt thấp, lực cắt và công suất cắt lớn… đã và đang nhận được sự quan tâm tìm hướng giải quyết của các chuyên gia nghiên cứu [11-14].Kỹ thuật rung động trợ giúp gia công (Vibration Assisted Machining – VAM) đã được nhiều nghiên cứu khẳng định là khắc phục được các tồn tại trên đây [3-6,15-16].Các kết quả cho thấy gia công bằng khoan có rung động trợ giúp cải thiện điều kiện thoát phoi, giảm lực cắt, tăng tuổi bền mũi khoan, giảm độ méo lỗ khoan.Tuy vậy, các thiết bị tạo rung đã và đang được sử dụngđều hoặc có kết cấu cồng kềnh, phức tạp, hoặc đắt tiền, đặc biệt là các thiết bị tạo rung siêu âm. Giải pháp khai thác cơ cấu tạo rung động tần số thấp, giá thành rẻ để trợ giúp gia công khoan đã được triển khai và cho kết quả tốt trên hợp kim nhôm [9,16]. Dù vậy, ưu việt của việc ứng dụng cơ cấu này trong khoan thép không gỉ, đặc biệt ở góc độ làm giảm lực cắt, nâng cao chất lượng lỗ khoan vẫn chưa được khẳng định. Bài báo này giới thiệu các kết quả giải đáp các vấn đề nói trên. 1.3. Các phương pháp tạo rung động trợ giúp Hiện nay có rất nhiều nguyên lý tạo rung khác nhau, được thống kê thành 03 nhóm chính: Tạo rung bằng cơ khí, tạo rung bằng điện từ, tạo rung bằng siêu âm. Các phương pháp được trình bày chi tiết như dưới đây. 1.3.1. Phương pháp tạo rung động bằng cơ khí ( thủy lực) a. Tạo rung bằng lực li tâm Nguyên lý tạo rung bằng lực li tâm do bánh lệch tâm quay được Tasaplin và cộng sự, đề xuất vào năm 1949, có giá trị như sau: Flt  m. 2 .r (N) Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo (1.1) Trang 16 Trong đó: m – khối lượng lệch tâm (kg); r – bán kính tâm quay (m);  - vận tốc góc (rad/s). Hình 1.1. Nguyên lý hình thành lực li tâm Mô hình thiết kế, chế tạo nguyên lý tạo rung li tâm cho nguyên công khoan được thể hiện trên hình 1.2 Hình 1.2.Sơ đồ nguyên lí tạo rung li tâm cho gia công khoan Cơ cấu được minh họa trên hình 1.2 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 như 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 hướng chữ V để kết hợp với sống dẫn hướng trên phần giá lắp động cơ để khống chế phương rung chỉ theo phương 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 được 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 hướng chữ V. Cơ cấu này còn có Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 17 các bu lông, đai ốc, đệm lót làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết và bộ đồ gá kẹp phôi để truyền rung động từ cơ cấu lên phôi. Cơ cấu tạo rung bằng lực li tâm có ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: Thiết kế, chế tạo đơn giản chi phí thấp điều chỉnh được biên độ rung - Nhược điểm: Tần số thấp (trong khoảng 100 Hz) khó điều chỉnh chính xác biên độ rung động, hệ thống cồng kềnh. b. Tạo rung bằng truyền dẫn chuyển động thẳng khí nén (thủy lực) Trong truyền dẫn này, năng lượng từ khí nén hay thủy lực tạo chuyển động đi lại của bộ tạo rung, thể hiện trên hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ tạo rung bằng khí nén và thủy lực Trên hình 1.3a, khí nén từ ngoài vào buồng phải của pít tông 8 qua lỗ 3 và 4, nén lò xo 9, đưa pít tông 8 sang trái. Khí ở buồng trái qua lỗ 7 thoát ra khí trời. Gần cuối vị trí tận cùng bên trái của pít tông 8, lỗ 7 và 4 bị đóng lại, 2 và 6 mở ra, pít tông 8 đảo chiều. Tần số rung của pít tông được điều chỉnh bằng áp suất khí và độ cứng của lò xo 5 và 9. Ở hình 1.3b, bơm 4 qua từng chu kỳ cho chất lỏng vào xi lanh 1 qua ống 3 và hút chất lỏng qua ống 5 làm pít tông 2 di chuyển. Cần 7 có chèn lò xo để thêm bậc tự do cho cơ cấu. Lực kích thích từ cần 7 truyền cho bộ phận làm việc của máy rung. Biên độ dao động được điều chỉnh bằng thay đổi năng suất bơm. Cơ cấu tạo rung bằng truyền dẫn chuyển động thẳng khí nén hay thủy lực có ưu nhược điểm như sau: - Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ vận hành, dễ điều chỉnh tần số và biên độ rung, giá thành thấp. - Nhược điểm: Gây ồn trong quá trình gia công Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 18 1.3.2. Phương pháp tạo rung bằng điện từ Phương pháp này trình bày cơ cấu tạo rung bằng lực từ trường . Để tạo ra rung động bằng lực từ trường, sử dụng nguyên lý dao động từ trường để tạo ra lực hút, đẩy theo chu kỳ thay đổi của chiều từ trường trong các nam châm điện. Đây là nguyên lý tạo rung đã được Franca và Weber đề xuất [18]. Như vậy, có thể sử dụng nguyên lý này để tạo rung khi gia công như được thể hiện trên hình 1.4. Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tạo rung bằng lực từ trường Trên hình1.4a, sử dụng một nam châm điện xoay chiều để tạo ra lực từ xoay chiều. Nam châm điện xoay chiều này được tạo ra bằng cách dùng một ống dây quấn quanh một lõi thép kỹ thuật điện (thép Si), rồi nối 2 đầu cuộn dây với một nguồn điện áp xoay chiều (UAC). Như vậy, với nam châm này, có thể tạo ra lực từ thay đổi chiều theo tần số dòng điện. Để tiếp nhận lực hút, đẩy thay đổi này, bố trí một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện nam châm điện xoay chiều này. Nam châm vĩnh cửu có cấu tạo giống với nam châm điện xoay chiều, nhưng nguồn cung cấp cho nó phải là nguồn điện một chiều (UDC). Khi cố định nam châm xoay chiều và gắn nam châm vĩnh cửu với phôi gia công ở trạng thái có thể di chuyển, lực từ thay đổi sẽ hút, đẩy nam châm vĩnh cửu, dẫn đến phôi gia công sẽ dao động (rung) theo tần số thay đổi chiều của lực. Một thiết bị tạo rung theo nguyên lý này được mô tả trên hình 1.4b [ 9 ]. Trên hình này, nam châm điện 1 với các cuộn dây 4 lắp vào Thực hiện: Nguyễn Thị Thảo Trang 19