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.