1 NỘI DUNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIA CÔNG TINH BỀ MẶT ỨNG DỤNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN Mã số 201 1CK03 Chủ nhiệm đề tài ThS Nguyễn Trường Giang 1 TÓM TẮT Các chi tiết có bề mặt phức tạp đã được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực sản xuất của các ngành công nghiệp như động cơ phản lực, thấu kính, công nghiệp khuôn mẫu, y sinh học và ổ lăn Chúng không những có vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của chi tiết máy mà còn góp phần.
Trang 11
NỘI DUNG BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
Trang 21
TÓM TẮT
Các chi tiết có bề mặt phức tạp đã được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực sản
xuất của các ngành công nghiệp như động cơ phản lực, thấu kính, công nghiệp khuôn mẫu, y-sinh học và ổ lăn Chúng không những có vai trò quan trọng trong quá trình hoạt động của chi tiết máy mà còn góp phần nâng cao tuổi thọ và độ tin
cậy cho thiết bị Tuy nhiên, để đáp ứng được những vai trò trên thì chất lượng bề
mặt và độ chính xác hình dáng của các chi tiết này đòi hỏi rất cao Vì vậy, các phương pháp gia công tiên tiến đã được ứng dụng để nâng cao chất lượng bề mặt
của chi tiết Dựa trên đặc tính của chất lỏng từ tính (một dạng của chất lỏng thông minh), một thiết bị gia công tinh bề mặt chi tiết đã được thiết kế và chế tạo trong đề tài này
Bên cạnh đó, ảnh hưởng của các thông số gia công cũng như tốc độ, kích thước hạt
mài và cường độ dòng điện đến độ nhám bề mặt của chi tiết hợp kim titan đã được
thực hiện Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, tốc độ gia công có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt của chi tiết Với việc tăng tốc độ gia công, độ nhám bề mặt của chi tiết được cải thiện đáng kể Trong khi đó, kích thước hạt mài ảnh hưởng khá ít đến việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công Ngoài ra, cường độ dòng điện còn có tác động lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết Kết quả là, độ nhám bề mặt
của chi tiết gia công bằng hợp kim titan (Ø32 mm) được giảm đáng kể từ Ra = 0.12
µm xuống Ra = 0.018 µm trong các điều kiện gia công thích hợp Dựa trên kết quả
thực nghiệm chứng minh rằng, thiết bị gia công được hình thành từ đề tài đã đáp ứng được yêu cầu của quá trình gia công tinh bề mặt chi tiết phức tạp
Trang 32
ABSTRACT
The complex surfaces have been widely used in industrial production such as jet engines, lenses, mold industry, biomedical and bearings They not only play an important role in the operation of machine parts, but also improve the life and reliability of the equipment However, to satisfy the above requirements, the surface quality and shape accuracy of these parts must be achieved at a high level Therefore, advanced machining methods have been applied to improve the surface quality of the workpieces Based on the properties of magnetic fluid (a form of smart material), a finishing surface device has been designed and fabricated in this study
In addition, the influence of machining parameters as well as polishing speed, abrasive size, and electric current on the surface roughness of titanium alloy workpieces was carried out Experimental results show that the machining speed has a great influence on the surface roughness of the workpiece With the increase
in machining speed, the surface roughness of the workpiece is significantly improved Meanwhile, the abrasive size has little effect on improving the surface quality of the workpiece In addition, the electric current also has a great impact on the surface quality of the workpiece As a result, the surface roughness of titanium alloy workpieces (Ø32 mm) is significantly reduced from Ra = 0.12 µm to Ra = 0.018 µm under suitable machining conditions Based on experimental results, it is proved that the machining equipment which formed from the study has met the requirements of the polishing process for complex surfaces of workpiece
Trang 43
DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU 9
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 15
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 15
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 15
1.1.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 17
1.1.2.1 Gia công tinh bằng ELID 17
1.1.2.2 Gia công tinh bằng cơ – hóa học (CMP) 18
1.1.2.3 Gia công tinh bằng dung dịch mài phi Newton 21
1.1.2.4 Gia công tinh bằng chất lỏng từ biến (MRF) 22
1.2 Tính cấp thiết của đề tài 29
CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ GIA CÔNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KÊ……… 32
2.1 Nguyên lý gia công 32
2.2 Phân tích và l ựa chọn phương án thiết kế 35
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ KIỂM TRA BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ 42 3.1 Tính toán thiết kế các bộ phận chi tiết của máy 42
3.1.1 Tính toán chọn động cơ trục chính 43
3.1.2 Tính toán, thiết kế cụm di chuyển theo phương Z 44
3.1.3 Tính toán, thiết kế cụm chi tiết xoay góc cho động cơ trục chính 50
3.2 Kiểm tra bền các chi tiết chính của thiết bị 56
3.2.1 Kiểm tra bền trục gá động cơ 56
3.2.2 Kiểm tra bền khung đứng và bàn máy 57
3.2.3 Kiểm tra bền giá đỡ động cơ 1 59
3.2.4 Kiểm tra bền giá đỡ động cơ 2 61
3.2.5 Kiểm tra bền giá đỡ động cơ trục chính 62
Trang 54
3.2.6 Kiểm tra bền khung chân đế của thiết bị 64
3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển của thiết bị 65
3.3.1 Cụm điều khiển 65
3.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị điều khiển sử dụng thiết bị 66 3.3.2.1 PLC 66
3.3.2.2 Biến tần (FR-D700) 67
3.3.3 Kết nối và cài thông số biến tần FR-D700 Mitsubishi 69
3.3.4 Sơ đồ kết nối các thiết bị điện 70
CHƯƠNG 4 LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM 72
4.1 Bản vẽ tháo lắp thiết bị 72
4.2 Quy trình tháo và lắp thiết bị 73
4.2.1 Quy trình lắp 73
4.2.2 Quy trình tháo 75
4.2.3 Kiểm tra hoạt động của máy 75
4.3 Gia công thử nghiệm 76
4.3.1 Máy thử nghiệm 76
4.3.2 Dụng cụ đo 77
4.3.3 Dung dịch mài 78
4.3.4 Chi tiết gia công 78
4.3.5 Nam châm điện 79
4.3.6 Bộ điều chỉnh nguồn điện 80
4.3.7 Thông số của quá trình gia công 80
4.4 Kết quả thực nghiệm 81
4.4.1 Ảnh hưởng của tốc độ quay 82
4.4.2 Ảnh hưởng của kích thước hạt mài 83
4.4.3 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện 84
4.5 Kết luận 85
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87
5.1 Kết luận 87
5.2 Kiến nghị 88
Trang 65
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 94
Trang 76
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Quá trình gia công tiện 15
Hình 1.2 Quá trình gia công mài 16
Hình 1.3 Gia công tinh bằng dung dịch mài phi Newton 17
Hình 1.4 Nguyên lý quá trình mài bằng phương pháp ELID 18
Hình 1.5 Quá trình gia công tinh bằng CMP 19
Hình 1.6 Cơ học của quá trình gia công tinh có hỗ trợ điện trường 20
Hình 1.7 Nguyên lý của của quá trình gia công tinh có hỗ trợ điện trường 20
Hình 1.8 Cơ học của quá trình gia công bằng dung dịch mài phi Newton 22
Hình 1.9 Mối quan hệ giữa ứng suất cắt, độ nhớt dưới ảnh hưởng của từ trường 23
Hình 1.10 Sự liên kết giữa các hạt thay đổi theo từ trường 24
Hình 1.11 Cơ chế gia công tinh bề mặt thấu kính bằng MRF 25
Hình 1.12 Mô hình gia công MRF trên máy mài chính xác cao 26
Hình 1.13 (a) Gia công mài mặt trụ ngoài sử dụng đầu mài cong tĩnh, (b) Gia công mài mặt trụ ngoài sử dụng đầu dao phẳng quay 27
Hình 1.14 Hình ảnh phóng to khe hở làm việc của dao đầu cong tĩnh và dao đầu phẳng quay 28
Hình 1.15 Cơ học của quá trình gia công bằng đầu mài cong đứng yên 28
Hình 1.16 Cơ học của quá trình gia công bằng đầu mài phẳng quay 29
Hình 2.1 Nguyên lý của quá trình gia công 32
Hình 2.2 Các loại hạt mài 34
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị (theo phương án 1) 35
Hình 2.4 Mô hình 3D của thiết bị (theo phương án 1) 36
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị (theo phương án 2) 37
Hình 2.6 Mô hình 3D của thiết bị (theo phương án 2) 38
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị (theo phương án 3) 39
Hình 2.8 Mô hình 3D của thiết bị (theo phương án 3) 40
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị gia công 42
Hình 3.2 Động cơ trục chính - S9I200GT 44
Trang 87
Hình 3.3 Cơ cấu truyền động 45
Hình 3.4 Mô hình tính khối lượng của cụm chi tiết di chuyển theo phương Z 46
Hình 3.5 Động cơ điều khiển cụm di chuyển theo phương Z 47
Hình 3.6 Cụm chi tiết chịu lực cho bộ phận di chuyển theo phương Z 49
Hình 3.7 Cụm chi tiết di chuyển theo phương Z 49
Hình 3.8 Biểu đồ nội lực của trục gá động cơ 53
Hình 3.9 Kết cấu của trục gá động cơ 54
Hình 3.10 Bát cố định động cơ 54
Hình 3.11 Giá treo động cơ trục chính 55
Hình 3.12 Cụm chi tiết tạo góc xoay cho động cơ trục chính 55
Hình 3.13 Kết quả chuyển vị của trục gá động cơ theo phương Y 56
Hình 3.14 Kết quả ứng suất sinh ra trong trục gá động cơ 57
Hình 3.15 Kết quả chuyển vị của khung đỡ và bàn máy theo các phương X, Y, Z 58 Hình 3.16 Kết quả ứng suất sinh ra trong khung đỡ và bàn máy 59
Hình 3.17 Kết quả chuyển vị của giá đỡ động cơ 1 60
Hình 3.18 Kết quả ứng suất của giá đỡ động cơ 1 60
Hình 3.19 Kết quả chuyển vị của giá đỡ động cơ 2 61
Hình 3.20 Kết quả ứng suất của giá đỡ động cơ 2 62
Hình 3.21 Kết quả chuyển vị của giá đỡ động cơ trục chính 63
Hình 3.22 Kết quả ứng suất của giá đỡ động cơ trục chính 63
Hình 3.23 Kết quả chuyển vị của khung chân đế 64
Hình 3.24 Kết quả ứng suất của khung chân đế 65
Hình 3.25 PLC – FX2N-32MT 66
Hình 3.26 Biến tần Mitsubishi FR-D700 68
Hình 3.27 Sơ đồ đấu đối động lực biến tần FR-D700 69
Hình 3.28 Bảng chỉ dẫn cài đặt thông số biến tần FR-D700 70
Hình 3.29 Sơ đồ bố trí và kết nối của các thiết bị điện 71
Hình 4.1 Bản vẽ tháo và lắp thiết bị 72
Hình 4.2 Thiết bị được chế tạo hoàn chỉnh dùng cho thực nghiệm 77
Hình 4.3 Máy đo độ nhám bề mặt SJ – A301 77
Trang 98
Hình 4.4 Chất lỏng từ tính MRF-132DG 78
Hình 4.5 Chi tiết thử nghiệm 79
Hình 4.6 Nam châm điện 80
Hình 4.7 Bộ điều chỉnh nguồn 80
Hình 4.8 Mối quan hệ giữa tốc độ quay và độ nhám bề mặt 82
Hình 4.9 Mối quan hệ giữa kích thước hạt mài và độ nhám bề mặt 83
Hình 4.10 Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và độ nhám bề mặt 84
Hình 4.11 Kết quả so sánh giữa trước và sau khi gia công 85
Trang 109
DA NH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số của chất lỏng MRF 132DG 33
Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật của trục vít 45
Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật của trục vít – bánh vít 50
Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật của thiết bị 76
Bảng 4.2 Đặc tính dung dịch hạt mài 78
Bảng 4.3 Cơ – lý tính của thép hợp kim titan 79
Bảng 4.4 Thông số của quá trình gia công 81
Trang 1110
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CNC Máy gia công chương trình số
Trang 12của các chi tiết này đòi hỏi rất cao Vì vậy, để đạt độ nhám bề mặt theo yêu cầu là một nguyên công không thể thiếu trong quá trình gia công cơ khí Việc sử dụng phương pháp gia công tinh lần cuối phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công và độ phức tạp của bề mặt gia công Với những bề mặt đơn giản không yêu cầu độ nhám cao có thể sử dụng phương pháp mài có tâm, vô tâm, mài phẳng, cao hơn có thể kể đến mài khôn, mài nghiền…Đó là những phương pháp gia công tinh
lần cuối theo truyền thống
Khoa học kỹ thuật phát triển ngày nay cũng đã có rất nhiều công nghệ, phương pháp gia công tinh bề mặt được nghiên cứu, phát triển và áp dụng trên thế giới cũng
như ở Việt Nam để gia công các bề mặt phẳng, cong, bề mặt tròn xoay… chẳng hạn như công nghệ gia công bằng bức xạ đàn hồi, gia công bằng cơ – hóa học, gia công bằng thủy động lực học, gia công bằng chất lỏng phi Newton Mỗi phương pháp đều có những tính chất đặc thù và nguyên lý cơ học riêng Phương pháp bức xạ đàn hồi có thể gia công bề mặt cong đạt chất lượng cao nhưng hiệu suất thấp Phương pháp gia công bằng cơ – hoá học có thể đạt hiệu suất cao hơn Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, độ nhám bề mặt Ra và độ tròn của chi tiết gia công theo kỹ thuật CMP đạt được lần lượt là 0,023 μm và 0,39 μm Bên cạnh đó, chất lượng bề mặt và độ chính xác hình dáng của chi tiết gia công được cải thiện đáng kể khi sử
Trang 1312
dụng kỹ thuật CMP Tuy nhiên, đối với phương pháp CMP phải tốn thời gian gia công chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi bước vào gia công chính thức và chất thải hoá học sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường Phương pháp gia công bằng chất lỏng phi Newton năng suất phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng phi Newton Nếu tăng
độ nhớt của chất lỏng thì khó điều chỉnh dòng chảy của chúng Đồng thời, độ nhớt
sẽ thay đổi nếu thay đổi vận tốc chuyển động do đó việc điều khiển độ nhớt chất lỏng trong quá trình gia công sẽ gặp nhiều khó khăn
Từ những phân tích, nhận định trên cho thấy việc nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt chất lỏng là rất quan trọng để đạt được tối ưu hóa trong quá trình gia công tinh
bề mặt Nó giúp cho việc đánh giá chính xác tính cơ học của phương pháp đồng thời góp phần nâng cao khả năng tìm kiếm thay thế, phát triển từ các phương pháp mới
từ các phương pháp truyền thống mà độ nhám bề mặt được cải thiện đáng kể
Thêm vào đó, với sự ra đời của chất lỏng từ tính đã mở ra nhiều hướng nghiên
cứu ứng dụng chất lỏng từ tính này trong công nghiệp Việc ứng dụng chất lỏng từ tính trong gia công tinh bề mặt chi tiết đã được thực hiện Các nghiên cứu này tập trung vào xác định ảnh hưởng của thông số gia công như khe hở giữa đầu mài và chi tiết, cường độ dòng điện, nồng độ dung dịch mài đến chất lượng bề mặt chi tiết Các quá trình thực nghiệm đa phần được tiến hành trên các thiết bị thực nghiệm phức tạp, chi phí cao Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu sử dụng một đầu mài nhỏ trên đó là dung dịch mài từ tính và chuyển hóa đông cứng lại khi có từ trường Phương pháp gia công này phù hợp với các dạng bề mặt của chi tiết phức tạp bao gồm mặt trụ ngoài, mặt cầu lõm, mặt phẳng
Trên cơ sở kết quả các nghiên cứu trước đây, việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, cũng như tìm ra công nghệ gia công tinh phù hợp với dạng bề mặt chi tiết là yêu cầu cấp thiết Do đó, đề tài: “ Thiết kế và chế tạo thiết bị gia công tinh bề mặt ứng dụng lưu chất từ biến” được đề xuất nhằm góp phần tạo ra một thiết bị gia công tinh nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết Trong nghiên cứu này, sẽ kết hợp lưu chất từ biến và các loại hạt mài để tạo ra chất lỏng gia công có từ tính để tiến
Trang 1413
hành gia công tinh bề mặt chi tiết kim loại Dựa trên đặc tính của dung dịch mài từ tính, tác giả sẽ xây dựng mô hình thực nghiệm để phân tích các ảnh hưởng của từ trường, kích thước của hạt mài, tốc độ gia công đến chất lượng bề mặt gia công Quá trình gia công này thực hiện gia công trên chi tiết có bề mặt hình cầu thép hợp kim titan Dựa trên kết quả gia công, quá trình gia công tinh bằng chất lỏng mài từ
tính cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt gia công Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng,
độ nhám bề mặt của chi tiết gia công bằng hợp kim titan (Ø32 mm) được giảm đáng
kể từ Ra = 0,12 µm xuống Ra = 0,018 µm trong các điều kiện gia công thích hợp
Vì vậy, nâng cao hiệu suất của quá trình gia công và cải thiện chất lượng bề mặt
là nhu cầu cấp thiết hiện nay Dựa trên kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, thiết bị gia công được hình thành từ đề tài đã đáp ứng được yêu cầu của quá trình gia công tinh bề mặt chi tiết phức tạp Kết quả là thông qua một quá trình gia công đơn giản
mà có thể gia công được bề mặt chi tiết phức tạp và chất lượng bề mặt được nâng cao, góp phần làm giảm thời gian và tăng độ chính xác gia công
2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo ra được thiết bị gia công tinh bề mặt chi tiết kim loại dựa trên đặc tính của chất lỏng mài từ tính
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thiết kế và chế tạo thiết bị gia công tinh bề mặt chi tiết kim loại dựa trên đặc tính của chất lỏng mài từ tính để tạo ra quá trình cắt
gọt
Phạm vi nghiên cứu: đề tài thực hiện nghiên cứu nguyên lý gia công chi tiết kim
loại bằng cách kết hợp chuyển động quay tròn của chi tiết trong dung dịch mài từ tính, trên cơ sở đó xây dựng bản vẽ thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh thiết bị gia công tinh bề mặt chi tiết Sau đó, kiểm tra khả năng hoạt động của máy bằng cách tiến hành thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số của quá trình gia công đến chất lượng bề mặt chi tiết
Trang 1514
- Phương pháp kế thừa và phương pháp chuyên gia: dựa trên các nghiên cứu trong
và ngoài nước để làm cơ sở lý luận khi tiến hành tính toán, phân tích khả năng gia công tinh bề mặt chi tiết dựa trên đặc tính của chất lỏng mài từ tính để xây dựng nguyên lý và thiết kế bản vẽ kết cấu các chi tiết máy của thiết bị
- Phương pháp thực nghiệm: dựa trên thiết bị được chế tạo và lắp ráp hoàn thiện sẽ tiến hành gia công thử nghiệm đánh giá chất lượng của thiết bị
5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
Với kết quả nghiên cứu sẽ chế tạo ra thiết bị gia công tinh bề mặt chi tiết kim loại
bằng cách kết hợp chuyển động của chi tiết trong dung dịch mài từ tính và xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ gia công đến chất lượng bề mặt chi tiết Trên cơ
sở đó, làm nền tảng cho sự lựa chọn thông số gia công hợp lý cho các bề mặt chi tiết
và có thể ứng dụng trực tiếp được vào công tác giảng dạy và nghiên cứu
Tạo ra hướng nghiên cứu ứng dụng trong gia công tinh các bề mặt phức tạp khác
Trang 1615
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Trong gia công cơ khí, chọn lựa phương pháp gia công và xử lý bề mặt để đạt độ nhám theo yêu cầu là một nguyên công rất quan trọng Việc sử dụng phương pháp gia công tinh lần cuối phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và độ phức tạp của bề mặt chi tiết gia công Đối với những bề mặt đơn giản chỉ yêu cầu chất lượng bề mặt trung bình thì chúng ta có thể chọn phương pháp gia công truyền thống như gia công tiện, gia công phay (như hình 1.1) và kết thúc bằng quá trình mài tinh
Hình 1.1 Quá trình gia công tiện
Để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết, đối với bề mặt đơn giản và yêu cầu chất lượng bề mặt không cao thì phương pháp mài có tâm, mài vô tâm, mài phẳng sẽ được sử dụng (như hình 2) Tuy nhiên, nếu yêu cầu chất lượng bề mặt đạt cao hơn
nữa thì có thể kể đến phương pháp mài khôn, mài nghiền… Đây là những phương pháp gia công tinh lần cuối truyền thống đã ứng dụng rộng rãi từ lâu Các phương pháp gia công tinh truyền thống này cần thời gian gia công tương đối lớn nên hiệu suất không cao Ngoài ra, hình dạng bề mặt gia công chỉ ở giới hạn ở những hình dáng nhất định
