Mục đích của luận án Nghiên cứu tạo hình bộ đôi động học trục vít-dụng cụ gia công và ứng dụng để chế tạo trục vít máy nén khí là xây dựng phương pháp và công cụ thiết kế và chế tạo cặp trục vít ăn khớp nói chung và của cặp trục vít Cycloid máy nén khí nói riêng.
Trang 11
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu về cặp trục vít là rất lớn, đặc biệt là các trục vít sử dụng trong máy nén khí và máy bơm dầu Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam chưa có cơ sở nào thiết kế, chế tạo được cặp trục vít ăn khớp có biên dạng Cycloid đạt độ chính xác cao cần thiết Do vậy, tất cả các cặp trục vít ăn khớp biên dạng Cycloid dùng trong các thiết bị công nghiệp hiện nay đều phải nhập khẩu
Việc thiết kế biên dạng và biên dạng đối ứng của cặp trục vít
ăn khớp thoả mãn điều kiện ăn khớp, có độ kín khít và cấp chính xác cao là hết sức phức tạp vì nó dựa trên lý thuyết bao hình ứng dụng trong lý thuyết ăn khớp, chưa nói đến các tính toán tối ưu hoá biên dạng của cặp trục vít máy nén khí
Vì vậy, công việc thiết kế biên dạng cặp trục vít và biên dạng dụng cụ gia công chúng hiện nay thường sử dụng những phần mềm
chuyên dụng đắt tiền, dựa trên những phương pháp còn chưa được công bố hoặc công bố ở mức độ khái niệm vì đó là bí mật của các
hãng sản xuất
Tương tự như vậy, việc xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ là một vấn đề rất phức tạp về mặt toán học dựa trên lý thuyết bao hình trong lý thuyết tạo hình bề mặt Các tài liệu, sách giáo trình được công bố chủ yếu sử dụng các phương pháp truyền thống như phương pháp giải tích, phương pháp động học, … Tuy nhiên, trên thực tế có nhiều mặt khởi thuỷ phức tạp mà khi xác định nó theo phương pháp
truyền thống là hết sức khó khăn và tốn kém thời gian cũng như độ chính xác thấp Vì thế, việc ứng dụng các kỹ thuật tính toán dựa trên lập trình máy tính có thể làm thay đổi về phương pháp cũng như tạo
ra những công cụ trong công tác thiết kế mặt khởi thuỷ dụng cụ một
cách hiệu quả
Tóm lại, công việc thiết kế và chế tạo các cặp trục vít ăn khớp biên dạng Cycloid hiện nay là cần thiết và vẫn còn là mới đối
với Việt Nam, còn nhiều vấn đề cần tập trung nghiên cứu, trong
đóxác định biên dạng cặp trục vít và biên dạng bề mặt khởi thuỷ của dụng cụ gia công chúng là một vấn đề then chốt
Trang 22
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên tác giả lựa chọn đề
tài:“Nghiên cứu tạo hình bộ đôi động học trục vít-dụng cụ gia
công và ứng dụng để chế tạo trục vít máy nén khí”
2 Mục đích của luận án
Xây dựng phương pháp và công cụ thiết kế và chế tạo cặp trục vít ăn khớp nói chung và của cặp trục vít Cycloid máy nén khí nói riêng
3 Nội dung chính (mục tiêu) của luận án
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp và công cụ thiết kế chính xác biên dạng cặp trục vít ăn khớp nói chung và của máy nén khí nói riêng
.- Nghiên cứu xây dựng phương pháp và công cụ xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công bao hình không tâm tích mặt xoắn vít
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp và công cụ mô phỏng gia công bao hình không tâm tích bằng dụng cụ dạng đĩa
- Thực nghiệm thiết kế biên dạng 3D cặp trục vít máy nén khí, đánh giá sai số
- Thực nghiệm thiết kế biên dạng dụng cụ dạng đĩa gia công cặp trục vít máy nén khí, đánh giá độ chính xác tiếp xúc giữa dụng
cụ và chi tiết
- Thực nghiệm gia công mô phỏng theo phương pháp bao hình không tâm tích bằng dụng cụ dạng đĩa, đánh giá sai số gia công bao hình mô phỏng
- Lập trình Gcode và thực nghiệm gia công cặp trục vít máy
nén khí trên máy CNC 4 trục theo phương pháp số
4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Tạo hình bộ đôi
động học trục vít - dụng cụ gia công
- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Có nhiều phương pháp
tạo hình mặt xoắn vít như chép hình, bao hình có tâm tích, bao hình
Trang 33
không tâm tích, biến dạng dẻo Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp gia công bao hình không tâm tích bằng dụng cụ dạng đĩa và gia công số hoá trên CNC và đặc biệt cụ thể với cặp trục vít Cycloid của máy nén khí Luận án chưa quan tâm nhiều đến Chế độ cắt, vật liệu, lực, nhám bề mặt, … vì đối tượng nghiên cứu của Luận
án tập trung vào tạo hình bề mặt đôi động học
- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết
với thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh phương pháp
5 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn - những đóng góp mới của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Phương pháp thiết kế hỗn hợp được tìm ra và đề xuất đã tạo
ra biên dạng chính xác của cặp trục vít ăn khớp thoả mẵn điều kiện
ăn khớp và độ kín khít cần thiết cho máy bơm đồng thời kế thừa được tính tối ưu của những thiết kế tiềm ẩn trong sản phẩm của các hãng sản xuất mà chưa được công bố hoàn toàn, khắc phục được sai
số của phương pháp thiết kế ngược quen thuộc hiện nay
Phương pháp xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ gia công bao hình không tâm tích mặt xoắn vít được tìm ra và đề xuất có tính tổng quát cao, đảm bảo độ chính xác yêu cầu và giảm thời gian thiết kế dụng cụ gia công, trực quan và dễ dàng đánh giá được các điều kiện tồn tại mặt khởi thuỷ của dụng cụ gia công mặt xoắn vít nói chung cũng như mặt vít Cycloid máy nén khí nói riêng
Giá trị thực tiễn:
Dựa trên phương pháp đề xuất, đã xây dựng thành công hệ thống các chương trình máy tính hỗ trợ cho AutoCAD trong việc: thiết kế nhanh chóng và chính xác cặp trục vít ăn khớp và dụng cụ dạng đĩa gia công chúng; mô phỏng gia công để kiểm tra độ chính
xác gia công, thiết kế ngược có tham số cặp trục vít Cicloid máy nén
khí, gia công số hoá trên CNC…là những vấn đề có ý nghĩa thực tiễn
của luận án
Trang 44
Những đóng góp mới của luận án
- Đã nghiên cứu xây dựng thành công phương pháp và công
cụ mới thiết kế chính xác biên dạng cặp trục vít ăn khớp nói chung
và của máy nén khí nói riêng Độ chính xác tiếp xúc của mô hình thiết kế bề mặt cặp trục vít đã được kiểm định theo hai phương pháp 2D và 3D, và có thể coi là tuyệt đối
- Đã nghiên cứu xây dựng thành công phương pháp và công
cụ mới xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công bao hình mặt xoắn vít nói chung và trục vít máy nén khí nói riêng Độ chính xác của biên dạng khởi thuỷ dụng cụ đã được đánh giá theo hai phương pháp: Phương pháp thứ nhất: Kiểm tra độ tiếp xúc của dụng
cụ gia công và chi tiết, kết quả có thể coi là tuyệt đối chính xác; Phương pháp thứ hai: Kiểm tra độ chính xác biên dạng khởi thuỷ dụng cụ bằng mô phỏng gia công Trong phương pháp này, NCS đã xây dựng thành công chương trình con mô phỏng gia công và tiến hành thử nghiệm
- Đã tiến hành thực nghiệm gia công cặp trục vít Cycloid với công nghệ CAD/CAM/CNC trên máy CNC 4 trục Thời gian gia công và độ chính xác biên dang cặp trục vít được thiết kế theo phương pháp mới là tốt hơn nhiều so với thiết kế ngược truyền thống
và có thể áp dụng được với gia công loạt nhỏ
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRỤC VÍT MÁY NÉN KHÍ
Để có cái nhìn tổng quát về nội dung thực hiện của đề tài, ở chương này tác giả đi khảo sát các công trình nghiên cứu và ứng dụng trục vít cycloid trong nước và trên thế giới Công việc khảo sát tìm hiểu đặc trưng về phương pháp, các kết quả đạt được và những tồn tại của các công trình nghiên cứu, từ đó đặt ra những định hướng của đề tài
Trang 55
1.1 Giới thiệu tổng quan về máy nén khí
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trục vít Cycloid trên thế giới
1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trục vít ở Việt Nam
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu về cặp trục vít là rất lớn, đặc biệt là các trục vít sử dụng trong máy nén khí Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam chưa có cơ sở nào chế tạo được cặp trục vít ăn khớp có biên dạng Cycloid đạt độ chính xác và yêu cầu kỹ thuật do: Các nghiên cứu chưa sâu về lý thuyết ăn khớp của cặp trục vít có biên dạng Cycloid ; Máy dùng để gia công thường là các máy chuyên dùng do dặc thù của chi tiết có kích thước lớn và cần đạt độ chính xác rất cao mà hiện nay trong nước còn nhiều hạn chế; Chưa có công nghệ và dụng cụ để chế tạo ra các sản phẩm có thể ứng dụng trong các thiết bị trên
Do vậy, công nghệ chế tạo các cặp trục vít ăn khớp biên dạng Cycloid hiện nay vẫn là vấn đề mới và còn nhiều điểm trắng, bên cạnh đó công nghệ tìm ra bề mặt thực của dụng cụ gia công cũng là một vấn đề rất quan trọng cần giải quyết
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Thông qua việc nghiên cứu và phân tích các tài liệu cũng như tham khảo tình hình nghiên cứu và sản xuất trục vít Cycloid trong nước và của thế giới Tác giả đưa ra một số kết luận sau:
1 Trục vít có biên dạng Cycloid có nhiều ưu điểm vượt trội so với các trục vít có biên dạng khác và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong máy bơm dầu, máy nén khí, hộp giảm tốc có tỷ số truyền lớn và kích thước nhỏ Vì thế, nhu cầu
xã hội về cặp trục vít có biên dạng Cycloid là rất lớn, cần phải nghiên cứu thiết kế và chế tạochúng
2.Những thành tựu đạt được trong nghiên cứu về thiết kế và gia công cặp trục vít biên dạng Cycloid ở trên thế giới đã đạt được những bước tiến lớn, đã đưa ra nhiều biên dạng mới tối ưu, tuy nhiêncòn những tồn tại sau:
Trang 6phương pháp truyền thống là hết sức khó khăn và tốn kém thời gian cũng như độ chính xác thấp do việc giải những hệ phương trình vi
phân trong nhiều trường hợp là không thể trực tiếp, phải sử dụng phương pháp số dựa trên những thuật toán và phần mềm chuyên dụng đắt tiền và là bản quyền của các hãng sản xuất Vì thế ở Việt nam chưa có cơ sở nào thiết kế và gia công dụng cụ gia công cặp trục vít biên dạng Cycloid
c) Phương pháp gia công số hoá trên CNC cặp trục vít biên dạng Cycloid ở Việt nam còn là mới mẻ, chưa có cơ sở nào sản xuất hàng loạt và công bố chi tiết về vấn đề này
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH
BỘ ĐÔI ĐỘNG HỌC TRỤC VÍT CYCLOID – DỤNG CỤ
GIA CÔNG 2.1.Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt bề mặt trục vít Cycloid 2.2 Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt Dụng cụ cắt
2.3 Các phương pháp truyền thống xác định mặt khởi thuỷ
Khi gia công một chi tiết bằng phương pháp cắt gọt, dụng cụ thực hiện 2 chức năng: chức năng tạo hình bề mặt và chức năng cắt bóc đi lượng dư gia công Dụng cụ thực hiện cả 2 chức năng này bằng chính các lưỡi cắt khi thực hiện tổ hợp cac chuyển động tương đối với chi tiết.Trong trường hợp dụng cụ có nhiều lưỡi cắt, các lưỡi cắt phân bố trên một bề mặt và bề mặt này gọi là bề mặt khởi thủy K của dụng cụ có thể có một lưỡi cắt hay nhiều lưỡi cắt
Trang 77
2.4 Các Điều kiện tạo hình bề mặt khi gia công
Trong thực tế sản xuất có nhiều trường hợp không thể gia công đúng bề mặt cho trước theo như bản vẽ do khi gia công có thể xảy ra nhiều trường hợp sau: Cắt lẹm profin ( tức là trong quá trình gia công, một phần của chi tiết bị dao thâm nhập vào).Không cắt hết
lượng dư (phần đường cong chuyển tiếp)
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
a) Các nguyên lý gia công tạo hình bề mặt như: Gia công định hình, gia công bao hình Các phương pháp xác định mặt khởi thuỷ của dụng cụ cắt trong gia công bao hình Các điều kiện tạo hình khi gia công bề mặt như điều kiện cần và đủ để tồn tại bề mặt khởi thuỷ K của dụng cụ
b) Cơ sở lý thuyết ăn khớp của cặp bề mặt đối ứng trục vít biên dạng Cycloid
c) Phương pháp thiết kế ngược để tạo hình trục vít Cycloid Những nội dung đó được sử dụng để ứng dụng, phân tích, so sánh, định hướng cho những nghiên cứu trong các chương tiếp theo của luận án
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẶP TRỤC
VÍT MÁY NÉN KHÍ 3.1 Phương pháp thiết kế thuận truyền thống
3.2 Phương pháp thiết kế ngược
Trang thiết bị tạo dữ liệu thiết kế ngược
Trang 8Dữ liệu thiết kế ngược có sai lệch khá lớn cả về bước dọc
trục lẫn biên dạng trên mặt cắt ngang (Hình 3.6), không cho phép sử
dụng để gia công vì dung sai yêu cầu của bộ truyền này đối với máy nén khí chỉ là 12 µm Vì thế cần thực hiện công việc tạo ra bản thiết
kế chính xác của cặp trục vít xuất phát từ dữ liệu thiết kế ngược này như phần sau đây
Trang 99
ii) Phân tích dữ liệu gốc, phát hiện ra những sai số về điều kiện ăn khớp (tính tiếp xúc của hai biên dạng đối ứng trong quá trình lăn không trượt) để khắc phục; xác định bước vít (khoảng cách hai profile dọc trục liên tiếp) trung bình;
iii) Khắc phục sai số của biên dạng gốc Kết quả của bước này là có được biên dạng đã được tham số hoá của trục chủ động;
iv) Thiết kế biên dạng đối ứng trên trục bị động từ biên dạng hợp lý của trục chủ động (là kết quả của bước iii);
v) Thiết kế mô hình 3D hợp lý của hai trục dựa trên biên dạng hợp lý với bước xoắn là hằng số đo được từ bước i;
vi) Kiểm tra độ chính xác ăn khớp của mô hình 3D hai trục Những công đoạn trên được triển khai cụ thể với cặp trục vít máy nén khí như sau:
3.3.1 Phân tích dữ liệu gốc và tham số hoá biên dạng trục chủ động
3.3.1.1 Phân tích dữ liệu gốc
3.3.1.2 Tham số hoá biên dạng trục chủ động
Biên dạng trên tiết diện ngang của rotor chủ động bao gồm các phân đoạn Cycloid, các cung tròn tiếp xúc nhau và với những dạng thiết kế gần đây có thể có những đoạn là đường bậc hai Tham
số của các phân đoạn này được nghiên cứu tối ưu hoá và là bí mật
của các hãng sản xuất
Hình 3.7 Biên dạng tham số hoá của trục chủ động Kết quả tham số hoá biên dạng trục chủ động như trên Hình
3 3.7, trong đó:
Trang 1010
AB và HI là cung E-líp;
BC là đường Cycloid có vòng cơ sở là 30 mm, bán kính
vòng tròn lăn không trượt trên vòng cơ sở ( được gọi là epicycle)
được xác định là 33 mm (sau khi chạy chương trình vẽ tự động đường Cycloid với các giá trị khác nhau của bán kính này thì cho thấy bán kính 33 mm cho ra đường Cycloid chính xác nhất (xem hình 3.8)
Hình 3 8 Biên dạng Cycloid với các tham số r khác nhau
Các phân đoạn còn lại là các cung tròn tiếp xúc nhau, bán kính của chúng được xác định bằng cách áp các cung tròn đi qua 3 điểm chọn trên đường biên dạng gốc của dữ liệu thiết kế ngược với chế độ bắt chính xác điểm
3.3.2 Xác định tự động biên dạng đối ứng của trục bị động
Đầu vào: Biên dạng trên tiết diện ngang của trục chủ động Đầu ra: Biên dạng trên tiết diện ngang của bánh răng bị động Thuật toán của chương trình tự động xác định biên dạng đối ứng đảm bảo điều kiện ăn khớp của bộ truyền bánh răng trụ lăn không trượt như trên bên
Kết quả chạy chương trình theo thuật toán trên được chỉ ra
trên các Hình 3 10, Hình 3 11, Hình 3
Trang 1111
Hình 3 10 Biên dạng hai trục chuẩn bị chạy chương trình (trên) và
đạng trong quá trình được tạo tự động (dưới)
Hình 3 11 Biên dạng trục bị động hoàn thiện
Kiểm tra độ chính xác của biên dạng thiết kế 2D
Hình 3 12 Kiểm tra sự tiếp xúc của hai biên dạng
Thực hiện chuyển động lăn không trượt của hai biên dạng với bước góc 6 độ cho trục chủ động và -4 độ cho trục bị động (trục
chủ động quay đủ 90 độ) như trên Hình 3 cho thấy sự tiếp xúc của
hai biên dạng có thể coi là tuyệt đối tại mọi vị trí
3.3.3 Tạo mô hình 3D chính xác của cặp trục vít
3.3.4 Kiểm tra độ chính xác của mô hình thiết kế 3D
Xuất mô hình Solid 3D từ AutoCAD sang File định dạng SAT, sử dụng môi trường INVENTOR để kiểm tra tính tiếp xúc Kết quả chỉ ra rằng biên dạng của hai trục trên mọi tiết diện là tiếp xúc tuyệt đối
Trang 1212
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Chương 3 đã nghiên cứu thiết kế chính xác mô hình CAD 3D của hai chi tiết quan trọng của máy nén khí là cặp trục vít Cycloid Những kết quả chính được nghiên cứu và trình bày trong chương này bao gồm:
Đã trình bày hướng thiết kế thuận biên dạng đối ứng của
cặp trục vít theo phương pháp giải tích số hoá;
Đã trình bày nguyên tắc thiết kế ngược và thực nghiệm thiết
kế ngược, đưa ra mô hình CAD 3D gốc của cặp trục vít của máy nén
khí AIRMAN PSD 50;
Đã nghiên cứu đề xuất và triển khai phương pháp thiết kế hỗn hợp và đưa ra mô hình CAD 3D chính xác của cặp trục vít
máy nén khí AIRMAN PSD 50 làm đầu vào cho các chương tiếp
theo của luận án
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẶT KHỞI THUỶ DỤNG CỤ DẠNG ĐĨA GIA CÔNG MẶT VÍT CYCLOID 4.1 Động học tạo hình dụng cụ dạng đĩa gia công mặt vít
Động học của quá trình tạo hình bề mặt xoắn ốc trụ có bước không đổi sử dụng dụng cụ dạng đĩa liên quan đến ba chuyển động
sau (xem
):