Xây dựng phương pháp mô phỏng trạng thái ứng su

Trình bày tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn. Xây dựng phương pháp mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN trên chi tiết máy. Tính toán lực cắt ứng suất trên mũi khoan. Tính toán mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN. Kết quả mô phỏng Trình bày tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn. Xây dựng phương pháp mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN trên chi tiết máy. Tính toán lực cắt ứng suất trên mũi khoan. Tính toán mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN. Kết quả mô phỏng luận văn,luận văn thạc sĩ,luận văn đại học,luận văn tốt nghiệp,luận văn cơ khí

C ỦA LỚP PHỦ CỨNG TRÊN CHI TIẾT MÁY VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN

BIÊN TƯƠNG ỨNG VỚI QUÁ TRÌNH GIA CÔNG

CHUYÊN NGHÀNH: CH Ế TẠO MÁY

1

M ỤC LỤC

Lời cam đoan ……… ……….………4

Danh mục các bảng ……….……… 5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… …………5

MỞ ĐẦU ……… ……….…… 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) 1.1 Gi ới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn ……… ………… 10

1.1.1 Khái niệm cơ bản ……….… …… 10

1.1.2 Khả năng của FEM……….……….… ….11

1.1.3 Lịch sử phát triển FEM……… ….………… 12

1.1.4 Phương pháp FEM trong kết cấu……… ….…… ………12

1.2 Các ki ểu phần tử……… ……….………….13

1.2.1 Phần tử 1D …… ………13

1.2.2 Phần tử 2D ……….13

1.2.3 Phần tử 3D ……… ……….14

1.2.4 Phần tử lò xo ……… ……… 14

1.2.5 Phần tử thanh dầm ……… …….16

1.2.6 Học thuyết cơ bản về ứng suất và biến dạng với phần tử 3D ……….……….…18

1.3 H ọc thuyết đàn hồi với phần tử 3D ……….……… 21

1.3.1 Các phần tử solid 3D ……….21

1.3.2 Học thuyết đàn hồi ……….……….22

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT LỚP PHỦ TiN TRÊN CHI TI ẾT MÁY 2.1 L ập mô hình mô phỏng ……….……….……….…….31

2.1.1 Thiết kế mũi khoan ……….…….… …32

2

2.1.1.1 Cấu tạo và các thông số hình học của mũi khoan ……….…… … 32

2.1.1.2 Thiết kế mũi khoan ……… …….….34

2.1.2 Mô hình tấm phẳng ……….……… ………42

2.2 Mô hình v ật liệu sử dụng trong mô phỏng ……… 42

2.2.1 Mô hình vật liệu đặc trưng trong mô phỏng cắt kim loại ……….………… 42

2.2.1.1 Mô hình vật liệu Oxley ……….………….…….……… 43

2.2.1.2 Mô hình vật liệu Johnson-cook ……….……… 43

2.2.1.3 Mô hình vật liệu Zerilli – Armstrong ……….……… … ….44

2.2.2 Mô hình vật liệu mũi khoan ……….………… 45

2.2.3 Mô hình tấm phẳng ……….……… ………45

2.3 C ấu tạo và đặc tính lớp phủ TiN ……….……….………… 53

2.3.1 Cấu trúc tinh thể ……….……… ………53

2.3.2 Ứng suất dư ………56

2.3.3 Khả năng chống ăn mòn ……….……….………56

2.3.4 Các tính chất khác của TiN ……… …….… ………58

2.3.5 Ứng dụng ……… ……… 59

2.3.6 Lớp phủ trên dụng cụ cắt ……….……….………… … 60

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰC CẮT - ỨNG SUẤT TRÊN MŨI KHOAN 3.1 Ki ểu vật liệu và phoi tạo thành ……….…………62

3.2 Phân tích tính toán l ực cắt ……… ………….….……… 63

3.2.1 Mô hình khoan ……….……….……… ……….67

3.2.2 Mô hình lực cắt trên lưỡi cắt chính ……….…….… ……… 67

3.2.3 Mô hình lực cắt trên lưỡi cắt ngang ……….…… ……….70

3.2.4 Tính toán ứng suất khi khoan ……….… …… 71

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT LỚP PHỦ TiN

3

4.1 Lý thuy ết tính toán ứng suất lớp phủ ……….……… ….……… ….72

4.1.1 Lớp phủ có ứng suất thay đổi ……… … 72

4.2 Lý thuy ết tính toán ứng suất lớp phủ trên chi tiết máy ……… …… 75

4.3 Mô hình tương đương vật liệu mũi khoan có phủ dùng trong mô phỏng 78

4.3.1 Modulus đàn hồi tương đương ……… ……….78

4.3.2 Hệ số giãn nở nhiệt tương đương ……….79

4.3.3 Hệ số poisson tương đương ……… ……….79

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Gi ới thiệu ……… …… 81

5.2 S ố liệu và bước thực hiện trong Deform ……… 82

5.2.1 Kiểu phần tử và kích thước lưới thích hợp ……….……… 82

5.2.2 Điều kiện biên ……….……… 84

5.2.3 Điều kiện tiếp xúc ……… ………85

5.2.4 Bước và điều khiển mô phỏng ……….85

5.3 K ết quả mô phỏng ……….…… 86

5.3.1 Ảnh hưởng của lớp phủ tới nhiệt độ trên mũi khoan ……….… 86

5.3.1.1 Mô phỏng ……… …….86

5.3.1.2 Thực nghiệm ……… ………….94

5.3.2 Lực cắt sinh ra trên mũi khoan ……… ……….……97

5.3.3 Ứng suất trên mũi khoan không phủ và có phủ ……….….…… 103

TH ẢO LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Thảo luận ……… ……… 110

Định hướng phát triển ……… ……….111

4

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi làm Tuyệt đối không sao chép

nội dung của bất kỳ tài liệu nào Nếu lời cam đoan là không dung tôi xin chịu mọi trách nhiệm của hội động chấp luận văn Thạc sỹ, nhà trường và trước pháp luật

Bảng 5.2 Điều kiện biên- điều kiện tiếp xúc nhập trong mô hình 85

Bảng 5.3 Kết quả nhiệt độ xét tại một vài điểm đặc biệt 91

Bảng 5.4 Bảng tổng hợp kết quả đo được theo thực nghiệm 96

Bảng 5.5 Kết quả mô phỏng ứng suất lấy tại một vài điểm khi khoan tấm 1mm 104

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát mô hình mài mũi khoan 36

Hình 2.8 Mô hình 3D phần làm việc mũi khoan 42 Hình 2.9 Đường cong Oxley-flow ở nhiệt độ T=20oC 46 Hình 2.10 Đường cong Oxley-flow ở nhiệt độ T=300oC 47

6

Hình 2.11 Đường cong Oxley – flow ở nhiệt độ T= 900oC 47 Hình 2.12 Đường cong Johnson Cook-flow ở nhiệt độ T=20oC 48 Hình 2.13 Đường cong Johnson Cook-flow ở nhiệt độ T=300oC 48 Hình 2.14 Đường cong Johnson Cook-flow ở nhiệt độ T=900oC 49 Hình 2.15 Đường cong Zerilli Armstrong –flow ở nhiệt độ T=20oC 49 Hình 2.16 Đường cong Zerilli Armstrong - flow ở nhiệt độ T=300oC 50 Hình 2.17 Đường cong Zerilli Armstrong-flow ở nhiệt độ T= 900oC 50

Hình 2.19 Hệ số giãn nở nhiệt của ANSI 1045 (C45) 52 Hình 2.20 Khả năng nhiệt của ANSI 1045 (C45) 52

Hình 2.22 Mật độ sắp xếp các nguyên tử ở các mặt của tinh thể TiN 54

Hình 3.3 Đồ thị thay đổi góc xoắn và góc nghiêng dọc lưỡi cắt chính

Hình 3.4 Biến đổi FH , FV , FT trong cắt chéo thành Frad , Fthrust và

Hình 4.1 Mô đun đàn hồi giảm tuyến tính được tính xấp xỉ biểu diễn với

Hình 4.2 Gần đúng của một chu kỳ môđun đàn hồi, sử dụng hàm

Hình 5.2 Mô hình chia lưới mũi khoan trong mô phỏng 83 Hình 5.3 Kết quả mô phỏng ở bước 10200 và 14830 87 Hình 5.4 Một số hình ảnh về kết quả mô phỏng 87 Hình 5.5 Đồ thị và cột biểu đồ thể hiện nhiệt độ trên mũi khoan không

Hình 5.12 Đồ thì lực cắt theo phương z theo thời gian 98

Hình 5.18 Biểu đồ thể hiện hướng lực cắt và ứng suất tác dụng trên các

phần riêng rẽ trong mũi khoan khi khoan tấm 1mm 105 Hình 5.19

Đồ thị ứng suất hiệu dụng tác dụng lên mũi khoan không phủ

và có phủ TiN theo thời gian không tính đến ảnh hưởng của

Hình 5.20

Đồ thị ứng suất hiệu dụng tác dụng lên mũi khoan không phủ

và có phủ lớp TiN theo thời gian tính đến ảnh hưởng nhiệt độ

Hình 5.21 Đồ thị ứng suất hiệu dụng tác dụng lên mũi khoan không phủ

8

M Ở ĐẦU

Lớp phủ được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng ma sát và yêu cầu sử dụng

phủ trong lĩnh vực này ngày càng tăng Phương pháp phủ giúp cải thiện thuộc tính ma sát của những bề mặt trượt trong việc chế tạo những chi tiết máy Những lớp phủ này đang tỏ ra rất hiệu quả trong việc giảm hệ số ma sát và mòn mà không làm thay đổi tính chất vật liệu chi tiết hay việc cần phải có dung dịch bôi trơn Titanium nitride là

lớp phủ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sự mài mòn và phá hủy đối với lớp

phủ là điều vô cùng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật và việc mô tả được ứng suất lớp

phủ có ý nghĩa to lớn trong qui trình công nghệ tạo lớp phủ Tuổi thọ của lớp phủ bị

hạn chế không chỉ do mòn thông thường mà còn do sự bong ra của lớp phủ (phá vỡ bám dính) hay sự gãy vỡ của lớp phủ (phá vỡ kết dính) Sự bong ra là do ứng suất tăng

dọc theo mặt phân cách, ứng suất trong lớp phủ và trên bề mặt gây ra sự phá vỡ kết dính Vì vậy việc xác định ứng suất bắt đầu như thế nào và lan truyền ra sao là rất quan

trọng Bên cạnh đó, cũng rất cần thiết phải phát triển những phuơng pháp để giảm

những ứng suất tới hạn này Việc nghiên cứu này đòi hỏi phải dùng phương pháp phần

tử hữu hạn được đặc trưng bởi các phần mềm mô phỏng mới có thể quan sát tường tận được sự lan truyền ứng suất – nhiệt cắt xảy ra trong quá trình khoan Nghiên cứu này

đã đưa ra phương pháp mô phỏng trạng thái ứng suất lớp phủ cứng trên mũi khoan trong quá trình khoan và thống qua đó cũng đồng thời đánh giá khả năng nhiệt –lực cắt sinh ra khi khoan và ảnh hướng của nó tới ứng suất mũi khoan có phủ và không phủ như thế nào

Luận văn gồm 5 chương và một phần kết luận

Chương I: Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn

Chương II: Xây dựng phương pháp mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN trên chi tiết máy Chương III: Tính toán lực cắt - ứng suất trên mũi khoan

Chương IV: Tính toán mô phỏng ứng suất lớp phủ TiN

Chương V: Kết quả mô phỏng

Thảo luận và định hướng phát triẻn

9

Được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của TS.Nguyễn Thị Phương Mai đến nay

luận văn đã được hoàn thành và cũng đạt được một vài kết quả như mong đợi Em mong những thiếu sót của em trong luận văn này sẽ nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy, cô cùng các bạn học viên

Em xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Thị Phương Mai và các Thầy Cô trong

Viện Cơ Khí đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn

Hà nội, Ngày 25 thang 9 năm 2011

Nguy ễn Duy Quân

10

CHƯƠNG 1

1.1 Gi ới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Ví d ụ:

• Đồ chơi dành cho trẻ em (Thường bằng khối hoặc

nhựa được ghép lại với nhau)

11

Nh ận xét:

nhiều phần tử đơn giản về hình học

1.1.2 Kh ả năng của phương pháp (FEM)

Phương pháp FEM là một phương pháp số đặc biệt, nó tìm dạng gần đúng của

một ẩn hàm chưa biết trong miền xác định giới hạn bởi mô hình của nó Nó không tìm

hàm xấp xỉ của một hàm mà tìm trong từng miền con, chính nhờ đặc điểm này mà

FEM được sử dụng tương đối rộng rãi

Phương pháp FEM có thể tính toán:

• Tính toán được bằng tay hay có thể mô phỏng bằng máy tính

• Có khả năng tích hợp các phần mềm CAD/CAM

Nh ững ứng dụng của FEM trong kỹ thuật:

• Chế tạo máy, kỹ thuật hàng không, xây dựng và ô tô

• Phân tích cấu trúc, kết cấu (tĩnh/động lực học, tuyến tính/phi tuyến)

• Phân tích nhiệt và dòng chảy chất lỏng

12

1.1.3 Tóm lược lịch sự phát triển của phương pháp

• Năm 1943, Courant với phương pháp biến phân (variational methods)

• Năm 1956, Turner, Clough, Martin và Topp với độ cứng hay độ bền vững

• Năm 1960, Clough ra đời phần tử hữu hạn với những vấn đề về mặt phẳng

• Những năm 1970, ứng dụng trên (Mainframe computers)

• Những năm 1980, trên máy tính cỡ nhỏ và bộ sử lý

• Những năm 1990, phân tích những hệ thống cấu trúc lớn

1.1.4 Phương pháp FEM trong phân tích kết cấu

• Chia cấu trúc thành các mảnh nhỏ (phần tử với các nút )

• Mô tả trạng thái đại lượng vật lý trên mỗi phần tử

• Liên kết phần tử tại các nút để hình thành lên một hệ phương trình tương đương cho toàn bộ cấu trúc

• Giải hệ phương trình bao gồm cả các đại lượng chưa biết tại các nút đó (ví dụ chuyển vị)

• Tính các đại lượng cần quan tâm (ví dụ biến dạng và ứng suất) tại các nút đã

13

Th ực hiện tính toán

• Tiền xử lý: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn FE, đặt tải và các ràng buộc lên

mô hình

• Giải quyết: Giải bài toán mô hình (FEA)

• Hậu xử lý: Lựa chọn hiển thị kết quả

Các ph ần mềm FEM hiện có sẵn trên thị trường

• ANSYS (Phân tích đầy đủ và tổng hợp, chạy trên PC hoặc workstations)

• SDRC/I-DEAS (trọn bộ CAD/CAM/CAE)

• NASTRAN (Phân tích đầy đủ và tổng hợp FEA trên máy tính lớn)

• ABAQUS (Phân tích động lực học và phi tuyến)

• COSMOS (Phân tích đầy đủ và tổng hợp FEA)

• ALGOR (Chạy trên PC và workstation)

• PATRAN (Phân tích tiền và hậu xử lý)

• HyperMesh ( Phân tích tiền và hậu xử lý)

• Dyna-3D ( phân tích va chạm và phá hủy)

1.2 Các ki ểu của phần tử hữu hạn

15

Linear : đường tuyến tính

Nonlinear : đường phi tuyến

Với K = 𝐹𝐹∆ (>0) là lực cần thiết để tạo ra sức căng đơn vị Xét cân bằng lực tại các nút ta rút ra được phương trình: � 𝑘𝑘 −𝑘𝑘 −𝑘𝑘 𝑘𝑘 � � 𝑢𝑢 𝑢𝑢𝑗𝑗𝑖𝑖�= �𝑓𝑓𝑓𝑓𝑖𝑖

• Vật liệu đàn hồi (không có tính dẻo hoặc phá hủy)

• Tải trọng tĩnh (Tải trọng được đặt vaò cấu trúc theo một hình dạng ổn định và thay đổi chậm)

Phân tích tuyến tính có thể cung cấp hầu hết thông tin về trạng thái của cấu trúc,

và có thể gần như xấp xỉ nhiều phân tích khác Nó cũng là cơ sở của những phân tích phi tuyến trong hầu hết các trường hợp

L : chiều dài

I : mô men quán tính diện tích mặt cắt ngang\

E : Modul đàn hồi

v = v(x) : độ võng (deflection) của trục chính

θ = 𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑑𝑑 : góc xoay quanh trục z

F = F(x) Lực cắt ngang (Shear force)

M = M(x) Momen theo trục z (quay quanh trục z)

1.2.6 H ọc thuyết cơ bản về ứng suất và biến dạng với phần tử 3D

Nhìn chung, ứng suất và biến dạng trong một cấu trúc gồm sáu thành phần: Ứng suất gồm: σx, σy, σz, τxy, τyz , τzx

19

Quan h ệ giữa ứng suất – biến dạng – nhiệt độ

Cho vật liệu đàn hồi và đẳng hướng, chúng ta có:

Hoặc : ε = E-1σ + ε0

Trong đó ε0 là biến dạng ban đầu, E là modul đàn hồi của vật liệu, ν là hệ sô Poisson và

G là hằng số đàn hồi hoặc là modul trượt: G = 𝐸𝐸

2(1+𝜈𝜈) , nghĩa là chỉ có 2 hệ số vật liệu đồng nhất và đẳng hướng

Giải phương trình (1.1) ta được:

Hoặc, σ = Eε + σ0 (σ0 = - Eε0 là ứng suất ban đầu)

Quan hệ ở trên cũng đúng cho trường hợp ứng suất phẳng và biến dạng phẳng Chúng ta chỉ cần thay đổi các hệ số về vật liệu ở phương trình (1.2)

Ví dụ như quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được cho bởi phương trình sau:

(1.1)

(1.2)

20

Biến dạng ban đầu do sự thay đổi nhiệt độ đưa ra bởi phương trình:

Trong đó α là hệ số giãn nở nhiệt, ΔT là sự thay đổi nhiệt độ Nếu như cấu trúc là

chịu tác dụng riêng của tải trọng nhiệt thì sẽ không có ứng suất đàn hồi trong cấu trúc này

Quan h ệ biến dạng và chuyển vị

Cho biến dạng nhỏ và chuyển vị quay nhỏ, chúng ta có:

21

Trong đó fx và fy là lực do bản chất vật thể sinh ra ( như là trọng lực) trên đơn vị thể tích Trong FEM thì điều kiện cân bằng chỉ mang tính chất gần đúng

Điều kiện biên

Điều kiện biên S của vật thể có thể chia ra thành 2 phần Su và St Điều kiện biên (BC’s) được miêu tả:

Với tx và ty là lực kéo (ứng suất trên biên)

Với FEM, tất cả các kiểu tải trọng (lực tác dụng trên bề mặt, lực do bản thân vật sinh ra, lực tập trung, mô men…v…v) được chuyển thành lực tại điểm tác động trên nút Để giải quyết bài toán cần xét đến phương trình cân bằng (1.5) và điều kiện biên

kết hợp với điều kiện về khả năng tương thích

1.3 H ọc thuyết đàn hồi với phần tử 3D

1.3.1 Các ph ần tử solid 3D

• Khối tứ diện

(1.5)

22

• Khối 6 mặt

• Khối 5 mặt

Tránh sử dụng phần tử khối tứ diện tuyến tính (4 nút) trong những phân tích ứng

suất 3-D Tuy nhiên có thể sử dụng nó trong phân tích biến dạng hoặc là dao động

1.3.2.H ọc thuyết đàn hồi

Ta sẽ đưa ra những phương trình mô tả ứng suất, quan hệ ứng suất – biến dạng,

biến dạng – chuyển vị với những phần tử và mô hình phần tử 3D

• Ứng suất

Tuyến tính (4 nút) Bậc 2 (10 nút)

Tuyến tính (6 nút) Bậc 2 (20 nút)

Tuyến tính (6 nút) Bậc 2 (15 nút)

23

• Bi ến dạng

• Xây d ựng công thức phần tử hữu hạn

- Trường chuyển vị

(1.11)

trên trên

(chuyển vị đặc biệt) (lực kéo đặc biệt), ti = σij n j

(1.12)

26

Giá trị nút Theo dạng ma trận:

Trạng thái vuông góc thường cần thiết để đánh giá tích phân trên Sự di chuyển

của vật thể cứng tuyệt đối (6 thành phần) gồm 3 tịnh tiến – 3 quay phải được loại bỏ từ

mô hình FEA để đảm bảo chất lượng phân tích

(1.14) (1.13)

(1.15)

27

• Xây d ựng phần tử tuyến tính đặc trưng cho khối 6 mặt

Đối với phần tử solid 3D ta chọn phần tử khối 6 mặt làm đặc trưng để tiến hành

phân tích nhằm xây dựng nên một phương trình tổng quát mô tả toàn bộ trạng thái trong phân tích FEM

Trường chuyển vị :

- Hàm hình dạng

(1.16)

29

Và

Với d là vecto chuyển vị nút

(1.21) (1.20)

(1.24)

(1.25)

31

CHƯƠNG 2

Ví dụ, Như khi ta muốn tính toán kiểm tra bền của một chi tiết máy nào đó, hoặc sâu hơn nữa là nghiên cứu quá trình va chạm phá hủy như của 2 chiếc xe ô tô với nhau Câu hỏi đặt ra là chúng ta cần phải đưa điều kiện ban đầu như thế nào cho phù hợp với

thực tế? Điều đầu tiên ta phải xây dựng được mô hình tương đương 3D của 2 xe sao cho đơn giản nhất Tiếp đó mô hình hóa vật liệu các chi tiết cấu thành chính cho ô tô

rồi thiết lập các quan hệ đầu vào như vận tốc, gia tốc thời gian mô phỏng, hướng chuyển động và điều kiện tiếp xúc phá hủy …v v Chúng ta càng đưa được nhiều điều

kiện ảnh hưởng vào mô hình thì mức độ chính xác của bài toán càng lớn

Bất cứ một phần mềm FEM nào cũng trải quan các bước sau:

Bước 1: Pre-processing

• Lập mô hình

- Vẽ hình học đồ họa chính xác các vật thể có trong quá trình

- Xác định mô hình thuộc tính vật liệu

- Chia lưới môi hình

• Điều kiện biên

- Ràng buộc chuyển động

Giải sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đưa về phương trình

m x & + & c & x + kx = F (t )

Với m là ma trận khối lượng, c là ma trận giảm rung, k là ma trận độ cứng và F(t) là

một hàm của véc tơ tải trọng theo t

Giải phương trình ra được nghiệm là ma trận x

Bước 3: Post-processing

- Xuất ra kết quả mong muốn – đồ thị v v

2.1.1 Thi ết kế mũi khoan

Để kết quả mô phỏng đạt độ chính xác cao thì cần phải mô hình hóa chính xác

mũi khoan Từ khâu tính toán thiết kế các thông số hình học cho đến việc xây dựng nên

mô hình 3D tất cả phải chính xác so với mô hình mũi khoan dùng cho sản xuât Hiện nay có rất nhiều loại mũi khoan, ví dụ như mũi khoan xoắn, mũi khoan nhiều bậc, mũi khoan ratio v v

2.1.1.1 C ấu tạo và thông số hình học mũi khoan

Để thiết kế đúng mũi khoan thì yêu cầu đặt ra là phải xác định đúng thông số mũi

khoan cần chế tạo Từ đó đưa ra phương pháp thiết kế mũi khoan hợp lý

(2.1)

33

Hình 2.1 : C ấu tạo mũi khoan xoắn

Thông thường mũi khoan gồm phần đuôi, phần làm việc, sửa đúng Để xây dựng

mô mình mô phỏng ta cần quan tâm đến thông số hình học của chúng

34

Ph ần đuôi: Là bộ phận dùng lắp vào trục chính của máy khoan để truyền mô men xoắn

và chuyển động khi cắt Tùy thuộc vào đường kính mũi khoan mà quyết định việc làm

phần đuôi côn hay là trụ

Ph ần cổ dao: Phần cổ là phần nối liền giữa cán dao và phần làm việc Dùng để thoát

đá mài khi mài phần chuôi và phần làm việc

Ph ần làm việc: Gồm phần cắt và phần sửa đúng, phần sửa đúng có tác dụng định

hướng mũi khoan khi làm việc và cũng là phần dự trữ khi mài lại phần cắt đã bị mòn Đường kính của phần định hướng giảm dần từ phần cắt về phía đuôi để tạo thành góc nghiêng phụ φ1 (thường giảm 0,01-0,08 mm /100 mm chiều dài) Trên phần định hướng có 2 góc xoắn ω = 18-30othay đổi theo đường kính và điều kiện gia công

Ph ần cắt: Là phần chủ yếu của mũi khoan cần quan tâm Ta có thể ví như mũi khoan

là hai dao tiện ghép với nhau bằng lõi hình trụ Mũi khoan gồm có 5 lưới cắt bao gồm 2 lưỡi cắt chính 2 lưỡi cắt phụ và 1 lưỡi cắt ngang (Hình 2.2) Lưỡi cắt phụ là đường

xoắn, chạy dọc cạnh viền của mũi khoan Nó chỉ tham gia cắt trên một đoạn ngắn khoảng ½ lượng chạy dao Mặt trước là mặt xoắn và mặt sau có thể là mặt côn, mặt

phẳng hoặc mặt xoắn tùy thuộc vào cách mài mặt sau

2.1.1.2 Thi ết kế mũi khoan

Thông số hình học của mũi khoan xoắn được xác định giống như thông số chế tạo

Chế tạo mũi khoan bao gồm cơ bản là 2 phần chính ( mài rãnh và mài mặt bên) Các thông số của đá mài sẽ quyết định đến thông số hình học của mũi khoan Các thông số như là góc ở đỉnh, đường kính lõi sẽ là hàm ẩn của thông số chế tạo

Hình dạng của đá mài là một bánh hình trụ với đường kính và profin giống với hình dạng rãnh của mũi khoan Trong khi mài rãnh, đá mài quay quanh một trục cố định còn mũi khoan thi thực hiện hai chuyển động là quay và tịnh tiến theo trục của nó

35

Dĩ nhiên là các chuyển động phải phối hợp để tạo hình được chính xác bề mặt rãnh

Hình 2 4 Mài rãnh mũi khoan

Trong suốt quá trình mài mặt sau, đá mài quay xung quanh một trục cố định tạo

ra góc côn mài θ và mũi khoan quay tại chỗ Đá mài sẽ thực hiện việc mài này ở tại hai

vị trí đối xứng nhằm tạo ra hai bề mặt sau đối xứng Xem hình dưới đây để thấy được góc côn và vị trí của đỉnh côn mài.(hình 2.5)

Mũi khoan được quay quanh trục AA, nó được cố định trong không gian và mặt sau của mũi khoan sẽ tiếp xúc với bề mặt phẳng của bánh mài G trong quá trình mài

Trục AA và mặt phẳng bánh mài cắt nhau tại điểm O Sự di chuyển của bề mặt bánh mài trong mối quan hệ với điểm mũi khoan có thể được suy ra bằng cách coi như điểm mũi khoan ấy là cố định và bề mặt bánh mài quay xung quanh trục AA, chuyển động

thực tế của bề mặt bánh mài là đồng thời và đối ngược với chuyển động thực của mũi khoan Một mặt phẳng quanh quanh một trục cố định sẽ tạo lên một mặt côn Để mà bề

mặt bánh mài tạo ra từng phần của bề mặt côn trong mối quan hệ chuyển động của nó

nhằm tạo ra điểm mũi khoan và mặt sau Điểm mũi khoan đấy sẽ thuộc bề mặt côn Đỉnh của hình côn là điểm O và góc côn là góc hợp bởi trục AA và bề mặt bánh mài (θ ) Hình côn có thể được giới hạn bởi bánh mài hình côn và phương pháp mài điểm mũi khoan được đưa ra như mài côn Một hệ trục bên phải sử dụng dựa vào những đặc điểm sau:

- Trục z nằm dọc trục mũi khoan

36

- Trục y vuông góc với trục z và cắt lưỡi cắt ngang tại điểm giữa

- Trục x vuông góc với trục y và z

Hình 2.5 Sơ đồ tổng quát mô hình mài mũi khoan

Như mô hình ở trên, số lượng tham số phải được chọn để tạo ra một đặc tính riêng cho mũi khoan Người ta tách mũi khoan làm 2 loại chính

Đầu tiên là các thông số hình học được sử dụng để xác định hình dàng chính của mũi khoan

R: bán kính mũi khoan (mm)

W: Chiều dày lõi mũi khoan (mm)

p: nửa góc ở đỉnh mũi khoan (2p=1180)

37

h : góc xoắn

Thứ hai, thông số mũi khoan dùng trong sản xuất được sử dụng, cho hình dạng chi tiết của dụng cụ phụ thuộc vào phương pháp mài

g: Khoảng cách tử đỉnh côn tới trục x

s: Khoảng cách từ đỉnh côn tới trục y

θ: Góc côn

Tỉnh lược sơ đồ để sử dụng cho thiết kế 3D ta có:

Hình 2.6 Mài m ặt sau mũi khoan

Hệ trục tọa độ của trục côn nghiêng một góc ϕ theo chiều ngược chiều quay của kim đồng hồ trong mặt phẳng (x-z) so với hệ trục tọa độ của mũi khoan Hệ trục mới cách đầu mũi khoan một khoảng cách d cố định khi mà đo dọc hệ trục tọa độ quay này

Dịch chuyển hệ trục tọa độ mới theo trục y một khoảng cách S Hình.2.6 ở trên cho ta

thấy vị trí đầu tiên của trục côn, ví trí thứ 2 được lấy đối xứng để mài mặt còn lại

• Xây d ựng hình dáng mặt cắt ngang mũi khoan

Mặt cắt ngang mũi khoan phụ thuộc vào hình dáng của đá mài để mài mũi khoan

đó Mặt cắt ngang của mũi khoan được thiết kế nhằm tạo ra cạnh cắt thẳng phụ khi mài Vì vậy, hình dạng của đá mài phụ thuộc vào đặc điểm của mũi khoan sau khi mài

38

Thay việc mô tả thông số đá mài chúng ta sẽ xem xét profin của mặt cắt ngang mũi khoan

Mặt cắt ngang được chia làm 8 phần, phần 1, 2, 3, 4 là phần bao ngoài nó chính

bằng đường kính mũi khoan cần chế tạo Phần 5 và 6 được mô tả bằng phương trình sau:

(r,υ) là tọa độ cực cần thiết cho mặt cắt ngang mũi khoan, với r thay đổi từ W/2 đến D/2 Biên dạng của đường rãnh chuyển (không gồm lưỡi cắt) có thể được xác định theo một cách thức để thực hiện di chuyển phoi dễ dàng, trong khi đảm bảo đủ độ bền cho mũi khoan Điều đáng đề cập trong phương pháp tiếp cận của Galloway hoàn toàn

về mặt hình học, điều này có nghĩa là cho phép tính toán phân tích của tất cả các đặc điểm cần của dụng cụ ( như góc nghiêng, góc sau v.v) dựa trên các phân tích 2D của các mặt phẳng hình học khác nhau

Phương trình (2.2) này đảm bảo chắc chắn rằng chế tạo ra mũi khoan có cạnh

cắt thẳng Phần 7 và 8 không ảnh hưởng gì nhiều đến đặc trưng của lưỡi cắt mũi khoan

mà chỉ làm tăng cứng cho mũi khoan Để đơn giản chúng ta sẽ mô hình đối xứng phần

5 và 6 (hình 2.7)

(2.2)

39

Hình 2.7: M ặt cắt ngang mũi khoan

Sau khi xây dựng mô hình 2D cho mặt cắt ngang xong ta chuyển đổi sang mô hình 3D

Từ các dữ liệu đầu vào là thông số hình học mũi khoan cần mô hình hóa ta có:

Với h là góc xoắn, thì chiều dài mũi khoan được tính theo công thức:

Hệ trục tọa độ của đá mài côn so với hệ trục toạ độ của mũi khoan là:

(2.5)