29590 ban_at_semiconductor_540x150

Khảo sát dao động của dụng cụ trong mô hình khoan lỗ sâu kiểu BTA

Email In PDF.

Tóm tắt:
Trong bài báo này các tác giả đã ứng dụng phương pháp phẩn tử hữu hạn và sử dụng phần mềm ANSYS để khảo sát dao động của dụng cụ trong mô hình khoan lỗ sâu kiểu BTA, đưa ra các giải pháp giảm ảnh hưởng của dao động, nâng cao chất lượng gia công.

 1. Đặt vấn đề
Dao động của dụng cụ cắt là vấn đề không còn mới nhưng đóng vai trò quan trọng do ảnh hưởng của nó tới chất lượng gia công, độ bền dụng cụ và khả năng công nghệ của thiết bị. Đặc biệt đối với khoan lỗ sâu do tỷ lệ L/D của cần khoan rất lớn.
Khuyết tật bề mặt khi gia công lỗ sâu do hiện tượng gằn và xoắn dụng cụ gây nên. Nguyên nhân là do xuất hiện tự dao động của dụng cụ và hiện tượng cộng hưởng của ngoại lực kích động với tần số dao động riêng của dụng cụ. 
Việc phân tích, khảo sát dao động sẽ làm tiền đề cho việc nghiên cứu kiểm soát tự động quá trình gia công lỗ sâu, cũng như làm cơ sở cho quá trình thiết kế, chế tạo các trang bị dập tắt dao động.
2. Phương pháp và mục tiêu nghiên cứu
Có hai hướng tiếp cận để nghiên cứu dao động: nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong nghiên cứu này là phương pháp lý thuyết vì nó phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại Việt nam.
Mục tiêu của nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau:
- Xác định các chế độ cắt gọt tối ưu để tránh hiện tượng cộng hưởng.
- Xác định tần số làm việc và chế tạo các bộ giảm chấn cho dụng cụ.
- Xác định số lượng và vị trí đặt các bộ giảm chấn.
3. Nội dung nghiên cứu
3.1. Mô hình gia công
Mô hình được khảo sát ở đây là nguyên lý khoan BTA với một nguyên công khoan lỗ thực tế  lỗ φ31;phôi có kích thước φ112 x 2335,vật liệu: OXH1M quay và dụng cụ đứng yên. 
Trong mô hình này: Dụng cụ có nhiệm vụ  nhận mô men xoắn truyền từ phôi qua lưỡi cắt, làm việc trong điều kiện chịu mômen cắt, một đầu được ngàm chặt, một đầu đỡ bởi ụ cấp dung dịch cắt. Trong quá trình làm việc, dụng cụ tiến dần vào theo chiều sâu cắt đến khi hết phôi.

giaconglosau1
Hình 1: Mô hình gia công lỗ sâu kiểu BTA
giaconglosau2
Hình 2: Thông số và đặc tính cần khoan

3.2. Đặc điểm công nghệ
Cần khoan lỗ sâu theo nguyên lý BTA được chế tạo từ thép hợp kim 40CrMo4 với cơ tính của vật liệu này như sau: Module đàn hồi E=2.1.105Mpa=2.1.1011 Pa; Hệ số Poisson's ν=0,3; Mật độ ρ=7830 kg/m3, với kết cấu, kích thước và đặc tính mặt cắt ngang như ở hình bên:    
3.3. Trình tự thực hiện
Quá trình mô phỏng và tính toán dao động của cần khoan gia công lỗ sâu kiểu BTA dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với việc sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS được thực hiện với trình tự như ở hình bên
3.4. Tính toán lực kích động
Giả thiết bỏ qua các lực động ngẫu nhiên, ta chỉ xét lực động điều hòa, chủ yếu do lực quán tính của phôi tác động lên lưỡi cắt. Để xác định lực này, trước hết ta xác định khối lượng phôi quay, áp dụng tiêu chuẩn về lượng dư cho phép với các chi tiết quay để xác định ra lực quán tính của phôi, tính toán cụ thể như sau:

giaconglosau3

- Xác định khối lượng của phôi:
Phôi: kích thước φ120x2500, vật liệu: OXH1M, sau khi được gia công lấy mẫu thử cơ tính, gia công chuẩn, trước khi khoan lỗ φ31 có kích thước φ112 x 2335.
Trong đó:  L: là chiều dài lỗ gia công L=2,335 m
d2: đường kính ngoài của phôi d2=0,112 m
d1: là đường kính lỗ gia công d1=0,031 m
- Xác định lượng dư mất cân bằng của phôi
Chế độ công nghệ: Tốc độ cắt: n = 40 (v/phút) ; Lượng tiến dao:fn = 0,15 (mm/v)
Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 6373:1998 về xác định lượng dư mất cân bằng của các chi tiết quay. Chọn cấp chính xác động lực học là G40 (tương đương với các chi tiết quay chậm, độ chính xác thấp), tra bảng (bảng 1, trang 24, TCVN 6373:1998) có tích quan hệ ep.ω=40, với ω≈n/10 --> ep=40/4=10 (g.mm/kg) từ đây ta có lượng mất cân bằng của phôi là: Up=m.ep= 165,5. 10=1655 (g.mm)
- Xác định lực tác động lên lưỡi cắt.
Giả thiết rằng lượng mất cân bằng này quy về vị trí gia công. Lực kích động do lượng mất cân bằng của phôi tác dụng lên dụng cụ với tần số.
Vậy lực kích động sẽ có dạng: F(t)=Up.ω2.sin4t = 0,26.sin4t (N)
4. Kết quả phân tích
Phân tích tần số dao động riêng bằng phần mềm ANSYS cho kết quả như sau:
Phân tích dao động cưỡng bức tại điểm gia công cuối cùng cho kết quả:

giaconglosau4

Hình 3 Đáp ứng biên độ - tần số trong dải tần 0 - 100Hz

4.1. Thảo luận các kết quả

Kết quả phân tích cho thấy tần số riêng của dụng cụ về cơ bản là thấp, biên độ dao động lớn so với dao động của các dụng cụ khác như tiện, phay, ứng với các tần số riêng, dạng dao động cũng có sự thay đổi tương ứng về số điểm nút, tức là có sự tăng lên của ứng suất trên chiều dài dụng cụ, do vậy tốc độ cắt gọt nên giới hạn nhỏ hơn tốc độ cắt ứng với tần số dao động riêng cơ bản (tần số riêng thấp nhất).

Ta biết rằng, dụng cụ sẽ dao động cộng hưởng trong trường hợp tần số lực kích động (tần số quay của phôi) xấp xỉ tần số riêng của dụng cụ với sai lệch 20%-30%, do vậy để tính toán, lựa chọn được chế độ cắt tới hạn, tránh hiện tượng xoắn ốc gây méo lỗ ta cần tính tốc độ tới hạn của phôi quay theo công thức ω=2π.n/60≈n/10 ứng với tần số riêng nhỏ nhất.

Tần số riêng của dụng cụ thay đổi khi gia công nên ta có thể chọn tốc độ cắt phù hợp với từng vị trí gia công trong khoảng tốc độ nvào cắt – nkết thúc (tốc độ cắt ứng với các tốc độ cắt tới hạn ở vị trí bắt đầu vào cắt và kết thúc gia công).

Đối với dao động cưỡng bức, từ kết quả khảo sát, có một số nhận xét sau:

- Trong dải tần số từ 0-100Hz, các điểm nguy hiểm ứng với các tần số : điểm thứ nhất 3 - 6 Hz; điểm thứ hai: 30 - 32 Hz; điểm thứ ba: 86 - 87 Hz. Đây là các điểm cộng hưởng nguy hiểm, tương ứng với ba tần số riêng đã tính được ở  trên.

- Biên độ dao động của dụng cụ trong khoảng -6,22 - 0,477 mm, biên độ cộng hưởng của tần số đầu tiên là 6,22 mm, biên độ của các tần số sau đó giảm dần, nếu tốc độ cắt < 49 v/ph thì biên độ dao động sẽ khoảng 0,5 mm, nếu gia công ở tốc độ cao hơn thì biên độ lại giảm đi nhiều.

giaconglosau5

Bảng 1: Các tần số và dạng dao động riêng
giaconglosau6
Bảng 2: Tốc độ tới hạn ứng với các tần số riêng

5. Kết luận

Kết quả của quá  trình nghiên cứu:

- Đã xây dựng được một phương pháp xác định chế độ cắt gọt tối ưu dựa trên quan điểm về dao động cũng như tính toán cụ thể tốc độ tới hạn cho một nguyên công khoan lỗ sâu kiểu BTA.

- Biên độ và các đáp ứng của dao động cưỡng bức tại một vị trí gia công cho chúng ta định hướng lựa chọn chế độ cắt hợp lý hơn với yêu cầu kỹ thuật đề ra, những điểm nguy hiểm cần tránh cho quá trình gia công. 

Các kết quả thu được ở trên phục vụ trực tiếp cho quá trình lựa chọn thông số công nghệ, chế tạo, lắp đặt các trang bị công nghệ, làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm dao động của dụng cụ khoan lỗ sâu.

Tài liệu tham khảo
[1] Lê Hoàng Phú. Công nghệ gia công lỗ sâu chính xác. Viện Công Nghệ-Tổng cục CNQP. Năm 2005.
[2] Phạm Ngọc Bình. Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu chính xác ứng dụng trong quốc phòng và thủy khí. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật. Đại học Bách khoa Hà nội. Năm 2007.
[3] Sinisa Kojic. A Theoretical and Expetimental Investigation of the BTA Deep Hole Tool Support in the Machining Zone. Thesis for Degree of Master. Concordia University. 2000.v

Th.S Phạm Ngọc Bình & K.S Hoàng Minh Long (Viện Công Nghệ, TCCNQP)

Theo automation.net.vn


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: