Nghiên cứu thiết kế và kết nối hệ thống đo lực cắt trên máy mài tròn ngoài

pháp gia công tinh được sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Đồng thời mài cũng là một quá trình phức tạp, các thông số đầu vào của quá trình mài đều ảnh hưởng đến chất lượng mài. Do đó, thực nghiệm là một trong các biện pháp hiệu quả để xác định chính xác các thông số trong quá trình mài. Bài báo này trình bày phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xác định giá trị của lực cắt trên bề mặt của chi tiết gia công thông qua việc thiết lập hệ thống đo, sử dụng phần mềm DASYlab7.0 có chức năng đo lường tự động và ghi dữ liệu. Từ khóa: Phương pháp mài; mài tròn ngoài; hệ thống đo; thông số đo; lực cắt. Abstract Grinding is a finish machinery method commonly used in the machine-building industry. At the same time grinding is a complex process, the input parameters of the grinding process affect the quality of grinding. Therefore, experiment is one of the effective measures to accurately determine parameters during grinding. This paper presents an empirical research for determining the value of the cutting force on the surface of the machining part through the establishment of a measuring system in combination with the use of the DASYlab7.0 software which has function of automatic measurement and data recording. Keywords: Grinding method; external grinding; measuring system; measuring parameters; cutting force. 1. GIỚI THIỆU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trên thế giới trong lĩnh vực cơ khí, mài được coi là nguyên công gia công tinh sau khi đã được gia công bằng tiện, phay, bào sau nhiệt luyện [1] nhằm nâng cao độ chính xác về kích thước và độ nhẵn bóng bề mặt của chi tiết gia công. Ưu điểm cơ bản của quá trình mài là dễ đạt được độ chính xác kích thước, độ chính xác hình dáng hình học chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu. Hơn nữa, mài còn có thể gia công được các vật liệu có độ cứng cao đã qua nhiệt luyện với lượng dư gia công nhỏ, đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao nhất mà các phương pháp khác khó có thể thực hiện được [2]. Để khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa quá trình cắt, có nhiều mô hình đã được đưa ra [3, 4], một số hãng đã giới thiệu về hệ thống đo. Tuy nhiên, các hệ thống này có giá thành quá cao không phù hợp với điệu kiện kinh tế nước ta. Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm đo lực cắt trong quá trình mài để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và mang lại hiệu quả kinh tế cao. 2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Điều kiện thí nghiệm gồm: máy mài tròn ngoài, mẫu thí nghiệm, đá mài, dụng cụ sửa đá, phương pháp mài, chế độ sửa đá, chế độ cắt [5], cụ thể: - Máy mài tròn ngoài: Sử dụng máy mài tròn ngoài: GU-20.25A SHIGIYA của Nhật Bản. - Mẫu thí nghiệm mài: Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ thép 45 và được tôi cứng 45÷47 HRC - Đá mài: Sử dụng đá mài của Nga ký hiệu €K25CM2, kích thước của đá 305x50x127 mm. Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Văn Địch 2. TS. Vũ Hoa Kỳ 45 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 - Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại 1 hạt có kích thước ∅12 x 40 mm. - Phương pháp mài: Mài tròn ngoài có tâm chạy dao dọc. - Chế độ sửa đá: Tốc độ quay trục chính: nđ = 2000 vg/ph, bước tiến dọc: Ssđ = 1 m/ph, chiều sâu cắt: tsđ = 0,015 mm/htđ. - Chế độ cắt: Tốc độ quay trục đá: nđ = 2000 vg/ph, tốc độ quay của phôi: nct = 97 vg/ph, bước tiến dọc: Sđ = 0,5 m/ph, chiều sâu cắt: t = 0,05 mm. Ngoài ra, để đo lực cắt thí nghiệm, tác giả sử dụng thiết bị đo lực cắt gồm: - Bộ cảm biến: Hai mũi tâm đóng vai trò là phần tử đàn hồi trên đó có dán các tenzo điện trở (còn gọi là lực kế). - Bộ chuyển đổi ADC: Bộ vi điều khiển MSC-51 điều khiển hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự - số. - Thiết bị xuất số liệu: máy tính cá nhân, máy in. - Phần mềm điều khiển và xử lý thông tin: sử dụng phần mềm DASYlab7.0 - 32 bit của hãng IOTECH có chức năng đo lường, điều khiển, phân tích, ghi số liệu và thiết kế mô phỏng quá trình đo. 3. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 3.1. Mô hình thí nghiệm đo lực Một trong những phương pháp đo lực cắt được sử dụng rộng rãi hiện nay là dùng các cảm biến có gắn các tenzo điện trở trên những phần tử đàn hồi có các hình dạng khác nhau. Thông qua việc đo biến dạng của các phần từ đàn hồi bằng đầu đo điện trở, ta có thể xác định được trị số của lực. Để đo lực cắt khi mài tròn ngoài ta sử dụng sơ đồ như hình 1. n n 3 2 3 4 1 P P Hình 1. Mô hình thí nghiệm đo lực [5, 6]. 1- đá mài; 2 - chi tiết gia công; 3 - mũi tâm có gắn cảm biến; 4 - tốc độ truyền mômen Chi tiết gia công (2) được gá trên hai mũi tâm (3) (đóng vai trò là phần tử đàn hồi). Với sơ đồ thí nghiệm này có sử dụng các phần mềm chuyên dụng để tính toán kiểm nghiệm các phần tử của hệ thống, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao, khác so với một số công trình đã nghiên cứu trước đây phải tính toán kiểm nghiệm bằng tay. 3.2. Thiết kế, chế tạo lực kế Để đo lực cắt khi gia công trên máy mài tròn ngoài, ta sử dụng 2 mũi tâm làm phần tử đàn hồi trên đó có dán tenzo điện trở. Nguyên lý đo: Trong quá trình mài các thành phần lực cắt cần đo (lực pháp tuyến Py, lực tiếp tuyến Pz) thông qua chi tiết gia công (2) làm biến dạng mũi tâm (3), làm thay đổi điện trở của các tenzo được dán trên hai mũi tâm, do đó sẽ làm thay đổi dòng điện qua tenzo. Sự thay đổi dòng điện này được lấy làm tín hiệu đo. Độ lớn cực đại của các lực cần đo trong quá trình mài tinh theo tính toán lý thuyết trên máy mài GU - 20.25 A như sau: - Lực tiếp tuyến: Pzmax = 60 N dùng để xác định công suất khi mài. - Lực hướng kính: Pymax = 100 N vuông góc với bề mặt làm việc. Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng (hình 2). Kết quả kiểm nghiệm chuyển vị Ymax = 1,1 µm. Hình 2. Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng sử dụng phần mềm ANSYS [5] Trong khi mài, phôi được gá lên hai mũi tâm, hai mũi tâm lắp chặt với thân cảm biến, vì vậy kết cấu của thân cảm biến phải đủ độ cứng vững để trong quá trình mài không ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm và đồng thời phải đủ độ nhạy để đo được hai thành phần lực Py, Pz do đá mài tác dụng lên phôi. Từ những yêu cầu trên, cảm biến được thiết kế gồm hai phần chính là: thân cảm biến và mũi tâm. 46 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Ngoài ra còn có vỏ bao bên ngoài để quá trình làm việc, cảm biến không bị ảnh hưởng bởi dung dịch tưới nguội và phoi khi mài. Quá trình tính toán kích thước, độ bền của phần tử đàn hồi phải giải quyết hai vấn đề cơ bản, đó là: đảm bảo đủ độ cứng vững và độ biến dạng của thân cảm biến. Trong trường hợp này, phần tử cảm biến tem biến dạng sử dụng tổ hợp các biến dạng chịu uốn. Để đảm bảo độ nhạy của cảm biến và không gian để đấu dây, phía giữa thân cảm biến được khoan rỗng. Việc tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến của phần tử biến dạng sử dụng phần mềm tính toán chuyên dụng cho các cảm biến tem biến dạng Transcalc của hãng KYOWA. 3.3. Thiết lập các mạch cầu cảm biến và chọn vị trí dán tem điện trở Mạch cầu cảm biến có thể chứa một, hai, ba, bốn tem điện trở hoặc nhiều hơn tuỳ thuộc vào độ lớn của lực cần đo, độ chính xác mong muốn và ảnh hưởng của các tác động bên ngoài. Chiều biến dạng của các tem phụ thuộc vào kết cấu của phần tử biến dạng và vị trí dán tem. Các tem biến dạng của cảm biến được sắp xếp trên phần tử biến dạng, trong đó bốn tem điện trở vừa đóng vai trò là tem đo vừa có tác dụng tự bù trừ nhiệt hình 4. Trong mạch cầu này, các tem đã được chọn là đồng nhất nên: R1 = R2 = R3 = R4 = Rg, trong đó, Rg là giá trị điện trở của tem [5, 6]. N°°U° ra°°U° 2°°R 4°°R 3°°R 1°°R Hình 3. Mạch cầu điện trở với bốn tem vừa đo vừa tự bù trừ nhiệt Nếu như điều kiện lý tưởng của cầu được thỏa mãn R1.R3 = R2.R4, nghĩa là điện áp ra của cầu bằng không (Ura = 0). Chênh lệch điện áp ra của cầu ∆Ura có thể viết theo biểu thức sau: trong đó: (1−n) là hệ số phi tuyến, với n là số phi tuyến. Trong thực tế, giá trị này có thể rất bé song nó vẫn luôn tồn tại, do đó gây khó khăn trong việc thao tác căn chỉnh cầu. Tuy nhiên, bằng những giải pháp thực nghiệm ta có thể khống chế cầu cảm biến làm việc ở những đoạn tuyến tính mong muốn. Khi có lực Py tác động vào phần tử biến dạng chịu uốn (đồng thời cũng chính là thân cảm biến), các điện trở tem R2, R4 tăng, còn R1, R3 giảm. Điện áp là lực tác dụng vào phần tử biến dạng Ura = Ky.Py, trong đó Py là lực tác dụng vào phần tử biến dạng theo phương Y, Ky là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào điện áp nuôi cảm biến, độ nhạy của tem điện trở và kết cấu phần tử biến dạng. Khi có lực Pz tác động vào cảm biến, trên mạch cầu cảm biến đo lực Pz cũng xảy ra hiện tượng tương tự như trường hợp Py tác động. Các vị trí dán tem trên phần tử biến dạng được thể hiện trên hình 4. Tất cả các tem điện trở được dán trên 2 phần tử biến dạng sao cho các tem biến dạng dương (+) được dán cùng một phía và các tem biến dạng âm (-) được dán ở phía đối diện qua tâm của phần tử biến dạng chịu uốn. R°° R°° R°° R°° 1°° 2°° 3° 4°° Hình 4. Vị trí dán tem trên thân cảm biến [5] 3.4. Thiết kế thiết bị xử lý tín hiệu cho cảm biến Do bộ cảm biến phải đảm bảo độ cứng vững nên các cảm biến được chế tạo có độ nhạy nhỏ. Từ đó thiết bị xử lý tín hiệu được thiết kế, chế tạo cần phải có hệ số khuếch đại tương đối lớn. Bên cạnh đó, trong khi làm việc không thể tránh khỏi các loại nhiễu làm mất ổn định hệ thống đo nên khả năng lọc nhiễu của thiết bị cũng phải luôn được quan tâm. Thiết bị xử lý tín hiệu bao gồm những phần cơ bản như sơ đồ sau: 47 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Hình 5. Sơ đồ thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến Thiết bị xử lý tín hiệu hai kênh sử dụng trong hệ thống đo lực trên máy mài tròn được chế tạo nhờ ứng dụng vi mạch khuếch đại chuyên dụng cho các cảm biến đo của hãng RS. Khi sử dụng vi mạch này thì các yêu cầu về tính ổn định, hệ số khuếch đại cũng như các yêu cầu về chống nhiễu được đảm bảo [5, 7]. 3.5. Kết nối hệ thống đo lực Tín hiệu ra từ bộ cảm biến được đưa vào bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu Card DBK16. Tín hiệu tương tự ra từ bộ xử lý tín hiệu DBK16 được đưa vào bộ chuyển đổi A/D Daqbook 216 và được hiển thị trên máy tính cá nhân và máy in. Để thực hiện phương pháp đo, sử dụng phần mềm điều khiển và xử lý tín hiệu đo DASYlab 7.0 thiết kế được hệ thống đo lường tự động và ghi dữ liệu như hình 6. Hình 6. Hệ thống đo lực ghi dữ liệu tự động trên máy tính 4. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN Kết quả đo một hành trình khi mài được trình bày trên hình 7. Các thông số đo được gồm các thành phần lực Py, Pz. Trên đồ thị, trục hoành là thời gian mài (s), trục tung là lực cắt (N). Quan sát trên đồ thị cho thấy, đường đặc tính được chia ra thành các giai đoạn sau: ở giai đoạn đầu đường đặc tính là một đường thẳng nằm song song với trục hoành, đây là khoảng thời gian chưa có lực tác dụng của đá vào bề mặt chi tiết, ở giai đoạn 2 đường đặc tính là một đường cong, đây là giai đoạn tiếp xúc giữa đá với bề mặt chi tiết, lúc này bắt đầu xuất hiện lực cắt, ở giai đoạn 3 lực cắt bắt đầu tăng lên do chiều dài tiếp xúc giữa đá và bề mặt chi tiết tăng dần, đường đặc tính tăng gần như tuyến tính cho đến khi toàn bộ chiều rộng của đá tiếp xúc với bề mặt chi tiết thì lực cắt đạt giá trị lớn nhất, ở giai đoạn 4 đường đặc tính bắt đầu giảm, đây là quá trình đá đi ra khỏi chi tiết, chiều dài tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm, lực cắt giảm dần cho đến khi đá ra khỏi chi tiết thì lực cắt bằng không, điều này cho thấy thông số đo được của các thành phần lực Py, Pz giữa đá và bề mặt chi tiết tương đối đều và khá ổn định. 48 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018 Hình 7. Kết quả thí nghiệm đo lực khi mài một hành trình trên máy mài tròn ngoài 5. KẾT LUẬN - Thiết kế, chế tạo và kết nối được hệ thống đo lực hai thành phần: lực hướng kính Py, lực tiếp tuyến Pz trên máy mài tròn ngoài. Hệ thống làm việc ổn định, đảm bảo độ chính xác. - Sử dụng các phần mềm để xác định lực cắt lưu trữ là xử lý số liệu thực nghiệm. - Hệ thống thí nghiệm đo lực được sử dụng để xác định ảnh hưởng của lực mài đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phạm Minh Đạo, Trần Anh Tuấn, Đỗ Lan Anh (2010). Giáo trình mài. Nhà xuất bản Lao động, Hà Nội. [2]. Lương Công Nhớ, Nguyễn Tiến Dũng (2016). Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc chi tiết và chiều sâu mài đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng hợp kim 16Mn có nhiệt luyện. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Hàng hải, số 46, trang 18-21. [3]. L.N. Filimonop (1978). Old grinding wheel. Publishers manufacturing machinery Leningrat. [4]. S. Markin (1989). Grinding technology theory and application machining with abrasive. Massachusetts. [5]. Trần Đức Quý (2007). Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt của chi tiết khi mài tròn ngoài. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. [6]. Phan Bá, Đào Mộng Lâm (2001). Đo lường-sen xơ. Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân. [7]. Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng (2007). Hệ thống đo lực cắt mới trên máy mài tròn ngoài. Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 3, trang 104-108.