Hoàn chỉnh thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo-nén cho vật liệu kim loại

Đồ án hoàn chỉnh thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kéo nén kim loại tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Phan Minh Sang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhựt Phi Long
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Hoàn chỉnh thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo-nén cho vật liệu kim loại
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kéo nén kim loại

Hiện tượng phá hủy mỏi chiếm phần lớn sự cố cơ học trong công nghiệp. Chi tiết kim loại thường nứt gãy dưới tác dụng của ứng suất chu kỳ dù giá trị tải trọng thấp hơn giới hạn bền tĩnh. Do đó, việc nghiên cứu độ bền mỏi kéo nén đóng vai trò sống còn trong chế tạo máy. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung hoàn thiện thiết bị thử mỏi cơ khí. Hệ thống nhằm mục đích đánh giá khả năng chịu tải của các mẫu thép và hợp kim. Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý tác động lực kéo và nén tuần hoàn. Cơ cấu tạo chu trình biến dạng liên tục lên mẫu thử nghiệm. Kết quả đo cho phép xây dựng đường cong Wöhler tiêu chuẩn. Thông số này phục vụ trực tiếp cho tính toán thiết kế máy an toàn. Việc làm chủ công nghệ chế tạo máy thử nghiệm trong nước mang ý nghĩa khoa học lớn. Thiết bị nội địa giúp tiết kiệm ngân sách nhập khẩu và tối ưu đào tạo chuyên môn. Dự án tạo nền tảng vững chắc cho hoạt động nghiên cứu vật liệu cơ khí tại Việt Nam.

1.1. Bản chất cơ học của hiện tượng phá hủy mỏi kim loại

Hiện tượng phá hủy mỏi xuất hiện khi vật liệu chịu tải biến đổi liên tục. Sự phá hủy bắt đầu từ những vết nứt vi mô trên bề mặt kim loại. Các vết nứt này phát triển dần theo thời gian làm việc. Ứng suất cục bộ tại đỉnh vết nứt tăng cao đột ngột. Quá trình lan truyền diễn ra âm thầm mà không có dấu hiệu biến dạng dẻo rõ rệt. Khi diện tích tiết diện còn lại không đủ chịu tải, chi tiết sẽ gãy đột ngột. Hiện tượng mỏi xảy ra ngay cả khi ứng suất lớn nhất nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền kéo của vật liệu. Kiểm tra độ bền mỏi là biện pháp bắt buộc đối với kết cấu chịu tải động.

1.2. Tầm quan trọng của đồ án chế tạo tại ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang giá trị thực tiễn cao. Nghiên cứu do nhóm sinh viên Khoa Đào tạo Chất lượng cao thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Nhựt Phi Long. Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo máy kiểm tra mỏi kéo nén hoàn chỉnh. Sản phẩm này giải quyết bài toán thiếu hụt thiết bị thí nghiệm chuyên sâu tại các trường kỹ thuật. Việc tự chế tạo máy giảm chi phí đầu tư thiết bị từ nước ngoài. Dự án đồng thời rèn luyện kỹ năng tích hợp cơ khí, điều khiển và đo lường cho sinh viên. Mô hình cung cấp công cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy cơ học vật liệu.

II. Thực trạng kiểm tra độ bền mỏi kéo nén kim loại hiện nay

Nhu cầu kiểm tra độ bền mỏi ngày càng tăng trong sản xuất cơ khí chính xác. Tuy nhiên, các phòng thí nghiệm trong nước đối mặt với nhiều rào cản lớn. Thiết bị thử nghiệm nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành rất cao. Chi phí mua mới thường vượt quá ngân sách của nhiều cơ sở giáo dục và doanh nghiệp vừa và nhỏ. Ngoài ra, việc vận hành máy nhập ngoại đòi hỏi điều kiện bảo trì phức tạp. Linh kiện thay thế đắt đỏ và thời gian chờ nhập khẩu kéo dài. Phần mềm điều khiển đóng kín gây khó khăn cho việc nghiên cứu phát triển sâu hơn. Các máy thử nghiệm cũ hiện có thường thiếu độ chính xác cao. Khả năng ghi nhận dữ liệu thời gian thực còn nhiều hạn chế. Việc điều khiển chu trình kéo nén đối xứng chưa đạt độ ổn định mong muốn. Tình trạng này cản trở nghiên cứu vật liệu và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Do đó, bài toán đặt ra là phải tự chủ thiết kế máy kiểm tra mỏi. Thiết bị phải đảm bảo độ tin cậy cơ học và tối ưu chi phí.

2.1. Thách thức về chi phí và công nghệ thiết bị nhập ngoại

Các hệ thống thử mỏi nhập khẩu từ các nước phát triển có giá hàng tỷ đồng. Chi phí chuyển giao công nghệ và hiệu chuẩn định kỳ rất tốn kém. Khi xảy ra sự cố hỏng hóc, thiết bị thường phải dừng hoạt động thời gian dài. Quá trình bảo dưỡng phụ thuộc hoàn toàn vào chuyên gia từ hãng sản xuất. Điều này gây đình trệ hoạt động nghiên cứu khoa học và đào tạo sinh viên. Các doanh nghiệp trong nước khó tiếp cận công nghệ thử mỏi vì lý do tài chính. Thiết bị tự chế tạo mở ra giải pháp chủ động và tiết kiệm ngân sách.

2.2. Khó khăn kỹ thuật trong kiểm soát tải trọng kéo nén

Kiểm tra mỏi kéo nén đòi hỏi cơ cấu sinh lực chính xác và ổn định cao. Hiện tượng mất ổn định uốn dọc của mẫu thử thường xảy ra khi chịu lực nén. Cơ cấu cơ khí phải đảm bảo độ đồng tâm tuyệt đối dọc theo trục tải. Bất kỳ sự lệch trục nhỏ nào cũng tạo ra ứng suất uốn phụ không mong muốn. Ứng suất uốn này làm sai lệch đáng kể kết quả đo độ bền mỏi. Hệ thống dẫn hướng con trượt và ngàm kẹp cần độ cứng vững cơ học rất lớn. Việc duy trì tần số dao động ổn định trong hàng triệu chu trình cũng là bài toán khó. Sai số tích lũy cơ học ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ máy.

III. Chế tạo thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kéo nén kim loại mới

Đồ án đưa ra phương án thiết kế máy thử mỏi dựa trên cơ cấu bánh lệch tâm. Hệ thống kết hợp động cơ điện 3 pha và bộ truyền động cơ khí chính xác. Động cơ cảm ứng tạo ra chuyển động quay ổn định. Cơ cấu lệch tâm chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại. Chuyển động này tác động trực tiếp lực kéo và nén lên mẫu kim loại. Cơ cấu dẫn hướng bằng con trượt giúp triệt tiêu lực uốn bên. Máy tích hợp hệ thống lò xo nén để tạo tải trọng biến đổi đàn hồi. Tính toán lò xo thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật về bước xoắn và giới hạn lực đàn hồi. Cảm biến lực loadcell và cảm biến hành trình ghi nhận dữ liệu liên tục. Hệ thống điều khiển tự động dừng máy ngay khi mẫu kim loại xuất hiện vết nứt gãy. Cấu trúc khung máy được gia công từ thép chịu lực cao để chống rung. Giải pháp này mang lại độ ổn định lớn và chi phí gia công chế tạo rất hợp lý.

3.1. Nguyên lý cơ cấu rung lắc lệch tâm và hệ thống lò xo

Cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm đóng vai trò tạo chuyển động kéo nén tuần hoàn. Bánh lệch tâm quay tạo ra biên độ dao động xác định theo thiết kế hình học. Bộ phận con trượt dẫn hướng giữ chuyển động tịnh tiến luôn thẳng hàng. Hệ thống sử dụng lò xo nén để duy trì phản lực đàn hồi ổn định lên mẫu thử. Kích thước lò xo được tính toán chặt chẽ nhằm tránh hiện tượng mất ổn định uốn. Tỷ số chiều cao trên đường kính lò xo luôn thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn ba. Bước xoắn lò xo được chọn kỹ để các vòng không bị va quẹt khi chuyển vị cực đại. Thiết kế này đảm bảo máy hoạt động êm và giảm thiểu tiếng ồn.

3.2. Ứng dụng động cơ điện 3 pha và mạch đo đạc tự động

Động cơ điện cảm ứng 3 pha cung cấp nguồn động lực liên tục cho toàn hệ thống. Động cơ xoay chiều có ưu thế lớn nhờ khả năng tự khởi động và mô-men quay ổn định. Rãnh rotor đặt xiên giúp loại bỏ hiện tượng dao động mô-men khi vận hành. Thiết bị duy trì tốc độ vòng quay chính xác trong suốt quá trình thử nghiệm dài hạn. Mạch đo đạc kết nối các cảm biến lực và biến dạng về bộ điều khiển trung tâm. Tín hiệu thu nhận được số hóa và xử lý theo thuật toán định sẵn. Màn hình điều khiển hiển thị trực tiếp số chu trình tải và trạng thái mẫu vật. Hệ thống tự động ngắt điện bảo vệ khi xảy ra quá tải hoặc gãy mẫu.

IV. Ứng dụng thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kéo nén kim loại này

Thiết bị hoàn thiện đáp ứng tốt các yêu cầu kiểm tra cơ tính kim loại. Máy hoạt động ổn định và cho kết quả đo mỏi kéo nén có độ tin cậy cao. Sản phẩm phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo kỹ sư cơ khí tại ĐH SPKT TP.HCM. Sinh viên được tiếp cận thiết bị thực nghiệm trực quan thay vì chỉ học lý thuyết. Thiết bị còn hỗ trợ đắc lực cho các đề tài nghiên cứu khoa học vật liệu nâng cao. Bên cạnh môi trường học thuật, thiết bị có tiềm năng ứng dụng công nghiệp rất lớn. Các xưởng gia công và doanh nghiệp cơ khí có thể sử dụng máy để kiểm định vật tư đầu vào. Việc đánh giá độ bền mỏi giúp tối ưu hóa kết cấu máy móc và khuôn mẫu. Doanh nghiệp dễ dàng dự đoán tuổi thọ làm việc của chi tiết và ngăn ngừa sự cố gãy hỏng đột ngột. Thành công của đề tài khẳng định năng lực chế tạo thiết bị thử nghiệm cơ khí tại Việt Nam. Thiết bị mở ra hướng phát triển các dòng máy đo lường công nghiệp nội địa chất lượng cao.

4.1. Hiệu quả giảng dạy và thực hành cơ khí thực nghiệm

Thiết bị đem lại giá trị to lớn cho công tác đào tạo tại nhà trường. Sinh viên được trực tiếp tham gia gá đặt mẫu và thiết lập thông số thử nghiệm mỏi. Quá trình quan sát diễn biến phá hủy mỏi giúp củng cố kiến thức lý thuyết sức bền vật liệu. Kỹ năng vận hành máy thực tế nâng cao năng lực tay nghề cho sinh viên chuyên ngành chế tạo máy. Hệ thống trở thành cơ sở vật chất quan trọng phục vụ các bài thí nghiệm chuyên sâu. Nhà trường chủ động hơn trong chương trình giảng dạy cơ học thực nghiệm. Đề tài mở đường cho nhiều dự án nghiên cứu cải tiến kỹ thuật tiếp theo của sinh viên các khóa sau.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và thương mại hóa trong công nghiệp

Thiết bị sở hữu tiềm năng thương mại hóa cao cho ngành cơ khí chế tạo. Giá thành sản xuất máy thấp hơn nhiều so với thiết bị ngoại nhập cùng chức năng. Doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô và kết cấu thép có thể ứng dụng máy để kiểm soát chất lượng. Thiết bị giúp phát hiện sớm khuyết tật vật liệu trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt. Việc làm chủ toàn bộ thiết kế cơ khí và điều khiển giúp tùy biến máy theo yêu cầu riêng. Doanh nghiệp dễ dàng nâng cấp phần mềm hoặc thay đổi dải đo lực khi cần. Khả năng bảo trì nhanh chóng và chi phí thấp mang lại lợi thế kinh tế lớn cho đơn vị sử dụng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí và chế tạo máy, các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu tải trọng thay đổi chu kỳ ở tần số cao như các cơ cấu trong ô tô, xe máy, tàu hỏa, máy bay, cánh quạt, lò xo và giảm xóc thường xuyên đối mặt với hiện tượng phá hủy mỏi. Độ bền mỏi và độ cứng bề mặt là những chỉ tiêu cơ học cơ bản quyết định trực tiếp đến tuổi thọ, khả năng chịu tải cũng như độ an toàn của kết cấu. Người kỹ sư cần xác định chính xác số chu kỳ chịu tải mà vật liệu có thể chịu đựng trước khi xảy ra nứt vỡ để tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu khối lượng vật liệu mà vẫn bảo đảm độ bền làm việc.

Tại Việt Nam, các thiết bị kiểm tra độ bền mỏi chủ yếu được trang bị tại một số trung tâm đo lường tiêu chuẩn (như Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 - Quatest 3, Trung tâm Đánh giá Hư hỏng Vật liệu) hoặc các trường đại học lớn như Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh. Các dòng máy thương mại nhập khẩu thường có kích thước rất cồng kềnh và chi phí đầu tư cao, khiến sinh viên và học viên khó có cơ hội tiếp cận trực tiếp phục vụ học tập, nghiên cứu thực nghiệm.

Nhằm giải quyết nhu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo Máy tập trung thực hiện các mục tiêu cụ thể sau:

1. Hoàn chỉnh thiết kế mô hình máy kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo - nén.
2. Tính toán và thiết kế kết cấu cơ khí cho máy kiểm tra độ bền mỏi.
3. Thiết kế mạch điều khiển và đo lường điện tử cho máy, bảo đảm khả năng tự động hóa và giao tiếp với máy tính.
4. Chế tạo mô hình thiết bị hoàn chỉnh và vận hành thử nghiệm trên mẫu vật liệu thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo - nén dành cho vật liệu kim loại (thép cacbon và thép hợp kim).
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kết cấu cơ khí, tính toán truyền động, chế tạo mô hình thiết bị kiểm tra mỏi quy mô phòng thí nghiệm, tích hợp hệ thống đo lực - đếm chu kỳ và tiến hành thử nghiệm phá hủy mỏi trên mẫu thử bằng thép EN S235JR theo tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế ISO 1099:2008) quy định về phương pháp thử mỏi dọc trục với biên độ lực không đổi đối với vật liệu kim loại. Tiêu chuẩn này đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về hình học của mẫu thử tiết diện tròn:

Thông số hình học mẫu thử	Quy định theo TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008)	Giá trị chế tạo mẫu thí nghiệm
Đường kính phần đo hình trụ ($d$)	$d \ge 3\text{ mm}$	$3\text{ mm}$
Bán kính góc lượn chuyển tiếp ($r$)	$r \ge 2d$	$8\text{ mm}$
Đường kính ngoài phần đầu kẹp ($D$)	$D \ge 2d$	$14\text{ mm}$
Chiều dài phần làm giảm ($L_c$)	$L_c \le 8d$	Chiều dài tổng $L = 20\text{ mm}$
Dung sai độ song song ($//$)	$\le 0{,}005d$	Tuân thủ tiêu chuẩn
Dung sai độ đồng tâm ($\bigcirc$)	$\le 0{,}005d$	Tuân thủ tiêu chuẩn
Dung sai độ vuông góc ($\bot$)	$\le 0{,}005d$	Tuân thủ tiêu chuẩn
Độ nhám bề mặt phần đo ($Ra$)	$Ra < 0{,}2\ \mu\text{m}$ (không để lại vết xước chu vi)	Gia công tiện tinh, mài và đánh bóng dọc trục

Về cơ sở lý thuyết máy và điều khiển, tác giả tổng hợp các nguyên lý:

• Lý thuyết động cơ điện: Cấu tạo stator, rotor, nguyên lý tạo từ trường quay (RMF) của động cơ xoay chiều ba pha và một pha không đồng bộ, động cơ đồng bộ, động cơ bước và động cơ servo.
• Cơ cấu dẫn hướng tuyến tính: Khảo sát các cơ cấu dẫn hướng gồm ray trượt tròn có đế SBR, ray trượt vuông của các hãng THK (Nhật Bản), CPC (Đài Loan) và vòng bi trượt dẫn hướng LMH.
• Hệ thống cảm biến và vi điều khiển: Cảm biến lực Loadcell dạng kéo - nén hoạt động trên nguyên lý cầu điện trở Wheatstone và sự thay đổi điện trở của lá điện trở strain gauge ($R = \rho \frac{L}{A}$); module chuyển đổi tương tự - số (ADC) HX711 độ phân giải 24-bit (2 dây giao tiếp SCK và DT, tốc độ lấy mẫu 10 - 80 SPS); bo mạch vi điều khiển nguồn mở Arduino Uno phát triển trên vi xử lý AVR Atmel kết hợp phần mềm lập trình Arduino IDE.
• Lý thuyết cơ cấu cơ khí: Phân tích động học cơ cấu cam phẳng, cam không gian, cơ cấu tay quay - con trượt và cơ cấu lệch tâm tạo rung động.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thử nghiệm cơ tính và mỏi kim loại.
• Phương pháp khảo sát thực tế kết cấu các dòng máy thương mại và phân tích những hạn chế của mô hình thử nghiệm ở đề tài khóa trước.
• Phương pháp thiết kế và mô hình hóa hình học 3D trên phần mềm SolidWorks, xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D trên AutoCAD và phân tích ứng suất bằng phần mềm Ansys.
• Phương pháp chế tạo thực nghiệm cơ khí (tiện trên máy tiện vạn năng Moriseiki SL25/1000, phay trên máy phay CNC OKK, cắt phôi và chấn gấp kim loại tấm).
• Phương pháp tích hợp phần cứng điện tử và lập trình giải thuật đếm chu kỳ, đo lực kéo - nén tự động ngắt khi mẫu nứt gãy.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống thiết bị kiểm tra độ bền mỏi được phát triển dựa trên việc cải tiến cơ cấu động học nhằm khắc phục hiện tượng mài mòn và tiếng ồn lớn của thế hệ máy tiền nhiệm.

Cơ cấu chấp hành chính sử dụng cụm hai bánh răng lệch tâm ăn khớp nhau quay ngược chiều, được dẫn động từ động cơ điện. Khi bánh răng lệch tâm quay, lực ly tâm tuần hoàn sinh ra chuyển động rung lắc kéo - nén tác động liên tục vào trục dẫn hướng. Trục trượt này được định vị bởi cụm vòng bi trượt LMH và ray dẫn hướng nhằm giữ cho phương truyền lực luôn trùng với đường tâm dọc trục của mẫu thử, triệt tiêu lực uốn phụ.

Phương án cơ cấu	Ưu điểm	Nhược điểm	Đánh giá lựa chọn
Cơ cấu tay quay - con trượt có sử dụng lò xo (Phương án cũ)	Chạy tương đối êm nhờ giảm chấn của lò xo.	Tính toán lò xo phức tạp; làm việc lâu gây biến dạng thanh truyền, mòn ổ bi; biên độ trượt lớn gây mài mòn nhanh, tiếng ồn lớn; khung máy to, cồng kềnh.	Không lựa chọn (loại bỏ từ đề tài trước).
Cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm tạo tải kéo - nén (Phương án mới)	Kết cấu ổn định, dẫn hướng bằng con trượt và bi trượt LMH; vận hành êm, giảm mài mòn; kích thước nhỏ gọn phù hợp phòng thí nghiệm.	Lực rung và biên độ dao động phụ thuộc chặt chẽ vào khối lượng bánh lệch tâm và vận tốc góc của động cơ.	Được lựa chọn để tính toán, thiết kế và chế tạo.
Cơ cấu xây dựng mô hình bằng xi lanh đẩy	Điều chỉnh lực và hành trình linh hoạt.	Đòi hỏi trạm nguồn thủy lực hoặc máy nén khí đi kèm; kết cấu phức tạp, chi phí cao.	Không lựa chọn.

Hệ thống đo lường và điều khiển tự động được xây dựng xung quanh vi điều khiển Arduino Uno kết hợp module cảm biến lực:

• Đo lực kéo - nén: Một cảm biến lực Loadcell dạng kéo - nén được bố trí nối tiếp với đầu kẹp mẫu cố định. Tín hiệu điện áp biến thiên cấp microvolt từ cầu Wheatstone của Loadcell được đưa vào module biến đổi ADC HX711 độ phân giải 24-bit để khuếch đại và số hóa.
• Xử lý và điều khiển: Hai đường truyền dữ liệu DT và xung nhịp SCK của HX711 kết nối trực tiếp với các chân vào/ra số của Arduino Uno. Chương trình điều khiển đọc giá trị lực tức thời, giám sát ngưỡng lực làm việc và tích lũy số chu kỳ tác dụng lực. Khi mẫu thử bị phá hủy mỏi (gãy hoàn toàn), lực tác dụng phản hồi về Loadcell giảm đột ngột về mức triệt tiêu; vi điều khiển phát hiện sự sụt giảm này, lập tức ngắt rơ-le dừng động cơ và xuất số chu kỳ phá hủy cuối cùng lên giao diện màn hình máy tính qua cổng giao tiếp nối tiếp Serial.

Quy trình chế tạo chi tiết cơ khí được triển khai cho hệ thống linh kiện mang mã hiệu TCFT:

• Gia công tiện các chi tiết dạng tròn xoay, trục định vị và đầu kẹp mẫu (chi tiết TCFT-01, TCFT-11, TCFT-26) trên máy tiện vạn năng Moriseiki SL25/1000 sử dụng dao tiện gắn mảnh hợp kim thép gió HSS.
• Gia công phay các mặt phẳng, khoan tâm, khoan lỗ và taro ren của các chi tiết giá đỡ, bánh răng lệch tâm (chi tiết TCFT-06, bánh răng lệch tâm) trên máy phay CNC OKK.
• Gia công các chi tiết khung vỏ, tấm đế, gối đỡ (chi tiết TCFT-04, TCFT-08, TCFT-13, TCFT-15) bằng phương pháp cắt laser định hình biên dạng, khoan lỗ công nghệ và chấn gấp kim loại tấm theo bản vẽ thiết kế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu độ bền mỏi đối với các chi tiết cơ khí chịu tải trọng biến đổi tuần hoàn. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tạo ra một thiết bị thử nghiệm mỏi cỡ nhỏ, chi phí thấp cho sinh viên ngành chế tạo máy. Nội dung chương đồng thời xác định cụ thể 4 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu là máy thử mỏi kéo - nén cho kim loại, phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu thép EN S235JR và tóm tắt kết cấu 7 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết nền tảng phục vụ thiết kế:

• Kích thước và dung sai hình học của mẫu thử mỏi tiết diện tròn theo tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008), nhấn mạnh yêu cầu đánh bóng cơ học đạt độ nhám $Ra < 0{,}2\ \mu\text{m}$ để tránh tập trung ứng suất do vết xước tiện.
• Cấu tạo và nguyên lý của động cơ điện xoay chiều một pha, ba pha (khái niệm từ trường quay RMF, hệ số trượt $S$ từ 2% đến 10%), động cơ đồng bộ, động cơ bước và động cơ servo.
• Các loại cơ cấu dẫn hướng tuyến tính (ray trượt tròn SBR, ray trượt vuông THK, CPC).
• Cảm biến lực Loadcell đo biến dạng điện trở qua cầu Wheatstone, module chuyển đổi ADC 24-bit HX711 và phần cứng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno cùng phần mềm Arduino IDE.
• Quy trình thiết kế máy tổng quát và giới thiệu các công cụ hỗ trợ thiết kế gồm AutoCAD (vẽ 2D), SolidWorks (thiết kế mô hình 3D, đo thể tích) và Ansys (phân tích lực).
• Phân loại và nguyên lý chuyển động của cơ cấu cam phẳng và cam không gian.

Chương 3: Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế và khắc phục thiếu sót từ đề tài trước

Tác giả phân tích các hạn chế của đề tài khóa trước: sử dụng cơ cấu tay quay - con trượt có gắn lò xo dẫn đến biên độ trượt lớn, mài mòn nhanh, tiếng ồn vận hành lớn, dễ kẹt cơ cấu và khung máy quá to, cồng kềnh. Chương này đề xuất và so sánh ba phương án:

1. Cơ cấu tay quay - con trượt có sử dụng lò xo.
2. Cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm tạo chuyển động kéo - nén.
3. Cơ cấu sử dụng xi lanh đẩy. Kết luận chương đưa ra quyết định chọn cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm kết hợp ray trượt dẫn hướng và thiết kế lại hệ thống điều khiển đo lực bằng Loadcell và vi điều khiển.

Chương 4: Tính toán, thiết kế các cụm chi tiết theo phương án đã đề xuất

Nội dung chương tập trung vào tính toán kỹ thuật cụ thể:

• Khảo sát các thông số làm việc của lò xo (kích thước dây, đường kính trung bình, lực giới hạn $F_{\text{lim}}$, lực căng ban đầu $F_0$).
• Tính toán động học cơ cấu rung lắc hai bánh răng lệch tâm ăn khớp, sử dụng phần mềm SolidWorks để đo thể tích và xác định khối tâm lệch của bánh răng nhằm xác định lực quán tính ly tâm.
• Lựa chọn động cơ điện dẫn động bảo đảm công suất và tốc độ thử nghiệm cho mẫu thép EN S235JR.
• Tính chọn vòng bi trượt dẫn hướng trục LMH.
• Xây dựng sơ đồ khối hệ thống, lưu đồ giải thuật điều khiển và sơ đồ mạch điện kết nối giữa Arduino Uno, module HX711, cảm biến Loadcell và rơ-le điều khiển động cơ.

Chương 5: Quy trình công nghệ gia công chi tiết

Chương 5 lập quy trình công nghệ chế tạo thực tế cho các chi tiết cơ khí chính:

• Chuẩn bị phôi thép EN S235JR ban đầu, đồ gá mâm cặp ba chấu tự định tâm, dao tiện gắn mảnh hợp kim thép gió HSS trên máy tiện vạn năng Moriseiki SL25/1000 và dao phay trên máy phay CNC OKK.
• Các bước nguyên công gia công chi tiết TCFT-06 (phay mặt, phay biên dạng, khoan lỗ).
• Quy trình gia công chi tiết tấm TCFT-11, TCFT-08 (cắt biên dạng, cắt lỗ công nghệ, các đường chấn gấp kim loại tấm).
• Quy trình gia công trục và chi tiết kẹp TCFT-01, TCFT-26 (vạt mặt đầu, tiện ngoài trục $\varnothing 12 \times 12$, khoan lỗ và taro ren).
• Quy trình gia công 5 nguyên công chế tạo bánh răng lệch tâm.

Chương 6: Sản phẩm của đề tài

Chương 6 công bố toàn bộ thành quả chế tạo:

• Tập hợp bản vẽ lắp cụm máy và bản vẽ chi tiết kỹ thuật cho từng bộ phận (TCFT-01, TCFT-04, TCFT-06, TCFT-08, TCFT-11, TCFT-13, TCFT-15).
• Hình ảnh thực tế các chi tiết sau khi gia công cơ khí.
• Hình ảnh các bước lắp ráp: lắp thanh ray dẫn hướng, lắp chi tiết TCFT-01 vào TCFT-13, lắp đặt cảm biến Loadcell, lắp cụm motor rung lắc lên thanh ray, lắp đặt mẫu thử vào đồ gá kẹp.
• Hình ảnh thiết bị thực tế hoàn chỉnh và liên kết video clip vận hành thử nghiệm máy trên mẫu thép EN S235JR.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Tóm lược các kết quả đạt được về mặt thiết kế cơ khí, chế tạo phần cứng và tích hợp hệ thống điều khiển tự động. Đồng thời, chương chỉ rõ các định hướng cải tiến tiếp theo cho máy trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đề tài hoàn thành đầy đủ các nội dung kỹ thuật đặt ra:

• Kết quả chế tạo cơ khí: Thiết kế và chế tạo thành công máy kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo - nén kích thước nhỏ gọn dạng mô hình phòng thí nghiệm. Toàn bộ các cụm chi tiết cơ khí (mã hiệu từ TCFT-01 đến TCFT-26) được gia công hoàn thiện trên máy tiện Moriseiki SL25/1000 và máy phay CNC OKK, bảo đảm độ chính xác lắp ghép và vận hành đồng trục.
• Kết quả điều khiển và đo lường: Xây dựng hoàn chỉnh mạch điều khiển sử dụng bo mạch Arduino Uno kết hợp cảm biến Loadcell kéo - nén và mạch biến đổi ADC HX711 24-bit. Thiết bị có khả năng tự động ghi nhận lực tác dụng chu kỳ, đếm số chu kỳ chịu tải của mẫu và tự động ngắt nguồn dừng động cơ ngay khi phát hiện mẫu thử bị gãy.
• Kết quả thử nghiệm thực tế: Vận hành thực nghiệm thành công kiểm tra độ bền mỏi trên mẫu thử tiết diện tròn gia công từ thép EN S235JR có kích thước tiêu chuẩn ($d = 3\text{ mm}$, $R = 8\text{ mm}$, $D = 14\text{ mm}$, $L = 20\text{ mm}$).
• Đóng góp kỹ thuật so với đề tài khóa trước:
  • Thay thế cơ cấu tay quay - con trượt có lò xo (vốn có biên độ trượt lớn, nhanh mòn, ồn và dễ kẹt) bằng cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm ăn khớp kết hợp vòng bi trượt LMH và ray dẫn hướng, giúp máy chạy ổn định, êm ái và giảm hao mòn cơ học.
  • Thu nhỏ đáng kể kích thước khung máy so với các dòng máy thử mỏi công nghiệp và mô hình cồng kềnh trước đó, tạo ra mô hình phù hợp cho giảng dạy thực hành tại xưởng và phòng thí nghiệm trường đại học.
  • Nâng cấp hệ thống đo lường từ cơ học thuần túy sang giám sát điện tử tự động, loại bỏ thao tác quan sát thủ công khi xác định thời điểm phá hủy mẫu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản ghi nhận bao gồm:

• Thiết bị hiện tại mới chỉ được thiết kế đồ gá kẹp và thử nghiệm kiểm tra mỏi cho một loại mẫu thử hình trụ tiết diện tròn ($d = 3\text{ mm}$) bằng mác thép EN S235JR.
• Lực rung và biên độ dao động kéo - nén của cơ cấu hiện còn phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng của bánh lệch tâm và tốc độ quay cố định của động cơ điện, chưa có cơ cấu vi chỉnh tải trọng linh hoạt trong dải rộng.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Thiết kế cải tiến và đa dạng hóa cơ cấu kẹp mẫu để có thể thử nghiệm cho các dạng mẫu thử hình học khác nhau như mẫu dạng tấm phẳng hoặc dạng thanh.
• Mở rộng phạm vi thử nghiệm trên nhiều mác thép cacbon và thép hợp kim khác nhau ngoài thép EN S235JR.
• Nâng cấp phần mềm điều khiển và giao diện giao tiếp máy tính để hiển thị biểu đồ lực - thời gian và đường cong mỏi Wöhler trực quan theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

• Sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Cơ điện tử đang thực hiện đồ án thiết kế máy, đồ án công nghệ chế tạo máy hoặc nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra cơ tính vật liệu.
• Kỹ sư thiết kế cơ khí quan tâm đến việc ứng dụng mô hình 3D SolidWorks kết hợp phân tích khối lượng/khối tâm lệch để tạo dao động cơ học.
• Người làm đề tài tự động hóa đo lường cơ khí có thể tham khảo trực tiếp sơ đồ mạch điện, giải thuật điều khiển và phương pháp tích hợp cảm biến lực Loadcell với module ADC 24-bit HX711 và Arduino Uno.
• Cán bộ kỹ thuật gia công cơ khí tham khảo quy trình công nghệ chế tạo chi tiết điển hình (tiện, phay CNC, chấn gấp) và phương pháp gia công mẫu thử mỏi đạt độ nhám $Ra < 0{,}2\ \mu\text{m}$ theo tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008).

Câu hỏi thường gặp

Mẫu thí nghiệm kim loại dùng cho máy được chế tạo theo tiêu chuẩn nào và kích thước cụ thể là bao nhiêu?
Mẫu thử được thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 (tương đương tiêu chuẩn quốc tế ISO 1099:2008). Kích thước cụ thể của mẫu thử thép EN S235JR trong đề tài gồm: đường kính phần làm việc $d = 3\text{ mm}$, bán kính góc lượn chuyển tiếp $R = 8\text{ mm}$, đường kính phần đầu kẹp $D = 14\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $L = 20\text{ mm}$, bề mặt phần làm việc được gia công đánh bóng đạt độ nhám $Ra < 0{,}2\ \mu\text{m}$.

Vì sao nhóm tác giả loại bỏ cơ cấu tay quay - con trượt có lò xo từ đề tài khóa trước?
Cơ cấu tay quay - con trượt có lò xo của đề tài trước có nhược điểm: biên độ trượt lớn chịu tải trọng cao làm các chi tiết nhanh mài mòn, phát sinh tiếng ồn lớn khi vận hành, dễ xảy ra hiện tượng kẹt cơ cấu, việc tính toán lò xo phức tạp và khung máy quá cồng kềnh, không tối ưu cho không gian phòng thí nghiệm.

Nguyên lý tạo lực kéo - nén của cơ cấu máy mới được thực hiện như thế nào?
Máy mới sử dụng cơ cấu rung lắc gồm hai bánh răng lệch tâm ăn khớp nhau nhận truyền động từ động cơ điện. Khi quay, lực quán tính ly tâm của khối lượng lệch tâm tạo ra dao động điều hòa tuần hoàn. Dao động này được truyền qua trục trượt có dẫn hướng bằng vòng bi trượt LMH và thanh ray trượt, biến thành lực tác dụng kéo - nén dọc trục truyền trực tiếp vào mẫu thử.

Hệ thống đo lực và chu kỳ mỏi của thiết bị bao gồm những thiết bị nào?
Hệ thống đo và điều khiển gồm có một cảm biến lực Loadcell dạng kéo - nén mắc nối tiếp với mẫu thử, một module chuyển đổi tương tự - số ADC HX711 độ phân giải 24-bit để khuếch đại và đọc tín hiệu điện áp từ Loadcell, và một bo mạch vi điều khiển Arduino Uno kết nối máy tính để tính toán giá trị lực, đếm số chu kỳ kéo - nén và tự động ngắt rơ-le dừng máy khi mẫu bị gãy.

Các chi tiết cơ khí chính của máy được gia công bằng những máy công cụ nào?
Nhóm tác giả sử dụng máy tiện vạn năng Moriseiki SL25/1000 với dao tiện gắn mảnh hợp kim thép gió HSS để gia công các chi tiết tròn xoay (trục, đầu kẹp) và máy phay CNC OKK để gia công phay các mặt phẳng, khoan lỗ, taro và tạo hình các bánh răng lệch tâm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế, tính toán cơ học, lập quy trình công nghệ gia công và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo - nén cho vật liệu kim loại. Hệ thống cơ khí sử dụng cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm kết hợp vòng bi dẫn hướng LMH đã khắc phục được hiện tượng mài mòn, ồn và cồng kềnh của cơ cấu cũ, tạo ra một thiết bị nhỏ gọn, vận hành ổn định. Thiết bị được tích hợp hệ thống đo lực Loadcell và vi điều khiển Arduino Uno giúp tự động đếm chu kỳ và ngắt máy chính xác khi mẫu thử thép EN S235JR bị phá hủy mỏi, đóng góp một mô hình thiết bị thí nghiệm trực quan, tiết kiệm chi phí cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật cơ khí.