CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Khái niệm về hiện tượng mỏi Độ bền mỏi hay sức bền mỏi là khả năng của chi tiết máy chống lại các phá hủy mỏi như tróc rỗ bánh răng, rạn nứt bề mặt chi tiết… Độ bền mỏi, đó là khi các chi tiết chịu tải trọng biến đổi – lặp lại lâu dài sẽ bị phá hỏng khi chịu tải tĩnh bởi các ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền của vật liệu. Điều này có ý nghĩa to lớn với các chi tiết máy móc làm việc trong các điều kiện tải trọng tuần hoàn (có tính chu kỳ) mà tổng số chu kỳ trong suốt thời gian hoạt động của máy đạt tới con số nhiều triệu lần. Quá trình phá hủy do mỏi Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi.
Quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng chi tiết máy chịu ứng suất tương đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng chi tiết máy. Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi được coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác định kích thước chi tiết máy. Thực tiễn sử dụng máy cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây ra.
Khi chi tiết máy chịu ứng suất tĩnh bị phá hỏng, gọi là bị phá hỏng do ứng suất tĩnh. Hay nói cách khác, chi tiết máy không đủ sức bền tĩnh. Tính toán chi tiết máy để ngăn chặn dạng hỏng này được gọi là tính toán theo sức bền tĩnh. Khi chi tiết máy bị phá hỏng bởi ứng suất thay đổi, gọi là bị phá hỏng do mỏi, hay chi tiết máy không đủ sức bền mỏi.
Tính toán chi tiết máy để ngăn chặn dạng hỏng này, gọi là tính toán theo sức bền mỏi. Khi ứng suất tĩnh vượt qua giá trị ứng suất giới hạn, chi tiết máy bị phá hỏng đột ngột. Quá trình hỏng do mỏi xảy ra từ từ, theo trình tự như sau: - Sau một số chu ky ứng suất nhất định, tại những chỗ có tập trung ứng suất trên chi tiết máy sẽ suất hiện các vết nứt nhỏ. 3 Luan van - Vết nứt này phát triển lớn dần lên, làm giảm dần diện tích tiết diện chịu tải của chi tiết máy, do đó làm tăng giá trị ứng suất.
- Cho đến khi chi tiết máy không còn đủ sức bền tĩnh thì nó bị phá hỏng. Chi tiết máy sẽ bị phá hỏng do mỏi, khi mà ứng suất sinh ra trong chi tiết máy (σ, τ) lớn hơn ứng suất cho phép ([σ], [τ]). Giá trị ứng suất cho phép được chọn không những phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu chế tạo chi tiết máy, mà còn phụ thuộc vào số chu kỳ cần làm việc của chi tiết máy. Số chu kỳ cần làm việc càng ít thì giá trị của ứng suất cho phép có thể chọn càng cao.
Người ta đã làm các thí nghiệm xác định mối quan hệ giữa giá trị ứng suất và số chu kỳ làm việc cho đến khi hỏng của chi tiết máy, biểu diễn trên Hình 1-9. Đây chính là đường cong mỏi của chi tiết máy trong hệ tọa độ đề các ONσ Trong đó: NO: là số chu kỳ cơ sở. σ r: giới hạn mỏi của vật liệu. m: mũ của đường cong mỏi.
σ N: giới hạn mỏi ngắn hạn: 4 Luan van σ =K σ N N r Kn: hệ sộ tăng giới hạn mỏi ngắn hạn : Đường cong mỏi Đường cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi hỏng hoàn toàn. Giới hạn bền mỏi Từ đồ thị ta thấy ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm. Khi ứng suất vượt qua giá trị σk số chu kỳ ứng suất giảm mạnh. Trị số σk gọi là giới hạn mỏi ngắn hạn của vật liệu.
Ứng suất càng giảm thì số chu kỳ ứng suất càng tăng. Khi ứng suất giảm đến giá trị σo thì đường cong mỏi gần như nằm ngang tức là số chu kỳ ứng suất có thể tăng lên rất lớn mà chi tiết không bị gãy hỏng. Trị số σo gọi là độ bền dài hạn của chi tiết máy. Ứng với σo là số chu kỳ cơ sở No.
Phương trình đường cong mỏi σmN = C Trong đó: C là hằng số. m là bậc của đường cong mỏi. N số chu kỳ thay đổi ứng suất ứng với σ.3 Tiêu chuẩn kéo mẫu Thử nghiệm kéo plastic theo tiêu chuẩn ASTM D638 là tiêu chuẩn phổ biến để xác định đặc tính cơ lý của vật liệu. ASTM D638 được chuẩn bị bằng cách tác dụng lực kéo lên mẫu thử và đo các tính chất khác nhau của mẫu thử khi chịu ứng suất.
Mặc dù ASTM D638 đo nhiều thuộc tính độ bền kéo khác nhau, nhưng phổ biến nhất vẫn là: • Độ bền kéo – mức lực có thể được áp dụng cho nhựa trước khi nó bị phá vỡ. 5 Luan van • Mô đun kéo – bao nhiêu vật liệu có thể biến dạng (kéo dài) để đáp ứng với căng thẳng trước khi nó mang lại. Mô đun là một phép đo độ cứng của vật liệu. • Độ giãn dài – sự tăng chiều dài của thước đo sau khi chia cho chiều dài của thước đo ban đầu.
Độ giãn dài lớn hơn cho thấy độ dẻo cao hơn. • Tỷ lệ của Poisson – một phép đo mối quan hệ giữa cách thức và cách vật liệu được kéo dài và làm thế nào nó mỏng đi trong quá trình kéo dài. 6 Luan van CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KHUNG MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI TRÊN VẬT LIỆU NHỰA 2. Phân tích thiết kế Hình 2.1 ta có thể thấy kết cấu máy gồm có 3 phần chính: - Khung máy - Khối bên phải mẫu kẹp - Khối bên trái mẫu kẹp Dựa vào 3 phần chính trên chúng ta sẽ liệt kê và chia nhỏ thành các khối chi tiết hơn để rõ ràng và dễ dàng trong quá trình chế tạo: - Khung máy: chịu toàn bộ rung động và lực sinh ra trong quá trình làm việc.
Nó kết nối tất cả các cụm chi tiết như trên Hình 2. Được chế tạo theo thiết kế của nhóm tại trường đại học. - Khối bên phải mẫu: • Phương án kéo mẫu thử với khoảng kéo là 0.1mm 7 Luan van Hình 2. 2 Phương án kéo mẫu ➢ Phương án 1: + Ưu điểm: cơ cấu đơn giản + Nhược điểm: do truyền chuyển động qua nhiều chi tiết, dung sai lắp ghép giữa các chi tiết đó nên khó đạt được khoảng kéo 0.1mm ➢ Phương án 2 + Ưu điểm: việc có thêm chi tiết cữ giúp khống chế được khoảng kéo 0.1mm, chi tiết lò xo cho cánh tay đòn sẽ lớn hơn 0.1 mm giúp dễ chế tạo.
+ Nhược điểm: cơ cấu phức tạp Để đạt được yêu cầu kéo mẫu giãn chính xác 0.1mm, từ hai phương án chọn phương án 2. • Sau khi đã có phương án thiết kế các chi tiết đã được xây dựng + Ngàm giữ mẫu bên phải mẫu: đòi hỏi sự chính xác để tránh mẫu bị trượt trong quá trình kéo, do đó nhóm đã đặt hàng chế tạo từ xưởng cơ khí CNC bên ngoài theo yêu cầu trên bản vẽ do nhóm thiết kế. + Cụm gắn ngàm kẹp với lò xo kết nối với hệ thống dẫn động: được chia nhỏ theo thiết kế và chế tạo tại trường đại học + Hệ thống dẫn hướng bằng ray trượt: do là những chi tiết tiêu chuẩn nó dễ dàng mua trên thị trường đáp ứng yêu cầu của thiết kế. 8 Luan van + Hệ thống truyền động: cụm này bao gồm cụm động cơ và dẫn động của trục khuỷu lệch tâm.
Đây là một trong những bộ phận quan trọng của máy do chuyển động hợp lý mà nó tạo ra, vì vậy cần phải tính toán hợp lý để máy có thể đạt đúng công suất và trơn tru. + Hệ thống điều khiển: khối này là điều khiển điện nên chúng tôi sẽ mua các thiết bị điện và lắp ráp nó cùng nhau dựa trên bản vẽ từ yêu cầu của nhóm hệ thống điều khiển. - Khối bên trái mẫu: + Hệ thống đo lực: được theo thông số và thiết lập theo tính toán và thiết kế của nhóm hệ thống điều khiển. + Mô tả hoạt động: nhờ sử dụng các cụm chi tiết trên, bên trái ngàm kẹp được kết nối với Loadcell ở khung, bên phải ngàm kẹp, lò xo được dịch chuyển nhờ chuyển động tịnh tiến có tính chu kỳ của cơ cấu dẫn động qua dẫn hướng.
Do tác động của lực kéo của lò xo lên ngàm làm giãn mẫu. Đánh giá thiết kế 2. Thiết kế tổng quan - Nhóm đã dựng mô hình 3D trên phần mềm hỗ trợ thiết kế Inventor theo những yêu cầu và phân tích ở phần 2.1, mô hình 3D đảm bảo tính trực quan giúp hiểu rõ các thành phần và chức năng của máy. - Bản vẽ máy phải đảm bảo những yêu cầu đã đặt ra và khả thi khi gia công.
9 Luan van Hình 2. 3 Mô hình 3D của máy Hình 2. 4 Bản vẽ tổng thể của máy 2. Tiêu chuẩn mẫu - Mẫu được tạo bằng phương pháp phun ép nhựa, nhựa được chọn là PA6 0% [7] và PA6 30% [8].
- Chọn mẫu kéo (dạng mái chèo) theo tiêu chuẩn ISO 527-2:1993 [1] (tương tự TCVN 4501-2:2009): 10 Luan van Hình 2. 5 Kích thước mẫu kéo ISO 527-2:1993 2. Tính toán động cơ Nhóm đã nhận được kết quả kiểm nghiệm lực kéo đứt của mẫu ISO 527-2:1993 đối với nhựa PA6 30% từ nhóm ép khuôn do Đại học Việt Đức tại Bình Dương thực hiện trên máy Shimadzu cho ra kết quả như Hình 2. Kết quả kiểm nghiệm mẫu kéo ISO 527-2:1993 11 Luan van PMax Ta có: = (2.l Trong đó: + : Ứng suất kéo (Mpa) + PMax : Lực kéo phá hủy mẫu lớn nhất (N) + b: Chiều dày tiết diện mặt cắt (mm) + l: Chiều dài tiết diện mặt cắt (mm) Ứng với: PMax= 233 N, b= 0,4 mm, l= 10mm Ta được: = 58,5 Mpa - Tính toán lực cần thiết để kéo đứt mẫu: PMax Ta có: = (2.l Ứng với: = 58,5 Mpa , b= 3 mm, l= 10mm Ta được: PMax= 1755 ( N ) Công suất cần thiết thực hiện chuyển động: T .mm) d: độ dài cánh tay đòn (mm) Hiệu suất tổng quát của bộ truyền: η=ηol .3) [2] 0,97 Ta sử dụng động cơ AC servo.
Dựa theo catalog của nhà sản xuất YASKAWA.