Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm mối ghép kết cấu thân máy phay gỗ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm mối ghép kết cấu cho máy phay gỗ, góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Phước Hưng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Thực Nghiệm Các Mối Ghép Kết Cấu Thân Máy Phay Gỗ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu thiết kế và thực nghiệm mối ghép kết cấu cho máy phay gỗ là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến gỗ. Với sự phát triển của công nghệ CNC, yêu cầu về độ chính xác và độ bền của máy phay ngày càng cao. Máy phay gỗ sử dụng các mối ghép như hàn và bulông, ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc. Việc phân tích và thiết kế các mối ghép kết cấu giúp tối ưu hóa độ cứng và khả năng chống rung cho máy phay, từ đó nâng cao hiệu quả gia công.

II. Tính toán và mô phỏng mối ghép hàn

Phương pháp tính toán và mô phỏng mối ghép hàn được thực hiện nhằm xác định độ bền cắt và độ cứng của mối ghép. Các phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn được áp dụng để đánh giá ứng suất trong mối hàn. Kết quả cho thấy rằng các yếu tố như kích thước, hình dạng và cách bố trí của mối hàn có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của kết cấu. Việc lựa chọn dạng mối hàn hợp lý sẽ giúp cải thiện đáng kể tính năng động học của máy phay.

2.1. Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích cho phép tính toán ứng suất trong mối hàn dựa trên các lực tác động. Các công thức được thiết lập để tính toán ứng suất kéo, cắt và momen xoắn. Kết quả cho thấy rằng độ bền của mối hàn phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước và bố trí của mối hàn. Việc áp dụng phương pháp này giúp xác định các điều kiện tối ưu cho thiết kế mối hàn.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng và phân tích ứng suất trong mối hàn. Kết quả cho thấy sự khác biệt nhỏ giữa các phương pháp tính toán và mô phỏng, chứng minh tính chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn trong việc đánh giá độ bền của mối ghép hàn.

III. So sánh kết cấu mối ghép hàn và bulông

Việc so sánh giữa mối ghép hàn và mối ghép bulông trong máy phay gỗ là cần thiết để xác định phương pháp kết nối nào mang lại hiệu quả tốt hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng mối ghép hàn có độ cứng cao hơn nhưng lại khó khăn trong việc thay thế hoặc sửa chữa. Ngược lại, mối ghép bulông dễ dàng hơn trong việc bảo trì nhưng có thể làm giảm độ cứng của kết cấu. Phân tích này giúp chọn lựa phương pháp kết nối phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của máy phay.

3.1. Đánh giá độ bền cắt và độ cứng

Đánh giá độ bền cắt và độ cứng của các dạng mối ghép cho thấy rằng mối ghép hàn có khả năng chịu tải tốt hơn trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, việc sử dụng mối ghép bulông cũng có những lợi thế riêng, đặc biệt trong các tình huống cần sửa chữa nhanh chóng và dễ dàng.

3.2. Tác động đến đặc tính động học

Phân tích đặc tính động học của máy phay cho thấy rằng mối ghép hàn giúp cải thiện độ ổn định và giảm rung động trong quá trình gia công. Điều này là rất quan trọng đối với các máy CNC hoạt động ở tốc độ cao, nơi mà sự ổn định là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm.

IV. Thực nghiệm sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến rung động

Thực nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các chế độ công nghệ đến rung động của máy phay gỗ có kết cấu hàn. Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm được áp dụng để xây dựng phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố như tốc độ quay trục chính, chiều sâu cắt và lượng chạy dao. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể giảm thiểu rung động và cải thiện hiệu suất làm việc của máy phay.

4.1. Thiết lập thí nghiệm

Thí nghiệm được thiết lập với các thông số khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến rung động. Việc ghi nhận và phân tích dữ liệu rung động giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến hiệu suất của máy phay.

4.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ quay trục chính và chiều sâu cắt có thể làm giảm đáng kể biên độ rung động. Điều này không chỉ cải thiện độ chính xác gia công mà còn kéo dài tuổi thọ của máy phay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong ngành công nghiệp đồ nội thất hiện đại, máy phay gỗ CNC được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là khi chất lượng sản phẩm ngày càng cao và tính linh hoạt của quá trình sản xuất ngày càng được cải tiến. Chất lượng và độ chính xác của máy CNC có thân máy được chế tạo từ kết cấu hàn hoặc bulông phụ thuộc vào chất lượng, độ chính xác của các bộ phận của máy cũng như phụ thuộc vào các mối ghép và chi tiết truyền động trong máy CNC như: Mối ghép bulông (bolts), mối ghép hàn (welds), đường dẫn hướng trượt (linear guides), bộ truyền vitme – đai ốc bi (Ball screw) … [1, 2]. Trong quá trình làm việc, các mối ghép phá hỏng tính liên tục của kết cấu máy, làm cho đặc tính động lực học của kết cấu máy bị ảnh hưởng bởi các bộ phận cấu thành máy và các đặc tính động lực học của các mối ghép. Hàn là một trong những phương pháp công nghệ hiện đại để tạo kết cấu máy, kết cấu xây dựng và các kết cấu khác.

Phương pháp hàn thường được sử dụng để chế tạo bệ máy, khung máy, thân máy. Kết cấu máy sử dụng thép hình và liên kết với nhau bằng mối ghép hàn có ưu điểm là khả năng thay đổi kích thước kết cấu dễ dàng, thiết kế và chế tạo nhanh. Tuy nhiên giảm chấn của kết cấu là một vấn đề rất quan trọng. Khác với gang đúc hoặc các kết cấu bê tông, kết cấu hàn của thép hình hạn chế sự giảm chấn trong và do đó dễ bị rung động không mong muốn.

Đặc biệt đối với kết cấu máy CNC cao tốc, tốc độ trục chính có thể lên đến trên 40000 vòng/phút. Ðể đạt được tốc độ trục chính như vậy yêu cầu kết cấu máy phải đảm bảo độ bền, độ cứng và khả năng chống rung động tốt [3, 4]. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng thiết kế kết cấu máy CNC có độ cứng phù hợp để giảm rung động và tăng tính ổn định trong suốt quá trình gia công [5]. Thông thường tần số tự nhiên đầu tiên của kết cấu máy dạng giàn hiếm khi cao hơn 100Hz, tương ứng với tốc độ trục chính khoảng 6000 vòng/phút [6, 7].

Máy có tần số tự nhiên dưới 150Hz không thể gia công được các sản phẩm có chất lượng cao. Do đó để có máy CNC cho các hoạt động gia công tốc độ cao đòi hỏi phải thiết kế kết cấu máy có độ ổn định về rung động.TS Nguyễn Hữu Lộc 1 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Các nghiên cứu chỉ ra rằng khoảng 60% tổng độ cứng động và khoảng 90% tổng độ giảm xóc của kết cấu máy bắt nguồn từ các mối ghép và các chi tiết truyền động [8]. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của các loại mối ghép và các chi tiết truyền động nói chung và các mối ghép nói riêng đến đặc tính động lực học của kết cấu máy CNC là vấn đề rất quan trọng hiện nay. Nghiên cứu này trình bày việc tính toán và phân tích để lựa chọn kết cấu máy sử dụng phương pháp hàn và dạng đường hàn hợp lý nhất cho kết cấu máy CNC, nghiên cứu ảnh hưởng của dạng đường hàn đến đặc tính động học của kết cấu máy nhằm nâng cao độ cứng cho kết cấu máy, tăng khả năng chống rung động khi máy làm việc ở tốc độ cao và tránh hiện tượng cộng hưởng để đạt được chất lượng bề mặt gia công tốt nhất.

Ở đề tài này, tác giả thực hiện các nghiên cứu trên mô hình máy phay CNC gỗ dạng giàn di chuyển, bàn cố định.05 Tốc độ chạy không tải (m/phút) 4-5 Tốc độ quay trục chính (vg/ph) 0 – 24000 Tốc độ chạy dao nhanh (mm/ph) 6000 C/ông suất trục chính (kW) 1 Vật liệu làm máy Thép CT38 Tính năng gia công Các loại gỗ điêu khắc, nhựa.TS Nguyễn Hữu Lộc 2 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỐI GHÉP HÀN Độ bền cắt của mối ghép hàn trong trường hợp tổng quát Yêu cầu chủ yếu khi thiết kế kết cấu hàn - đảm bảo độ bền đều của mối hàn và các chi tiết ghép. Tương ứng với yêu cầu này, phụ thuộc vào kích thước và bố trí các chi tiết hàn người ta xác định dạng mối hàn tương ứng của mối ghép đã cho. Nếu mối ghép hàn thực hiện bằng nhiều mối hàn thì giả thuyết rằng chúng được tải đều. Xét mối hàn ở góc chịu lực phức tạp như hình 1.

Các thành phần lực tác động lên mối ghép gồm lực kéo FZ, lực cắt FX, FY, momen uốn MX, MY và momen xoắn T. Mối hàn ở góc chịu lực phức tạp Dưới tác dụng của hệ lực phức tạp, trong mặt cắt nguy hiểm của mối hàn chịu các thành phần ứng suất pháp và ứng suất cắt như hình 2. Các thành phần ứng suất trong mối hàn góc GVHD: PSG.TS Nguyễn Hữu Lộc 3 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Với giá trị của các thành phần: Lực FX = FY = 270N, FZ = 250N, Momen xoắn T = 955 N.mm, chiều cao cạnh mối hàn k = 5mm, kích thước dầm h = 120mm, b = 60mm, l = 200mm. Thực hiện tính toán ứng suất tương đương của mối ghép hàn ở mặt cắt nguy hiểm theo hai phương pháp giải tích và phần tử hữu hạn.1 Phương pháp giải tích Tùy thuộc vào tải trọng tác dụng, chúng ta có thể sử dụng các mối quan hệ sau để mô tả các thành phần ứng suất riêng lẻ của mặt cắt nguy hiểm [10]: - Lực Fz vuông góc với mặt phẳng ghép sinh ra ứng suất kéo: Fz   (2.1) Aw - Lực Fx song song với mặt phẳng ghép được dời về trọng tâm mối hàn và được thay thế bởi moment uốn Mx và lực cắt Fx nằm trong mặt phẳng mối hàn: F   x (2.3) Ix Ix - Lực Fy song song với mặt phẳng ghép được dời về trọng tâm mối hàn và được thay thế bởi moment uốn My và lực cắt Fx nằm trong mặt phẳng mối hàn Fy   (2.4) Aw My Fy  a   x x (2.5) Iy Iy - Momen xoắn T sinh ra ứng suất cắt: T   y (2.7) Ip GVHD: PSG.TS Nguyễn Hữu Lộc 4 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ trong đó: Aw – diện tích mặt cắt nguy hiểm a – độ dài cánh tay đòn từ lực Fx, Fy đến mặt phẳng ghép Ix – momen quán tính của mối hàn theo trục Ox Iy – momen quán tính của mối hàn theo trục Oy IP – momen quán tính độc cực của mối hàn x – khoảng cách từ một điểm trên mối hàn đến trục Oy.

y – khoảng cách từ một điểm trên mối hàn đến trục Ox. Đối với các thành phần ứng suất như trên thì độ bền mối hàn tính theo thuyết bền ứng suất cắt   2  '      (    ) 2 (2.8)  2  Dựa vào các công thức tổng quát từ 2.8, ta tiến hành khảo sát các dạng mối hàn không vát mép cạnh được liệt kê theo hình 2.3 a/ b/ c/ d/ Các dạng đường hàn được khảo sát Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 a [11]: Ứng suất gây ra bởi lực Fz: Fz   (2.h Ứng suất gây ra bởi lực Fx: Fx   (2.TS Nguyễn Hữu Lộc 5 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Ứng suất gây ra bởi lực Fy: Fy   (2.    2  Ứng suất gây ra bởi Moment T: T h 3T     (2. 6 Từ các công thức (2.14), ứng suất cắt tương đương mối hàn có dạng như hình 2.3 a được xác định như sau   2  '      (    ) 2 = 4,89MPa (2.15)  2  Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 b [11]: Ứng suất gây ra bởi lực Fz: Fz   (2.b Ứng suất gây ra bởi lực Fx: Fx   (2.

6 Ứng suất gây ra bởi lực Fy: GVHD: PSG.TS Nguyễn Hữu Lộc 6 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Fy   (2.    2  Ứng suất gây ra bởi Moment T: T b 3T     (2. 6 Từ các công thức (2.16) đến (22), ứng suất cắt tương đương mối hàn có dạng như hình 2.3 b được xác định như sau   2  '      (    ) 2 = 13,49MPa (2.23)  2  Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 c [11]: Ứng suất gây ra bởi lực Fz: Fz   (2.(h  b  2k ) Ứng suất gây ra bởi lực Fx: Fx   (2. 6 Ứng suất gây ra bởi lực Fy: GVHD: PSG.TS Nguyễn Hữu Lộc 7 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Fy   (2.

6 Ứng suất gây ra bởi Moment T: T h 3Th     (2. 6 Từ các công thức (2.30), ứng suất cắt tương đương mối hàn có dạng như hình 2.3 c được xác định như sau   2  '      (    ) 2 = 2,96MPa (2.31)  2  Xét trường hợp mối hàn có dạng như hình 2.3 d [11]: Ứng suất gây ra bởi lực Fz: Fz   (2.(h  2b  2k ) Ứng suất gây ra bởi lực Fx: Fx   (2.34) h (6b  h) 2 h(6b  h) 2 12 Ứng suất gây ra bởi lực Fy: GVHD: PSG.TS Nguyễn Hữu Lộc 8 HVTH: Nguyễn Phước Hưng NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM CÁC MỐI GHÉP KẾT CẤU THÂN MÁY PHAY GỖ Fy   (2.    (b  2h)  3 b  2h  Ứng suất gây ra bởi Moment T: T h    (2.38) 8b  6bh 2  h3 b4 2b  h  12 2b  h Từ các công thức (2.38), ứng suất cắt tương đương mối hàn có dạng như hình 2.3 d được xác định như sau   2  '      (    ) 2 = 6,45MPa (2.