Báo cáo Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu chính xác ứng dụng trong van tiết lưu (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu chính xác ứng dụng trong van tiết lưu (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG TRONGS K C 0 0 3 9 5 9 VAN TIẾT LƯU MÃ SỐ: T2013-119 S KC 0 0 5 4 3 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐĂNG KÝ ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực Nội dung nghiên cứu cụ Chữ ký chuyên môn thể đƣợc giao 1 Dƣơng Thị Bộ môn CNTĐ, Khoa CKM Quản lý đề tài Vân Anh Khảo sát thực tiễn ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị trong và ngoài Nội dung phối hợp nghiên Họ và tên ngƣời đại diện nƣớc cứu nghiên cứu ii
3. MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỀU vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix PHẦN MỞ ĐẦU xi 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC xi 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI xi 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU xii 4. CÁCH TIẾP CẬN xii 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI xii 6. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU xii 7. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU CHÍNH XÁC 14 1.1. Đặt vấn đề 14 1.2. Tổng quan tài liệu và các công trình nghiên cứu đã công bố 1 CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU VÀ ỨNG DỤNG 2 2.1. Tổng quan về công nghệ khoan lỗ sâu 2 2.1.1. Các khái niệm và thuật ngữ 2 2.1.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng lỗ gia công 3 2.1.3. Lịch sử phát triển 4 2.1.4. Ứng dụng trong quốc phòng và công nghiệp 5 2.1.5. Yêu cầu kỹ thuật của các lỗ sâu chính xác 7 2.2. Các nguyên lý khoan lỗ sâu 7 2.2.1. Hệ thống khoan nòng súng (The Gun Drill System) 7 2.2.2. Hệ thống khoan BTA/STS (Single Tube System) 9 iii
4. 2.2.3. Hệ thống khoan Ejector/DTS ( Double Tube System) 11 2.3. Đánh giá và lựa chọn nguyên lý khoan lỗ sâu. 12 CHƢƠNG III: KẾT CẤU VÀ VẤN ĐỀ DAO ĐỘNG CỦA DỤNG CỤ GIA CÔNG KIỂU BTA/STS 16 3.1. Dụng cụ gia công kiểu BTA/STS 16 3.1.1. Đầu khoan (Drill head) 19 3.1.2. Cơ cấu ngắt phoi (Chip Breaker) 20 3.1.3. Kết cấu đệm dẫn hƣớng (Support Pad) 21 3.1.4. Cần khoan (Boring Bar) 22 3.2. Thông số công nghệ của quá trình khoan sâu 22 3.3. Lực cắt của quá trình gia công STS 24 3.4. Đặc điểm dao động của quá trình khoan BTA/STS 25 3.4.1. Dao động riêng 25 3.4.2. Tự dao động của dụng cụ 25 3.4.3. Dao động cƣỡng bức 26 3.5. Các khuyết tật do dao động 27 3.5.1. Hiện tƣợng vết gằn trên bề mặt 27 3.5.2. Hiện tƣợng vệt xoắn ốc. 28 3.6. Vấn đề giảm dao động cho dụng cụ 29 3.7. Mô hình dao động của dụng cụ khoan sâu BTA/STS. 31 CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA DỤNG CỤ GIA CÔNG LỖ ϕ37 33 4.1 Dụng cụ gia công 33 4.1.1 Giải bài toán dao động dụng cụ bằng phƣơng pháp PTHH 34 4.2. Phân tích dao động riêng của dụng cụ 36 4.3. Khảo sát dao động cƣỡng bức của dụng cụ 48 4.3.1. Thông số công nghệ 48 4.3.2. Tính toán lực kích động 49 4.3.3. Kết quả khảo sát 50 4.4. Thảo luận về các kết quả 51 4.4.1. Xác định chế độ cắt tới hạn 51 iv
5. 4.4.2. Xác định khoảng tốc độ ứng với từng loại vật liệu chế tạo cần khoan 52 4.4.3. Xác định các vị trí đo lƣờng và đặt bộ phận giảm chấn 53 4.4.4. Nhận xét kết quả khảo sát dao động cƣỡng bức 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Xác định độ nhám Ra 3 Hình 2.2 Xác định độ nhám Rz 3 Hình 2.3 Độ tròn đo từ các thí nghiệm 4 Hình 2.4 Nguyên lý của hệ thống gia công GunDrilling 8 Hình 2.5 Nguyên lý thoát phoi của hệ thống GunDrilling 8 Hình 2.6 Nguyên lý của hệ thống gia công BTA/STS 9 Hình 2.7 Nguyên lý thoát phoi của hệ thống BTA/STS 10 Hình 2.8 Nguyên lý của hệ thống gia công Ejector/DTS 11 Hình 2.9 Nguyên lý thoát phoi của hệ thống Ejector/DTS 12 Hình 2.10 Phạm vi ứng dụng của các phƣơng pháp khoan sâu 13 Hình 2.11 Sơ đồ công nghệ gia công bằng khoan thƣờng 15 Hình 3.1 Thông số hình học của lƣỡi cắt đơn kiểu BTA/STS 17 Hình 3.2 Thông số hình học của đệm dẫn hƣớng 18 Hình 3.3 Dụng cụ khoan lỗ sâu kiểu BTA/STS 18 Hình 3.4 Dụng cụ và nguyên lý khoan lỗ đặc 19 Hình 3.5 Dụng cụ và nguyên lý khoan vòng 19 Hình 3.6 Dụng cụ và nguyên lý khoan rộng 20 Hình 3.7 Bẻ phoi theo chiều dày và chiều rộng cắt 20 Hình 3.8 Các dạng phoi theo vị trí mảnh hợp kim 21 Hiìn 3.9 Các dạng phoi theo tốc độ cắt và tiến dao 21 Hình 3.10 Cần khoan dụng cụ khoan BTA/STS 22 Hình 3.11 Các thông số công nghệ 22 Hình 3.12 Phân tích lực cắt hệ thống BTA/STS 24 Hình 3.13 Hiệu ứng tái sinh dao động 26 Hình 3.14 Hiệu ứng vết gằn trên thành lỗ gia công 27 Hình 3.15 Hiệu hiệu ứng vết xoắn trên thành lỗ gia công 28 vi
7. Hình 3.16 Biên dạng lỗ theo mô hình lý thuyết khi có xoắn ốc 28 Hình 3.17 Các giai đoạn xuất hiện gằn và xoắn ốc 29 Hình 3.18 Giảm chấn ma sát kiểu Lanchester 30 Hình 3.19 Trình tự tính toán, thiết kế giảm chấn 31 Hình 3.20 Mô hình gia công BTA/STS 31 Hình 3.21 Mô hình dụng cụ khoan trong quá trình cắt 32 Hình 3.22 Mô hình dụng cụ khoan ở cuối quá trình cắt 32 Hình 4.1 Kích thƣớc cần khoan 33 Hình 4.2 Đặc tính mặt cắt ngang 34 Hình 4.3 Trình tự giải bài toán trên máy tính 36 Hình 4.4 Mô hình ở vị trí đã gia công 365 mm 36 Hình 4.5 Mô hình dụng cụ ở vị trí gia công đƣợc 1182,5mm 39 Hình 4.6 Mô hình dụng cụ ở vị trí đang gia công đƣợc 2000mm 42 Hình 4.7 Mô hình dụng cụ ở vị trí cuối cùng 45 Hình 4.8 Phôi gia công 48 Hình 4.9 Đáp ứng Biên độ -tần số trong giải 0-100Hz 51 Hình 4.10 Xác định vị trí các nút sóng 54 DANH MỤC BẢNG BIỀU Bảng 2.1 Ứng dụng của khoan lỗ sâu trong công nghiệp 7 Bảng 2.3 Một số tiêu chí lựa chọn phƣơng pháp khoan 16 Bảng 4.1 Khoảng tốc độ gia công 55 vii
8. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT PTHH Phần tử hữu hạn BTA Boring and Trepaning Association STS Single Tube System (Hệ thống ống đơn) DTS Double Tube System (Hệ thống ống kép) FEA Finite Element Analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) FEM Finite Element Method ( Phƣơng pháp PTHH) CAE Computerize Aids Engineering ix
9. THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG TRONG VAN TIẾT LƢU - Mã số: T2013-119 - Chủ nhiệm: Dƣơng Thị Vân Anh - Cơ quan chủ trì: Khoa Cơ Khí Chế tạo máy - Thời gian thực hiện: 04/2013 đến 10/2013 2. Mục tiêu: Ứng dụng gia công lỗ sâu trong van tiết lƣu 3. Tính mới và sáng tạo: Tạo ra bộ thông số gia công khi gia công khoan lỗ sâu 4. Kết quả nghiên cứu: Làm báo cáo khoa học, chuyên đề nhỏ trong lĩnh vực gia công lỗ sâu 5. Sản phẩm: Bài thuyết minh đề tài 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Làm tài liệu tham khảo phục vụ cho đào tạo ngành cơ khí chế tạo máy, công nghệ tự động Ngày tháng năm Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký,họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) x
10. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: : A RESEARCH ON MACHINING DEEP HOLES IN PROPOTIONAL VALVES Code number: T2013-119 Coordinator: Thị-Vân-Anh, Dƣơng Implementing institution: Faculty of Mechanical Engineering Duration: from April, 2013 to December, 2013 2. Objective(s): Applying for machining deep holes in propotional valves 3. Creativeness and innovativeness: Making a set of parameter of machining deep holes 4. Research results: Be an advanced research in deep-hole manufacturing 5. Products: A report for presentation 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Be the documentation for students in some areas such as mechanical engineering and automation technology xi
11. PHẦN MỞ ĐẦU 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC - Ngoài nƣớc Công nghệ khoan lỗ sâu đã có lịch sử hơn 150 năm. Thế giới đã bắt đầu nghiên cứu cơ bản công nghệ khoan lỗ sâu từ những năm 70 của thế kỷ trƣớc. Các nƣớc có nền công nghiệp phát triển nhƣ Nga, Trung Quốc, Mỹ, Đức đã có những nghiên cứu khá cơ bản từ rất lâu, tại Đức cũng đã có những viện nghiên cứu chuyên sâu về gia công lỗ sâu nhƣ ISF, cho thấy tiềm năng ứng dụng và phát triển của công nghệ gia công lỗ sâu là rất lớn. Xu hƣớng nghiên cứu hiện nay của thế giới là các vấn đề về thiết kế dụng cụ, bôi trơn, thoát phoi, đảm bảo và nâng cao chất lƣợng gia công, đo lƣờng, dự báo và tự động điều chỉnh quá trình gia công lỗ sâu. - Trong nƣớc Ở Việt nam, khoan lỗ sâu đang và sẽ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp dân sinh và quân sự, rất nhiều các nhà máy, xí nghiệp đã đƣợc trang bị các thiết bị công nghệ khoan lỗ sâu phục vụ sản xuất nhƣ máy khoan kiểu nòng súng (Gundrill) máy khoan theo phƣơng pháp BTA/STS, máy khoét, doa lỗ sâu có thể gia công tới lỗ 50 mm và chiều dài tới 2900 mm. Có nơi đã trang bị các thiết bị khoan lỗ sâu kiểu STS với khả năng gia công cao đƣờng kính gia công lên tới 80 mm, chiều dài gia công lên tới 3000 mm. Với ứng dụng ngày càng mở rộng, việc nghiên cứu các vấn đề của công nghệ khoan lỗ sâu càng trở nên cấp thiết. Nhiều cơ sở nghiên cứu đã đi tiên phong, đầu tƣ nghiên cứu từ khá sớm, mặc dù đã đạt đƣợc những kết quả quan trọng nhƣng do nƣớc ta là nƣớc đi sau, nghèo nên việc tiếp nhận chuyển giao công nghệ, tài liệu của các nƣớc phát triển ít nên các kết quả nghiên cứu vẫn còn những hạn chế và chƣa phù hợp với điều kiện sản xuất ở Việt nam, do vậy việc tiếp tục đầu tƣ nghiên cứu, thử nghiệm, chế thử là hết sức cần thiết. 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Khoan lỗ sâu là một phƣơng pháp đặc biệt có ứng dụng rộng rãi trong quốc phòng và thủy khí. Khoan lỗ sâu theo phƣơng pháp BTA/STS dùng cho các lỗ gia công từ 20 mm trở xi
12. lên, cho độ chính xác cao và chất lƣợng bề mặt gia công tốt. Tuy nhiên trong quá trình gia công xuất hiện các khuyết tật bề mặt do hiện tƣợng gằn và xoắn dụng cụ gây nên. Nguyên nhân là do sự xuất hiện tự dao động của dụng cụ trong quá trình gia công và hiện tƣợng cộng hƣởng của ngoại lực kích động với tần số dao động riêng của dụng cụ. Vì vậy nghiên cứu sinh chọn đề tài: “Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu ứng dụng trong van tiết lƣu” là một vấn đề thực sự cấp thiết, có tính mới về khoa học công nghệ và khả năng ứng dụng cao ở Việt Nam hiện nay. 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu cơ bản trên thế giới. Tìm hiểu công nghệ và thiết bị gia công rãnh xoắn trong lỗ sâu ở Việt Nam. Trên cơ sở thực tế nghiên cứu công nghệ và thiết bị gia công trong lỗ sâu có tỷ lệ chiều dài và đƣờng kính lỗ van tiết lƣu (L/d> 5). Nghiên cứu lý thuyết bao gồm các vấn đề: dao động của quá trình cắt trong khoan sâu, ảnh hƣởng của dao động đến chất lƣợng gia công, xây dựng mô hình, phân tích dao động của dụng cụ khoan lỗ sâu và trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đƣa ra giải pháp giảm chấn, đảm bảo chất lƣợng gia công. 4. CÁCH TIẾP CẬN - Nghiên cứu công nghệ gia công lỗ sâu - Ứng dụng phần mềm phân tích dao động trong quá trìn khoan lỗ sâu trong van tiết lƣu 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Thu thập tài liệu về công nghệ gia công lỗ sâu - Tìm hiểu thông số kích thƣớc van tiết lƣu - Phân tích dao động của dụng cụ gia công lỗ sâu bằng phần mềm phân tích 6. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tƣợng nghiên cứu Chọn công nghệ gia công lỗ sâu ở nƣớc ngoài để nghiên cứu thiết kế trang thiết bị và công nghệ gia công lỗ sâu tại Việt Nam . Chọn van tiết lƣu là chi tiết điển hình để nghiên cứu, thử nghiệm công nghệ gia công lỗ sâu. xii
13. - Phạm vi nghiên cứu Khoan lỗ sâu Phân tích dao động của dụng cụ khi khoan lỗ sâu 7. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về công nghệ gia công lỗ sâu - Yêu cầu chất lƣợng của lỗ sâu, khuyết tật của quá trình khoan sâu, nguyên nhân hình thành, bản chất, đặc điểm dao động của dụng cụ, giải bài toán dao động dụng cụ khoan lỗ sâu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn - Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán dao động dụng cụ khoan theo mô hình của hệ thống BTA/STS trong quá trình khoan lỗ 31 - Các kết luận và thảo luận rút ra từ các kết quả nghiên cứu, những kết quả mới của đề tài, những thiếu sót và tồn tại, đề xuất những hƣớng nghiên cứu tƣơng lai. xiii
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU CHÍNH XÁC 1.1. Đặt vấn đề Gia công lỗ là phƣơng pháp công nghệ nhằm tạo ra lỗ từ phôi đặc hoặc mở rộng lỗ đã sẵn có nhằm tạo ra lỗ có đƣờng kính và chiều dài theo yêu cầu. Trong nghành cơ khí có rất nhiều các chi tiết có lỗ với các kích thƣớc và yêu cầu kỹ thuật khác nhau và thƣờng chia làm hai loại: lỗ ngắn thông thƣờng và lỗ sâu. Lỗ sâu là lỗ có tỷ lệ chiều dài trên đƣờng kính L/Dc thƣờng là lớn hơn 5 (tuy nhiên trong một số tài liệu định nghĩa lỗ sâu là lỗ có tỷ lệ L/Dc >3, một số tài liệu lại ghi là L/Dc >10). Để gia công lỗ sâu chính xác thƣờng phải dùng công nghệ đặc biệt cùng với thiết bị, dụng cụ, chuyên dụng. Quá trình gia công lỗ sâu thƣờng gặp những vấn đề khó khăn nhƣ: - Khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác gia công: kích thƣớc hình học, độ nhám, độ tròn lỗ gia công, độ thẳng đƣờng tâm - Khó khăn của việc tạo ra kích thƣớc phoi phù hợp khi cắt gọt. - Khó khăn trong thoát phoi ra khỏi vùng cắt và thoát phoi ra khỏi lỗ. - Khó khăn của việc bôi trơn, làm nguội dụng cụ khi cắt gọt. - Khó khăn của việc đảm bảo độ cứng vững, tránh rung động của hệ thống công nghệ (máy-gá-dao-chi tiết), dẫn đến khó khăn trong việc đảm bảo độ thẳng đƣờng tâm và chất lƣợng lỗ gia công. - Khó khăn của việc theo dõi chất lƣợng bề mặt gia công và sự làm việc của dụng cụ, đặc biệt là việc đảm bảo độ bền mòn của dụng cụ cắt gọt trong suốt quá trình làm việc của nó. Dao động của dụng cụ cắt là vấn đề không còn mới mẻ nhƣng luôn đóng vai trò quan trọng và đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà công nghệ 14
15. do ảnh hƣởng của nó tới chất lƣợng gia công, độ bền của dụng cụ và ảnh hƣởng đến khả năng công nghệ của thiết bị. Đặc biệt đối với quá trình khoan lỗ sâu do trục công-xôn mang dụng cụ thƣờng rất dài. Bài toán khắc phục dao động cho dụng cụ gia công lỗ sâu đặt các vấn đề sau: - Xác định các chế độ cắt gọt hợp lý để tránh hiện tƣợng dao động cộng hƣởng của dụng cụ. - Xác định tần số làm việc và chế tạo các bộ giảm chấn cho dụng cụ. - Xác định số lƣợng, vị trí đặt các bộ giảm chấn. - Dự báo và kiểm soát quá trình dao động. 1.2. Tổng quan tài liệu và các công trình nghiên cứu đã công bố Tác giả Nguyễn Xuân Dũng trong tài liệu [3] đã tổng quan công nghệ gia công lỗ sâu chính xác, các phƣơng pháp gia công, các ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng, nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cắt gọt, nghiên cứu công nghệ chế tạo, thiết kế dụng cụ của nguyên công khoan lỗ và công nghệ chế tạo dụng cụ khoan lỗ sâu. Công trình này đã giải quyết tổng quát các vấn đề về công nghệ và dụng cụ trong khoan sâu chính xác. Tác giả Trần Đức Kiên trong tài liệu [2] cũng đã nghiên cứu vấn đề liên quan đến vấn đề đo lƣờng kiểm tra các thông số của lỗ sau khi gia công, tác giả đã tổng quan các phƣơng pháp đo lỗ sâu, dụng cụ đo, nghiên cứu thiết kế và chế tạo dụng cụ và trang bị đo lỗ gia công. Kết quả của công trình này là đã giải quyết đƣợc khó khăn trong quá trình đo lƣờng các lỗ sâu, thiết kế dụng cụ đo lỗ Trong tài liệu [11] tác giả Drs.P.Dingeman đã tổng quan về các phƣơng pháp khoan lỗ sâu, đặc điểm của từng phƣơng pháp, ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng của chúng, tác giả tập trung nghiên cứu về công nghệ khoan kiểu GunDrilling, các vấn đề về thông số hình học lƣỡi cắt, nguyên lý gia công, bôi trơn làm nguội, thiết bị gia công, xác định các thông số công nghệ Đây là tài liệu mang tính tổng quan về nguyên lý khoan Gundrill. Đi sâu nghiên cứu về kiểu khoan lỗ sâu BTA/STS, tác giả Sinisa Kojic [8] đã nghiên cứu về mô hình đỡ dụng cụ trong khi khoan kiểu BTA với truờng hợp lƣỡi cắt đơn. Kết quả của công trình này là tác giả đã xây dựng mô hình, phân tích lực cắt, tính toán độ võng của cán dụng cụ và sự ảnh hƣởng của mòn đệm dẫn trong quá trình “Miết ép” của đệm dẫn đến chất lƣợng gia công. 1
16. CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LỖ SÂU VÀ ỨNG DỤNG 2.1. Tổng quan về công nghệ khoan lỗ sâu 2.1.1. Các khái niệm và thuật ngữ a. Định nghĩa lỗ sâu Để định nghĩa thế nào là một lỗ sâu, trƣớc hết ta xem xét tỷ lệ giữa chiều dài gia công và đƣờng kính gia công, tỷ lệ này cho biết chiều dài lỗ gia công lớn gấp bao nhiêu lần đƣờng kính gia công L Tỷ lệ L/Dc = Dc Trong đó : L: Chiều dài lỗ gia công (mm); Dc : đƣờng kính lỗ gia công (mm) Tỷ lệ là thông số tƣơng đối của chiều dài lỗ, nó cũng là thƣớc đo để đánh giá xem mức độ khó khăn khi gia công lỗ sâu. Nhìn chung, trong công nghiệp ngƣời ta định nghĩa một lỗ sâu là lỗ mà có chiều dài lớn hơn 10 lần đƣờng kính lỗ gia công. Tuy nhiên trong một số tài liệu khác các tác giả đã định nghĩa lỗ sâu với tỷ lệ L/d0 là rất khác nhau, ví dụ: lớn hơn 3 lần (McDonald,Winfried Theis, ); lớn hơn 5 lần (Theo các tác giả của Nga và Việt nam nhƣ TS.Lê Hoàng Phú, N.X Dũng, ) hoặc theo VDI (Verein Deutscher Ingenieure) lỗ sâu là lỗ có tỷ lệ L/Dc =3 với đƣờng kính Dc=1 2000mm. Trong đề tài này, lỗ sâu đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “Lỗ sâu là lỗ có tỷ lệ chiều dài lỗ gia công và đƣờng kính lỗ gia công lớn hơn 5 lần (L/Dc >5)” b. Phân loại các dạng lỗ Ngoài chiều dài thì lỗ còn có thông số hình học khác để lựa chọn phƣơng án công nghệ chế tạo. Đề tài không đi sâu nghiên cứu vấn đề này mà chỉ đề cập tóm lƣợc. Một lỗ thông thƣờng đƣợc mọi ngƣời nghĩ đến ngay là lỗ tròn, nó là lỗ dễ chế tạo nhất hoặc là đƣợc chế tạo từ nhiều phƣơng pháp khác nhau. Tiếp đó là những dạng lỗ không tròn nhƣ lỗ hình vuông, hình oval các giải pháp công nghệ chế tạo các lỗ này chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều nhƣ cắt dây EDM, phay Lỗ có ren cũng là một dạng đặc biệt khác của lỗ, thƣờng gia công bằng Taro trên các máy tiện, phay. Một cách phân loại khác là giữa lỗ thông và lỗ không thông. Nội dung của đề tài này hạn chế trong việc nghiên cứu “Khoan lỗ tròn, thẳng, thông thường và không có những đặc điểm đặc biệt khác”. 2
17. 2.1.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng lỗ gia công Trong kỹ thuật cơ khí có rất nhiều các tiêu chuẩn để xác định chất lƣợng một lỗ đƣợc gia công. Trong gia công lỗ sâu độ nhám, độ tròn, độ côn của lỗ đóng vai trò quan trọng vì nó có liên quan trực tiếp tới hiện tƣợng xuất hiện các vết gằn trên bề mặt và làm tăng độ nhám và hiện tƣợng xoắn ốc gây ra các sai số hình dạng hình học độ tròn của lỗ. Độ nhám bề mặt Lỗ sâu gia công không phẳng lý tƣởng mà có nhấp nhô, đó là các sai số hình học tế vi của bề mặt chi tiết. Thông số độ nhám đƣợc định nghĩa để đánh giá chất lƣợng bề mặt gia công, có hai chỉ tiêu đánh giá là sai lệch trung bình số học Ra và chiều cao trung bình nhấp nhô Rz. Sai lệch trung bình số học Ra: là trị số trung bình của các khoảng cách từ điểm trên đƣờng nhấp nhô đến đƣờng trung bình (hình 2.1) Hình 2. 1: Xác định độ nhám Ra Chiều cao trung bình của các nhấp nhô Rz : là giá trị trung bình của 5 khoảng cách từ 5 đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tính trong phạm vi của chiều dài chuẩn (Hình 2.2) Hình 2. 2: Xác định độ nhám Rz 3
18. Độ tròn lỗ gia công Độ tròn là độ lệch của lỗ gia công so với biên dạng lỗ lý tƣởng. Độ tròn đƣợc đo bằng cách quay thiết bị đo hoặc quay chi tiết quanh một trục cố định, đầu đo đƣợc đặt gần bằng bán kính lý tƣởng của lỗ, hoặc trong trƣờng hợp này của lỗ với trục cố định. Hình 2.3: Độ tròn đo đƣợc từ các thí nghiệm 2.1.3. Lịch sử phát triển Khoan là một trong những nguyên công phổ biến nhất trong gia công kim loại. Ngƣời ta cũng chƣa thống kê đƣợc là khoan lỗ sâu chiếm tỷ trọng bao nhiêu trong các nguyên công khoan, nhƣng ứng dụng trong thực tế của khoan lỗ sâu cũng chiếm tỷ trọng đáng kể. Khoan lỗ sâu đã có cách đây khoảng 150 năm, đƣợc sử dụng bởi những nhà chế tạo súng ngƣời Nga và Pháp. Ban đầu nó đƣợc phát triển cho mục đích quân sự là chế tạo các loại nòng pháo chịu đƣợc áp suất cao của thuốc phóng nitrocellulose. Bài toán này đã mở ra một phƣơng pháp mới để chế tạo các nòng súng bằng thép với chất lƣợng cao. Đến năm 1945, thế giới mới bắt đầu biết đến một phƣơng pháp khoan lỗ sâu khác là phƣơng pháp BTA do ngƣời Đức phát minh ra, sau khi công nghệ này đƣợc bán ra toàn thế giới, ở một số nơi còn gọi phƣơng pháp này là phƣơng pháp STS (Single Tube System). Ejector là phƣơng pháp đƣợc cải tiến từ phƣơng pháp BTA nên nhìn bề ngoài chúng khá giống nhau, chỉ khác nhau ở cách thức cấp dung dịch trơn nguội, sự ra đời của Ejector là sự bổ sung cho BTA vì phƣơng pháp BTA đòi hỏi thiết bị chuyên dụng trong khi Ejector có thể tích hợp vào các thiết bị đa năng, các trung tâm CNC 4
19. Cách đây khoảng 70 năm khi nói về khoan lỗ sâu, thì chúng ta hiểu rằng nói về phƣơng pháp Gundrill, đơn giản vì hồi đó chỉ tồn tại một phƣơng pháp gia công lỗ sâu. Ngày nay, các kỹ sƣ cơ khí của chúng ta dễ dàng hơn khi đối mặt với bài toán khoan lỗ sâu, bởi vì chúng ta có ba phƣơng pháp khoan lỗ sâu để lựa chọn. - Hệ thống khoan nòng súng Gundrilling - Hệ thống khoan BTA hay còn gọi là STS (Single Tube System) - Hệ thống khoan Ejector còn gọi là DTS (Double Tube System) Chú ý rằng là việc phân loại này không phải trên cơ sở thiết kế của dụng cụ và đặc tính của quá trình khoan mà nó phân loại dựa trên phƣơng pháp cấp dung dịch trơn nguội và phƣơng pháp thoát phoi khỏi vùng gia công. 2.1.4. Ứng dụng trong quốc phòng và công nghiệp Mặc dù nguồn gốc của khoan lỗ sâu xuất phát từ công nghiệp quốc phòng đặc thù nhƣ vậy nhƣng ngày nay, chỉ một phần của khoan lỗ sâu phục vụ cho nghành công nghiệp này, phần lớn lại ứng dụng trong công nghiệp dân sinh. Trong công nghiệp quốc phòng thƣờng sử dụng công nghệ gia công lỗ sâu để gia công nòng súng, pháo , xilanh đẩy lên của các loại nòng pháo, xi lanh hãm lùi, lỗ cán hãm lùi và nhiều chi tiết khác 5
20. Trong công nghiệp dân sinh, công nghệ gia công lỗ sâu đƣợc ứng dụng trong gia công các lỗ bắt vít khuôn mẫu cỡ lớn, gia công lỗ dẫn dung dịch làm mát khuôn, gia công các lỗ trong Turbin khí, lỗ Xi lanh thủy khí, khối động cơ trong nghành công nghiệp ô tô, các lỗ của trục chính máy công cụ, lỗ trục vít các máy ép đùn .và rất nhiều ứng dụng trong các nghành công nghiệp khác nhƣ: Công nghiệp ôtô; Công nghiệp đóng tàu; Chế tạo máy; Công nghiệp hóa dầu; Công nghiệp thực phẩm; Công nghiệp hàng không, vũ trụ; Công nghiệp thủy khí Bảng 2.2. Một số ứng dụng của khoan lỗ sâu trong công nghiệp Trục chính máy đƣờng Dây neo tàu thủy Xi lanh thủy lực kính lỗ: 39,1 mm Chiều đƣờng kính lỗ: 34 mm đƣờng kính lỗ: 32 mm sâu lỗ: 457 mm Chiều sâu lỗ: 1360 mm Chiều sâu lỗ: 900 mm Lỗ làm mát khuôn đƣờng Trục khuỷu đƣờng Van tiết lƣu đƣờng kính kính lỗ: 15 mm Chiều sâu kính lỗ: 35 mm Chiều lỗ: 30.5 mm Chiều sâu lỗ:1000-2000mm sâu lỗ:400mm lỗ:410mm Chuôi Thân van đƣờng kính lỗ: 80 mm Trục động cơ đƣờng đƣờng kính lỗ: 120 mm Chiều sâu lỗ:3072mm kính lỗ: 70 mm Chiều Chiều sâu lỗ:549mm sâu lỗ:600mm 6
21. 2.1.5. Yêu cầu kỹ thuật của các lỗ sâu chính xác Trong công nghiệp lỗ sâu đƣợc sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực thủy khí, đó là các loại lỗ xi lanh của các bộ truyền dẫn thủy lực, chúng thƣờng có các yêu cầu kỹ thuật sau: - Độ thẳng đƣờng tâm lỗ không lớn hơn 0,006/100 mm - Độ côn, ovan, độ phình tang trống trên toàn bộ chiều dài của lỗ phải nằm trong giới hạn không lớn hơn 1/2 dung sai đƣờng kính lỗ. - Độ lệch trục của đƣờng kính bề mặt gia công bên ngoài tƣơng ứng với trục của đƣờng kính trong không lớn hơn 1/2 dung sai đƣờng kính ngoài. - Độ đảo mặt đầu của xi lanh tƣơng ứng với trục dọc không lớn hơn 0,05 mm. - Độ nhám bề mặt trong của lỗ phải đạt Ra<0,63, cấp chính xác 3 Trong công nghiệp quốc phòng các lỗ sâu chính xác đƣợc sử dụng phổ biến để chế tạo các loại vũ khí trang bị, phổ biến nhất là nòng súng, pháo , chúng có các yêu cầu kỹ thuật cơ bản nhƣ sau: - Độ nhám bề mặt vào khoảng Ra<0,63m - Độ chính xác của đa số các nòng súng pháo thƣờng ở cấp 3-5 2.2. Các nguyên lý khoan lỗ sâu 2.2.1. Hệ thống khoan nòng súng (The Gun Drill System) Đây là phƣơng pháp gia công cổ điển, có lịch sử hơn 150 năm. Nó đƣợc sử dụng để khoan các lỗ có phạm vi đƣờng kính từ 0,95-35 mm với dung sai đƣờng kính đạt tới IT9, độ nhám Ra từ 0,1-3,2m. Tỷ lệ L/Dc tối đa có thể đạt tới 250 (theo VDI 3208). Hệ thống khoan Gundrill bao gồm nhiều bộ phận nhƣng trung tâm là dụng cụ khoan của nó. Dung dịch cắt đƣợc bơm vào vùng gia công qua một lỗ nhỏ nằm trong mũi khoan và phoi đƣợc dung dịch cắt chuyển ra ngoài qua một rãnh chữ V trên thân dao tới thùng chứa phoi, ở đó dung dịch cắt và phoi sẽ đƣợc tách riêng, đồng thời thùng chứa phoi cũng là bộ phận đỡ dụng cụ. 7