40 Đinh Văn Đức, Đặng Văn Nghìn, Trần Đại Nguyên

VCM2012
Thiết kế lực kế vòng tám cạnh trong gia công SPIF
Design of octagonal rings dynamometer for single point
incremental forming
KS Đinh Văn Đức
1
,

PGS. TS Đặng Văn Nghìn
2
, ThS Trần Đại Nguyên
2
,
1
Trường ĐHBK TP.HCM
Email: [email protected]
2
Viện Cơ Học Và Tin Học Ứng Dụng TP.HCM, Việt Nam
Website: http://www.iami.ac.vn Tóm tắt
Bài báo giới thiệu nguyên lý và các thông số công nghệ của phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm
(SPIF), trình bày đường lối tính toán thiết kế lực kế cảm biến vòng tám cạnh sử dụng màng biến dạng (strain
gage) cho quá trình gia công này.
Abstract
This paper introduces principles and technological parameters of single point incremental forming (SPIF),
presents a calculation method of octagonal rings dynamometer using strain gages for this process.
Chữ viết tắt

z
. Hai thông số quan trọng trong gia công SPIF là
đường kính dụng cụ d và bước tiến dụng cụ Δz,
khi tăng hai thông số này thì lực gia công tăng
tuyến tính và ảnh hưởng đến khả năng biến dạng
của chi tiết [1]. Do đó cần thiết phải đo lực.

H. 1 Chi tiết được gá trên đồ gá và đồ gá
được lắp lên máy
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 41 Mã bài: 12

H. 2 Nguyên lý gia công SPIF
Để đo ba thành phần lực theo ba phương, có thể
sử dụng một số loại lực kế: màng biến dạng
(strain gage), áp điện, điện dung, nên ta cũng có
thể thiết kế dựa vào những loại lực kế này.
Lực kế áp điện có giá thành rất đắt. Lực kế điện
dung đòi hỏi kết cấu phức tạp và độ nhạy không
cao nên nhóm nghiên cứu chọn lực kế vòng 8
cạnh dựa trên màng biến dạng để thiết kế.


bảng 1.
Bảng 1: Đặc tính của thép AISI 4140
Ứng suất
bền
Mô đun
đàn hồi
Hệ số
Poisson
Độ cứng
550-900
N/mm
2

210000
N/mm
2
0,3 247 HB

2.2 Xác định kích thước của vòng tám cạnh
Chiều dày t, bán kính r, và độ rộng b của vòng
tròn biến dạng là ba thông số cơ bản ảnh hưởng
lên độ cứng và độ nhạy của lực kế, b
min
có thể
lấy là 20 mm để thiết lập cho vòng an toàn.
Biến dạng của vòng tròn dưới ảnh hưởng của lực
vuông góc theo phương thẳng đứng F
z
và lực
hướng kính F

đối trên biến dạng có thể được thể hiện dưới
dạng [2, 3]:
1 09
0 61
1 8
z
y
, t t
,
( / r ) , r r


 
(1)
Trong đó δ
y
là độ võng theo hướng bán kính và
ε
z
là biến dạng do lực dọc trục F
z
. Độ nhạy lớn
nhất và độ cứng ε
z
/δ
z
nên lớn nhất có thể [2].
Điều này đòi hỏi r nhỏ nhất có thể và t lớn nhất
có thể. Nhưng r nhỏ gây ra một số khó khăn
trong việc gắn các màng biến dạng bên trong

Ebt


   
(2)
3
2
2 18
1 82 10
y
B
, F r
,
Ebt


   

(3)
t
r
b

H. 5 Kích thước lực kế vòng tám cạnh
Ứng suất xuất hiện trên vòng do lực dọc trục và
hướng kính có thể được tính bằng tỉ số giá trị
biến dạng đàn hồi thay thế trong công thức (4, 5)
như sau:
2
190 8

Để xác định tần số tự nhiên của lực kế, hằng số
vòng của lực kế nên được xác định trước tiên.
Giá trị độ cứng cho vòng tròn mỏng được tính
nhờ công thức sau [2, 3]:
3
3
1 8
y
y
y
F
Ebt
K
, r

  (6)
Khi thay các giá trị trong công thức (6), hằng số
vòng của lực kế được tính là: K
y
= 36458 N/mm.
Tần số tự nhiên của lực kế, lực kế được giả định
là một khối lượng nhỏ được hỗ trợ bởi các phần
tử vòng, có thể thu được từ quan hệ sau [2]:
1
2
d
K
f
m


Lực dọc trục F
z
được đỡ bởi các vòng A, B, C và
D của lực kế như thể hiện trên H. 6. Màng biến
dạng 3, 4, 7, 8, 11, 12, 15 và 16 chịu tác dụng
bởi lực dọc trục F
z
. Trong số những màng biến
dạng này, màng biến dạng 3, 7, 11 và 15 phụ
thuộc vào biến dạng kéo trong khi 4, 8, 12 và 16
phụ thuộc vào biến dạng nén.
Lực F
x
được hỗ trợ bởi các vòng A và C của lực
kế như thể hiện trên H. 6. Màng biến dạng để đo
lực F
x
nên được gắn trên bề mặt ngoài của vòng
A và C với góc nghiêng 39.6
0
. Như thể hiện trên
H. 6, màng biến dạng 1, 2, 5, và 6 bị ảnh hưởng
bởi lực F
x
. Trong số những màng biến dạng này,
1 và 5 phụ thuộc vào biến dạng kéo trong khi đó
2 và 6 phụ thuộc vào ứng biến dạng nén.
Lực F
y
được hỗ trợ bởi vòng B và D như đã thấy

y y
y y
y y
F F
K , mm
K


   

(8)
Giá trị độ dãn dài có thể đạt được là 0,096 mm,
nhỏ hơn độ dãn dài cho phép bằng 0,3 mm. Như
vậy độ dãn dài của lực vòng nằm trong giới hạn
độ dãn dài cho phép.
Biến dạng xuất hiện trong màng biến dạng có
thể được trình bày bằng quan hệ sau [2, 5, 6, 8]:
0
R L
k
R L
 
 (9)
Trong đó:
∆R : Điện trở sai khác do điện áp (Ω).
R : Điện trở của màng biến dạng
ban đầu (Ω).
k : Hệ số Gage của màng biến dạng.
∆L : Độ dãn dài do ứng suất (mm).
L

2
và R
3
= R
4
thì mạch cầu cân bằng
hoặc, nói cách khác, khi cầu không cần bằng,
thay ∆R/R = kε, V được tính bằng công thức sau
[2, 5, 6]:
1 2 3 4
1
4
UA
V k( )
UE
   
    
(11)
Trong đó: Khi ε
1
= -ε
2
= ε
3
= -ε
4
= ε, UA/UE
=(1/4)(kx4ε) và hệ số màng biến dạng k được
lấy bằng 2, điện thế ngõ ra có thể được rút gọn
bằng công thức sau [2, 5, 6]:

   

   

   

(13)
Thu được
 
3 11 4 12 7 15 8 16
1
4
UA
k ( ) ( ) ( ) ( )
UE
       
       
(14)
Khi:
3 11 4 12 7 15 8 16
        
        

(15)
UA/UE =(1/4)(k×8ε) và k=2
4
UA UE


(16)

Loại màng biến dạng HBM: LY 11 6/120 được
khuyến nghị cho loại thép này ứng dụng cho cả
tải trọng tĩnh và động. Để đạt được sự tiêu thụ
năng lượng thấp và điểm thiết lập ổn định Zero
được lâu, điện áp nuôi (kích thích) phải được
chọn cẩn thận. Phạm vi điện áp nuôi đối với thép
mỏng được gắn trên bề mặt vòng có thể thu
được từ quan hệ [2, 9] :
2
'
g g g
UE R P A
 (18)
44 Đinh Văn Đức, Đặng Văn Nghìn, Trần Đại Nguyên

VCM2012
Trong đó R
g
là điện trở của màng tính bằng Ω
(điện trở ban đầu của màng biến dạng), P
’
g
là
năng lượng riêng trong cầu (nằm giữa 2 và 5
KW/m
2
) [6], và A
g
là vùng lưới hoạt động
(6×2,8 mm đối với HBM, LY11 6/120). Để tiện


2.6 Thiết kế mạch khuyếch đại cho lực kế
Điện áp ra theo (12), (16), (17) rất nhỏ nên cần
được khuyếch đại lên để tín hiệu ra tính theo V.
Theo E. O. Doebelin [8, 9], ta sử dụng một bộ
khuyếch đại 3 Op Amp A1, A2, A3 như H. 8
dưới đây:

H. 8 Mạch khuyếch đại
Điện áp đầu ra theo [9, 10], được tính theo công
thức (21).
5
2
2 1
1
2
1
out IN IN
G
R
R
V (V V )( )
R R
   (21)
Trong đó:
2 1IN IN
V V UA
 
Theo lý thuyết, với mạch khuyếch đại này người
sử dụng sẽ thu được hệ số khuyếch đại nhiều

2003.
[4] R. Aerens & P. Eyckens & A. Van Bael & J.
R. Duflou, Force prediction for single point
incremental forming deduced from
experimental and FEM observations, Int J
Adv Manuf Technol DOI 10.1007/s00170-
009-2160-2, 4 June 2009.
[5] Karl Hoffmann, An Introduction to
Measurements using Strain Gages, Publisher:
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH,
Darmstadt, 1989.
[6] Electrical Resistance Straingages Circuits.
[7] www.micro-measurements.com, Optimizing
Excitation Levels, revision: 01-Nov-2010.
[8] National Instrument, Strain Gages
Measurement System - A Tutorial,
Application Note 078, 1998.
[9] E. O. Doebelin, Measurement Systems:
Application and design, 5th ed., McGraw
Hill, 2003.
[10] Charles Kitchin and Lew Counts, A
Designer’s Guide to Instrumentation
Amplifiers, 2
nd
Edition.