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

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO LỰC CẮT
KHI GIA CÔNG KIM LOẠI DÙNG TRONG GIẢNG DẠY
VÀ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T18 - 2006

S KC 0 0 1 7 9 3


Thiết bò đo lực cắt là loại thiết bò thí nghiệm rất cần thiết trong giảng dạy và
nghiên cứu khoa học. Nhiều đề tài nghiên cứu, luận văn thạc só và tiến tới luận án
tiến só có thể không thực hiện được vì thiếu thiết bò này.
Nhằm từng bước xây dựng các thiết bò thí nghiệm phục vụ giảng dạy và
nghiên cứu trong ngành Công nghệ chế tạo máy, đề tài này là một trong những
thiết bò thí nghiệm cần được trang bò. Hơn nữa các thiết bò nhập ngoại thường rất
đắt tiền, trong khi đó Thầy và trò trường ta có khả năng chế tạo được với giá thành
rẻ. Vì vậy chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bò đo lực cắt trên
máy tiện với phương pháp đo riêng rẽ từng thành phần.
II-TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Như trên đã nói, thiết bò nhập ngoại thường rất đắt tiền và nếu nhập thì phải
đồng bộ và phải xây dựng dự án.
Trong nước một số cơ sở và trường học cũng đã nghiên cứu chế tạo tuy
nhiên mỗi nơi làm theo một phương pháp khác nhau.
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật đang đi theo hướng chế tạo thử nghiệm
các mô hình dạy học giống thực tế, các thiết bò thí nghiệm nhằm giúp sinh viên
tiếp cận nhanh với sản xuất và phục vụ nghiên cứu khoa học. Đề tài này đáp ứng
tốt nhiệm vụ này.
2


Phần 2 : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I-MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
1-Nhằm biến lý thuyếtû thành thiết bò cụ thể
2-Thiết bò dùng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học
3-Thí nghiệm để tìm các thông số thực nghiệm
II-PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1-Tham khảo tài liệu và thiết kế sơ bộ
2-Tìm kiếm các linh kiện có trên thò trường phù hợp với thiết kế
3-Chế tạo và thử nghiệm

b - là chiếu rộng cắt cũng được tính bằng mm.
b) Xác đònh lực cắt trên cơ sở phân tích biến dạng:
Phương pháp này được các nhà nghiên cứu rất quan tâm .
Khi các phần tử kim lọai phoi cắt di chuyển theo mặt trước của dao thì trong
phương trượt xuất hiện ứng suất cắt và ứng suất nén. Trên (hình 1) mô tả bằng 2




lực P e và P c .
+Y
Pe

N

+x



v



-x


F

-Y


sin 1

c là ứng suất cắt sinh ra trong mặt trượt.
Thay (19) vào (18) và biến đổi ta nhận được:

4


1
 tg1 ).atb .b
tg1
N
tg1 (sin    cos  )  cos    sin 

c(

(15)

Độ lớn lực cắt phụ thuộc vào mức độ biến dạng phát sinh khi cắt . Mức độ
biến dạng có thể được đặc trưng bằng hệ số co rút phoi. Hệ số co rút phoi K có thể
được xác đònh từ kích thước của phoi và lớp cắt nhưng cũng có thể tính được trên cơ
sở hình học ( hình 4.2).



Lf



v

(sin    cos  )  cos    sin 
K L  sin 
Sau khi biến đổi ta được:
 c .atb .b[( K L  sin  ) 2  cos 2 
N
cos 2  (sin    cos  )  (cos    sin  ) cos  ( K L  sin  )

(16)

Công thức (11) cho thấy rõ lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công (c) , vào
độ lớn tiết diện cắt (atb;b), vào góc trước dao(), vào độ lớn ma sát giữa dao và phoi
(), vào hệ số co rút phoi (K) và phụ thuộc vào các yếu tố có liên quan đến các
quá trình cắt (như vận tốc cắt, làm nguội, bôi trơn ) .

5


Công thức (12) được thiết lập trên cơ sở chú ý tới ứng suất trượt sinh ra trên
mặt trượt. Nhưng khi cắt trong vật liệu xuất hiện trạng thái ứng suất vô cùng phức
tạp. Theo kết quả thí nghiệm thì giá trò ứng suất nén cũng ảnh hưởng đáng kể đến
mức độ biến dạng. Cụ thể là khi áp lực của dao tăng thì chiều dài của lớp biến
dạng dư cũng tăng theo. Trên cơ sở đó áp lực pháp tuyến được tính như sau:
(17)
N   c .t.S.K Lm   c .K Lm .q
Trong đó :c là ứng suất nén trong vùng cắt .
t - là chiều sâu cắt
S - là lượng chạy dao.
m - là hệ số poisson .
c) Xác đònh lực cắt bằng bảng và biểu đồ:
Việc xác đònh lực cắt bằng cách tính tóan nói chung rất tốn thời gian và cần

4

3

5

Hình 3 - Đo lực cắt bằng đồng hồ cơ học

Dao 1 được kẹp chặt lên cơ cấu kẹp dao 2 nhờ các vít 7. Cơ cấu kẹp dao 2 và
lò xo 4 có thể quay quanh chốt 3 và 9 gắn trên thân dụng cụ đo 5.
Nguyên lý: Khi cắt gọt dưới tác dụng của lực cắt P dao được gắn chặt trên
cơ cấu kẹp dao bò chuyển vò, độ lớn chuyển vò được thể hiện ở đồng hồ đo 6. Từ độ
lớn chuyển vò đọc được thông qua xử lý số đo ta nhận được giá trò lực cắt .

6


Ưu điểm của lọai thiết bò đo này là đơn giản về kết cấu, dễ dàng sử dụng.
Nhưng có nhược điểm là độ chính xác thấp do ma sát tại khớp quay.
Đo theo nguyên lý thủy khí :

1: chốt.
2: cơ cấu mang dao.
3: dao.
4: phao.
5: chất lỏng.
6: đồng hồ.

3


dao làm dòch chuyển tấm đàn hồi của tụ điện , tức là thay đổi khe hở  h, do đó
làm thay đổi điện dung. Thay đổi điện dung làm thay đổi dòng điện, sự thay đổi
dòng điện được máy ghi lại để xử lý.

7


Đo theo nguyên lý điện cảm :

Pz

h

Hình 6 – Đo lực cắt bằng cảm biến điện cảm

Cảm biến cảm ứng ( hình 6) họat động trên cơ sở thay đổi dòng điện trong
cuộn dây do thay đổi khe hở  h giữa các vật từ tính. Sự thay đổi lực cắt sẽ làm
thay đổi giá trò của dòng điện .
Đo theo nguyên lý biến dạng điện trở :

Hình 7 – Đo lực cắt bằng cảm biến biến dạng điện trở

1: thân dao.
2: thiết bò ghi lại sự thay đổi dòng điện.
3: cơ cấu khuếch đại.
4: cơ cấu ổn đònh điện thế.
5: nguồn điện.
6: vòng dây biến dạng.
8


3

Hình 8 – Đo lực cắt theo nguyên lý biến dạng dư

Trong sức bền vật liệu đã nghiên cứu : nếu có lực P tác dụng lên quả cầu ,
quả cầu sẽ ép lên bề mặt vật liệu kim lọai thì vật sẽ bò biến dạng. Sau khi bỏ tải
trọng P do có biến dạng dư nên trên vật vẫn còn tồn tại lõm cầu có đường kính D
do quả cầu ép còn tồn tại trên vật. Ngòai phụ thuộc vào đường kính viên bi d đã
được xác đònh nó còn phụ thuộc vài tải trọng P.
Như vậy khi d = const thì : D = f(P)
Nhờ quan hệ trên bằng cách đo đường kính lõm cầu D ta suy ra được P.
Ứng dụng nguyên lý trên người ta đã chế tạo lực kế đo 3 thành phần lực cắt như
hình 8.
Nếu như các lọai dụng cụ đo đã kể trên cho ta giá trò lực cắt trung bình hoặc
giá trò lực cắt tức thời thì lọai dụng cụ đo dựa vào biến dạng dư này cho ta giá trò
lớn nhất của lực cắt .
Ưu điểm lớn của lọai dụng cụ đo này là đơn giản, dễ thao tác. Nhưng nhược
điểm của nó là độ chính xác thấp do ngọai ma sát giữa các chi tiết trong dụng cụ
đo.
b) Xác đònh lực cắt bằng cách thông qua đo công suất cắt:
Xác đònh lực cắt bằng phương pháp đo trực tiếp chỉ có thể tiến hành bằng thí
nghiệm. Phương pháp đo nói chung có nhược điểm là tốn kém, nhất là phải có thiết
9


bò đo. Vì lẽ đó người ta có thể xác đònh lực cắt theo phương pháp khác kinh tế hơn,
đó là xác đònh lực cắt thông qua đo công suất. Như ta đã biết giữa lực cắt và công
suất có quan hệ như sau:
N


là công suất tổn thất đó, người ta gọi là công suất chạy không( N ck ). Từ đó công
suất động cơ, công suất cắt, và công suất chạy không có mối quan hệ như sau :
Nđc = Nc + Nck (KW)
Kết hợp các công thức ta được :
Pv 

N dc  N ck 1
x
(N).
v
K1

B - THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO LỰC CẮT
Nội dung chính :
-

Lựa chọn phương pháp đo : Đo riêng rẽ từng thành phần lực Pz ; Py ; Px .
Lựa chọn cảm biến đo : Dùng cảm biến biến dạng điện trở loại chuẩn
được nhập ngoại (thường gọi là Load Cell).
Thiết kế từng bộ phận gá đặt riêng và cấu tạo phần dao cắt cho từng loại
lực cắt.
Sử dụng thiết bò hiển thò lực kỹ thuật số (Digital Weighing Indicator).

10


Phân tích : Ba thành phần
lực tác động theo 3 phương
như hình 9, nếu sử dụng
chung một thiết bò đo thì

hồi đối với mỗi loại vật liệu là không đổi và đặc trưng bằng hệ số Poat-xông . Hệ
số nhạy Tenzô lúc này bằng:
k=

R
= 1 + 2
l

Hệ số Poat-xông của kim loại có trò số  = 0,240,4 do đó độ nhạy k =
1,481,8. Tuy nhiên bằng thực nghiệm có những vật liệu vượt ra ngoài giới hạn đó.
Tổng quát hơn: k = (1 + 2)+m, ở đây (1 + 2) đặc trưng cho sự thay đổi
điện trở, còn m=

 / 
là sự thay đổi điện trở suất  của vật liệu, có quan hệ với
l / l

thay đổi tính chất vật lý của các vật liệu.

11


Điện trở Tenzô được dùng dưới 3 dạng: dạng dây, dạng lá mỏng và dạng
màng.

Hình 10 Điện trở Tenzo : a) dạng dây; b) dạng lưới màng

Loại điện trở Tenzô dùng dây phổ biến nhất như hình 10a). Trên tấm lót
bằng giấy mỏng hay màng sơn người ta dán những dây mảnh có đường kính
0,020,05mm theo hình răng lược. Đầu các dây đưọc hàn nối với dây dẫn bằng

R4

R2

UM+

UM-

R1

R4

US-

US-

Unloaded
LC
b)

Loaded LC

c)

Hình 11 - Load Cell và mạch cầu chuyển đổi

12


Trên hình 11a) chỉ rõ cách dán các tenzo lên dầm và khi chưa có tải trọng thì

đổi gọi là đầu hiển thò để giá trò hiện ra trên màn hình đầu hiển thò là lực .

Hình 15- Sơ đồ mạch điện của thiết bò

4-Thiết kế đầu đo Px

Hình 16.
1.Bộ gá
2.Load cell
3.Đầu dao

1
2
3
S

Px

14


Bộ gá (hình 17) dùng để đỡ
loadcell, trên load cell có gắn mảnh
dao tiện để đo lực cắt Px.
Khi cắt do lực Px, load cell sẽ
biến dạng theo chiều ngược với
chiều chạy dao S, lực Px sẽ hiển thò
lên đầu đọc.

Px


15


hiệu ra cho bộ phận biến đổi gọi là đầu hiển thò để giá trò hiện ra trên màn hình
đầu hiển thò là lực .
4-Thiết kế đầu đo Pz
Pz

S

Khi tiện lực PZ tác động lên dao
tiện đặt trên đầu chòu tải trọng của
loadcell. Lúc này đầu chòu tải trọng của
loadcell bò chuyển vò làm cho mạch cầu
trong loadcell mất cân bằng và làm điện
thế trong mạch thay đổi. Đầu ra của
loadcell ghi nhận sự thay đổi điện thế
này và truyền tín hiệu ra cho bộ phận
biến đổi gọi là đầu hiển thò để giá trò
hiện ra trên màn hình đầu hiển thò là lực
.

Hình 20
1:bulông M6.
2:loadcell.
3:đầu gắn dao
tiện.
4:tấm đỡ.
5:dao tiện

 Nối đầu ra của loadcell với đầu vào của thiết bò hiển thò .
 Bấm nút power phía sau đầu hiển thò sang trạng thái ON .
 Bấm nút mở màn hình ON sau đó bấm và giữ nút # phía trước đầu hiển
thò cho đến khi trên màn hình đầu hiển thò hiển thò một dãy các số 9 thì
buông ra .
 Tiếp tục nhấn nút # màn hình đầu hiển thò hiện lên chữ d1 để ta xác đònh
bước nhảy của đầu hiện thò. Nhấn nút tare để cài đặt thông số này , nhấn
nút ZERO để nhập giá trò bước nhảy.

17


 Tiếp tục nhấn nút # màn hình hiển thò chữ P X để ta thiết lập số thập
phân cho đầu hiển thò.Thiết bò này chỉ cho phép hiển thò 3 số thập phân
.Nhấn nút TARE để thiết lập số thập phân cho thiết bò, nhấn nút ZERO
để nhập số chữ số thập phân cho đầu hiển thò . Chỉ được phép nhập từ 0
đến 3.
 Tiếp tục nhấn nút # màn hình sẽ hiển thò chữ full để ta cài đặt tải trọng
giới hạn của đầu hiện thò, nếu giá trò lực lớn hơn giá trò tải trọng giới hạn
này thì thiết bò sẽ báo lỗi.
 Tiếp tục nhấn nút # màn hình hiện chữ noload.
 Nhấn tiếp nút # màn hình hiện chữ addload để ta đặt tải trọng tiêu
chuẩn lên đầu chòu tải trọng của thiết bò đo. Ví dụ ta đặt một đối trọng
2KG lên đầu chòu tải trọng, sau đó nhấn nút TARE, kế đến nhấn nút
ZERO nhập 20 khi đó đầu hiển thò sẽ hiểu tải trọng của đối trọng mà ta
đặt lên đầu chòu lực của thiết bò đo la ø20N.
 Tiếp tục nhấn nút # màn hình sẽ hiển thò chữ END.
 Nhấn vào nút Save phía sau đầu hiển thò để lưu các cài đặt của ta.
 Sau đó tiện bình thường giá trò lực Pz sẽ được hiển thò trên màn hình
trong một khỏang giới hạn nào đó.

(Sơ đồ gá đặt dụng cụ đo như hình 22)

Trường hợp 1: S thay đổi.
Chọn t=0,5mm;v=38, 33 m/ph;
S=0,1 mm/v. Từ(20)PZ(lý thuyết)=154,4(N).
Lần đo

PZ(thực nghiệm)
PZ(lý thuyết)
Đơn vò N
Đơn vò N
1
120160
2
130160
154,4
3
130160
4
130160
5
130160
144
Trung bình
Bảng 1: PZ(thực nghiệm) khi S=0.1mm/v.
Pz ( LT )  Pz (TN ) 154,4  144
Sai số tương đối :  

 6,7%
Pz ( LT )

PZ(thực nghiệm)
PZ(lý thuyết)
Đơn vò N
Đơn vò N
1
180190
2
180190
209,2
3
170180
4
170190
5
170190
181
Trung bình
Bảng 3: PZ(thực nghiệm) khi S= 0.15mm/v.
Pz ( LT )  Pz (TN ) 209,2  181

 13,4%
Sai số tương đối :  
Pz ( LT )
209,2

Sai số tương đối :  

19



Đơn vò N
Đơn vò N
1
230240
2
220230
279,2
3
230240
4
230240
5
240250
235
Trung bình
Bảng 5: PZ(thực nghiệm) khi S = 0.25mm/v.

Sai số tương đối :  

Pz ( LT )  Pz (TN ) 279,2  235

 15,8%
Pz ( LT )
279,2

KẾT LUẬN KHI ĐO Pz (THAY ĐỔI S) :

Các số liệu đo được ta
xây dựng thành biểu
đồ như hình vẽ 23,

PZ(lý thuyết)
Đơn vò N

163,4

Bảng 6: PZ(thực nghiệm) khi v=26,14m/ph.
Sai số tương đối :  

Pz ( LT )  Pz (TN ) 163,4  144

 11,8%
Pz ( LT )
163,4

n=330v/phv=38,33m/ph;Từ(20)PZ(lý thuyết)=154,2(N).
Lần đo

1
2
3
4
5
Trung bình

PZ(thực nghiệm)
Đơn vò N
120130
140160
150160
150160

160170
150170
150170
150170
160

PZ(lý thuyết)
Đơn vò N

149

Bảng 8: PZ(thực nghiệm) khi v=48,21m/ph.

21


Sai số tương đối :  

Pz ( LT )  Pz (TN ) 149  160

 7,3%
Pz ( LT )
149

n=450v/phv=52,28m/ph;Từ(20)PZ(lý thuyết)=147,2(N).
Lần đo

1
2
3


1
2
3
4
5
Trung bình

PZ(thực nghiệm)
Đơn vò N
130140
130140
130140
130140
130140
135

PZ(lý thuyết)
Đơn vò N

138,8

Bảng 10: PZ(thực nghiệm) khi v=77,25m/ph.
Pz ( LT )  Pz (TN ) 138,8  135

 2,7%
Pz ( LT )
138,8
KẾT LUẬN KHI ĐO Pz (THAY ĐỔI V) :



t=0,5mm;Từ(21)PY(lý thuyết)=105,8(N).
Lần đo
1
2
3
Trung bình

PY(thực nghiệm)
PY(lý thuyết)
Đơn vò N
Đơn vò N
7075
7075
105,8
7080
76
Bảng 11:PY(thực nghiệm) khi t=0,5mm.

23


t=0,75mm;Từ(21)PY(lý thuyết)=152,4(N).
Lần đo
1
2
3
Trung bình

PY(thực nghiệm)

1
2
3
Trung bình

PY(thực nghiệm)
PY(lý thuyết)
Đơn vò N
Đơn vò N
167
170
244
173
170
Bảng 14:PY(thực nghiệm) khi t=1,25mm.

t=1,5mm;Từ(21)PY(lý thuyết)=264,4(N).
Lần đo
1
2
3
Trung bình

PY(thực nghiệm)
Đơn vò N
220230
220230
230240
228