Đồ án Thiết kế và chế tạo máy thử độ bền mỏi uốn vật liệu nhựa theo tiêu chuẩn ASTM D7774-12

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÁY THỬ ÐỘ BỀN MỎI UỐN VẬT LIỆU NHỰA THEO

TIÊU CHUẨN ASTM D7774-12

GVHD: ThS. NGUYỄN VINH DỰ

SVTH: TRẦN MINH TIẾN

MSSV: 13143518

SVTH: KHỔNG PHUỚC TÀI

MSSV: 13143506

SVTH: MAI THANH TÂM

MSSV: 13143304

SVTH: TẠ HỮU KIÊN

MSSV: 13143565

SKL 0 0 5 1 5 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 - 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

́

̀

KHOA ĐAO TAỌ CHÂT LƯƠṆ G CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI UỐN VẬT LIỆU NHỰA THEO

TIÊU CHUẨN ASTM D7774-12

SVTH

MSSV

TRẦN MINH TIẾN

KHỔNG PHƯỚC TÀI

MAI THANH TÂM

TẠ HỮU KIÊN

13143518

13143506

13143304

13143565

Khoá : 2013

Nganh : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

̀

GVHD: ThS. NGUYỄN VINH DỰ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

́

̀

KHOA ĐAO TAỌ CHÂT LƯƠṆ G CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI UỐN VẬT LIỆU NHỰA THEO

TIÊU CHUẨN ASTM D7774-12

SVTH

MSSV

TRẦN MINH TIẾN

KHỔNG PHƯỚC TÀI

MAI THANH TÂM

TẠ HỮU KIÊN

13143518

13143506

13143304

13143565

Khoá : 2013

Nganh : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

̀

GVHD: ThS. NGUYỄN VINH DỰ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----***----

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 02 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:

MSSV

Trần Minh Tiến

Khổng Phước Tài

Mai Thanh Tâm

Tạ Hữu Kiên

13143518

13143506

13143304

13143565

Ngành: Công nghệ chế tạo máy

Lớp: 13143CL3

ĐT:

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Vinh Dự

Ngày nhâṇ đề tài: 10/2016

Ngày nộp đề tài: 23/02/2017.

1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI UỐN VẬT LIỆU

NHỰA THEO TIÊU CHUẨN ASTM D7774 - 12.

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Tiêu chuẩn ASTM D7774 – 12

3. Nội dung thưc̣ hiêṇ đề tai:

̀

Nghiên cứu và chế tạo máy thử độ bền mỏi

4. Sản phẩm:

Máy thử độ bền mỏi theo tiêu chuẩn ASTM D7774 – 12

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i

Mục Lục

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................................i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN......................................ii

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.........................................iii

LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................iv

INTRODUCTION.................................................................................................v

MỤC LỤC.............................................................................................................vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH, BIỀU ĐỒ................................................................vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................ix

Chương 1................................................................................................................1

TỔNG QUAN. .......................................................................................................1

1.1. Vật liệu nhựa – composite........................................................................1

1.1.1. Cấu tạo. ..............................................................................................1

1.1.2. Tính chất. ...........................................................................................2

1.1.3. Ứng dụng............................................................................................3

1.2. Các yêu cầu kiểm tra đối với sản phẩm nội thất.....................................7

1.2.1. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho tay tựa ghế.......................................7

1.2.2. Thử nghiệm độ mỏi của tay dựa........................................................7

1.2.3. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế trước.................................7

1.2.4. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế ngang................................7

1.2.5. Thử nghiệm va đập............................................................................8

1.2.6. Thử nghiệm lưng ghế.........................................................................8

1.2.7. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho đường hàn của ghế..........................8

1.2.8. Thử nghiệm bền mỏi cho ghế ngồi và lung dựa................................8

vi

1.2.9. Thử nghiệm độ bền mỏi cơ cấu lung dựa của ghế............................9

1.2.10. Thử nghiệm va đập của lung ghế. .....................................................9

1.2.11. Các khe hở nằm trong phạm vi cho phép từ 7mm – 12mm.............9

1.3. Giới thiệu các hệ thống kiểm tra độ bền mỏi của vật liệu nhựa –

composite. ...........................................................................................................9

1.3.1. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi CRT-SA4PT-BB [6]..........................9

1.3.2. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi FTG-8-D [7]. ..................................11

1.3.3. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi SOM-006 [8]...................................12

1.3.4. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi ZI-8009 [9]. ....................................13

1.4. Nhu cầu kiểm tra độ bền mỏi.................................................................13

Chương 2..............................................................................................................16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT. .........................................................................................16

2.1. Tổng hợp các tiêu chuẩn. .......................................................................16

2.1.1. Châu Mỹ...........................................................................................16

2.1.2. Châu Âu. ..........................................................................................16

2.2. Tiêu chuẩn ASTM D7774 – 12 sẽ sử dụng cho hệ thống kiểm tra độ bền

mỏi. .................................................................................................................20

2.2.1. Phạm vi.............................................................................................20

2.2.2. Tài liệu tham khảo...........................................................................20

2.2.3. Thuật ngữ.........................................................................................21

2.2.4. Tóm tắt các phương án....................................................................22

2.2.5. Ý nghĩa và sử dụng. .........................................................................22

2.2.6. Dụng cụ. ...........................................................................................23

2.2.7. Lấy mẫu, mẫu thử và đơn vị. ..........................................................25

2.2.8. Số lượng mẫu thử.............................................................................26

2.2.9. Hiệu chuẩn và tiêu chuẩn hóa. ........................................................27

2.2.10. Điều kiện...........................................................................................27

2.2.11. Tiến hành thí nghiệm.......................................................................27

2.2.12. Biểu đồ, giải thích kết quả. ..............................................................31

2.2.13. Báo cáo. ............................................................................................32

vi

2.2.14. Độ chính xác và sai lệch...................................................................32

Chương 3..............................................................................................................34

MÔ HÌNH HỆ THỐNG MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI. ........................................34

3.1. Quy trình thiết kế. ..................................................................................34

3.1.1. Các phương án đề ra........................................................................35

3.2. Chức năng của từng bộ phận.................................................................42

3.2.1. Loadcell. ...........................................................................................42

3.2.2. Động cơ.............................................................................................45

3.2.3. Cơ cấu dẫn hướng............................................................................49

3.3. Hoạt động của hệ thống..........................................................................50

3.3.1. Tính toán tỉ số truyền bánh đai thang.............................................51

3.3.2. Tính toán tải trọng tác động lực......................................................54

3.3.3. Tính toán, lựa chọn động cơ............................................................55

3.3.4. Mức độ biến dạng. ...........................................................................56

3.3.5. Điểm nguy hiểm, nội lực mẫu thử...................................................57

3.4. Bản vẽ thiết kế và bản vẽ chế tạo...........................................................59

3.5. Mô tả mô hình 3D...................................................................................67

Chương 4..............................................................................................................69

CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÁY THỬ ĐỘ BỀN MỎI..........................................69

4.1. Hệ thống cơ khí.......................................................................................69

4.1.1. Quy trình công nghệ chế tạo từng chi tiết.......................................69

4.1.2. Quy trình lắp ráp.............................................................................79

4.2. Hệ thống điều khiển. ..............................................................................83

4.2.1. Module đếm chu kỳ: ........................................................................83

4.2.2. Module kiểm tra dạng tải:...............................................................85

4.2.3. Module kiểm tra biến dạng:............................................................87

Chương 5..............................................................................................................88

THỬ NGHIỆM VỚI MẪU THỬ........................................................................88

5.1. Tổng hợp kết quả, so sánh và phân tích................................................88

vi

Chương 6..............................................................................................................90

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................90

6.1. Kết luận...................................................................................................90

6.2. Hướng phát triển....................................................................................90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

vi

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1. Vật liệu nhựa – composite:

1.1.1. Cấu tạo:

Vật liệu nhựa composite được chế tạo tổng hợp từ nhiều vật liệu khác nhau

nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban

đầu. Nhựa composite khác với các loại nhựa khác như PE, PP, PVC…. bởi nhựa

composite là một loại nhựa tổ hợp bao gồm 2 pha: pha nhựa và pha chất độn. Mục

đích chất độn trong nhựa composite là để tăng cơ lý tính của nhựa ban đầu.

Nhựa composite còn gọi là nhựa FRP. FRP là viết tắt của tiếng Anh:

Fibeglass Reinfored Plastic. FRP có nghĩa: Nhựa cốt sợi thủy tinh.

Hình 1.1: Cấu tạo vật liệu composite.

1



Thành phần cốt lõi [1]:

Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng

hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi

khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa,

sơ dừa,…; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,…; sợi nhựa tổng hợp: sợi

polyeste (tergal, dacron, térylène,..), sợi polyamit,…; sợi kim loại: thép, đồng,

nhôm,…



Thành phần và cấu tạo [2] :

Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được

phân bố trong một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm

trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix),

thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt

hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính,

tính kết dính, chống mòn, chống xước…

Trong nhựa cốt sợi thủy tinh FRP thì nhựa sẽ đóng vai trò liên kết, sợi thủy

tinh đóng vai trò vật liệu gia cường. Vì vậy, nhựa FRP có tính năng cơ lý (chịu nén,

chịu uốn, chịu kéo…) cao hơn bất kỳ một loại nhựa không có cốt liệu sợi thủy tinh

(như PVC, PP, PE, ABS,…). Chính vì khả năng vượt trội về cơ lý tính nên sản

phẩm nhựa FRP đã được áp dụng rộng rãi trong mọi ngành công nghiệp và dân

dụng.

1.1.2. Tính chất:

 Ưu điểm [3]:

Nhựa composite kế thừa những ưu điểm của vật liệu nhựa thông thường và

của cả kim loại như dẻo dai, dễ pha màu, dễ đóng khuôn tạo hình. Tuy nhiên, vật

liệu composite còn tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều khi mà chất lượng gia công của

composite không thua kém gì với sắt thép – kim loại.

Nhựa composite bền màu và trơ với hầu hết các chất ăn mòn, ít bị oxi hóa

nên vật liệu composite được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất

để dùng làm thùng – bồn đựng hóa chất, thùng rác hay bọc bể chống ăn mòn…

2

Với ưu điểm dễ gia công, tạo hình, tạo màu giống như các sản phẩm nhựa

composite còn được dùng để làm các sản phẩm đồ gia dụng hay các vật liệu xây

dựng như ống nước, mái che.

Không những thế do tính dẻo dai và chất lượng không thua kém gì kim loại

mà lại nhẹ hơn rất nhiều nên composite còn được dùng làm các thiết bị vệ sinh và

vỏ bọc sản phẩm.

Ngoài ra, cách điện, cách âm tốt và tổng hợp những ưu điểm của cả nhựa và

kim loại nên nhựa composite đang dần thay thế các loại vật liệu khác trong xây

dựng và công nghiệp.

Trộn hai vật liệu này với nhau theo một tỷ lệ nhất định, gia nhiệt rồi ép vào

khuôn dưới áp suất cao là ta có được vật liệu composite với hình dạng theo ý muốn,

không cần phải luyện, tôi, phay, tiện… như với các sản phẩm kim loại khác.

Composite rất nhẹ, chỉ bằng 40% so với nhôm nếu cùng thể tích. Nhờ ưu

điểm này, gần đây, vật liệu composite đã được sử dụng để thay thế kim loại trong

các sản phẩm của ngành cơ khí, chế tạo máy, đóng xuồng...

Người ta có thể phủ lên bề mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo

cảm giác giống kim loại.

 Nhược điểm [4]:

Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm

trong quá trình sản xuất.

Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao. Phương

pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi mất thời gian.

Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp.

1.1.3. Ứng dụng:



Ứng dụng cho sản phẩm nội thất:

Bàn, ghế, giường bằng nhựa composite được ưu tiên sử dụng do bề mặt

được xử lí nên hạn chế khả năng thấm nước, ẩm mốc, ít hao mòn do tác động bên

ngoài. Dễ dàng bảo quản và vệ sinh.

3

(a)

(b)

Hình 1.2 (a), (b): Bàn ghế bằng nhựa composite.

4



Ứng dụng cho sản phẩm gia dụng:

Bàn ghế, tủ giả đá, thùng, bồn, bình, tô, chén, đũa...

(a)

(b)

Hình 1.3 (a), (b): Đồ gia dụng bằng nhựa composite.

5



Ứng dụng cho sản phẩm trang trí nội thất:

Khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn, tượng thú, biểu tượng...do thể

hiện tốt các đường nét cần sự tỉ mỉ, phức tạp trong các đồ trang trí, trưng bày ở

nhiều kích thước lớn, nhỏ khác nhau. Tốc độ sản xuất nhanh, đồng đều và giá thành

cực tốt do đúc theo khuôn mẫu.

(a)

(b)

Hình 1.4 (a), (b): Sử dụng vật dụng nhựa composite để trang trí.

6

1.2. Các yêu cầu kiểm tra đối với sản phẩm nội thất:

Tiêu chuẩn EN 581 – 2: 2009 [5]:



1.2.1. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho tay tựa ghế:

Lực thử nghiệm:

-

Không thử nghiệm (ghế cắm trại).

Gia dụng: 700 N.

Đồ cho thuê: 900 N.

Thử nghiệm theo EN 1728: 2000, điều 6.6.

1.2.2. Thử nghiệm độ mỏi của tay dựa:

Lực thử nghiệm: 400 N

-

Chu kỳ:

 Cắm trại: 5000 chu kỳ.

 Gia dụng: 10.000 chu kỳ.

 Cho thuê: 30.000 chu kỳ.

Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.10.

1.2.3. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế trước:

Lực thử nghiệm:

-

Cắm trại: 250 N.

Gia dụng: 300 N.

Cho thuê: 400 N.

Thử nghiệm dựa trên EN 1728: 2000, điều 12.

1.2.4. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế ngang:

Lực thử nghiệm:

-

Cắm trại: 200 N.

Gia dụng: 300 N.

Cho thuê: 400 N.

7

Thử nghiệm dựa trên EN 1728: 2000, điều 13.

1.2.5. Thử nghiệm va đập:

Phương thức: xem tiêu chuẩn EN 1728

Chiều cao thả rơi:

-

Cắm trại 140 mm.

Gia dụng 180 mm.

Cho thuê 180 mm.

Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 15.

Không để ghế cao hơn 600 mm.

1.2.6. Thử nghiệm lưng ghế:

Chu kỳ:

-

10x10s (±2s) + 1x30min (±10s)

Chỗ ngồi không được thử tại tải trọng 75 Kg.

Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.2.1.

1.2.7. Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho đường hàn của ghế:

Chu kỳ:

-

10x10s (±2s) + 1x30phút (±10s)

Lực thử nghiệm:

-

Cắm trại: 1100 N.

Gia dụng: 1300 N.

Cho thuê: 1300 N.

Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.2.2

1.2.8. Thử nghiệm bền mỏi cho ghế ngồi và lưng dựa:

Chu kỳ:

8

-

Cắm trại: 12.500 chu kỳ.

Gia dụng: 25.000 chu kỳ.

Cho thuê: 50.000 chu kỳ.

Thử nghiêm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.7.

1.2.9. Thử nghiệm độ bền mỏi cơ cấu lưng dựa của ghế:

Điểm tải trọng trên lưng ghế:

-

Cách ghế ngồi lên trên 400 mm.

Chu kỳ:

-

Cắm trại 5.000 chu kỳ.

Gia dụng: 10.000 chu kỳ.

Cho thuê: 20.000 chu kỳ.

1.2.10. Thử nghiệm va đập của lung ghế:

Phương thức: xem tiêu chuẩn EN 1728

Chiều cao thả rơi ứng với góc:

-

Cắm trại 140 mm - 20⁰

Gia dụng 180 mm - 38⁰

Cho thuê 240 mm - 68⁰

Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 17.

Không để ghế cao hơn 600 mm.

1.2.11. Các khe hở nằm trong phạm vi cho phép từ 7mm – 12mm.

1.3. Giới thiệu các hệ thống kiểm tra độ bền mỏi của vật liệu nhựa –

composite:

1.3.1. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi CRT-SA4PT-BB [6]:

-

Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi uốn 4 điểm hoạt động bằng khí nén.

Được cấp giấy chứng nhận bởi UKAS.

Phù hợp tiêu chuẩn:

-

9

 EN 12697-24 Annex D.

 EN 12697-26 Annex B.

 AASHTO T321-03 (TP8).

(a)

(b)

Hình 1.5 (a), (b): Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi CRT-SA4PT-BB

-

Ưu điểm:

 Công nghệ servo và khí nén tiên tiến giảm ma sát và cho hiệu suất

cao.

10

 Lấy kỹ thuật số thu thập dữ liệu.

 Hệ thống điều khiển tốc độ cao vs phần mềm tiên tiến.

 Tương thích với Microsoft Excel.

 Kẹp mẫu theo thông số kỹ thuật của AASHTO.

 Hệ thống tải khép kín.

-

Nhược điểm:

 Giá thành cao.

 Kết cấu to, cồng kềnh.

1.3.2. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi FTG-8-D [7]:

Hình 1.6: Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi FTG-8-D

Tiêu chuẩn phù hợp: IS 5075 – 1969.

-

Ưu điểm :

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, thiết kế đơn giản.

 Điều khiển dạng bảng.

 Hệ thống đòn bẩy đơn giản cho việc thay đổi tải trọng tức thời.

11

-

Nhược điểm :

 Sai số hơn 1%.

 Kết cấu to, cồng kềnh.

1.3.3. Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi SOM-006 [8]:

Hình 1.7: Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi SOM – 006

Tiêu chuẩn phù hợp: IS075.

-

Ưu điểm :

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, thiết kế đơn giản.

 Điều khiển dạng bảng.

 Hệ thống đòn bẩy dễ thay đổi tải trọng.

 Độ uốn có thể lên tới 400kg/cm.

Nhược điểm :

-

 Sai số hơn 1%.

12