PHÂN TÍCH NGUYÊN lý và THÔNG số kỹ THUẬT máy phay CNC có 3 trục chính

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sự xuất hiện củamáy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp.Các đường congđược thực hiện dễ dàng như

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật làvấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn.Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tin học đều cónền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng.Tuy nhiên, yêu cầucủa thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc, yêu cầu máy móccần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn Việc sử dụngmáy móc để thay thế sức lao động của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năngsuất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng cao

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sự xuất hiện củamáy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp.Các đường congđược thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng được dễdàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm thiểu Việc giatăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càngcao Máy CNC phổ biến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máycắt dây CNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ranhững máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển động ngày càng linhhoạt và khéo léo.Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính

Lời cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy cô bởi sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình để em hoàn thành bản báo cáo đồ án này.

Nội dung

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT

I Tính năng của máy cần thiết kế

Khối lượng lớn nhất của phôi 300 kg

Chế độ cắt thử tối đa Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt,

D=80mm,JIS, S45C, Grade4040, v=100m/ph, t=1.2mm, F=900mm/phVân tốc chạy lớn nhất khi không gia công 18 m/ph

Vân tốc chạy lớn nhất khi gia công 15 m/ph

Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống 0.4 m/s2

Tốc độ trục chính ở chế độ cắt thử ~400 v/ph

Cơ cấu truyền động và truyền dẫn cụm bàn

Máy cần thiết kế

750/610/500 (mm)

750x610

khi không gia công và

khi gia công có lực

24/15 (m/ph)

- Bảng thông số kĩ thuật :

III Phân tích động học máy tham khảo

 Phương trình xích động : ntc=ndc iđ

ntc=12000rpm, ndc=15000rpm => iđ =0.8 là tỉ số truyền

 Sơ đồ động truyền dẫn trục chính :

2 Truyền động chạy dao

 Hành trình các trục của máy EMCOMILL750:

+ Trục X : 750 mm+ Trục Y : 610 mm+ Trục Z : 500 mm

 Tốc độ chạy dao khi không cắt và khi cắt theo các trục lần lượt là :

 Chuyển động chạy dao :

+ Chuyển động chạy dao ngang/dọc : là chuyển

động một trục, khi đó bàn máy sẽ di chuyển

để tạo ra chuyển động cắt trong quá trình gia

3 Truyền động thay dao

 Máy được trang bị cơ cấu thay dao tự động sử dụng tay

máy

 Thời gian thay dao : 2s

 Ổ chứa dao chứa được 30 (40/60) dao với khối lượng

dao là 8kg và đường kính dao tối đa là 80mm

 Quy trình thay dao trên máy :

+ Ổ tích dao nằm vuông góc với trục chính

+ Khi có lệnh gọi dao, trục chính đưa đài dao

về vị trí thay dao, ổ tích dao xoay dao được

chọn đến vị trí thay dao

+ Dao đươc chọn quay xuống 90 độ Cần thay

dao đi vào kẹp hai dao, hệ thống khí nén hoạt

động nhả dao khỏi trục chính

+ Cần thay dao quay 180o đổi vị trí hai dao cho

nhau , hệ thống khí nén dừng hoạt động để

kẹp chặt dao

+ Dao cũ được cất vào ổ chứa dao, cần thay dao được đưa về vị trí nghỉ

 Sơ đồ động truyền dẫn thay dao :

Sơ đồ động tổng thể của máy :

IV Các cơ cấu đặc biệt

1 Đường dẫn hướng

 Nhiệm vụ : dẫn hướng chuyển động cho các bàn

máy X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của

trục chính

 Yêu cầu : thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững

tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính

một thanh khóa nhằm ngăn cản việc bàn trượt bị nâng lên;chịu lực vuông góc với mặt dẫn hướng

+ Dẫn hướng V kết hợp với phẳng: chịu lực cắt

ngang nhỏ vì có bề mặt nghiêng, nếu bị mòn

nó sẽ tự điều chỉnh Một thanh khóa ngăn cản

nâng bàn dao lên

+ Dẫn hướng đuôi én : mộng đuôi én ngăn chặn

việc bị nâng lên của bàn máy Với một thanh

chỉnh thêm ta có thể chỉnh độ hở hoặc cân

+ Độ chính xác chuyển động cao, tuổi thọ cao

+ Có thể chuyển động ở tốc độ cao với lực truyền động thấp

+ Khả năng tải bằng nhau theo mọi hướng

+ Cài đặt, bôi trơn dễ dàng, có thể thay thế cho nhau

3 Bi: Bi được chế tạo dạng cầu, đường kính bi tùy thuộc vào từng loại vít me đai

ốc Bi sẽ tiếp xúc với rãnh của trục vít và đai ốc, chuyển động lăn, để truyền chuyển động giữa trục vít me và đai ốc

4 Vành nhựa chắn bi: thường được làm bằng nhựa để chặn các bụi bẩn trong quá trình làm việc Vành nhựa được chế tạo cùng bước ren với bước trên trục vít vàđai ốc bi

5 Đường hồi bi: Các viên bi di chuyển bên trong rãnh ren của ổ bi và được tuần hoàn thông qua các loại cơ chế trả về khác nhau Nếu bi không có cơ chế trả lại (hồi bi) thì nó sẽ rơi ra khỏi đầu ổ bi khi chúng đến cuối ổ Vì vậy có 2 kiểu đường hồi bi : là đường hồi bi ngoài và hồi bi trong Đường hồi bi ngoài là các viên bi được hồi về bên đối diện nhờ ống hồi bi đặt bên ngoài thân của đai ốc

bi Kiểu hồi bi này dễ sửa chữa hơn kiểu hồi bi trong Đường hồi bi trong là các viên bi được hồi liên tục qua rãnh hồi bi nằm phía trong thân đai ốc bi Loại này rất khó tháo lắp, khó sửa

+ Các phương pháp hồi bi :

 Ưu điểm :

+ Hệ số ma sát nhỏ (~0.005), tổn hao thấp hiệu suất có thể đạt tới 0.9

+ Độ cứng vững cao nhờ sử dụng phương pháp tạo lực căng sơ bộ ban đầu+ Lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc, đảm bảo

+ chuyển động ổn định

+ Đảm bảo dịch chuyển nhỏ tới 0.001mm, làm việc lâu dài

+ Đảm bảo truyền lực và chuyển động không khe hở độ nhạy cao

 Nhược điểm :

+ Do đặc điểm cấu tạo mà trục vitme đai ốc bi có khả năng chịu tải kém hơn sovới vít me thường

+ Giá thành trục vitme đai ốc bi khá đắt, gây tốn kém

3 Kẹp dụng cụ

 Tháo dụng cụ : khí nén đi vào xy lanh đẩy piston đi xuống,

nén trục kẹp ép lò xo đĩa làm nhả mỏ kẹp, đồng thời khí

nén đi vào tâm trục đẩy dụng cụ ra khỏi trục chính

 Kẹp dụng cụ : dao được đưa vào trục chính, khí nén đi vào

buống dưới piston đẩy piston đi lên, lò xo đĩa đẩy trục kẹp

lên, mỏ kẹp đi lên kẹp chặt đuôi dụng cụ

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

Các thiết bị dẫn động có một vai trò quan trọng trong máy CNC, là nhân tố chính đảm bảo sự vận hành và gia công chính xác của máy Việc tính toán lựa chọn các thiết bị dẫn động là một công việc bắt buộc và phức tạp với rất nhiều công thức cần thiết lập Vì vậy,

để thuận tiện cho công việc lựa chọn thiết bị dẫn động, trong chương này chúng ta đi xây dựng công thức tính toán và chương trình tính chọn các thiết bị dẫn động

Nội dung chương này gồm có

• Tính chọn gối trượt, ray dẫn hướng ( theo hãng PMI )

• Tính chọn vít me

• Tính chọn động cơ

Các thông số đầu vào

 Loại máy CNC: Phay

 Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT :

 Phay mặt đầu

 Dao có 6 lưỡi (z=6), đường kính D=80mm

 Tiêu chuẩn : JIS

 Vật liệu: S45C

 Grade 4040

 Vận tốc : v=100m/ph

 Chiều sâu cắt : t=1.2mm

 Lượng chạy dao : F=900mm/ph

 Khối lượng lớn nhất chi tiết : M=300 kg

 Khối lượng bàn máy X/Y : 140/190 kg

 Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công : v1 = 18m/ph

 Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lưc : v2 = 15m/ph

 Gia tốc lớn nhất của hệ thống : a=0.4g = 4m/s2

 Thời gian hoạt động : 5-7 năm => Lt=20000h (~ngày làm 8h)

 Tốc độ vòng động cơ : Nmax = 6000 rpm

Kiểm nghiệm hệ số an toàn

Tính tải trọng trung bìnhTính tuổi thọ trung bình

Bôi trơn và chống bụi

 Vận tốc tối đa khi gia công: V= 18 m/ph =0.3 m/s

 Tổng chiều dài dịch chuyển: l s = 750 mm

+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm

bàn máy theo phương song song

với ray dẫn:l3 =0 mm

+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm

bàn máy theo phương vuông góc

v =0,5250,3 =1,75(s) t=t1+t2+t3=1,9(s)

Với a1=a3=4m/ s2

2.3 Tính toán chi tiết

 Chuyển động đều, lực hướng kính P n:

P1=m1g

4 −

m1gl32l1 +m1gl4

 Chuyển động tăng tốc sang phải P n r a1:

P1r a1=P1+m1a1l6

2l1 +

m2a1l52l1 =1911,5(N )

P3r a3=P3+m1a3l6

2l1 +

m2a3l52l1 =1911,5(N )

 Tính toán tải tương đương :

+ Khi chuyển động đều :

P E1 l a3=|P1l a3|+|P t1l a3|=1911,5(N)

P E2 l a3=|P2l a3|+|P t2l a3|=288.5(N)

P E3 l a3=|P3l a3|+|Pt3l a3|=288,5(N)

P E4 l a3=|P4l a3|+|Pt4l a3|=1911 ,5(N)+ Tăng tốc sang phải :

P E1 r a1=|P1r a1|+|P t1r a1|=1911,5(N)

P E2 r a1=|P2r a1|+|P t2r a1|=288,5(N)

P E3 r a1=|P3r a1|+|P t3r a1|=288,5(N)

P E4 r a1=|P4r a1|+|P t4r a1|=1911,5(N)

+ Giảm tốc sang phải :

 Với máy công cụ hệ số an toàn thấp nhất :f S ≥ 2.5

 Điều kiện tải trọng tĩnh :

 Với tuổi thọ danh nghĩa tính theo km :

L= L h 2l S 60n

10 3 = 20000 ×2×1.5 ×60×15,8

+ Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray : =270mm

+ Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: = 504mm

+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương song song với ray dẫn:l3 =0 mm

+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương vuông góc với ray dẫn: l4 = 357,5 mm

+ Độ cao từ tâm trục vít me tới mặt bàn máy:l5 = 245,5 mm

Độ cao từ tâm trục vít me tới phôi:l6 =l5 +h ray+ l phôi+h X

- Chuyển động giảm tốc sang trái P n la3: P1l a3=P1+m1a3l6

P4r a1=P4+m1a1l6

2l1 +

m2a1l52l1 =2613(N )

- Tính toán tải tương đương :

+ Khi chuyển động đều : P E 1 =P1=3110,5 N

P E2 l a3=|P2l a3|+|P t2l a3|=1652,2(N)

P E3 l a3=|P3l a3|+|Pt3l a3|=3799,2(N)

P E4 l a3=|P4l a3|+|Pt4l a3|=3778,2(N)+ Tăng tốc sang phải : P E1 r a1=|P1r a1|+|P t1r a1|=6899,2(N)

P E2 r a1=|P2r a1|+|P t2r a1|=1652,2(N)

P E3 r a1=|P3r a1|+|P t3r a1|=3799,2(N)

P E4 r a1=|P4r a1|+|P t4r a1|=3778,2(N)+ Giảm tốc sang phải : P E1 r a3=|P1r a3|+|P t1r a3|=1652,2(N)

4 Tính chọn vít me

4.1 Kết cấu cấu bộ truyền vitme đai ốc

bi

4.1.1 Kết cấu chung

5 Bộ truyền vít me – đai ốc bi thường được

dùng trong truyền động chạy dao của máy

công cụ cụ NC, CNC và dùng trong các máy

công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ

và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt

+ Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma

sát (biến đổi theo tốc độ), ma sát tĩnh rất

bé nên chuyển động êm

7 Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình

trên bao gồm: trục vít me, đai ốc, dòng bi

chuyển động trong vít me - đai ốc và ống

hồi bi đảm bảo dòng bi tuần hoàn liên tục

7.1.1 Các dạng profin ren của vít me đai ốc bi

8 Dạng rãnh ( cung nhọn ) ( hình a)

9 Dạng chữ nhật ( hình b )

10.Dạng hình thang ( hình c )

Vít me thường dùng cho máy CNC

Kết cấu sơ bộ của vít me đai ốc bi

11.Dạng nửa cung tròn ( hình d )

12.Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi

máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục bé và độ cứng vững không cao

13.Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnh r2 gần

bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể chọn

r2/r1=0,95÷0,97, giá trị r2/r1 sẽ làm tổn thất do ma sát 1 cách rõ rệt Tại góc tiếpxúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé, lực hướng kính sẽ lớn Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng vững truyền động tăng và

hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường kính ∆d phải chọn để góc tiếp xúc đạt 45°:

∆d = 4.(r2 − r1).(1 − cos α)

14.Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho phép

truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên bi Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh

+ Chọn kiểu lắp

+ Kiể tra tải trọng tới hạn

+ Kiểm tra tốc độ quay tới hạn

+ Kiểm tra ứng suất cho phép

17.Thông số đầu vào :

+ nmax: Tốc độ quay lớn nhất của động cơ dẫn động vít me+ Vmax: Tốc độ dịch chuyển lớn nhất của bàn máy

+ amax: Gia tốc lớn của bàn máy

+ 1 đầu đỡ chặn-1 đầu tự do: fixed-free

 Ta chọn phương pháp thứ 2 : fixed-supported

18.1.1.Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục

18.1.1.1 Tải trọng gây mất ổn định ( oằn ):

Tải trọng mất ổn định có thể tính theo công thức sau :

• E: Mô đun đàn hồi (E=2,1.104 kgf/mm2)

• I: Mô men quán tính hình học nhỏ nhất của trục vitme :

I= πd r644(mm4 )

• dr: đường kính chân ren trục vitme

• L: Khoảng cách giữa 2 ổ đỡ

• N, m: hệ số phụ thuộc kiểu lắp support-suppor: m=5,1 (N=1)fix-support: m=10,2 (N=2)fix-fix: m=20,3 (N=4)fix-free: m=1,3 (N=1/4)

18.1.1.2 Tải kéo nén cho phép

Tải kéo nén được tính theo công thức :

P=σ A=σ π d r4

4Trong đó :

• P : tải trọng kéo nén cho phép (kgf)

• : ứng suất kéo nén cho phép

• A: diện tích tiết diện của trục vitme

18.1.2.Tốc độ quay cho phép

18.1.2.1 Tốc độ quay tới hạn :

19.Khi tốc độ quay của động cơ trùng với tần số riêng của hệ thống, sự cộng hường

bắt đầu xảy ra Tốc độ quay này gọi là tốc độ quay tới hạn cần chọn tốc độ động cơ để sự cộng hưởng không xảy ra; thường chọn khoản 80% tốc độ quay giới hạn làm tốc độ quay cho động cơ :

• E: Mô đun đàn hồi (E=2,1.104 kgf/mm2)

• I: mômen quán tính hình học nhỏ nhất của trục vitme:

19.1.1.1 Giá trị dm.n của vít me

20.dm là đường kính trục vít

21.n là tốc độ quay lớn nhất

22.Giá trị dm, n liên quan và ảnh hưởng đến độ ồn, độ tăng nhiệt độ, tuổi đời làmviệc, vòng bi của vitme Nói chung, giá trị này được lựa chọn theo mẫu Trênthực tế, giá trị này được quyết định bởi cách lắp đặt phần cuối vitme và khoảngcách giữa chúng

23.Đối với độ chính xác cao: dm.n ≤ 70000

+ Tăng tốc ( về bên trái ): ): Fa1 =mg +ma+f

+ Chạy đều (về bên trái): Fa2 =mg + f

+ Gia công (về bên trái): Fa3 = Fm +(mg + Fmz) + f

+ Giảm tốc (về bên trái): Fa3 =mg −ma+ f

+ Tăng tốc (về bên phải): Fa4 =−mg −ma− f

+ Chạy đều (về bên phải): Fa5 =−mg – f

+ Gia công (về bên phải): Fa5 =−Fm − (mg + Fmz) – f

+ Giảm tốc (về bên phải): Fa6 =−mg +ma− f

+ Tăng tốc (Đi lên): Fa1 = ma + mg

+ Chạy đều (Đi lên): Fa2 = mg

+ Gia công (Đi lên): Fa3 = Fmz +Fm + mg

+ Giảm tốc (Đi lên): Fa3 = mg −ma

+ Tăng tốc (Đi xuống): Fa4 = mg – ma

+ Chạy đều (Đi xuống): Fa5 = mg

+ Gia công (Đi xuống): Fa5 =−Fm +mg + Fmz

+ Giảm tốc (Đi xuống): Fa6 = mg + ma

27.1.1.1 Tính lực dọc trục trung bình và lực

lớn nhất tác dụng lên vít me 28.Lực lớn nhất :

Fmax = Max (Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5, Fa6)

29.Lực trung bình :

Tại mỗi chế độ làm việc khác nhau, lực tác dụng vào vít me là khác nhau Gọi Fi làlực tác dụng lên vit me trong khoảng thời gian ti, tốc độ quay ni ; ta có công thứcxác định lực trung bình như sau :

• f s: Hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3

• f: Hệ số phụ thuộc phương thức lắp đặt vít me:

15 < V < 60 (m/min) 1,2 – 1,5Nặng

V > 60 (m/min) 1,5 – 3,0

30.1.1.Tuổi thọ

31.Tuổi thọ tính theo số vòng quay :

T2 = T1 + J.

32.Tuổi thọ tính theo thời gian hoạt động:

𝐿t = 60n L (ℎ𝑟)

33.Tuổi thọ theo tổng quãng đường :

𝐿s = L×l106 (𝑘𝑚)Trong đó :

• C a: hệ số tải trọng động (kgf)

• F a: lực tác dụng dọc trục (kgf)

• n: tốc độ quay (vòng/ph)

• l: chiều dài khoảng làm việc (mm)

• f w: hệ số tải trọng, tra theo bảng trên

33.1.1.Tính toán momen

33.1.1.1 Momen truyền động trục vít :

34.Truyền động thông thường :

Là momen cần sinh ra khi chuyển từ chuyển động quay sang chuyển động tịnhtiến (momen phát động nằm ở phần quay) :

T a= F a ×l 2π ×η1

1: hiệu suất của quá trình

35.Điều khiển đảo :

Là momen sinh ra khi chuyển từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay(momen phát động nằm ở phần tịnh tiến) :

T b=F a ×l ×η2

2 π

2: hiệu suất

36.Momen do tải đặt trước :

Momen ma sát sinh ra do tải trọng đặt trước của trục vít :

T p =k × F a0 × l

2π