Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển cụm trục chính máy CNC pdf pdf

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤ

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

CỤM TRỤC CHÍNH MÁY CNC

Cơ quan chủ trì: PTN Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống,

Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM

Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ

BÁO CÁO GIÁM ĐỊNH KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

GIAI ĐOẠN 1

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CỤM TRỤC CHÍNH

MÁY CNC (Đã chỉnh sửa theo kết luận của Hội đồng nghiệm thu ngày 25/03/2022)

Chủ nhiệm nhiệm vụ:

(ký tên)

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KH&CN

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên nhiệm vụ:

Nghiên Cứu Thiết Kế Và Điều Khiển Cụm Trục Chính Máy CNC

Thuộc Chương trình/lĩnh vực: Nghiên cứu chế tạo máy CNC và công nghệ in 3D giai đoạn

2018-2020, tầm nhìn đến năm 2025

2 Chủ nhiệm nhiệm vụ:

Họ và tên: Nguyễn Tấn Tiến

Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1968 Nam/ Nữ: Nam

Học hàm, học vị: PGS TS

Chức danh khoa học:

Chức vụ: Giám đốc

Điện thoại: Tổ chức: 02838686996, Nhà riêng: Mobile: 0918255355

Fax: E-mail: nttien@hcmut.edu.vn

Tên tổ chức đang công tác: PTN Trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống

Địa chỉ tổ chức: 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, Tp.HCM

Địa chỉ nhà riêng: 387 Hàn Hải Nguyên, P.2, Q.11, Tp Hồ Chí Minh

3 Tổ chức chủ trì nhiệm vụ:

Tên tổ chức chủ trì nhiệm vụ: PTN trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống

Điện thoại: 028-38647256, số nội bộ: 6259 Fax:

E-mail: dcselab@dcselab.edu.vn

Website: http://dcselab.edu.vn

Địa chỉ: Nhà C6, 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, Tp.HCM

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Nguyễn Tấn Tiến

Số tài khoản: 3173.0.9057441.00000

Kho bạc: Nhà nước Quận 10, Tp.HCM

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG Tp.HCM

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện nhiệm vụ:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 9 năm 2019 đến tháng 9 năm 2021

- Thực tế thực hiện: từ tháng 9 năm 2019 đến tháng 3 năm 2022

- Được gia hạn (nếu có):

- Lần 1 từ tháng 9 năm 2021 đến tháng 3 năm 2022

2 Kinh phí và sử dụng kinh phí:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG THÍ NGHIỆM TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU

+ Kinh phí từ các nguồn khác: 0 triệu đồng

b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn ngân sách khoa học:

Số TT

(Số đề nghị quyết toán)

Thời gian

(Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

Đơn vị tính: triệu đồng

Số

TT

Nội dung các khoản chi

Nguồn khác

1 Trả công lao động (khoa

Tổng NSKH Nguồn

khác Tổng NSKH

Nguồn khác

1 Thiết bị, máy móc mua

Tổng cộng

- Lý do thay đổi (nếu có):

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xét duyệt, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ

chức chủ trì nhiệm vụ (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban hành

3 Quyết định số

64A/QĐ-DCSELab ngày 01/10/2019

V/v thay đổi thành viên thực hiện nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp Thành phố

4 Quyết định số

1314/QĐ-SKHCN ngày 27/12/2019

V/v phê duyệt kế hoạch lựa chọn nhà thầu của nhiệm vụ: Nghiên cứu thiết kế và điều khiển cụm trục chính máy CNC

4 Tổ chức phối hợp thực hiện nhiệm vụ:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Báo cáo thử nghiệm và kiểm tra thành trục chính

(SADAKIM)

Tham gia thực hiện các nội dung: 6 và 7

Báo cáo thử nghiệm và kiểm tra thành trục chính

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện nhiệm vụ:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1

PGS.TS Nguyễn

Tấn Tiến

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Nội dung 1.1; 2.1; 2.7;

4.1; 5.4; 6.1; 7.4; 7.7;

9.9; 10.1; 10.6; 11; 12

Báo cáo chuyên đề

2

ThS Trịnh Hoài

Nam

ThS Trịnh Hoài Nam

3

PGS.TS Trần

Thiên Phúc

PGS.TS Trần Thiên Phúc

5

TS Trần Đức

Anh Minh

TS Trần Đức Anh Minh

7

TS Nguyễn Quốc

Cường

TS Nguyễn Quốc Cường

Nội dung 1.4; 2.3; 2.9;

4.2; 5.3; 5.7; 6.1; 6.9;

7.2; 7.7; 10.2; 10.4;

Báo cáo chuyên đề

8

KS Tống Nhựt

Phương

KS Tống Nhựt Phương

Nội dung 1.2; 2.6; 2.7;

4.1; 5.1; 5.4; 6.2; 6.5;

7.6; 10.2; 10.6;

Báo cáo chuyên đề

10

TS Trương Quốc

Thanh

TS Trương Quốc Thanh

Nội dung 1.4; 2.6; 3.4;

5.1; 5.2; 5.3; 5.7; 6.2;

6.7; 6.8; 7.2; 9.9;

Báo cáo chuyên đề

11

TS Lê Thanh

Long

TS Lê Thanh Long

Nội dung 1.2; 2.5; 3.4;

3.6; 5.7; 5.8; 5.9; 6.3;

6.7; 7.7; 11; 12

Báo cáo chuyên đề

12

ThS Nguyễn

Minh Tuấn

ThS Nguyễn Minh Tuấn

Nội dung 2.2; 2.6; 3.4;

3.6; 5.3; 5.10; 6.3; 6.8;

7.5; 10.4; 10.5;

Báo cáo chuyên đề

13

TS Phan Tấn

Tùng

TS Phan Tấn Tùng

Nội dung 2.1; 2.7; 3.4;

4.2; 5.8; 5.9; 6.3; 6.6;

10.3; 10.5; 11; 12

Báo cáo chuyên đề

15

KS Nguyễn

Thành Hội

KS Nguyễn Thành Hội

Nội dung 1.4; 2.8; 3.3;

3.6; 5.1; 5.10; 6.6; 7.1;

7.3; 7.6; 9.1; 9.3; 9.4;

Báo cáo chuyên đề

19

KS Nguyễn

Trường Thuận

KS Nguyễn Trường Thuận

Nội dung 1.3; 2.5; 2.8, 3.5; 5.5; 5.6; 6.6; 7.1;

7.5; 8.3; 9.7; 9.8; 10.1;

10.5;

Báo cáo chuyên đề

- Lý do thay đổi ( nếu có):

6 Tình hình hợp tác quốc tế:

Số TT

Theo kế hoạch

(Nội dung, thời gian, kinh phí,

địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số

đoàn, số lượng người tham

- Lý do thay đổi (nếu có):

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát

thực hiện

Theo

kế hoạch

Thực tế đạt được

b) Tìm hiểu tổng quan về cấu

tạo trục chính máy phay

Lê Thanh Long Nguyễn Minh Tuấn

dựa vào yêu cầu của không

gian làm việc của máy

b) Xác định kích thước, yêu

cầu chuẩn lắp ráp của các chi

tiết lắp ráp giữa cụm trục

chính và trục Z của thân máy

c) Xác định kích thước yêu cầu

chuẩn lắp ráp của các chi tiết

10/2019- 12/2019

Nguyễn Tấn Tiến Trịnh Hoài Nam Trần Thiên Phúc Phan Hoàng Long Tống Nhựt Phương Phan Tấn Tùng Dương Văn Tú Nguyễn Quốc Cường Trần Đức Anh Minh Trương Quốc Thanh

Lê Thanh Long Nguyễn Minh Tuấn

e) Tính toán chọn các chi tiết:

10/2019- 12/2019

Trần Thiên Phúc Trương Quốc Thanh Phan Hoàng Long

Lê Nhật Bình

Lê Thanh Long Nguyễn Quốc Cường Dương Văn Tú Nguyễn Tấn Tiến Trịnh Hoài Nam Trần Thiên Phúc Trần Đức Anh Minh Phan Tấn Tùng Nguyễn Minh Tuấn Tống Nhựt Phương

4

Nội dung 4: Xây dựng bản vẽ

lắp, bản vẽ chi tiết trục chính

a) Thiết kế dung sai lắp ghép

cho trục chính: dung sai

trục/vỏ, dung sai lắp ổ đỡ,

dung sai lắp ghép rotor/trục,

lắp ghép stator/vỏ, dung sai

10/2019- 3/2020

Trần Thiên Phúc Phan Hoàng Long Trần Đức Anh Minh

Vũ Văn Khôi Phan Tấn Tùng

Lê Thanh Long Nguyễn Minh Tuấn Nguyễn Trường Thuận Tống Nhựt Phương Nguyễn Quốc Cường Dương Văn Tú

5

Nội dung 5: Xây dựng quy trình

chế tạo, lắp ráp, kiểm tra trục

chính

a) Thiết kế quy trình công nghệ

chế tạo vỏ ngoài (housing)

b) Thiết kế quy trình công nghệ

chế tạo trục trong

c) Thiết kế quy trình công nghệ

chế tạo ti rút đầu BT

3/2020

3/2020

10/2020-Nguyễn Tấn Tiến Tống Nhựt Phương Nguyễn Quốc Cường Nguyễn Hồng Phước Nguyên

Vũ Văn Khôi Nguyễn Trường Thuận

đầu BT với thép công cụ

d) Chế tạo thử nghiệm rotor

g) Chế tạo thử nghiệm đường

ống giải nhiệt (khoan nòng

súng Ф5mm x 500mm)

h) Chế tạo đồ gá lắp ráp

3/2020

10/2020-03/2020–

01/2021

PGS.TS Trần Thiên Phúc

KS Nguyễn Trường Thuận

ThS Phan Hoàng Long

TS Nguyễn Quốc Cường

KS Nguyễn Hoàng Long

TS Nguyễn Minh Tuấn

TS Phan Tấn Tùng

7

Nội dung 7: Lắp ráp thử nghiệm

các chi tiết cấu thành trục chính

TS Trương Quốc Thanh

KS Nguyễn Hồng Phước Nguyện

TS Trương Quốc Thanh

g) Hiệu chỉnh thiết kế, quy

trình lắp ráp toàn bộ trục

chính

TS Lê Nhật Bình ThS Trịnh Hoài Nam PGS.TS Trần Thiên Phúc

ThS Phan Hoàng Long

8

Nội dung 8: Tính toán, lựa chọn

các thành phần điện cho động

cơ trục chính

a) Tính toán lựa chọn encoder

phù hợp với dải tốc độ của

6/2020-03/2020–

03/2021

ThS Trịnh Hoài Nam

KS Nguyễn Hoàng Long

PGS.TS Trần Thiên Phúc

KS Nguyễn Thành Hội

TS Trần Đức Anh Minh

KS Nguyễn Trường Thuận

TS Lê Thanh Long PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

KS Trần Trí Đức

9

Nội dung 9: Thiết kế và chế tạo

biến tần điều khiển động cơ trục

chính

a) Thiết kế mạch điện động lực

với mạch chuyển áp, lọc

nhiễu, IGBT công suất

b) Thiết kế sơ đồ mạch điều

khiển với khối giao tiếp

mạch panel, khối cảm biến

dòng, khối bảo vệ, khối giao

tiếp mạch công suất và khối

xử lí thuật toán điều khiển

c) Thiết kế sơ đồ mạch panel

với các khối giao tiếp thiết

bị ngoại vi, khối hiển thị và

nhiệt, tấm dán panel cho

driver điều khiển

2/2021

9/2020-03/2020–

06/2021

TS Nguyễn Quốc Cường

KS Tống Nhựt Phương

TS Trương Quốc Thanh

TS Trần Đức Anh Minh ThS Trịnh Hoài Nam

TS Nguyễn Minh Tuấn PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

KS Trần Trí Đức

KS Nguyễn Trường Thuận

PGS.TS Trần Thiên Phúc

ThS Phan Hoàng Long

KS Nguyễn Hoàng Long

TS Lê Nhật Bình

KS Nguyễn Thành Hội

g) Thi công bo mạch, đo kiểm

tra mạch công suất, điểu

khiển, panel

h) Lập trình thuật toán điều

khiển động cơ cho biến tần

i) Kiểm tra đo lường, chạy thử

nghiệm điều khiển động cơ

không tải và có tải

10

Nội dung 10: Thử nghiệm trục

chính và hiệu chỉnh trên máy

a) Lắp ráp trục chính lên máy

CNC

b) Chạy thử nghiệm kiểm tra

rung động (yếu tố cơ, điện)

c) Chạy thử nghiệm cắt thử với

dao đường kính lớn nhất

(chạy khỏa mặt đầu với dao

Ф40mm), đánh giá bề mặt

gia công đạt được

d) Chạy thử nghiệm cắt thử với

dao ngón (chế độ 2D với

dao Ф10mm), đánh giá bề

mặt gia công (vuông góc

mặt bàn)

e) Chạy thử nghiệm cắt thử với

dao cầu (dao cầu 5mm),

đánh giá bề mặt gia công

2/2021-07/2021–

02/2022

PGS.TS Trần Thiên Phúc

ThS Phan Hoàng Long

TS Trần Đức Anh Minh ThS Trịnh Hoài Nam PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

KS Nguyễn Thành Hội

KS Nguyễn Hoàng Long

KS Vũ Văn Khôi

KS Nguyễn Hồng Phước Nguyện

TS Phan Tấn Tùng

TS Nguyễn Quốc Cường

11

Nội dung 11: Biên soạn Tài

liệu hướng dẫn kỹ thuật sử dụng

và bảo trì, bảo dưỡng

9/2021

8/2021-02/2022 TS Lê Nhật Bình

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

12

Nội dung 12: Hoàn thiện

Tài liệu kỹ thuật và Báo cáo

theo Quy định

9/2021

8/2021-02/2022 PGS.TS Nguyễn Tấn

Tiến ThS Trịnh Hoài Nam

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA NHIỆM VỤ

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra

a) Sản phẩm Dạng I:

- Lý do thay đổi (nếu có):

b) Sản phẩm Dạng II:

Theo kế hoạch Thực tế đạt được

1

Bản thiết kế trục chính

Đáp ứng trình độ gia công trong nước

Đáp ứng trình độ gia công trong nước

- Lý do thay đổi (nếu có):

c) Sản phẩm Dạng III:

Số

Yêu cầu khoa học

01 Bài báo hội nghị trong

2 The Third International Conference on Material, Machines, and Methods for Sustainable Development

MMMS2022

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:

Số TT Cấp đào tạo, Chuyên

ngành đào tạo

(Thời gian kết thúc)

Theo kế hoạch Thực tế đạt

được

1 Thạc sỹ

2 Tiến sỹ

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp:

Số TT

Tên sản phẩm đăng ký

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

Số TT Tên kết quả đã được

2 Đánh giá về hiệu quả do nhiệm vụ mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ

so với khu vực và thế giới…)

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do nhiệm vụ tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của nhiệm vụ:

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Chương 1 TỔNG QUAN 21

1.1 Tìm hiểu tổng quan về trục chính máy gia công kim loại 21

1.1.1 Trục chính dẫn động bằng đai 22

1.1.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng 23

1.1.3 Trục chính dẫn động tích hợp động cơ 23

1.2 Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo trục chính máy phay CNC 24

1.2.1 Ổ đỡ trục chính 24

1.2.2 Trục quay 30

1.2.3 Động cơ trục chính 31

1.2.4 Vỏ trục chính 31

1.2.5 Cảm biến 32

1.2.6 Hệ thống nhả/ kẹp toolholder 32

1.2.7 Hệ thống bôi trơn và làm nguội 37

1.2.8 Hệ thống bịt kín 43

1.3 Tìm hiểu các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của trục chính máy phay CNC yêu cầu độ chính xác, động học, động lực học, giải nhiệt, điều khiển, 44

1.3.1 Yêu cầu về độ chính xác và độ cứng vững 44

1.3.2 Tốc độ quay nguy hiểm (tốc độ tới hạn) 45

1.3.3 Sự mất cân bằng động và độ rung cho phép 46

1.3.4 Tuổi thọ 46

1.3.5 Khả năng của trục chính 47

1.3.6 Tiếng ồn và nhiệt độ 47

1.4 Tìm hiểu cách phối hợp của các thành phần liên quan đến hoạt động của trục chính trong quá trình máy cnc hoạt động 51

1.5 Lựa chọn phương án cho việc thiết kế chế tạo trục chính máy cnc 51

1.5.1 Động cơ 52

1.5.2 Ổ lăn 53

1.5.3 Cụm nhả/kẹp toolholder 54

1.5.4 Hệ thống bôi trơn và làm nguội 55

1.5.5 Hệ thống bịt kín 56

1.5.6 Phương án về cảm biến 57

Chương 2 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ TRỤC CHÍNH 58

2.1 Xác định kích thước tổng thể (phủ bì) của cụm trục chính dựa vào yêu cầu của không gian làm việc của máy 58

2.1.1 Thiết kế của các công ty khác trên thế giới 58

2.1.2 Không gian làm việc của máy 59

2.2 Xác định kích thước, yêu cầu chuẩn lắp ráp của các chi tiết lắp ráp giữa cụm trục chính và trục của thân máy 60

2.2.1 Khái niệm về chuẩn lắp ráp trong chế tạo máy 60

2.2.2 Sử dụng vòng ngoài làm chuẩn lắp ráp 61

2.2.3 Sử dụng mặt bích phía đầu động cơ làm chuẩn lắp ráp 62

2.2.4 Sử dụng mặt phía sau mặt bích làm chuẩn lắp ráp 63

2.3 Xác định kích thước yêu cầu chuẩn lắp ráp của các chi tiết lắp ráp giữa cụm trục chính và cụm thay dao 63

2.3.1 Sử dụng bulong siết giữ để định vị 64

2.3.2 Sử dụng chốt định vị 65

2.3.3 Sử dụng mặt trong của tấm đỡ và mặt ngoài của trục chính để định vị 65

2.4 Tính toán chọn công suất động cơ trục chính (định hướng sử dụng động cơ AC Servo tốc độ cao) dựa vào lực cắt, tốc độ cắt của máy và kích thước của đầu BT40 66

2.4.1 Tính toán lực cắt từ chế độ cắt 66

2.4.2 Tính toán công suất động cơ 68

2.4.3 Lựa chọn động cơ của hãng Siemens phù hợp với ứng dụng và công suất cắt 69

2.4.4 Tính toán đặc tính làm việc và khởi động 69

2.4.5 Phân tích các lực tác động lên đầu trục quay của trục chính từ công suất động cơ được lựa chọn 71

2.5 Thiết kế trục spindle và bộ phản hồi tốc độ 73

2.5.1 Tính toán khoảng khách giữa các ổ bi 73

2.5.2 Tính toán và vẽ biểu đồ moment uốn và xoắn tác dụng lên trục 79

2.5.3 Tính toán đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm 82

2.5.4 Kiểm nghiệm trục 82

2.6 Tính toán chọn các chi tiết: ổ đỡ trục chính, cảm biến vị trí, … 85

2.6.1 Tính toán lựa chọn ổ bi dựa vào tải trọng và cách bố trí ổ bi đã chọn 85

2.6.2 Tính toán lực preload ổ bi 87

2.6.3 Tính toán lựa chọn các thành phần phụ trợ như vòng cách, lò xo preload, ốc siết trục 88

2.7 Thiết kế vỏ chứa trục chính (Spindle cover) 92

2.7.1 Tính toán và vẽ biểu đồ moment tác dụng lên vỏ trục chính 92

2.7.2 Thiết kế vỏ trục chính dựa vào lực tác động 94

2.8 Thiết kế hệ thống giải nhiệt cho toàn bộ trục chính 98

2.8.1 Trao đổi nhiệt của các thành phần trục chính với nước làm mát, hỗn hợp oil-air bôi trơn và không khí bên ngoài 99

2.8.2 Khảo sát nhiệt lượng sinh ra từ động cơ khi hoạt động 107

2.8.3 Khảo sát nhiệt lượng sinh ra từ ổ bi trong quá trình hoạt động 108

2.8.4 Khảo sát phân bố nhiệt độ bên trong trục chính trong solidworks và lựa chọn thông số cho hệ thống làm nguội 110

2.8.5 Đề xuất công nghệ vật liệu chế tạo trục chính 111

2.9 Thiết kế hệ thống lấy đầu BT khỏi trục chính (hệ thống thủy lực phục vụ việc đóng/nhả dao, hệ thống lò xo dĩa, ti rút đầu bt, …) 113

2.9.1 Tính toán lực kéo đầu giữ dao 113

2.9.2 Lựa chọn đầu kẹp vít rút 114

2.9.3 Tính toán lựa chọn lò xo 116

2.9.4 Tính toán thiết kế xylanh nhả đầu BT 120

2.10 Lựa chọn các cảm biến cho trục chính 122

2.10.1 Lựa chọn encoder 122

2.10.2 Lựa chọn cảm biến hành trình cho ty rút 124

2.10.3 Lựa chọn cảm biến nhiệt độ 126

Chương 3 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH 128

3.1 Thiết kế stator 128

3.1.1 Kích thước sơ bộ của rotor 128

3.1.2 Xác định khe hở không khí 131

3.1.3 Xác định số rãnh của stator, bước rãnh 132

Xác định bước cực từ 132

3.1.5 Xác định số thanh dẫn tác động lên một rãnh 132

3.1.6 Tính số vòng quấn dây nối tiếp một pha 133

3.1.7 Tính toán chiều rộng răng của stator 133

3.1.8 Xác định dòng điện định mức 135

3.1.9 Tiết diện và đường kính của dây quấn 135

3.1.10 Thiết kế các tham số của một răng stator 136

3.1.11 Tính chọn mật độ từ thông và chiều cao của gông stator 137

3.1.12 Xác định đường kính ngoài và trong của stator 138

3.1.13 Tính toán mạch từ 138

3.2 Tính toán các thông số của rotor 138

3.2.1 Xác định số rãnh của rotor 138

3.2.2 Xác định độ nghiêng của rãnh rotor 140

3.2.3 Xác định số thanh dẫn và tiết diện của thanh dẫn 140

3.2.4 Xác định diện tích vành ngắn mạch 142

3.2.5 Xác định đường kính của rotor và đường kính của trục spindle 142

3.3 Tính toán mạch từ 142

3.3.1 Mật độ từ thông trên răng stator 142

3.3.2 Mật độ từ thông trên răng rotor 143

3.3.3 Xác định sức từ động trên răng của stator 144

3.3.4 Xác định sức từ động trên răng của rotor 144

3.3.5 Tính toán mật độ từ thông của gông stator, rotor 144

3.3.6 Xác định tổng sức từ động của mạch từ 146

3.3.7 Xác định dòng từ hóa 147

3.4 Tính tổn hao thép và cơ 147

3.4.1 Tổn hao điện trở 147

3.4.2 Tổn hao sắt từ 148

3.4.3 Tổn hao cơ 149

3.5 Đánh giá và điều chỉnh các kết quả tính toán thiết kế 149

3.6 Tính toán đặc tính làm việc và khởi động 152

3.6.1 Tính toán đặc tính làm việc và khởi động 152

3.6.2 Kiểm tra tương thích điện từ mạch driver 156

3.6.3 Kiểm tra tương thích điện từ động cơ 162

3.7 Tính toán nhiệt 162

Chương 4 XÂY DỰNG BẢN VẼ LẮP, BẢN VẼ CHI TIẾT TRỤC CHÍNH 165

4.1 Thiết kế dung sai lắp ghép cho trục chính: dung sai trục/vỏ, dung sai lắp ổ đỡ, dung sai lắp ghép rotor/trục, lắp ghép stator/vỏ, dung sai lắp ghép seal, … 165

4.1.1 Tổng quan về dung sai lắp ghép 165

4.1.2 Các dung sai quan trọng cần thiết kế trong trục chính 168

4.1.3 Dung sai lắp ghép trục với ổ lăn 168

4.1.4 Dung sai lắp ghép ổ trượt 171

4.1.5 Dung sai lắp stator vào vỏ 172

4.1.6 Dung sai lắp rotor vào trục 174

4.2 Xây dựng bản vẽ lắp cơ khí cho toàn bộ trục chính 178

4.2.1 Bản vẽ lắp phần cơ khí 178

4.2.2 Bản vẽ lắp động cơ servo 180

4.2.3 Bản vẽ lắp tổng thể 181

4.3 Xây dựng bản vẽ chi tiết cho trục chính 182

4.3.1 Bản vẽ vỏ trục chính 182

4.3.2 Bản vẽ trục quay 183

4.3.3 Bản vẽ đòn kéo 183

4.3.4 Bản vẽ hệ lò xo đĩa 184

4.3.5 Bản vẽ vỏ sau trục chính 184

4.3.6 Bản vẽ vỏ mặt trước trục chính 185

4.3.7 Bản vẽ vỏ chứa cụm ổ bi sau của trục chính 185

4.3.8 Bản vẽ xy lanh thủy lực của trục chính 186

4.3.9 Bản vẽ piston 186

4.3.10 Bản vẽ vỏ giải nhiệt động cơ 187

4.3.11 Bản vẽ vỏ bao rãnh nước 187

4.3.12 Bản vẽ lót encoder 188

4.3.13 Bản vẽ phủ encoder 188

4.3.14 Bản vẽ lót kín động ngoài 189

4.3.15 Bản vẽ lót kín động trong 189

4.3.16 Bản vẽ tấm phủ trước-ngoài 190

4.3.17 Bản vẽ tấm phủ trước-trong 190

4.3.18 Bản vẽ then dẫn 191

4.3.19 Bản vẽ vòng cách ngoài ổ sau 191

4.3.20 Bản vẽ vòng cách trong ổ sau 192

4.3.21 Bản vẽ vòng cách ngoài ổ trước 192

4.3.22 Bản vẽ vòng cách trong ổ trước 193

4.3.23 Bản vẽ nút chặn 193

4.3.24 Bản vẽ ống lót ổ bi 194

4.3.25 Bản vẽ vòng cách 194

4.3.26 Bản vẽ vòng đệm 195

4.4 Xây dựng bản vẽ lắp điện 195

Chương 5 XÂY DỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO, LẮP RÁP, KIỂM TRA TRỤC CHÍNH 196

5.1 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo vỏ ngoài (housing) 196

5.2 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo trục trong 206

5.3 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo ti rút đầu bt 214

5.4 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo phần kết nối giữa xylanh khí nén và trục chính 218

5.5 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo stator 224

5.5.1 Chế tạo lõi thép kỹ thuật điện 224

5.5.2 Quấn dây stator 227

5.6 Thiết kế quy trình chế tạo rotor 228

5.7 Thiết kế quy trình lắp ráp rotor và trục chính 231

5.7.1 Chuẩn bị dụng cụ và thiết bị 231

5.7.2 Các bước chuẩn bị trước khi lắp ráp 235

5.7.3 Lắp rotor lên trục 236

5.7.4 Bù trừ ứng suất và biến dạng của trục 237

5.7.5 Cân bằng 238

5.8 Quy trình lắp ráp stator vào vỏ trục chính 239

5.8.1 Chuẩn bị dụng cụ và thiết bị 239

5.8.2 Các bước chuẩn bị trước khi lắp ráp 240

5.8.4 Lắp stator thẳng đứng vào vỏ trục chính cố định 243

5.8.5 Lắp vỏ trục chính thẳng đứng vào stator cố định 244

5.8.6 Lắp vỏ trục chính nằm ngang vào stator cố định 245

5.9 Thiết kế đồ gá lắp ráp 246

5.9.1 Thiết kế đồ gá rotor vào trục 247

5.9.2 Thiết kế đồ gá stator vào vỏ 250

5.10 Thiết kế qui trình kiểm tra các mối lắp ghép 252

5.11 Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng các thiết bị đo vào các nguyên công đo kiểm 253

5.11.1 Hướng dẫn sử dụng đồng hồ so đo độ đảo trục quay 253

5.11.2 Hướng dẫn sử dụng hệ thống cân bằng cimat để kiểm tra độ rung 254

5.11.3 Hướng dẫn sử dụng bơm áp suất để kiểm tra độ rò rĩ nước bên trong trục chính 256

5.11.4 Hướng dẫn sử dụng dụng cụ đo lực siết lực 257

Chương 6 CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM CÁC THÀNH PHẦN TRỤC CHÍNH VÀ HIỆU CHỈNH THIẾT KẾ 259

6.1 Chế tạo thử nghiệm vỏ ngoài trục chính với thép hợp kim 259

6.2 Chế tạo thử nghiệm trục spindle với thép công cụ 259

6.3 Chế tạo thử nghiệm trục rút đầu BT với thép công cụ 260

6.4 Chế tạo thử nghiệm rotor động cơ trục chính 261

6.5 Chế tạo thử nghiệm stator 261

6.6 Chế tạo thử nghiệm hệ lò xo đĩa 262

6.7 Chế tạo thử nghiệm bệ kết nối giữa xy lanh khí nén và spindle 262

6.8 Chế tạo thử nghiệm vỏ giải nhiệt 264

6.9 Chế tạo thử nghiệm đường ống giải nhiệt (khoan nòng súng ∅5mm x 500mm) 264

6.10 Chế tạo đồ gá lắp ráp 265

Chương 7 LẮP RÁP THỬ NGHIỆM CÁC CHI TIẾT CẤU THÀNH TRỤC CHÍNH 266

7.1 Lắp ráp rotor vào trục chính và cân bằng động học (tốc độ 10.000 v/phút) 266

7.2 Lắp ráp stator vào vỏ trục chính 267

7.3 Lắp ráp cụm rotor vào stator 268

7.4 Chạy thử nghiệm và rà chỉnh (ít nhất 3 lần) 270

7.5 Lắp ráp thử nghiệm hoàn chỉnh trục chính 270

7.6 Kiểm tra độ đảo trục chính 271

7.7 Hiệu chỉnh thiết kế, quy trình lắp ráp toàn bộ trục chính 271

7.7.1 Bản vẽ vỏ trục chính 272

7.7.2 Bản vẽ trục quay 273

7.7.3 Bản vẽ đòn kéo 274

7.7.4 Bản vẽ hệ lò xo đĩa 275

7.7.5 Bản vẽ vỏ sau trục chính 276

7.7.6 Bản vẽ vỏ mặt trước trục chính 277

7.7.7 Bản vẽ vỏ chứa cụm ổ bi sau của trục chính 278

7.7.8 Bản vẽ xy lanh thủy lực của trục chính 279

7.7.9 Bản vẽ piston 280

7.7.10 Bản vẽ vỏ giải nhiệt động cơ 281

7.7.11 Bản vẽ vỏ bao rãnh nước 282

7.7.12 Bản vẽ lót encoder 283

7.7.13 Bản vẽ phủ encoder 284

7.7.14 Bản vẽ lót kín động ngoài 285

7.7.15 Bản vẽ lót kín động trong 286

7.7.16 Bản vẽ tấm phủ trước-ngoài 287

7.7.17 Bản vẽ tấm phủ trước-trong 288

7.7.18 Bản vẽ then dẫn 289

7.7.19 Bản vẽ vòng cách ngoài ổ sau 290

7.7.20 Bản vẽ vòng cách trong ổ sau 291

7.7.21 Bản vẽ vòng cách ngoài ổ trước 292

7.7.22 Bản vẽ vòng cách trong ổ trước 293

7.7.23 Bản vẽ nút chặn 294

7.7.24 Bản vẽ ống lót ổ bi 295

7.7.25 Bản vẽ vòng cách 296

7.7.26 Bản vẽ vòng đệm 297

7.7.27 Bản vẽ lắp Stator 298

7.7.28 Bản vẽ lắp Rotor 298

7.7.29 Bản vẽ lá thép stator 299

7.7.30 Bản vẽ chốt định vị 5.5 299

7.7.31 Bản vẽ lá thép rotor 300

7.7.32 Bản vẽ vòng ngắn mạch 300

7.7.33 Quy trình lắp ráp 301

Chương 8 TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN CÁC THÀNH PHẦN ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH 302

8.1 Tính toán lựa chọn encoder phù hợp với dải tốc độ trục chính 302

8.2 Lựa chọn driver cho động cơ trục chính 303

8.3 Lựa chọn bộ lọc bảo vệ phần điện trục chính reactor 303

8.4 Thiết kế phần điện động lực cho driver trục chính 305

8.5 Chạy thử nghiệm độc lập trục chính, cân chỉnh hệ thống và thu thập dữ liệu 306

8.5.1 Thử nghiệm tốc độ động cơ trục chính 308

8.5.2 Thực nghiệm kiểm tra độ bền trục chính với nhiệt độ 310

CHƯƠNG 9.THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH 312

9.1 Thiết kế sơ đồ mạch điện động lực với mạch chuyển áp, lọc nhiễu, IGBT công suất 313

9.2 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển với khối giao tiếp mạch panel, khối cảm biến dòng, khối bảo vệ, khối giao tiếp mạch công suất và khối xử lê thuật toán điều khiển 319

9.3 Thiết kế sơ đồ mạch panel với các khối giao tiếp thiết bị ngoại vi, khối hiển thị, và khối nhập dữ liệu 322

9.4 Thiết kế bo mạch in cho mạch điện động lực 324

9.5 Thiết kế bo mạch in cho mạch điều khiển 325

9.6 Thiết kế bo mạch in cho mạch panel, thiết kế vỏ, tản nhiệt, tấm dán panel cho driver điều khiển 326

9.7 Thi công bo mạch, đo kiểm tra mạch công suất, điều khiển, panel 327

9.8 Lập trình thuật toán điều khiển động cơ cho biến tần 327

9.8.1 Phương pháp điều khiển 327

9.8.2 Giới thiệu về biến tần nguồn áp điều khiển theo phương pháp V/f 327

Phương pháp điều khiển V/f 328

9.8.4 Các phương pháp thông dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ 3309.8.5 Sơ đồ khối chương trình 3489.8.6 Lưu đồ giải thuật 3499.8.7 Phương pháp tăng-giảm tốc trục chính 3519.9 Kiểm tra đo lường, chạy thử nghiệm điều khiển động cơ không tải và có tải 354Chương 10 THỬ NGHIỆM TRỤC CHÍNH VÀ HIỆU CHỈNH TRÊN MÁY 35510.1 Lắp ráp trục chính lên máy phay CNC 35510.2 Chạy thử nghiệm kiểm tra rung động (yếu tố cơ-điện) 35610.3 Chạy thử nghiệm cắt thử với dao đường kính lớn nhất (chạy khỏa mặt đầu

với dao phi 40mm), đánh giá bề mặt gia công đạt được 35710.4 Chạy thử nghiệm cắt thử với dao ngón (chế độ 2D với dao phi10mm), đánh

giá bề mặt gia công (vuông góc với mặt bàn) 35810.5 Chạy thử nghiệm cắt thử với dao cầu (dao cầu 5mm), đánh giá bề mặt gia

công bằng phương pháp xử lý ảnh 35910.6 Hiệu chỉnh tổng thế trục chính để đạt được sai số mong muốn theo đăng ký 359Chương 11 BIÊN SOẠN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN KỸ THUẬT SỬ DỤNG VÀ

BẢO TRÌ 361Chương 12 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 36212.1 Các sảm phẩm KH&CN chính của đề tài 36212.1.1 Sản phẩm dạng I 36212.1.2 Sản phẩm dạng II 36212.1.3 Sản phẩm dạng III 363Chương 13 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36613.1 Kết luận 36613.2 Kiến nghị 366TÀI LIỆU THAM KHẢO 368

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Vị trí trục chính trên máy phay CNC 21Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý trục chính dẫn động bằng đai 22Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý trục chính dẫn động bằng bánh răng 23Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý trục chính được dẫn động tích hợp 24Hình 1-5 Cấu trúc của trục chính 25Hình 1-6 Các loại ổ đỡ thông dụng cho trục chính 26Hình 1-7 Ảnh hưởng của góc tiếp xúc (trang 13, [2]) 27Hình 1-8 Preload ổ lăn bằng lò xo 29Hình 1-9 Preload cụm ổ lăn cấu hình DB 29Hình 1-10 Preload cụm ổ lăn cấu hình DF 30Hình 1-11 Preload cụm ổ lăn cấu hình DT 30Hình 1-12 Các thành phần của cụm nhà/ kẹp toolholder 33Hình 1-13 Các thành phần của toolholder 33Hình 1-14 Các chuẩn của đầu giữ dao từ trái sang phải: BT50, CAT50, ISO30,

HSK50A 34Hình 1-15 Lực giữ dao và cơ cấu kẹp dao chuẩn BT, CAT và ISO 34Hình 1-16 Bộ kẹp rút ty của đầu giữ dao chuẩn HSK 35Hình 1-17 Vít rút 35Hình 1-18 Đầu thay dao kết nối với mặt V của BT 36Hình 1-19 Đầu thay dao kết nối với mặt V của BT 36Hình 1-20 Lò xo đĩa 37Hình 1-21 Lò xo xoắn 37Hình 1-22 Vị trí của xylanh-piston 38Hình 1-23 Hệ thống bôi trơn dầu khí cho trục chính 39Hình 1-24 Hệ thống làm nguội cho cụm ổ bi và động cơ trục chính 40Hình 1-25 Chạy thử nghiệm trục chính với phương pháp giải nhiệt [6] 40Hình 1-26 Kết cấu vòng cách (spacer) khi sử dụng cooling air giải nhiệt ổ lăn 40Hình 1-27 Dòng khí làm mát chạy trong trục chính [7] 41Hình 1-28 Dòng dung dịch cắt đi xuyên qua trục chính đến vùng gia công 42Hình 1-29 Khoan lỗ sâu 42Hình 1-30 Nozzle được lập trình để phun dung dịch cắt vào vùng gia công 43Hình 1-31 Phối hợp khí áp suất cao và lót kín động để bảo vệ ổ lăn trước khỏi sự xâm

nhập từ bên ngoài 43Hình 1-32 Các tiêu chí chấp nhận cho độ chính xác hình học của trục chính do GMN

sản xuất 44Hình 1-33 - Các vị trí đo độ cứng dọc trục và độ cứng xuyên tâm trên trục chính 45Hình 1-34 Sơ đồ biên độ của tần số quay gây ra rung động của rotor 45Hình 1-35 Giá trị mất cân bằng cho phép tại các tốc độ quay khác nhau 46Hình 1-36 Những nguồn nhiệt và vùng trao đổi nhiệt trong trục chính 49Hình 1-37 Ổ đũa trụ cho hệ thống ổ đỡ phía sau 50Hình 1-38 Cấu trúc trục chính sử dụng ổ đũa trụ 51

Hình 1-39 Sự phối hợp giữa các thành phần điều khiển trục chính 52Hình 1-40 Sơ đồ nguyên lý trục chính dẫn động động cơ tích hợp 52Hình 1-41 Động cơ đồng bộ cho trục chính 53Hình 1-42 Ổ lăn trục chính có cấu hình DB tổng thể với cụm ổ lăn cấu hình DT ở

phần đầu và phần sau của trục chính tích hợp động cơ 54Hình 1-43 Hệ thống bôi trơn dầu-khí cho trục chính 55Hình 1-44 Hệ thống làm nguội cho cụm ổ bi và động cơ trục chính 56Hình 1-45 Hệ thống phun chất làm mát xuyên trục chính vào vùng gia công 56Hình 1-46 Hệ thống bịt kín bảo vệ trục chính 57Hình 2-1 Kích thước bao của trục chính SETCO, ATE AC 170 59Hình 2-2 Kích thước bao của trục chính PS-TCV-3 59Hình 2-3 Kích thước sơ bộ các thành phần của 3 trục X, Y, Z của máy phay CNC 60Hình 2-4 Phân loại các chuẩn trong chế tạo máy 60Hình 2-5 Lắp đặt cụm trục chính vào máy CNC 61Hình 2-6 Lắp Spindle vào trục Z sử dụng vòng ngoài 62Hình 2-7 Spindle sử dụng mặt bích phía trước làm chuẩn lắp 62Hình 2-8 Spindle sử dụng phía sau mặt bích làm chuẩn lắp 63Hình 2-9 Hệ thống thay dao sử dụng tay 2 đầu 63Hình 2-10 Canh chỉnh hệ thống tay kẹp 64Hình 2-11 Dùng bulong siết để định vị 64Hình 2-12 Sử dụng chốt đinh vị 65Hình 2-13 - Sử dụng mặt ngoài của Spindle để định vị 65Hình 2-14 - Thông số hình học dao phay ngón 66Hình 2-15 Chiều sâu phay t và chiều rộng phay B của dao phay ngón 67Hình 2-16 Động cơ dành cho trục chính của SIEMENS 69Hình 2-17 Đường đặc tính công suất của động cơ ứng với tốc độ làm việc 69Hình 2-18 Đường đặc tính torque của động cơ ứng với tốc độ làm việc 70Hình 2-19 Thời gian gia tốc ứng với tốc độ mong muốn 71Hình 2-20 Sơ đồ lực cắt tác dụng lên dao cắt 71Hình 2-21 Sơ đồ lực tác động lên đầu trục chính 72Hình 2-22 Mô hình trục chính được đơn giản hóa 74Hình 2-23 Độ dịch chuyển đầu trục chính theo nguyên lý cộng tác dụng 75Hình 2-24 Giản đổ lực của trường hợp rigid beam-elastic support 77Hình 2-25 Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển đầu trục quay 𝛿𝑠𝑝𝑖𝑛𝑑𝑙𝑒 79Hình 2-26 Sơ đồ lực và biểu đồ moment trục quay 80Hình 2-27 Ảnh hưởng của góc tiếp xúc lên ổ lăn 84Hình 2-28 Tần số dao động riêng của trục quay 85Hình 2-29 Trục quay bị uốn tại tần số cộng hưởng trong Solidworks Simulation 85Hình 2-30 Sơ đồ tính toán lực của ổ bi 85Hình 2-31 Hệ 24 lò xo song song để preload cụm ổ bi sau 89Hình 2-32 Cụm ổ bi sau của trục chính 90Hình 2-33 Lót kín cụm ổ bi trước 91Hình 2-34 Đai ốc tạo lực ép ban đầu lên cụm ổ bi 92Hình 2-35 Mô hình vỏ trục chính 93Hình 2-36 - Tải trọng tác dụng lên nhóm bulong 96

Hình 2-37 Các vùng cần khảo sát sự trao đổi nhiệt 98Hình 2-38 Hệ thống rãnh làm mát stator và cụm ổ bi trước 99Hình 2-39 Hệ thống rãnh làm mát stator và cụm ổ bi trước 99Hình 2-40 Kích thước rãnh làm nguội cụm ổ bi 101Hình 2-41 Phương pháp bôi trơn oil-air 103Hình 2-42 Vị trí vòi phun dầu 104Hình 2-43 Mặt cắt ngang stator và rotor 106Hình 2-44 Công suất tổn thất trên rotor (trang 9, [29]) 107Hình 2-45 Sự phân bố nhiệt độ trên trục chính 110Hình 2-46 BT tiếp xúc với trục quay của trục chính 113Hình 2-47 Mô hình truyền mô men qua tiếp xúc côn 113Hình 2-48 Kích thước của BT40 114Hình 2-49 - Tay kẹp vít rút 115Hình 2-50 Đầu kẹp vít rút CELL 115Hình 2-51 Biên dạng trong của trục chính ứng với tay kẹp vít rút của hãng CELL 116Hình 2-52 Lò xo xoắn và lò xo đĩa 116Hình 2-53 Thông số hình học lò xo 117Hình 2-54 Cụm lò xo đĩa và đòn kéo cho việc nhả-kẹp toolholder 119Hình 2-55 Cụm piston-xylanh cho việc nhả/kẹp BT 122Hình 2-56 Cấu tạo Encoder quang 123Hình 2-57 Encoder từ 123Hình 2-58 Kích thước của Encoder từ của Lenord & Bauer 124Hình 2-59 Cảm biến vị trí ty rút 125Hình 2-60 Cảm biến điện trở của Omron 125Hình 2-61 Kiểu dây tính hiệu chịu được môi trường chứa dầu cắt 126Hình 2-62 Bố trí cảm biến nhiệt độ bên trong trục chính 127Hình 2-63 Các kích thước của cảm biến nhiệt độ 127Hình 3-1 Quy trình thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha 128Hình 3-2 Các kiểu hình dáng rotor 129Hình 3-3 Biến dạng trục do bị cộng hưởng vận tốc 129Hình 3-4 Biểu đồ hang số máy theo công suất hiệu dụng trên số cặp cực 131Hình 3-5 Hệ số công suât của động cơ (trang 381, [37]) 135Hình 3-6 Các kích thước rãnh Stator (trang 321, [37]) 137Hình 3-7 Góc nghiêng rãnh rotor 140Hình 3-8 Các kích thước rãnh rotor 141Hình 3-9 Mật độ từ thông và mật độ dòng điện của rắng Stator (trang 324, [37]) 142Hình 3-10 Biểu đồ B-H của vật liệu M800-50A 145Hình 3-11 Hệ số ảnh hưởng của từ mật độ từ thông đến điện áp từ 145Hình 3-12 Bố trí dây quấn bên trong rãnh Stator 147Hình 3-13 Kết quả mô phỏng đánh giá hiệu suất bằng phần mềm Ansys Maxwell 150Hình 3-14 Mô hình Simulink símcape khởi động sao-tam giác của induction motor 151Hình 3-15 Mô hình Simulink símcape khởi động sao-tam giác của induction motor 152Hình 3-16 Đồ thị đặc tính torque, tốc độ, công suất của động cơ 153Hình 3-17 Biểu đồ phân bố từ thông bên trong động cơ khi hoạt động ở tốc độ định

Hình 3-18 Mô hình Simulink símcape khởi động sao-tam giác của induction motor 154Hình 3-19 Đồ thị dòng và tốc độ khởi động trực tiếp mắc tam giác 155Hình 3-20 Đồ thị dòng và tốc độ khởi động trực tiếp mắc tam giác 155Hình 3-21 Đồ thị dòng và tốc độ khởi động trực tiếp mắc tam giác 156Hình 3-22 Kết quả phân tích tương thích điện từ với tần số thay đổi 161Hình 3-23 Kết quả phân tích phổ cộng hưởng lên mạch 162Hình 3-24 Phân bố nhiệt tại mặt cắt stator 163Hình 3-25 Phân bố nhiệt tại mặt cắt rotor 163Hình 3-26 Phân bố nhiệt lượng trên toàn bộ động cơ 164Hình 4-1 Lắp ghép giữa trục (2) và lỗ (1) 165Hình 4-2 Lắp ghép lỏng 166Hình 4-3 Lắp ghép chặt 166Hình 4-4 Lắp ghép trung gian 167Hình 4-5 Thiết kế sơ bộ trục chính 168Hình 4-6 Vị trí ổ lăn trên trục chính 168Hình 4-7 Lực tác dụng lên ổ 169Hình 4-8 - Sơ đồ bố trí ổ lăn hình chữ O 169Hình 4-9 Dung sai ổ bi đỡ chặn SKF 170Hình 4-10 Ổ trượt được dùng trong trục chính 171Hình 4-11 Thiết kết làm kính của hệ thống làm nguội rotor 172Hình 4-12 Kích thước stator 173Hình 4-13 Dung sai phần vỏ lắp ghép với stator 173Hình 4-14 Thông số lắp ghép stator vào trục 175Hình 4-15 Miền dung sai của trục và lỗ 176Hình 4-16 Kích thước rotor 177Hình 4-17 Dung sai của đoạn trục lắp ghép với rotor 178Hình 5-1 Kích thước chi tiết Vỏ ngoài (Housing) 196Hình 5-2 Quy trình công nghệ chế tạo Vỏ ngoài 198Hình 5-3 Cán dao chống rung D32-L416-10D-C có gắn mảnh hợp kim

DCMT11T302-PS T9215 của Tungaloy 201Hình 5-4 Kích thước chi tiết Trục trong 206Hình 5-5 Quy trình công nghệ chế tạo Trục trong 208Hình 5-6 Kích thước chi tiết Đòn kéo 214Hình 5-7 Quy trình công nghệ chế tạo Đòn kéo 215Hình 5-8 Kích thước chi tiết Xylanh 219Hình 5-9 Quy trình công nghệ gia công Xylanh 220Hình 5-10 Quy trình tạo khối các lá thép kỹ thuật điện 224Hình 5-11 Khuôn dập lá thép kỹ thuật điện 225Hình 5-12 Cắt cắt lá thép kỹ thuật điện bằng máy cắt laser 225Hình 5-13 Phương pháp interlock cố định các lá thép kỹ thuật điện 226Hình 5-14 Phương pháp hàn laser các là thép với nhau 226Hình 5-15 Chèn tấm cách điện vào rãnh stator 227Hình 5-16 Quấn vòng dây điện 227Hình 5-17 Đưa cuộn dây vào rãnh stator 228Hình 5-18 Siết phần dây phía ngoài lõi thép 228

Hình 5-19 Quy trình chi tiết các bước chế tạo rotor 229Hình 5-20 Quá trình nén ép các lá thép sử dụng trục tạm 229Hình 5-21 Chế tạo vòng ngắn mạch thủ công 230Hình 5-22 Thiết kế kênh dẫn và mô phỏng dòng chảy 230Hình 5-23 Đúc khuôn nhôm tạo vòng ngắn mạch 231Hình 5-24 Tiện mặt ngoài của rotor 231Hình 5-25 Vận chuyển các chi tiết rotor gồm các cách: 1-Vận chuyển rotor có đường

kính nhỏ bằng găng tay, 2-Vận chuyển rotor có đường kính lớn bằng kẹp

và 3-Vận chuyển trục chính bằng móc và chốt nâng 232Hình 5-26 Cách bố trí lắp rotor gồm các chi tiết: 1-Lõi rotor, 2-Trục chính, 3-Bàn gá

và 4-Đồ gá (phi từ tính, chịu nhiệt và cách nhiệt tốt) 233Hình 5-27 Thiết bị bơm dầu bằng tay 233Hình 5-28 Đồ gá cho việc giảm áp suất và tháo trục chính gồm các chi tiết: 1-Đầu

nối bơm dầu, 2-Đầu nối ống, 3-Ống nối, 4-Đai ốc hãm, 5-Bạc lót, 6-Đồ

gá phi từ tính và 7-Khay phi từ tính Chiều dài A là 90 mm để có thể di

chuyển dọc trục cho tháo rotor 234Hình 5-29 Kiểm tra độ đảo hướng kính trong đó: 1-Trục, 2-Vị trí của lõi rotor, 3-Bề

mặt được tra dầu (khi lắp không có công đoạn giảm ứng suất), R-Mặt

chuẩn đo độ đảo hướng kính, Y-Chỉ tiêu cần đạt và A,B-Đường tâm

chuẩn (trục của trục chính) 235Hình 5-30 Lắp ráp rotor lên trục với a)-Lắp rotor lên trục cố định và b)-Lắp trục lên

rotor cố định trong đó: 1-Rotor, 2-Trục chính, 3-Đồ gá phi từ tính, 4-Bàn

gá và 5-Lỗ tiếp dầu 237Hình 5-31 Phương pháp làm giảm ứng suất trong đó: 1-Đầu nối với bơm thủy lực

bằng tay, 2- Đầu nối, 3-Ống nối, 4-Đai ốc hãm, 5-Bạc, 6-Đồ gá, 7-Khay

chứa và 8-Bơm dầu bằng tay 237Hình 5-32 Cân bằng tinh cho cụm trục và rotor có bạc lót trong đó: 1-Đĩa cân bằng,

2-Lõi rotor, 3-Bạc lót, 4-Trục và 5-Khu vực giới hạn (không cho phép

khoan lỗ tại khu vực này) 239Hình 5-33 Cân bằng cụm trục và lõi rotor không có bạc lót trong đó: 1-Đĩa cân bằng

(mua riêng), 2-Lõi rotor và 3-Trục chính 239Hình 5-34 Một số thiết bị và dụng cụ lắp ráp: 1-Tấm chặn dọc trục, 2-Phụ kiện nâng,

3-Móc, 4-Trụ nối, 5-Tay móc bọc nhựa để lắp phương ngang và 6-Thiết

bị ép lỗ trục trong 240Hình 5-35 Các bề mặt và rãnh của stator loại có vỏ tản nhiệt trong đó: 1-Bề mặt lắp

của stator được phủ dung môi chống ăn mòn, 2-4 rãnh của vòng cao su

để bịt kín stator, 3-Rãnh nằm giữa để xả cho lỗ xả và 4-Các rãnh tản nhiệt

241Hình 5-36 Phủ lớp dung môi chống ăn mòn cho thép trong đó: 1-Lõi stator với rãnh

tản nhiệt, 2-Vỏ trục chính, 3-Vòng cao su, 4-Các bề mặt được phủ dung

môi chống ăn mòn và 5-Lỗ xả 241Hình 5-37 Lắp vòng cao su lên stator 242Hình 5-38 Lắp móc và trụ đồng lên stator 242

Hình 5-39 Lắp stator vào vỏ trục chính cố định trong đó: 1-Stator với vỏ tản nhiệt,

2-4 vòng cao su, 3-Tấm chặn dọc trục, 4-Vỏ trục chính, 5-Cổng đi dây,

6-Dây nối, 7-Trụ nối và 8-Móc 243Hình 5-40 Lắp vỏ trục chính vào stator cố định trong đó: 1-Stator với vỏ tản nhiệt, 2-

4 vòng cao su, 3-Tấm chặn dọc trục, 4-Vỏ trục chính, 5-Cổng đi dây,

6-Dây nối, 7-Trụ nối và 8-Móc 244Hình 5-41 Lắp vỏ trục chính vào stator cố định nằm ngang trong đó: 1-Tay đỡ có bọc

nhựa, 2-Stator, 3-4 vòng cao su, 4-Vỏ trục chính, 5-Vòng chắn ổ bi và

8-Bulon 245Hình 5-42 Bàn gá lắp có gắn hệ thủy lực 247Hình 5-43 Quá trình đưa lắp rotor vào trục 248Hình 5-44 Lắp ống nối để đẩy rotor vào trục 248Hình 5-45 Bản vẽ gá rotor 249Hình 5-46 Bản vẽ gá trục 249Hình 5-47 Ống nối và tay cầm giữ rotor 250Hình 5-48 Quá trình lắp Stator vào vỏ 251Hình 5-49 Bản vẽ gá stator 251Hình 5-50 Bản vẽ gá vỏ spindle 252Hình 5-51 Bản vẽ ống nối 252Hình 5-52 Đồ gá trục 253Hình 5-53 Kiểm tra độ đảo hướng hướng kính của trục quay 254Hình 5-54 Kiểm tra độ đảo hướng hướng kính của trục quay sau khi lắp rotor 254Hình 5-55 Các mô hình cân bằng máy cân bằng Cimat hỗ trợ 254Hình 5-56 Gá trục lên đồ gá 255Hình 5-57 Kích thước yêu cầu 255Hình 5-58 Kết qua đo từ máy Cimat 256Hình 5-59 Kiểm tra độ kín seal trục chính 257Hình 5-60 Thiết bị digital torque wrench của Matco 257Hình 6-1 Chế tạo thử nghiệm vỏ ngoài trục chính 259Hình 6-2 Chế tạo thử nghiệm trục quay spindle 260Hình 6-3 Chế tạo thử nghiệm ty rút đầu BT 260Hình 6-4 Chế tạo thử nghiệm rotor trục chính 261Hình 6-5 Chế tạo thử nghiệm stator trục chính 261Hình 6-6 Hệ lò xo đĩa thử nghiệm 262Hình 6-7 Chế tạo thử nghiệm piston 262Hình 6-8 Chế tạo thử nghiệm xylanh 263Hình 6-9 Lắp ráp cụm xylanh-piston 263Hình 6-10 Lắp ráp cụm xylanh-piston vào trục chính 264Hình 6-11 Chế tạo thử nghiệm vỏ giải nhiệt động cơ 264Hình 6-12 Đường ống nước giải nhiệt và khoan nòng súng 265Hình 7-1 Cụm rotor và trục chính 266Hình 7-2 Cân bằng động học cụm trục chính – rotor 266Hình 7-3 Máy cân bằng động CIMAT 267Hình 7-4 Lắp ráp stator vào vỏ trục chính 268Hình 7-5 Lắp ráp cụm ổ bi trước vào trục chính 268

Hình 7-6 Lắp ráp rotor và trục chính 269Hình 7-7 Trục chính sau khi lắp rotor 269Hình 7-8 Chạy thử nghiệm trục chính 270Hình 7-9 Trục chính sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh 270Hình 7-10 Dùng đòng hồ so và BT gắn trục chuẩn để kiểm tra độ đảo trục chính 271Hình 7-11 Vỏ trục chính sau khi gia công 272Hình 7-12 Trục quay 273Hình 7-13 Đòn kéo 274Hình 7-14 Hệ lò xo đĩa sau khi lắp lên đòn kéo 275Hình 7-15 Vỏ sau trục chính 276Hình 7-16 Vỏ mặt trước trục chính sau khi gia công 277Hình 7-17 Vỏ gá ổ bi sau trục chính sau khi gia công 278Hình 7-18 Xylanh thủy lực 279Hình 7-19 Piston 280Hình 7-20 Vỏ giải nhiệt động cơ sau khi lắp vào vỏ trục chính 281Hình 7-21 Vỏ bao rãnh nước sau khi gia công 282Hình 7-22 Lót Encoder 283Hình 7-23 Phủ Encoder 284Hình 7-24 Lót kín động ngoài 285Hình 7-25 Lót kín động trong 286Hình 7-26 Tấm phủ trước – ngoài 287Hình 7-27 Tấm phủ trước trong 288Hình 7-28 Then dẫn 289Hình 7-29 Vòng cách ngoài ổ sau 290Hình 7-30 Vòng cách trong ổ sau 291Hình 7-31 Vòng cách ngoài ổ trước 292Hình 7-32 Vòng cách trong ổ trước 293Hình 7-33 Nút chặn 294Hình 7-34 Ống lót ổ bi 295Hình 7-35 Vòng cách 296Hình 7-36 Vòng đệm 297Hình 7-37 Sơ đồ lắp phần trục 301Hình 7-38 Sơ đồ lắp hoàn thiện trục chính 301Hình 8-1 Encoder GEL 2444 và Target wheel 302Hình 8-2 So sánh dạng sóng khi có và không có reactor 303Hình 8-3 Reactor cho biến tần 304Hình 8-4 Mạch động lực động cơ trục chính 305Hình 8-5 Bộ lọc đầu vào và đầu ra cho biến tần 305Hình 8-6 Mô hình chạy thử nghiệm độc lập trục chính 306Hình 8-7 Sơ đồ bố trí gia tốc kế trên trục chính 307Hình 8-8 Mô hình lắp đặt thử nghiệm thời gian đáp ứng tốc độ của trục chính 308Hình 8-9 Vị trí lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ 311Hình 9-1 Sơ đồ khối Inverter điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 312Hình 9-2 Khối chuyển áp AC 314

Hình 9-4 Ví dụ sơ đồ điều khiển mosfet 316Hình 9-5 Sơ đồ mạch ứng dụng của PS21765 318Hình 9-6 Khối IGBT công suất 319Hình 9-7 Khối xử lê thuật toán điều khiển 320Hình 9-8 Khối bảo vệ trông xung PWM 321Hình 9-9 Khối bảo vệ quá dòng 321Hình 9-10 Khối cảm biến áp và dòng 322Hình 9-11 Khối giao tiếp 322Hình 9-12 Khối tên hiệu ADC 323Hình 9-13 Khối nút nhấn 323Hình 9-14 Board mạch in mạch động lực 324Hình 9-15 Board mạch in mạch điều khiển 325Hình 9-16 Mạch panel 326Hình 9-17 Vỏ 326Hình 9-18 Mạch biến tàn hoàn chỉnh 327Hình 9-19 Quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số 330Hình 9-20 Nguyên lý của phương pháp điều rộng sin 331Hình 9-21 Sơ đồ dạng điện áp trên các pha 332Hình 9-22 Quá trình hoạt động của bộ điều khiển 333Hình 9-23 Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghịch lưu 336Hình 9-24 Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa 337Hình 9-25 Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y 337Hình 9-26 Các vector không gian từ 1 đến 6 339Hình 9-27 Trạng thái đóng ngắt của các khóa 339Hình 9-28 Vector không gian trong hệ tọa độ xy 340Hình 9-29 Bộ nghịch lưu ở trạng thái V1 341Hình 9-30 Vector điện áp V1 trên tọa độ α − β 341Hình 9-31 Vector điện áp V1→V6 trên giản đồ α-β 342Hình 9-32 Trạng thái đóng ngắt của các cổng tương ứng với vector điện áp V0 và V7

342Hình 9-33 Vector 𝑉𝑠 trên hệ trục 𝛼 − 𝛽 343Hình 9-34 Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng 343Hình 9-35 Vector 𝑉𝑆 ở phần 1 344Hình 9-36 Chu kì đóng ngắt các cổng 345Hình 9-37 Vector Vs trong các vông từ 0-6 347Hình 9-38 Sơ đồ khối giải thuật điều khiển 348Hình 9-39 Sơ đồ Simulink mô phỏng động cơ dựa trên phương pháp V/f 352Hình 9-40 Đáp ứng vận tốc của động cơ 353Hình 9-41 Mô hình thử nghiệm trên động cơ thực tế 354Hình 10-1 Lắp ráp trục chính lên máy phay CNC 355Hình 10-2 Trục chính sau khi lắp lên máy phay 355Hình 10-3 Chạy thử nghiệm máy phay CNC 356Hình 10-4 Chạy thử nghiệm trục chính kiểm tra độ nhám bề mặt gia công 357Hình 10-5 Đo kiểm tra độ nhám 357Hình 10-6 Chạy thử nghiệm đánh giá độ vuông góc 358

Hình 10-7 Kiểm tra độ vuông góc bằng máy CMM 358Hình 10-8 Kiểm tra gia công với dao cầu 359Hình 10-9 Kiểm tra bề mặt gia công bằng phương pháp xử lý ảnh 359Hình 12-1 Sản phẩm trục chính máy phay CNC 362

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Những ảnh hưởng thiết kế khi lựa chọn ổ lăn 25Bảng 1-2 So sánh tính chất của ổ đỡ kim loại và gốm (trang 92, [1]) 27Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật trục chính của công ty KMT 58Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật trục chính của công ty SETCO 58Bảng 2-3 Thông số thiết kế của máy 59Bảng 2-4 Bảng tốc độ cắt của dao hãng Niagara 66Bảng 2-5 Tỷ số giữa các lực cắt thành phần khi phay 72Bảng 2-6 Các thông số khảo sát ban đầu cho thiết kế 74Bảng 2-7 Thông số của ổ bi đỡ-chặn 7014 CD-HCP4A và 7011 CD-HCP4A ([17],

[18]) 87Bảng 2-8 Bảng độ dẫn nhiệt của các loại vật liệu phổ biến 111Bảng 2-9 Bảng thông số đầu kẹp ty rút 115Bảng 2-10 Thông số hình học lò xo 117Bảng 2-11 Bảng tra của nhà sản xuất Schnorr để kiểm tra ứng suất 119Bảng 2-12 Đặc điểm các loại cảm biến 125Bảng 3-1 Hệ số 𝜒 = 𝑙′/𝐷 đối với các loại động cơ khác nhau (trang 304, [37]) 128Bảng 3-2 Bảng bước rãnh theo phân bổ số rãnh trên cực trên phase (trang 310, [37]) 132Bảng 3-3 Các bước cực cho các loại động cơ khác nhau (trang 309, [37]) 132Bảng 3-4 Mật độ từ thông các thành phần trong động cơ (trang 298, [37]) 134Bảng 3-5 Bảng mật độ dòng diện dây dẫn (trang 298, [37]) 136Bảng 3-6 Bảng lựa chọn số rãnh rotor (trang 371, [37]) 140Bảng 3-7 Bảng hệ số tổn hao sắt từ 149Bảng 3-8 Thông số mô hình hóa động cơ 150Bảng 3-9 Kết quả thiết kế Stator với số liệu trong Bảng 3-8 150Bảng 3-10 Kết quả thiết kế động cơ với số liệu trong Bảng 3-8 151Bảng 3-11 Thông số mô hình hóa động cơ 153Bảng 4-1 Dung sai chế tạo của trục 170Bảng 4-2 Dung sai chế tạo của vỏ 170Bảng 4-3 Sai lệch giới hạn của trục 171Bảng 4-4 Thông số yêu cầu đặt ra 175Bảng 4-5 Hệ số giãn nỡ nhiệt độ 177Bảng 5-1 Kí hiệu trong quy trình công nghệ 196Bảng 5-2 Các Phương pháp lắp sử dụng nhiệt 232Bảng 5-3 Nhiệt độ cho phép ở mỗi phương pháp gia nhiệt 235Bảng 5-4 Các thông số cho việc cân bằng tinh 238Bảng 5-5 Lực siết bulon ứng với các kích thước bulon 246Bảng 8-1 Bảng kết quả khảo sát chạy thử nghiệm trục chính 307Bảng 9-1 Thông số động cơ 312Bảng 10-1 Bảng giá thành sản phẩm trục chính 362

MỞ ĐẦU

Hiện nay rất nhiều nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu về máy CNC Trong đó, các nước và lãnh thổ kinh tế có nền công nghiệp phát triển rất nhanh nhờ áp dụng công nghệ máy CNC vào công nghiệp như: Đức, Pháp, Mỹ, Nhật, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc, Thái Lan, đặc biệt là Nhật, Hàn Quốc và Đài Loan là 3 nước ứng dụng máy CNC vào trong công nghiệp rất hiệu quả

Máy CNC công cụ đã được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ những năm 1970 Trải qua một thời gian dài phát triển, cùng với những thành quả của khoa học công nghệ ứng dụng trong tự động hoá và công nghệ thông tin, máy CNC ngày nay đã đóng một vai trò không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất nói chung và lĩnh vực cơ khí nói riêng Với khả năng gia công linh hoạt, độ chính xác cao, ổn định, các máy CNC ngày càng được ứng dụng rộng rãi và dần thay thế các máy vạn năng và chuyên dụng

Thực trạng sản xuất máy công cụ ở khu vực có một số các đặc điểm:

Nhật Bản, Đài Loan: ngành sản xuất máy công cụ đã được hình thành và phát triển khá lâu, các công ty chế tạo máy đã có tên trên thị trường Các nước này cũng có một thị trường sản xuất các phụ kiện nên sự phát triển ngày càng vững chắc Bên cạnh đó, hầu hết các công

ty sản xuất máy công cụ, đặc biệt là CNC đều đã có các nhà máy sản xuất hoặc lắp ráp tại Trung Quốc Do vậy, các nhà cung cấp phụ kiện của Trung Quốc trở nên sôi động cạnh tranh với chính các sản phẩm chính quốc Các nước khác như Singapore, Malaysia, … đã bắt đầu

tự sản xuất máy CNC thông qua đầu tư từ Nhật Bản, Đài Loan

Thailand: các ngành công nghiệp ứng dụng CNC như chế tạo linh phụ kiện có độ chính xác cao, loạt lớn, khuôn mẫu, … rất phát triển Thailand là một trong những nước ứng dụng rất tốt chính sách phát triển do chính phủ đề ra: trở thành nhà cung cấp phụ tùng cho các ngành công nghiệp xe máy và ô tô Chỉ trong khoảng 10 năm (1980-1990), Thailand đã trở thành một trong những nhà cung cấp phụ tùng lớn nhất thế giới, chất lượng tốt và giá thành cạnh tranh do có nhiều hãng đầu tư nhà máy sản xuất xe máy và ô tô tại đây

Singapore: một quốc gia phát triển theo định hướng dịch vụ công nghệ cao, đã phải thay đổi chiến lược phát triển và trong khoảng 5 năm gần đây đã xây dựng được nền tảng cho việc sản xuất máy CNC tại Singapore để tạo tiền đề cho các ngành công nghiệp khác phát triển

Hiện nay, hàng năm Việt Nam đã chi hàng tỷ USD để nhập khẩu một lượng lớn máy công cụ (số liệu thống kê của Tổng cục Hải Quan) Nhu cầu về máy công cụ CNC tại Việt

Nam ngày càng tăng Trong khi, nền công nghiệp chế tạo, công nghiệp phụ trợ hiện nay ở Việt Nam còn rất yếu Một phần nguyên nhân là do thiếu công cụ sản xuất là các máy công

cụ CNC Với sự đầu tư nhiều hiện nay từ các công ty nước ngoài cũng như xu hướng tháo chạy khỏi Trung Quốc của các nhà máy công nghiệp, các doanh nghiệp của Việt Nam đứng trước cơ hội trở thành các nhà sản xuất phụ trợ cho các tập đoàn lớn về cơ khí và điện tử nên việc đầu tư trang thiết bị hiện đại trở thành một nhu cầu cấp thiết để đón được cơ hội này Trong khi đó, nhiều doanh nghiệp lớn, vừa và nhỏ tại Tp HCM và các vùng phụ cận hiện đang phải trả tiền cho nhiều thiết bị gia công CNC có chất lượng cũng như tính năng chưa phù hợp với nhu cầu của mình Thí dụ các thiết bị rẻ tiền của Trung Quốc hoặc thiết bị

cũ của Nhật Bản hay Đài Loan: có độ chính xác thấp (do sau thời gian sử dụng dài mà không được hiệu chỉnh hay thay thế phụ tùng), tiêu thụ điện cao (do dùng các công nghệ điều khiển

cũ của hơn 10 năm về trước), phụ tùng thay thế không có nên hầu hết là ở tình trạng chắp vá nên khi hỏng hóc sẽ rất khó sửa chữa làm mất thời gian và tính cạnh tranh của doanh nghiệp,

Ngành công nghiệp Việt Nam đang hội nhập với thế giới và phát triển rất nhanh, với làn sóng các công nghiệp FDI vào Việt Nam ngày càng nhiều, ngành công nghiệp phụ trợ của Việt Nam ngày càng phát triển Để cạnh tranh với các công ty FDI các công ty Việt Nam phải sử dụng máy CNC để gia công ra các sản phẩm đáp ứng được các yêu cầu từ các đơn hàng của các công ty nước ngoài đặt hàng Hiện nay, phần lớn các công ty tại Việt Nam chọn giải pháp sử dụng máy CNC cũ đã qua sử dụng từ các nước Nhật, Hàn Quốc, Đài Loan Một

số công ty chọn mua máy mới từ Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật với giá thành rất cao

Để quản lý được việc nhập máy móc cũ đảm bảo chất lượng vào ngày 13/11/2015 Bộ Khoa học và Công nghệ đã ra thông tư số 23/2015/TT-BKHCN quy định về việc nhập khẩu máy móc, thiết bị, dây chuyền công nghệ đã qua sử dụng sẽ có hiệu lực vào ngày 1/7/2016, với yêu cầu máy móc cũ phải có tuổi thiết bị không vượt quá 10 năm Như vậy các máy móc CNC cũ nhập về Việt Nam còn mới sẽ có giá còn rất cao Vì hiện nay hầu như ở Việt Nam nhập về các máy móc CNC có tuổi đời trên 20 năm, thậm chí 30 năm

Ứng dụng công nghệ máy CNC vào trong phát triển ngành công nghiệp cơ khí gần như

là một yêu cầu tất yếu mà hiện nay hầu hết các nước phát triển đã trãi qua Đó cũng là lý do

nó trở thành mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp Việt Nam Các nhà khoa học và của nhóm nghiên cứu chúng tôi hiện nay

Chính từ những yêu cầu trên nhóm nghiên cứu muốn nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục, máy tiện CNC 2 trục hoàn thiện với đầy đủ các tính năng để phục vụ cho nhu cầu trong nước hiện nay – một máy CNC “made in Vietnam”

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tìm hiểu tổng quan về trục chính máy gia công kim loại

Ngày nay, mặc dù đã xuất hiện nhiều công nghệ gia công mới, nhưng cắt gọt kim loại vẫn giữ cho mình một vị trí quan trọng trong nền công nghiệp kim loại Cùng với sự công nghiệp hóa, ngành công nghiệp máy công cụ đã liên tục có những bước phát triển cùng với những công nghệ cao để nâng cao tốc độ cắt, độ chính xác và giảm giá thành

Qua nhiều thập kỉ, nguyên lý cắt kim loại và những thành phần cơ khí chính của máy công cụ không mấy khác biệt Một máy công cụ vẫn là sự kết hợp của những thành phần cơ bản như: trục chính, những trục di chuyển (trục X, Y, Z), và dao cắt kim loại Trong những thành phần này thì trục chính là thành phần tối quan trọng nhất bởi vì nhiệm vụ chính của

nó là loại bỏ kim loại, trục chính được lắp với trục Z thông qua bệ đỡ trục chính như Hình 1-1 Mặc dù, có những trục chính cấu trúc khác nhau và được thiết kế cho những máy công

cụ với mục đích khác nhau (máy phay, máy tiện, … ) thì tất cả chúng đều có vai trò cơ bản giống nhau đó là quay phôi hoặc dao cắt với moment và tốc độ thích hợp để thực hiện quá trình cắt

Trục X Trục Z

Trục Y

Thân máy ATC

Bệ đỡ trục chính

Trục chính

Hình 1-1 Vị trí trục chính trên máy phay CNC Trục chính giữ phôi hoặc dao cắt quay quanh một trục cố định và được truyền công suất bằng nhiều cách khác nhau Vào thời xưa, người ta chạy bằng tay thông qua sức người, động

vật Gần hơn, thì sử dụng công suất thủy lực, khí nén, động cơ hơi nước cho đến khi động

cơ điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Có rất nhiều cách để dẫn động trục chính với động cơ điện Ngày nay, những trục chính máy công cụ thường được phân loại theo dẫn động bên ngoài hay bên trong dựa vào những thành phần kết nối và phương pháp lắp động cơ điện vào trục chính Những trục chính dẫn động bên ngoài thì động cơ được đặt bên bên ngoài vỏ trục chính, truyền công suất thông qua đai, bánh răng, … Mặc khác, trục chính dẫn động tích hợp bên trong thì động cơ điện đặt bên trong vỏ trục chính, có rotor kẹp lấy trục quay

Nhìn chung, 4 loại dẫn động trục chính sau đây thường được sử dụng tùy thuộc vào các yêu cầu kỹ thuật như:

- Khả năng truyền động về lực, torque, công suất, tốc độ, …

- Sự giản nở về nhiệt, dao động, đồ ồn, …

- Chất lượng cuối cùng của bề mặt gia công

- Những tiêu chí khác như bảo trì, chi phí, …

1.1.1 Trục chính dẫn động bằng đai

Thường được sử dụng rộng rãi trong những máy gia công truyền thống bởi chi phí thấp

và khả năng làm việc tốt, hiệu suất của trục chính truyền động đai khi truyền công suất từ động cơ đến trục chính khoảng 95%, ít hơn so với trục chính dẫn động trục tiếp (gần 100%) nhưng tốt hơn trục chính dẫn động bằng bánh răng (ít hơn 90%) (trang 78, [1])

Động cơKhớp nối

ĐaiTrục quay

Trục chính

Ổ lăn

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý trục chính dẫn động bằng đai Công suất và chuyển động quay cung cấp cho trục chính bằng một động cơ bên ngoài Động cơ được lắp bên ngoài trục chính, và torque được truyền đến trục quay thông qua đai

Do đó, công suất, torque, và tốc độ trục chính phụ thuộc vào đặc tính của động cơ truyền

- Đai sử dụng khả năng mang tải của ổ đỡ

- Chiếm không gian máy

1.1.2 Trục chính dẫn động bằng bánh răng

Ưu điểm:

- Torque lớn tại tốc độ thấp, phù hợp cho những công việc nặng, gia công thô

- Kết cấu trục chính đơn giản

Nhược điểm:

- Dao động lớn, ảnh hưởng không tốt đến bề mặt cuối cùng của phôi

- Hiệu suất làm việc thấp

- Chiếm không gian máy

Động cơKhớp nối

Bánh răngTrục chính

Ổ lănTrục quay

Hình 1-3 Sơ đồ nguyên lý trục chính dẫn động bằng bánh răng

1.1.3 Trục chính dẫn động tích hợp động cơ

Động cơ điện (gồm stator và rotor) được tích hợp vào trong cấu trúc của trục chính nằm giữa cụm ổ lăn trước và sau với rotor kẹp trực tiếp với trục quay mà không cần thông qua các bộ truyền động cơ khí

Stator Rotor Ổ lănTrục chính Trục quay

Hình 1-4 Sơ đồ nguyên lý trục chính được dẫn động tích hợp

Ưu điểm:

- Hạn chế tối đa dao động và độ ồn

- Có thể đạt đến tốc độ rất cao, hơn 15.000 𝑟𝑝𝑚 (trang 80, [1])

- Cấu trúc nhỏ gọn, ít chiếm không gian máy

- Chất lượng bề mặt gia công tốt

Nhược điểm:

- Cấu trúc phức tạp

- Đòi hỏi phải giám sát và xử lý những nguồn nhiệt phát sinh trong trục chính

1.2 Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo trục chính máy phay CNC

Với các ưu nhược điểm của các cấu trúc trục chính được phân tích ở phần trên Nhiệm

vụ đề tài này xác định việc thiết kế trục chính tích hợp động cơ để tận dụng tối đa ưu điểm của loại trục chính này

Những thành phần đặc trưng cơ bản của một trục chính có động cơ tích hợp bao gồm ổ lăn, trục quay, động cơ, vỏ trục chính, cảm biến, cụm nhà/ kẹp toolholder, hệ thống bôi trơn

và làm nguội, hệ thống bịt kín, … như Hình 1-5

1.2.1 Ổ đỡ trục chính

Ổ đỡ trục chính là thành phần kết nối trục quay với phần vỏ trục chính Đây là thành phần cực kỳ quan trọng của trục chính Nó đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác của truc chính Việc lựa chọn ổ đỡ phải được tính toán kỹ thông qua các thông số như lực cắt, tốc độ cắt, tải trọng, chu kỳ làm việc Dung sai lắp ghép của ổ đỡ cũng phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để việc lắp ráp được thuận tiện cũng như được độ chính xác cao trong gia công

1.2.1.1 Các loại ổ đỡ thường dùng cho trục chính

Trục chính phải cung cấp tốc độ quay, momen và công suất đến dao cắt, nên ổ đỡ phải

có tuổi thọ và chịu tải tốt Tiêu chí lựa chọn loại ổ đỡ phụ thuộc vào thông số kĩ thuật của trục chính, mỗi tiêu chí đều sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn ổ đỡ

bi đỡ chặn Bảng dưới đây phân tích các loại ổ bi phù hợp với từng yêu cầu của trục chính Bảng 1-1 Những ảnh hưởng thiết kế khi lựa chọn ổ lăn

Tốc độ cao Ổ bi đỡ-chặn tiếp xúc Tốc độ cao, khả năng tải tốt

Độ cứng vững cao Ổ đũa Tốc độ thấp, khả năng tải rất tốt Mang tải dọc trục Góc tiếp xúc lớn Tốc độ thấp hơn

Mang tải hướng kính Góc tiếp xúc bé Tốc độ cao hơn

Như chúng ta thấy ở Bảng 1-1, có rất nhiều yếu tố ảnh hướng đến quyết định lựa chọn loại ổ bi nào phù hợp với trục chính Một trục chính với yêu cầu tốc độ cao sẽ khó đạt được

độ cứng vững tối đa, và trục chính với yêu cầu độ cứng vững tốt sẽ khó có thể chạy ở tốc độ cao mà không gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ổ đỡ