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

Truyền dẫn trục chính Cụm trục chính là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để gọt phôi trong quá trình gia công Máy phay CNC EMCOMILL750 sử dụng động cơ

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,máy cắt 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.

Nô i 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 Vít me bi và ray dẫn hướng

máy X, Y

II So sánh với một số máy CNC cùng loại

1 :FVP800A AGMA-a12 3:EMCOMIL thiết kế

Tốc độ trục chính 10000 8000 (v/ph) 50-12000 6000v/ph

Vân tốc chạy lớn nhất 24/15 24/10 (m/ph) 30/15 (m/ph) 18/15 (m/ph)khi không gia công và (m/ph)

khi gia công có lực

Gia tốc lớn nhất Không rõ Không rõ 0.3 gm/s2 0.4 gm/s2

 Chọn máy EMCOMILL 750 làm máy tham khảo do có nhiều thông số tương đồng với máy cần thiết kế

- Bảng thông số kĩ thuật :

III Phân tích động học máy tham khảo

1 Truyền dẫn trục chính

Cụm trục chính là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh

ra lực cắt để gọt phôi trong quá trình gia công

Máy phay CNC EMCOMILL750 sử dụng động cơ motor trực tiếp 15/20

kW , momen xoắn cực đại 100 N/m, tốc độ 50-15000v/ph thông qua bộ truyền đai tốc độ trục chính tối đa lên đến 12000 v/ph

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:

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 công

+ Chuyển động chạy dao chéo : là chuyển động 2 trục, khi đó bàn máy Xvà

Y sẽ chuyển động đồng thời tạo ra chuyển động chéo

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 daoxoay 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 dừnghoạt 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 bằng độ mòn; chi phí sản xuất đắt

+ Đẫn hướng tròn: dễ sản xuất và chính xác Đảm bảo chống lại xoay tròn bằng rãnh hoặc kết hợp với bộ phận dẫn hướng khác

+ Máy sử dụng dẫn hướng dạng đuôi én Ưu điểm :

+ Độ chính xác vị trí cao

+ 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

2 Vít me đai ốc bi

Chuyển động chạy dao tịnh tiến thường đước dẫn động bằng các động cơ

servo quay thông qua cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến là : trục vít me -đai ốc bi

Vít me đai ốc bi là cơ cấu truyền động biến chuyển động quay thành chuyển độngtịnh tiến nhờ biến đổi chuyển động lăn của các viên bi trong thân đai ốc bi, hay nói các khác nó chuyển đổi momen xoắn thành lực đảo chiều dọc trục

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 độnggiữa trục vít me và đai ốc

4 Vành nhựa chắn bi: thường được làm bằng nhựa để chặn các bụi bẩn trong quátrình làm việc Vành nhựa được chế tạo cùng bước ren với bước trên trục vít và đai 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 đốidiện 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

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

+ 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 so với 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 đầuDao có 6 lưỡi (z=6), đường kính D=80mm Tiêu chuẩn : JIS

Vật liệu: S45CGrade 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

Tính tuổi thọ trung bình

Kiểm tra với tuổi thọ yêu cầuYes

Xác định độ cứng vữngXác định độ chính xác

Bôi trơn và chống bụi

Hoàn thành

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

Tổng chiều dài dịch chuyển: l s = 750 mm

Các đoạn di chuyển :

+ Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray : =410mm

+ Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: = 286mm

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

dẫn: l4 = 0 mm

+ Độ cao từ tâm trục vít me tới mặt bàn máy:l5 = 149 mm

+ Độ cao từ tâm trục vít me tới phôi:l6 = 485 mm

Sơ đồ phân bố tải trọng lên ray dẫn hướng

Chuyển động đều, lực hướng kính P n:

2 l1 2 l1

P t l a = −m1 a3 l4

=0(N )

1 3 2l1

Chuyển động tăng tốc sang phải P

n r a

3 :

P t r a = −m1 a3 l4

=0 ( N )

1 3 2 l1

+ Giảm tốc sang phải :

3 P E 2 l a3 X 1+ P3 X 2+ P E 2 l a3 X + P E 2 r a3 X + P3 X + P E 2 r a3X3

P

=1125(N ) 2l S

 Từ điều kiện về tải trọng tĩnh và tải trọng động ta tra catalog của hãng PMI

chọn series MSA 20A

Với các hệ số tải động: C = 19.2 (kN); Hệ số tải tĩnh: C O= 29.5(kN)

+ 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 +

= 0 , 3 =0 , 075( s ), X3 =X1=0 , 01125(m) a3 4

X 2=l s − X1−X3 =0,5875 (m)

- Chuyển động giảm tốc sang trái P n la3 : P1 l a3 =P1 + m1 a3 l6

- Tính toán tải tương đương :

3 P E 2 l a3 X +P3 X 2+ P E 2 l a3X 3+P E 2 r a3 X + P3 X + P E 2 r a3X 3

P

=3274,9(N ) 2l S

- Tốc độ vòng để thực hiện một chu trình :

Từ điều kiện tải trọng tĩnh và động ta tra catalog hãng PMI chọn series : MSA30A

Với các thông số : C = 39.2 (kN); Hệ số tải tĩnh: C O= 57.8 (kN)

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 máycông 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

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

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 tiếp xúc 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 tiếpxúc 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 :

P=α π 2 NEI =m d r 4 × 103

Trong đó :

18.1.1.2 Tải kéo nén cho phép

Tải kéo nén được tính theo công thức :

P=σ A=σ π d

4r4

Trong đó :

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:

supported-supported : f=9,7fixed-supported : f=15,1fixed-fixed : f=21,9fixed-free : f=3,4

• f w: Hệ số tải trọng, được cho theo bảng sau:

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:

• 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 tịnh tiến (momen phát động nằm ở phần quay) :

T = F a

×l

a 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) :

36.Momen do tải đặt trước :

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

T =k × F a 0

× l