Thiết kế máy BKDN

Đầu tiên, cần xác định rõ công dụng máy thiết kế và các tham số có liên quan đến các chỉ tiêu kinh tếkỹ thuật bằng cách dựa vào các số liệu ban đầu về yêu cầu đối với các chi tiết gia công được trên máy, như • kích thước, hình dáng, tập hợp các bề mặt gia công, vật liệu và chất lượng bề mặt gia công • tính đa dạng của các chi tiết gia công được trên máy

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa

Tập bài giảng Môn học Thiết kế Máy

Biên soạn theo đề cương môn học chuyên ngành cơ khí ĐHBK ĐN

Người biên soạn : Bùi trương Vỹ Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa

Đại học Đà nẵng

Đà Nẵng - Năm 2007

Phần II: Thiết kế Máy công cụ

Mở đầu: Các vấn đề chung về thiết kế máy

1 Các giai đoạn chính của quá trình thiết kế máy: Toàn bộ quá trình thiết kế máy

có thể phân chia thành các giai đoạn sau (H6.1)

H6.1: Các giai đoạn thiết kế máy

− Đầu tiên, cần xác định rõ công dụng máy thiết kế và các tham số có liên quan đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật bằng cách dựa vào các số liệu ban đầu về yêu cầu đối với các chi tiết gia công được trên máy, như

• kích thước, hình dáng, tập hợp các bề mặt gia công, vật liệu và chất lượng bề mặt gia công

• tính đa dạng của các chi tiết gia công được trên máy

Các yêu cầu về chi tiết gia công là cơ sở lựa chọn phương pháp gia công và dụng cụ cắt cần thiết Ngoài ra, các số liệu đầy đủ của chúng giúp ta xác định được đặc tính kỹ thuật máy thiết kế, gồm phạm vi tốc độ công tác, tốc độ chuyển động phụ của các cơ cấu chấp hành máy, công suất truyền dẫn, phương pháp điều chỉnh cũng như mức độ cung cấp cho máy các trang bị phụ cần thiết

– Xác định đặc tính kỹ thuật máy thiết kế: Nhiệm vụ kỹ thuật ở giai đoạn nầy

là lập luận có cơ sở tính chất hợp lý của việc chế tạo máy mới đồng thời cho các số liệu ban đầu để thiết kế máy Máy mới phải có các ưu điểm nỗi bật so với các máy hiện có, nói chung phải nâng cao được các chỉ tiêu về chất lượng trong điều kiện đảm bảo hiệu quả kinh tế Khi xác định đặc tính kỹ thuật cho máy thiết kế, nên tiến hành lập bảng đặc tính kỹ thuật của các máy cùng kiểu Việc phân tích bảng giúp ta nhận xét, vạch ra được các ưu nhược điểm của chúng một cách dễ dàng

− Đặc tính kỹ thuật máy thiết kế cung cấp các số liệu ban đầu để nghiên cứu, phân tích, lựa chọn sơ đồ nguyên lý toàn máy: sơ đồ động, sơ đồ điện, sơ đồ thủy lực hay khí nén…

Các giai đoạn thiết kế nêu trên là nội dung của bản kiến nghị kỹ thuật, cũng chính là luận chứng kinh tế-kỹ thuật cho máy thiết kế Sau khi đã được sự thoả thuận của phía đặt hàng, bản kiến nghị nầy dùng làm cơ sở thực hiện các công việc thiết kế tiếp theo Bản kiến nghị kỹ thuật cùng với giai đoạn thiết kế cụm máy gọi chung là quá trình thiết kế kỹ thuật Cuối quá trình nầy, toàn bộ kết cấu máy bao gồm bản vẽ lắp tất cả các cụm kể cả thuyết minh chỉ rõ đặc tính kỹ thuật, các chi tiết tiêu chuẩn, các phân tích tính toán cụm và chi tiết máy đã được hoàn tất, bố cục máy và lắp ráp chung đã được kiểm tra

Quá trình thiết kế chế tạo được tiến hành ngay khi hồ sơ thiết kế kỹ thuật được cấp trên duyệt y và hiệu chỉnh Công việc của quá trình nầy là nghiên cứu thiết kế chế tạo các cụm và các chi tiết chủ yếu, các điều kiện kỹ thuật cần thiết Đây chính là các văn kiện kỹ thuật để chế tạo, lắp ráp và điều chỉnh máy

Sau quá trình thiết kế chế tạo, thường thực hiện chế tạo 1 hay 2 mẫu thử nhằm kiểm tra, thử nghiệm và đưa vào những hiệu chỉnh thích hợp cho các bản vẽ chế tạo chi tiết, các cụm máy Mẫu thử nghiệm cần kiểm tra về độ chính xác, độ cứng vững, tính chịu rung , tiếng ồn, sự toả nhiệt cũng như các tham số đặc trưng cho hệ thống chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật khác

H6.2 giới thiệu các bước thiết kế cụm máy Khi đã xác định được các đặc tính kỹ thuật chính của máy thiết kế, bước tiếp theo là lựa chọn các phương án khác nhau về kết cấu có kèm theo tính toán, thiết kế sơ bộ để so sánh, phân tích theo điều kiện cụ thể

và là cơ sở chọn phương án kết cấu tối ưu Kiểm tra lại lần cuối phương án đã chọn so với nhiệm vụ thiết kế đặt ra trước khi tiến hành xây dựng bản vẽ lắp ráp cụm máy H6.3 là 1 ví dụ trình bày các bước thực hiện khi thiết kế cụm trục chính máy mài

H6.2: Các bước thiết kế cụm máy

H6.3: Ví dụ thiết kế cụm trục chính máy mài

Dựa trên các số liệu ban đầu như độ chính xác và số vòng quay của trục, có thể có nhiều phương án lựa chọn kết cấu ổ trục khác nhau Tính toán phân tích sơ bộ cho phép loại trừ những phương án không thích hợp và chọn được 1 hay 2 phương án tốt nhất Quyết định phương án cuối cùng phải căn cứ vào các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, sau đó lập các văn kiện kỹ thuật và toàn bộ bản vẽ thiết kế

Mẫu thử cũng phải được thử nghiệm gia công các loại chi tiết thông thường, và theo chế độ gia công nâng cao Một lần nữa, có thể cần hiệu chỉnh các bản vẽ chế tạo do thay đổi điều kiện kỹ thuật, vật liệu hay kết cấu

Chỉ sau khi hoàn tất thử nghiệm, máy thiết kế mới được tiến hành sản xuất hàng loạt Tuy nhiên công việc của người thiết kế vẫn chưa kết thúc vì phải theo dõi thường xuyên máy làm việc trong điều kiện sản xuất thực tế, thường xuất hiện những khả năng mới yêu cầu cải tiến kết cấu sau nầy

Rõ ràng là quá trình thiết kế và chế tạo máy mới đòi hỏi nhiều thời gian và công sức

Để đẩy mạnh và ứng dụng nhanh chóng những kiểu máy hoàn thiện hơn, phải có các phương pháp thiết kế tiên tiến Triển vọng mới hiện nay là khả năng tự động hoá thiết

kế nhờ các phương tiện kỹ thuật tính, qua đó có thể cải thiện năng suất lao động cho người thiết kế

Những phần việc thiết kế đã được tự động hoá:

− Thu thập và xử lý các thông tin ban đầu về số lượng, chủng loại chi tiết gia công, số liệu thống kê về miền sử dụng máy

− Tính toán phân tích thiết kế kỹ thuật, mô phỏng cơ cấu, chế tạo mẫu thử

− Xử lý các văn kiện kỹ thuật

Chương 6: Các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của máy thiết kế

Để đánh giá chất lượng 1 máy thiết kế mới, cần có hệ thống chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật

1 Năng suất máy: được xác định bởi khả năng gia công 1 số lượng chi tiết nhất định trong 1 đơn vị thời gian, hay nói một cách khác, năng suất tỉ lệ nghịch với thời gian tiêu tốn cho gia công Thường phân biệt các loại năng suất sau:

1.1 Năng suất cắt gọt: tính bằng lượng kim loại lấy đi trong 1 đơn vị thời gian đối với 1 hay nhiều chi tiết gia công đồng thời trên máy Các giá trị (trung bình) cho theo bảng (6.1) giúp ta có thể hình dung về năng suất cắt gọt đối với các phương pháp gia công khác nhau

Điện hoá Siêu âm Laze

15

1 0,01

10

25

4000 Bảng 6.1: Năng suất gia công

1.2 Năng suất tạo hình: tính bằng diện tích bề mặt hay tổng của k bề mặt gia công đồng thời trên máy trong 1 đơn vị thời gian

T

tnL

Li : chiều dài hành trình

n0 : số lượng chi tiết gia công đồng thời trên 1 vị trí công tác

tcg : thời gian cắt gọt

T : khoảng thời gian của toàn bộ chu kỳ

Cả 2 loại năng suất trên được gọi là năng suất công nghệ, chỉ dùng khi so sánh năng suất giữa các phương pháp gia công bề mặt khác nhau, nhưng không xác định được năng suất thực tế của máy Năng suất máy phải kể đến chi phí thời gian dành cho các nguyên công phụ bên cạnh thời gian cắt gọt cần thiết cho gia công

1.3 Năng suất từng chiếc: đo bằng đại lượng tỉ lệ nghịch với thời gian tiêu tốn khi

gia công 1 chi tiết

T ph

T ph

Q t

t

1 T

1 Q

+

= +

=

= (6.2) tph : thời gian dành cho các nguyên công phụ, không trùng với thời gian gia công

cg T t

1

Q = : Năng suất công nghệ 6.3) Nếu tph = 0 hay quá trình gia công được thực hiện một cách liên tục và tất cả các nguyên công phụ đều trùng với thời gian gia công liên tục, thì năng suất máy chính bằng năng suất công nghệ, Q = QT, cũng đồng nghĩa với 1 chiếc máy lý tưởng tự động cắt gọt liên tục không có hành trình chạy không

Năng suất thực tế của máy khác với các giá trị xác định bởi các biểu thức trên, do nhiều nguyên nhân khác nhau: thời gian dành cho phục vụ bảo quản, những trục trặc ngẫu nhiên khi làm việc, thay thế hoặc hiệu chỉnh các dụng cụ đã mòn Để tính đến tất

cả các khoảng chi phí thời gian nầy, thường dùng hệ số sử dụng kỹ thuật η xác định như sau: η =

T

t 1

1 ngck + (6.4)

trong đó tngck : tổn thất thời gian ngoài chu kỳ khi gia công 1 chi tiết và không có liên quan đến đặc tính của quá trình công nghệ thực hiện trên máy Khi đó, năng suất từng chiếc được tính: η

+

= + +

=

ph cg ngck ph

1 t

t t

1

Q (6.5) Những phương pháp cơ bản để nâng cao năng suất:

− Tăng năng suất công nghệ

− Làm trùng thời gian của các nguyên công khác nhau

− Giảm bớt thời gian chạy không

− Giảm bớt tất cả các dạng tổn thất ngoài chu kỳ

2 Độ chính xác máy: là khả năng đảm bảo hình dáng hình học, chất lượng bề mặt

và độ chính xác kích thước cho các chi tiết gia công được trên máy Độ chính xác máy

có quan hệ trực tiếp đến độ chính xác gia công và các sai số của máy có ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Tất cả các dạng sai số của máy có thể quy về các nhóm chính sau

2.1 Sai số hình học: là sai số vị trí tương quan bố trí các cụm, cơ cấu máy, phụ thuộc vào độ chính xác gia công các chi tiết và lắp ráp máy Do vị trí tương quan giữa các cụm và chi tiết máy không được bảo đảm chính xác, chẳng hạn các chi tiết dẫn

hướng- sóng trượt, bàn trượt chế tạo không chính xác dẫn đến quỹ đạo chuyển động của cơ cấu máy bị sai lệch, hoặc khe hở của ổ trục chính hay độ ô van của cổ trục gây

ra độ đảo hướng kính của đầu mút trục chính làm sai lệch hình dạng chi tiết theo phương ngang

Để đảm bảo sai số hình học nằm trong giới hạn cho phép, người thiết kế quy định các yêu cầu về độ chính xác chế tạo chi tiết máy xuất phát từ dung sai cho phép của chi tiết gia công trên máy có tính đến khả năng sản xuất thực tế

2.2 Sai số động học: là sai số gây ra do chế tạo không chính xác các bộ truyền như bánh răng, bánh vít-trục vít, vít me-đai ốc trong xích động làm ảnh hưởng đến tốc độ chuyển động của cơ cấu chấp hành, đặc biệt quan trọng trong những trường hợp khi cần có sự phối hợp chuyển động giữa dụng cụ và phôi để tạo hình, ví dụ gia công răng, cắt ren Sai số chế tạo các khâu cuối của xích động, như các bộ truyền bánh vít-trục vít, bộ truyền vít me-đai ốc có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác động học máy

2.3 Sai số đàn hồi: là sai số gây ra do biến dạng cơ cấu, cụm máy dưới tác dụng của lực cắt dẫn đến thay đổi vị trí tương quan ban đầu giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công Như đã biết, lực cắt tổng thay đổi trong quá trình gia công theo giá trị, phương

và điểm đặt Khối lượng các cụm máy khi chuyển động gây ảnh hưởng khác nhau đến các bộ phận chịu tải và làm thay đổi giá trị chuyển vị đàn hồi Khả năng của máy chống lại sự phát sinh chuyển vị đàn hồi gọi là độ cứng vững, hay độ cứng Độ cứng J của cụm máy được xác định bằng tỉ số lực P đặt vào cụm theo phương gây biến dạng cụm δ:

− Biến dạng bản thân vật thể chi tiết

− Biến dạng tiếp xúc

− Biến dạng do khe hở của mối ghép

− Biến dạng bề mặt

− Biến dạng của thành mỏng (tấm, nêm )

2.4 Sai số do nhiệt độ: là sai số gây ra do sự tăng nhiệt không đồng đều ở các vị trí

khác nhau của máy trong quá trình làm việc và làm thay đổi độ chính xác hình học ban đầu Sự thay đổi của biến dạng nhiệt theo thời gian tuân theo quy luật hàm mũ, có dạng: l l (1 e t)

0 t

2.5 Sai số động lực học: gây ra do dao động tương đối của dụng cụ cắt so với chi tiết gia công, đặc biệt có ý nghĩa ở các quá trình chuyển tiếp như khởi động, phanh hãm, đảo chiều, tiến dao Ngoài tác động có hại đến độ chính xác gia công, dao động trong máy còn ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ, tuổi thọ cơ cấu và chi tiết máy

Các ảnh hưởng của dao động đến sai số gia công thường được đánh giá qua các đường đặc tính tần số-biên độ và pha-biên độ

2.6 Sai số dụng cụ cắt: loại sai số nầy gây ra do mòn dụng cụ và đây là một trong những nguyên nhân chính của sai số gia công Bên cạnh đó còn do sai số chế tạo của bản thân dụng cụ cắt và sai số gá đặt dụng cụ lên máy

Lượng mòn của dụng cụ theo bề mặt sau thay đổi theo thời gian cũng giống với quy luật đặc trưng ở phần lớn các dạng hao mòn, sau thời kỳ chạy rà, tốc độ mòn có giá trị gần như không đổi

Ảnh hưởng chung của các loại sai số khác nhau trên máy đến độ chính xác vị trí tương quan giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công được khảo sát một cách hợp lý trên cơ

sở thiết lập chuỗi kích thước Cọng tất cả các sai số nầy theo thời gian có thể nhận được sai số tổng khác biệt nhiều so với đặc điểm thay đổi ở từng thành phần

H6.4: Xác định sai số tổng bằng phương pháp lập chuỗi kích thước

Ví dụ thiết lập chuỗi kích thước phẳng với các khâu song song để phân tích sai số bố trí các cụm máy mài tròn ngoài, ta có thể tìm được sai số trung bình của đường kính chi tiết gia công (H6.4):

δd =2(δL−δl−δR) (6.8) trong đó δL : sai số tổng của trục vít dẫn (trên đoạn l1) và đoạn l2 do biến dạng nhiệt

và biến dạng đàn hồi

δl : sai số tổng do nhiệt và biến dạng đàn hồi của ụ mài

δR : sai số dụng cụ (do mòn và sai số hiệu chỉnh)

Để nâng cao độ chính xác máy, cần tìm cách nâng cao độ cứng vững máy, ví dụ thiết

kế các hệ thống chịu được tải lớn, có biến dạng đàn hồi bé, hoặc nâng cao chất lượng

bề mặt mối ghép và chất lượng lắp ráp, giảm số lượng mối ghép và chiều dài xích động, nâng cao độ cứng vững cho các khâu yếu, làm giảm bớt các ảnh hưởng có hại của biến dạng nhiệt bằng cách bố trí dòng nhiệt hợp lý trong máy hoặc tạo ra kết cấu hợp lý để cân bằng các sai số do bù trừ lẫn nhau Ở các máy hiện đại, luôn có các hệ thống điều khiển tự động, hệ thống hiệu chỉnh và tự động bù trừ sai số, các cơ cấu tự động kiểm tra tích cực

2.7 Độ tin cậy của Máy : xác định bởi tính chất sản xuất liên tục không bị đứt quãng, cho ra những sản phẩm đúng quy cách với một số lượng nhất định trong một kỳ hạn phục vụ xác định Sự mất mát khả năng làm việc của máy được gọi là sự hỏng hóc Khi hỏng hóc, hoặc toàn bộ sản phẩm bị ngừng cung cấp, hoặc gây phế phẩm Xác suất hỏng hóc tính theo kết quả thử nghiệm No khả năng, và loại ra các khả năng hoàn hảo: NoT = No - Nhh ; Nhh biểu thị các khả năng hoàn hảo, ta có:

o

oT TN

1)t

hh

=

λ (6.10)

Xác suất làm việc không hỏng của máy là 1 hệ phức tạp gồm n thành phần ghép liên

tục, được biểu thị dưới dạng: =∏n

1 i

M(t) P(t)

P (6.11) trong đó Pi(t) : xác suất làm việc không hỏng của yếu tố thứ i

Để nâng cao độ tin cậy, phải tối ưu hoá kỳ hạn phục vụ của cơ cấu và chi tiết máy

quan trọng cũng như phải áp dụng nguyên tắc dự trữ khi xử dụng các hệ thống thiết bị phức tạp, chẳng hạn có các cơ cấu dự phòng phát hiện và phòng ngừa những hỏng hóc

có thể xảy ra …

2.8 Tính vạn năng của máy: được đặc trưng bởi thể loại chi tiết gia công được và phạm vi điều chỉnh Đây là 1 chỉ tiêu quan trọng đối với máy có công dụng chung, phục vụ trong sản xuất loạt nhỏ

Xác định phạm vi điều chỉnh máy thường bằng cách tính chi phí cần thiết khi điều chỉnh từ chi tiết nầy chuyển sang chi tiết khác gia công được trên máy Phạm vi điều chỉnh cũng có thể xác định bằng quy mô tối ưu của loạt chi tiết Quy mô tối ưu càng nhỏ thì phạm vi điều chỉnh càng cao và tính vạn năng của máy càng rộng

2.9 Mức độ tự động hoá: xác định theo mức độ gia công chi tiết trên máy một cách tự động không có sự tham gia của người Đánh giá mức độ tự động hoá dựa trên

tỉ số giữa thời gian làm việc tự động và tổng thời gian gia công chi tiết trên máy

=∑n

i

đi tT

t

a (6.12) trong đó ttđi : thời gian của 1 trong số n nguyên công thực hiện tự động

T : tổng thời gian gia công chi tiết

Khi đánh giá mức độ tự động hoá, cần chú ý rằng phần thời gian gia công trên máy

so với tổng thời gian sản xuất chi tiết thường rất bé Theo các số liệu thống kê, thời gian trung bình đặt chi tiết trên máy chỉ chiếm khoảng 5% tổng thời gian sản xuất, 95% thời gian còn lại tiêu tốn vào việc chuyển chi tiết từ vị trí nầy sang vị trí khác, cũng như cất giữ giữa các nguyên công Do vậy, để đánh giá đúng mức độ tự động hoá chế tạo chi tiết, trong công thức (6.12), T là tổng thời gian cần thiết cho sản xuất chi tiết, còn tử số là tổng thời gian của tất cả các nguyên công thực hiện tự động, kể cả kiểm tra

2.10 Hiệu quả kinh tế của máy: là tiêu chuẩn chủ yếu để đánh giá tính hợp lý khi chế tạo máy mới Hiệu quả kinh tế máy có thể được tính toán theo chi phí quy đổi tổng, là tổng chi phí hiện tại tính cho giá thành sản phẩm và khoảng tiết kiệm hàng năm (hiệu quả vốn đầu tư) Π = C + kHΦ (6.13) trong đó C : giá thành sản phẩm cả năm

kH : hệ số hiệu quả vốn đầu tư (0,15 ÷0,2)

Φ : Vốn đầu tư

Đánh giá hiệu quả kinh tế cả năm bằng hiệu của chi phí quy đổi tổng đối với máy mới (chỉ số 2) và máy được thay thế (chỉ số 1):

E = (C1 + kHΦ1)-(C2 + kHΦ2) (6.14) Đạt hiệu quả kinh tế khi C2 + kHΦ2 < C1 + kHΦ1

hay H

H 2 1

1

k

1C

−

Φ

−Φ

(6.15) với TH : thời gian hoàn vốn , là thời gian cần thiết để hạ giá thành sản phẩm từ C1 xuống C2 Thường đối với sản xuất cơ khí, TH = (3 ÷5) năm ứng với kH = (0,15 ÷0,2) Vốn đầu tư bao gồm giá thành trang thiết bị và đồ gá, cũng như giá thành thiết bị chiếm chỗ và giá thành có liên quan đến các đối tượng sinh hoạt phục vụ

− Giá thành trang thiết bị:

Ktb = αGtb (6.16) trong đó Gtb : giá bán của trang thiết bị cùng với toàn bộ các cơ cấu phụ kèm theo

α : hệ số tính đến chi phí bổ sung cho chuyển vận và lắp đặt

− Giá thành diện tích mà thiết bị chiếm chỗ : Kdt = Gdt Sγ (6.17) trong đó Gdt : giá thành trung bình 1m2 diện tích nhà xưởng; S : diện tích thiết bị chiếm chỗ; γ = (1,5 ÷5) : hệ số tính toán bổ sung phụ thuộc vào mặt bằng tổng thể

− Giá thành của các vấn đề có liên quan đến việc sử dụng nhà xưởng, thường được tính toán bổ sung cho diện tích mà trang thiết bị chiếm chỗ

Giá thành chế tạo các chi tiết trên máy trong 1 năm tính bằng tổng chi phí:

C = ∑

=

n 1 i i

C (6.18) với Ci : chi phí tiền lương công nhân, bảo quản, sữa chữa trang thiết bị, chi phí cho dụng cụ hao mòn, khấu hao đồ gá, chuẩn bị sản xuất, chi phí cho năng lượng điện Chi phí cho năng lượng điện tỉ lệ với công suất danh nghĩa động cơ :

CE = NδHE (6.19) trong đó N : công suất danh nghĩa của động cơ [kW] ; δ : hệ số có tải của máy

HE : chi phí định mức hằng năm cho 1 kW công suất

Tính toán hiệu quả kinh tế cần được thực hiện ngay ở giai đoạn thiết kế sơ bộ Chi phí quy đổi nhỏ nhất là tiêu chuẩn khách quan để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu Chỉ tiêu hiệu quả kinh tế trong hệ thống các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật là tổng quát nhất

để đánh giá chất lượng máy mới

Chương 7: Lựa chọn đặc tính kỹ thuật máy thiết kế

1 Xác định rõ công dụng của máy thiết kế: Các chi tiết gia công trên máy được đặc trưng bởi các thông số cơ bản như hình dạng, kích thước, vật liệu và độ chính xác gia công Tập hợp các số liệu ban đầu của chúng, phân tích dựa trên tính chất liên tục gia công và số lượng hành trình chuyển tiếp, dạng và số lượng dụng cụ cắt, chế độ cắt để xây dựng quy trình công nghệ gia công điển hình theo tiêu chuẩn chi phí quy đổi nhỏ nhất là cơ sở để xác định và giới hạn miền sử dụng hợp lý cho máy thiết kế, hay nói một cách khác, tối ưu hóa chức năng và công dụng của máy

2 Phạm vi tốc độ công tác: Tốc độ chuyển động công tác (tốc độ cắt và lượng chạy dao) của cụm máy, bàn dao hay bàn máy mang chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt yêu cầu khi gia công 1 số lượng lớn chi tiết cụ thể (hoặc chi tiết điển hình) và dụng cụ cắt

sử dụng Tốc độ cắt có khuynh hướng tăng lên theo mức độ cải thiện dụng cụ cắt cũng như việc áp dụng các loại vật liệu dụng cụ mới Trong điều kiện sản xuất thực tế, người ta phải lập đường cong phân bố xác suất áp dụng tốc độ cắt khác nhau cho toàn

bộ phạm vi chức năng và công dụng của máy để lựa chọn các giá trị giới hạn của tốc

độ cắt có kể đến tổn thất năng suất máy

− Để xác định giá trị giới hạn của số vòng quay trục chính máy tiện, cần xác định phạm vi tốc độ cắt và phạm vi kích thước đường kính gia công Theo các số liệu thống kê, phạm vi kích thước RD = 4

D

D min max = chiếm hơn 85%, còn RD = 6 chiếm 92% toàn bộ các trường hợp gia công Khi đó phạm vi số vòng quay trục chính :

Rn = v D

min

max min

max min

D

D V

V n

− Đối với các máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi (bào, xọc), phạm vi điều chỉnh số hành trình kép được xác định theo phạm vi tốc độ công tác và chiều dài gia công: nmax =

α +

=

⋅

1

1 L V V

V L

1

min max

max ck max min

; nmin=

α + 1

1 L

V max min (7.2)

trong đó Vmax, Vmin: tốc độ công tác lớn nhất, nhỏ nhất

Vckmax: tốc độ chạy không

Lmax, Lmin: chiều dài hành trình lớn nhất và nhỏ nhất của bàn máy

max ck

max V

L

L V

max o min

max min

s

s n

n S

S = = ⋅ (7.4)

với so : lượng chạy dao tính theo mm/vòng

3 Đặc điểm của điều chỉnh phân cấp: Trên toàn bộ phạm vi của tốc độ chuyển động công tác (số vòng quay, số hành trình kép, tốc độ chạy dao), truyền dẫn có thể dùng

H7.1: Giản đồ số vòng quay trục chính khi điều chỉnh phân cấp

phương pháp điều chỉnh phân cấp hoặc vô cấp Khi điều chỉnh phân cấp trong 1 giới hạn xác định, cần lựa chọn dãy các giá trị điều chỉnh một cách hợp lý Phổ biến nhất là

sử dụng dãy số hình học có các trị số trong dãy tuân theo quy tắc cấp số nhân Bản chất của việc chứng minh các ưu điểm của dãy hình học được tóm tắt như sau

Nếu khảo sát 2 trị số vòng quay bất kỳ kề nhau, nk và nk+1, thì trên giản đồ H7.1 chúng được biểu diễn dưới dạng 2 đường thẳng nghiêng đi qua gốc tọa độ Giả sử cần gia công chi tiết có đường kính D0, có thể chọn ở 2 giá trị tốc độ cắt Vk và Vk+1 bởi vì tốc độ trung gian trên máy không có Khi đó nếu tốc độ cắt cần thiết theo chế độ gia công nằm ở khoảng giữa thì tổn thất tốc độ tuyệt đối được xác định:

2

VV

v k 1 − k

=

(7.5) Trường hợp xấu nhất với V0 ≈ Vk+1, và thường chọn tốc độ cắt theo Vk để dao đỡ mòn, như vậy ứng với tổn thất tốc độ lớn nhất ∆Vmax = Vk+1 - Vk Tổn thất tốc độ tương đối có thể viết :

1 k

k

1 k

k

1 k

max

n

n1V

V1V

V

+ +

const

n

n11 k

−+

hay + =const=ϕ

n

nk

nn

là điều hiển nhiên vì ϕ = 1, điều chỉnh trở thành vô cấp, còn giới hạn trên được thành lập từ điều kiện tổn thất tốc độ tương đối lớn nhất không được vượt quá 50%

1 1 0,5

V

Vmax

=ϕ

2 122 6 2 3 2 2 3 / 22 6 / 52 2

% V

Vmax

∆

5 10 20 30 40 45 50 Lựa chọn số cấp tốc độ từ công thức R=ϕz−1 cần dựa theo điều kiện:

Z= 2E 1 ⋅3E 2 (7.10)

trong đó E1, E2 : số nguyên Điều kiện (7.10) tương đương với điều chỉnh phân cấp

bằng các nhóm truyền bánh răng gồm 2 hoặc 3 bộ truyền ghép liên tục trong hệ thống

truyền động

Trên cơ sở các giá trị công bội tiêu chuẩn, các trị số vòng quay cũng đã được tiêu

chuẩn (bảng II-2 [3]) Các trị số vòng quay thực tế nhận được trên trục chính phải nằm

trong giới hạn sai số cho phép: ∆n [%]= ± 10(ϕ -1) (7.11) Dãy hình học đều là tốt nhất khi điều chỉnh phân cấp, nếu xác suất sử dụng 1 số vòng

quay bất kỳ là như nhau trên toàn bộ phạm vi Các số liệu thống kê đã chứng tỏ rằng

điều đó phù hợp với các máy cỡ nặng, còn đối với các máy cỡ trung và cỡ nhỏ, dãy

hình học không đều có thể có lợi hơn, ví dụ với công bội nhỏ dùng cho phần phạm vi

điều chỉnh trung bình, còn công bội lớn dùng ở các biên

4 Tốc độ chuyển động phụ: Cần chọn sao cho thời gian chuyển động trên đoạn

đường chạy không là nhỏ nhất Tuy nhiên khi tăng tốc độ chuyển động, tổn thất thời

gian dành cho việc giảm tốc độ (hay dừng) có thể vượt quá thời gian có lợi nếu tăng

tốc độ

Giả sử hệ truyền động của chuyển động phụ có độ cứng vững cao và bỏ qua ảnh

hưởng của biến dạng đàn hồi thì khoảng sai lệch của thời gian chuyển động (có nguồn

gốc từ sai số hệ thống điều khiển khi giảm tốc độ hay dừng) có thể được đặc trưng bởi

khoảng phân bố thời gian ∆ Lấy ví dụ trong trường hợp giảm tốc độ 1 cấp trước khi

dừng (H7.2), thời gian chuyển động của cụm máy ở tốc độ nhanh được tính:

T1 = − ∆

1

V

L (7.12)

H7.2: Lựa chọn tốc độ chuyển động phụ khi giảm tốc độ 1 cấp

Thời gian dừng của cụm máy để giảm tốc độ sang V2:

T= T1 + T2 = − ∆

1 V

2

1 V

V (7.14)

Trị số V1 tối ưu tìm được khi 0

V V

L dV

dT

2

2 1 1

=

∆ +

−

=

⇒ V1tư =

∆ 2

Lv ; Tmin = 2 ∆ − ∆

2 V

L (7.15)

Lập luận tương tự cho các trường hợp hạ thấp 2 hay nhiều cấp tốc độ trước khi dừng

để phân tích và chọn được V1tư cũng như thời gian nhỏ nhất cần thiết cho chuyển động

5 Chế độ tải tính toán đối với các máy vạn năng: Các loại máy công cụ vạn năng làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi, có số vòng quay trục chính (hoặc số hành trình kép) biến đổi trong giới hạn từ nmin cho đến nmax Do vậy, chọn chế độ tính toán hợp lý để xác định kích thước của chi tiết máy ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng máy đạt hiệu quả kinh tế cao

Để có thể chọn được chế độ tính toán hợp lý, người ta dựa vào các số liệu thống kê thời gian sử dụng máy và đồ thị sử dụng công suất cũng như Momen xoắn tương ứng trên toàn chuỗi số vòng quay Theo các số liệu thống kê, thực tế cho thấy ở 2 khoảng

¼ giữa trên toàn phạm vi dãy số vòng quay được sử dụng nhiều hơn cả

Trong khi đó, khi điều chỉnh số vòng quay từ nmin đến nmax, mong muốn trục chính

tiêu thụ cùng một công suất ( N = const ) Tuy nhiên ứng với giá trị nmin, Momen xoắn

nhận được tương ứng là Mxmax Nếu tính toán kích thước chi tiết máy theo giá trị nầy

sẽ không hợp lý vì thực tế ¼ khoảng thấp của dãy số vòng quay ít sử dụng

Do vậy phải tính toán Mx theo giá trị nt (H7.3) và ¾ khoảng trên của dãy số vòng

quay có cùng công suất sử dụng (N = const), còn ở ¼ khoảng thấp cần hạ thấp công

suất (ví dụ chọn chế độ cắt thích hợp) để đảm bảo độ bền và tuổi thọ cho chi tiết máy

Trị số nt được xác định theo công thức: nt = nmin4

min

max n

n (7.16)

Đối với chuỗi lượng chạy dao, vì công suất chạy dao bé, tốc độ chạy dao chậm hơn

H7.3: Đồ thị sử dụng công suất trên toàn dãy số vòng quay nhiều so với tốc độ cắt nên nts của chuỗi lượng chạy dao đươc chọn tùy trường hợp

cụ thể, đảm bảo chi tiết đủ cứng vững Sau khi đã có nt, tính toán công suất cắt theo

chế độ cắt công nghệ (s,t) sao cho máy làm việc hết công suất Cũng cần tham khảo

thêm các chế độ cắt gọt thử máy tại nơi sản xuất các máy chuẩn

6 Lực trong truyền dẫn

Lực phát sinh trong máy do:

– Lực cắt: gây ra do quá trình biến dạng và ma sát tại vùng cắt gọt, chủ yếu

phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công và các tham số của quá trình cắt, bao gồm

chiều rộng và chiều sâu lớp cắt, diện tích mài mòn bề mặt sau của dao và các yếu tố

khác Tính toán lực cắt thường dựa vào dựa vào các số liệu về tính chất cơ học của vật

liệu hơn là các số liệu của một quá trình cắt, có thể tham khảo các công thức sau [6]

Pz = kb( a+0,4c) (7.17a)

PN= Px2 +Py2 = kb(0,4a+c) (7.17b)

trong đó Pz, Px, Py [kG]: các thành phần lực cắt tương ứng theo 3 trục tọa độ, với trục

z cùng phương véc tơ tốc độ cắt

k: hằng số cơ học, phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu gia công [kG/mm2]

b: bề rộng lưỡi cắt [mm], a: chiều sâu lớp cắt [mm]

c: lượng mòn trung bình của bề mặt sau dao [mm] [3]

Đối với thép kết cấu có thể lấy k = (120 ÷180) [kG/mm2] tùy theo độ cứng vật liệu thép, còn đối với gang k = (90 ÷110) [kG/mm2]

Khi dụng cụ cắt bắt đầu cắt vào chi tiết, lực cắt tăng dần đến giá trị ổn định Po Trong khoảng thời gian quá độ nầy, lực quá tải tức thời có thể đạt đến giá trị 2Po tùy thuộc vào hệ thống công nghệ Làm giảm sự quá tải tức thời đạt được bằng các biện pháp giảm chấn và nâng cao tần số riêng của hệ truyền động

Bản chất vật lý của quá trình cắt kim loại

Giả sử tiện 1 lớp kim loại trên 1 trục rỗng Có thể mô hình quá trình cắt kim loại theo

2 phương (H7.4) với các giả thiết: dụng cụ sắc nhọn hoàn toàn, chiều sâu cắt h và vận tốc cắt V không đổi, chiều sâu cắt nhỏ hơn so với bề rộng cắt Ở mô hình nầy, trên miền trượt chính, lớp vật liệu phía trước bị biến dạng và tạo thành phoi do quá trình trượt Trên mặt trước dụng cụ, phoi trượt gây ra ma sát ở miền biến dạng dẻo thứ hai

Mô hình tiên đoán một cách chính xác rằng lực cắt tăng cùng với tăng chiều sâu cắt,

độ cứng vật liệu và hệ số ma sát Lực cắt tỉ lệ nghịch với góc trước Công suất cắt tăng theo tốc độ chạy dao Mô hình là 2D nhưng có thể mở rộng cho gia công 3D

H7.4: Mô tả quá trình cắt kim loại

H7.5: Mô hình quá trình cắt kim loại (cắt vuông góc)

1 Giản đồ vận tốc tại vùng cắt gọt

Phoi trượt trên bề mặt dụng cụ cắt gây ra ứng suất trượt τs và biến dạng trượt tương ứng εs Giả sử phoi không chịu nén, tính chất liên tục (định luật bảo toàn khối) cho phép mô tả mối quan hệ giữa các véc tơ vận tốc như sau: Vh = Vchc

H7.6: Giản đồ vận tốc tại vùng cắt gọt Theo luật sin (H7.6):

)cos(

sinVVcos

Vsin

V)cos(

V

hay

)90sin(

Vsin

V))(90

sin(

V

c s

c

0 s c

0

γ

−φ

φ

=

⇒γ

=φ

=γ

=γ

−φ

−

Một tỉ số hay dùng, thường gọi là tỉ số cắt, được định nghĩa: 1

h

hr

c p

=

γφ+γ

φ

=γ

−φ

tan)

cos(

sinV

⇒

sinr1

cosrtan

Tỉ số cắt có thể được dùng làm cơ sở thử nghiệm xác định φ

2 Lực cắt

Giả sử các ứng suất pháp (nén) và ứng suất tiếp phân bố đều trên 2 bề mặt, có thể xác định lực tác dụng lên bề mặt trượt chính và mặt trước dụng cụ (viết dưới dạng véc tơ) Trên bề mặt trượt chính:

s

)/(sin)bh(F

FdA

dA

R trong đó τs là ứng suất trượt khi vật liệu bắt đầu

trượt dọc theo mặt trượt (flow stress), b: bề rộng lớp cắt

Tương tự, lực trên mặt trước dụng cụ có thể được biểu thị:

N dA

dA

N

F : hệ số ma sát trong điều kiện ma sát Coulomb,

0,5 < µ < 2 và µ = tanβ Giả sử bỏ qua khối lượng và các lực khác, ta có : Rs + Rr = 0

φ

=

γ

−β+φ

=φ

−φ

=

cosFsin

F

F

)cos(

RsinFcos

F

F

t c

n

t c

−γ

=

β

=γ+

γ

=

cosRsinFcos

F

N

sinRcosFsin

F

F

t c

t c

trong đó β: góc ma sát, với µ = tanβ =

N F

Dựa vào các phương trình trên, có thể xác định ứng suất trượt và hệ số ma sát

Nếu biểu diễn lực tác dụng theo các thành phần ở 2 phương x và y, ta có:

φcos

−

γsin

cos

⎥

⎦

⎤γ

γcos

N

= −Txỵ(γ) Rr

Thành phần x của lực tác dụng trên mặt trượt chính là thành phần tạo ra công suất cắt,

Fc, còn thành phần y là thành phần lực đẩy (kéo) Ft ( lực chạy dao) : Fc = Txỵ(φ) Rs

và trên mặt trước dụng cụ: −Fc = −Txỵ(γ) Rr : Fc = Txỵ(γ) Rr

+ Các lực Fn, Fs, F, N không thể đo trực tiếp

+ Chỉ có thể đo trực tiếp Fc và Ft Nếu Fc và Ft đo được, có thể xác định Fs

và Fn qua thực nghiệm

+ Nếu φ cho trước, có thể tìm được Fc dựa vào các phương trình trên

─ Phân tích biến dạng trượt

Biến dạng trượt được xác định theo H7.6

)cos(

sin

cosw

cotw)tan(

ww

−φ

∆

=

∆

=

trượt lớn Tốc độ biến dạng trượt tìm được bằng cách đạo hàm phương trình biến dạng:

)cos(

w

cosVw

Vw

dt

)BC

)cos(

Fs

γ

−β+φ

γ

−β

với Fs =

φ

τsin

bh

s ⇒ Fc =

)cos(

)cos(

γ

−βφ

τ

Giả thiết Merchant: Trong tất cả các góc có thể xảy ra biến ḍạng trượt, vật liệu có

khuynh hướng lựa chọn một góc trượt φ trên miền trượt chính sao cho làm giảm nhỏ nhất năng lượng tiêu tốn, hay ứng suất trượt lớn nhất Ứng suất trượt lớn nhất:

bh

sin

Fss

Các nhận xét: Khi góc trước giảm hay ma sát tăng:

● Góc trượt trên miền trượt chính giảm

● Lực cắt tăng

● Phoi dày hơn, đồng nghĩa với năng lượng phân tán qua trượt nhiều

hơn, do vậy nhiệt độ cắt gọt tăng, nói chung khó gia công hơn

Xác định góc của miền trượt chính φ là chủ đề của nhiều công trình nghiên cứu, và

được tóm tắt theo bảng sau (Bảng 1): Bảng 1

φ = 45 - 0.5 (β-γ) Ernst-Merchant Cực tiểu về lực

φ = 0.5 cot -1K - 0.5 (β-γ ) Merchant Cực tiểu về lực và hệ số K

φ = 45 - (β-γ) Lee−Shaffer Lý thuyết trượt theo đường

φ = 45 - β - 0.5γ Stabler

φ = 45-0.5 tan -1 (2µ) + 0.5γ Hucks

φ = 0.5cot -1K- 0.5tan-1 (2µ) + 0.5 γ Hucks

φ = 50 - 0.8 (β-γ) Palmer-Oxley Lời giải kết hợp cho mô hình

miền trượt

3 Công suất

─ Năng lượng cần thiết cho quá trình cắt gọt kim loại: FcV

+ Năng lượng dùng cho quá trình gây biến dạng trượt: FsVs

Năng lượng riêng cần cho biến dạng trượt:

bhV

VF

FVc =

bh

FbhV

Nếu gọi MRR (Material Removal Rate) là lượng kim loại được lấy

đi trong 1 đơn vị thời gian [mm3/thời gian], năng lượng cần thiết cho quá trình cắt có

thể được tính: N = u [Nm/mm3].MRR[mm3/s]=u[J/mm3].MRR[mm3/s]=N[W] MRR là lượng kim loại hớt được trong thời gian thực hiện quá trình cắt, ví dụ khi tiện chiều dài L, tốc độ chạy dao F, thời gian thực hiện quá trình tiện là L/F Thường MRR được xác định theo lượng chạy dao S [mm/vòng], chiều sâu cắt t[mm] và tốc độ cắt V[m/ph] MRR = S.t.V

Để đơn giản trong tính toán, người ta lập bảng tính theo năng lượng đơn vị(Bảng 2) Bảng năng lượng đơn vị (sơ bộ) Bảng 2

• Ma sát hỗn hợp: Ở dạng nầy lực ma sát phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng pháp tuyến và tốc độ chuyển động tương đối Ngoài ra lực ma sát còn tăng lên cùng với thời gian tiếp xúc cố định Để tính toán gần đúng có thể lấy hệ số ma sát hỗn hợp f

cµ

(7.18) trong đó c: hệ số phụ thuộc vào các thông số hình học của các bề mặt đối tiếp

h: chiều dày lớp dầu bôi trơn ; µ: độ nhớt dầu bôi trơn [cP] ; v: tốc độ trượt tương đối [m/ph] ; p: áp lực trung bình trên bề mặt tiếp xúc [kG/cm2]

• Ma sát lăn: Lực ma sát lăn xuất hiện trong đường hướng và ổ, gồm 2 thành phần, một thành phần không phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến, phần kia tỉ lệ

với tải trọng pháp tuyến T = To + P

r

fl [kG] (7.19) trong đó To : lực ma sát ban đầu [kG]; fl : hệ số ma sát lăn [cm] ;

r : bán kính bi hay con lăn [cm]

Lực ma sát ban đầu trong đường hướng khi chuyển động To = 0,4kG, còn ở trạng thái

tĩnh T = 0,5kG Đường hướng bằng thép có fl = 0,001 cm, với gang fl = 0,0025cm

– Lực do trọng lượng: Đây là các lực phát sinh do khối lượng của cụm máy và

cơ cấu, bao gồm lực và momen quán tính ở chế độ chuyển tiếp và dao động, lực ly tâm

ở tốc độ quay cao , trong một số trường hợp đặc biệt phải tính toán xác định Đánh

giá chung đặc tính biểu thị ảnh hưởng của tải trọng động có thể dựa vào hệ số kđ là tỷ

số giữa giá trị biến dạng đàn hồi do tác dụng của tải trọng động và biến dạng tĩnh

tương ứng: kđ =

t

đ δ

δ (7.20)

Theo tính toán, kđ = (1 ÷ 2) phụ thuộc vào thời gian quá độ và tần số riêng của hệ

thống đàn hồi

7 Công suất truyền dẫn: dùng để tạo ra lực công tác cũng như khắc phục các loại

trở lực khác nhau và được biểu thị dưới dạng:

Nđ/c = Nci + Nck + Np (7.21)

– Công suất có ích: Nci =

102 60

v

Pz

⋅

⋅ [kW] (7.22) Pz: thành phần lực cắt theo phương tốc độ cắt [kG]; v: tốc độ cắt [m/ph]

Đối với truyền dẫn chạy dao: Nci = s 3

1010260

vQ

không cân của lực cắt thành phần Px gây ra

Px: thành phần lực cắt trùng với phương chuyển động của bàn dao [kG]

F: lực ma sát trên bộ phận dẫn hướng [kG]; vs: tốc độ chạy dao [mm/ph]

Thường Nci chiếm khoảng (70÷80)% công suất động cơ nên có thể tính gần đúng Nđ/c =

ηciN [kW] (7.25) η: hiệu suất chung của truyền dẫn, có giá trị từ (0.7÷0.85) đối với các máy có

chuyển động chính quay tròn, và(0.6÷0.75) đối với các máy có chuyển động chính tịnh

tiến

Đối với các máy vạn năng, cần chú ý xác suất sử dụng công suất có ích ở các trị số

vòng quay khác nhau trên toàn bộ phạm vi công tác Các số liệu thống kê đã chứng tỏ

rằng trong điều kiện sản xuất thực tế, phần phạm vi điều chỉnh trung bình và cao

thường sử dụng hết công suất, còn ở các tốc độ thấp, công suất chỉ được dùng phần

nhỏ Do vậy kết quả xác định công suất phải phù hợp với sự phân bố công suất có ích

trên toàn phạm vi điều chỉnh

– Công suất của hành trình chạy không: Xác định theo công thức kinh nghiệm

tb

c / 1 6

d

d k n 10

dtb: đường kính trung bình của tất cả ngõng trục các trục truyền dẫn [mm]

∑n: tổng số vòng quay của tất cả các trục không kể trục chính [v/ph]

nt/c: số vòng quay của trục chính [v/ph]

dt/c: đường kính trục chính [mm]

Tăng trị số vòng quay các trục trong xích động làm tăng tổn thất công suất ở hành

trình chạy không, do đó đối với các máy cao tốc thường phải rút ngắn xích động, giảm

số lượng trục truyền dẫn, giảm ma sát tại các ổ trục bằng các biện pháp bôi trơn, giới

hạn lực căng sơ bộ cho ổ

– Công suất cho tổn thất phụ

Công suất phụ thường không vượt quá (10÷15)% tổng công suất, khi tính gần đúng

có thể bỏ qua

Chú ý: Cũng có thể xác định công suất cần thiết bằng cách dựa vào bảng năng lượng

đơn vị (bảng 2) Khi đó, cần tính lượng kim loại hớt được trong thời gian thực hiện

quá trình cắt, MRR Ví dụ khi tiện, MRR = S.t.V với S :lượng chạy dao [mm/vòng], t :

chiều sâu cắt [mm], V: tốc độ cắt [m/ph] và MRR[mm3/s]

Chương 8: Thiết kế động học truyền dẫn máy công cụ

Mục đích của phần nầy nhằm xây dựng được sơ đồ hệ thống truyền động của toàn máy Nội dung gồm các vấn đề sau:

1 Lựa chọn động cơ điện trong truyền dẫn: Tùy trường hợp truyền dẫn chuyển động chính, chạy dao hay chuyển động phụ, có nhiều yêu cầu khác nhau đặt ra khi chọn động cơ Để truyền chuyển động chính, hầu hết các máy đều cần công suất lớn, đặc tính cơ của động cơ đủ cứng, cũng như có thể cho phép điều chỉnh được số vòng quay trong phạm vi nhất định Trong truyền dẫn chạy dao, thường phải điều chỉnh được số vòng quay và khả năng thực hiện chuyển động định vị chính xác, đây cũng chính là yêu cầu đối với các chuyển động phụ Dạng chuyển động của cơ cấu chấp hành ảnh hưởng quan trọng đến việc lựa chọn động cơ, ví dụ đối với dạng chuyển động thẳng có phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn cần so sánh giữa động cơ thủy lực và động cơ điện

Các loại động cơ thường gặp

− Động cơ điện không đồng bộ: Loại nầy được ứng dụng phổ biến do giá thành rẻ, độ tin cậy cao và đặc tính cơ cứng Hiện nay người ta ít dùng động cơ điện không đồng bộ điều chỉnh số vòng quay, tuy nhiên có thể thực hiện được hoặc bằng cách thay đổi số đôi cực hoặc thay đổi tần số nguồn cung cấp theo công thức

n = (1 s)

p

f60

− (8.1) trong đó f: tần số nguồn cung cấp; p: số đôi cực; s: độ trượt

Điều chỉnh số vòng quay bằng cách thay đổi độ trượt s làm giảm độ cứng đường đặc tính cơ của động cơ, do vậy không áp dụng

− Động cơ điện không đồng bộ nhiều cấp tốc độ: Các cấp tốc độ khác nhau nhận được nhờ thay đổi số đôi cực Phạm vi sử dụng chủ yếu trong truyền dẫn chính các máy có công suất không lớn (ví dụ các máy doa chuyên dùng ), với tỷ số các cấp tốc độ 1:2 ( 500/1000, 750/1500, 1500/3000v/ph)

− Động cơ dòng 1 chiều: cho phép điều chỉnh được số vòng quay một cách dễ dàng và vì vậy ngày càng được ứng dụng rộng rãi để thay thế cho các kiểu động cơ khác dùng trong truyền dẫn chạy dao hoặc chuyển động phụ

Phạm vi điều chỉnh số vòng quay của động cơ khi công suất không đổi (5 ÷ 10kW) dùng cho truyền dẫn chuyển động chính ở hầu hết các máy thường nhỏ hơn phạm vi

yêu cầu Tuy nhiên phải chú ý rằng công suất không đổi trên toàn bộ phạm vi là không cần thiết, do vậy trong truyền động chính, người ta ứng dụng kiểu điều chỉnh phối hợp, nghĩa là phần dưới của phạm vi điều chỉnh bảo đảm momen xoắn không đổi, còn phần trên phạm vi điều chỉnh là ở công suất không đổi Điều nầy cũng hợp lý bởi vì ở phần dưới của phạm vi điều chỉnh thường không sử dụng hết công suất theo các số liệu thống kê

− Động cơ thủy lực: phổ biến hơn cả là ở dạng xy lanh thủy lực cung cấp chuyển động thẳng cho cơ cấu chấp hành máy, ví dụ truyền dẫn chuyển động chính của các máy chuốt, máy bào, xọc, hoặc chuyển động chạy dao, chuyển động phụ ở các loại máy mài Ưu điểm của nó là kích thước nhỏ, tác dụng nhanh, cho phép ghép trực tiếp động cơ với bộ phận chấp hành Đối với các máy hiện đại, người ta còn sử dụng các hệ thống có liên hệ ngược theo tốc độ chuyển động thực tế để tránh ảnh hưởng của sự thay đổi độ nhớt dầu và các sai số khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác chuyển động

Động cơ thủy lực quay cũng cho phép điều chỉnh được vô cấp tốc độ trong 1 phạm vi rộng, kích thước nhỏ, truyền momen xoắn lớn Nhược điểm chính của chúng là hệ thống truyền dẫn khá phức tạp, giá thành cao

2 Điều chỉnh tốc độ phân cấp: Khi điều chỉnh phân cấp với chuỗi số vòng quay tuân theo cấp số nhân, có một số quy luật cho phép làm đơn giản việc nghiên cứu thiết

kế sơ đồ động

Số cấp tốc độ do các nhóm truyền ghép liên tục:

z = ∏m

1 i

p (8.2) trong đó pi : số bộ truyền ở nhóm thứ i; m: số nhóm truyền

1 trong các nhóm truyền của hệ thống truyền động phải là nhóm cơ sở Nhóm nầy tạo nên dãy số vòng quay đầu tiên với công bội ϕ (công bội của nhóm cơ sở), có số cấp chính là số bộ truyền (số tỉ số truyền) của nhóm Các nhóm còn lại được gọi là các nhóm thay đổi (nhóm thay đổi thứ nhất, nhóm thay đổi thứ hai ) và dùng để khuếch đại dãy đầu tiên trên khắp phạm vi yêu cầu

Khi điều chỉnh phân cấp, phương pháp phân tích giản đồ là phương pháp thuận tiện

để phân tích các phương án có thể có trong hệ thống truyền động

− Phương pháp phân tích giản đồ: sử dụng các quy ước mô tả lưới kết cấu và

đồ thị vòng quay Khi vẽ, biểu diễn các trục bố trí liên tục trong xích động bằng các đường thẳng nằm ngang song song và cách đều nhau Logarit trị số vòng quay trên mỗi trục lần lượt từ giá trị đầu tiên Đối với số vòng quay kế tiếp, ta có: lgnk+1 - lgnk

= lgϕ = const Do vậy, các trị số vòng quay được biểu diễn đồng đều trên các trục Các đường thẳng nối các giao điểm trên các trục liên tiếp biểu diễn các tỉ số truyền

• Lưới kết cấu: cho phép hình dung được các phương án thay đổi thứ tự gạt khác nhau của hệ thống truyền động Lưới kết cấu quy ước vẽ đối xứng

H8.1a: Sơ đồ động của hệ thống truyền động có z =3 × 2 × 2 Giả sử hệ thống truyền động gồm 3 nhóm truyền ghép liên tục (H8.1a) với số cấp tốc

độ z = 3 × 2 × 2 Các phương án khác nhau có thể có của lưới kết cấu phụ thuộc vào nhóm truyền nào là nhóm cơ sở (nhóm thay đổi đầu tiên), nhóm truyền nào là nhóm thay đổi tiếp theo (nhóm khuếch đại)

Tổng số phương án khác nhau của lưới kết cấu nhận được bằng

!q

)m(

!m

!q

!

=

trong đó q: số nhóm có số bộ truyền (số tỉ số truyền) giống nhau (hoán vị các nhóm

có số bộ truyền giống nhau không làm tăng phương án mới)

Hình (8.1b) là 1 số lưới kết cấu của hệ thống truyền động có z =3× 2 × 2 và 4 phương

án của lưới kết cấu có phương án thay đổi thứ tự : (I II III )

Lưới kết cấu còn được dùng để loại trừ các phương án không có lợi do tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng vượt quá giá trị cho phép lớn nhất Đối với truyền dẫn chuyển động chính, thường lấy

imin

4 1

≥ ; imax ≤ 2

H8.1b: Một số phương án của hệ thống truyền động z = 3× 2 × 2

Cả 2 điều kiện nầy có thể quy về

8

i

min max = ϕ ≤ (8.3) Điều kiện (8.3) dễ dàng kiểm tra đối với từng nhóm truyền, bởi vì số mũ k chính bằng số khoảng lg ϕ giữa các tia ngoài cùng là các tia có tỉ số truyền nhỏ nhất và lớn nhất

• Đồ thị vòng quay: khác với lưới kết cấu ở chỗ, vẽ đủ tất cả các trục theo

sơ đồ động, giữa các trục là các bộ truyền riêng lẻ hay theo từng nhóm truyền Các điểm trên tất cả các trục là các trị số vòng quay (lấy theo trục toạ độ logarit) sắp xếp lần lượt từ điểm đầu tiên Đồ thị vòng quay được vẽ không đối xứng

Mỗi phương án lưới kết cấu có thể có các phương án đồ thị vòng quay khác nhau (H8.1b) phụ thuộc vào các bộ truyền thành phần, và lựa chọn trị số tỉ số truyền trong từng nhóm truyền Trục vào từ động cơ thường có tốc độ quay khá nhanh (1500 ÷

3000 vg/ph), và trục chính có các dãy trị số vòng quay thấp hơn Muốn giảm tốc độ, nên giảm ở các cấp sau cùng để cho các trục trung gian làm việc với các trị số vòng quay tương đối cao bởi vì kích thước trục và mođun các bánh răng của các bộ truyền trung gian có mối quan hệ với số vòng quay :

ϕ

=lg

2lg

Pk (8.4)

• Dùng bánh răng thay thế thiết kế theo kiểu hoán đổi thuận nghịch cho phép tạo ra số tỉ số truyền lớn nhất trong nhóm Nếu mỗi cặp bánh răng thay đổi vị trí lắp, số tỉ số truyền chung có được lớn gấp đôi số cặp bánh răng (H8.2b)

• Các số liệu thống kê về sử dụng các máy vạn năng đã cho thấy rằng phần phạm vi điều chỉnh trung bình dãy số vòng quay được sử dụng nhiều hơn so với các biên ngoài cùng của dãy số Do vậy trong nhiều trường hợp ở các máy ứng dụng lưới kết cấu biến hình theo cách: trên phần phạm vi điều chỉnh trung bình dãy số công bội

ϕ, còn ở các biên công bội tăng lên ϕ2 hoặc ϕ3 Như thế có thể mở rộng phạm vi điều chỉnh mà không làm tăng số bộ truyền (H8.2c)

• Đối với các máy làm việc với tốc độ cao, tổn thất công suất ở hành trình chạy không tăng lên khi số lượng bộ truyền công tác tăng Để hạn chế điều nầy cũng như làm giảm các loại sai số khác nhau của truyền dẫn đến trục chính máy, người ta dùng phương án sơ đồ hệ thống truyền dẫn tách rời (H8.3) với hộp tốc độ tách rời hộp trục chính Đặc điểm chính của truyền dẫn tách rời (qua các đường truyền gián tiếp-trực tiếp) là có một số cấp tốc độ thực hiện không phải qua tất cả các trục của hệ thống truyền động mà chỉ đi qua 1 số trục (H8.2d) Số cấp tốc độ nhận được là:

z = z1 + z2 = ∏1 +∏m2

1 i m

1

p (8.5) Với phương pháp phân tích giản đồ, người thiết kế dễ dàng hình dung, phân tích và

so sánh đầy đủ các phương án của hệ thống truyền động

Lựa chọn được 1 phương án tối ưu luôn là 1 bài toán khó, tuy nhiên có thể dựa trên nguyên tắc là mong muốn độ dài xích động được giảm bớt, vừa đảm bảo kinh tế, vừa

giảm các nguồn gây ra sai số và nâng cao hiệu suất truyền dẫn

Kích thước của các bộ truyền có ảnh hưởng chung đến kích thước hộp, do vậy phương án tốt nhất là phương án có 1

i

i min max → Số bộ truyền, số trục, số lỗ hộp tương ứng cần thiết là các yếu tố quan trọng quyết định giá thành của hệ thống truyền động máy

3 Điều chỉnh tốc độ vô cấp: Thường sử dụng các loại động cơ cho phép điều chỉnh tốc độ hay các bộ biến tốc cơ khí Điều chỉnh vô cấp tốc độ có các ưu điểm sau

– Nâng cao năng suất gia công nhờ lựa chọn được chính xác tốc độ có trên máy theo chế độ gia công tối ưu Tổn thất năng suất tương đối đối với hầu hết các máy khi điều chỉnh phân cấp tốc độ chuyển động chính và chuyển động chạy dao được tính theo công thức:

sv

sv1Q

vc,s: tốc độ cắt và tốc độ chạy dao theo chế độ cắt yêu cầu

v ′c, s ′: tốc độ cắt và tốc độ chạy dao có sẵn trên máy, thường có giá trị bé hơn

Với dãy số vòng quay và lượng chạy dao tuân theo quy tắc cấp số nhân (lấy v′k nằm giữa vk và vk-1):

2

1v

s ϕs +

=

′ (8.7) Tổn thất năng suất trong trường hợp nầy là:

)1)(

1(

41

– Dễ tự động hoá hệ thống điều khiển Nếu động cơ hay bộ biến tốc được ghép với hộp tốc độ phân cấp, để tự động hoá việc thay đổi tốc độ, cần sử dụng các ly hợp điện từ

Nhược điểm chính của điều chỉnh vô cấp còn tồn tại là phạm vi điều chỉnh khi N = const bị giới hạn, thường nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu trong truyền dẫn chuyển động chính của các máy nói chung Phạm vi điều chỉnh yêu cầu đối với số vòng quay trục chính ở máy công cụ nằm trong khoảng Rn = 200 ÷ 250, trong khi phạm vi điều chỉnh của động cơ điện 1 chiều khi N = const đạt khoảng (2,5 ÷ 4) Phạm vi điều chỉnh của các bộ biến tốc cơ khí cũng tương tự

Phương pháp mở rộng phạm vi điều chỉnh: Phổ biến nhất là ghép nối tiếp 1 hộp tốc

độ phân cấp có vài tốc độ với động cơ điều chỉnh được

Giả sử phạm vi của nhóm điều chỉnh vô cấp RB và hộp tốc độ có z cấp, phạm vi điều

chỉnh RA Phạm vi chung của điều chỉnh: R = RA ⋅ RB (8.9) Ngoài ra, cũng có: ϕk = RB (8.10) Còn đối với các tỉ số truyền của hộp tốc độ: RA = z 1

B 1 z

B B

R R

R lg

R lg R lg 1 z

(8.11)

Các công thức (8.9), (8.10), (8.11) xác định tất cả các thông số của hộp tốc độ bổ sung

H8.5a,b,c: Truyền dẫn chuyển động chính của 1 máy tiện điều khiển số

H8.5a là 1ví dụ lấy theo sơ đồ hệ thống truyền dẫn chuyển động chính của 1 máy tiện điều khiển chương trình số, trong đó động cơ truyền dẫn chính điều chỉnh được vô cấp tốc độ phạm vi RB = 2,5 có công suất không đổi, ngoài ra khi momen không đổi phạm

vi điều chỉnh RM =6,3 (H8.5b) Để mở rộng phạm vi điều chỉnh ở công suất không đổi, người ta ghép động cơ với 1 hộp tốc độ phân cấp có z = 4 điều khiển thay đổi tốc độ bằng ly hợp điện từ

Dựa trên các công thức (8.9), (8.10), (8.11), các thông số động học của hộp tốc độ có

thể tính được : ϕk = 2,5 ; z = 4; RA = 2,53 = 15,6 và phạm vi chung của truyền động khi công suất công đổi R = z 4

B 2 , 5

R = = 39 Ở miền tốc độ thấp khi momen không đổi, phạm vi điều chỉnh tăng đạt đến giá trị R = 39 ⋅ 6,3 ≈ 250 H8.5c trình bày đồ thị vòng quay của hệ thống truyền động

Đối với điều chỉnh vô cấp, do đặc tính cơ của động cơ không đủ cứng hoặc sự trượt xảy ra ở các bộ biến tốc, nên xảy ra sự trùng tốc độ, nghĩa là mất mát 1 số tốc độ nhất định, đặc biệt khi truyền công suất lớn Bản chất của sự trượt ở các bộ biến tốc cơ khí

có thể giải thích theo ví dụ H8.6 với bộ truyền ma sát mặt đĩa, loại đơn giản nhất

H8.6: Sơ đồ tính toán sự trượt trong bộ biến tốc ma sát mặt đĩa

Chuyển động quay được truyền từ con lăn qua đĩa bằng cách ép con lăn vào mặt đầu của đĩa Trên toàn bộ chiều dài tiếp xúc, chỉ tại 1 điểm A nào đó tốc độ của con lăn và đĩa trùng nhau Với những điểm tiếp xúc nằm trên điểm A, tốc độ của đĩa vượt hơn con lăn, còn ở những điểm tiếp xúc dưới điểm A, ngược lại Do đó trừ điểm A, tại những điểm còn lại trên chiều dài tiếp xúc xảy ra sự trượt tương đối và xuất hiện lực

ma sát tương ứng, có phương ngược với phương của tốc độ trượt tương đối nầy Momen xoắn truyền được chính bằng hiệu của momen do lực ma sát hợp thành trên 2 đoạn tiếp xúc Mx = fp ⎟

x R x 2

xRx2

b fp

b R R

x = − + 2 + 2 + x

và tỉ số truyền tương ứng thực tế: i =

2 x 2 fpR

M R

2

b 1

1 R

r x R

= + (8.13)

Do đó tỉ số truyền của bộ biến tốc phụ thuộc vào Mx cần truyền và hệ số ma sát f Các kết cấu bộ biến tốc đảm bảo điều kiện const

p

Mx

= cho phép giảm được sự không

ổn định của tỉ số truyền Nói chung, sự trượt xảy ra ở các bộ biến tốc làm hạn chế phạm vi điều chỉnh cho phép của chúng, ngoài ra lực và công suất truyền bị giới hạn theo đặc tính từng loại bộ biến tốc

4 Truyền dẫn chuyển động phụ trong máy công cụ: Cùng với chuyển động công tác chậm, các cơ cấu chấp hành máy cũng cần được dịch chuyển nhanh ở các chuyển động phụ Giải quyết nhiệm vụ kỹ thuật nầy có thể bằng nhiều cách

H8.7: Truyền dẫn chuyển động phụ – Sử dụng động cơ chung cho cả 2 loại chuyển động: Do phạm vi điều chỉnh quá rộng (lấy ví dụ tốc độ nhanh 10m/ph trong khi tốc độ công tác khoảng vài mm/ph, phạm vi điều chỉnh đạt đến vài ngàn), nên ít dùng (H8.7a)

– Phân nhánh xích động: Sử dụng động cơ chuyển động công tác nhưng theo xích động bổ sung Cách nầy không làm tăng phạm vi điều chỉnh nhưng yêu cầu phải

có các bộ truyền cho phép thay đổi tự động, ví dụ các ly hợp điện từ và hệ thống điều khiển tương ứng (H8.7b)

– Sử dụng động cơ riêng cho chuyển động phụ (H8.7c) Ưu và nhược điểm của cách nầy cũng tương tự như trường hợp phân nhánh xích động

– Có cơ cấu đóng mở tự tác dụng (H8.7d) Ưu điểm là làm đơn giản hệ thống

điều khiển và làm việc tin cậy Thường dùng các loại ly hợp siêu việt hoạt động dựa

trên các khe chêm và tính tự hãm Động cơ chạy dao công tác làm quay vỏ ngoài của

ly hợp và truyền chuyển động cho bộ phận bên trong dẫn động cơ cấu chấp hành qua

khe chêm Khi đóng động cơ chạy dao nhanh, các gờ ly hợp đẩy con lăn ra khỏi không

gian chêm và tự động mở chạy dao công tác Cơ cấu chấp hành lúc đó chỉ được dẫn

động bởi động cơ chạy dao nhanh

– Cơ cấu hợp thành (H8.7e): Cho phép sử dụng cả 2 động cơ chuyển động

công tác và chạy dao nhanh mà không cần đến bất kỳ 1 hệ thống thay đổi tốc độ nào

trong xích động

– Truyền dẫn thủy lực: Có khả năng cung cấp cả chuyển động công tác cùng

với chuyển động nhanh 1 cách dễ dàng bằng cách điều chỉnh lưu lượng dầu vào các

buồng xy lanh nhờ 1 bơm phụ có lưu lượng lớn hoặc dùng hệ thống xy lanh vi sai Các

kết cấu bơm thể tích hiện nay đảm bảo phạm vi điều chỉnh rộng thích hợp cho cả

chuyển động công tác và chuyển động nhanh

5 Truyền dẫn định vị chính xác: Vai trò của hệ thống truyền dẫn chuyển động

chính xác ngày càng tăng đồng thời với sự phát triển của các máy điều khiển chương

trình số Mục tiêu chính của loại truyền dẫn nầy là dịch chuyển cơ cấu chấp hành máy

từ vị trí đầu tiên đến vị trí cuối cùng nào đó với độ chính xác nhất định

– Đánh giá độ chính xác định vị: được thực hiện dựa trên các tiêu chí về sự

không theo vết đúng đoạn đường mong muốn, tính lặp lại và độ nhạy

• Sai số định vị: là độ lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế của

đoạn đường chuyển động Sai số định vị bao gồm các thành phần sai số hệ thống và sai

số ngẫu nhiên

• Tính lặp lại: được biểu thị bằng giá trị độ lệch tiêu chuẩn r cho bởi:

1n

)PP(r

n 1 i

2 i

−

−

= (8.14) trong đó :

n : số lần lặp lại

Pi : toạ độ điểm vị trí thực tế cần đạt tới

:P toạ độ điểm (giá trị trung bình trong loạt n điểm)

• Độ nhạy: là chuyển dịch nhỏ nhất của khâu dẫn động ( động cơ ) có thể

làm cho khâu chấp hành hoạt động bình thường

– Các phương pháp thực hiện truyền dẫn định vị chính xác

• Truyền dẫn điều khiển vòng hở (không có liên hệ ngược): đoạn đường thực hiện của khâu chấp hành được xác định theo lượng chuyển dịch của khâu dẫn động (động cơ) và các thông số động học trên xích động Tốc độ chuyển động v có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác định vị ở cuối đoạn đường (H8.8)

H8.8: Sai số trong truyền dẫn định vị chính xác Tại thời điểm ngừng chuyển động quay, tốc độ v hạ thấp xuống v=0 Vị trí cuối và do

đó độ chính xác định vị phụ thuộc vào độ mòn của hệ thống điều khiển và sai số trên đoạn đường thực hiện chế độ phanh hãm

∆x = v∆T +

iM

J 2

v 2 (8.15) trong đó: ∆T: sai số do độ mòn hệ thống điều khiển

J : momen quán tính của hệ dẫn động quy về cơ cấu kéo

i : tỉ số truyền của bộ truyền vít me-đai ốc

M: momen hãm trên vít me

Thành phần sai số định vị ngẫu nhiên rất khó xác định, do phần sai số ngẫu nhiên của

hệ thống điều khiển σT và khoảng phân bố của giá trị momen phanh σM hay lực ma sát:

σx =

2

M

4 2 T 2

i 2

J v

v σ + ⎜⎜⎝⎛ σ ⎟⎟⎠⎞ (8.16) Trường hợp đặc biệt khi sai số trong hệ thống điều khiển bé hơn nhiều so với sai số truyền dẫn, nghĩa là σT <<

M

2 i 2

J v

σ , khi đó σx ≈

M

2 i 2

J v

σ