Nghiên cứu động lực học, điều khiển cụm trục chính đứng cao tốc với bôi trơn khí – dầu ở chế độ không tải và có tải

Đồ án tốt nghiệp loại xuất sắc của sinh viên cơ điện tử trường đại học bách khoa hà nộiNội dung:Chương 1: Phân tích khảo sát thiết bị thực nghiệm ổ trục chínhChương 2: Tính toán, thiết kế kết cấu gia tải cho trục chínhChương 3: Xây dựng phương án điều khiển và giám sát hệ thống thực nghiệm ổ trụcchínhChương 4: Phân tích đánh giá bôi trơn trên môi trường số cho thiết bị thực nghiệm ổ trụcchínhChương 5: Phân tích đánh giá các yếu tố động lực học và điều khiển cho thiết bị thựcnghiệm ổ trục chính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu động lực học, điều khiển cụm trục chính đứng ca

o tốc với bôi trơn khí – dầu ở chế độ

không tải và có tải

Mai Văn Kiên

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Giang Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nghiên cứu động lực học, điều khiển cụm trục chính đứng cao tốc với bôi trơn

khí – dầu ở chế độ không tải và có tải

CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU

●Tốc độ quay trục chính 6000-12000 vòng/phút

●Bôi trơn đồng thời 4 vòng bi với khí dầu

●Nhiệt độ ổ bi nằm trong khoảng cho phép (<120 ) ℃

●Tốc độ động cơ có dải từ

NỘI DUNG THUYẾT MINH

Chương 1: Phân tích khảo sát thiết bị thực nghiệm ổ trục chính

Chương 2: Tính toán, thiết kế kết cấu gia tải cho trục chính

Chương 3: Xây dựng phương án điều khiển và giám sát hệ thống thực nghiệm ổ trục

6 Bản vẽ tích hợp điều khiển và giám sát toàn hệ thống 1 A0

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Lê Giang Nam

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Mai Văn Kiên

Phạm Hoàng Anh

Thiều Ngọc Bảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Hà Nội, ngày tháng năm 20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ DUYỆT

- TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:

- NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh:

Bản vẽ:

- NHẬN XÉT KHÁC:

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:

Hà Nội, ngày tháng năm 20

L Ờ I C Ả M Ơ N

Tiếng ve kêu râm ran làm bừng sáng cả một khoảng trời, khiến hàngphượng vĩ vốn đỏ rực nay càng thêm chói chang, khiến bao cô cậu học trò rụcrịch bước vào buổi thi cuối khóa, để rồi tiếp đó là những ngày đợi chờ kết quả,hồi hộp đợi ngày nghỉ hè với biết bao nhiêu dự định Với những bạn sinh viênnăm cuối như chúng em, chỉ còn một chút nữa thôi, sẽ là thời khắc khép lại mộtthời trên ghế giảng đường ngây thơ, trong trẻo như những giọt sương mai Trongsuốt 5 năm đại học không dài chẳng ngắn, chúng em đã nhận được nhiều sự quantâm, tình cảm trân mến, những lời động viên khích lệ từ thầy cô, gia đình và bạn

bè Mỗi một món quà tinh thần mà mọi người trao tặng đã tiếp lửa nhóm sinhviên chạm đến chặng cuối của con đường đại học

Với lòng biết ơn sâu sắc, chúng em gửi lời tri ân đến thầy cô ở Bộ môn Cơđiện tử - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người lái đò đã cùng vốn trithức và bầu tâm huyết của mình , dìu dắt nhóm sinh viên trong suốt quá trình họctập dưới mái trường Và đặc biệt hơn cả, hình bóng người thầy – PGS.TS LêGiang Nam- sẽ mãi mãi in vào tâm trí chúng em một hình mẫu về lương tâm-trithức Nếu không có những lời hướng dẫn, bảo ban từ thầy thì có lẽ không chỉ bàithu hoạch, mà một giai đoạn lớn khôn của chúng em sẽ khó mà thành hình Bêncạnh đó, xin gửi lời cảm ơn những người đồng đội mến yêu trongVIMESGROUP đã đồng hành cùng nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu Mỗingười các bạn là một mảnh ghép đa màu đa sắc, nhưng lại có thể kết hợp nhịpnhàng tạo nên một tập thể đồng đều, vững mạnh Cám ơn tất cả mọi người

Bài thu hoạch được thực hiện trong khoảng thời gian một học kỳ Bướcnhững bước chân đầu tiên vào một vấn đề thực tế dưới góc nhìn của khoa học,kiến thức của chúng em còn hạn chế và không tránh khỏi những kết luận thiếu

từ các thầy cô trong bộ môn để hoàn thiện những câu hỏi còn để ngỏ, nhằmhướng đến một bài thu hoạch chỉn chu, hoàn thiện.

Sau cùng, chúng em xin chúc thầy cô trong Bộ môn Cơ điện tử và thầy hiệutrưởng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội những mong ước tốt đẹp nhất, mộtniềm tin vững vàng để thầy cô tiếp tục hành trình cao đẹp của mình là truyền đạtkiến thức, kiến tạo những thế hệ tiếp theo

Hà Nội, ngày 08 tháng 07 năm 2021

T Ó M T Ắ T N Ộ I D U N G Đ Ồ

Á N

Những năm gần đây, ngành cơ khí đã có những sự phát triển lớn Các máycông cụ ngày càng được trang bị nhiều hệ thống trợ giúp hiện đại, khả năng tựđộng hóa cao và linh hoạt trong sản xuất nên năng suất lao động tăng lên rõ rệt.Hiện nay, Việt Nam đã và đang nhập khẩu rất nhiều máy công cụ điều khiển số(CNC) phục vụ quá trình hoạt động sản suất Những lỗi do nhiệt được báo cáođến 70% của tổng số các lỗi trong máy công cụ, trong đó nhiệt sinh ra ở trụcchính cần được quan tâm tìm hiểu Bôi trơn và làm mát là vấn đề quan trọng liênquan trực tiếp đến năng suất, chất lượng gia công Vậy nên tìm hiểu và đánh giáđược quá trình bôi trơn trong máy là bước đi lớn để tiếp cận với quy trình côngnghệ chế tạo máy CNC Trong đồ án này, các vấn đề chính được nghiên cứu baogồm:

1 Phân tích khảo sát thiết bị thực nghiệm nhiệt ổ trục chính.

2 Tính toán thiết kế kết cấu gia tải cho trục chính và đánh giá kiểm nghiệm chế độ bôi trơn trục chính.

3 Truyền thông công nghiệp và kĩ thuật đồng bộ thực hiện xây dựng

bộ đôi số.

4 Tích hợp và điều khiển toàn diện hệ thống.

Vì thời gian có hạn, khối lượng công việc tương đối lớn nên đồ án khôngthể tránh khỏi những sai sót Kính mong thầy cô và các bạn chỉ góp ý để đề tài đồ

án được đạt kết tốt hơn

Đồ án này được thực hiện bởi nhóm sinh viên gồm 3 thành viên là: MaiVăn Kiên, Phạm Hoàng Anh và Thiếu Ngọc Bảo Nhóm sinh viên chúng emcũng xin cam kết sẽ không phát tán tài liệu nghiên cứu đề tài này khi chưa được

sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn

1.1.2 Tầm quan trọng của máy CNC 9

1.2 Kết cấu và chế độ làm việc cụm trục chính máy phay đứng CNC 101.2.1 Công cụ và tầm quan trọng của cụm trục chính 10

1.2.2 Kết cấu cụm trục chính máy phay CNC 10

1.2.3 Gia công cao tốc trên cụm trục chính máy phay đứng CNC 141.3 Chế độ bô trơn ổ trục chính máy phay đứng 151.3.1 Lý do cần thiết để bôi trơn ổ trục chính máy phay CNC 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU GIA TẢI CHO

3.1 Khảo sát giải pháp điều khiển và giám sát các thành phần trong mô hình

3.1.1 Các thiết bị điều khiển và chấp hành quan trọng 37

3.1.2 Khảo sát giải pháp điều khiển và giám sát hiện trạng trên nền tảngphần mềm WinCC 43

3.2 Giải pháp điều khiển, giám sát cho tốc độ và hệ thống gia tải trục chính46

3.3 Tích hợp và điều khiển toàn diện hệ thống 46

CHƯƠNG 4: TÍCH HỢP, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẾ ĐỘ BÔI

4.1 Phân tích đánh giá chế độ bôi trơn khí dầu 474.2 Đánh giá kiểm nghiệm chế độ bôi trơn trục chính 474.2.1 Công cụ mô phỏng 47

4.2.2 Mô phỏng đánh giá sự hòa trộn khí dầu 53

4.2.3 Mô phỏng đánh giá dòng khí bên trong ổ bi tiếp xúc góc trục chínhtốc độ cao 57

4.2.4 Giải pháp điều khiển và giám sát tốc độ trục chính 64

4.2.5 Giải pháp điều khiển và giám sát hệ thống gia tải trục chính 644.3 Tích hợp và điều khiển toàn diện hệ thống 64

D A N H M Ụ C H Ì N H V Ẽ

Hình 1-1 Cụm trục chính dẫn động trực tiếp 13Hình 1-2 Cụm trục chính dẫn động gián tiếp 13Hình 1-3 Cụm trục chính dẫn động trực tiếp 13Hình 1-4 Dẫn động trục chính bằng dây đai 14Hình 1-5 Dẫn động trục chính bằng bánh răng 14Hình 1-6 Đồ thị thể hiện mối liên quan giữa tốc độ cắt và nhiệt độ 15

Hình 2-14 Mô hình hình học 43Hình 2-15 Kết quả của quá trình chia lưới 44

Hình 2-17 Sự phân bố khí dầu ở các kênh 45Hình 2-18 Khả năng hòa trộn khí dầu trên các kênh 46

Hình 2-21 Miền không khí bên trong ổ bi 48

Hình 2-25 Mô tả chuyển động của bi trong quá trình mô phỏng CFD 50Hình 2-26 Phân bố áp suất và đường vận tốc bên trong ổ bi ở tốc độ

D A N H M Ụ C B Ả N G B I Ể U

Bảng 1.1 So sánh giữa bôi trơn bằng mỡ và bôi trơn bằng dầu 19

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật chung của Inverter fr-A700 32

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH KHẢO SÁT THIẾT BỊ THỰC

Máy công cụ cắt gọt kim loại là trang thiết bị chủ yếu được sử dụng trongcác nhà máy, phân xưởng cơ khí để chế tạo ra các chi tiết của máy móc, khí cụ,các dụng cụ, các sản phẩm dùng trong sản xuất và các sản phẩm dùng trong đờisống Máy công cụ có lịch sử phát triển lâu dài gắn liền với sự phát triển củakhoa học kỹ thuật Trình độ cơ khí hóa, tự động hoá của máy công cụ ngày càngcao Ngày nay số lượng, chủng loại và mức độ hiện đại hóa của máy ngày càngtăng do được ứng dụng những thành tựu mới nhất và tiên tiến nhất của tin học vìvậy năng suất lao động ngày càng tăng góp phần đáng kể vào sự phát triển củanền kinh tế của đất nước, đáp ứng nhu cầu của xã hội Có thể tóm tắt quá trìnhphát triển của máy công cụ trên thế giới theo sơ đồ sau :

-Lịch sử hình thành và phát triển máy công cụ

Phân tích sự hình thành và phát triển tham khảo tài liệu [3]

- Năm 1808, Joseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển tựđộng các máy dệt

- Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệMIT(Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân

- Năm 1946, tiến sĩ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầutiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ

- Năm 1954, Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển

NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử

- Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình

tự động APT

- Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng

- Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơ le,đèn điện từ

- Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic ToolChanger)

- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn

- Năm 1972, hệ điều khiển NC (Numerical Control – trung tâm điều khiển số)đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ

- Năm 1979, hình thành khối liên hòa CAD/CAM – CNC

- Năm 1980, các phân xưởng nhỏ bắt đầu có các máy CNC Ngay sau đó,máy CNC trở nên phổ biến hơn và các nhà sản xuất đã bắt đầu sản xuất các máyCNC có giá thành vừa để gia công bất cứ thứ gì từ đồ trang sức đến bảng mạch

bề mặt phức tạp

1.1.2 Tầm quan trọng của máy CNC

Trước đây, máy cắt kim loại thông thường chỉ giải quyết được những đườngcắt theo quy luật: tròn đều, hình elip, đường thẳng, đường cong… Nhưng cácchuyển động không theo quy luật để cắt kim loại theo đường cong bất kỳ nhưđường gấp khúc, không gian 2D hay 3D… thì máy này rất khó giải quyết được

Để làm được các biên dạng trên thì cần phải dùng các cam, dưỡng, cơ cấuthủy lực rất phức tạp

Ngày nay, để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao, máy CNC ra đời Côngnghệ CNC ra đời đã tạo ra bước ngoặt mới mẻ trong lĩnh vực tự động hóa.Phương pháp này ra đời đã giải quyết được hầu hết các vấn đề nan giải nói trên.Khi muốn cắt theo hình dáng tròn hình cong, đường gấp khúc hay bất kỳhình dạng nào, điều đầu tiên là phải lập trình máy Việc lập trình khá đơn giản,chỉ cần dùng máy tính vẽ hình đang cần cắt, rồi ra các lệnh làm việc thì máy sẽcắt đúng theo yêu cầu Nếu vẽ trên máy tính thì dùng các phần mềm thông dụng(AutoCAD, corelDRAW…)

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiềungành khác như may mặc, ngành giày dép hay điện tử… Bất cứ máy cắt CNCnào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp như: người vận hành ít

và thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy

Các máy cắt CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chínhxác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Khichương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, lúc này máy cắt CNC sẽđảm bảo tạo ra hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Điều này làyếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

1.2.1 Công cụ và tầm quan trọng của cụm trục chính

Trục chính là trái tim của bất kỳ máy CNC nào Nó bao gồm một bộ phậnchuyển động (quay) gắn với một côn mà có thể lắp đặt dụng cụ cắt Một động cơtrục chính với tỉ số truyền tùy chọn sẽ đóng vai trò là nguồn động lực cho chuyểnđộng của trục Tùy theo từng loại máy, trục chính lại mang những chức năngkhác nhau Đối với máy tiện, trục chính mang chi tiết và cấp chuyển động cắt.Khi khoan và phay thì trục chính quay dao được lắp trên nó để tạo ra tốc độ cắt

Do việc trực tiếp thực hiện các chương trình gia công trên máy CNC nhưphay, khoan, taro mà trục chính CNC có tầm quan trọng đặc biệt, quyết định đếnnăng suất, độ chính xác, chất lượng bề mặt chi tiết gia công

1.2.2 Kết cấu cụm trục chính máy phay CNC

Như được đề cập ở mục trên, cụm trục chính dùng để thực hiện chuyểnđộng quay tròn chính xác của dụng cụ hoặc phôi Độ chính xác gia công trên máycông cụ phần lớn phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động, độ cứng vững và độ

ổn định chống rung của trục chính Do đó yêu cầu thiết kế cũng như lắp đặt trụcchính đòi hỏi sự chặt chẽ:

- Độ chính xác quay tròn, thể hiện qua độ đảo do trên đầu mút phía trướccủa trục chính theo hướng trục và hướng kính

- Độ bền cao, đặc biệt khi tải trọng biến đổi về độ lớn và phương tác dụng

- Độ cứng vững của cụm trục chính (thể hiện bằng lượng di chuyển đàn hồi

ở đầu mút phía trước của trục chính) do độ mềm dẻo của trục chính và ổ đỡ quyếtđịnh

- Độ ổn định rung của cụm trục chính, ảnh hưởng quyết định tới độ ổn địnhcủa toàn máy Tính năng giảm chấn của ổ đỡ và đặc tính tầng biên của cụm trụcchính sẽ ảnh hưởng tới độ nhẵn bóng của bề mặt và chế độ gia công cho phép.Yêu cầy này đặc biệt quan trọng cho các máy gia công tinh và cụm trục chínhquay cao tốc: độ cứng vững của trục chính, chế tạo và lắp ghép cụm trục chính và

ổ đỡ

- Tuổi thọ của trục chính và ổ đỡ (khả năng duy trì tốc độ chính xác quaytròn ban đầu)

- Độ tỏa nhiệt và biến dạng ít

- Kẹp dụng cụ gá lắp nhanh, tin cậy, dễ tự động hóa đảm bảo định tâmchính xác và quay tròn chính xác

Như đối với máy Bridgeport [4], trục chính yêu cầu:

- Độ cứng từ 50-60 HRC

- Dung sai độ tròn trên các tiết diện trục không lớn hơn 0,01mm

- Dung sai độ trụ trên các mặt cắt của tiết diện trục không lớn hơn 0,01mm

- Dung sai về độ đảo mặt đầu tại vị trí lắp ổ lắn <16 μm

- Dung sai về độ đảo mặt đầu tại vị trí lắp puly <25 μm

Trục chính trong máy CNC là một chi tiết quan trọng trong hệ thống truyềnđộng, dùng để truyền các dạng chuyển động và các mômen khác nhau đến dụng

cụ cắt Tùy theo kiểu và công dụng của máy công cụ mang trục chính, độ chínhxác, điều kiện làm việc, phương pháp gá đặt dụng cụ và phôi, cách bố trí cácphần tử dẫn động và kiểu ổ đỡ của trục chính mà ta định ra các kết cấu của trụcchính khác nhau thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Kết cấu nhỏ gọn, ít gờ bậc để tránh tập trung ứng suất

- Độ chịu mài mòn cao (thường dùng thép hợp kim)

- Chuyển động êm chính xác

- Lắp ráp đơn giản

Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trụcchính để tăng mômen xoắn và gia tốc nhanh, hệ thống điều khiển này cho phép người

sử dụng có thể tăng tốc độ trục chính lên rất nhanh

Trục chính được phân loại thành 2 loại chính theo phương pháp dẫn động là:Trục chính dẫn động trực tiếp và trục chính dẫn động gián tiếp [5]

1.2.2.2Trục chính dẫn động gián tiếp

Không như trục chính dẫn động trực tiếp, trục chính dẫn động gián tiếpkhông có động cơ đi liền mà thay vào đó bên ngoài trục chính có một động cơtruyền tốc độ và mô men cắt truyền vào trục chính thông qua một bộ truyền dẫn(có thể là bộ truyền đai, răng,…)

Hình 1-4 Dẫn động trục chính bằng dây đai

Trục chính loại này được truyền chuyển động từ một động cơ bên ngoài

thông qua bộ truyền đai răng hoặc đai thang Loại này được sử dụng khá phổ

biến trong các máy gia công truyền thống vì chi phí thấp và hiệu suất tốt khi

truyền công suất danh nghĩa của động cơ thành công suất có ích trên trục

chính Hiệu suất của trục chính dẫn động đai, về mặt truyền công suất động cơ

đến trục chính, đạt khoảng 95% Như vậy nó kém hiệu quả hơn so với trục

chính truyền động trực tiếp (gần 100%) nhưng lại tốt hơn loại truyền động

bánh răng (bé hơn 90%) Trục chính dẫn động đai có thể đạt tốc độ quay

15.000 vg/ph và truyền mô men xoắn tốt ở tốc độ thấp (1000 vg/ph) tùy thuộc

vào loại đai và tỉ số truyền Tuy nhiên, truyền động đai thì rất linh hoạt và

chúng được dùng cho một dải rộng lớn nhiều công việc khác nhau với các yêu

cầu giữa mô men xoắn cao/tốc độ quay thấp và mô men xoắn thấp/tốc độ quay

cao

Hình 1-5 Dẫn động trục chính bằng bánh răng

Trục chính dẫn động bằng bánh răng có thể đạt mô men xoắn cao ở số vòngquay thấp và chúng có nhiều dải cấp tốc độ Tuy nhiên các bánh răng có thể gâynên rung động, tạo ảnh hưởng xấu lên độ bóng bề mặt chi tiết gia công Hơn nữa,hiệu suất của chúng kém hơn các dạng khác khi chúng chuyển đổi công suất danhnghĩa của động cơ thành công suất cắt của dao Trục chính dẫn động bánh răngkhông phù hợp cho các trường hợp gia công cao tốc mặc dù rất thích hợp cho cáccông việc nặng

1.2.3 Gia công cao tốc trên cụm trục chính máy phay đứng CNC

Gia công tốc độ cao - HSM (High Speed Machining)

Gia công tốc độ cao thường đề cập đến việc thực hiện phay nhẹ ở tốc độtrục chính cao (thường là bắt đầu ở mức 12000 vòng/ phút theo nghiên cứu đươcthực hiện bởi Sandvik) [6] và bước tiến lớn với lượng dịch dao ngang nhỏ vàchiều sâu cắt nhỏ Gia công tốc độ cao có rất nhiều ưu điểm như :

- Năng suất cao

- Chất lượng bề mặt tốt

- Giảm được lượng nhiệt truyền vào dao (vì ở tốc độ cắt càng cao, lượngnhiệt truyền vào phoi càng lớn,) do đó giảm được tác động xấu của nhiệt tới tínhnăng cắt của dao

Để giải thích cho tính năng tạo ra chất lượng bề mặt tốt ở gia công cao tốc,nhóm sinh viên đã tìm hiểu về mối quan hệ giữa nhiệt độ trên phoi và tốc độ cắt.Dựa vào đồ thị dưới đây, ta nhận thấy rằng, khi tốc độ cắt vượt quá mức gia côngthông thường nhiều lần thì nhiệt độ trên bề mặt bắt đầu có xu hướng giảm [7] Do

đó, biến dạng của vật liệu gia công giảm; do tốc độ cao nên biến dạng trong vùngtạo phoi không kịp lan rộng, miền tạo phoi thu hẹp lại, loại bỏ được các ba viahoặc khuyết tật trong quá trình gia công Nhờ vậy, chất lượng bề mặt được cảithiện

Hình 1-6 Đồ thị thể hiện mối liên quan giữa tốc độ cắt và nhiệt độ

Với những ưu điểm được chỉ ra ở trên, gia công cao tốc hay cắt tốc độ caođang nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà chuyên môn cũng như nhà sảnxuất chuyên dụng Chế độ bô trơn ổ trục chính máy phay đứng

1.2.4 Lý do cần thiết để bôi trơn ổ trục chính máy phay CNC

Ngày nay, gia công tốc độ cao đã trở thành xu thế chủ đạo cho các máy cắtgọt kim loại Để đạt được mục tiêu này, tốc độ quay của trục chính phải đượctăng lên một cách đáng kể Tuy nhiên, chúng ta phải nghiên cứu, giải quyết đồngthời các vấn đề, như sự gia tăng nhiệt độ, sự biến dạng nhiệt của các chi tiết và sựthay đổi độ cứng để nâng cao độ chính xác gia công Sự tăng nhiệt độ và khảnăng mang tải của các ổ lăn là mối quan tâm chính khi tăng tốc độ trục chính lênmột tốc độ rất cao

Nhiệt độ tăng trong quá trình gia công là một trong những yếu tố quan trọngảnh hưởng đến sự gia công chính xác cũng như tuổi thọ của máy công cụ Cácthông số như tải trọng và bôi trơn phù hợp là các yếu tố quan trọng để giảm nhiệt

độ cho trục chính khi hoạt động ở tốc độ cao Trong phạm vi đồ án, nhóm sinhviên sẽ đi sâu vào nghiên cứu việc thiết kế một hệ thống bôi trơn phù hợp

Khi được đưa vào vùng ma sát, vật liệu bôi trơn sẽ tạo thành một lớp thứ bagiữa các con lăn và các rãnh lăn, cũng như lồng vào trong khu vực tiếp xúc, ngănngừa sự tiếp xúc trực tiếp kim loại với kim loại nhằm :

- Đảm bảo tính truyền dẫn

- Giảm mất mát năng lượng cơ học

- Giảm sinh nhiệt

- Chống mài mòn

- Chống bụi bẩn của môi trường

- Chống rung động.

Trong máy công cụ, các ổ lăn thường xuyên được bôi trơn với dầu Khi số lượngcủa dầu bôi trơn không đủ, sự bôi trơn của ổ lăn không phù hợp sẽ làm nhiệt độtăng lên Nếu số lượng dầu bôi trơn quá nhiều sẽ làm tăng tổn thất năng lượng

Do vậy, số lượng dầu bôi trơn cho các ổ lăn cần phải được tính toán sao cho tối

ưu Bôi trơn sẽ làm giảm ma sát và nhiệt độ, nhờ đó tăng tuổi thọ của ổ lăn Nếuthiết kế hệ thống bôi trơn tối ưu sẽ bảo vệ được lâu dài độ chính xác ban đầu của

ổ lăn trong toàn bộ thời gian sử dụng máy

1.2.5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU GIA TẢI CHO THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM Ổ TRỤC CHÍNH

2.1 Tính toán, thiết kế kết cấu gia tải cho trục chính

2.1.1 Lý do cần thiết để thiết kế hệ thống gia tải

Nhiệt độ tăng trong quá trình gia công là một trong những yếu tố quan trọngảnh hưởng đến sự gia công chính xác cũng như tuổi thọ của máy công cụ.Phương pháp bôi trơn phù hợp là yếu tố quan trọng giảm nhiệt độ trục chính khihoạt động ở tốc độ cao Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống bôi trơn phù hợp là rấtcần thiết Tuy nhiên ở các chế độ cắt khác nhau lực cắt tác dụng lên trục chính từ

đó gây ma sát ở bộ bi trục chính là khác nhau Từ đó làm tăng nhiệt ổ bi, vì vậyviệc nghiên cứu lực cắt ở mô hình thực nghiệm bôi trơn trục chính cao tốc là rấtquan trọng Trong phạm vi đồ án nhóm sinh viên sẽ nghiên cứu thiết kế, chế tạo

hệ thống gia tải mô phỏng lại lực cắt tác dụng lên trục chính

2.1.2 Yêu cầu, chức năng hệ thống gia tải

2.1.2.1Các yêu cầu cơ bản của giả lập gia tải

Máy công cụ CNC cần có độ chính xác gia công cao và phải duy trì được độchính xác đó trong một khoảng thời gian nhất định do đó ngoài việc chế tạo cácchi tiết, các cụm, bộ phận chính xác Vì vậy đánh giá lực cắt tác động lên trụcchính là rất quan trọng Thiết kế hệ thống giả lập gia tải cần đáp ứng các yêu cầusau:

- Tạo được lực dọc trục lên trục chính

- Tạo được lực momen hãm lên trục chính

- Tích hợp không gian cho nhỏ gọn, hệ thống gia tải nằm trong hệ thống khivận hành không bị va chạm

2.1.2.2Phương pháp giả lập gia tải

Giả lập gia tải là mô phỏng lại quá trình cắt của trục chính máy phay CNCbằng việc tạo ngoại lực momen và dọc trục Để tạo được lực dọc trục và momenhãm có các phương pháp như: khí nén, thủy lực, điện

a Gia tải dọc trục

Do lực dọc trục nhỏ nên trục nhóm đồ án xử dụng phương án dùng phương án xilanh khí nén thông qua lưu lượng khí nén làm cho pitong chuyển động tịnh tiếnvà

đồng thời tạo ra lực dọc trục nên trục chính Phương án này giảm bớt được cácthành phần thiết kế vào hệ thông bởi máy trục chính đã có sẵn hệ thống khí nén

-Hình 2-1 Cấu tạo của xi lanh

b Gia tải momen

Nhóm dùng động cơ khí nén ở chế độ bơm để tạo momen hãm lên trụcđộng cơ qua bộ truyền sẽ tạo momen hãm lên trục chính

Hình 2-2 Cấu tạo của động cơ khí nén

- Ưu điểm: Điều khiển dễ dàng thông qua van của hệ thống thủy lực

- Nhược điểm: Điều khiển khó chính xác

Chế độ làm việc của máy bao gồm chế độ cắt gọt, chế độ bôi trơn làm mát,

an toàn khi vận hành Một máy mới đã thiết kế, chế tạo xong phải quy định rõ vềchế độ làm việc của máy trước khi đưa vào sản xuất Trong đó cơ sở tính toánđộng

lực học của máy cắt kim loại phụ thuộc vào chế độ cắt giới hạn Hiện nay cónhiều phương pháp xác định chế độ cắt gọt giới hạn [7]:

Chế độ cắt được xác định bởi hãng Sandvik Coromant

Tiêu chuẩn quốc

Vật liệu phôi S45

Độ cứng 250

HBVật liệu dao 4220

Lượng cắt phôi trên

mỗi lưỡi cắt:

0,1mm

Đường kính dao:

Dc

12mm

Bề rộng không cắt

(Phay thuận):

9mm

2.1.5 Tính công suất, momen xoắn trên các trục trung gian và trục động cơ

Thông số ban đầu :

- Lực cắt 0,6 N.m

Tốc độ (vòng/phút)

Momen

mở máy (N.m)

Hình ảnh

Động cơ

servo

AC Spindle Moto α1.5 FANUC 1,1 – 3,7 1500 – 8000 23556,6

Theo Catalog của hãng FANUC cung cấp [9], ta có:

Hình 2-4 Đường đặc tính của động cơ

-Hình 2-5 Thông số của trục chính

2.1.5.1Công suất trên các trục

● Công suất tối đa khi trục chính làm việc ở tốc độ 12000v/p :𝑃 =

𝑡𝑐

𝐹×𝑣 1000

100×31.4 1000

● Công suất trục động cơ khí nén: 𝑃 = = x

= 0,96 là hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ µ

● Công suất max của trục động cơ servo

- Công suất min động cơ được xác định theo công thức [7]:

P0– công suất chạy không

PP– công suất tiêu hao theo hiệu suất và do những nguyên nhân ngẫu nhiênảnh hưởng tới sự làm việc của máy

Thường NC chiến 70÷80%Nđc, cho nên có thể tính gần đúng công suất động

cơ điện theo công suất cắt

Vậy suy ra:

= = 0,89 (kw)𝑃

Tốc độ (vòng/phút)

Momen mở máy (N.m)

Hình ảnh

Động cơ

servo

AC Spindle Moto α1.5

FANUC 1,1 – 3,7 1500 – 8000 23556,6

Theo Catalog của hãng FANUC cung cấp [9], ta có:

Hình 2-6 Đường đặc tính của động cơ

2.1.5.2Tính moment xoắn trên các trục

- Moment xoắn trên trục động cơ:

2.2.1 Tính chọn bộ truyền pulley, đai răng

Hình 2-8 Sơ đồ tính chọn pulley-đai răng

- Đai răng tương tự như đai dẹt nhưng bề mặt trong có các gờ hìnhthang, tròn hoặc cong Trên các bánh đai cũng có các rãnh tương ứng

Bộ truyền làm việc được là nhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răngcủa bánh đai

- Xác định modun và chiều rộng đai

- Modun được xác định theo công thức:

- 𝑚 = 35. 3 120003,14 = 2,24.

Dựa vào bảng 2-2 chọn modun = 3, p = 9,42mm

Chọn pulley và đai có bước răng 9,42 mm

Chiều rộng đai răng: b =ψ m , Chọn b =25 mm

đ

● Xác định thông số của bộ truyền:

- Chọn số răng𝑧 = 20 răng => = 40 răng