Chương 1. Tổng quan về cụm ổ trục chính máy tiện CNC Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của cụm ổ trục chính máy tiện CNC. Phân tích, đánh giá và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nuớc liên quan đến nội dung đề tài. Trên cơ sở đó, xác định những nội dung, vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Cơ sở lý thuyết tính toán tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC Nghiên cứu, thiết lập các tính toán về tuổi thọ, độ tin cậy theo các chỉ tiêu mòn và chỉ tiêu cững vững. Nghiên cứu ảnh hưởng giữa lượng mòn và độ cứng vững đến chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính. Các kỹ thuật đo, phân tích và tính toán giá trị đại lượng đặc trưng của rung động sử dụng để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục chính máy công cụ CNC. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC Nghiên cứu xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm nhằm xác định quan hệ giữa tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC với tải ngoài và tốc độ quay.
Xây dựng quy trình thực nghiệm, quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính. Thực nghiệm và thu thập dữ liệu về lượng mòn, độ cứng vững và giá trị 4 đại lượng đặc trưng của rung động của cụm ổ trục chính trên thiết bị đã tích hợp trong điều kiện mòn gia tốc và bôi trơn tiêu chuẩn. Kết quả thực nghiệm và tính toán tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Trên cơ sở kết quả thực nghiệm xây dựng được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Tính toán được tuổi thọ dự kiến với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động.
Dự kiến được giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động, làm căn cứ cho việc dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh duy trì tải đặt trước. Các kết quả mới Xây dựng được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ thay đổi. Dự kiến giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục chính máy tiện CNC, cơ sở để áp dụng kỹ thuật giám sát chất lượng cụm ổ trục chính bằng rung động. Giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động có thể được xác định từ giá trị lượng mòn giới hạn hoặc giá trị độ cứng vững giới hạn của cụm ổ trục chính.
Đây là căn cứ xác định thời điểm dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh cụm ổ trục chính nhằm duy trì chất lượng làm việc của máy công cụ CNC. Xác định được tuổi thọ với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo tải ngoài và tốc độ quay dựa trên các chỉ tiêu mòn, cứng vững và rung động. Có thể căn cứ vào một trong các chỉ tiêu trên của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC để lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa phù hợp với độ chính xác và độ tin cậy yêu cầu. TỔNG QUAN VỀ CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 1.
Cụm trục chính máy tiện CNC 1. Máy tiện CNC và ứng dụng trong công nghiệp Máy công cụ CNC (Computer Numerical Control – Máy công cụ điều khiển số) là sản phẩm cơ điện tử hiện đại, có thể thực hiện các chức năng mà máy công cụ truyền thống không có như: Tự động hóa hoàn toàn việc điều khiển máy; Bù sai số khi đang thực hiện gia công; Chẩn đoán sai số hỗ trợ quá trình sửa chữa,… Máy công cụ CNC có độ chính xác gia công rất cao, làm việc ổn định. Độ chính xác gia công không phụ thuộc vào tay nghề của người sử dụng, năng suất gia công cao, tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí sản xuất. Máy công cụ CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi để gia công các chi tiết máy trong hầu như tất cả các lĩnh vực: Hàng không vũ trụ, quân sự, năng lượng, y tế, giao thông, xây dựng, gia dụng,.
như trên Hình 1. Một số lĩnh vực sử dụng số lượng lớn máy công cụ CNC [1] a) Lĩnh vực hàng không vũ trụ, b) Lĩnh vực năng lượng hạt nhân, c) Lĩnh vực khai thác chế biến dầu khí, d) Lĩnh vực y tế Căn cứ vào chuyển động tạo hình, có thể chia máy công cụ CNC thành các loại: Máy tiện CNC, máy phay CNC, máy mài CNC, máy doa CNC, hay các trung tâm gia công CNC,… Trong đó, máy tiện CNC có các chuyển động tạo hình: Chuyển động chính là chuyển động quay của phôi và chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến của dụng cụ cắt. 6 Máy công cụ CNC được thiết kế theo nguyên tắc mô đun dựa trên kết cấu của máy công cụ truyền thống và bổ sung thêm các mô đun khác để đảm bảo tính linh hoạt. Máy tiện CNC được kết cấu từ các mô đun như: Cụm trục chính, ụ động, mô đun thay dao,… được biểu diễn trên Hình 1.
Cấu tạo mô đun của máy tiện CNC [1] Máy tiện CNC thường dùng để gia công các bề mặt trụ ngoài, trụ trong, mặt cầu, gia công ren trụ, ren côn,… Ở trong các nhà máy cơ khí tại Việt Nam, máy tiện CNC được sử dụng phổ biến và thực hiện nhiều nguyên công gia công cắt gọt các chi tiết máy. Trong máy tiện CNC, thông thường công suất cụm trục chính chiếm 80%- 90% tổng công suất của toàn máy. Cụm trục chính có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác gia công và hiệu suất của máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng. Chất lượng làm việc của cụm trục chính quyết định tuổi thọ, độ tin cậy của toàn bộ máy công cụ CNC.
Về mặt kỹ thuật, cụm trục chính máy công cụ có chức năng chính: Truyền chuyển động quay chính xác đến dụng cụ hoặc phôi và truyền năng lượng đến vùng cắt để loại bỏ vật liệu. Duy trì chất lượng làm việc của cụm trục chính máy công cụ CNC trong quá trình làm việc là yêu cầu bắt buộc và được thực hiện bằng các giải pháp bảo dưỡng điều chỉnh, sửa chữa và thay thế [2]. Các yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính máy tiện CNC Đối với cụm trục chính máy tiện CNC, các yêu cầu kỹ thuật cơ bản như sau: 7 - Độ chính xác của chuyển động quay: Được xác định bằng độ đảo mặt đầu trước trục chính theo phương hướng kính và dọc trục. Sự sai lệch chuyển động quay là nguyên nhân chủ yếu gây ra sai số gia công trên máy công cụ.
- Độ cứng vững của cụm ổ trục chính: Được xác định theo chuyển vị đầu trước trục chính, bao gồm độ cứng vững của bản thân trục chính và các ổ trục chính. Độ cứng vững theo phương hướng kính và dọc trục có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác gia công. - Khả năng chống rung: Rung động của cụm ổ trục chính ảnh hưởng đến chất lượng gia công chi tiết máy và hạn chế khả năng mở rộng chế độ cắt gọt, tối ưu hóa quá trình cắt gọt trên máy công cụ CNC. - Tuổi thọ của cụm trục chính, đặc biệt là tuổi thọ của cụm ổ trục chính, tức là thời gian làm việc của cụm ổ trục chính đảm bảo độ chính xác quay ban đầu.
Yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với ổ trục chính dùng ổ lăn. - Độ tin cậy: Cụm ổ trục chính phải đảm bảo hoạt động với độ tin cậy cao, xác suất xảy ra các dạng hỏng bất thường thấp trong thời gian làm việc xác định. - Giảm thiểu ảnh hưởng của biến dạng nhiệt: Biến dạng nhiệt của cụm ổ trục chính có ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác gia công. Các ổ trục chính làm việc với tốc độ quay càng cao thì sự ảnh hưởng của biến dạng nhiệt càng lớn.
- Kết cấu gá đặt dụng cụ hoặc phôi trên trục chính: Đảm bảo định tâm và kẹp chặt dụng cụ cắt hay chi tiết gia công một cách chính xác, nhanh chóng, tin cậy. Đối với các máy công cụ hiện đại, yêu cầu phải tự động hoá gá đặt dụng cụ hay chi tiết. Kết cấu cụm trục chính máy tiện CNC Về nguyên tắc, kết cấu của cụm trục chính máy công cụ vạn năng và máy công cụ CNC là cơ bản giống nhau. Đối với máy công cụ vạn năng, cụm ổ trục chính thường sử dụng các cặp ổ lăn đỡ chặn, bôi trơn tuần hoàn và vung tóe.
Các cụm ổ lăn chịu lực chính của cụm trục chính đều có các kết cấu đặt tải trước (FPreload). Tải đặt trước của cụm ổ lăn làm tăng độ cứng vững, giảm ồn ào và nâng cao độ chính xác gia công.3 trình bày kết cấu cụm trục chính máy tiện vạn năng cỡ trung 1K62 gồm các bộ phận chính như: Các cặp ổ đỡ trước, sau; Đai ốc điều chỉnh tải đặt trước; Trục chính; Mặt bích,. Cụm ổ chính của trục chính máy tiện ren vít vạn 8 năng 1K62 sử dụng ổ đũa đỡ hai dãy để tăng khả năng chịu tải hướng kính trong quá trình cắt gọt. Nó có ca trong côn để điều chỉnh tải đặt trước.
Tải đặt trước của cụm ổ trục chính được thực hiện bằng việc xiết đai ốc làm dịch chuyển ca trong trên bề mặt côn của trục chính. Sử dụng hai ổ lăn đỡ chặn lắp lưng đối lưng ở cuối trục chính để chịu tải dọc trục. Kết cấu cụm ổ trục chính máy tiện vạn năng 1K62 [3] 1. Đai ốc điều chỉnh cặp ổ sau, 2.
Đai ốc điều chỉnh ổ trước; 4. Mặt bích trước, 6. Trục chính Ổ trục chính máy tiện CNC được tích hợp thêm nhiều cơ cấu chấp hành tự động, nên có kết cấu khá phức tạp như trên Hình 1. Cấu tạo cụm trục chính máy tiện CNC [1] 9 Máy công cụ CNC hiện nay thường tích hợp động cơ và trục chính thành mô đun động cơ - trục chính.
Khi đó trục chính sẽ chịu ảnh hưởng nhiệt của động cơ khi vận hành. Trong quá trình gia công, cụm trục chính phải chịu tải trọng của quá trình cắt gọt, nhiệt phát sinh do ma sát và nhiệt do quá trình cắt gọt.