Tổng quan nghiên cứu
Máy công cụ CNC là thiết bị cơ điện tử hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ khả năng gia công chính xác, linh hoạt về hình dáng và kích thước sản phẩm. Cụm trục chính máy tiện CNC đóng vai trò trung tâm, quyết định trực tiếp đến độ chính xác và chất lượng gia công. Trong quá trình vận hành, rung động xuất hiện trên cụm trục chính phản ánh chính xác tình trạng làm việc và ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ tin cậy của máy. Tuy nhiên, tại Việt Nam hiện chưa có quy trình đánh giá chất lượng làm việc cụm trục chính dựa trên các thông số đặc trưng của rung động, đặc biệt là mối quan hệ giữa lượng mòn tổng cộng và rung động chưa được nghiên cứu sâu.
Luận văn tập trung nghiên cứu mối tương quan giữa lượng mòn tổng cộng và giá trị đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300, công suất 1,5 kW, tốc độ vòng quay từ 1000 đến 3000 vòng/phút, trong điều kiện không bôi trơn và nhiệt độ làm việc dưới 60°C. Mục tiêu chính là xác định giá trị trung bình hiệu dụng giới hạn cho phép của gia tốc rung động, từ đó đề xuất thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng cụm ổ trục chính nhằm duy trì chất lượng làm việc, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy máy.
Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học khi xây dựng quy trình thực nghiệm xác định mối tương quan giữa mòn và rung động, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc giám sát và bảo trì cụm trục chính máy CNC, góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả vận hành.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mòn ổ trục và lý thuyết rung động máy công cụ. Lý thuyết mòn ổ trục tập trung vào xác định tuổi thọ ổ lăn dựa trên tải trọng động hướng kính danh định Cr, tải trọng động tương đương, và lượng mòn tổng cộng (δ). Tuổi thọ sửa đổi được tính toán theo các hệ số phụ thuộc vào độ tin cậy, hình học và vật liệu ổ lăn.
Lý thuyết rung động máy công cụ tập trung vào phân tích tín hiệu rung động, sử dụng các giá trị đặc trưng như gia tốc rung động RMS (a), vận tốc rung động, và các chỉ số phổ tần số để đánh giá tình trạng kỹ thuật cụm trục chính. Các tiêu chuẩn ISO 10816, ISO 7919 và ISO/TR 17342 được áp dụng để phân loại mức độ rung động và xác định vùng hoạt động an toàn của máy.
Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: lượng mòn tổng cộng (δ), giá trị trung bình hiệu dụng gia tốc rung động (a), và thời gian điều chỉnh bảo dưỡng (Tdc). Mối quan hệ giữa δ và a được mô hình hóa bằng hàm hồi quy phi tuyến, giúp dự báo tuổi thọ và thời điểm bảo dưỡng.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính là kết quả thí nghiệm trên cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300, sử dụng hai ổ 7210B của hãng NSK lắp ghép kiểu lưng đối lưng (DB). Cỡ mẫu gồm nhiều chu kỳ vận hành với các điều kiện tải trọng và tốc độ khác nhau, trong môi trường không bôi trơn để quan sát quá trình mòn tuyến tính.
Phương pháp phân tích sử dụng các công cụ đo rung động gia tốc kế, xử lý tín hiệu bằng phần mềm Matlab và Microlog Analysis để tính giá trị đặc trưng RMS của gia tốc rung động. Mối tương quan giữa lượng mòn tổng cộng và giá trị gia tốc được xác định qua hàm hồi quy phi tuyến, đồng thời xác định thời gian điều chỉnh bảo dưỡng Tdc dựa trên ngưỡng giới hạn cho phép của gia tốc.
Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Mối tương quan giữa lượng mòn tổng cộng và gia tốc rung động: Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng mòn tổng cộng (δ) và giá trị trung bình hiệu dụng gia tốc rung động (a) có mối quan hệ đồng biến rõ rệt, được mô hình hóa bằng hàm hồi quy phi tuyến với độ tin cậy cao. Ví dụ, khi δ đạt 5 µm, giá trị a tương ứng đạt ngưỡng giới hạn cho phép khoảng 2.5 mm/s² RMS.
Xác định giá trị giới hạn gia tốc rung động: Giá trị trung bình hiệu dụng giới hạn cho phép của gia tốc rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC được xác định là khoảng 2.5 mm/s² RMS, phù hợp với tiêu chuẩn ISO/TR 17342-2 cho vùng cảnh báo (vùng C). Khi vượt ngưỡng này, cần tiến hành điều chỉnh bảo dưỡng để tránh hư hỏng nghiêm trọng.
Thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng (Tdc): Thời gian làm việc đến khi cần điều chỉnh bảo dưỡng cụm ổ trục chính được xác định dựa trên mối quan hệ giữa δ và a, giúp duy trì chất lượng làm việc và nâng cao tuổi thọ máy. Thí nghiệm cho thấy Tdc có thể được dự báo chính xác trong khoảng 1000 đến 1500 giờ vận hành tùy điều kiện tải.
Ảnh hưởng của tải trọng đến mối quan hệ δ và a: Kết quả phân tích cho thấy tải trọng P tác động rõ rệt đến giá trị gia tốc rung động và lượng mòn tổng cộng, trong đó tải trọng lớn làm tăng tốc độ mòn và biên độ rung động. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát tải trọng trong vận hành máy CNC.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân mối tương quan giữa lượng mòn và gia tốc rung động xuất phát từ sự gia tăng khe hở và biến dạng trong cụm ổ trục chính khi mòn tăng, dẫn đến rung động gia tăng. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về giám sát tình trạng ổ lăn bằng phân tích rung động, đồng thời mở rộng ứng dụng cho máy tiện CNC với điều kiện vận hành đặc thù.
So sánh với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã xác định được ngưỡng giới hạn gia tốc rung động phù hợp với tiêu chuẩn ISO, đồng thời đề xuất quy trình thực nghiệm và mô hình toán học cụ thể cho máy tiện CNC, điều mà các nghiên cứu trong nước chưa thực hiện đầy đủ.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mối quan hệ δ - a, biểu đồ phân bố thời gian điều chỉnh Tdc theo tải trọng, và bảng so sánh giá trị gia tốc rung động với các vùng an toàn theo tiêu chuẩn ISO/TR 17342-2, giúp trực quan hóa và dễ dàng áp dụng trong thực tế.
Đề xuất và khuyến nghị
Xây dựng hệ thống giám sát rung động tích hợp: Triển khai hệ thống đo lường và phân tích gia tốc rung động RMS trên cụm ổ trục chính máy tiện CNC để theo dõi liên tục tình trạng mòn, giúp phát hiện sớm dấu hiệu hư hỏng và lên kế hoạch bảo dưỡng kịp thời.
Thiết lập ngưỡng cảnh báo và thời điểm bảo dưỡng: Áp dụng giá trị giới hạn gia tốc rung động khoảng 2.5 mm/s² RMS làm ngưỡng cảnh báo, từ đó xác định thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng Tdc nhằm duy trì chất lượng làm việc và tuổi thọ cụm trục chính.
Kiểm soát tải trọng vận hành: Đề xuất các biện pháp điều chỉnh tải trọng trong quá trình gia công để giảm tốc độ mòn và rung động, bao gồm tối ưu chế độ cắt, sử dụng công cụ phù hợp và bảo trì hệ thống truyền động.
Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và vận hành máy về phương pháp giám sát rung động và bảo dưỡng dựa trên dữ liệu thực nghiệm, nhằm nâng cao hiệu quả bảo trì và giảm thiểu chi phí sửa chữa.
Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 12-18 tháng, phối hợp giữa nhà sản xuất máy CNC, đơn vị bảo trì và các viện nghiên cứu kỹ thuật cơ khí.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư bảo trì và vận hành máy CNC: Nắm bắt quy trình giám sát rung động và xác định thời điểm bảo dưỡng cụm trục chính, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu thời gian chết máy.
Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị cơ khí: Áp dụng mô hình mối quan hệ mòn-rung động để phát triển các hệ thống giám sát thông minh, cải tiến thiết kế cụm trục chính và nâng cao độ bền sản phẩm.
Doanh nghiệp sản xuất sử dụng máy CNC: Tối ưu hóa kế hoạch bảo trì dựa trên dữ liệu thực nghiệm, giảm chi phí sửa chữa và tăng năng suất sản xuất.
Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật cơ khí: Học tập kiến thức chuyên sâu về mòn ổ trục, phân tích rung động và ứng dụng thực tiễn trong giám sát tình trạng máy công cụ CNC.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao phải giám sát rung động cụm ổ trục chính máy CNC?
Rung động phản ánh tình trạng mòn và hư hỏng của ổ trục, giúp phát hiện sớm các vấn đề kỹ thuật mà không cần tháo lắp máy, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì.Giá trị gia tốc rung động RMS bao nhiêu là an toàn cho cụm trục chính?
Theo nghiên cứu, giá trị giới hạn cho phép là khoảng 2.5 mm/s² RMS. Vượt ngưỡng này cần tiến hành điều chỉnh bảo dưỡng để tránh hư hỏng nghiêm trọng.Làm thế nào xác định thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng (Tdc)?
Tdc được xác định dựa trên mối quan hệ hồi quy giữa lượng mòn tổng cộng và giá trị gia tốc rung động, giúp dự báo thời gian vận hành tối ưu trước khi cần bảo dưỡng.Ảnh hưởng của tải trọng đến tuổi thọ cụm ổ trục chính như thế nào?
Tải trọng lớn làm tăng tốc độ mòn và biên độ rung động, giảm tuổi thọ cụm ổ trục chính. Do đó, kiểm soát tải trọng là yếu tố quan trọng trong vận hành.Phương pháp đo và phân tích rung động được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
Sử dụng gia tốc kế đo gia tốc rung động, xử lý tín hiệu bằng phần mềm Matlab và Microlog Analysis để tính giá trị RMS và phân tích phổ tần số, từ đó đánh giá tình trạng kỹ thuật cụm trục chính.
Kết luận
- Đã xác định được mối tương quan rõ ràng giữa lượng mòn tổng cộng và giá trị gia tốc rung động RMS của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.
- Xác lập giá trị giới hạn gia tốc rung động khoảng 2.5 mm/s² RMS làm ngưỡng cảnh báo cho bảo dưỡng.
- Đề xuất thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng Tdc dựa trên mô hình hồi quy giúp duy trì chất lượng làm việc và nâng cao tuổi thọ máy.
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc giám sát tình trạng kỹ thuật cụm trục chính máy CNC tại Việt Nam.
- Khuyến nghị triển khai hệ thống giám sát rung động tích hợp và kiểm soát tải trọng trong vận hành để tối ưu hiệu quả sản xuất.
Tiếp theo, cần thực hiện các dự án ứng dụng thực tế hệ thống giám sát rung động và đào tạo nhân lực vận hành, nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất máy CNC trong công nghiệp. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp triển khai để phát huy hiệu quả nghiên cứu.