Tổng quan nghiên cứu

Cụm trục chính là bộ phận quan trọng nhất của máy phay CNC, chịu trách nhiệm tạo ra biên dạng chi tiết và quyết định chất lượng bề mặt gia công. Với tốc độ quay cao, ma sát trong ổ bi sinh ra nhiệt lượng lớn, gây biến dạng nhiệt và ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác gia công. Theo ước tính, nhiệt độ trong cụm trục chính có thể tăng lên đến trên 50°C khi hoạt động ở tốc độ cao, dẫn đến sai số gia công và giảm tuổi thọ thiết bị. Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ và áp dụng chế độ bôi trơn phù hợp là rất cần thiết để duy trì hiệu suất và độ bền của cụm trục chính.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm nhiệt ổ trục chính máy phay đứng quay cao tốc, nhằm nghiên cứu độc lập quá trình sinh nhiệt và truyền nhiệt trong cụm trục chính, đồng thời đánh giá hiệu quả của phương pháp bôi trơn hỗn hợp khí-dầu. Nghiên cứu tập trung vào cụm trục chính WZ19A65-ZTE 3n2-004 với tốc độ quay lên đến 8400 vòng/phút, vượt xa giới hạn nghiên cứu trước đây chỉ khoảng 3000 vòng/phút. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế hệ thống bôi trơn, làm mát, đo lường và điều khiển nhiệt độ tại các ổ bi trong cụm trục chính.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kiểm soát nhiệt độ hiệu quả, giảm biến dạng nhiệt và tăng độ chính xác gia công cho máy phay CNC tốc độ cao. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế và vận hành các máy công cụ hiện đại, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sinh nhiệt trong ổ bi: Nhiệt sinh ra chủ yếu do ma sát trong ổ bi, được tính bằng công thức Hf = 1.047 × 10⁻⁴ n M (W), trong đó n là tốc độ quay (vòng/phút), M là mô men ma sát tổng (Nmm). Mô men ma sát bao gồm mô men do tải trọng và mô men ma sát nhớt, được xác định qua các hệ số đặc trưng tùy loại ổ bi và phương pháp bôi trơn.

  • Mô hình truyền nhiệt: Truyền nhiệt trong cụm trục chính diễn ra qua hai hình thức chính là dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt. Hệ số truyền nhiệt đối lưu được xác định dựa trên hệ số Nusselt, Reynolds và Prandtl, với các công thức chuẩn trong truyền nhiệt đối lưu tự do và cưỡng bức.

  • Phương pháp bôi trơn hỗn hợp khí-dầu: Đây là phương pháp cung cấp lượng dầu rất nhỏ được hòa trộn với khí nén và phun trực tiếp vào ổ bi, giúp làm mát và bôi trơn hiệu quả ở tốc độ cao, vượt trội so với bôi trơn mỡ truyền thống.

Các khái niệm chính bao gồm: mô men ma sát ổ bi, hệ số truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng sinh ra trong ổ bi, và chế độ bôi trơn khí-dầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình thực nghiệm cụm trục chính WZ19A65-ZTE 3n2-004 được thiết kế và chế tạo để quay ở tốc độ 8400 vòng/phút. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế mô hình thực nghiệm: Tích hợp hệ thống cơ khí, bôi trơn, làm mát và đo lường. Hệ thống bôi trơn sử dụng đầu phun khí dầu SKF 169-000-101, bơm dầu MKU2–12BC11000+428, máy nén khí PUMA – PK1060 và các thiết bị điều khiển Arduino, cảm biến nhiệt DS18B20.

  • Phân tích nhiệt sinh và truyền nhiệt: Tính toán nhiệt lượng sinh ra trong ổ bi dựa trên mô men ma sát và tốc độ quay, mô phỏng truyền nhiệt bằng phần mềm ANSYS với lưới phần tử SOLID 87 gồm 287299 phần tử, xác định trường nhiệt độ và biến dạng nhiệt trong cụm trục chính.

  • Thu thập và xử lý dữ liệu: Sử dụng hệ thống đo lường nhiệt độ tại các ca ngoài ổ bi, thu thập dữ liệu qua giao diện Visual Studio 2010, phân tích sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian và tốc độ quay.

  • Timeline nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo mô hình trong vòng 6 tháng, thử nghiệm và thu thập dữ liệu trong 3 tháng tiếp theo, phân tích và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối năm 2020.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình cụm trục chính duy nhất nhưng được thử nghiệm đa dạng ở nhiều tốc độ quay và điều kiện bôi trơn khác nhau để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nhiệt độ ổ bi khi quay ở 8400 vòng/phút: Mô phỏng truyền nhiệt cho thấy nhiệt độ cao nhất tại ổ bi đạt khoảng 52,9°C, trong khi nhiệt độ thấp nhất ở vỏ ngoài là 26,3°C. Sau khoảng 3000 giây (gần 1 giờ), cụm trục chính đạt trạng thái cân bằng nhiệt ổn định.

  2. Hiệu quả bôi trơn hỗn hợp khí-dầu: So sánh với bôi trơn mỡ, bôi trơn khí-dầu cho phép vận tốc quay ổ bi cao hơn từ 65% đến 80%, đồng thời giảm nhiệt độ ổ bi đáng kể, giúp duy trì nhiệt độ dưới 45°C trong thực nghiệm.

  3. Chu kỳ bơm dầu và lưu lượng: Lượng dầu phun vào ổ bi được điều chỉnh trong khoảng 120-180 mm³/giờ, với chu kỳ bơm 18 lần mỗi giờ, mỗi lần bơm kéo dài 40 giây, đảm bảo lượng dầu tối ưu cho bôi trơn và làm mát.

  4. Tổn thất áp suất trong hệ thống khí nén: Tính toán tổn thất áp suất tổng cộng trên đường ống dẫn khí là khoảng 7,48 bar, yêu cầu máy nén khí có công suất tối thiểu 0,3 kW để đảm bảo áp suất và lưu lượng khí phù hợp cho hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nhiệt độ ổ bi tăng lên khi tốc độ quay tăng là hệ quả trực tiếp của ma sát sinh nhiệt trong ổ bi, phù hợp với các nghiên cứu trước đây nhưng với phạm vi tốc độ cao hơn nhiều. Việc sử dụng bôi trơn hỗn hợp khí-dầu đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc kiểm soát nhiệt độ và tăng giới hạn vận tốc quay so với bôi trơn mỡ truyền thống. Điều này phù hợp với báo cáo của ngành về ưu điểm của bôi trơn khí-dầu trong các ứng dụng tốc độ cao.

Mô hình mô phỏng truyền nhiệt bằng phần tử hữu hạn giúp xác định chính xác vùng sinh nhiệt và hướng truyền nhiệt, hỗ trợ bố trí đầu phun khí dầu và cảm biến nhiệt độ hợp lý. Dữ liệu thu thập được qua hệ thống đo lường cho phép đánh giá chính xác sự biến đổi nhiệt độ theo thời gian, từ đó tối ưu hóa chu kỳ bơm dầu và lưu lượng khí.

Kết quả nghiên cứu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ ổ bi theo thời gian và tốc độ quay, bảng so sánh hiệu quả bôi trơn giữa mỡ và khí-dầu, cũng như sơ đồ hệ thống bôi trơn và làm mát tích hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống bôi trơn hỗn hợp khí-dầu cho máy phay CNC tốc độ cao: Áp dụng hệ thống bôi trơn khí-dầu với lưu lượng dầu 120-180 mm³/giờ và chu kỳ bơm 18 lần/giờ để kiểm soát nhiệt độ ổ bi, giảm biến dạng nhiệt và tăng độ chính xác gia công. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Nhà sản xuất máy công cụ và phòng kỹ thuật bảo trì.

  2. Tối ưu hóa thiết kế cụm trục chính: Cải tiến kết cấu cơ khí để tăng cứng vững và tích hợp hệ thống bôi trơn, làm mát hiệu quả, dựa trên kết quả mô phỏng truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Bộ phận R&D và thiết kế sản phẩm.

  3. Phát triển hệ thống đo lường và điều khiển nhiệt độ tự động: Sử dụng cảm biến DS18B20 và vi điều khiển Arduino để giám sát nhiệt độ ổ bi theo thời gian thực, kết nối với giao diện thu thập dữ liệu để phân tích và cảnh báo. Thời gian: 3 tháng. Chủ thể: Phòng tự động hóa và công nghệ thông tin.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về bảo dưỡng bôi trơn: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên về quy trình bôi trơn khí-dầu, bảo trì hệ thống bơm dầu và máy nén khí nhằm đảm bảo vận hành ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian: 6 tháng. Chủ thể: Phòng nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế máy công cụ: Nghiên cứu giúp hiểu rõ cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt trong cụm trục chính, từ đó thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát hiệu quả cho máy phay CNC tốc độ cao.

  2. Chuyên viên bảo trì và vận hành máy CNC: Áp dụng kiến thức về bôi trơn khí-dầu và quy trình bảo dưỡng để duy trì hiệu suất máy, giảm thiểu sự cố do nhiệt độ cao và biến dạng nhiệt.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo phương pháp thiết kế mô hình thực nghiệm, mô phỏng truyền nhiệt và phân tích dữ liệu thực nghiệm trong lĩnh vực máy công cụ.

  4. Doanh nghiệp sản xuất máy công cụ và linh kiện: Ứng dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và độ bền của máy phay CNC, đáp ứng nhu cầu gia công tốc độ cao trong công nghiệp hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần thiết kế mô hình thực nghiệm riêng cho cụm trục chính?
    Việc thử nghiệm trực tiếp trên máy công cụ gây ảnh hưởng đến quá trình gia công và khó kiểm soát các biến số. Mô hình thực nghiệm cho phép nghiên cứu độc lập, kiểm soát chính xác điều kiện vận hành và thu thập dữ liệu nhiệt độ hiệu quả.

  2. Ưu điểm của bôi trơn hỗn hợp khí-dầu so với bôi trơn mỡ là gì?
    Bôi trơn khí-dầu cho phép vận tốc quay cao hơn 65-80%, giảm nhiệt độ ổ bi, làm mát hiệu quả và dễ dàng loại bỏ tạp chất, trong khi bôi trơn mỡ có giới hạn tốc độ thấp và dễ gây tăng nhiệt khi quay nhanh.

  3. Làm thế nào để xác định lưu lượng dầu và chu kỳ bơm phù hợp?
    Dựa trên công thức tính toán và thực nghiệm, lưu lượng dầu được điều chỉnh trong khoảng 120-180 mm³/giờ, với chu kỳ bơm 18 lần mỗi giờ, mỗi lần bơm kéo dài 40 giây, đảm bảo lượng dầu tối ưu cho bôi trơn và làm mát.

  4. Hệ thống đo lường nhiệt độ sử dụng thiết bị gì?
    Cảm biến nhiệt DS18B20 được sử dụng để đo nhiệt độ tại các ca ngoài ổ bi, kết nối với vi điều khiển Arduino và giao diện thu thập dữ liệu Visual Studio 2010, cho phép giám sát và phân tích nhiệt độ theo thời gian thực.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại máy công cụ khác không?
    Có thể, nguyên lý sinh nhiệt và truyền nhiệt trong ổ bi tương tự nhau ở nhiều loại máy công cụ. Phương pháp bôi trơn khí-dầu và thiết kế hệ thống làm mát có thể được điều chỉnh phù hợp để áp dụng cho các máy tiện, máy mài hoặc máy phay ngang.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm nhiệt ổ trục chính máy phay đứng quay cao tốc với tốc độ lên đến 8400 vòng/phút.
  • Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy nhiệt độ ổ bi được kiểm soát hiệu quả dưới 53°C, đạt trạng thái cân bằng nhiệt sau khoảng 1 giờ vận hành.
  • Phương pháp bôi trơn hỗn hợp khí-dầu vượt trội so với bôi trơn mỡ, cho phép vận tốc quay cao hơn và giảm nhiệt độ ổ bi đáng kể.
  • Hệ thống đo lường và điều khiển nhiệt độ được tích hợp thành công, hỗ trợ thu thập dữ liệu và phân tích nhiệt độ ổ bi trong quá trình vận hành.
  • Đề xuất triển khai áp dụng hệ thống bôi trơn khí-dầu và thiết kế mô hình tương tự cho các máy công cụ tốc độ cao khác nhằm nâng cao hiệu suất và độ chính xác gia công.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm mở rộng với các điều kiện tải trọng và tốc độ khác nhau, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hóa quá trình bôi trơn và làm mát. Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong ngành cơ khí tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.