Nghiên cứu một số vần đề động lực học của cụm trục chính máy tiện291

Tóm tắt luận án Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, với phát triển ngành Khoa học Công nghệ, động lực học (ĐLH) máy công cụ có nhiều bớc phát triển Khi nghiên cứu tính toán thiết kế máy, cần phải lu ý trình động lực học có tính quy luật chúng nớc phát triển giới, nghiên cứu vấn đề ĐLH máy công cụ cụm trục máy công cụ đà đợc đề cập từ lâu nhằm tạo máy CNC, trung tâm gia công kỹ thuật số có khả chế tạo chi tiết đạt cấp xác suất cao Việt Nam, công nghiệp chế tạo máy công cụ có máy tiện đời gần 50 năm nay, song sản phẩm công nghiệp nhìn chung độ xác suất gia công khí thấp, chủ yếu đợc nghiên cứu lấy mẫu từ máy Liên Xô (cũ), sản phẩm xuất xởng cha đợc đánh giá tiêu chất lợng ĐLH Bớc đầu thời gian qua có số nghiên cứu, số đề tài cấp Bộ, cấp Nhà nớc đợc thực liên quan đến máy tiện chế tạo nớc Song cha có công trình nghiên cứu xem xét đến ảnh hởng số thông số thay đổi nh: độ cứng hớng kính ổ, vị trí lắp đặt ổ, lợng cân d trục chính, lực cắt đến độ bền, rung động, độ xác gia công cụm trục máy tiện chế tạo Việt Nam Luận án mang tên: Nghiên cứu số vấn đề động lực học cụm trục máy tiện đợc tiến hành có ý thực tiễn kỹ thuật Đối tợng phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài nghiên cứu ảnh hởng thay đổi độ cứng hớng kính ổ đỡ, vị trí lắp đặt ổ, lợng cân d trục chính, lực cắt đến tính chất động lực học, độ bền rung động cụm trục máy T18A - đại diện cho nhóm máy tiện hạng trung chế tạo Việt Nam Trên sở nghiên cứu này, đề nghị cải tiến kết cấu để chuyển từ máy tiện vạn thờng thành máy máy vạn NC cao thành NC thông minh (Smart Machine Tool) Những đóng góp chủ yếu Luận án - Lần nghiên cứu khảo sát cân động lô 10 trục Công ty Cơ khí Hà Nội chế tạo, lấy số liệu để làm đầu vào tính toán ảnh hởng - Sử dụng phần mềm Cosmos Design Star 4.0 lần tính ĐLH cụm trục máy tiện gồm: dao động riêng (tần số dạng riêng), dao động cỡng (ứng suất, chuyển vị biến dạng chịu lực) dới thay đổi độ cứng hớng kính ổ, vị trí lắp đặt, lợng cân d trục chính, lực cắt tính bổ xung hệ thân máy để có thêm số liệu kết luận nhận xét Kết hợp với đo đạc thực nghiệm máy tiện thực tế T18A công ty khí Hà nội không tải, có tải đo tần số riêng trục thiết bị phần mềm chuyên dùng đại, Luận án đà đa kết luận ảnh hởng thông số đến độ bền, rung động, độ xác gia công thiết bị Các kết luận lần đợc đề cập Việt Nam, có tính hớng dẫn cho thiết kế đạt kết cấu tối u - Đề xuất kiến nghị cải tiÕn kÕt cÊu, chun tõ m¸y tiƯn cÊp chÝnh x¸c thông thờng thành máy tiện NC Phơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng mô hình sử dụng phần mềm đại phơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán lý thuyết thông số ®éng lùc häc thay ®ỉi - KÕt hỵp víi thùc nghiệm có thiết bị phần mềm chuyên dùng mặt lấy số liệu đa vào tính, mặt khác đo đạc kiểm chứng so sánh với kết tính toán, có sở khoa học đầy đủ để đánh giá kết luận Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục, danh mục tài liệu tham khảo, danh mục công trình khoa học có liên quan đến luận án đợc công bố, toàn nội dung luận án đợc chia thành 04 chơng với 154 trang A4, 142 hình ảnh đồ thị, 34 Bảng số liệu, 03 phụ lục, 61 tài liệu tham khảo Các chơng nh sau: Chơng 1: Tổng quan sở lý thuyết ứng dụng nghiên cứu Chơng 2: Yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục khảo nghiệm cân động trục Chơng 3: Tính toán động lực học cụm trục thân máy tiện T18A dới ảnh hởng số thông số thay đổi phần mềm phơng pháp phần tử hữu hạn Chơng 4: Các kết thí nghiệm đo dao động riêng cỡng cụm trục thân máy tiện T18A thiết bị phần mềm chuyên dùng Giới hạn vấn đề tồn tại: - Cha đề cập đợc tham số ngoại tác động thay đổi theo thời gian thay đổi ngẫu nhiên; - Cha đề cập đợc ảnh hởng biến dạng lỗ thân máy lắp ổ đỡ trục chính; - Mới nghiên cứu dao ®éng ngang (n) cđa trơc chÞu lùc híng kÝnh tham số ngoại lực Ch ơng I: Tổng quan sở lý thuyết ứng dụng nghiên cứu Trong Chơng 1, đà nghiên cứu xem xét vấn ®Ị sau: 1.1 Tỉng quan lý thut ®éng lùc häc máy công cụ Phần này, đà đa số khái niệm, định nghĩa: - Hệ thống động lực học máy - đồ gá - dao chi tiết, đa đợc sơ đồ khối hệ thống động lực học (ĐLH) máy công cụ mạch hở, mạch kín đặc điểm - Cấu trúc hệ thống ĐLH máy công cụ hệ thống đàn hồi tơng đơng, nêu bật đợc hàm truyền hệ thống, ba dạng hệ thống đàn hồi tơng đơng đặc tính tơng ứng - Trên sở đặc tính đàn hồi hệ thống, giới thiệu cách tính phơng trình hàm truyền hệ thống tín hiệu nhiều toạ độ 1.2 Phơng trình động lực học Trong phần 1.2 này, giới thiệu cách thiết lập phơng trình động lực học: phơng trình dao động, phơng trình tần số, phơng trình ma trận khối lợng , gồm: - Thành lập phơng trình dao động; - Ma trận khối lợng; - Dao động tự do, tần số dạng dao động riêng 1.3 Tổng quan phơng pháp phần tử hữu hạn Phần này, nêu giới thiệu số vấn đề: - Mô hình toán phơng pháp giải phần tử hữu hạn, mô hình, mô hình chuyển đổi từ hệ liên tục sang hệ rời rạc liên kết lại nút, từ hệ phơng trình vi phân đạo hàm riêng thành hệ phơng trình đại số hữu hạn ẩn dới dạng ma trận; - Trình tự giải toán phơng pháp phần tử hữu hạn, bao gồm bớc nh sau: Bớc 1: Rời rạc hoá miền khảo sát tạo lới phần tử; Bíc 2: Chän hµm néi suy, thêng chän hµm néi suy đa thức đại số để dễ đạo hàm tích phân Bậc đa thức đợc chọn phơ thc vµo sè nót cđa hƯ chi tiÕt, sai số yêu cầu số ẩn 01 nút; Bớc 3: Xác định đặc trng phần tử; Bớc 4: Ghép nối phơng trình phần tử, tạo phơng trình toàn hệ; Bớc 5: Giải hệ phơng trình kết cấu; Bíc 6: TÝnh c¸c Èn sè kh¸c theo c¸c quan hệ đàn hồi 1.4 Mô hình kết cấu tính toán ĐLH cụm trục máy tiện T18A dới ảnh hởng số thông số thay đổi Phần đa mô hình cụm trục máy T18A, đại diện cho loại máy tiện chế tạo Việt Nam, gồm: - Các giả thiết mô hình tính định hớng luận án Các giả thiết (07 giả thiết) cần phải nêu để toán đợc chặt chẽ, khoa học, kết tính có độ tin cậy Định hớng luận án tập trung nghiên cứu 01 đối tợng máy tiện đợc sản xuất, có nhận xét kết luận kiến nghị cho thiết bị - Trình bày kết cấu cụm trục máy tiện T18A đa mô hình tính động lực học với đầy đủ thống số kết cấu chịu lực Các thông số thông số thiết kế thực tế máy Kết luận Chơng 1: Luận án trình bày tóm tắt tổng quan sở lý thuyết ứng dụng nghiên cứu luận án nh: động lực học máy công cụ cụm trục máy công cụ; động lực học ứng dụng, phơng pháp phần tử hữu hạn Các nội dung lý thuyết sở mà luận án dùng để nghiên cứu Luận án xây dựng đợc mô hình tính toán động lực học, đa đợc mục tiêu định hớng vấn đề cần giải quyết, vấn đề hạn chế cha giải đợc, làm sở cho chơng sau Ch ơng 2: Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục khảo nghiệm cân động trục máy T18A Trong chơng đà đề cập đến: 2.1 Một số tính toán cụm trục ổ: Các tính toán đợc đa có tính chất ví dụ minh hoạ, truyền thống với số bậc tự không ba, đợc thực tay, bao gồm: - Tính tần số riêng mô hình ba khối lợng tập trung đa đợc phơng trình tần số để giải trị số tần số riêng; - Tính độ biến dạng hệ thống đàn hồi thay trục dầm tĩnh có diện tích mặt cắt ngang không đổi theo chiều dài trục, đặt hai gối tựa đàn hồi, khối lợng tập trung vào điểm phía mâm cặp Kết quả, tính đợc chuyển vị đầu công xôn tổng ba chuyển vị thành phần; - Tính độ cứng vững trục có xét đến độ mềm ổ đỡ Cách tính đợc xây dựng mô hình trục dạng có mặt cắt ngang không đổi, đặt hai gối tự đàn hồi tính đợc công thức tính ®Õn ®é mỊm cđa ỉ ®ì vµ ®é mỊm chung trục 2.2 Các yêu cầu, tiêu chuẩn sơ đồ kết cấu cụm trục máy tiện Trong mục này, đề cập đến vấn đề sau: - Độ xác quay tròn trục đợc đánh giá độ đảo hớng kính đầu công-xôn nó, theo cấp xác đờng kính lớn chi tiết đợc gia công thân máy, quy định theo tiêu chuẩn quốc tế ISO TCVN tơng ứng (ISO 1708:1989 TCVN 5882:1995); - Độ cứng cụm trục chuyển vị cho phép lớn dới tác dụng lực quy định, bị ảnh hởng biến dạng đàn hồi ổ đỡ, độ võng thân trục biến dạng chi tiết liên quan đến ổ - Độ ổn định rung cụm trục đợc đánh giá biên độ dao động đầu nút công xôn quay không tải tần số dao động riêng - Yêu cầu kết cấu đợc định thông số: vị trí số chi tiết lắp trục; dung sai lắp ghép chi tiết trục; phơng pháp lắp ráp công nghệ nhiệt luyện v.v - Thiết kế trục dùng ổ đỡ (lăn): thờng đợc đặt 02 ba ổ đỡ có nhiều phơng án kết cấu khác nhau, phơng án có tính riêng - Đa số kết cấu điển hình cụm trục máy tiện loại, đợc sản xuất nớc nớc ngoài: máy tiện ngang T620, máy tiện T18A, tiện đứng, tiện Rơvonve, máy tự động Rơvonve, máy có hai ba ổ (lăn), máy tiện NC, có máy T18A- đối tợng nghiên cứu luận án 2.3 Cân khảo nghiệm cân động trục máy tiện Phần này, đề cập vấn đề sau: - Đa nguyên lý máy cân động kiểu khung đặc tính máy cân làm việc chế độ cộng hởng, cộng hởng qua cộng hởng - Trên sở tiêu chuẩn ISO 1940/1:1986 yêu cầu chất lợng cân vật quay, trình bày cấp chất lợng tăng cao từ G250 đến G0,4 đồ thị xác định độ lệch tâm khối lợng d cho phép lớn theo tốc độ cấp xác cân phần quay - Trên sở máy cân động MC9.01 Viện Nghiên cứu Cơ khí đà tin học hoá, đo khảo nghiệm lợng cân 10 trục chế tạo Công ty Cơ khí Hà Nội, kết hợp cân khảo nghiệm Công ty Điện Hà Nội Kết theo Bảng 2.8 sau: Bảng 2.8- Các kết xác định l ợng cân d Trị số (Qui mặt phẳng* I) [g.mm] Trị số (Qui mặt phẳng *II) TT Trôc 1 2,5 x 33,5 21 x 36,0 2 3,5 x 33,5 13,5 x 36,0 3 1,8 x 33,5 14,0 x 36,0 4 2,0 x 33,5 13,0 x 36,0 5 2,7 x 33,5 25,0 x 36,0 6 4,0 x 33,5 17,0 x 36,0 7 3,7 x 33,5 15 x 36,0 8 2,2 x 33,5 19 x 36,0 9 3,3 x 33,5 22,0 x 36,0 10 10 2,8 x 33,5 20,0 x 36,0 Mặt phẳng I II mặt phẳng vuông góc với trục điểm đoạn trục tơng ứng 67j s 72 j s (*) + Lợng cân max mặt I: (1,8 ữ4,0).33,5 [g.mm]; + Lợng cân max mặt II: (13,5 ữ25).36,0 [g.mm] Các kết với tham số ngoại tác động tính đợc mục3.1, Chơng theo chế độ cắt thử làm số liệu đầu vào để tính Kết luận Chơng Tần số dao động riêng cụm trục máy tiện thông số quan trọng để đánh giá ổn định rung hệ thống, phụ thuộc vào kết cấu, bố trí lắp đặt, độ cứng vững, vật liệu chi tiết Độ biến dạng đầu công xôn trục tổng lợng biến dạng riêng trục chịu lực độ mềm ổ đỡ Độ xác chi tiết gia công máy tiện phần lớn phụ thuộc vào chuyển động quay tròn đầu trục chính, độ cứng vững ổn định chống rung Các trị số cho phép đà đợc quy định tiêu chuẩn Quốc tế tiêu chuẩn Việt Nam đà ban hành Đà tiến hành đo khảo nghiệm cân động 10 trục máy tiện thực tế Công ty Cơ khí Hà Nội chế tạo, có số liệu để đa vào nghiên cứu ảnh hởng thông số chơng sau Ch ơng 3: Tính toán động lực học cụm trục thân máy tiện T18A d ới ảnh h ởng số thông số thay đổi phần mềm Cosmos Design Star 4.0 3.1 Tính tham số ngoại tác động tĩnh lên trục thân máy tiện Tính toán lực tác dụng cắt chế độ cắt thô thử máy lên cụm trục băng máy Chế độ cắt: + Chi tiết gia công: đờng kính: φ 115 mm; chiỊu dµi: 350 mm; + VËt liƯu: thÐp 45 [HB = 107]; + Dao c¾t: Dao tiƯn P18; n = 120vg/ph; t = mm; s = 0,63 mm/vg Kết tính lực: + Lực tác dụng lên mâm cặp: Pz = 7304 [N]; Py = 3078 [N] Px = 2643 [N] + Lực tác dụng lên băng máy tiện (thân): F A = 2849 [N] ; fA = 210 [N] ; F B = 5771 [N] ; f B = 865,65 [N] ; F C = 658 [N] ; f C = 98,7 [N] ; 3.2 øng dơng phÇn mỊm CosmossDesignStar 4.0 - Giíi thiƯu sơ công dụng phần mềm, ứng dụng số lĩnh vực tính toán, nghiên cứu; - Giới thiệu sơ đồ trình tự tính bớc giải toán phần mềm này, có nhấn mạnh việc thực đợc tiến hành mô hình 3D (solid word, inventor, Pro/engineer) 3.3 Tính toán động lực học cụm trục máy tiện 3.3.1 Dao động riêng Phần tính nghiên cứu dạng riêng tần số riêng cụm trục có hai ba ổ đỡ thay đổi độ cứng hớng kính vị trí lắp đặt ổ 3.3.1.1 Tr ờng hợp cụm trục trơn có hai ba ổ đỡ Kết tính toán đợc nêu Hình 3.9 Hình 3.10 12000 10000 8000 Trơc ỉ bi 6000 Trơc ỉ bi 4000 2000 10 Hình 3.9- Đồ thị so sánh tần số riêng Trong Hình 3.9, trị số 10 tần số riêng tính đợc nh sau hệ trục trơn có hai ổ đỡ: 1.597; 1.801; 2.805; 2.809; 3.432; 3.931; 4.151; 4.185; 4.869; 5.257, [HZ ] H×nh 3.10 - Dạng riêng thứ cụm trục có ổ đỡ 3.3.1.2 Khi cụm trục 02 ổ đỡ có lắp bánh mâm cặp Các kết tính toán đợc nêu trong: a) Hình 3.14 đại diện dạng dao động riêng Hình 3.15 thay đổi độ cứng ổ đỡ: Hình 3.14 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng tr ờng hợp 3.3.2.1a) Hình 3.15- Dạng riêng ứng với tần số thứ thứ trục b) Bảng 3.4 thay đổi vị trí lắp ổ đỡ: Bảng 3.4- Biên độ chuyển vị theo tần số riêng tr ờng hợp 3.3.1.2b) N0 Trờng hợp Theo thiết kÕ-[1] ỉ bi (1) sang tr¸i 20mm, ỉ bi (3) giữ nguyên- [2] ổ bi (1) sang phải, ổ bi (3) sang trái 20mm-[3] Tần số [H z] Tần sè [H z] TÇn sè [H z ] TÇn sè [Hz ] TÇn sè [Hz ] TÇn sè [H ] ] TÇn sè [Hz ] Biên độ 1, [àm] Biên độ 2,[àm] Biên độ 3,[àm] Biên độ 4, [àm] Biên độ 5, [àm] Biên độ 6, [àm] Biên độ 7, [àm] 850 26 689 856 199 695 1444 46 1257 1447 414 1262 1611 523 1414 2004 85 1556 2145 478 2014 45 212 26 406 527 95 538 615 618 1265 1495 1498 1541 2241 26 119 589 35 473 93 578 NhËn xÐt mơc 3.3.1.2a) vµ 3.3.1.2b): - KÕt cÊu nh thiÕt kế có tần số riêng lớn nhất; - Biên độ chuyển vị cộng hởng ứng với hai tần số riêng thay đổi nhiều, thay đổi vị trí lắp ổ đỡ; - dạng dao động riêng đầu tiên, điểm chuyển vị lớn thờng tập trung vào đầu mâm cặp; - Biên độ cộng hởng thờng lớn độ cứng lớn 3.3.1.3 Khi trục có 03 ổ đỡ lắp hai bánh mâm cặp 10 (2) sang trái 20mm, ổ (3) giữ nguyªn [2] 32 106 595 95 78 16 640 ỉ (1) để nguyên, ổ 2)và ổ (3) sang trái 20mm [3] 686 691 1296 1731 2186 2199 2482 262 431 604 95 21 22 689 ổ (2) (2) để nguyên, ổ (3) sang trái 20mm [4] 687 689 1298 1755 2221 2224 2495 479 155 601 96 519 199 690 Hình 3.25- Biên độ thay đổi theo tần số riêng tr ờng hợp 3.3.1.3b) Nhận xét mục 3.3.1.3a) 3.3.1.3b): + KÕt cÊu nh thiÕt kÕ cho tÇn sè riêng lớn nhất; + Điểm có chuyển vị lớn cộng hởng dạng thờng tập trung đầu mâm cặp; + Vị trí ổ đỡ dịch lui xa mâm cặp làm cho biên độ cộng hởng tăng lên nhiều; + Trừ lắp ổ loại trung, biên độ chuyển vị không lớn không thay đổi nhiều hai tần số riêng thay đổi độ cứng ổ đỡ 3.3.2 Dao ®éng cìng bøc 3.3.2.1 Trơc 02 ỉ ®ì, l¾p 02 bánh mâm cặp Sơ đồ tính trờng chuyển vị chịu lực cắt, lực lệch tâm, lực ăn khớp thay đổi lực cắt (100%; 80% 125%) đợc nêu Bảng 3.10, Hình 3.26 đại diện Hình 3.32 12 Hình 3.26- Sơ đồ tính chịu lực tr ờng hợp 3.3.2.1b) Bảng 3.10- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng tr ờng hợp 3.3.2.1b) Chuyển vị , Biến dạng tơng đối,% µm øng suÊt, MPa D¹ng 1) 2) 3) σ1 σ3 σ2 σx σy σz Min Max Min Max 10-30 10-4 10-12 Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min 56 45 73 -30 -24 -39 37 29 48 -35 -28 -46 32 26 42 -65 -52 -84 36 29 47 -34 55 -64 35 -35 -27 43 - 51 28 -28 -44 71 - 83 46 -16 15 12 19 1 1.8 1.4 2.3 Hình 3.32- Tr ờng chuyển vị chịu 100% lực 3.3.2.2 Trục ba ổ đỡ, lắp hai bánh mâm cặp Sơ đồ tính chịu lực cụm trục trờng hợp 3.3.2.2b) đợc Hình 3.43 b) Kết tính cụm trục chịu tác dụng lực cắt thay đổi lực ăn khớp bánh lực ly tâm thay đổi nêu Bảng 3.14 Hình 3.44; 3.45 đại diện Hình 3.48 Hình 3.50 13 4.6 1.2 6.1 Bảng 3.14- Trị số ứng suất, chuyển vị , biến dạng tr ờng hợp 3.3.2.2b) ứng suất, [Mpa] Các dạng Max Min 1) 58.4 Max - 23 30.1 σ3 Min - 29 σx Max Min Max Min 28.0 2) 58.4 -23.3 30.0 -29.1 28.0 - 60 31.3 -29.1 Chun vÞ max , Biến dạng [à m] tơng 100% 150% đối,% F vµ F rF vµ F r Max10 σy σz Max Min Max Min 52.1 -49.5 32.8 -29.5 8.495 9.79 1.825 - 60 31.3 -29.1 52.2 -49.5 32.8 -29.5 8.527 9.809 1.826 3) 58.5 - 23 30.0 - 29.1 27.9 - 52 31.3 -29.1 52.2 -49 32.8 -29.7 8.580 9.856 1.827 4) 58.7 - 23 52.3 8.748 9.981 1.831 9.544 10,40 1.852 -30 10.88 11,19 1.888 29.9 - 29 27.8 - 52 31.3 -29 5) 59.4 - 23.4 29.7 - 29.3 27.1 - 53 31.4 6) 60.8 -23.6 30.1 -29.6 26.6 -29 - 54 31.6 -29.6 7) 62.7 - 23.8 30.7 - 30.0 26.8 - 56 31.9 -30.0 -46 32.7 -29.7 52.9 -49.9 32.4 -30.1 53.8 -50.5 32.04 55.2 -51.4 33.1 -32.0 12.79 13,80 1.943 Hình 3.43- Sơ đồ tính chịu lực tr ờng hợp 3.3.2.2b) thị Biến Dạng Tương Đối Max Max Đồ thị Chuyển Vị Max µm 14 12 10 B1 8.495 B2 8.527 B3 8.58 B4 8.748 B5 9.544 B6 10.88 B7 12.79 2 Hình 3.44 - Đồ thị chuyển vị Max khi100% tải F Fr 1.96 1.94 1.92 1.9 1.88 1.86 1.84 1.82 1.8 1.78 1.76 B7 1.943 B6 1.888 B1 1.825 B2 1.826 B3 1.827 B4 1.831 B5 1.852 Hình 3.45- Đồ thị biến dạng t ơng đối Max 100% tải F Fr 14 Hình 3.50- Tr ờng chuyển vị Hình 3.48- Tr ờng ứng suất pháp x 3.4 Tính động lực học hệ thân máy 3.4.1 Tính dao động riêng Các kết tính 10 tần số riêng, [Hz]: 113,9 ; 189,2 ; 199,2 ; 229,3 ; 280,4 ; 373,7 ; 406,4 ; 425,0 ; 440,8 480,8 Dạng dao động riêng tơng ứng với tần số riêng thứ đợc nêu Hình 3.54 Hình 3.54- Dạng dao động riêng ứng với tần số thứ 3.4.2 Tính dao động cỡng Các kết tính trờng hợp đợc nêu Bảng 3.16 Hình 3.60 3.61 Bảng 3.16 - Trị số ứng suất, chuyển vị , biến dạng Chuyển vị [àm] ứng suất, [MPa] Các dạng Max Min Max Min Max σy σx Min 9.2 -7.25 5.25 -8.12 2.78 13.8 -10.8 7.88 -12.2 4.186 -44.6 Max Min -29.7 5.25 7.88 σz Max Min Max Min -1.64 7.83 -2.88 8.71 -11.5 12.6 -24.7 11.7 -43.2 13.0 - 17.3 BiÕn dạng tơng đối,% Max Min Max Min 10 27 10 10-10 18.2 15 H×nh 3.60- Tr êng øng suÊtσ H×nh 3.61- Tr ờng chuyển vị Kết luận Chơng Với kết cÊu ba ỉ nh thiÕt kÕ, hƯ cã ®é cøng ĐLH cao, tần số riêng thấp 975 Hz Về mặt động lực học cụm trục làm việc đến 10.000 vòng/phút ổn định đợc rung động, không xảy cộng hởng, dao động không lớn Điểm có chuyển vị lớn cộng hởng thờng mâm cặp - Việc thay đổi vị trí lắp đặt ổ đỡ làm thay đổi tần số riêng hệ Độ cứng vị trí lắp ổ đỡ đầu mâm cặp có ảnh hởng quan trọng đến độ cứng hệ biên độ chuyển vị mâm cặp cộng hởng Kết cấu nh thiết kế cho tần số riêng cao nhất; biên độ cộng hởng thờng lớn độ cứng lớn; biên độ chuyển vị cộng hởng thay đổi nhiều ứng với hai tần số riêng thay đổi vị trí lắp ổ đỡ Trên sở tính toán cụm trục có hai ổ đỡ (theo 3.3.1.2a Chơng này), thấy tần số riêng hệ thấp so với loại ba ổ đỡ Tuy nhiên tần số thấp đạt đến 706,73 Hz, hệ cứng vững động lực học; - Khi hệ trục ổ đỡ chịu lực cắt 125% lực cắt thử, đồng thời chịu lực cân tốc độ n=2.000 vg/ph cho thấy chuyển vị hớng kính đầu mâm cặp trục không 20àm, máy đạt cấp xác theo yêu cầu; Có thể giữ kết cấu ba ổ đỡ nh thiết kế, nhng giảm kích thớc đờng kính trục để giảm độ cứng hớng kính ổ khoảng 20% so víi thiÕt kÕ hiƯn nay, ỉ ®ì chän nhá cã ®é cøng híng kÝnh cđa ba ỉ tõ 250 đến 350 N.àm-1 đảm bảo độ cứng 16 vững động lực học, độ bền chịu lực chuyển vị hớng kính mâm cặp đạt yêu cầu cho phép, không ảnh hởng đến độ xác máy cấp gia c«ng chi tiÕt Víi kÕt cÊu cơm trục nh thiết kế, tăng lực cắt thử thô đến 150%, trị số lớn dạng ứng suất không vợt giá trị cho phép, hệ số an toàn từ 4,24 đến 6,0: chuyển vị lớn đầu mâm cặp không lớn không 15 àm Kết cấu bền, hệ ổn định động lực học ảnh hởng lực ly tâm cân trục đến chuyển vị hớng kính ổ đỡ đầu trục tèc ®é lín nhÊt cđa trơc chÝnh hiƯn (2000 vg/ph) không lớn ( tăng khoảng đến 7%, theo Bảng 3.12 3.14) Nh vậy, lợng cân d trục điều kiện chế tạo với tốc độ thiết kế đạt yêu cầu, nằm phạm vi cho phép (phù hợp với ISO 1940/1: 1986) Đối với kết cấu thân máy nh thiết kế, tần số riêng thấp đạt đến 113,91, Hz ( ứng với tốc độ cộng hởng khoảng 6.000vg/ph), thân cứng vững ổn định dao động -Tuy nhiên, chế độ cắt thử 100%, chuyển vị lớn băng máy lên đến 12,66 àm; chế độ thử 150% 18,24 àm Giá trị chuyển vị đáng kể kết hợp với chuyển vị đầu trục Cần tăng chiều rộng chiều cao mặt cắt ngang thân thêm khoảng 20%, hệ thân máy cứng vững hơn, độ xác gia công đạt cao hơn( chuyển vị lớn khoảng 10àm) Ch ơng 4: Các kết thí nghiệm đo dao động riêng c ỡng cụm trục thiết bị phần mềm chuyên dùng Trong chơng này, nghiên cứu vấn đề sau: 4.1 Giới thiệu nguyên lý thiết bị đo thử nghiệm Phần giới thiệu nguyên lý của: - Hệ kích động, gồm: cố định không cố định; 17 - Các chuyển đổi lực chuyển động: kiểu áp điện (chun ®ỉi lùc), gia tèc kÕ, chun ®ỉi chun ®éng không tiếp xúc kiểu cảm ứng, đo rung kiểu Laser - Các hệ đo phân tích thử mẫu: chuyển ®ỉi D/A ( sè ®Õm t¬ng tù), chun ®ỉi A/D (tơng tự đến số), đa mạng 4.2 Đo xác định dao động riêng trục máy tiện thiết bị NI 4412 phần mềm Smart Office 4.2.1 Sơ đồ đo chọn điểm đo: Sơ đồ đo hình đo đợc nêu Hình 4.19 4.23 Một số hình ảnh đo đợc nêu Hình 4.22 A A-A A Hình 4.19- Sơ đồ đo trục Hình 4.23- Trục đo dao động riêng đặt hai nửa gối đỡ 18 Hình 4.22- Một số hình ảnh đo dao động riêng trục 4.2.2 Trình tự đo - Xác định toạ độ điểm đo; - Xác định hình lới sơ đồ đo 120 điểm trục đợc Hình 4.25 4.26 Hình 4.25- Hình lới đo trục 4.2.3 Hình 4.26- Sơ đồ đo 120 điểm Lu giữ giá trị kích búa thử vào điểm trục Các kết đo Các kết đo dao động đợc nêu Hình 4.27 19 Hình 27- Biểu đồ dao động trục (chồng chất 120 ®iĨm) a) BiĨu ®å dao ®éng cđa tõng ®iĨm; b) Các dạng dao động riêng đo đợc (10 dạng đầu tiên) c) Sai lệch tần số riêng tính đo kiểm đợc nêu Hình 4.30 dới 6000 5000 4000 Do kiem 3000 Tinh toa n 2000 1000 0 10 12 H×nh 4.30- Sai khác tần số riêng tính đo kiểm Kết đo đợc10 tần số riêng, nh sau: 1.568 ; 2.016 ; 2.512 ; 2.976; 3.472 ; 3.984 ; 4.594 ; 5.040 ; 5.525 ; 6000 [HZ] 4.3 Đo dao động cỡng cụm trục máy tiện T18A chạy có tải tải thiết bị data collector 2526E phần mềm SENTINEL TM 4.3.1 Giới thiệu thiết bị - Là thiết bị đo dao động cầm tay để đo thông số dao động; - Có thể tích hợp với hệ thống giám sát trực tuyến gián đoạn để giám sát chẩn đoán hoạt động thiết bị; 20 - Cho phép cân động chi tiết quay trờng Sơ đồ đo dao động cụm trục đợc Hình 4.27 Hình 4.27- Sơ đồ đo dao ®éng hƯ trơc chÝnh 4.3.2 KÕt qu¶ ®o Mét sè hình ảnh đo đợc nêu Hình 4.34 4.35 Hình 4.34- Biểu đồ hình ảnh đo dao động đo điểm không Kết đo đợc tổng hợp Bảng 4.8 so sánh sai khác chuyển vị đầu mâm cặp đợc nêu Bảng 4.9 Hình 4.35- Biểu đồ ảnh đo dao động đo điểm chạy không t 21 Bảng 4.8- Bảng giá trị kết đo dao động §iĨm ®o §iĨm §iĨm §iĨm §iĨm Điểm Điểm Chế độ tải chạy máy Giá trị vận tốc Giá trị biên độ Tần số ®o [Hz] dao ®éng v [µm/s] dao ®éng d [µm] 37,278 4.241 24,544 512 Cã t¶i 100% 97,447 7,759 97,372 7,753 Cã t¶i 125% 104,911 8,353 111,974 8,915 Không tải Bảng 4.9- Sai khác chuyển vị đầu lắp mâm cặp đầu sau* Chuyển vị Đầu mâm cặp, [àm] Tính toán Đo kiểm Sai khác tính đo kiểm [%] 9,78 - 7,753 - 9,03 - 8,915 - T¶i trọng Tính toán Đo kiểm Sai khác tính đo kiểm [%] 100% 8,485 9,31 125% 9,135 9,96 Đầu sau, [àm] *) Đầu sau đầu phía ng ợc lại đầu lắp mâm cặp Kết luận Chơng Trên sở đo thí nghiệm C hơng này, kết luận nh sau: - Việc đo xác định dao động riêng đợc thực trục T18A (mua Công ty Cơ khí Hà Nội) 120 điểm tạo thành hình lới trục Các kết đo trị số tần số riêng thay đổi so với tính toán với 10 giá trị ban đầu nhỏ từ +1.16% đến 12,9% theo Bảng 4.7 Hình 4.22 Các giá trị sai số chấp nhận đợc nghiên cứu, đánh giá - Các kết đo dao động riêng trục( tần số dạng riêng) so với kết tính phần mềm phơng pháp PTHH có khác mô hình đo mô hình tính có khác 22 Tuy nhiên, khác không lớn Các kết để tham khảo ®èi chiÕu nghiªn cøu ®éng lùc häc cơm trơc - Khi đo kiểm để xác định vận tốc dao động đặc biệt biên độ chuyển vị hớng kính hai ổ đỡ trớc ổ sau trục không tải, có tải 100% 125% tải cắt thử, nhận thấy kết đo dao động (theo Bảng 4.9) kết tính theo COSMOSDesign ( theo Bảng 3.12) biên độ chuyển vị hớng kính ổ đỡ mâm cặp( ổ trớc) ảnh hởng quan trọng đến độ xác gia công máy sai lệch không nhiều từ khoảng 9% Kết luận chung luận án Trên sở tổng quan lý thuyết ứng dụng nghiên cứu: động lực học máy công cụ, phơng pháp phần tử hữu hạn, ; yêu cầu, tiêu chuẩn khảo nghiệm cân động trục máy tiện T18A; tính toán động lực học hệ trục thân máy phần mềm CosmosDesignStar đo thí nghiệm dao động riêng, dao động cỡng phần mềm đại chuyên dùng cho phÐp kÕt ln nh sau: Víi kÕt cÊu ỉ ®ì vµ trơc chÝnh nh thiÕt kÕ ( 03 ỉ đỡ có độ cứng hớng kính từ 300 ữ 500N.àm-1 , chiều dài tổng 550mm), hệ có độ cứng vững ổn định động lực học cao, tần số riêng thấp đạt 900Hz Khi tăng độ cứng này, trị số tần số riêng tăng theo Hệ trục làm việc tốc độ đến 10.000 vg/ph ổn định mặt dao động , xảy dao động cộng hởng lớn, cụm trục làm việc chế độ dới cộng hởng - Khi thay đổi vị trí lắp đặt ổ, tần số riêng hệ thay đổi Tuy nhiên, vị trí ®é cøng cđa ỉ ®ì tríc trơc chÝnh l¹i qut định nhiều đến dao động riêng hệ biên độ chuyển vị cộng hởng Khi thiết kế cần lu ý đến đặc điểm Về mặt độ bền, với kết cấu nh thiết kế, tăng lực cắt đến 150% chế độ thử, trị số lớn dạng ứng suất (các ứng suất ứng suất pháp) không cao, hệ số an toàn ứng suất cao (từ 4,5ữ6,5), kết cấu bền ảnh hởng lợng cân d trục gây lực quán tính ly tâm tác dụng lên trục không lớn tốc 23 độ quay lín nhÊt hiƯn kho¶ng 2.000 vg/ph (kho¶ng ®Õn 7% so víi lùc c¾t thư) Víi hƯ trục máy tiện làm việc nh nay, sửa đổi kết cấu dới đây, máy đạt đợc độ xác, độ ổn định rung ®éng tèt: - KÕt cÊu vÉn cã 03 ỉ ®ì nh thiÕt kÕ hiƯn nay, song ỉ chän ỉ ®ì đờng kính trục cho độ cứng hớng kính cđa ỉ gi¶m 20% so víi hiƯn nay, cã thĨ độ cứng hớng kính giảm từ 350 đến 250 N.àm-1 ( cho ba ổ đỡ từ trớc đến sau mâm cặp); Để đạt độ xác gia công chi tiết từ 1% đến 0,5% (từ 10àm đến 5àm) nâng tốc độ lớn từ 8.000 đến 10.000 vg/ph , sở kết tính toán đo kiểm phần trên, thông số sau phải đồng thời quan tâm: - Chọn độ cứng vững hớng kính ổ đỡ trục tăng dần từ ổ sau đến ổ trớc mâm cặp từ khoảng 600 N.àm-1 đến 1.000 N.àm-1; - Chế tạo trục có lợng cân d thấp nhiều (max 120 đến150 g.mm), giá trị max 900 g.mm( cấp xác cân tăng từ G6,3 lên đến G2,5- theo Bảng 2.7 Hình 2.17, Chơng2); độ lệch tâm cho phép trục giảm từ 18 đến 20àm xuống không từ 3àm đến 5àm; - Bố trí lắp đặt ổ đỡ hợp lý hơn, đặc biệt ổ trớc sát mâm cặp, khoảng cách lớn từ điểm đặt lực mâm cặp đến ổ trớc không nên 60 mm; - Khi đó, riêng cụm trục có đặc tính nh trên, đồng thời kết hợp với nghiên cứu cải tiến số mặt khác thiết bị , ví dụ tăng độ cứng chịu uốn mặt cắt ngang băng máy lên gấp khoảng đến 2,5 lần nay, v.v máy gia công chi tiết đạt độ xác 0,5%( đến 5àm), chuyển từ máy tiện vạn cấp xác thông thờng sang máy tiện vạn NC có cấp xác xuất cao Đây mục tiêu ý nghĩa khoa học, thực tiễn Luận án 24 Danh mục công trình có liên quan Đào Duy Trung: Tính toán độ bền tĩnh băng trục máy tiện Công ty Cơ khí Hà Nội chế tạo phần mềm Ph ơng pháp Phần tử hữu hạn - Tạp chí Công nghiệp Việt Nam Số14, 08/2002, Hà Nội 08/2002 Nguyễn Xuân Toàn, Đào Duy Trung: Tính toán động lực học băng máy trục máy tiện T18A Công ty Cơ khí Hà Nội chế tạo phần mềm Ph ơng pháp Phần tử hữu hạn - Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 65, 10/2002, Hà Nội 10/2002 Phạm Đắp, Đào Duy Trung: Một số kết nghiên cứu tính toán động lực học trục Trung tâm gia công CNC ngang dùng phần mềm ph ơng pháp phần tử hữu hạn - Tạp chí Cơ khí Việt Nam , Số 70, (1+2/2003), Hà Nội- 02/2003 Nguyễn Xuân Toàn, Phạm Đắp, Đào Duy Trung: Nghiên cứu, tính toán động lực học mô hình hệ trục máy tiện T18A phần mềm phần tử hữu hạn có tính đến số thông số kết cấu thay đổi- Tuyển tập Công trình khoa học, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ 7, Đồ Sơn - Hải Phòng ngày 27, 28/8/2004 Tập 2, (trang 887-893) - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 12/2004 Nguyễn Xuân Toàn, Đào Duy Trung: Một số kết nghiên cứu tính toán động lực học kiểm nghiệm trục Trung tâm gia công đứng GV-503 phần mềm Ph ơng pháp Phần tử hữu hạn - Tạp chí Công nghiệp Việt Nam, Số 19, 10/2004, Hà Nội 10/2004 Phạm Đắp, Đào Duy Trung, Đinh Bá Trụ: Nghiên cứu, khai thác phần mềm Ph ơng pháp phần tử hữu hạn COSMOS Design START 4.0 tính toán động lực học thân trung tâm gia công đứng GV503 - Tạp chí Kỹ thuật trang bị - Ngành Kỹ thuật Quân đội, Số 54 03/2005, Hà Nội 03/2005 Nguyễn Xuân Toàn, Phạm Đắp, Đào Duy Trung: Smart Ofice 2.4 ph ơng pháp để đo xác định dao động riêng trục máy tiện T18A - Tạp chí Công nghiệp Việt nam - Số 05/2005 Nguyễn Xuân Toàn, Đào Duy Trung: Tính toán động lực học thân máy tiện hạng trung phần mềm COSMOS Design START 4.0 Tạp chí Kỹ thuật Trang bị- Tạp chí Ngành Kỹ thuật Quân đội, Số 57 , 06/2005 25 _ 26 ... ứng dụng nghiên cứu Chơng 2: Yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục khảo nghiệm cân động trục Chơng 3: Tính toán động lực học cụm trục thân máy tiện T18A dới ảnh hởng số thông số thay đổi... thuyết ứng dụng nghiên cứu: động lực học máy công cụ, phơng pháp phần tử hữu hạn, ; yêu cầu, tiêu chuẩn khảo nghiệm cân động trục máy tiện T18A; tính toán động lực học hệ trục thân máy phần mềm... vấn đề sau: 1.1 Tổng quan lý thuyết động lực học máy công cụ Phần này, đà đa số khái niệm, định nghĩa: - Hệ thống động lực học máy - đồ gá - dao chi tiết, đa đợc sơ đồ khối hệ thống động lực học