PHÂN TÍCH NGUYÊN lý và THÔNG số kỹ THUẬT máy phay CNC có 3 trục chính

LỜI MỞ ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hóa – đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật vấn đề quan trọng cần quan tâm lớn.Mỗi ngành khí, điện tử, tin học có tảng khoa học vững tạo sản phẩm đặc trưng riêng.Tuy nhiên, yêu cầu thời đại đặt yêu cầu cao cách hoạt động máy móc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển thơng minh Việc sử dụng máy móc để thay sức lao động người xu hướng tất yếu để tăng suất lao động, tạo nhiều sản phẩm chất lượng cao Máy CNC tiến phát triển vượt bậc công nghiệp.Sự xuất máy CNC nhanh chóng làm thay đổi q trình sản xuất cơng nghiệp.Các đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực lượng lớn thao tác người giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất tạo nên xác chất lượng ngày cao Máy CNC phổ biến như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến kĩ thuật, trí thơng minh nhân tạo, điều khiển số tạo máy CNC có nhiều trục 3, trục chuyển động ngày linh hoạt khéo léo.Bài báo cáo trình bày chủ yếu máy phay CNC có trục Lời cuối em xin chân thành cảm ơn thầy cô bảo giúp đỡ tận tình để em hoàn thành báo cáo đồ án Nộ i dung LỜI MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THƠNG SỐ KỸ THUẬT I Tính máy cần thiết kế Loại máy phay Phay đứng Khối lượng lớn phôi 300 kg Chế độ cắt thử tối đa Phay mặt đầu, lưỡi cắt, D=80mm,JIS, S45C, Grade4040, v=100m/ph, t=1.2mm, F=900mm/ph Vân tốc chạy lớn không gia công 18 m/ph Vân tốc chạy lớn gia công 15 m/ph Gia tốc hoạt động lớn hệ thống 0.4 m/s2 Số rãnh chữ T Tốc độ trục chế độ cắt thử ~400 v/ph Thời gian hoạt động 5-7 năm Cơ cấu truyền động truyền dẫn cụm bàn Vít me bi ray dẫn hướng máy X, Y II So sánh với số máy CNC loại Tiêu chím Máy Máy 2: :FVP800A AGMA-a12 Máy Máy cần 3:EMCOMIL thiết kế L750 Số trục 3 3 Khối lượng lớn 800 kg 400 kg 800 kg 300 kg 80(mm) 80 (mm) 80 (mm) 80(mm) phơi Đường kính dao lớn Hành trình trục X/Y/Z 800/500/505 1200/700/700 750/610/500 Số rãnh T (mm) (mm) (mm) 3-18x100 5x18x125 5-18x125 750x610 3x18x119 Tốc độ trục 10000 8000 (v/ph) (v/ph) Vân tốc chạy lớn 24/15 50-12000 6000v/ph (v/ph) 24/10 (m/ph) 30/15 (m/ph) 18/15 (m/ph) 0.4 gm/s2 không gia công (m/ph) gia cơng có lực Gia tốc lớn Không rõ Không rõ 0.3 gm/s2 Khối lượng 4850 kg 8450 kg 9000kg  Chọn máy EMCOMILL 750 làm máy tham khảo có nhiều thơng số tương đồng với máy cần thiết kế - Bảng thông số kĩ thuật : III Phân tích động học máy tham khảo Truyền dẫn trục  Cụm trục nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay trục sinh lực cắt để gọt phôi trình gia cơng  Máy phay CNC EMCOMILL750 sử dụng động motor trực tiếp 15/20 kW , momen xoắn cực đại 100 N/m, tốc độ 50-15000v/ph thông qua truyền đai tốc độ trục tối đa lên đến 12000 v/ph  Phương trình xích động : ntc=ndc iđ ntc=12000rpm, ndc=15000rpm => iđ =0.8 tỉ số truyền  Sơ đồ động truyền dẫn trục : Truyền động chạy dao  Hành trình trục máy EMCOMILL750: + Trục X : 750 mm + Trục Y : 610 mm + Trục Z : 500 mm  Tốc độ chạy dao không cắt cắt theo trục : + Trục X : 30/15 v/ph + Trục Y : 30/15 v/ph + Trục Z : 30/15 v/ph  Độ xác vị trí : ±0.001mm  Dẫn động động servo qua hệ thống trục vít me đai ốc bi  Phương trình xích động : vcd=vdc tx vcd : tốc độ chạy dao máy (mm/ph) vdc : 3000 (v/ph) tx =10mm (bước vít me)  Sơ đồ động truyền động chạy dao trục X, Y:  Chuyển động chạy dao : + Chuyển động chạy dao ngang/dọc : chuyển động trục, bàn máy di chuyển để tạo chuyển động cắt q trình gia cơng + Chuyển động chạy dao chéo : chuyển động trục, bàn máy Xvà Y chuyển động đồng thời tạo chuyển động chéo Truyền động thay dao  Máy trang bị cấu thay dao tự động sử dụng tay máy  Thời gian thay dao : 2s  Ổ chứa dao chứa 30 (40/60) dao với khối lượng dao 8kg đường kính dao tối đa 80mm  Quy trình thay dao máy : + Ổ tích dao nằm vng góc với trục + Khi có lệnh gọi dao, trục đưa đài dao vị trí thay dao, ổ tích dao xoay dao chọn đến vị trí thay dao + Dao đươc chọn quay xuống 90 độ Cần thay dao vào kẹp hai dao, hệ thống khí nén hoạt động nhả dao khỏi trục + Cần thay dao quay 180o đổi vị trí hai dao cho , hệ thống khí nén dừng hoạt động để kẹp chặt dao + Dao cũ cất vào ổ chứa dao, cần thay dao đưa vị trí nghỉ  Sơ đồ động truyền dẫn thay dao : Sơ đồ động tổng thể máy : IV Các cấu đặc biệt Đường dẫn hướng  Nhiệm vụ : dẫn hướng chuyển động cho bàn máy X,Y chuyển động lên xuống theo trục Z trục  Yêu cầu : thẳng, có khả tải cao, độ cứng vững tốt, trơn trượt, khơng có tượng dính  Kết cấu : + Kết cấu chung dẫn hướng bao gồm : dẫn hướng( xích bi dẫn hướng ma sát lăn), xe trượt, đệm khí,…  Một số dạng đường dẫn hướng : + Dẫn hướng phẳng: dễ sản xuất, chúng cần có chỉnh thêm để điều chỉnh độ hở khóa nhằm ngăn cản việc bàn trượt bị nâng lên;chịu lực vng góc với mặt dẫn hướng + Dẫn hướng V kết hợp với phẳng: chịu lực cắt ngang nhỏ có bề mặt nghiêng, bị mịn tự điều chỉnh Một khóa ngăn cản nâng bàn dao lên + Dẫn hướng đuôi én : mộng đuôi én ngăn chặn việc bị nâng lên bàn máy Với chỉnh thêm ta chỉnh độ hở cân độ mịn; chi phí sản xuất đắt + Đẫn hướng tròn: dễ sản xuất xác Đảm bảo chống lại xoay trịn rãnh kết hợp với phận dẫn hướng khác + Máy sử dụng dẫn hướng dạng đuôi én  Ưu điểm : + Độ xác vị trí cao + Độ xác chuyển động cao, tuổi thọ cao + Có thể chuyển động tốc độ cao với lực truyền động thấp + Khả tải theo hướng + Cài đặt, bơi trơn dễ dàng, thay cho Vít me đai ốc bi  Chuyển động chạy dao tịnh tiến thường đước dẫn động động servo quay thông qua cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến : trục vít me -đai ốc bi  Vít me đai ốc bi cấu truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến nhờ biến đổi chuyển động lăn viên bi thân đai ốc bi, hay nói khác chuyển đổi momen xoắn thành lực đảo chiều dọc trục  dr ≥ n× L −7 ×10 f + L=600+100+300=1000 mm + f =15,1 ( lắp kiểu fixed-supported) + n=80 % N=0,8× 2000=1600 ( vịng ph )  dr ≥ 10,6(mm) 65.Chọn kiểu bi + ổ bi lưu chuyển bi ngồi + kiểu FDWC + số dịng lưu chuyển : B x + thông số : ▪ bước vít : l=10 mm ▪ Tải trọng động: C 0=6262( N ) ▪ Đường kính: d ≥21 mm  Chọn series : 32-10B2-FDWC Đường kính : 32 mm ; Bước vít : 10 mm Từ bảng catalog bi phần bàn X ta chọn series 1R1R40-10B2-FDWC-7801069-0.018 có L=1069 , C a=33400 ( N ) ,C 0=70800 (N) + Chiều dài trục vít me L = 600 + 90 + 300 = 990 mm + Tuổi thọ làm việc ( ) Ca Lt = ×10 × Fm× f w 60 n ¿ ( ) 33400 ×10 × =90475 h>20000 h 2153 ×1,2 60 ×398 + Tốc độ quay cho phép n≥ f ×dr 15,1× 27,05 7 × 10 = × 10 =4177>2000 2 L 990 Tốc độ lớn nhiều so với tốc độ quay lớn thiết kế Do vậy, lựa chọn thỏa mãn 66.Chọn độ xác + Độ xác vị trí yêu cầu: 0,030/1000mm + Cấp xác: C4 + E=± 0,025/1250 + e=0,018 mm 67.Độ dịch thay đổi nhiệt độ : + Độ dịch nhiệt : −6 Δ Lθ =ρθL=12× 10 ×3 ×990=0,036 mm F θ=Δ Lθ × K s= Δ Lθ E π dr 0,036 ×2,1 ×10 × π × 27,052 = =438,8 ( kgf ) 4L × 990 68.Chọn ổ lăn : + Chọn ổ lăn giống ổ lăn bàn X + M= W x + W y + M = 140 + 190 + 300 = 620 (kgf) + Lực dọc trục trung bình: Fmy = 2664 N + Lực tác dụng lên ổ A, B, C, D: RA = RB = RC = RD = mg/4 = 620.10/4 = 1550 N + Dựa vào đường kính trục vitme tốc độ quay động ta chọn sơ thông số ổ lăn mã theo hãng SKF (www.skf.com ) sau: ▪ Khả tải trọng động : C r=45,1 kN ▪ Khả tải trọng tĩnh C ¿=46,5 kN ▪ Nội lực dọc trục Fsi ổ nhau: Fsi = e Ri =1,14 1550 = 1767 N ▪ Lực dọc trục tác dụng lên ổ bi: A: ∑ F aA=F sA + F my 2664 =−1767+ =−435 2 B: ∑ F aB=F sB + F my 2664 =1767+ =309 2 C: ∑ F aC =F sC + F my 2664 =−1767 + =−435 2 D: ∑ F aD=F sD + Fmy 2664 =1767+ =3099 2 Fa = max ( F aA, F aB, F aC, F aD) = 3099 N 69.Kiểm tra + Famax 3099 = =2,0> 1.14 V R B 1550 + + Chọn : X = 0,35 Y = 0,57 ▪ Tải trọng tĩnh : Q0=0,5.1550+0,26 3099=1581 N /3 ▪ Khả tải tĩnh : C 0=1581× 2400 =21,1 kN < 46,5 kN  ổ bi phù hợp với khả tải 70 Chọn gối đỡ Do yêu cầu cấu với tham khảo nguồn tài liệu chọn gối đỡ em chọn gối đỡ loại gối cố định gối tự điều chỉnh Cở sở để lựa chọn dựa đường kính trục vitme tải trọng động (tĩnh) hai yếu tố quan trọng cho việc lựa chọn gối đỡ đạt yêu cầu 71 Chọn khớp nối + Có nhiều loại khớp nối để ta lựa chọn cho toán sở tham khảo tài liệu thực nghiệm từ hãng sản xuất em xin chọn loại khớp nối loại khớp nối trục loại trục bù chữ thập có đệm : + Có thể chọn thơng số cho loại khớp nối trục chữ thập theo đường kính trục vitme theo giá trị mô men khởi động động (xem thêm mục thông số động AM-1550G) + Trên sở ta có thơng số khớp nối : 71.1 Tính chọn động 72 Quy trình tính tốn : 72.1.1.Tính chọn động bàn X 73 Tốc độ vòng lớn : N= 2000 v/ph 74 Thời gian để đạt tốc độ lớn : 0.9s 74.1.1.1 Momen quan tính khối : - Trên trục vít me : GD S= - πρ π ×7.8 × 10−3 4 × D × L= × 3,2 × 99=31,8(kgf cm ) 8 Trên phần dịch chuyển : GD 2W =W ( - l ) =11,1(kgf cm 2) 2π Trên phần ghép nối GD 2J = πρ π × 7.8× 10−3 × D' ×l ' = ×(1.7 D)4 ×3 D=6.4(kgf cm2 ) 32 32 - ' D đường kính trục vít, chiều dài nối trục Tổng momen quán tính 2 2 GD L =GD S +GD W +GD J =31,8+11,1+6.4=49,3 kgf cm 74.1.1.2 Momen phát động 75 Momen đặt trước : Fao ×l 70,3 ×1 =0.3 × =3,4 kgf cm 2π 2π Trong : k=0.3; F a 0=F max /3= 211,1/3 = 70,3 kgf T p=k 76 Momen lực ma sát : T c= F a ×l 211,1× = =37,3 kgf cm π ×n π × 0.9 77 Do momen phát động cần thiết : T L =T P +T C =3,4 +37,3=40,7 kgf cm 77.1.1.1 Chọn động - Chọn động servo để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục Ox - Các liệu cho việc tính chọn động : + Chọn vít me có bước l=10 mm + Hệ số ma sát lăn thép gang ta chọn μ=0.1 + Gia tốc trọng trường g = 10 m/s2 + Khối lượng phần đầu dịch chuyển m=440 kg Góc nghiêng trục α = ̊ + Tỉ số truyền giảm tốc i = (Do chọn phương án động nối trực tiếp với vit-me không qua truyền giảm tốc) + Hiệu suất máy chọn = 0,9 + Lực cắt lớn = 1570N = 157 kgf + Lực cắt theo phương z (phương thẳng đứng): F m = 0,5 F m =785 N + Tốc độ quay lớn động 2000 vg/ph (Nếu trường hợp yêu cầu mở máy với tốc độ quay nhỏ tốc độ quay Nmax ta thêm truyền giảm tốc vào để nâng cao mô men) - Momen ma sát quy đổi ¿ ¿) : Momen ma sát quy đổi gây trục đai ốc bi ổ bi khơng đáng kể nên bỏ qua, mô men ma sát quy đổi gây ray dẫn hướng sử dụng để tính tốn: + T lf =μb ( F mz + P) Trong đó: μb = 0,005, bé so với μ=0 d Do T fric không thay đổi đáng kể kể thêm mô men quy đổi gây trục đai ốc bi ổ bi + Momen ma sát : T fric = ( m g+ F mz ) μ h cosα (440 ×10+785) ×0.1 ×0.01 ×cos ⁡(0) π i n = π ×1 ×0.9 + Momen trọng lực quy đổi (T WZ ¿ : + Tính momen chống trọng lực kết cấu : (m × g+ F mz)× μ ×h × sinα × π × i× η Vì cấu nằm ngang nên = hay T WZ=0 T WZ = + Tính vận tốc dài : Với đường kính trục vít chọn 32 mm, ta có : v max= π × D × n π × 32× 2000 = =3,35 m/s 60 ×1000 60 ×1000 =0,92 N /m - Momen cắt quay đổi : + Tính momen máy : T mạch= + h × Fm 0.01×1570 = =0,83 N /m π ×i× η × v max π ×1 ×0.9 ×3,35 Tính momen tĩnh : T stat =T fric + T wz +T mach=0,92+0+0.83=1,75 Nm + + Tính tốc đọ quay motor : n noml= v max × i 3,35 ×1 = =335 vong/ ph h 0.01  Dựa vào momen tĩnh động tốc độ motor, t chọn loại động AM 1550G hãng ANILAM – www.anilam.com có momen khởi động 13 N.m tốc độ quay lớn 2000rpm hình : Điều kiện: • Điều kiện: -Nmax ≥ 2000 • • • • M motor ≥ M stat n Nmotor ≥ nnoml J M ≥ J L /3 T M >T L 77.1.1.2 Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại - Thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại : t a= ¿ J πN × ×f 60 T −T L ' M ( 49,3+75 ) ×10−4 π × 2000 × ×1.4=0.13< 0.9 2×16.7−4,07 60 : • J tổng momen qn tính • T 'M = 2.T M ,(T M >T L ) • TL : mơ men quay • f : hệ số an tồn (chọn theo kiểu ổ lắp) - Tính tốn ứng suất tác dụng lên trục vít : σ= ( ) F max F 2222× N = = =3.87 =3.87 ×10 (N /m ) A π dr /4 π × 27,052 m T max=T L=40,7 kgf cm=4070 N 4 π dr π × 27,05 = =52562 mm4 32 32 T × r 4070 ×22.5 N N τ = max = =0.62 =0.62 2 J 205787 mm m 2 N σ max= √ σ + τ =3.8 ×10 ( ) m J= ( ) Vật liệu làm trục có thành phần 50CrMo4 QT có ▪ Độ bền kéo : 800x106 N/m2 > σ max ▪ Độ bền đàn hồi : 550x106 N/m2 >σ max ( ) - Số liệu độ bền kéo, độ bền đàn hồi lấy theo "Handbook of Comparative World Steel Standards" hình : 77.1.2 Tính chọn động cho trục Y - Tốc độ vòng lớn : 2000 v/ph - Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn 0,9 s 77.1.2.1 Momen quán tính khối - Trên trục vít me: GD S= πρ π ×7.8 × 10−3 4 × D × L= × 3,2 × 99=31,8(kgf cm ) 8 - Trên phần dịch chuyển : l GD =W ( ) =15,7(kgf cm ) 2π W - Trên phần ghép nối : GD 2J = πρ π × 7.8× 10−3 × D' ×l ' = ×(1.7 D)4 ×3 D=6.4(kgf cm2 ) 32 32 D đường kính trục vít, - Tổng momen quán tính : 2 chiều dài nối trục GD L =GD S +GD W +GD J =31,8+15,7+ 6,4=53.9 kgf cm 77.1.2.2 Momen phát động - Thời gian dành cho trình có gia tốc ngắn, ta tính tốn cho giai đoạn chạy (chiếm phần lớn thời gian gia công) - Momen đặt trước : Fao ×l 76,7 ×1 =0.3 × =3,7 kgf cm 2π 2π Trong : k=0,3 ; F ao= F max /3=230/3=76,7 kgf T p=k - Momen lực ma sát : T c= F a ×l 230× = =40,7 kgf cm π ×n π × 0.9 Do momen phát động cần thiết tổng momen đặt trước momen cần thiết gia công : T L =T P +T C =3,7+ 40,7=44,4 kgf 77.1.2.3 Chọn động - Chọn động servo dẫn động theo trục Y - liệu cho tính chọn động : + Chọn vít me có bước l=10mm + + + + + + + + + Hệ số ma sát trượt μ =0,1 Gia tốc trọng trường g = 10 m/ Khối lượng phần đầu dịch chuyển m =620 kg Góc nghiêng trục α = ̊ Tỉ số truyền giảm tốc i = (Do chọn phương án động nối trực tiếp với vit-me không qua hộp giảm tốc) Hiệu suất máy chọn = 0,9 Lực cắt lớn F m = 1570N = 157 kgf Lực cắt theo phương z (phương thẳng đứng): F m =0,5 F m = 785N Tốc độ quay lớn động 2000 vg/ph (Nếu trường hợp yêu cầu mở máy với tốc độ quay nhỏ tốc độ quay Nmax ta thêm truyền giảm tốc vào để nâng cao mô men) - Momen ma sát quy đổi ¿ ¿): + Momen ma sát : T fric = ( m g+ F mz ) μ h cosα (620 ×10+785)× 0.1× 0.01× cos ⁡(0) π i n = π ×1 ×0.9 =1,24 N /m C c - Momen lực quy đổi : ( m g+ F mz ) μ h sinα π i n =0 Vì cấu nằm ngang nên = hay Twz =0 + Tính vận tốc dài: Với đường kính trục vít chọn 32mm ta có : v max= π × D × n π × 32× 2000 = =3,35 m/s 60 ×1000 60 ×1000 - Momen cắt quy đổi : + Tính momen máy: T mạch= h × Fm 0.01× 1570 = =0.83 N / m π ×i × n × v max π ×1 ×0.9 ×3,35 + Tính momen tĩnh : T stat =T fric + T wz +T mach=1,24+0+ 0.83=2.07 Nm + Tính tốc độ quay motor: n noml= v max × i 3,35 ×1 = =335 vong/ ph h 0.01  Dựa vào mô men tĩnh động tốc độ motor, t chọn loại động AM 1550G hãng ANILAM – www.anilam.com có momen khởi động 13 N.m tốc độ quay lớn 2000rpm hình : Điều kiện : • N_max≥2000 rpm • • T M >T L J M > J L /3 77.1.2.4 Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại - Thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại : t a= J πN × ×f 60 T −T L ' M (53,9+ 75 ) × 10−4 π ×2000 ¿ × × 1.4=0.13