Bài viết Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia công trên máy tiện khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực trình bày kết quả ứng dụng hệ truyền động trục chính cho máy tiện bằng động cơ thủy lực, điều khiển tốc độ trục chính bằng van tỷ lệ.
Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, Nguyễn Thượng Lý 22 NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC RESEARCH ON SAMPLES’ SURFACE ROUGHNESS OF TURNING LATHES WHEN SPINDLE DRIVEN BY A HYDRAULIC MOTOR Trần Ngọc Hải1, Trần Xuân Tùy1, Nguyễn Thượng Lý2 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tnhai@dut.udn.vn, tranxuantuy@yahoo.fr Cơng ty TNHH Nhân Hưng; thuongly1178@gmail.com Tóm tắt - Truyền động điều khiển tự động hệ thống thủy lực máy gia công cắt gọt kim loại ứng dụng mạnh nước công nghiệp Đặc biệt, “Cách mạng công nghiệp 4.0” xâm nhập vào thị trường Việt Nam, tạo thách thức không nhỏ với nhà sản xuất nhà khoa học nước Hiện nay, truyền động cho trục máy cơng cụ chủ yếu hệ truyền động điện mà chưa quan tâm ứng dụng hệ truyền động thủy lực Bài cáo trình bày kết ứng dụng hệ truyền động trục cho máy tiện động thủy lực, điều khiển tốc độ trục van tỷ lệ Đánh giá chất lượng hệ truyền động trục thơng qua tiêu đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết cơng, hệ truyền động trục tham chiếu sử dụng động điện ba pha, điều khiển tốc độ trục biến tần Từ đó, đề xuất khả ứng dụng hệ truyền động thủy lực trục máy công cụ truyền thống máy công cụ CNC Abstract - Drive and control of hydraulic systems in metal cutting machines are now being widely used in industrial countries Furthermore, the “Industrial Revolution 4.0” has been entering into Vietnamese market, posing a huge challenge for manufacturers and scientists Nowadays, drive systems on universal machines’ spindles are mainly electric drives, not hydraulic ones This paper presents the results of the application of spindle speed for turning lathes by a hydraulic motor that is controlled by proportional valves Also, for evaluation of the quality of the spindle drive system through the sample’s surface roughness, for reference, a threephase electric motor is used to control spindle whose speed is controlled by inverters From the results, the authors propose the possibility of applying hydraulic drives on conventional machines’ and CNC’s spindles Từ khóa - truyền động thủy lực; trục máy tiện; máy tiện thủy lực; tiêu chuẩn độ nhám bề mặt; Mitutoyo Surftest SJ-301 Key words - hydraulic drive; lathe spindle; hydraulic lathe; surface roughness; Mitutoyo Surftest SJ-301 Đặt vấn đề Truyền động điều khiển tự động hệ thủy lực trang thiết bị công nghiệp hướng phát triển công nghệ cao xu ứng dụng nước Trong đó, nghiên cứu trình động lực học hệ thống (độ ổn định, độ xác thời gian đáp ứng, ) hệ điều khiển vấn đề cần quan tâm Trục cụm chi tiết quan trọng máy cơng cụ nói chung Độ xác, độ cứng vững trục ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm gia cơng, độ ổn định tốc độ trục ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chi tiết gia công Hiện nay, có số nghiên cứu cơng bố ổn định tốc độ trục máy tiện T.N Hải [1] công bố nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực Trong đó, nghiên cứu xây dựng mơ hình động lực học cụm trục chính, thiết lập phương trình mơ tả tốn học hệ thống; chọn điều khiển theo P, theo PD PID Ứng dụng phần mềm Matlab khảo sát mô đáp ứng độ với điều khiển khác so sánh kết rằng, điều khiển điều khiển PID đáp ứng tốc độ trục tốt T.N Hải V.N Thành [2] công bố nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện CNC Trong đó, hệ truyền động trục động điện chiều, ứng dụng điều khiển PID mô đáp ứng độ phần mềm Matlab Nghiên cứu tiến hành so sánh kết điều khiển tương đương với hệ truyền động động thủy lực [1] L Cung, N.A Dũng T.N Hải [3] công bố nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực Trên sở nghiên cứu lý thuyết cơng bố [1], nhóm tác giả tiến hành lắp ráp máy thực nghiệm, chọn bo mạch điều khiển Arduino, viết chương trình điều khiển Kết cho thấy, đáp ứng tốc độ trục hồn tồn phù hợp với kết lý thuyết Ali Abdul Mohsin Hassan AL-Assady cộng [6] thiết kế phân tích điều khiển tốc độ động thủy lực van tỷ lệ điều khiển PID với nhiều tham số KP, KI, KD, tìm phương pháp Trial error method; Ziegler Nichols method; Trial error method; Self-turn parameters Matlab package V7.1 Kết thực nghiệm cho thấy, sử dụng điều khiển PID cổ điển chất lượng động lực học tốt nằm phạm vi nhiệt độ từ 60 đến 70°C, tốc độ động thủy lực 700 (rpm) với trình thay đổi tải trục động thủy lực Qua báo cáo khoa học cơng bố, thấy rằng, độ xác tốc độ động thủy lực nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên, ứng dụng truyền động trục máy tiện động thủy lực đến hướng nghiên cứu Việt Nam Kết nghiên cứu khảo sát Trong báo này, nhóm tác giả đo thông số nhám RZ, RZ khoảng cách đỉnh nhám cao rãnh nhám thấp profin phạm vi chiều dài chuẩn [4 - 7] Thiết bị đo sử dụng máy đo độ nhám bề mặt Mitutoyo Surftest SJ-301, thể ảnh chụp (Hình 1) Kết đo nhám RZ sở để so sánh, đánh giá nhằm ứng dụng hệ truyền động trục máy tiện động thủy lực ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển 23 30 26 vật liệu thép CT38, chi tiết gia cơng thể Hình 70 100 Hình Phơi gia cơng (thép CT38) Đai Z- Hình Chi tiết gia cơng Ổ dao Dao Ụ động Ụ máy Đai thang 100 Z+ X- Tốc kế 60 70 X+ Động trục X Chọn dao thông số gia công theo tiêu chuẩn hãng Mitsubishi, thể Bảng Bảng Số hiệu dao, thông số dao thông số cắt Động Ụ động Mâm cặp Động thủy lực Động trục Z 28 2.1 Hệ thống truyền động điều khiển Máy sơ đồ nguyên lý Hình Hình 26 Hình Ảnh chụp máy đo độ nhám bề mặt 30 Bề mặt đo nhám Hình Sơ đồ nguyên lý máy tiện có trục truyền động động thủy lực X+ Động trục X Z+ X- Tốc kế Ổ dao Dao Ụ động Ụ máy Mâm cặp Động điện 3pha M Động trục Z Động Ụ động Đai thang Đai Z- Hình Sơ đồ nguyên lý máy tiện có trục truyền động động điện pha Trong đó, cụm trục máy tiện truyền động với hai hệ truyền động Thứ nhất, từ động thủy lực qua truyền đai thang, điều khiển tốc độ động thủy lực truyền động trục van tỷ lệ (Hình 2) Thứ hai, từ động điện pha qua truyền đai thang, điều khiển tốc độ động điện pha truyền động trục biến tần (Hình 3) Hệ thống chạy dao hai trục X, Z Ụ động truyền động từ động bước qua truyền vít me - đai ốc bi Thiết bị đo tốc độ trục sử dụng tốc kế, tốc kế nhận tín hiệu tốc độ trục qua truyền đai Board mạch điều khiển nhóm tác giả sử dụng board Mach VM4 [8], thiết lập chương trình gia cơng phần mềm Mach [9] 2.2 Chọn phôi, chi tiết gia công, chọn dao thơng số cơng nghệ Kích thước phơi gia cơng thể Hình với Bảng Các thơng số gia cơng Hệ truyền động Trục truyền động động điện pha Trục truyền động động thủy lực Thông số gia cơng Thơng số gia cơng ntc = 1.400 vịng/ph ntc = 1.400 vòng/ph S = 25 mm/ph S = 35 mm/ph t = 0,2 mm t = 0,2 mm Trên sở phân tích từ nhà sản xuất dao (Bảng 1), nhóm tác giả thiết lập thơng số gia công thay đổi lượng chạy dao S (mm/ph) thể Bảng tương ứng với hệ truyền động cho trục chính, trục truyền động động điện pha trục truyền động động thủy lực Gia công mẫu ứng với hệ truyền động với chế độ gia công, tức tổng số 12 mẫu lấy 2.3 Đo nhám bề mặt Đo 12 mẫu chi tiết gia công máy đo Mitutoyo Surftest SJ-301, trình đo thể ảnh chụp (Hình 6) Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, Nguyễn Thượng Lý 24 Bảng Kết đo Rz với mẫu 10, 11 12 Thông số gia công Mẫu ntc = 1.400 vòng/ph S = 35 mm/ph T = 0,2 mm Độ nhám bề mặt theo Rz (µm) 10 23,572 11 13,045 12 13,4 Giá trị Cấp trung bình độ Rz (µm) nhám 16,6723 5 Hình Ảnh chụp q trình đo Kết đo mà nhóm tác giả thể (Bảng đến Bảng 6) (Hình đến Hình 10) tương ứng với hệ truyền động trục 2.3.1 Trục truyền động động điện pha Bảng Kết đo Rz với mẫu 1, Thông số gia công Mẫu ntc = 1.400 vòng/ph S = 25 mm/ph T = 0,2 mm Độ nhám bề mặt theo Rz (µm) 27,105 27,568 24,933 Giá trị Cấp trung bình độ Rz (µm) nhám 26,5353 5 Bảng Kết đo Rz với mẫu 4, ntc = 1.400 vòng/ph S = 35 mm/ph T = 0,2 mm Độ nhám bề mặt theo Rz (µm) 21,385 21,427 22,8 Giá trị Cấp trung bình độ Rz (µm) nhám 21,8706 5 Hình Ảnh chụp giá trị Rz biểu đồ profin 2.3.2 Trục truyền động động thủy lực Bảng Kết đo Rz với mẫu 7, Thông số gia cơng Mẫu ntc = 1.400 vịng/ph S = 25 mm/ph T = 0,2 mm Độ nhám bề mặt theo Rz (µm) 15,056 17,229 20,694 Kết tổng hợp so sánh giá trị trung bình Rz với phương án truyền động trục thể Bảng Bảng Kết tổng hợp đo độ nhám bề mặt Rz ĐỘNG CƠ ĐIỆN PHA Mẫu Hình Ảnh chụp giá trị Rz biểu đồ profin Thơng số gia cơng Mẫu Hình 10 Ảnh chụp giá trị Rz biểu đồ profin Giá trị Cấp trung bình độ Rz (µm) nhám 17,65967 Hình Ảnh chụp giá trị Rz biểu đồ profin 5 Giá trị Rz trung bình (µm) 26,5353 21,8706 ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Mẫu 10 11 12 Giá trị Rz trung bình (µm) Giá trị sai lệch với phương án truyền động (%) 17,6597 0,088 16,6723 0,0519 Bàn luận 3.1 Hệ truyền động trục động điện pha Trên Bảng 3, với thông số gia cơng ntc = 1.400 vịng/ph, S = 25 mm/ph t = 0,2 mm, ta thấy mẫu gia cơng có độ nhám tương đối giống trị số trung bình 26,5353 m Mặt khác, trị số profin ảnh chụp (Hình 7) mẫu đo tương đối đồng Từ sở đó, tra bảng tiêu chuẩn tương ứng cấp độ nhám Trên Bảng với thông số gia công ntc = 1.400 vòng/ph, S = 35 mm/ph t = 0,2 mm, ta thấy mẫu gia cơng có độ nhám tương đối giống trị số trung bình 25,8706 m Mặt khác, trị số profin ảnh chụp (Hình 8) mẫu đo tương đối đồng Tra bảng tiêu chuẩn tương ứng cấp độ nhám 3.2 Hệ truyền động trục động thủy lực Tương tự, Bảng với thông số gia công (Bảng 3), ta thấy mẫu gia cơng có trị số nhám trung bình 17,65967 m Trị số profin ảnh chụp (Hình 9) mẫu đo tương đối giống (Hình 7) tương ứng cấp độ nhám Trên Bảng với thông số gia công (Bảng 4), mẫu gia cơng 7, có độ nhám tương đối giống nhau, mẫu giá trị độ nhám cao 0,1 % (sai lệch nằm phạm vị cho phép, sai lệch mịn dao sai số đo gây ra) trị số trung bình 16 ,6723 m Trị số profin ảnh chụp (Hình 10) mẫu đo có khác ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển biên độ không đáng kể Tra bảng tiêu chuẩn tương ứng cấp độ nhám Từ kết trên, nhóm tác giả thấy rằng, với phạm vi thay đổi lượng chạy dao S = 25 - 35 mm/ph vận tốc trục 1.400 vịng/ph truyền động từ động thủy lực độ nhám bề mặt thay đổi không đáng kể nằm cấp độ nhám (cấp 5) 3.3 So sánh độ nhám với hệ truyền động trục Trên Bảng kết tổng hợp giá trị độ nhám Rz trung bình tương ứng với chế độ gia cơng hệ truyền động trục chính, hệ truyền động động điện pha hệ truyền động động thủy lực Với thông số gia cơng ntc = 1.400 vịng/ph, S = 25 mm/ph t = 0,2 mm, ta thấy giá trị trung bình truyền động động thủy lực 17,6597 m, thấp giá trị trung bình truyền động động điện pha 26,5353 m Giá trị sai lệch hệ truyền động 0,088 % Với thông số gia công ntc = 1.400 vòng/ph, S = 35 mm/ph t = 0,2 mm, ta thấy giá trị trung bình truyền động động thủy lực 16,6723 m thấp giá trị trung bình truyền động động điện pha 21,8706 m Giá trị sai lệch hệ truyền động 0,0519 % Qua so sánh (Bảng 7), sai lệnh độ nhám hệ truyền động nhỏ, kết đo độ nhám hoàn toàn phù hợp với sở lý thuyết Với kết này, ứng dụng hệ truyền động động thủy lực cho trục máy tiện cơng cụ có cơng suất lớn máy tiện CNC chuyên dụng Kết luận Bài báo đã: Phân tích số cơng trình khoa học cơng bố tạp chí, hội nghị ngồi nước Đó sở để nghiên cứu ứng dụng hệ truyền động thủy lực trục máy tiện Giới thiệu nguyên lý với hai truyền động trục máy tiện, chọn phơi gia cơng, vật liệu gia công thép CT38 (là vật liệu khó đạt độ nhám bề mặt), chi tiết gia cơng, chọn dao thông số gia công máy Gia công chi tiết hai hệ truyền động trục đo nhám bề mặt (Rz) máy đo Mitutoyo Surftest SJ-301 Qua kết nhận xét ta thấy rằng, với 25 vận tốc trục chính, chiều sâu cắt hệ truyền động trục thay đổi lượng chạy dao S độ nhám bề mặt nằm cấp nhám (cấp 5) Với bề mặt gia cơng có profin sóng sin, biên độ nhấp nhơ chế độ cắt với phương án truyền động trục tương đối giống giá trị biên độ nhỏ Tuy nhiên, lượng chạy dao nhỏ độ nhám Rz phương án truyền động trục tăng, điều hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết (vì xảy tượng trượt mũi dao bề mặt gia cơng) Qua kết thực nghiệm, nhóm tác giả thấy ứng dụng hệ truyền động điều khiển động thủy lực cho trục máy tiện vạn năng, có số ưu điểm bật kết cấu nhỏ gọn, điều khiển tốc độ trục vơ cấp với thao tác đơn giản mà khơng cần phải có hộp tốc độ [3] Có thể phát triển kết nghiên cứu để ứng dụng hệ truyền động điều khiển thủy lực cho trục máy cơng cụ vạn máy CNC chun dụng có cơng suất lớn Đây hướng nghiên cứu ứng dụng cần thiết để phát triển lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy công cụ nước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc Hải, Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện Điện tử, 2014, ISBN: 978-604-913-306-0, trang 180-185 [2] Trần Ngọc Hải, Võ Như Thành, Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện CNC, Hội nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ 4, 2015, ISBN: 978-604-73-3691-3, trang 180-187 [3] Trần Ngọc Hải, Lê Cung, Ngô Anh Dũng, Nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện Điện tử, 2016, ISBN: 978-604-913-503-3, trang 494-499 [4] Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Kỹ thuật đo lường kiểm tra chế tạo khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [5] Kambiz Haji Hajikolaei, Hamed Moradi, Gholamreza Vossoughi, Mohammad R Movahhedy, “Spindle speed variation and adaptive force regulation to suppress regenerative chatter in the turning process”, Journal of Manufacturing Processes, 12, 2010, pp 106–115 [6] Richard L., Fundamental Principles of Engineering Nanometrology, 1st edition, ISBN-13: 978-0-08-096454-6, Published by Elsevier Inc, 2010 [7] ISO/FDIS 25178-6, Geometrical product specification (GPS) - Surface texture: Areal - Part 6: Classification of methods for measuring surface texture, International Organization of Standardization, 2009 [8] http://www.codientuviet.com [9] http://www.machsupport.com/software/mach3/ (BBT nhận bài: 21/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 12/10/2017) ... truyền động động thủy lực X+ Động trục X Z+ X- Tốc kế Ổ dao Dao Ụ động Ụ máy Mâm cặp Động điện 3pha M Động trục Z Động Ụ động Đai thang Đai Z- Hình Sơ đồ ngun lý máy tiện có trục truyền động động điện... đó, cụm trục máy tiện truyền động với hai hệ truyền động Thứ nhất, từ động thủy lực qua truyền đai thang, điều khi? ??n tốc độ động thủy lực truyền động trục van tỷ lệ (Hình 2) Thứ hai, từ động điện... phôi, chi tiết gia công, chọn dao thơng số cơng nghệ Kích thước phơi gia cơng thể Hình với Bảng Các thơng số gia cơng Hệ truyền động Trục truyền động động điện pha Trục truyền động động thủy lực