Thiết kế máy công cụ

Thiết kế máy công cụ

Bµi gi¶ng

thiÕt kÕ m¸y C«NG Cô

CHƯƠNG 1

Thiết kế động học máy cắt kim loại

1 Lý thuyết về chuỗi số vòng quay

và chạy dao trong máy

2 Thiết kế truyền dẫn hộp tốc độ

3 Thiết kế truyền dẫn hộp chạy dao

Phân loại truyền dẫn:

Truyền dẫn vô cấp: Cho trị số tốc độ bất kỳ trong

phạm vi biến đổi tốc độ (hay l-ợng chạy dao) –

trong máy mài, máy CNC.

Truyền dẫn phân cấp: Máy có một số l-ợng hữu

hạn tốc độ cắt hay l-ợng chạy dao Ví dụ trên máy

Coi V là hàm số của biến D, tham số n vẽ đ-ợc đồ thị quan hệ V, n, D:

 Với mỗi D0  chọn đ-ợc chế độ cắt hợp lý theo:

Vật liệu dao, vật liệu phôi

 Tổn thất t-ơng đối:

 Tổn thất đó thay đổi tuy có cùng D0

 Tổn thất lớn nhất khi: V0  Vk+1:

 Mong muốn tổn thất cực đại  Vmax = const:

% 100

k k

  

  Xét tr-ờng hợp tiện chi tiết chiều dài L Cho chế

độ cắt: n(v/ph) và S(mm/v)

 Thời gian tiến dao S: 1/n(ph)

 Thời gian gia công xong một chi tiết: L/n.S(ph)

1

TrÞ sè c«ng béi  ®-îc tiªu chuÈn hãa Tuú theo tÝnh chÊt sö dông cña mçi lo¹i m¸y mµ ng-êi ta chän  kh¸c nhau

C¸c nguyªn t¾c thµnh lËp gi¸ trÞ  tiªu chuÈn:

Nguyªn t¾c gÊp 10: c¸ch qu·ng x sè h¹ng th×

nx+1=10n1; v× nx+1=n1 x  x = 10

Nguyªn t¾c gÊp 2: c¸ch qu·ng y sè h¹ng th×

ny+1=2n1; v× ny+1 = n1 y  y =2

y x

 TrÞ sè

 B¶ng trÞ sè  tiªu chuÈn:

12 40

2 10

40201020/35420/6

126323/2-1

5%

10%20%30%40%45%50%

 Phạm vi sử dụng các trị số  tiêu chuẩn:

  = 1,06  ít dùng vì chuỗi số dày đặc

  = 1,12  dùng cho các máy tự động (cần

chế độ cắt chính xác, ít tổn thất n và Q)

  = 1,26 và  = 1,41  dùng cho các máy vạn năng

  = 1,58 và  = 1,78  dùng cho các máy có

tct<tck

  = 2  ít dùng, có ý nghĩa trong tính toán

nhóm khuyếch đại trong HTĐ, hoặc nhóm gấp bội trong HCD

1 – 1,06 – 1,12 – 1,18 – 1,25 – 1,32 – 1,41 –

1,5 – 1,6 – 1,7 – 1,8 – 1,9 – 2 – 2,12 – 2,24 –

2,35 – 2,5 – 2,65 – 2,8 – 3 – 3,15 – 3,25 – 3,5 –

3,75 – 4 – 4,25 – 4,5 – 4,75 – 5 –5,3 – 5,6

 Xác định các giá trị vòng quay tiêu chuẩn khác bằng cách nhân các trị số vòng quay tiêu chuẩn cơ sở với 10x (x: số nguyên âm hay d-ơng)

 Muốn xác định chuỗi số vòng quay tiêu chuẩn cơ sở có công bội  khác:  = E

min  lấy cách quãng các trị số n cách nhau E số hạng trong dãy trên

Ví dụ:

 = 1,26= 1,064  E=4  chuỗi số vòng quay tiêu chuẩn cơ sở là 1 – 1,25 – 1,6 – 2 – 2,5 – 3,35

2.1 Công dụng và yêu cầu của hộp tốc độ:

Hộp tốc độ truyền tốc độ cắt cho các chi tiết hoặc gia công, thiết kế HTĐ phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Kết cấu có tính công nghệ cao: dễ gia công, lắp ráp, thay thế, sửa chữa.

n R

n



max min

S

S R

S



 Về lực cắt:

Tác dụng lên trục chính của máy, HTĐ phải

đảm bảo lực cắt này Khi gia công các chi tiết khác nhau, yêu cầu:

BR trung gian Z1 có vị trí bất kỳ khi ăn khớp với BR Z’1 Ta sẽ bố trí BR Z1 ở vị trí sao cho

độ võng y nhỏ nhất.

y = yFc + ybr

y = yFc - ybr

 Về việc sử dụng máy:

 Điều khiển HTĐ thực hiện dễ dàng, an toàn

 Tạo điều kiện cho HTĐ làm việc với hiệu suất cao (giảm các cặp BR quay không, tránh dùng các truyền dẫn có hiệu suất thấp)

 Các chỉ tiêu đánh giá chất l-ợng HTĐ:

 Công suất truyền dẫn

 Giới hạn số vòng quay nmin  nmax, công bội 

(  càng nhỏ thì các tốc độ càng gần nhau)

 Mức độ phức tạp và hiệu suất của xích truyền

 Mức độ điều khiển và độ tin cậy

 Tính công nghệ chế tạo các chi tiết

vÞ chóng cho c¸c ph-¬ng ¸n kh«ng gian kh¸c nhau.

HT§

Cã nhiÒu nhãm truyÒn

•Ph-¬ng ¸n 2 x 3 x 2 •Ph-¬ng ¸n 2 x 2 x 3

 Th-ờng những nhóm truyền có nhiều tst đ-ợc đặt lên tr-ớc sẽ cho kích th-ớc nhỏ gọn hơn (vì trục I

có tốc độ quay lớn  mômen xoắn nhỏ  kích

th-ớc nhỏ)

LËp b¶ng so s¸nh c¸c ph-¬ng ¸n kh«ng gian:

PAKG ChØ tiªu 3 x 2 x 2 2 x 3 x 2 2 x 2 x 3

2.2.1 Ph-ơng án thứ tự (PA thay đổi)

 Thay đổi thứ tự ăn khớp của các BR theo thứ

tự nhóm, ta sẽ phân tích kết quả của sự thay

đổi đó để tìm quy luật phân bố chuỗi tỷ số

truyền u trong từng nhóm truyền.

PATT: I – II – III

 Nhóm 1: u1:u2:u3 = n1:n2:n3

mà n1:n2:n3 = n1:n1 :n12 = 1:  : 2 - là cấp số nhân, công bội X với X = 1.

 Nhóm 2: u4:u5 = n1:n4 = 1: 3; u4, u5 là cấp số nhân, công bội với X1 = 3 = p1.

 Nhóm 3: u6:u7 = n1:n7 = 1: 6; u6, u7 là cấp số nhân, công bội với X2 = 6 = 3.2 =p1 p2

 Gọi nhóm thay đổi 1 là nhóm cơ sở, các tỷ số truyền là cấp số nhân X với X = 1

 Nhóm thay đổi 2 là nhóm khuếch đại 1, các tỷ

số truyền là cấp số nhân, công bội với X1

= p1 – là số tỷ số truyền nhóm cơ sở.

 Nhóm thay đổi 3 là nhóm khuếch đại 2, các tỷ

số truyền là cấp số nhân, công bội với

§Æc tÝnh nhãm: [2] [6] [1]

3[2] 2[6] 2[1]

2.2.3 L-ới kết cấu

 Sơ đồ biểu diễn công thức kết cấu và ph-ơng trình điều khiển

 Mỗi đ-ờng thẳng ngang biểu diễn 1 trục HTĐ

 Số đ-ờng thẳng thẳng đứng biểu diễn số cấp

tốc độ

 Biểu diễn chuỗi n tăng theo cấp số nhân, ta vẽ

l-ới kết cấu theo tọa độ logarit và đối xứng.

(Ta có: n2 = n1  lgn2 = lgn1+lg 

u4:u5 = 1: 3  lgu5 = lgu4+3lg  )

 VÝ dô: vÏ l-íi kÕt cÊu cho HT§ cã:

Trªn trôc III:

nIII = nII u4

nII u5

…

Theo quy -ớc vẽ đối xứng  n0 nằm chính giữa trục I

Vẽ 3 tia đặc tr-ng cho 3 tỷ số truyền u1, u2, u3 theo các

quy -ớc ở trên Xét các tốc độ trên trục II:

nII1: nII2: nII3 = u1: u2: u3 = 1:  : 2  lg nII

3 - lg nII2 =

lg nII2 - lg nII1 = lg  Các trục khác làm t-ơng tự.

 Nếu chọn PATT khác sẽ có sự phân bố tốc độ trung gian khác nhau:

 Các khái niệm:

 L-ợng mở lân cận

 L-ợng mở lớn nhất

Chọn l-ới kết cấu cần đảm bảo: l-ợng mở, tỷ số truyền

của các nhóm thay đổi từ từ, đều đặn, trong giới hạn cho phép PA hình rẻ quạt cho kích th-ớc hộp nhỏ gọn

3 x 2 x 2

II III I

[2] [6] [1]

B¶ng so s¸nh c¸c PATT

Nh-îc ®iÓm cña l-íi kÕt cÊu: kh«ng biÓu diÔn ®-îc tû

sè truyÒn cô thÓ, c¸c trÞ sè vßng quay cô thÓ, nªn kh«ng

 Không cần vẽ đối xứng

 Đảm bảo l-ợng mở lân cận

 Nên chọn tốc độ n0 về phía tốc độ cao

 Nguyên tắc chọn tỷ số truyền:

 Giảm đều từ trục đầu tiên  trục cuối cùng

 Giới hạn tỷ số truyền: 1/4  u  2  Xmax  8

(Xmax = umax/umin = 8)

 Sao cho số vòng quay trục trung gian càng cao càng tốt

 VÉn vÝ dô trªn: ta chän tû sè truyÒn cho:

 Nhãm c¬ së: chän u1 = 1/ 2  u2 = 1/  , u3 = 1 (v× u1:u2:u3 = 1:  : 2)

 Nhãm K§1: u4 = 1/ 2; u5 = 

 Nhãm K§2: u6 = 1/ 4; u7 = 2 Ta cã §TVQ:

 Có thể có nhiều đồ thị vòng quay khác nhau:

Tr-ờng hợp trên sẽ không vẽ đ-ợc nếu  = 1,41

 Tr-ờng hợp đối với máy tiện T620 có Z = 24 (thực tế là 23), ng-ời ta chọn PAKG:

 L-ợng mở lớn nhất Xmax = 12, v-ợt quá giá trị cho phép

(vì HTĐ này có

Xmax = 1,2612 =16 > 8)

259,

15

,12

 Giải pháp: - Thu hẹp l-ợng mở  trùng tốc độ, phải

tìm cách bù tốc độ

- Thêm trục trung gianXét hình vẽ:

Với  = 1,26  u = 1/9:

v-ợt quá giới hạn cho phép

 Thêm trục trung gian,

Sau khi thu hẹp l-ợng mở X = 12  X = 6:

kiÖn kÕt cÊu vµ c«ng nghÖ nªn gi÷a hai ®-êng

Đối với một số máy nh- T616  ng-ời ta chia làm hộp tốc độ và hộp trục chính Hộp trục chính dùng bộ truyền đai

 giảm bớt số l-ợng BR  làm việc êm

Z=12 = 3 x 2 x 2

6 tốc độ của HTĐ

 §èi víi m¸y 1A616, cã Z = 24 = 3 x 4 x 2

  Có 24 tốc độ, trùng 3  còn lại 21 tốc độ

 Mở rộng l-ợng mở Xmax = 8 lên Xmax = 9  ukđ

 Chuỗi số cách quãng ở tốc độ thấp

 Do chỉ có 1 đcơ nên không tạo ra n01, mà dùng chung n02  l-ợng mở v-ợt quá giới hạn, 

giảm n02  n0

2.2.5 Tính số răng của các BR trong một nhóm truyền:

 Khi đã biết đ-ợc các tỷ số truyền trong nhóm  cần tìm

số răng cho các BR Z1, Z1’, Z2, Z2’,… Có 2 TH xảy ra:

 Biết tr-ớc khoảng cách trục A: ví dụ nh- đã có sẵn một

1 1

1

;

f u

x

f u

Zx và Zx’ phải là các số nguyên Z.f x và Z.g x

phải chia hết cho (f x + g x ) Do f x /g x đã tối giản Z

phải chia hết cho (f x + g x):

Tức là: Z = EK, trong đó K: BSCNN của các (f x +g x)Trong đó E là số nguyên, E  Emin, để số răng nhỏ nhất  Zmin = 17

• Cũng cố thể dùng BR dịch chỉnh với Z =  3

• TÝnh sè r¨ng c¸c BR cho tõng nhãm

• Th«ng th-êng Z1 < Z2 < Z3 vµ Z  120

•Tr-êng hîp víi (fx+gx) >120 (kh«ng tèi

gi¶n ®-îc n÷a)  chän sao cho:

x x

x

f u

g



' '

x x

x

f u

4 L-ới kết cấu và đồ thị vòng quay:

Nếu chọn đồ thị vòng quay nh- ph-ơng án a) trên

hình vẽ  số vòng quay trục trung gian ch-a cao

và tốc độ tăng tốc và giảm tốc ở trục cuối cùng có l-ợng mở nh- nhau

Do đó chọn ph-ơng án b

; 5

4 125

100 25

, 1

1 26

, 1

• §iÒn sè r¨ng vµo S§§:

6 Sè vßng quay thùc tÕ:

1 0 1 3 5

24 20 16 630 157,5

27 32 36

th

3 0 1 4 5

24 26 16 630 252

27 26 24

th

2.3 Hộp tốc độ dùng động cơ nhiều tốc độ:

Thông th-ờng:

720/1440/2880 (3 tốc độ) 1440/2880 (2 tốc độ)

Phải coi động cơ là một nhóm truyền

2 tốc độ   = 2 (X  1)

3 tốc độ   = 2 (X  1)

 MÆc dï lµ nhãm ®Çu, nh-ng kh«ng thÓ chän nã lµm nhãm c¬ së (X víi X = 1)

2 x 3 x 2

II I III [3] [1] [6]

3.1 §Æc ®iÓm vµ c¸c yªu cÇu chung vÒ HCD

 §¶m b¶o giíi h¹n l-îng ch¹y dao Smin  Smax

3 ThiÕt kÕ truyÒn dÉn hép ch¹y dao

 Đảm bảo quy luật phân bố l-ợng chạy dao (thông

th-ờng là cấp số nhân, khi tiện ren thì vừa theo cấp số nhân, vừa theo cấp số cộng)

 Tính chất các l-ợng chạy dao (liên tục/gián đoạn)

 Độ chính xác tỷ số truyền (ví dụ ở máy tiện: liên

quan đến độ chính xác b-ớc ren)

 Đảm bảo độ cứng vững của xích truyền (không

dùng ly hợp an toàn, ly hợp siêu việt)

3.1.3 Các loại hộp chạy dao: chia HCD làm 3 nhóm:

1 Hộp chạy dao thông th-ờng, đảm bảo cho dao

hoặc phôi có đ-ợc 1 tốc độ di chuyển cần thiết

trong quá trình cắt (máy phay, khoan, doa,…)

L-ợng chạy dao phân bố theo quy luật cấp số nhân

 giống nh- HTĐ  cho phép sai số về l-ợng chạy dao S  thiết kế giống HTĐ (chọn PAKG, PATT, LKC, ĐTVQ, số răng, tính S)

Chú ý: L-ới kết cấu không cần dùng PA hình rẻ quạt

2 Hộp chạy dao tạo chuyển động không liên tục (gián

đoạn) dùng trong các máy bào, xọc

3 Hộp chạy dao đảm bảo tỷ số truyền chính xác (giữa

trục chính và phôi):

- HCD tiện ren

- HCD tạo ra chuyển động bao hình (1 vòng dao 

3.2 Thiết kế truyền dẫn HCD đảm bảo tỷ số truyền

chính xác (cụ thể là HCD để tiện ren):

 Ph-ơng trình xích động tổng quát của xích cắt ren:

1.iS.tx = tp

 Các loại ren cần cắt:

p S

x

t i

 Nếu b-ớc vitme là mm và các b-ớc ren cần cắt:

 Để không có sai số: ren cần cắt và tx phải có cùng

một đơn vị  Máy vạn năng chỉ có một loại ren

đ-ợc cắt đúng, 3 loại còn lại có sai số, nhiệm vụ là phải đảm bảo sai số b-ớc ren < [sai số b-ớc ren]

1 ithg iđ/c itt ics igb tx = tp

Ren th-ờng, ren Kđại

Ren phải, ren trái

B-ớc ren: Qtế, Anh, Môđun, Pít

12 6

3 1,5

11 5,5

-

-10 5

2,5 1,25

9 4,5

2,25 -

8 4

2 1

7 3,5

1,75 -

a Sắp xếp b-ớc ren: (không trùng, thiếu tốc độ)

1,75 2,00 2,25 2,50 - 3

1 - 1,25 - 1,5

0,5 - - - -

- - - Cấp số nhân (nhóm gấp bội)

14 16 18 20 22 24 -

28 32 36 40 44 48 -

56 64 72 80 88 96 -

7 8 9 10 11 12 -

-3¼ 3½ 4 4½ - 5 - 6

7 8 9 (9,5) 10 11 12

Sè r¨ng cña bé Nooct«ng tû lÖ víi n(khi c¾t ren Anh), víi Dp (khi c¾t ren Pitch), víi tp (khi c¾t ren Quèc tÕ), víi m (khi c¾t ren M«®un)

§Ó tr¸nh kÐm cøng v÷ng, sè Br cña bé Nooct«ng



- Khi c¾t ren Anh:

Từ các Br của bộ Nooctông: chỉ để cắt ren Anh với n

Dùng bánh răng di trượt:

2 1

1/2 1/4

14 7

3,5 1,75

12 6

3 1,5

11 5,5

2,75 -

10 5

2,5 1,25

9 4,5

2,25 -

8 4

2 1

  

Tû sè truyÒn nhãm c¬ së cs

A i

B



4 5

9 10

1 1

11 10

6 5

7 5

36 40

39 39

42 35 32

40

42 30 31

31

33 30

35 25 27

30

29 29

35 25 24

30

27 27

30 25 20

25

21 21

22 20

24 20

-

-3,5 43

-

3

-54

-

2,75

-58

-

2,50

-63

-

2,25

-70

-

-2 78

12 11

21 2

19 9

 Z

-35 35

gx+fxm

- Sau khi đã có bảng này  chọn cỏc cặp ụ cựng

hàng ngang liền nhau cú cựng tử (hoặc mẫu)  ghộp thành một đụi (cú 3 Br) tạo ra 3 tst

- Các ô lẻ  không ăn khớp chung

- Tr-ờng hợp sau khi tính toán không có Br dùng

chung nào  chọn lại A, itt, tx,… một loạt ics mới, lặp lại quá trình

Nhóm cơ sở dùng Br di tr-ợt, có 2 Br chung

1 1/2

1/4 1/8

2 1

1/2 1/4

12 6

3 1,5

11 5,5

-

-10 5

2,5 1,25

9 4,5

2,25 -

8 4

2 1

7 3,5

1,75 -

– Tỷ số truyền còn lại bù vào xích truyền động.

– Ví dụ, khi cắt ren quốc tế có tp = 7,8,9,10,12 Với cách chọn nhóm Cơ sở đã trình bày, thì igb = 1

481.1.1.i 1.12 12

Chú ý: Khi cắt ren quốc tế và môđun, khối Nooctong

chủ động, khi cắt ren Anh và Pit thì khối Nooctong là bị

động

Cùng với itt đó  dùng để cắt ren Anh, với đ-ờng

truyền khác

 n cs

Z 25Nếu coi i

Ren Pit và ren Anh đều dùng chung một đ-ờng truyền, với itt khác nhau.

t-ơng đ-ơng, đảm bảo sai số nhỏ nhất

- Mỗi một loại ren chỉ cần kiểm tra một b-ớc, nếu thoả mãn thì các b-ớc còn lại sẽ thoả mãn

Ví dụ: Cắt ren Anh có n = 4

 tp = 25,4/n = 25,4/4 = 6,350 mm



Ch-ơng 2

Thiết kế động lực học máy cắt kim loại

1 Xác định chế độ tải trọng và công suất động cơ điện

2 Tính thân máy

3 Đ-ờng h-ớng

1 Xác định chế độ tảI trọng và công suất

động cơ điện

1.1 Chế độ làm việc giới hạn của máy.

Chế độ cắt gọt, chế độ bôi trơn làm lạnh, an toàn,…Phải qui định chế độ làm việc của máy tr-ớc khi

đ-a vào sử dụng Xác định chế độ cắt gọt giới hạn của máy làm cơ sở tính toán động lực học máy cắt kim loại

Các ph-ơng pháp xác định chế độ cắt gọt giới hạn:

1.1.1 Chế độ làm việc cực đại (chế độ cắt gọt)

- Xác định chiều sâu cắt tmax

- Xác định l-ợng chạy dao Smax

- Từ đó xác định giới hạn tốc độ: vmin  vmax

- Theo kinh nghiệm:  3

- Toàn bộ ct máy làm việc ở chế độ tải trọng cực đại  kích

th-ớc chi tiết lớn  trọng l-ợng máy tăng lên

 Hộp máy to ra

Kết cấu máy không nhỏ gọn

1.1.3 Chế độ cắt thử:

- Chế độ cắt thử do ng-ời thiết kế hay nhà máy chế

tạo máy quy định

- Là cơ sở để ng-ời thiết kế tính toán sức bền các ctm

- Khi thiết kế máy mới phải dựa theo 1 số máy chuẩn

 hiÖu suÊt chung cña truyÒn dÉn

- Km – hệ số phụ thuộc chất l-ợng chế tạo các chi

tiết, điều kiện bôI trơn, lấy Km = 3  6

- dtb - đ-ờng kính trung bình của tất cả các ngõng

trục của máy (mm) (khi thiết kế đã tính sơ bộ)

- n(vg/ph) – tổng số vòng quay của tất cả các trục,

trừ trục chính

- K1 – Hế số tổn thất công suất riêng tại trục chính,

K1 = 1,5 nếu ổ trục chính là lăn, = 2 nếu là tr-ợt

§èi víi m¸y phay, c«ng suÊt ch¹y dao c«ng t¸c lµ 0,7

kW Nh-ng do cã ch¹y dao nhanh nªn CS = 1,7 kWb) TÝnh theo lùc chay dao cho phÐp (chÝnh x¸c h¬n)

M¸y tiÖn, khoan K = 0,04 M¸y phay K = 0,1  0,15

81,9

10.612

CD

S CD

2 Tính thân máy:

- Trụ máy, sà ngang, vỏ HTĐ, HCD,… Dùng để lắp

các bộ phận của máy  máy

- Phải đảm bảo tính ổn định khi làm việc: biến dạng

Các SĐ tính toán và tiết diện ngang của thân máy

Lập sơ đồ

Ph©n tÝch lùc

M¸y tiÖn

• §èi víi m¸y tiÖn, vÞ trÝ cña dao g©y xÊu nhÊt cho hÖ thèng lµ:

M¸y bµo

Tiết diện tính toán của

trụ đứng

Sơ đồ tải trọng của máy

khoan đứng K125,

P = 750 KG

VÝ dô: B¨ng m¸y ®-îc t«i, bµn m¸y kh«ng ®-îc t«i

-B«i tr¬n dÔ -Mßn khã ®iÒu chØnh

-Chèng lËt tèt -DÔ gia c«ng -Kh«ng ®iÒu chØnh ®-îc khi mßn  kh«ng

Đ-ờng h-ớng là chi tiết “đực”

Đ-ờng h-ớng là chi tiết “cái”

- Ví dụ:

Đối với máy tiện:

Dẫn h-ớng cho bàn dao

Dẫn h-ớng ụ động Chống lật

Chuẩn để sửa chữa

Ch-¬ng 3

®iÒu khiÓn b»ng c¬ khÝ – b«I tr¬n vµ lµm nguéi

1 §iÒu khiÓn b»ng c¬ khÝ

2 B«i tr¬n vµ lµm nguéi

Đóng mở truyền động chạy dao

Thay đổi số vòng quay và l-ợng chạy dao,

đảo chiều cá chuyển động

Định vị, kẹp chặt, bôi trơn,…

1.2 Hệ thống điều khiển cơ khí của máy:

Bao gồm 3 cụm chủ yếu sau:

- Cơ cấu điều khiển: để ng-ời sd máy điều khiển

- Cơ cấu trung gian

- Cơ cấu chấp hành: liên hệ trực tiếp với các khối

BR di tr-ợt

Gạt riêng rẽ: