Thiết kế hệ thống dẫn hướng cho bàn máy CNC (full bản vẽ, video mô phỏng)

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - Thiết kế hệ thống dẫn hướng cho bàn máy CNC Đại học Bách khoa Hà Nội (full bản vẽ mô phỏng )

đỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHíThiết kế hệ thống dẫn hướng cho bàn máy CNC

GVHD: PHAN HUY LÊ

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY CNC 5

1 Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC) 5

1.1 Lịch sử ra đời 5

1.2 Khái niệm máy CNC 6

1.3 Ưu điểm của máy CNC 6

1.4 Kết cấu khái quát máy CNC 7

1.5 Các phương pháp điều khiển 8

2 Máy phay CNC 9

2.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC 10

2.2 Các cơ cấu đặc trưng của máy phay điều khiển số 11

2.3 Các loại động cơ trên máy CNC 17

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG MÁY PHAY CNC 19

1 Thông số đầu vào 19

1.1 Thông số cho trước 19

1.2 Tính toán lực cắt với chế độ thử nghiệm 19

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG 40

1 các điều kiện đầu 40

1.1 chọn ray dẫn hướng sơ bộ 40

1.2 thông số đầu vào 42

2 Tính chọn ray dẫn 43

2.1 Tính toán các lực riêng rẽ 43

2.2 Tính toán tải trọng tương đương 45

2.3 kiểm tra hệ số tải tĩnhfs 46

2.4 Tính toán tải trọng trung bình 46

2.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa 46

LỜI MỞ ĐẦU

Thế giới chúng ta trong thế kỉ 21 chứng kiến những thành tựu vượt bậcvề khoa học công nghệ, kĩ thuật, y học,… Con người hướng tới một cuộc cáchmạng nhằm tăng năng suất lao động, dần thay thế vai trò của con ngườitrong sản xuất.

Cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc, lịch sửphát triển lâu dài, có những sản phẩm vô cùng đa dạng Tuy nhiên, với tốc độphát triển của thời đại, yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc,máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thôngminh hơn Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động của con người làmột xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩmchất lượng cao.Doanh nghiệp hướng tới mục đích kinh tế cao, chi phí hạn chếtối thiểu.

Cơ khí là một ngành khoa học, lĩnh vực không thể thiếu , gắn liền vớiquá trình phát triển con người Chúng ta đang quan tâm và dành nhiều thờigian để nghiên cứu thuật ngữ “ máy công cụ CNC”.

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sựxuất hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất côngnghiệp.Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấutrúc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thaotác của con người được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trìnhsản xuất tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càng cao Máy CNC phổbiến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dâyCNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ranhững máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển động ngàycàng linh hoạt và khéo léo.Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phayCNC có 3 trục chính.

Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệthống dẫn hướng máy phay CNC Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế và lựachọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiểncho các trục X, Y.Kiến thức hạn hẹp và thiếu kinh nghiệm trong tìm hiểu đồán, nhiều yếu tố khách quan tác động là những nguyên nhân khiến bản báocáo khó tránh khỏi những thiếu xót.Em mong thấy giúp em khắc phục chúng.

Lời cuối cùng em xin dành lời cảm ơn chân thành tới thầy vì nhứng chỉbảo và giúp đỡ tận tình Bản báo cáo đồ án này sẽ không thể hoàn thành nếuthiếu đi sự quan tâm đó

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY CNC

1. Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC)1.1. Lịch sử ra đời

Ý tưởng điều khiển 1 dụng cụ thông qua 1 chuỗi lệnh kế tiếp liên tục màchúng được ứng

dụng trong các máy điều khiển NC ngày nay đã được phát kiến từ thế kỉ 14,bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ.

- Trong những năm 1949-1952, John Parsons và M.I.T đã thiết kế theo hợpđồng của không lực Hoa Kỳ một hệ thống điều khiển dành cho máycông cụ để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầura của một máy tính Điều này làm bằng chứng cho chức năng gia côngmột chi tiết

- Năm 1952, M.I.T đã cung cấp chiếc máy phay điều khiển số đầu tiênmang tên “Cincinnati Hydrotel” có trục thẳng đứng Tủ điều khiển lắpbằng các bóng đèn điện tử.

- Năm 1954, Bendix mua bản quyền Parsons và chế tạo thiết bị điềukhiển NC công nghiệp đầu tiên.

- Năm 1958 xuất hiện ngôn ngữ lập trình gắn với máy tính IBM 704 Năm1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC làm tủ điều khiển có kích thước nhỏ vàtin cậy hơn.

- Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên có cụm vi tính chế tạo hàngloạt đưa ra 1 thế hệ các thiết bị NC cài vi tính mạnh mẽ hơn ( CNC)

- Năm 1986-1987, các giao diện tiêu chuẩn hóa mở ra con đường tiến tớicác xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liênthông CIM ( Computer Integrated Manufacturing).

NC :Numberical Control ( Điều khiển số)

CNC :Computer Numberical Control ( Điều khiển số với máy tính)

FMS:Flexible Manufacturing System ( Hệ thống sản xuất linh hoạt)

CIM :Computer Integrated Manufacturing( Lập kế hoạch, thiết kế và sản

xuất có tích hợp của máy tính)

1.2. Khái niệm máy CNC

CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control  (điều khiển bằng máy tính) –

đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mụcđích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận khim khí (hay các vật liệu khác)phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệttheo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G.

1.3. Ưu điểm của máy CNC

- Khả năng tự động hóa cao: máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm

được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng lên vượt bậc.Tùy từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng lúc nhiềuchuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai sốdụng cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệuchỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa đối tượng và chi tiết…

- Gia công nhiều chi tiết, biên dạng phức tạp: Máy CNC có khả năng gia

công nhanh và chính xác cả những biên dạng phức tạp mà các máycông cụ thông thường không thể gia công được, ví dụ như là các bề mặt3 chiều.

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của máy có thể thay đổi dễ

dàng, nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rútngắn thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tựđộng hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuấtnhanh chóng những chi tiết có chương trình, do đó không cần sản xuấtcác chi tiết dự trữ mà chỉ cần lưu trữ chương trình của chi tiết đó MáyCNC có thể gia công được các chi tiết nhỏ và vừa, có khả năng đáp ứng

không nhất thiết phải thực hiện trên máy mà có thể thực hiện trên cácmáy tính.

- Tính tập trung nguyên công cao: Đa số máy CNC có thể thực hiện phần

lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chitiết, vì thế các máy CNC có phát triển và phối hợp với nhau thành cáctrung tâm gia công CNC.

- Tính chính xác và đảm bảo chất lượng chi tiết cao: giảm được hư hỏng

sai sót của con người, có khả năng gia công hàng loạt với độ chính xáccao và lặp lại, đây là đặc điểm ưu việt của máy CNC

- Tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao: có chế độ cắt được lựa chọn tối

ưu cũng như là các điều kiện của quá trình gia công như bôi trơn và làmmát… được tốt hơn hẳn so với quá trình gia công trên máy thông

thường nên tuổi thọ của dao tăng lên, tiết kiệm dụng cụ cắt, đồ gá, các phụ tùng các Giảm lượng phế phẩm và tiết kiệm người công, đồng thời giảm thời gian sản xuất, tăng thời gian sử dụng của máy….

Bên cạnh các ưu điểm trên, các máy CNC cũng có những hạn chế nhấtđịnh như chi phí ban đầu cho cho việc mua máy và lắp đặt rất lớn.Hệ thốngcơ khí và hệ thống điện cũng như các hệ thống các trên máy rất phức tạp, dođó quá trình bảo dưỡng khó khăn và tốn kém Và sử dụng máy CNC để giacông các chi tiết đơn giản làm hiệu quả kinh tế thấp.

1.4. Kết cấu khái quát máy CNC

Gồm các thành phấn chính đó là:- Phần điều khiển.

- Phấn chấp hành

- Các cơ cấu điều khiển và gia công kim loại

- Hệ thống phối hợp của máy tính và các thiết bị khácKết cấu khái quát được mô tả như sơ dồ :

Hình 1.1: Kết cấu khái quát máy CNC

Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:

 Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển

máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái , chữ số và một số ký hiệu khácnhư dấu cộng, dấu trừ, Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơcấu mang chương trình dưới dạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ máytính….

+ Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực

hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điềukiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt độngcủa các cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến….

+ Mã G: Được gọi là mã sơ bộ là bất kỳ từ nào trong chương trình CNC bắtđầu bằng chữ G là phương ngữ lập trình điều khiển số (NC) được sửdụng phổ biến nhất. Nó được sử dụng một cách cơ bản trong PC giúp lắpráp để điều khiển các thiết bị máy móc cơ giới.

trơn….Cũng như các máy cắt gọt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếptham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt Tùy theo khả năng công nghệcủa máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính, các kết cấuđược thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điềukhiển tự động của máy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máycứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi và bôi trơn…

1.5. Các phương pháp điều khiển

Một số phương pháp điều khiển máy CNC hiện nay là:

 Điều khiển điểm (điều khiển vị trí) : được dùng để gia công lỗ bằng các

phương pháp như khoan, khoét, doa….

Điều khiển điểm

 Điều khiển đường: dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà

dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao song song với 1 trục tọa độ của

giản.

Điều khiển đường

 Điều khiển đoạn: cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ 1 lúc, để

có thể gia công các chi tiết có biên dạng phúc tạp

Điều khiển đoạn

2. Máy phay CNC

Đôi nét về máy phay CNC ở nước ta hiện nay:

- Là một trong các loại máy phổ biến trong phân xưởng cơ khí chế tạokhuôn mấu ở nước ta hiện nay.

- Máy được nhập khẩu tứ nước ngoài nên chủng loại vá kiểu máy rấtkhác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất.

- Ngày nay người ta kết hợp máy phay CNC, máy tiện CNC, máy khoanCNC,… với nhau để tạo thành các trung tâm gia công CNC

- Các trung tâm gia công thường có 3 trục chuyển động của dao, để tăngkhả năng gia công của máy đối với các biến dạng chi tiết phức tạp, máycó thể có 5 trục chạy dao và trang bị bàn máy quay.

2.1. Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC

Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC

Kết cấu động học của máy phay đứng CNCbao gồm: Cụm trục chính, hệthống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC

 Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt.Trục chính được dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điềukhiển được , được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, cókhả năng cho ra tốc độ quay bất kì trong giới hạn thiết kế của máy Hệthống truyền động và cụm trục chính được tích hợp hệ thống phanh khínén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc độ quay trong thời gian ngắn

nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo và phản hồivề bộ điều khiển CNC Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụngcụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quátrình thay dao Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chínhthực hiện , dẫn động nhờ một động cơ servo trục Z thông qua bộ truyềnvitme đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNCkín, có phản hồi.

 Hệ thống thay dao của máy phayCNC được tự động hóa hoàn toàn ,thông thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép Vị trí thaydao của cụm trục chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằmkhông xảy ra hiện tượng va đập với các chi tiết và các bộ phận khác củamáy trong quá trình thay dao Hiện nay, các nhà sản xuất trung tâm giacông cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao đơn giản hơn đó là ổchứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức năng thaydao tự động.

 Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyểnđộng theo 2 trục X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thôngqua bộ truyền động vitme bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởibộ điều khiển CNC kín có phản hồi.

 Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trìnhđiều khiển số được nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin vàphát lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành Các lệnh điều khiển đượcphân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ bản đó là : hệ lệnh đường đi và hệ lệnhđóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình thành hình dáng hình họccủa chi tiết.

2.2. Các cơ cấu đặc trưng của máy phay điều khiển số2.2.1. Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC

Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ của máy phay CNC được tích hợp trêntrục chính với nguồn năng lượng tháo dụng cụ là khí nén và khép chặt bằnghệ thống lò xo đĩa.

Dựa trên hình dạng của ổ thay dao người ta chia làm hai dạng chính:+ Dạng ổ tròn đĩa: số lượng dao < 32 dao.

+ Dạng ổ dạng xích: số lượng dao > 32 dao.

Trong các máy phay điều khiển số và các trung tâm gia công có khí hiện nay thì hệ thống thay dao có hai dạng cơ bản là : ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép và ổ chứa dao tự hành.

 Dạng thứ nhất: Hệ thống thay dao có ổ chứ dao kết hợp với tay kẹpdụng cụ kép, khi chương trình điều khiển số NC gọi một dụng cụ mới thìbộ điều khiển CNC điều khiển ổ chứa dao

quay , đưa dụng cụ được gọi vào vị trí sẵnsàng thay dao đồng thời điều khiển cụmtrục chính chuyển động lùi về vị trí thaydao, tay kẹp dụng cụ quay 90o đồng thờikẹp cả hai dụng cụ trên trục chính và trênổ chứa dao, quá trình tháo 2 dao thực hiệnbởi sự phối hợp của hệ thống tháo lỏngdụng cụ khi tay kẹp đi xuống, sau đó tay

kẹp quay 180o đổi vị trí hai dụng cụ, rồi chuyển động đi lên đưa 2 dụngcụ vào ổ trục chính và ổ chứa dao.

Ổ thay dao kết hợp tay kẹpdụng cụ

 Dạng thứ hai: ổ chứa dao tự hành, khi chương trình điều khiển số gọimột dụng cụ thì bộ điều khiển CNC điều khiển cụm trục chính chuyểnđộng về mặt phẳng thay dao, đồng thời ở chứa dao chuyển động tịnhtiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng cụ cần được thay trên trụcchính Hệ thống kẹp dụng cụ trong trục chính được điều khiển tháo lỏng,trục chính chuyển động đi lên tháo hoàn toàn dụng cụ khỏi cụm trụcchính Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gọi bởi chương trình NC vàovị trí thay dao nằm dưới trục chính, khi đó trục chính chuyển động đixuống kẹp chặt dụng cụ và ổ chứa dao tịnh tiến lùi về vị trí ban đầu.

2.2.2. Hệ thống gá kẹp chi tiết gia công

Trên máy phay điều khiển só thông thường sử dụng các thiết bị kẹp như :+ Thiết bị kẹp cơ khí (gồm đòn kẹp, gối đỡ, bulông kẹp đầu chữ T).

+ Êtô : êtô kẹp bằng tay và êtô thủy lực có lực kẹp điều chỉnh được (có tựđịnh tâm hoặc không tự định tâm).

+ Bàn Quay có 2 vị trí gá kẹp+ Gá kẹp modun

Trên các trung tâm gia công hiện đại kết hợp việc sử dụng rôbốt để tự độnghóa các quá trình gá đặt, kẹp chặt cũng như tháo

chi tiết sau khi gia công.Điểm không của máy phayđiều khiển số M thường được các nhà sản xuất đặttrước thông thường là điểm phía trên, bên trái, khítrước của gá kẹp và là điểm cố định Điểm khôngcủa chi tiết W thì do người dùng quy định , ưu tiênđiểm phía trên, bên trái , mặt trước của chi tiết.

2.2.3. Hệ thống dẫn hướng trong máyphay CNC

 Đường dẫn hướng

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển độngcho các bàn máy theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trụcchính.

Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao,độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính.

Hiện nay trên các máy gia công CNC công nghiệp, người ta thường sử dụngcác thanh dẫn hướng là thanh trượt hình chữ nhật Tuy nhiên sản phẩmđược chế tạo với mục đích chính là gia công các vật liệu mềm thì hệ thốngthanh dẫn hướng cho các trục được chọn là thanh dẫn hướng có tiết diệntròn được phủlớp Crom để tăng độ bóng và các ổ bi trượt bi tự hồi.

 Các dạng đường ray dẫn hướng trong máy CNC

Dựa vào loại ma sát trong ray dẫn hướng có hai loại chính:

 Đường dẫn hướng ma sát trượt Đường dẫn hướng ma sát lăn

Trong báo cáo náy chúng ta tập trung tìm hiểu về đường dãn hướng ma sât lăn vì tính phổ biến và hiệu quả của nó.

Đường dẫn hướng ma sát lăn :

- Tổn hao ma sát nhỏ, độ nhạy cao, khe hở nhỏ

- Được tiêu chuẩn hóa, moodun hóa, nâng cao chất lượng (vật liệu, cácbiện phát nâng cao chất lượng bề mặt ), nâng cao độ chính xác chế tạolắp ráp

- Bôi trơn: phun sương dầu hoặc nhỏ giọt trực tiếp theo thời gian điềukhiển

- Đáp ứng được yêu cầu gia tốc lớn

+ Ray dẫn kiểu hình chữ I: Mặt cắt đứng của nólà hình chữ I Con trượt sẽ được ngàm vào 2mặt bên của ray dẫn hướng Con trượt sẽ sử

dụng bi để chuyển động trên thanh ray này, ngoài ra có thể sử dụng trụ trònthay cho bi.

+ Ray dẫn hướng thẳng trượt bi:

+ Ray mang cá`

+ Ray dẫn kiểu máng trượt: ray kiểu nàycó hình cắt đứng giống như chữ U, contrượt sẽ tiếp xúc với thanh bên trong Contrượt chuyển động trên thanh ranh nhờ cáctrụ tròn tiếp xúc trong với thanh ray dẫn.

+ Ray dẫn tròn: thanh ray dẫn hướng có dạng trụ tròn được với trụ tamgiác.

2.2.4. Bộ truyền vit me đai ốc bi

Bộ truyền vit me- đai ốc bi

 Các ưu điểm:

- Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứngvững chiều trục cao

- Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với vít me đaiốc trượt là 0,2 ÷ 0,4

- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát (biến đổi theo tốc độ), masát tĩnh rất bé nên chuyển động êm.

 Các dạng prôfin ren của vít me và đai ốc như sau:

Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung trònvà dạngrãnh (dạng cung nhọn) Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hìnhthang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọngchiều trục bé và độ cứng vững không cao

Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnhr2 gần bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể chọnr2/r1=0,95÷0,97, giá trị r2/r1 sẽ làm tổn thất do ma sát 1 cách rõ rệt Tại góctiếp xúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé, lực hướngkính sẽ lớn Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng vững truyềnđộng tăng và hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường kính ∆d phảichọn để góc tiếp xúc đạt 45° ∆d = 4.(r2 − r1 ).(1 − cos α )

Các dạng profin ren vít me và ổ bi

Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còncho phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viênbi Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốcthứ hai để điều chỉnh

2.3. Các loại động cơ trên máy CNC2.3.1. Động cơ một chiều

- Ưu điểm: + Dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ- Nhược điểm: + Momen khởi động lớn, dải điều khiển tốc độ hẹp

+ Phải có mạch tạo nguồn 1 chiều riêng

2.3.2. Động cơ xoay chiều

- Ưu điểm: + Cấp điện trực tiếp từ lưới điện

+ Đa dạng, phong phú nhiều chủng loại, dễ tìm, giá thành rẻ- Nhược điểm: + Mạch điều khiển rất phức tạp

Chính vì vậy, loại động cơ này gắn với vít me tạo chuyển động chính xáccho bàn máy gia công.

Kết luận: Nghiên cứu, tính toán và đưa ra thiết kế cho máy CNC là mộtcông việc hết sức cần thiết Trong phạm vi bản báo cáo, em xin đượctrình bày về bản thiết kế hệ thống dẫn hướng trong máy phay CNC vớicác thông số như đầu bài đã cho.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG MÁY PHAY CNC

1. Thông số đầu vào1.1. Thông số cho trước

+ Loại máy CNC: máy phay

+ Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS, S45C,grade 4040, v = 100 m/phút, t = 1.2 mm, F = 900 mm/phút.

+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : M = 700 kg+ Khối lượng bàn máy X: Mx= 120 kg+ Khối lượng bàn máy Y: My= 204 kg

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 18 m/phút = 0.3 m/s+ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : V2 = 12 m/phút = 0.2 m/s+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a = 0.5g m/s2 = 4.9 m/s2+ Thời gian hoạt động : 05 đến 07 năm

Tương đương 21000 h làm việc+ Tốc độ vòng động cơ lớn nhất: Nmax= 2000 rpm

+ Hệ số ma sát trượt: µ= 0.1

1.2. Tính toán lực cắt với chế độ thử nghiệm

Tốc độ quay tối đa trong quá trình gia công của trục chính Z

n= v× 1000

π × D=100 × 10003.14 × 80=398rpm

Lượng chạy dao răng (fz) là lượng dịch chuyển của chi tiết trong thời gian 1

răng (1 lưỡi cắt) của dao phay ăn vào kim loại (đơn vị mm/răng)

fz= FZ × n= 9006 ×398=0.38 (mm/răng)Trong đó:

+ F là lượng chạy dao tính theo phút (mm/phút)+ Z là số lưỡi cắt

+ n là tốc độ quay của trục chính Z (vòng/phút)

+ Chọn ae & aei sao cho : ae + aei = Dc = 80mm+ Ta chọn : ae = 80mm , aei =0

+ Mayjor cutting adge angle (Kγ) : thường chọn Kγ = 60°

+ Lựa chọn kết hợp với các thông số để điền vào bảng công cụ trên website : www.coroguide.com ta có kết quả như hình

Ta được Mc= 83 (N.m)

Tính toán lực cắt khi phay mặt đầu

Lực cắt chính : Fm=Pz=2× Mc

D= 2× 8380×10−3=2075 N =207.5 kg

2. Tính chọn vít me – ổ bi trục X2.1. Tính chọn vit me bi

2.1.1. Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vitme

Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịchchuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu vềchất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướngyêu cầu độ chính xác cao Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫnđộng 2 bàn máy là kiểu lắp 1 đầu lắp chặt và 1 đầu di động (fix- support):

Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và λ nhận cácgia trị là : f =15.1 và λ=3.927

Hệ bàn máy và vitme

Các công thức tính lực dọc trục:

+ Khi tăng tốc về bên trái : F1=μmg+ma+f = 4822 N+ Khi chạy đều về bên trái : F2=μmg+f = 804 N+ Khi gia công về bên trái : F3=Fm+μ(mg+Fmz)+f = 1022 N+ Khi giảm tốc về bên trái : F4=μmg−ma+f = -3214 N+ Khi tăng tốc về bên phải : F5=−μmg−ma−f = -4822 N+ Khi chạy đều về bên phải : F6=−μmg−f = -804 N+ Khi gia công về bên phải : F7=−Fm−μ(mg+Fmz)−f = -1022 N+ Khi giảm tốc về bên phải : F8=−μmg+ma−f = 3214 NTrong đó:

- là lực cắt chính của máy: Fm=207.5kG

- là lực theo phương Z (thẳng đứng): Fmz=0.5× Pm=103,75 kG

- là hệ số ma sát trượt : μ=0.1- f là lực chống không tải : f =0

- m là tổng khối lượng ứng với mỗi bàn máy tác dụng lên vitme

- Khối lượng tổng cộng ứng với bàn máy X: mX =M+ MX =700 + 120=820kg

2.1.4. Tính lực tác dụng trung bình và tải trọng tác dụng lên vitme

Lực trung bình:

Fam=√3 F13× n1t1+F23× n2t2+…+Fi3× nitin1t1+n2t2+…+niti

Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : Fmax_1 = 4822 N Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : Fmax_2 = 1022 N

Bảng lực dọc trục và phần trăm tương ứng:

Tính gần đúng

Fam=√3 Fmax ⁡3 1n1t1+F3max⁡2n2t2n1t1+n2t2Fam=√3 48223× 1800× 30%+10223×1500×70%

-Famlà lực dọc trục trung bình

- nlà tốc độ quay trung bình của trục vitme : n=n1× t1+n2×t2

Axial load (kgf) Rotation speed (rpm) Time Ratio (sec or %)

- fs là hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs=1.5÷ 3 , chọn fs=2- fw là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau:

- Lấy fw=¿1,2¿

Lt là tuổi thọ yêu cầu của vitme, từ 5-7 năm làm việc , tương

đương 21000h làm việc

Thay số vào tính toán ta được kết quả như sau:

Fam(kgf) n (vòng/phút) Co(kgf)Ca(kgf)

- Kiểu lắp ghép ổ đỡ là đỡ chặn – đỡ ⇒ f = 15.1- Đường kính trục vít : dr= nL2

+ Tải trọng tĩnh : C0 = 15700 kgf+ Tải trọng động: Ca = 5480 kgf

+ Đường kính lõi ren của trục vitme dr=38.05(mm)

+ Chiều dài trục vitme sau khi chon trục :

L= tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát

= 900+ 180 + 150 = 1230 ¿>¿Chọn = 1300 mm

2.2.2. Kiểm tra sơ bộ:

+ Tuổi thọ làm việc:

Lt=( CaFam× Fw)3

×106× 160n=( 5480

345.2 ×1,2)3

×106×60× 15901 =24260(h)

+ Tốc độ quay cho phép : n=f × dr

Chọn cấp chính xác với độ lệch & độ biến dạng tích lũy là :Cấp chính xác C4

E= 0,025/1250mme= 0,018 mm

2.3. Tính toán chọn ổ đỡ trục X

Do tải trọng trục lớn, trên một gối đỡ trục vít lắp 2 ổ đỡ chặn đối nhau để hạn chế trục di chuyển dọc trục về cả 2 phía Còn trên gối đỡ kia thì dùng ổ lăn tùy động là ổ bi đỡ 1 dãy để cho phép trục tùy ý dịch động khi nở nhiệt.Sơ đồ lắp ổ bi:

Sơ đồ lắp ổ bi

2.3.1. Lựa chọn sơ bộ kích thước ổ bi

- Trục vit me X đã chọn: 45-10B2-FDWC có đường kính vit me D=45mm,tải trọng tĩnh: Co = 15700 kgf, tải trọng động: Ca = 5480 kgf

- Chọn ổ bi theo tiêu chuẩn hãng SKF ( http://www.skf.com): Dựa vào đường kính vit me và tốc độ quay của động cơ, ta lựa chọn sơ bộ ổ bi cho trụcvit me X: 7408 BCBM

Đối với gối đỡ bên tùy động: Dựa vào đường kính và khải năng tải của trục vit me bi trục

X, lựa chọn sơ bộ ổ bi đỡ là ổ bi đỡ 1 dãy theo bảng thông số tiêu chuẩn của hãng SKF: 4308 ATN9