Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong xylanh – piston khí nén đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam

Trong quá trình làm việc XLPTKN luôn tồn tại lực ma sát trượt chiếm khoảng 10% - 15% lực truyền động, cản trở chuyển động, gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác vị trí và ổn định tố

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là tất cả những nội dung trong luận án ”Nghiên cứu ảnh hưởng

của ma sát trong XLPTKN đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng

dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS TS Phạm Văn Hùng và PGS TS Trần Đức Quý Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày tháng năm 2016

PGS TS Phạm Văn Hùng PGS TS Trần Đức Quý Nguyễn Thùy Dương

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy &

Ma sát học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Trần Đức Quý đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án

Tôi xin chân thành biết ơn các thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những người luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Hà nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận án

Nguyễn Thùy Dương

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH TRONG LUẬN ÁN 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN 11

MỞ ĐẦU 15

1 Lý do chọn đề tài 15

2 Mục đích nghiên cứu của luận án 16

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 17

5 Phương pháp nghiên cứu 17

6 Nội dung luận án 18

7 Các kết quả mới 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT TRONG XYLANH PISTON KHÍ NÉN DÙNG CHO Ổ CẤP DAO MÁY PHAY CNC 20

1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC và các hư hỏng lỗ côn trục chính 20

1.1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC 20

1.1.2 Một số hư hỏng của lỗ côn trục chính liên quan đến quá trình thay dao tự động trên máy CNC 24

1.2 Vai trò và đặc điểm của xylanh – piston khí nén 28

1.3 Cấu tạo xylanh- piston khí nén 29

1.4 Phân loại xylanh – piston khí nén 31

1.4.1 Xylanh lực 31

1.4.2 Xylanh quay 33

1.5 Đặc tính làm việc của xylanh – piston khí nén 34

1.5.1 Lực đẩy piston 34

1.5.2 Chiều dài hành trình 35

1.5.3 Tốc độ piston 36

1.5.4 Lượng khí tiêu thụ 36

1.6 Đặc điểm môi trường làm việc của các máy công cụ CNC 37

1.6.1 Yêu cầu môi trường làm việc máy CNC 37

1.6.2 Môi trường làm việc máy CNC tại Việt Nam [43,44] 39

1.7 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về đặc tính ma sát của xylanh – piston khí nén dùng

cho máy CNC 41

1.8 Tình hình nghiên cứu trong nước 46

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 48

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MA SÁT TRONG XYLANH - PISTON KHÍ NÉN 49

2.1 Tổng quan về ma sát 49

2.1.1 Một số khái niệm chung về ma ma sát 49

2.1.2 Đặc điểm tiếp xúc ma sát của cặp ma sát trượt 50

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cặp ma sát trượt 52

2.2.1 Ảnh hưởng của áp suất pháp tuyến 53

2.2.2 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt 54

2.2.3 Sự phụ thuộc lực ma sát vào tốc độ dịch chuyển khi có bôi trơn 54

2.2.4 Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn 56

2.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 56

2.2.6 Ảnh hưởng của độ ẩm 57

2.3 Các lý thuyết tính ma sát cặp vật liệu 57

2.3.1 Công thức tính hệ số ma sát theo thực nghiệm 57

2.3.2 Lý thuyết cơ phân tử 59

2.4 Tính lực ma sát của xylanh – piston khí nén 62

2.4.1 Ma sát gioăng và XLPTKN 63

2.4.2 Tính lực ma sát trong xylanh - piston dùng trong ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung 65

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 67

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MA SÁT TRONG XYLANH – PISTON KHÍ NÉN 68

3.1 Mục đích thí nghiệm 68

3.1 Mục đích thí nghiệm 68

3.2 Phương pháp đo lực ma sát 68

3.2 Phương pháp đo lực ma sát 68

3.3 Thiết kế thiết bị thực nghiệm 70

3.3.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 70

3.3.2 Thiết bị thực nghiệm đo ma sát trong xylanh – piston khí nén 71

3.4 Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm 81

3.4.1 Xác định các thông số thực nghiệm 81

3.4.2 Tổ chức thực nghiệm khảo sát ma sát trong xylanh – piston khí nén 82

3.4.3 Bảng số liệu kết quả thực nghiệm 83

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 84

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 85

4.1 Thực nghiệm xác định ảnh hưởng vận tốc dịch chuyển đến ma sát trong xylanh – piston khí nén 85

4.2 Thực nghiệm ảnh hưởng của độ ẩm tương đối đến lực ma sát trong xylanh – piston khí nén 87

4.3 Thực nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ đến lực ma sát của xylanh – piston khí nén 90

4.4 Thực nghiệm ảnh hưởng của môi trường nhiệt ẩm Việt nam đến lực ma sát trong XLPTKN dùng trong ổ cấp dao máy CNC 92

4.4.1 Xác định các hệ số của hàm hồi quy lực ma sát tĩnh 93

4.4.2 Xác định các hệ số của hàm hồi quy lực ma sát động 99

4.5 Ảnh hưởng của lực ma sát đến sai lệch vị trí của xylanh – piston khí nén trong ở cấp dao máy phay CNC 104

4.5.1 Giới thiệu hệ thống thay dao máy phay CNC cỡ trung V30 104

4.5.2 Cấu tạo hệ thống thay dao máy phay CNC 105

4.5.3 Sai lệch vị trí khi dừng ổ cấp dao máy CNC 106

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 112

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119

PHỤ LỤC 120

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNC: Computer Numerical Control

XLPTKN: Xylanh – piston khí nén

ATC: Automatic tool changer

TIR: Total indicator run out – Tổng sai lệch

T: Nhiệt độ

RH: Độ ẩm tương đối của không khí

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH TRONG LUẬN ÁN

mv1 Động lượng thay đổi theo phương tiếp tuyến N.s

mv2 Động lượng thay đổi theo phương tiếp tuyến N.s

Fw Hệ số mất mát năng lượng

A Đặc trưng cho môi trường tác dụng giữa hai vật thể ma sát

K Hệ số thực nghiệm

F0 Lực ma sát tại thời điểm ban đầu của quá trình tiếp xúc N

F Lực ma sát khi thời gian tiếp xúc là vô cùng N

 Hệ số áp điện của thành phần ma sát phận tử

 Hệ số đàn hồi của vật liệu

Kprop Hệ số phụ thuộc vào tốc độ

FStribeck Ảnh hưởng của Stribeck N

fexp Hệ số mũ của tốc độ chảy

p Chênh lệch áp suất giữ tham chia 2 buồng xylanh Bar

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Lực ma sát trong XLPTKN theo tốc độ dịch chuyển thực

Bảng 4.13 Tổng hợp sai lệch vị trí của ổ cấp dao khi dừng 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.3 Máy phay CNC CM3 sử dụng cơ cấu tay kẹp dụng cụ 22 HÌnh 1.4 Trình tự thay dao của ổ cấp dao có tay kẹp 22

Hình 1.6 Trình tự thay dao của ổ chứa dao tự hành 23 HÌnh 1.7 Một số dạng hỏng lỗ côn trục chính và bề mặt chuôi dao 24 HÌnh 1.8 Lỗ côn trục chính trước và sau khi mài lại 24 HÌnh 1.9 Kiểm tra độ đồng tâm của dao lắp trong trục chính 25 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của tuổi thọ dao theo tổng sai lệch TIR 26 Hình 1.11 Đánh giá tổng sai lệch theo hướng kinh, TIR 26 HÌnh 1.12 Hư hỏng chuôi côn và sai lệch đường tâm gá dao với đường

Hình 1.13 Một số xylanh thường sử dụng trong công nghiệp 28

Hình 1.19 Xylanh tác động kép với đệm vị trí cuối 32

Hình 1.33 Máy CNC làm việc tại công ty cơ khí tại Việt Nam 41

Hình 1.34 Kết quả thực nghiệm khảo sát lực ma sát gioăng piston -

Hình 1.35 Kết quả mô phỏng lực ma sát ở điều kiện bôi trơn khác nhau 42

Hình 1.37 Sự phân bố ma sát cho xylanh với các đường kính D=40mm,

Hình 1.38 Lực ma sát khi áp suất buồng cản =0 Mpa 44 Hình 1.39 Lực ma sát khi áp suất buồng dẫn động =6 Mpa 44 Hình 1.40 Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc độ trượt 45 Hình 1.41 Đặc tính ma sát của gioăng A –PSD tại 50mm/s trong điều

Hình 1.42 Quan hệ phụ thuộc lực ma sát với vận tốc 46 HÌnh 1.43 Đặc tính ma sát ở giai đoạn dịch chuyển ban đầu với các điều

Hình 2.1 Đồ thị nguyên tắc biến thiên lực ma sát theo dịch chuyển 49

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc

Hình 2.11 Chuyển động cuốn chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc 55

Hình 2.14 Liên kết ma sát tại đỉnh nhấp nhô (liên kết ma sát đơn vị) 59

Hình 2.17 Hiệu suất là hàm của áp suất và đường kính piston 64 Hình 2.18 Đặc tính ma sát tương ứng với phương trình 2.6 và 2.7 65 Hình 2.19 Đặc tính ma sát tương ứng phương trình 2.6 và 2.7 cho trường

hợp chênh lệch áp suất 0,2 ,4, 6, 8, 10 bar 66

Hình3.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển tủ nhiệt ẩm 72

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đo ma sát của Belforte và đồng nghiệp 73 Hình 3.6 Sơ đồ đo lực ma sát của Ho chang và đồng nghiệp 74 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động cho XLPTKN của thiết bị

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của

Hình 3.13: Mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thực nghiệm 78

Hình 4.7 Đồ thị quan hệ lực ma sát động – tốc độ dịch chuyển ở độ ẩm

Hình 4.8 Đồ thị sự phụ thuộc của lực ma sát của XLPTKN vao độ ẩm

Hình 4.9 Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát vào nhiệt độ tương ứng tốc độ

Hình 4.15 Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát động vào môi trường nhiệt ẩm

Hình 4.20 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Hình 4.21 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Hình 4.22 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Hình 4.23 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Hình 4.24 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Hình 4.25 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển

Trong quá trình làm việc XLPTKN luôn tồn tại lực ma sát trượt (chiếm khoảng 10% - 15% lực truyền động), cản trở chuyển động, gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ của XLPTKN Đặc tính ma sát trong cặp ma sát có chuyển động trượt tương đối nói chung và trong XLPTKN nói riêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Áp suất p, tốc độ dịch chuyển v, chất lượng bề mặt, vật liệu, môi trường… Việc xác định chính xác đặc tính ma sát trượt trong chuyển động tương đối là rất phức tạp, thông thường phải tiến hành qua các thực nghiệm Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về đặc tính ma sát trong XLPTKN, nhưng chủ yếu tập trung nghiên cứu vào một số yếu tố ảnh hưởng như: Áp suất

p, tốc độ dịch chuyển v, chất bôi trơn, vật liệu gioăng làm kín đến lực ma sát trong XLPTKN Trên thực tế sử dụng, bên cạnh các yếu tố trên thì yếu tố môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể, đặc biệt là trong môi trường khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa như Việt Nam

Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, với độ ẩm tương đối của không khí khá cao, trung bình hàng năm trên 80% Vì vậy, phần lớn các thiết bị vận hành trong điều kiện khí hậu Việt Nam đều bị thay đổi các tính năng kỹ thuật, ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của chúng, XLPTKN cũng không nằm ngoài ảnh hưởng chung đó Gioăng xy lanh – cần piston luôn làm việc trong điều kiện ma sát trượt và chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường không khí Do đó, đặc tính ma sát chung của cụm XLPTKN cũng có những

thay đổi nhất định phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt ẩm không khí biến đổi và ảnh hưởng đến điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ của XLPTKN

Hiện nay, ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm chưa được nghiên cứu đầy đủ Chính vì vậy, đề tài luận án đã chọn hướng nghiên

cứu là “Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong XLPTKN đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam”

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tương đối với đặc trưng nhiệt

ẩm Việt Nam đến đặc tính ma sát của XLPTKN, được sử dụng trong ổ cấp dao tự động của máy phay CNC cỡ trung

Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa đặc tính ma sát của XLPTKN vào tốc độ dịch chuyển với hai thông số nhiệt độ và độ ẩm tương đối biến thiên có đặc trưng khí hậu Việt Nam

Xác định sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung trong quá trình thay dao tự động khi XLPTKN chịu tác động của nhiệt ẩm môi trường Việt Nam

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chung của đề tài là XLPTKN dùng trong ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung XLPTKN là cụm chi tiết được mô đun hóa và tiêu chuẩn hóa, đa dạng về chủng loại và kết cấu đáp ứng được các yêu cầu truyền động khác nhau của các thiết bị cơ điện tử hiện đại

Đối tượng nghiên cứu cụ thể trong đề tài luận án là XLPTKN một đầu cần tác động kép có mã hiệu TGC50x150 – S, theo ISO 9001 -2008, thường dùng trong máy phay CNC

cỡ trung có ổ chứa dao tự hành với số dao 18 – 24 dao

Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đặc trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam với 2 thông số cơ bản là nhiệt độ và độ ẩm tương đối, đến đặc tính ma sát của XLPTKN trong vùng tốc độ dịch chuyển 5 ÷ 100mm/s Nhiệt độ và độ ẩm tương đối được xác định theo giới hạn đặc trưng của khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam, nhiệt độ trong khoảng 150C ÷ 500C, độ ẩm tương đối không khí trong khoảng 51% ÷ 99%

Các nghiên cứu về sai lệch vị trí của ổ cấp dao máy phay CNC được thực hiện trong điều kiện áp suất khí quyển, có kiểm chứng với điều kiện áp suất làm việc thực tế trong vùng tốc độ làm việc của ổ cấp dao từ 30 ÷ 100mm/s

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu về đặc tính ma sát của XLPTKN sử dụng trên ổ cấp dao máy phay CNC trong điều kiện đặc trưng khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam sẽ bổ sung vào các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường đến đặc tính ma sát XLPTKN nói chung

Xác định được sự phụ thuộc rõ rệt của đặc tính ma sát vào hai thông số khí hậu là nhiệt độ và độ ẩm tương đối khi tốc độ dịch chuyển thay đổi

Đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam là cơ sở để tính toán

và điều khiển chính xác vị trí cũng như ổn định tốc độ của XLPTKN, được dùng trong các thiết bị cơ điện tử nói chung và ổ cấp dao tự động máy công cụ CNC nói riêng

Xác định được nguyên nhân chủ yếu gây mòn lỗ côn trục chính máy phay CNC với ổ cấp dao tự hành là do sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có tính thực tiễn và thời sự cao do các máy CNC hiện nay sử dụng ở Việt Nam phần lớn đều nhập từ các nước có nền công nghiệp tiên tiến và khí hậu ôn đới Tại Việt Nam, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, có độ ẩm cao và biên độ thay đổi lớn

sẽ ảnh hưởng đến sai lệch vị trí của XLPTKN trong hệ thống cấp dao tự động máy phay CNC, làm tăng mòn va đập của lỗ côn trục chính máy phay CNC

Kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu dự báo mòn lỗ côn trục chính máy công cụ CNC trong điều kiện Việt Nam để có kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa và thay thế phù hợp

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu các lý thuyết về ma sát, các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát, trong đó tập trung vào ma sát trượt trong XLPTKN Từ đó xác định các thông số thực nghiệm và làm

cơ sở cho nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm cũng như tính toán các sai lệch vị trí của ổ cấp dao trong máy phay CNC khi dùng XLPTKN

Nghiên cứu thực nghiệm:

Thiết kế chế tạo và tích hợp hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm thay đổi Tổ chức thực nghiệm và xử lý kết quả khảo sát đặc tính

ma sát XLPTKN khi làm việc ở các điều kiện môi trường nhiệt ẩm, tương ứng với tốc độ dịch chuyển khác nhau

6 Nội dung luận án

Nội dung chính của luận án bao gồm:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về ma sát xylanh – piston khí nén dùng cho ổ cấp dao

máy phay CNC

Nghiên cứu cấu tạo, điều kiện làm việc của ổ cấp dao tự động máy phay CNC có sử dụng XLPTKN Phân tích, đánh giá nguyên nhân gây mòn lỗ côn trục chính máy CNC Nghiên cứu điều kiện môi trường vận hành làm việc của máy CNC trên thế giới cũng như

ở Việt Nam Phân tích đánh giá những công trình nghiên cứu đã có của tác giả trong và ngoài nước liên quan đến ma sát trong XLPTKN Trên cơ sở đó xác định những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ma sát của xylanh –piston khí nén

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ma sát nói chung và ma sát của XLPTKN nói riêng Các kết quả nghiên cứu về ma sát XLPTKN trong các điều kiện về bôi trơn và môi trường cụ thể Lựa chọn mô hình tính áp dụng phù hợp cho tính toán lý thuyết và thực nghiệm

Chương 3: Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát trong

XLPTKN

Nghiên cứu thiết kế thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát trong XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam Tổ chức quy hoạch thực nghiệm, xác định các yếu tố đầu vào, các yếu tố đầu ra

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Trên cơ sở kết quả thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN, xác định sự phụ thuộc lực ma sát vào nhiệt độ, độ ẩm tương đối với đặc trưng khí hậu Việt Nam ở khoảng tốc độ dịch chuyển từ 5 ÷ 100mm/s Xây dựng mô hình toán định lượng ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến đặc tính ma sát của XLPTKN dùng cho ổ chứa dao trong khoảng tốc độ dịch chuyển 30 ÷ 100mm/s, từ đó xác định sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao trong máy phay CNC có tích hợp XLPTKN

7 Các kết quả mới

Luận án đã xác định đặc tính ma sát trong XLPTKN khi tốc độ dịch chuyển thay đổi trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam cũng có dạng đường cong Stribeck

Thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến đặc tính ma sát trong XLPTKN là

rõ rệt Ở các tốc độ khác nhau lực ma sát tĩnh thay đổi trong khoảng 30% ÷ 50%, lực ma sát động thay đổi trong khoảng 36 ÷ 65% khi nhiệt ẩm biên thiên trong vùng khảo sát Trên cơ sở thiết lập mô hình toán học cho chuyển động của ổ cấp dao máy phay CNC tích hợp XLPTKN, xác định được sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao tự động khi chịu tác động của yếu tố nhiệt ẩm của môi trường thay đổi Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu về mòn va đập lỗ côn trục chính máy công cụ CNC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT TRONG XYLANH PISTON KHÍ

NÉN DÙNG CHO Ổ CẤP DAO MÁY PHAY CNC

1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC và các hư hỏng lỗ côn trục chính

1.1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC

Máy công cụ CNC hiện nay được phát triển và ứng dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới và Việt Nam Máy CNC với ưu điểm có độ chính xác cao, chất lượng ổn định, hiệu quả kinh tế cao, thời gian gia công ngắn, thời gian chuẩn bị sản xuất ngắn, có thể vận hành, lập trình trực tiếp trên máy hoặc lập trình độc lập về không gian, thời gian với máy [1] Máy CNC được thiết kế theo mô đun dựa trên các ưu điểm của máy công cụ thường và phát triển thêm các mô đun khác để đảm bảo tính linh hoạt Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm các mô đun cơ bản như sau: Trục chính, thay dao tự động, bàn máy, điều khiển CNC [14]

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC[14]

Mô đun trục chính là nơi gá lắp dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt Trục chính được dẫn động bởi động cơ servo trục chính (1) được điều khiển, điều chỉnh bởi bộ điều khiển

ph¶n håi trôc x, y, z

xö lý h×nh häc

Xö lý c«ng nghÖ

§iÒu khiÓn CNC Mµn h×nh

§iÒu khiÓn thÝch nghi

§iÒu khiÓn c¸c trôc ch¹y dao

trôc chÝnh

dông cô

æ chøa dao

tay kÑp dông cô

CNC (2), có khả năng cung cấp số vòng quay bất kỳ cho trục chính trong phạm vi cho phép của máy Hệ thống truyền động của mô đun trục chính được tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ việc thay đổi tốc độ quay trong thời gian ngắn nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo phản hồi về bộ điều khiển CNC Trên trục chính

có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực nhằm tự động hoá hoàn toàn quá trình thay dao Chuyển động theo trục Z của máy do mô đun trục chính thực hiện, dẫn động nhờ động cơ servo trục Z(6) thông qua bộ truyền động trục vít me đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi mô đun điều khiển CNC kín có phản hồi

Mô đun bàn máy thông thường có hai khả năng chuyển động theo trục X và trục Y, dẫn động nhờ các động cơ servo trục X(4), trục Y(5) thông qua bộ truyền động trục vít me đai ốc bi, và được điều khiển và điều chỉnh bởi mô đun điều khiển CNC kín có phản hồi

Mô đun điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình NC được nạp vào bộ điều khiển, tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 hệ lệnh cơ bản đó là: Hệ lệnh đường đi

và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình hình thành hình dáng hình học của chi tiết

Mô đun thay dao tự động (3) của máy phay CNC được tự động hoá hoàn toàn Vị trí thay dao của mô đun trục chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không tạo ra khả năng va đập với chi tiết và các bộ phận khác của máy Mô đun thay dao tự động quyết định mức độ tự động và linh hoạt của máy CNC nhờ các chức năng: Chứa dụng cụ; Thay dụng cụ đang được sử dụng; Cài đặt dụng cụ được gọi bởi chương trình NC vào vị trí làm việc Nhờ vậy máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau với nhiều loại dao trong cùng 1 lần gá đặt Do đó, rút ngắn thời gian gia công và có tính tự động hóa cao

a - Xích cấp dao b- Ổ cấp dao tự hành

Hình 1.2 Ổ cấp dao máy phay CNC[34]

Hệ thống thay dao tự động trên máy phay CNC hay các trung tâm phay CNC có 2 dạng cơ bản [14]: Thứ nhất - ổ chứa dao kết hợp tay kẹp dụng cụ hay còn gọi xích cấp dao ( > 48 dao) như hình 1.2a ; Thứ nhất - ổ chứa dao tự hành (12 ÷ 48 dao ) như hình 1.2b

Dạng thứ nhất: Xích cấp dao được trình bày trong hình 1.3 Khi chương trình NC gọi

một dụng cụ mới thì bộ điều khiển CNC sẽ điều khiển ổ cấp dao (1) quay đưa dụng cụ được gọi về vị trí thay dao (dụng cụ quay 900

để có phương song song với trục chính), đồng thời điều khiển cụm trục chính 3 chuyển động về vị trí thay dao; Tay kẹp dụng cụ (2) quay 900 đồng thời kẹp cả 2 dụng cụ trên trục chính và ổ chứa dao; Tháo 2 dao khỏi trục chính và ổ chứa dao; Sau đó tay kẹp quay 1800 đổi vị trí 2 dụng cụ, rồi chuyển động đi lên đưa 2 dụng cụ vào trục chính và ổ chứa dao

Hình 1.3 Máy phay CNC CM3 sử dụng cơ cấu tay kẹp dụng cụ[35]

Thay dao bằng cơ cấu tay kẹp thường áp dụng trong trường hợp sau:

- Số lượng dao trong ổ chứa dao lớn;

- Ổ cấp dao nằm xa trục chính;

- Quỹ đạo đường dịch chuyển tương đối

phức tạp, gồm nhiều khâu dịch chuyển;

- Kết cấu và thuật toán điều khiển tương

đối phức tạp

Trình tự thay dao bằng tay kẹp dụng cụ

theo thứ tự từ 1 đến 6 được trình bày trên

có tay kẹp [14]

Dạng thứ hai: Ổ chứa dao tự hành được trình bày trên hình 1.5 Khi chương trình NC

gọi một dụng cụ mới thì bộ điều khiển CNC điều khiển cụm trục chính 1 chuyển động về mặt phẳng thay dao; Ổ chứa dao 2 chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng cụ cần được thay 3 trên trục chính; Trục chính chuyển động lên tháo dụng cụ khỏi cụm trục chính; Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gọi bởi chương trình NC vào vị trí thay dao nằm dưới trục chính; Trục chính đi xuống kẹp chặt dụng cụ và ổ chứa dao tịnh tiến lùi về vị trí ban đầu

Hình 1.5 Máy phay PCNC 1100 có ổ cấp dao tự hành[36]

Thay dao không dùng cơ cấu tay kẹp có kết cấu và thuật toán đơn giản, dễ điều khiển, dùng trong hệ thống thay dao có số lượng dao nhỏ, đường dịch chuyển ngắn, quỹ đạo dịch chuyển đơn giản

Trình tự thay dao bằng ổ cấp dao tự hành theo thứ tự từ 1 đến 5 được trình bày trên hình hình 1.6

Hình 1.6 Trình tự thay dao của ổ cấp dao tự hành [nguồn 14]

Dẫn hướng

XLPTKN

Trong hệ thống thay dao tự hành không tay kẹp với ổ cấp dao vòng có số lượng dao ít 8-24 dao, cụm XLPTKN được sử dụng để thực hiện chuyển động tịnh tiến đưa ổ cấp dao vào vị trí thay dao và ngược lại đưa ổ cấp dao về vị trí ban đầu

1.1.2 Một số hư hỏng của lỗ côn trục chính liên quan đến quá trình thay dao

tự động trên máy CNC

Một trong các yêu cầu cơ bản khi thay dao tự động trên máy phay CNC là phải đảm bảo độ đồng tâm giữa trục chính và trục gá dao, nhằm hạn chế va đập giữa chuôi dao và lỗ côn trục chính do khối lượng gá dao và thời gian thay dao nhanh Trên thực tế, trong quá trình thay dao không tránh khỏi hiện tượng va đập, do đó gây ra hiện tượng mòn lỗ côn trục chính và chuôi dao như hình 1.7

Hình 1.7 Một số dạng hỏng lỗ côn trục chính và bề mặt chuôi dao [37]

Hình 1.7 cho thấy hiện tượng mòn chuôi của gá dao và lỗ côn trục chính rõ rệt do va đập giữa gá dao và lỗ côn trục chính máy phay trong quá trình thay dao tự động

Lỗ côn trục chính là bộ phận gá kẹp dụng cụ gia công Mòn lỗ côn trục chính sẽ làm giảm độ đồng trục và gây ra độ đảo của dụng cụ cắt là một trong các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và năng suất gia công Theo khuyến cáo của nhà sản xuất

lỗ côn trục chính máy CNC cần phải được mài lại để đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khoảng thời gian làm việc nhất định [38, 39] như trên hình 1.8

Hình 1.8: Lỗ côn trục chính trước và sau khi mài lại [38]

1.1.2.1 Một số nguyên nhân hư hỏng lỗ côn trục chính [39]

Loe hình chuông là dạng điển hình của mòn lỗ côn

trục chính máy phay CNC Sau nhiều lần bị mòn va đập,

vết mòn có thể vẫn đồng tâm với vòng bi trục chính, do

đó, khi kiểm tra độ đồng tâm trục chính bằng thiết bị

kiểm tra sẽ rất khó Tuy nhiên, khi máy làm việc và

dưới tác dụng của lực cắt, chuôi gá dao không được tỳ

một cách ổn định và chắc chắn sẽ gây ra những hiện

tượng dao động, va đập…dẫn tới tình trạng tiếp tục phá

hủy mạnh của lỗ côn trục chính Mòn lỗ côn trục chính

được thể hiện trên hình 1.9 cho thấy việc kiểm tra độ

đồng tâm trong trạng thái không tải sẽ khó được

 Hệ thống thay dao tự động- Automatic tool change (ATC)

ATC bị lệch hoặc không đảm bảo độ đồng tâm giữa đường tâm gá dao và đường tâm

lỗ côn trục chính có thể gây ra hiện tượng gá dao bị lắp lệch vào một bên của lỗ côn trục chính, mỗi khi lấy dụng cụ cắt ra hoặc lắp dụng cụ vào trục chính sẽ gây mòn lỗ côn trục chính của máy

 Thay đổi dụng cụ cắt bằng tay

Gá dụng cụ cắt nặng có thể làm cho người vận hành gây ra va đập phần chuôi côn với

lỗ côn trục chính tạo các vết lồi lõm trên bề mặt côn của chúng Quan sát bề mặt bị lõm hoặc biến dạng của lỗ côn trục chính có thể quan sát như trên hình 1.7

Hình 1.9 Kiểm tra độ đồng tâm dao

lắp trong trục chính [39]

Giảm độ chính xác do loe hình chuông

1.1.2.2 i tr n c ph n i ng lỗ côn trục chính

Lỗ côn trục chính mòn có thể gây ra các ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác gá lắp của chuôi gá dao và giảm chất lượng của quá

trình cắt gọt cũng như năng suất cắt gọt Tình

trạng này thường được gọi là loe lỗ côn trục

chính Nếu độ không chính xác của chuôi gá dao

có thể được loại bỏ thông qua thiết bị kiểm tra

tổng sai lệch (TIR) thì nguồn gốc gây lệch tâm gá

dao thường là mòn lỗ côn trục chính Khi đó, hiện

tượng loe lỗ côn trục chính cần được kiểm tra và

sửa chữa bởi chuyên gia

1.1.2.3 Đánh giá n c chuôi côn

Chuôi côn gá dao mòn sẽ không cho phép định vị chính xác gá dụng cụ trong lỗ côn trục chính và sẽ dẫn tới hiện tượng mòn nhanh của dụng cụ cắt Mòn của dụng cụ cắt cũng

có thể dẫn tới bề mặt gia công kém chất lượng và thậm chí dẫn tới phá hủy trục chính của máy

Hình 1.11 Đánh giá tổng sai lệch theo hướng kính, TIR [39]

Hình 1.11 trình bày phương pháp đánh giá độ sai lệch T.I.R (Total indicator run out- Tổng sai lệch) là đo sai lệch của dụng cụ cắt khi lắp ghép với chuôi gá dao Các chuôi gá dao được chế tạo với mục tiêu giảm thiểu độ sai lệch và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt Tuổi thọ của dụng cụ cắt sẽ bị giảm đi 10% cho mỗi phần mười của (0.0001”) của sai lệch ( hình 1.10)

Hình 1.10 Sự phụ thuộc tuổi thọ dao

theo tổng sai lệch TIR [nguồn 34]

1.1.2.4 M n chuôi côn c gá d o [39]

Hình 1.12 thể hiện sai lệch đường tâm gá dao của ổ chứa dao so với đường tâm lỗ côn trục chính khi vào thay dao và cần phải kiểm tra mặt côn để phát hiện dấu hiệu của mòn hoặc phá hủy trên bề mặt côn lắp ráp với ổ trục chính Bất kỳ hư hỏng nào của mặt côn đều trực tiếp ảnh hưởng tới độ chính xác của quá trình gia công Nếu có bất kỳ lỗi nào trên mặt côn thì chuôi dao hoặc chuôi gá dao không được phép sử dụng

Hình 1.12 Hư hỏng chuôi côn và sai lệch tâm gá dao với tâm lỗ côn trục chính [39]

Khi có dấu vết để lại trên bề mặt côn (hình 1.12) thì hiện tượng mòn có thể đã xuất hiện Hiện tượng mòn xuất hiện khi 2 chi tiết bằng thép (chuôi côn gá dao và lỗ côn trục chính) va đập và cọ sát với nhau Mòn có nguyên nhân do sự lắp ghép không tốt giữa chuôi

gá dao và lỗ côn trục chính, rung động và nhiệt phát sinh trong quá trình gia công sẽ làm tăng cường quá trình mòn đây có thể là mòn Fretting Nó có thể được biểu hiện ở các hốc màu đồng nhỏ hoặc các dấu hiệu trên mặt côn Điều này cho thấy rằng chuôi dao hoặc gá dao bắt đầu bị mòn Mòn dễ bị nhầm lẫn với hiện tượng rỉ sắt nhưng thực chất không phải như vậy Một khi một vết mòn xuất hiện và lan rộng thì chuôi dao cần được thay thế Khi chuôi dao mới nhanh chóng bị mòn hoặc các chuôi dao bị dính kẹt trong ổ trục chính cho biết lỗ côn trục chính bị mòn đến giới hạn sửa chữa và cần phải được mài lại

Bề mặt côn bị mòn sẽ dẫn tới sự không đồng tâm khi lắp chuôi dao, chuôi gá dao vào

lỗ côn trục chính Hiện tượng này được gọi là lệch tâm hoặc đảo hướng kính của dụng cụ cắt Lệch tâm dẫn tới dụng cụ cắt nhanh bị mòn và phát sinh rung động trong quá trình làm việc Rung động này là nguyên nhân dẫn tới chất lượng bề mặt quá trình gia công kém và cần phải được xử lý để đảm bảo chất lượng Rung động cũng có thể dẫn tới hiện tượng tăng nhiệt độ của trục chính và phá hủy vòng bi trục chính

Như vậy, một trong những nguyên nhân chính của việc hỏng lỗ côn trục chính và chuôi gá dao là do sự không đồng tâm của chúng trong quá trình thay dao, trong đó

Nơi xuất hiện vết mòn trên gá dao do sai lệch

vị trí

Kẹp dao

nguyên nhân chính là sai lệch vị trí dừng của cơ cấu đưa ổ cấp dao vào vùng thay dao Đối với ổ cấp dao tự hành dùng hệ thống XLPTKN để đưa ổ cấp dao về vị trí thay dao như trên máy CNC V30 việc dừng đúng vị trí để đảm bảo độ đồng tâm giữa lỗ côn trục chính và chuôi côn của dao hay gá dao gặp nhiều khó khăn do đặc điểm làm việc của hệ thống khí nén Trong trường hợp này ma sát trong XLPTKN là nguyên nhân chủ yếu gây ra sai lệch

vị trí dừng khi ổ cấp dao vào thay dao

1.2 Vai trò và đặc điểm của xylanh – piston khí nén

XLPTKN là cơ cấu chấp hành của hệ thống khí nén, có nhiệm vụ tiếp nhận năng lượng khí nén và biến đổi thành động năng chuyển động của bộ phận công tác (chuyển động thẳng hoặc quay)

Hình 1.13 Một số xylanh thường sử dụng trong công nghiệp

- Do có cơ cấu phòng quá áp nên áp suất giới hạn được đảm bảo, an toàn làm việc trong môi trường dễ cháy nổ Truyền dẫn khí nén thực hiện trong các đường ống nên có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt như: nước, hóa chất, phóng xạ…

- Do truyền dẫn chất khí có đàn hồi nên khó ổn định tốc độ khi tải trọng thay đổi và có hiện tượng giật cục khi chuyển động với tốc độ chậm Gây ra tiếng ồn trong quá trình làm việc

- Hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn hơn so với các hệ thủy lực cùng công suất

1.3 Cấu tạo xylanh- piston khí nén

Hình 1.14 trình bày cấu tạo của chung của XLPTKN [55]

- Thân Xylanh (1): Thường được làm bằng ống thép, các bề mặt chịu lực của buồng

xylanh được gia công nhẵn bóng và chính xác Trường hợp đặc biệt, xylanh có thể được làm bằng nhôm, đồng thau hoặc thép ống với bề mặt chịu lực mạ crôm Kết cấu đặc biệt này được sử dụng khi hoạt động không thường xuyên hoặc có các ảnh hưởng của các yếu tố ăn mòn

- Đế xylanh (2) và nắp xylanh (3): Thường làm bằng vật liệu đúc (nhôm hoặc gang) Hai

nắp có thể được gắn chặt vào thân xylanh bằng cần nối, mối ren hoặc mặt bích

- Cần piston (4): Làm từ thép đã qua xử lý nhiệt, thành phần Crom trong thép có tác

dụng bảo vệ chống gỉ Thông thường đầu cần piston có mối ren xoắn sẽ làm giảm nguy

cơ gãy cần

- Bạc lót (6): Dẫn hướng cần piston, có thể được làm bằng hợp kim đồng hoặc kim loại

bọc nhựa

Hình 1.14 Cấu tạo xylanh – piston khí nén [nguồn 55]

- Gioăng cần piston (5) (hình 1.15a)

Gioăng có nhiệm vụ chịu áp, gạt nước và bụi Mặt trên của gioăng khép kín với rãnh gioăng chịu áp suất thích hợp Mặt trong phía bao quanh cần piston có tác dụng ngăn chặn

sự thất thoát của khí nén qua khe hở giữa cần piston và rãnh gioăng Mặt ngoài gioăng có tác dụng làm sạch gạt bụi, nước khi cần piston dịch chuyển Việc làm sạch bề mặt là rất

1- Thân xylanh 2- Đế xylanh 3- Nắp xylanh 4- Cần piston 5- Gioăng cần piston 6- Bạc lót

7- Vòng chắn bụi 8- Gioăng piston 9- Gioăng giảm chấn

quan trọng bởi các hạt mài có thể dính vào lớp màng mỏng bôi trơn trên cần piston khi dịch chuyển Nếu các hạt mài này lọt vào trong xylanh sẽ làm giảm tuổi thọ của cơ cấu dẫn hướng cũng như các gioăng bên trong Trong các điều kiện làm việc đặc biệt khắc nghiệt,

có thể phải dùng các loại gioăng đặc biệt Ở các xylanh chịu tải trọng cao, gioăng gạt nước (bụi) và gioăng kín khít được tách rời nhau [60]

- Gioăng piston (8): có nhiệm vụ đảm bảo kín khít không cho phép lọt khí giữa các

buồng xylanh khi có sự chênh lệch áp suất Gioăng piston có nhiều dạng như: gioăng nhẫn

“O-ring”, gioăng cốc …

Gioăng nhẫn ( hình 1.15b)

Gioăng nhẫn “O-ring” được lồng hơi lỏng vào trong rãnh với đường kính ngoài vừa đủ

để tiếp xúc với thành xylanh Khi có áp suất tác dụng vào một bên của piston, gioăng nhẫn

sẽ bị đẩy ngang và ép ra phía ngoài của gioăng làm kín khe hở giữa đường kính ngoài của piston và thành xylanh Thiết kế này không đảm bảo kín khít khi chênh lệch áp suất giữa 2 khoang nhỏ, thông thường yêu cầu chênh lệch áp suất ≥ 0,5 bar [60] Nếu gioăng bị lồng căng vào trong cả rãnh gioăng và thành xylanh thì ma sát có thể sẽ là rất lớn

Gioăng cốc piston (hình 1.15c)

Gioăng cốc được dùng cho các piston của xylanh có đường kính trung bình và lớn, có tác dụng làm kín không khí theo một chiều Vì vậy, với xylanh tác động 1 chiều sử dụng 1 gioăng cốc, còn đối với các xylanh tác động 2 chiều sử dụng 2 gioăng cốc như hình 1.5 Các môi của gioăng với góc mở rộng, độ mềm dẻo cao, tạo áp lực theo phương hướng kính nhỏ giúp làm giảm ma sát tĩnh [60] Hình 1.15c thể hiện tiết diện của một gioăng cốc cho phép chịu tải mặt bên bởi vòng dẫn hướng chống mòn Điều này cho phép chúng thích ứng với dung sai độ tròn và dung sai lệch tâm của lòng xylanh và piston

- Gioăng giảm chấn hình 1.15d

Các gioăng này thực hiện nhiệm vụ của gioăng và van chặn một chiều, chỉ làm kín khít đường kính trong của gioăng Điều này cho phép làm kín khít theo một chiều nhất định Theo chiều còn lại, không khí chảy tự do xung quanh đường kính ngoài và các bề mặt khác nơi mà có ranh thoát trên bề mặt

Vật liệu làm gioăng: Gioăng thường làm bằng vật liệu perbunan, viton and teflon

Gioăng tiêu chuẩn thường được khuyến cáo làm việc liên tục trong khoảng + 2°C đến + 80°C Nhiệt độ cao hơn sẽ làm mềm các gioăng làm thay đổi tính năng ma sát Nhiệt độ thấp hơn sẽ làm gioăng cứng lại, làm cho chúng giòn và có khả năng tách và nứt [60] Đối với ứng dụng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao lên đến 150°C, xylanh được trang bị

gioăng Viton (-20°C đến +150°C) Đối xylanh làm việc liên tục ở nhiệt độ thấp xuống đến -20°C, xylanh dùng gioăng Teflon (-80°C đến +200°C)

Hình 1.15 Một số loại gioăng trong XLPTKN [60]

1.4 Phân loại xylanh – piston khí nén

Hiện nay, XLPTKN có nhiều chủng loại, kích thước, kết cấu khác nhau phân loại theo chức năng có 2 loại chính: Xylanh lực và xylanh quay

1.4.1 Xylanh lực: Biến năng lượng khí nén thành chuyển động thẳng của cơ cấu chấp hành

Xylanh tác động đơn (hình 1.16)

Với xylanh tác động đơn, áp lực khí nén tác dụng vào 1 chiều, chiều ngược lại do lò

xo tác động hay do ngoại lực tác dụng Các lực lò xo được tính toán để piston trở lại vị trí bắt đầu của nó với một tốc độ tương đối cao trong điều kiện không tải Do đó, xylanh tác động đơn có hành trình dài xấp xỉ 80mm.Xylanh tác động đơn có cấu tạo, hoạt động đơn giản, hành trình ngắn thích hợp với yêu cầu nhỏ gọn, đồ gá kẹp chi tiết

Xylanh tác động đơn có các kiểu dáng khác nhau gồm:

• Xylanh kiểu màng (Diaphragm cylinder)

• Xylanh kiểu màng lăn (Rolling diaphragm cylinder)

Hình 1.16 Xylanh tác động đơn[55] Hình 1.17 Xilanh màng[9]

a Xi lanh màng kiểu cuộn

b Xi lanh màng kiểu hộp

Xylanh tác động kép ( hình 1.18)

Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng kép (2 chiều): Áp suất khí nén được cấp lần lượt vào cả 2 phía của xylanh Các xylanh tác động kép có thể thực hiện công việc với cả hai hướng chuyển động Lực truyền cho cần piston ở hành trình làm việc về phía trước lớn hơn so với hành trình trở lại do diện tích giảm trên phía cần piston

Xylanh có giảm chấn (hình 1.19)

Khi XLPTKN làm việc với tải lớn thường xảy ra rung động ở cuối hành trình ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống cơ khí Do đó, nhà sản xuất bố trí gioăng ở các vị trí cuối hành trình để ngăn chặn những tác động gây tổn hại do va đập Trước khi đến vị trí kết thúc, gioăng piston đóng đường dẫn dòng chảy trực tiếp của không khí ra bên ngoài Thay vào đó là đường xả rất nhỏ và có thể điều chỉnh được lượng mở qua các vít điều chỉnh Ở cuối hành trình làm việc, tốc độ xylanh được giảm dần

Hình 1.18 Xylanh tác động kép[55] Hình 1.19 Xylanh tác động kép có giảm chấn

[55]

Xylanh tác động kép tiếp đôi (hình 1.20)

Các xylanh tác động kép tiếp đôi được kết hợp các tính năng của hai xylanh tác động kép để tạo thành một xylanh Lực ở cần piston gần như tăng gấp đôi, phù hợp cho các ứng dụng cần lực lớn nhưng đường kính xylanh bị hạn chế

Xylanh nhiều vị trí ( Hình 1.22)

Xylanh nhiều vị trí gồm nhiều xylanh tác động kép kết nối với nhau Các xylanh đơn

di chuyển khi áp suất tác dụng Hai xylanh có chiều dài hành trình làm việc khác nhau, sẽ

có bốn vị trí được xác định như trên hình 1.22

Xylanh va đập (Hình 1.23)

Xylanh va đập có động năng lớn, động năng lớn thu được khi tăng vận tốc của piston

Vận tốc của piston va đập nằm trong khoảng 7,5 đến 10 m/s Tuy nhiên, trong trường hợp hành trình làm việc lớn, vận tốc sẽ nhanh chóng bị giảm Xylanh va đập vì thế không thích

hợp với các ứng dụng có hành trình làm việc lớn

Tác động của van điều khiển làm tăng áp suất trong buồng xylanh A Nếu xylanh di chuyển theo hướng Z, toàn bộ bề mặt piston tham gia tác động Không khí từ buồng xylanh

A cũng sẽ chảy vào trong buồng xylanh một cách nhanh chóng thông qua tiết diện C Do

đó piston sẽ được gia tốc một cách nhanh chóng

Hình1.22 Xylanh nhiều vị trí[55] Hình 1.23 Xylanh piston tác động [55]

Xylanh không cần (Hình 1.24)

Xylanh không cần piston có ưu điểm so với các xylanh có cần piston là chiều dài thiết

kế bằng một nửa Điều này giúp loại bỏ các nguy cơ cần piston mất ổn định và chuyển động có thể diễn ra trên toàn bộ chiều dài hành trình làm việc Hành trình làm việc của xylanh không cần có thể đến 10m Lực đẩy piston ở hai hướng của chuyển động có giá trị bằng nhau

1.4.2 Xylanh quay (Rotary cylinders)

Với thiết kế hình 1.25 của xylanh tác động hai chiều, cần piston có biên dạng thanh răng truyền động Cần piston ăn khớp một bánh răng, và truyền chuyển động quay cho bánh răng Phạm vi của các góc quay thay đổi từ 45o

, 90o, 180o, 270o đến 360o

Các

mô-men xoắn là phụ thuộc vào áp suất, bề mặt piston và đường kính bánh răng; Mô mô-men quay

có thể đạt tới 150 (Nm)

Hình 1.24 Xylanh không cần loại đai[55] Hình1.25 Xylanh quay[55]

1.5 Đặc tính làm việc của xylanh – piston khí nén

Đặc tính làm việc xylanh có thể được xác định nhờ lý thuyết hoặc nhờ việc sử dụng các dữ liệu của nhà sản xuất Cả hai phương pháp này đều áp dụng được, nhưng nói chung

dữ liệu của nhà sản xuất phù hợp hơn với thiết kế và ứng dụng cụ thể

1.5.1 Lực đẩy piston

Lực đẩy piston phụ thuộc vào áp suất không khí, đường kính xylanh và lực cản ma sát của các bộ phận làm kín Lực piston lý thuyết được tính theo công thức [9,55]:

F= A.p (N) (1.1) Trong đó: A - Diện tích của piston (m2

);

p - Áp suất (Pa)

Trong thực tế, lực piston hữu ích là rất quan trọng Khi tính toán, cần xem xét lực cản

ma sát Dưới điều kiện hoạt động bình thường (dải áp lực từ 400 đến 800 kPa/4-8bar) lực

ma sát thường chiếm khoảng 10% ÷15% lực piston lý thuyết [9,55]

Xylanh tác động đơn, lực piston được tính theo công thức:

Feff = (A.p) - (F+FF) (1.2) Xylanh tác động kép lực Piston được tính theo công thức:

Hành trình đi : F eff (A ) Fp  ms (1.3)

Hành trình về : F eff (A' ) Fp  ms

Trong đó: F eff - Lực piston hữu ích (N);

A - Diện tích hữu ích của piston (m2) =

2

( )

; 4

D A‟ - Diện tích mặt hình khuyên hữu ích (m2

Để đảm bảo ổn định trong quá trình làm việc, hành trình làm việc cho phép của xylanh

có cần tối đa là 2m và 10m đối với xylanh không cần [55]

Với chiều dài hành trình quá lớn, áp lực lên piston và bạc dẫn hướng sẽ là rất lớn Để tránh nguy cơ mất ổn định khi chiều dài hành trình lớn, cần quan tâm đến vùng mất ổn định không làm việc được như trên hình 1.27

Hình 1.27 Đồ thị quan hệ giữa chiều dài hành trình, lực và đường kính cần XLPTKN [55]

1.5.3 Tốc độ piston

Tốc độ piston của xylanh khí nén phụ thuộc vào tải, áp suất làm việc hiện tại, độ dài của ống dẫn khí, diện tích mặt cắt ngang của dòng khí ở giữa phần tử điều khiển, phần tử làm việc và lưu lượng dòng chảy qua phần tử điều khiển Ngoài ra, tốc độ còn bị ảnh hưởng bởi các gioăng giảm chấn vị trí cuối

Hình 1.28 Tốc độ trung bình của piston [55]

Tốc độ trung bình của piston xylanh tiêu chuẩn là khoảng 0,1-1,5 m/s Với xy-lanh đặc biệt (Xylanh tác động), tốc độ có thể lên đến 10 m/s Thông thường tốc độ piston có thể được điều chỉnh bằng van điều khiển lưu lượng và tăng tốc nhờ sử dụng các van xả nhanh [55] như hình 1.28

1.5.4 Lượng khí tiêu thụ

Lượng khí tiêu thụ được tính bằng lít không khí trong mỗi phút Với áp lực vận hành

cụ thể, đường kính piston, hành trình và số hành trình, việc tiêu thụ không khí được tính bằng công thức [55]

qB =  A s n (1.4) Trong đó:

qB - Lượng khí tiêu thụ ( l/phút);

 - Tỷ lệ nén; 101.3 p

; 101.3

Lượng khí tiêu thụ có thể được xác định theo đồ thị trên hình 1.29

(1.6) Trong đó: qH - Lượng khí tiêu thụ trên chiều dài hành trình (l/cm)

Với những công thức trên, lượng khí tiêu thụ khác nhau của xylanh tác động kép trong thời gian hành trình trước và hành trình trở lại không được xem xét Điều này có thể được

bỏ qua do dung sai khác nhau trong dòng và van

Lượng khí tiêu thụ chung của một xylanh cũng bao gồm việc làm đầy các vùng chết (dead zones) Lượng khí tiêu thụ cần thiết để điền vào vùng chết có thể lên đến 20% lượng tiêu thụ khí Vùng chết của một xylanh cũng là đường cung cấp khí nén trong chính xylanh

và không phải vùng vị trí cuối của piston – vùng hành trình hữu ích

1.6.1 Yêu cầu môi trường làm việc máy CNC

Để đảm bảo độ chính xác của máy công cụ CNC cũng như độ chính xác gia công thì môi trường làm việc cần phải có nhiệt độ ổn định, ít biến đổi Thông thường, máy CNC làm việc ở nhiệt độ phòng và không có yêu cầu đặc biệt trừ những máy có độ chính xác cao như máy doa CNC, thực tế cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng cao thì tỉ lệ hỏng bộ điều khiển số tăng lên Độ ẩm của môi trường làm giảm độ tin cậy của máy và thiết bị, đặc biệt trong môi trường ẩm cao, làm cho những bảng mạch in và những đầu nối bị ăn mòn, làm

hỏng bộ điều khiển Một số lưu ý về điều kiện môi trường làm việc máy CNC thông dụng [40]:

1 Nhiệt độ môi trường làm việc nằm trong khoảng từ 0 ÷ 35 ℃, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng, cần trang bị thiết bị chiếu sáng, nội thất tốt như hình 1.30

Hình1.30 Máy CNC làm việc trong môi trường bình thường

2 Để nâng cao tính chính xác của bộ phận gia công phải làm giảm biến dạng nhiệt của máy, nếu có thể được, máy CNC nên được đặt trong một môi trường tương đối khép kín và

có thể trang bị thiết bị điều hòa không khí như hình 1.31

Hình 1.31 Máy CNC làm việc trong môi trường có quạt và điều hòa không khí [41]

3 Môi trường làm việc có độ ẩm tương đối dưới 75% Máy CNC nên được lắp đặt ở những nơi cách xa chất lỏng văng tóe và ngăn chặn ngưng đọng, nhỏ giọt của chất lỏng

4 Tránh môi trường bụi bẩn và khí ăn mòn

Điều hòa không khí

Theo khuyến cáo của nhà sản xuất máy CNC để đảm bảo độ chính xác cao của máy và quá trình gia công thì yếu tố môi trường làm việc là rất quan trọng (nhiệt độ và độ ẩm tương đối), cần đảm bảo môi trường làm việc có nhiệt độ, độ ẩm ổn định và biến động thấp

1.6.2 Môi trường làm việc máy CNC tại Việt Nam

1.6.2.1 Đặc đi m khí hậu Vi t Nam

Nước ta nằm hoàn toàn trong vùng nhiệt đới ở bán cầu Bắc nên khí hậu mang tính chất nhiệt đới, có nền nhiệt độ cao; đồng thời nằm ở rìa phía đông nam của phần châu Á lục địa thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió Mậu Dịch (tín phong) và gió mùa Châu Á – khu vực gió mùa điển hình nhất trên thế giới, nên khí hậu có hai mùa rõ rệt mùa đông lạnh, khô và mùa hạ nóng, mưa nhiều Đặc biệt nước ta tiếp giáp với Biển Đông nên khí hậu chịu ảnh hưởng sâu sắc của biển, biển là nguồn dự trữ dồi dào về nhiệt ẩm, vì thế mà khí hậu nước ta ôn hoà và mát mẽ hơn so với nhiều nước cùng vĩ độ [43]

Việt Nam có bốn miền khí hậu và có sự phân hóa rất đa dạng và phức tạp theo hình dạng lãnh thổ, theo độ cao và theo mùa chủ yếu, bao gồm: Miền khí hậu phía Bắc, miền khí hậu phía Nam, miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ, và miền khí hậu biển Đông [42] như hình 1.32

Hình 1.32 Bản đồ khí hậu Việt Nam[44]

Miền khí hậu phía Bắc: Miền này với đặc điểm của khí hậu cận nhiệt đới ẩm, mưa hè

nóng và mưa nhiều; mùa đông lạnh, ít mưa về đầu mùa và có mưa phùn về nửa cuối mùa

Độ ẩm trung bình hàng năm cao > 80% Mùa hè kéo dài từ tháng 5 tới tháng 9, kèm theo mưa nhiều, nhiệt độ trung bình 28,1 °C (vào tháng 6 – 7 có những ngày nhiệt độ lên tới

420C) Từ tháng 11 tới tháng 3 năm sau là mùa đông với nhiệt độ trung bình 18,6 °C (có những vùng xuống 00C như Sa Pa), dao động nhiệt độ lớn (>100C) Cùng với hai thời kỳ chuyển tiếp vào tháng 4 (mùa xuân) và tháng 10 (mùa thu), vùng bắc bộ có đủ bốn mùa xuân, hạ, thu và đông

Miền khí hậu phía Nam: Miền này với đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa và cận

xích đạo, nền nhiệt cao và khá ổn định, nhiệt độ trung bình > 200C, dao động nhiệt độ thấp 3-50C Độ ẩm trung bình hàng năm khoảng từ 80 - 82% Khí hậu hình thành trên hai mùa chủ yếu quanh năm là mùa khô và mùa mưa không có mùa đông lạnh Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 tới tháng 4

Miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ: Đây là miền khí hậu chuyển tiếp giữa hai miền

khí hậu nói trên Miền này lại có thể chia làm hai vùng:

 Vùng Bắc Trung Bộ là vùng Bắc đèo Hải Vân đôi khi có thời tiết lạnh và có những thời kỳ khô nóng do gió foehn gây nên

 Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ là vùng đồng bằng ven biển Nam Trung Bộ phía Nam đèo Hải Vân nóng quanh năm

Một đặc điểm quan trọng của miền khí hậu này là mùa mưa và mùa khô không cùng lúc với mùa mưa và khô của hai miến khí hậu còn lại Mùa hè, trong khi cả nước có lượng mưa lớn nhất, thì miền khí hậu này lại đang ở thời kỳ khô nhất

Miền khí hậu biển Đông: Biển Đông Việt Nam mang đặc tính hải dương và tương đối

đồng nhất

1.6.2 2 Môi trường là vi c áy CNC tại Vi t N

Với đặc điểm khí hậu như trên và điều kiện cơ sở vật chất nên hầu hết máy CNC được

sử dụng ở Việt Nam đều được bố trí trong các nhà xưởng với điều kiện môi trường khí quyển có mức độ ổn định nhiệt và độ ẩm tương đối không cao, môi trường làm việc chưa được quan tâm như khuyến cáo của nhà sản xuất Các nhà xưởng ở Việt Nam phần lớn thông thoáng với môi trường khí quyển, sử dụng quạt để đối lưu không khí Do khí hậụ nước ta là nhiệt đới ẩm gió mùa có sự biến đổi nhiệt và độ ẩm tương đối lớn nên đã ảnh hưởng rõ rệt đến tuổi thọ các máy CNC nói chung và các chi tiết cấu thành máy CNC nói riêng, cũng như làm giảm độ chính xác của chi tiết gia công