Nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho các máy điều khiển số

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan kết số liệu nêu luận văn thân thực dƣới hƣớng dẫn TS Trần Thị Thanh Hải, Bộ môn Máy Ma sát học - Viện Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngoài phần tài liệu tham khảo đƣợc liệt kê, số liệu kết thu đƣợc trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Vũ Văn Sỹ LỜI NÓI ĐẦU Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Trần Thị Thanh Hải, Bộ môn Máy Ma sát học - Viện Cơ khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, ngƣời đƣợc hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình từ định hƣớng đến trình thực hoàn chỉnh luận văn Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn tới tất thầy giáo, cô giáo giảng dạy Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô giáo Viện Cơ Khí, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn Do lực thân nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết, tác giả mong nhận đƣợc đóng góp thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp để đề tài đƣợc tốt MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Lịch sử phát triển máy công cụ CNC 1.2 Các cụm kết cấu máy CNC 1.2.1 Thân máy .6 1.2.2 Cụm trục .7 1.2.3 Bàn máy, bàn xoay 10 1.2.4 Băng dẫn hƣớng 13 1.2.5 Bộ phận vít-me đai ốc bi 13 1.2.6 Bộ phận thay dao tự động (ATC) 15 1.2.7 Bàn xe dao 15 1.3 Hệ thống điều khiển cho máy CNC 15 1.4 Các đặc trƣng máy CNC 16 1.5 Kết luận chƣơng 23 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÔI TRƠN CHO MÁY CNC 24 2.1 Hệ thống bôi trơn cho máy CNC 24 2.1.1 Mục đích việc bôi trơn 24 2.1.2 Các yêu cầu hệ thống bôi trơn 25 2.1.3 Các cụm kết cấu cần thiết có bôi trơn 25 2.1.4 Các phần tử hệ thống bôi trơn 26 2.1.5 Vật liệu bôi trơn 32 2.1.6 Chế độ bôi trơn 35 2.2 Một số phƣơng pháp bôi trơn 38 2.2.1 Bôi trơn mỡ 38 2.2.2 Bôi trơn dầu 43 2.3 Bôi trơn cụm trục 47 2.3.1 Nghiên cứu bôi trơn trục tốc độ cao 47 2.3.2 Quá trình hình thành hỗn hợp bôi trơn 52 2.4 Kết luận chƣơng 54 CHƢƠNG HỆ THỐNG BÔI TRƠN CỦA MỘT SỐ MÁY CNC 55 3.1 Máy phay CNC Bridgeport TC-1 55 3.1.1 Hệ thống bơm dầu máy CNC Bridgeport 55 3.1.2 Hệ thống khí nén máy CNC Bridgeport 56 3.1.3 Bộ tạo hỗn hợp bôi trơn sƣơng dầu 57 3.1.4 Van phân phối 59 3.2 Máy phay CNC GV-503 59 3.2.1 Hệ thống bơm dầu 60 3.2.2 Hệ thống khí nén 61 3.2.3 Những vị trí cần thiết bôi trơn máy phay CNC GV-503 62 3.2.4 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy phay CNC GV-503 62 3.3 Hệ thống bôi trơn máy SL-153 63 3.3.1 Những vị trí cần thiết bôi trơn máy tiện CNC SL-153 64 3.3.2 Hệ thống khí nén 65 3.3.3 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy tiện CNC SL-153 65 3.4 Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán mô trình hình thành hỗn hợp bôi trơn máy phay CNC Bridge Port TG-1 67 3.4.1 Thiết lập 67 3.4.2 Mô trình tính toán hỗn hợp chất bôi trơn 67 3.5 Kết luận chƣơng 76 KẾT LUẬN 77 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Máy tiện CNC Hình 1.2 Trục máy CNC Hình 1.3 Dẫn động trục dây đai Hình 1.4 Dẫn động trục trực tiếp Hình 1.5 Dẫn động trục bánh Hình 1.6 Một số hình ảnh bàn xoay 10 Hình 1.7 Bàn xoay tiêu chuẩn nằm ngang 10 Hình 1.8 Bàn xoay có động lắp phía sau 11 Hình 1.9 Bàn xoay có lỗ trục lớn 11 Hình 1.10 Bàn xoay trục 12 Hình 1.11 Bàn xoay CNC điều khiển nghiêng tay 12 Hình 1.12 Bàn xoay CNC điều khiển nghiêng tự động 12 Hình 1.13 Băng dẫn hƣớng 13 Hình 1.14 Kết cấu vít-me đai ốc bi 14 Hình 1.15 Kết cấu chỉnh khe hở vít-me đai ốc 14 Hình 1.16 Bộ thay dao tự động máy CNC 15 Hình 1.17 Xử lý thông tin 18 Hình 2.1 Các loại bơm thể tích 27 Hình 2.2 Bơm bánh ăn khớp (a) ăn khớp (b) 28 Hình 2.3 Bơm cánh gạt đơn 29 Hình 2.4 Bơm cánh gạt kép 29 Hình 2.5 Bộ lọc dầu bôi trơn 31 Hình 2.6 Van an toàn van tràn 31 Hình 2.7 Van tiết lƣu điều chỉnh dọc trục 32 Hình 2.8 Bổ sung mỡ với lỗ thoát bên dƣới 39 Hình 2.9 Bơm mỡ vào rãnh lõm ổ lăn 40 Hình 2.10 Cơ cấu thoát mỡ cạnh bên 41 Hình 2.11 Đƣờng dẫn mỡ ngắn 41 Hình 2.12 Ổ lăn với rãnh lõm rãnh vành 42 Hình 2.13 Bôi trơn ngâm dầu 43 Hình 2.14 Bôi trơn vòng văng dầu 44 Hình 2.15 Bôi trơn tuần hoàn 45 Hình 2.16 Bôi trơn phun dầu 45 Hình 2.17 Bôi trơn nhỏ giọt 46 Hình 2.18 Sơ đồ đo kiểm tra trục 48 Hình 2.19 Hệ thống bôi trơn hỗn hợp khí - dầu 48 Hình 2.20 Ảnh hƣởng khối lƣợng dầu chu kỳ tới nhiệt độ 51 Hình 2.21 Ảnh hƣởng thời gian chu kỳ tới nhiệt độ 51 Hình 2.22 Ảnh hƣởng áp suất khí tới gia tăng nhiệt độ 52 Hình 2.23 Bộ trộn khí - dầu bôi trơn 53 Hình 3.1 Máy CNC Bridgeport 55 Hình 3.2 Hệ thống bơm dầu 56 Hình 3.3 Hệ thống khí nén 57 Hình 3.4 Sơ đồ hình thành hỗn hợp bôi trơn 58 Hình 3.5 Van phân phối dầu 59 Hình 3.6 Máy phay CNC GV-503 60 Hình 3.7 Bơm dầu máy phay CNC GV-503 61 Hình 3.8 Hệ thống khí nén máy phay CNC GV-503 61 Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy phay CNC GV-503 63 Hình 3.10 Máy tiện CNC SL-153 64 Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy tiện CNC SL-153 66 Hình 3.12 Lập thông số đầu vào 67 Hình 3.13 Mô mô hình 68 Hình 3.14 Mô hình thiết kế ANSYS Workbench 68 Hình 3.15 Chia lƣới 69 Hình 3.16 Nhập thuộc tính đầu vào 70 Hình 3.17 Đồ thị biểu thị thay đổi độ lớn sau 950 bƣớc lặp 71 Hình 3.18 Đƣờng biên áp suất 71 Hình 3.19 Phân bố trọng lƣợng riêng 72 Hình 3.20 Phân bố vận tốc 72 Hình 3.21 Phân bố nhiệt độ 73 Hình 3.22 Phân bố dòng chảy rối ống 73 Hình 3.23 Thay đổi kết cấu Gíc lơ 74 Hình 3.24 Mô hình thay đổi kết cấu Gíc lơ 74 Hình 3.25 Thay đổi kết cấu Gíc lơ 75 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Một số vật liệu bôi trơn quan trọng 33 Bảng 2.2 Bảng so sánh hai kiểu bôi trơn mỡ dầu 34 Bảng 2.3 Chỉ số mức độ thực 50 Bảng 3.1 Bảng so sánh kết thu đƣợc 75 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Một thành tựu quan trọng tiến khoa học kỹ thuật tự động hóa sản xuất, máycông cụ điều khiển số CNC điển hình, loại máy ngày có phát triển vƣợt bậc chủng loại, số lƣợng, tính năng, hiệu sử dụng Sử dụng máy công cụ CNC cho phép giảm khối lƣợng gia công chi tiết, nâng cao độ xác gia công hiệu kinh tế, đồng thời rút ngắn đƣợc chu kỳ sản xuất Chính mà nhiều nƣớc giới ứng dụng rộng rãi máy điều khiển số vào lĩnh vực khí chế tạo Để tăng suất, chất lƣợng sản phẩm gia công, tốc độ quay máy phần tử không ngừng đƣợc cải thiện Do vấn đề bôi trơn máy CNC có vai trò vô quan trọng, việc áp dụng thành tựu khoa học bôi trơn nhằm nâng cao tuổi thọ máy đƣợc nhiều nhà khoa học giới quan tâm Công dụng hệ thống bôi trơn giảm tổn hao ma sát, tăng độ bền mòn bề mặt công tác, đảm bảo nhiệt độ làm việc bình thƣờng cho phép Nghiên cứu, thiết kế hệ thống bôi trơn bảo vệ đƣợc lâu dài độ xác ban đầu máy toàn thời gian sử dụng máy, tăng đƣợc tuổi thọ máy thiết bị Bản thân tác giả công tác Liên doanh Dầu khí Việt Nga Vietsovpetro, ngành công nghiệp lớn đất nƣớc, nơi đƣợc trang bị nhiều máy móc tiên tiến đại, điển hình máy tiện, máy phay CNC…mà vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho máy quan trọng Từ lý tác giả lựa chọn: “Nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho máy điều khiển số” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học Mục đích nghiên cứu  Tầm quan trọng hệ thống bôi trơn máy CNC  Tìm hiểu hệ thống bôi trơn máy CNC, yêu cầu bản, phần tử hệ thống, kết cấu cần bôi trơn, vật liệu bôi trơn, chế độ bôi trơn, phƣơng pháp bôi trơn  Nghiên cứu bôi trơn cao tốc, trình hình thành hỗn hợp bôi trơn  Nghiên cứu hệ thống bôi trơn số máy điều khiển số  Mô trình hình thành hỗn hợp bôi trơn với hỗ trợ phần mềm Ansys Đối tƣợng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu  Các phần tử hệ thống bôi trơn máy CNC  Các kết cấu cần bôi trơn máy CNC  Nghiên cứu bôi trơn cao tốc, trình hình thành hỗn hợp bôi trơn Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, thực tiễn kết hợp tính toán với hỗ trợ phần mềm Ansys Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với đề tài: “Nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho máy điều khiển số” Tác giả hoàn thành đƣợc đề tài đạt đƣợc kết sau:  Hệ thống bôi trơn máy CNC, yêu cầu bản, phần tử hệ thống, kết cấu cần bôi trơn, vật liệu bôi trơn, chế độ bôi trơn, phƣơng pháp bôi trơn  Nghiên cứu bôi trơn cao tốc, trình hình thành hỗn hợp bôi trơn  Nghiên cứu hệ thống bôi trơn số máy điều khiển số Tuy nhiên, thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy cô giáo, nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện 3.3.1.1 Cụm trục Cụm trục máy đƣợc sử dụng mỡ để bôi trơn, lƣợng mỡ đƣợc bổ sung bảo dƣỡng định kỳ máy 3.3.1.2 Ổ bi ụ động (ổ bi trục 2) Cần thiết bổ sung dầu bảo dƣỡng định kỳ máy 3.3.1.3 Rêvônve Bổ sung dầu bảo dƣỡng định kỳ máy 3.3.1.4 Mâm cặp I II Bơm mỡ bổ sung hàng ngày 3.3.1.5 Bộ phận dẫn hƣớng trục X, Z Bổ sung dầu bôi trơn sau 1000 làm việc 3.3.2 Hệ thống khí nén Trong máy CNC SL-153, hệ thống khí nén có tác dụng thực đóng mở kẹp hai mâm cặp thông qua hai công tắc bàn đạp tƣơng ứng để điều khiển van đảo chiều điện khí nén trƣớc kẹp mâm cặp thuỷ lực Ngoài khí nén thực việc bôi trơn phun hỗn hợp dầu khí vào khe trƣợt, điều khiển tự động hệ thống đóng mở cửa buồng làm việc làm phoi trình làm việc 3.3.3 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy tiện CNC SL-153 Bơm dầu máy tiện CNC SL-153 có công suất 0,75kW Dầu đƣợc bơm từ bể dầu qua lọc cửa hút bơm, qua van chiều số 18 (hình 3.11), áp suất dầu đƣờng đƣợc kiểm soát rơ le áp suất số đƣợc theo dõi đồng hồ hiển số đƣợc gắn đƣờng ra, từ dầu đƣợc cung cấp tới vị trí trục cần bôi trơn máy nhƣ bề mặt trƣợt, vít-me đai ốc bi 65 Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống bôi trơn máy tiện CNC SL-153 66 3.4 Ứng dụng phần mềm ANSYS tính toán mô trình hình thành hỗn hợp bôi trơn máy phay CNC Bridge Port TG-1 3.4.1 Thiết lập Để tính toán mô trình hình thành hỗn hợp bôi trơn, ta sử dụng Modul Fluen ANSYS Workbench để thiết lập giải toán dòng chảy chiều ống sử dụng toán dòng chảy ANSYS Fluent Các bƣớc tiến hành:  Thiết lập mô hình 3D cho toán  Chia lƣới sử dụng ANSYS Meshing  Tạo liệu dòng chảy ANSYS Fluent, bao gồm bƣớc:  Đặt thuộc tính vật liệu điều kiện biên ống  Đặt thông số đầu vào cho đƣờng ống bắt đầu trình giải 3.4.2 Mô trình tính toán hỗn hợp chất bôi trơn Lập thông số đầu vào Hình 3.12 Lập thông số đầu vào 67 Hình 3.13 Mô mô hình Các kết cần rõ đầu ra: Nhiệt độ T, áp suất p, độ rối, lƣu lƣợng Hình 3.14 Mô hình thiết kế ANSYS Workbench 68 Hình 3.15 Chia lƣới Tạo thuộc tính đầu vào  Đầu vào khí nén gồm: v = 0.4m/s; mật độ dòng chảy 5%; đƣờng kính dòng chảy: 4mm; nhiệt độ: 293.15K  Các thông số đầu vào dầu Tonna 68, p =1 bar; đƣờng kính dòng chảy 1mm 69 Hình 3.16 Nhập thuộc tính đầu vào 70 Kết tính toán Hình 3.17 Đồ thị biểu thị thay đổi độ lớn sau 950 bƣớc lặp Hình 3.18 Đƣờng biên áp suất 71 Hình 3.19 Phân bố trọng lƣợng riêng Hình 3.20 Phân bố vận tốc 72 Hình 3.21 Phân bố nhiệt độ Hình 3.22 Phân bố dòng chảy rối ống 73 Thay đổi kết cấu Gíc lơ Hình 3.23 Thay đổi kết cấu Gíc lơ Hình 3.24 Mô hình thay đổi kết cấu Gíc lơ Sau trình thay đổi áp suất khí đầu vào từ đến 6.3bar, kết cấu Gic lơ từ đến 1.5 mm, ta thu đƣợc kết sau: 74 Tính toán so sánh kết quả: STT Áp suất vào Dgíc lơ =2mm Dgíc lơ =1.5mm Kết đầu Pmin=1bar Pmax=6.3bar Pmin=1bar Pmax=6.3bar Vận tốc (m/s) 1.68 19.1 13.4 13.3 Nhiệt độ (K) 295 298 300 300 Áp suất (bar) 0.03 1.07 0.82 Độ rối (m2/s2) 8000 9500 78100 352000 Trọng lƣợng riêng (kg/m3) 1.23 1.23 1.23 1.23 Bảng 3.1 Bảng so sánh kết thu đƣợc Với kết này, tính toán giá trị nhƣ khối lƣợng dầu bôi trơn không phù hợp, ta tiến hành thay đổi lại kết cấu Gíc lơ nhƣ hình bên dƣới: Thay đổi kết cấu Gíc lơ Hình 3.25 Thay đổi kết cấu Gíc lơ Khi thay đổi kết cấu Gíc lơ với thông số nhƣ trên, ta tính đƣợc giá trị lƣu lƣợng đầu vào 8.10-7 kg/s, thời gian dùng hết bình dầu 1.8L là: 1,8/8.10-7 = 2250000s = 625 h 75 Nhƣ máy làm việc liên tục tiếng ngày bôi trơn liên tục để hết bình dầu là: 625/8 = 80 ngày Kết phù hợp với thực tế sử dụng máy CNC Bridge Port TC-1 Nhƣ kết cấu mô hình thiết kế thỏa mãn yêu cầu đặt Với kết tính toán nhƣ trên, ta hoàn toàn tính toán tƣơng tự loại dầu khác 3.5 Kết luận chƣơng Nhƣ chƣơng phân tích hệ thống bôi trơn số máy CNC nhƣ máy phay CNC Bridge Port, máy phay CNC GV-503, máy tiện CNC SL-153, chế độ bôi trơn cho cụm kết cấu Ứng dụng phần mềm Ansys để tính toán nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp bôi trơn cho máy CNC Bridge Port TC-1 76 KẾT LUẬN Thông qua việc nghiên cứu này, tác giả nhận thấy hệ thống bôi trơn cho máy điều khiển số CNC ngày đƣợc cải thiện nâng cao, tạo độ tin cậy cao, nâng cao hiệu suất vận hành làm tăng tuổi thọ máy Công dụng hệ thống bôi trơn giảm tổn hao ma sát, tăng độ bền mòn bề mặt công tác, đảm bảo nhiệt độ làm việc bình thƣờng cho phép Nghiên cứu, thiết kế hệ thống bôi trơn bảo vệ lâu dài độ xác ban đầu máy toàn thời gian sử dụng máy, tăng tuổi thọ máy thiết bị Các nội dung luận văn đƣợc trình bày chƣơng: Chƣơng 1, tác giả trình bày tổng quan máy CNC, cụm kết cấu máy nhƣ thân máy, cụm trục chính, bàn máy, bàn xoay, băng dẫn hƣớng, vít-me đai ốc bi, phận thay dao tự động, bàn xe dao, hệ thống điều đặc trƣng máy CNC Tiếp theo chƣơng 2, trình bày nghiên cứu bôi trơn cho máy CNC, phần tử hệ thống bôi trơn, vật liệu bôi trơn, chế độ bôi trơn, phƣơng pháp bôi trơn đồng thời chƣơng nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến bôi trơn cao tốc trục chính, nhƣ khối lƣợng dầu chu kỳ, chu kỳ bôi trơn, áp suất khí nén cần thiết tạo hỗn hợp bôi trơn Chƣơng cuối, tác giả phân tích hệ thống bôi trơn số máy CNC nhƣ máy Bridge Port TC-1, GV-503, SL 153, tìm hiểu chế độ bôi trơn cụm trục chính, vít-me đai ốc bi bề mặt trƣợt, mô trình hình thành hỗn hợp bôi trơn với hỗ trợ phần mềm Ansys cho trƣờng hợp thay đổi áp suất, thay đổi đƣờng kính Gíc-lơ, đƣờng kính giảm độ rối tăng rõ rệt nhiệt độ tăng theo Trên sở kết nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống bôi trơn, tác giả nhận thấy có nhiều yếu tố ảnh hƣởng khác ảnh hƣởng đến 77 hệ thống bôi trơn, làm giảm tuổi thọ nó, đặc biệt trình bôi trơn cao tốc Hơn lĩnh vực đề tài mẻ nƣớc ta khó khăn cho việc tính toán, thiết kế ngành chế tạo máy, tác giả có kiến nghị nhƣ sau: Dựa phân tích, tính toán, nghiên cứu mà tác giả đƣa luận văn Để đề tài trở thành đề tài tham khảo đầy đủ cho ngƣời muốn tìm hiểu hệ thống bôi trơn máy CNC, cần phải tính toán cụ thể, mô đầy đủ tham số hệ thống bôi trơn nhƣ độ đậm nhạt hỗn hợp bôi trơn, chu kỳ bôi trơn, thời gian bôi trơn, áp suất khí nén đặc biệt bôi trơn cho cụm trục cao tốc, siêu cao tốc đáp ứng nhu cầu phát triển tất yếu ngành công nghiệp chế tạo máy 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạ Duy Liêm (2001), "Máy công cụ CNC" Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Văn Địch (2012), "Giáo trình Công nghệ CNC" Nhà xuất giáo dục Nguyễn Doãn Ý (2008), "Ma sát, mòn bôi trơn" Nhà xuất khoa học kỹ thuật "Tài liệu ổ lăn tổng hợp SKF" (2006), Nhà xuất Lao động - Xã hội Nguyễn Tiến Lƣỡng (2008), “Tự động hóa thủy khí” Nhà xuất giáo dục Nguyễn Xuân Toàn (2007), “Công nghệ bôi trơn” Nhà xuất Bách khoa – Hà Nội Nguyễn Ngọc Cẩn (1974), “Truyền động dầu ép máy cắt kim loại Nhà xuất Bách khoa – Hà Nội Cheng-Hsien Wu, Yu-Tai Kung (2004), "A parametric study on oil/air lubrication of a high-speed spindle" Srinivasa N, Ziegert JC, Mize CD (1996) “Spindle thermal drift measurement using the laser ball bar” 10 Aoyama T, Lnasaki I, (1987), “Study of oil–air lubrication of highspeed ball bearing system for machine tool application” ... cấu cần bôi trơn, vật liệu bôi trơn, chế độ bôi trơn, phƣơng pháp bôi trơn  Nghiên cứu bôi trơn cao tốc, trình hình thành hỗn hợp bôi trơn  Nghiên cứu hệ thống bôi trơn số máy điều khiển số ... nhiều máy móc tiên tiến đại, điển hình máy tiện, máy phay CNC…mà vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho máy quan trọng Từ lý tác giả lựa chọn: Nghiên cứu hệ thống bôi trơn cho máy điều. .. thành hỗn hợp bôi trơn với hỗ trợ phần mềm Ansys Đối tƣợng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu  Các phần tử hệ thống bôi trơn máy CNC  Các kết cấu cần bôi trơn máy CNC  Nghiên cứu bôi trơn cao tốc,