thiết kế máy công cụ

Mở đầu: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY1.Các giai đoạn chính của quá trình thiết kế máy: Toàn bộ quá trình thiết kế máy cóthể phân chia thành các giai đoạn sau H6.1H6.1: Các giai đoạn t

MỤC LỤC

Chương 6: Các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của máy thiết kế 6

1 Năng suất máy: 6

2 Độ chính xác máy: 8

Chương 7: Lựa chọn đặc tính kỹ thuật máy thiết kế 15

1 Xác định rõ công dụng của máy thiết kế: 15

2 Phạm vi tốc độ công tác: 15

3 Đặc điểm của điều chỉnh phân cấp: 17

4 Tốc độ chuyển động phụ: 20

5 Công suất truyền dẫn: 21

6 Lực trong truyền dẫn Lực phát sinh trong máy do: 24

7 Chế độ tải tính toán đối với các máy vạn năng: 25

Chương 8: Thiết kế động học truyền dẫn máy công cụ 27

1 Lựa chọn động cơ điện trong truyền dẫn: 27

2 Điều chỉnh tốc độ phân cấp: 28

3 Điều chỉnh tốc độ vô cấp: 32

4 Truyền dẫn chuyển động phụ trong máy công cụ: 36

5 Truyền dẫn định vị chính xác: 38

Chương 9: Trục chính-Ổ trục chính 42

1 Các yêu cầu chung đối với cụm trục chính: 42

2 Vật liệu và kết cấu trục chính 42

3 Tính toán trục chính: 44

4 Ổ trục chính: Có thể sử dụng ổ lăn (bi, con lăn) hoặc ổ trượt 48

5 Trình tự thiết kế cụm trục chính: 57

Chương 10: Hệ thống điều khiển cơ khí và cơ cấu an toàn trên máy công cụ 60

1 Chức năng và yêu cầu của hệ thống điều khiển máy công cụ 60

2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển cơ khí (bằng tay) Cần tính chọn 3 loại cơ cấu 60

3 Lập bảng chu kỳ gạt và vẽ đường khai triển của cam (hoặc bảng tuần tự cho 64

4 Thiết kế cam hoặc đĩa lỗ Ví dụ 1: 64

1

Mở đầu: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY1.Các giai đoạn chính của quá trình thiết kế máy: Toàn bộ quá trình thiết kế máy cóthể phân chia thành các giai đoạn sau (H6.1)

H6.1: Các giai đoạn thiết kế máy

 Đầu tiên, cần xác định rõ công dụng máy thiết kế và các tham số có liênquan đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật bằng cách dựa vào các số liệu ban đầu về yêucầu đối với các chi tiết gia công được trên máy, như

 kích thước, hình dáng, tập hợp các bề mặt gia công, vật liệu và chất lượng bề mặt gia công

 tính đa dạng của các chi tiết gia công được trên máy

Các yêu cầu về chi tiết gia công là cơ sở lựa chọn phương pháp gia công và dụng cụcắt cần thiết Ngoài ra, các số liệu đầy đủ của chúng giúp ta xác định được đặc tính kỹthuật máy thiết kế, gồm phạm vi tốc độ công tác, tốc độ chuyển động phụ của các cơcấu chấp hành máy, công suất truyền dẫn, phương pháp điều chỉnh cũng như mức độcung cấp cho máy các trang bị phụ cần thiết

– Xác định đặc tính kỹ thuật máy thiết kế: Nhiệm vụ kỹ thuật ở giai đoạn nầy

2

là lập luận có cơ sở tính chất hợp lý của việc chế tạo máy mới đồng thời cho các sốliệu ban đầu để thiết kế máy Máy mới phải có các ưu điểm nỗi bật so với các máyhiện có, nói chung phải nâng cao được các chỉ tiêu về chất lượng trong điều kiện đảmbảo hiệu quả kinh tế Khi xác định đặc tính kỹ thuật cho máy thiết kế, nên tiến hànhlập bảng đặc tính kỹ thuật của các máy cùng kiểu Việc phân tích bảng giúp ta nhậnxét, vạch ra được các ưu nhược điểm của chúng một cách dễ dàng.

 Đặc tính kỹ thuật máy thiết kế cung cấp các số liệu ban đầu để nghiên cứu,phân tích, lựa chọn sơ đồ nguyên lý toàn máy: sơ đồ động, sơ đồ điện, sơ đồ thủy lựchay khí nén…

Các giai đoạn thiết kế nêu trên là nội dung của bản kiến nghị kỹ thuật, cũng chính là luận chứng kinh tế-kỹ thuật cho máy thiết kế Sau khi đã được sự thoả thuận của phía đặt hàng, bản kiến nghị nầy dùng làm cơ sở thực hiện các công việc thiết kế tiếp theo Bản kiến nghị kỹ thuật cùng với giai đoạn thiết kế cụm máy gọi chung là quá trình thiết kế kỹ thuật Cuối quá trình nầy, toàn bộ kết cấu máy bao gồm bản vẽ lắp tất cả các cụm kể cả thuyết minh chỉ rõ đặc tính kỹ thuật, các chi tiết tiêu chuẩn, các phân tích tính toán cụm và chi tiết máy đã được hoàn tất, bố cục máy và lắp ráp chung đã được kiểm tra

Quá trình thiết kế chế tạo được tiến hành ngay khi hồ sơ thiết kế kỹ thuật được cấptrên duyệt y và hiệu chỉnh Công việc chính của quá trình nầy là nghiên cứu thiết kếchế tạo các cụm và các chi tiết chủ yếu, các điều kiện kỹ thuật cần thiết Đây chính làcác văn kiện kỹ thuật để chế tạo, lắp ráp và điều chỉnh máy

Sau quá trình thiết kế chế tạo, thường thực hiện chế tạo 1 hay 2 mẫu thử nhằm kiểmtra, thử nghiệm và đưa vào những hiệu chỉnh thích hợp cho các bản vẽ chế tạo chi tiết,các cụm máy Mẫu thử nghiệm cần kiểm tra về độ chính xác, độ cứng vững, tính chịurung , tiếng ồn, sự toả nhiệt cũng như các tham số đặc trưng cho hệ thống chỉ tiêukinh tế-kỹ thuật khác

H6.2 giới thiệu các bước thiết kế cụm máy Khi đã xác định được các đặc tính kỹthuật chính của máy thiết kế, bước tiếp theo là lựa chọn các phương án khác nhau vềkết cấu có kèm theo tính toán, thiết kế sơ bộ để so sánh, phân tích theo điều kiện cụ thể

và là cơ sở chọn phương án kết cấu tối ưu Kiểm tra lại lần cuối phương án đã chọn sovới nhiệm vụ thiết kế đặt ra trước khi tiến hành xây dựng bản vẽ lắp ráp cụm máy.H6.3 là 1 ví dụ trình bày các bước thực hiện khi thiết kế cụm trục chính máy mài

3

H6.2: Các bước thiết kế cụm máy

H6.3: Ví dụ thiết kế cụm trục chính máy mài

4

Dựa trên các số liệu ban đầu như độ chính xác và số vòng quay của trục, có thể cónhiều phương án lựa chọn kết cấu ổ trục khác nhau Tính toán phân tích sơ bộ chophép loại trừ những phương án không thích hợp và chọn được 1 hay 2 phương án tốtnhất Quyết định phương án cuối cùng phải căn cứ vào các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật,sau đó lập các văn kiện kỹ thuật và toàn bộ bản vẽ thiết kế.

Mẫu thử cũng phải được thử nghiệm gia công các loại chi tiết thông thường, và theochế độ gia công nâng cao Một lần nữa, có thể cần hiệu chỉnh các bản vẽ chế tạo dothay đổi điều kiện kỹ thuật, vật liệu hay kết cấu

Chỉ sau khi hoàn tất thử nghiệm, máy thiết kế mới được tiến hành sản xuất hàng loạt.Tuy nhiên công việc của người thiết kế vẫn chưa kết thúc vì phải theo dõi thườngxuyên máy làm việc trong điều kiện sản xuất thực tế, thường xuất hiện những khảnăng mới yêu cầu cải tiến kết cấu sau nầy

Rõ ràng là quá trình thiết kế và chế tạo máy mới đòi hỏi nhiều thời gian và công sức

Để đẩy mạnh và ứng dụng nhanh chóng những kiểu máy hoàn thiện hơn, phải có cácphương pháp thiết kế tiên tiến Triển vọng mới hiện nay là khả năng tự động hoá thiết

kế nhờ các phương tiện kỹ thuật tính, qua đó có thể cải thiện năng suất lao động chongười thiết kế

Những phần việc thiết kế đã được tự động hoá:

 Thu thập và xử lý các thông tin ban đầu về số lượng, chủng loại chi tiết gia công, số liệu thống kê về miền sử dụng máy

 Tính toán phân tích thiết kế kỹ thuật, mô phỏng cơ cấu, chế tạo mẫu thử

 Xử lý các văn kiện kỹ thuật

5



Chương 6: CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA MÁY THIẾT KẾ

1.Năng suất máy:

1.1 Năng suất cắt gọt: tính bằng lượng kim loại lấy đi trong 1 đơn vị thời gian đốivới 1 hay nhiều chi tiết gia công đồng thời trên máy Các giá trị (trung bình) cho theobảng (6.1) giúp ta có thể hình dung về năng suất cắt gọt đối với các phương pháp giacông khác nhau

Dạng gia công Năn

Bảng 6.1: Năng suất gia công1.2 Năng suất tạo hình: tính bằng diện tích bề mặt hay tổng của k bề mặt gia côngđồng thời trên máy trong 1 đơn vị thời gian

6

Qth  Vdci

 n

L 0 t

cgT

T : khoảng thời gian của toàn bộ chu kỳ

Cả 2 loại năng suất trên được gọi là năng suất công nghệ, chỉ dùng khi so sánh năngsuất giữa các phương pháp gia công bề mặt khác nhau, nhưng không xác định đượcnăng suất thực tế của máy Năng suất máy phải kể đến chi phí thời gian dành cho cácnguyên công phụ bên cạnh thời gian cắt gọt cần thiết cho gia công

7

1.3 Năng suất từng chiếc: đo bằng đại lượng tỉ lệ nghịch với thời gian tiêu tốn khi gia công 1 chi tiết

Q  1  T

1

t cg  t ph

Năng suất thực tế của máy khác với các giá trị xác định bởi các biểu thức trên, donhiều nguyên nhân khác nhau: thời gian dành cho phục vụ bảo quản, những trục trặcngẫu nhiên khi làm việc, thay thế hoặc hiệu chỉnh các dụng cụ đã mòn Để tính đến tất

cả các khoảng chi phí thời gian nầy, thường dùng hệ số sử dụng kỹ thuật  xác định

Những phương pháp cơ bản để nâng cao năng suất:

 Tăng năng suất công nghệ

 Làm trùng thời gian của các nguyên công khác nhau

 Giảm bớt thời gian chạy không

 Giảm bớt tất cả các dạng tổn thất ngoài chu kỳ

2.Độ chính xác máy:

2.1 Sai số hình học: là sai số vị trí tương quan bố trí các cụm, cơ cấu máy, phụthuộc vào độ chính xác gia công các chi tiết và lắp ráp máy Do vị trí tương quan giữacác cụm và chi tiết máy không được bảo đảm chính xác, chẳng hạn các chi tiết dẫnhướng- sóng trượt, bàn trượt chế tạo không chính xác dẫn đến quỹ đạo chuyển độngcủa cơ cấu máy bị sai lệch, hoặc khe hở của ổ trục chính hay độ ô van của cổ trục gây

ra độ đảo hướng kính của đầu mút trục chính làm sai lệch hình dạng chi tiết theophương ngang

Để đảm bảo sai số hình học nằm trong giới hạn cho phép, người thiết kế quy định cácyêu cầu về độ chính xác chế tạo chi tiết máy xuất phát từ dung sai cho phép của chi tiếtgia công trên máy có tính đến khả năng sản xuất thực tế

2.2 Sai số động học: là sai số gây ra do chế tạo không chính xác các bộ truyền nhưbánh răng, bánh vít-trục vít, vít me-đai ốc trong xích động làm ảnh hưởng đến tốc độchuyển động của cơ cấu chấp hành, đặc biệt quan trọng trong những trường hợp khicần có sự phối hợp chuyển động giữa dụng cụ và phôi để tạo hình, ví dụ gia công răng,cắt ren Sai số chế tạo các khâu cuối của xích động, như các bộ truyền bánh vít-trụcvít, bộ truyền vít me-đai ốc có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác động học máy

2.3 Sai số đàn hồi: là sai số gây ra do biến dạng cơ cấu, cụm máy dưới tác dụngcủa lực cắt dẫn đến thay đổi vị trí tương quan ban đầu giữa dụng cụ cắt và chi tiết giacông Như đã biết, lực cắt tổng thay đổi trong quá trình gia công theo giá trị, phương

và điểm đặt Khối lượng các cụm máy khi chuyển động gây ảnh hưởng khác nhau đếncác bộ phận chịu tải và làm thay đổi giá trị chuyển vị đàn hồi Khả năng của máychống lại sự phát sinh chuyển vị đàn hồi gọi là độ cứng vững, hay độ cứng Độ cứng Jcủa cụm máy được xác định bằng tỉ số lực P đặt vào cụm theo phương gây biến dạng

cụm : J  P [N/mm] (6.6)



Độ cứng J của máy ảnh hưởng quan trọng đến độ chính xác gia công, do vậy dùnglàm tiêu chuẩn chính để chọn lựa vật liệu Các số liệu về độ cứng thường được lấytheo các tài liệu thực nghiệm, tuy nhiên có thể tính toán phân tích độ cứng qua biếndạng cụm máy xuất phát từ những nguyên nhân sau

 Biến dạng bản thân vật thể chi tiết

 Biến dạng tiếp xúc

 Biến dạng do khe hở của mối ghép

 Biến dạng bề mặt

 Biến dạng của thành mỏng (tấm, nêm )

2.4 Sai số do nhiệt độ: là sai số gây ra do sự tăng nhiệt không đồng đều ở các vị tríkhác nhau của máy trong quá trình làm việc và làm thay đổi độ chính xác hình học banđầu Sự thay đổi của biến dạng nhiệt theo thời gian tuân theo quy luật hàm mũ, có

dạng: lt  l0 (1  e ) (6.7)trong đó  : tham số phụ thuộc vào hệ số toả nhiệt, nhiệt dung riêng của cụm máy, vào khối lượng và các kích thước chính

2.5 Sai số động lực học: gây ra do dao động tương đối của dụng cụ cắt so với chitiết gia công, đặc biệt có ý nghĩa ở các quá trình chuyển tiếp như khởi động, phanhhãm, đảo chiều, tiến dao Ngoài tác động có hại đến độ chính xác gia công, dao độngtrong máy còn ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ, tuổi thọ cơ cấu và chi tiết máy

Các ảnh hưởng của dao động đến sai số gia công thường được đánh giá qua các

đường đặc tính tần số-biên độ và pha-biên độ

2.6 Sai số dụng cụ cắt: loại sai số nầy gây ra do mòn dụng cụ và đây là 1 trongnhững nguyên nhân chính của sai số gia công Bên cạnh đó còn do sai số chế tạo củabản thân dụng cụ cắt và sai số gá đặt dụng cụ lên máy

Lượng mòn của dụng cụ theo bề mặt sau thay đổi theo thời gian cũng giống với quyluật đặc trưng ở phần lớn các dạng hao mòn, sau thời kỳ chạy rà, tốc độ mòn có giá trịgần như không đổi

Ảnh hưởng chung của các loại sai số khác nhau trên máy đến độ chính xác vị trítương quan giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công được khảo sát một cách hợp lý trên cơ

sở thiết lập chuỗi kích thước Cọng tất cả các sai số nầy theo thời gian có thể nhậnđược sai số tổng khác biệt nhiều so với đặc điểm thay đổi ở từng thành phần

Ví dụ thiết lập chuỗi kích thước phẳng với các khâu song song để phân tích sai số bốtrí các cụm máy mài tròn ngoài, ta có thể tìm được sai số trung bình của đường kínhchi tiết gia công (H6.4):

trong đó L : sai số tổng của trục vít dẫn (trên đoạn l1) và đoạn l2 do biến dạng nhiệt

và biến dạng đàn hồi

l : sai số tổng do nhiệt và biến dạng đàn hồi của ụ mài

R : sai số dụng cụ (do mòn và sai số hiệu chỉnh)

H6.4: Xác định sai số tổng bằng phương pháp lập chuỗi kích thước

Để nâng cao độ chính xác máy, cần tìm cách nâng cao độ cứng vững máy, ví dụ thiết

kế các hệ thống chịu được tải lớn, có biến dạng đàn hồi bé, hoặc nâng cao chất lượng

bề mặt mối ghép và chất lượng lắp ráp, giảm số lượng mối ghép và chiều dài xíchđộng, nâng cao độ cứng vững cho các khâu yếu, làm giảm bớt các ảnh hưởng có hạicủa biến dạng nhiệt bằng cách bố trí dòng nhiệt hợp lý trong máy hoặc tạo ra kết cấuhợp lý để cân bằng các sai số do bù trừ lẫn nhau Ở các máy hiện đại, luôn có các hệthống điều khiển tự động, hệ thống hiệu chỉnh và tự động bù trừ sai số, các cơ cấu tựđộng kiểm tra tích cực

2.7 Độ tin cậy của Máy : xác định bởi tính chất sản xuất liên tục không bị đứt quãng, cho ra những sản phẩm đúng quy cách với một số lượng nhất định trong một kỳ hạn phục vụ xác định Sự mất mát khả năng làm việc của máy được gọi là sự hỏng hóc Khi hỏng hóc, hoặc toàn bộ sản phẩm bị ngừng cung cấp, hoặc gây phế phẩm Xác suất hỏng hóc tính theo kết quả thử nghiệm No khả năng, và loại ra các khả năng hoàn hảo: NoT = No - Nhh ; Nhh biểu thị các khả năng hoàn hảo, ta có:

Q  NoT T

Cường độ hỏng hóc là mật độ xác suất phát sinh hỏng hóc trong 1 đơn vị thời gian

(t)  1

Nhh

dNoT

Xác suất làm việc không hỏng của máy là 1 hệ phức tạp gồm n thành phần ghép liên

tục, được biểu thị dưới dạng:

PM (t)  Pi (t)

1trong đó Pi(t) : xác suất làm việc không hỏng của yếu tố thứ i

(6.11)

Để nâng cao độ tin cậy, phải tối ưu hoá kỳ hạn phục vụ của cơ cấu và chi tiết máyquan trọng cũng như phải áp dụng nguyên tắc dự trữ khi xử dụng các hệ thống thiết bịphức tạp, chẳng hạn có các cơ cấu dự phòng phát hiện và phòng ngừa những hỏng hóc

có thể xảy ra …

2.8 Tính vạn năng của máy: được đặc trưng bởi thể loại chi tiết gia công được vàphạm vi điều chỉnh Đây là 1 chỉ tiêu quan trọng đối với máy có công dụng chung,phục vụ trong sản xuất loạt nhỏ

Xác định phạm vi điều chỉnh máy thường bằng cách tính chi phí cần thiết khi điềuchỉnh từ chi tiết nầy chuyển sang chi tiết khác gia công được trên máy Phạm vi điềuchỉnh cũng có thể xác định bằng quy mô tối ưu của loạt chi tiết Quy mô tối ưu càngnhỏ thì phạm vi điều chỉnh càng cao và tính vạn năng của máy càng rộng

2.9 Mức độ tự động hoá: xác định theo mức độ gia công chi tiết trên máy mộtcách tự động không có sự tham gia của người Đánh giá mức độ tự động hoá dựa trên

tỉ số giữa thời gian làm việc tự động và tổng thời gian gia công chi tiết trên máy

n

a  i t tđi

T

(6.12)

trong đó ttđi : thời gian của 1 trong số n nguyên công thực hiện tự động

T : tổng thời gian gia công chi tiết

Khi đánh giá mức độ tự động hoá, cần chú ý rằng phần thời gian gia công trên máy

so với tổng thời gian sản xuất chi tiết thường rất bé Theo các số liệu thống kê, thờigian trung bình đặt chi tiết trên máy chỉ chiếm khoảng 5% tổng thời gian sản xuất,95% thời gian còn lại tiêu tốn vào việc chuyển chi tiết từ vị trí nầy sang vị trí khác,cũng như cất giữ giữa các nguyên công Do vậy, để đánh giá đúng mức độ tự động hoáchế tạo chi tiết, trong công thức (6.12), T là tổng thời gian cần thiết cho sản xuất chitiết, còn tử số là tổng thời gian của tất cả các nguyên công thực hiện tự động, kể cảkiểm tra

2.10 Hiệu quả kinh tế của máy: là tiêu chuẩn chủ yếu để đánh giá tính hợp lý khi chế tạo máy mới Hiệu quả kinh tế máy có thể được tính toán theo chi phí quy đổi

tổng, là tổng chi phí hiện tại tính cho giá thành sản phẩm và khoảng tiết kiệm hàng năm (hiệu quả vốn đầu tư)

trong đó C : giá thành sản phẩm cả năm

kH : hệ số hiệu quả vốn đầu tư (0,15 0,2)

 : Vốn đầu tư

Đánh giá hiệu quả kinh tế cả năm bằng hiệu của chi phí quy đổi tổng đối với máy mới (chỉ số 2) và máy được thay thế (chỉ số 1):

E = (C1 + kH1)-(C2 + kH2) (6.14)Đạt hiệu quả kinh tế khi C2 + kH2 < C1 + kH1

C1  C2 k Hvới TH : thời gian hoàn vốn , là thời gian cần thiết để hạ giá thành sản phẩm từ C1xuống C2 Thường đối với sản xuất cơ khí, TH = (3 5) năm ứng với kH = (0,15 0,2).Vốn đầu tư bao gồm giá thành trang thiết bị và đồ gá, cũng như giá thành thiết bị chiếm chỗ và giá thành có liên quan đến các đối tượng sinh hoạt phục vụ

 Giá thành trang thiết bị:

trong đó Gtb : giá bán của trang thiết bị cùng với toàn bộ các cơ cấu phụ kèm theo

 : hệ số tính đến chi phí bổ sung cho chuyển vận và lắp đặt

 Giá thành diện tích mà thiết bị chiếm chỗ

trong đó Gdt : giá thành trung bình 1m2 diện tích nhà xưởng

S : diện tích thiết bị chiếm chỗ

 = (1,5 5) : hệ số tính toán bổ sung phụ thuộc vào mặt bằng tổng thể

 Giá thành của các vấn đề có liên quan đến việc sử dụng nhà xưởng, thườngđược tính toán bổ sung cho diện tích mà trang thiết bị chiếm chỗ

Giá thành chế tạo các chi tiết trên máy trong 1 năm tính bằng tổng chi phí:

n

C = Cii1

(6.18)với Ci : chi phí tiền lương công nhân, bảo quản, sữa chữa trang thiết bị, chi phí cho dụng cụ hao mòn, khấu hao đồ gá, chuẩn bị sản xuất, chi phí cho năng lượng điện Chi

phí cho năng lượng điện tỉ lệ với công suất danh nghĩa động cơ :

trong đó N : công suất danh nghĩa của động cơ [kW]

 : hệ số có tải của máy

HE : chi phí định mức hằng năm cho 1 kW công suất

Tính toán hiệu quả kinh tế cần được thực hiện ngay ở giai đoạn thiết kế sơ bộ Chiphí quy đổi nhỏ nhất là tiêu chuẩn khách quan để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu.Chỉ tiêu hiệu quả kinh tế trong hệ thống các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật là tổng quát nhất

để đánh giá chất lượng máy mới

Chương 7: LỰA CHỌN ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT MÁY THIẾT KẾ

1.Xác định rõ công dụng của máy thiết kế:

Các chi tiết gia công trên máy được đặc trưng bởi các thông số cơ bản như hìnhdạng, kích thước, vật liệu và độ chính xác gia công Tập hợp các số liệu ban đầu củachúng, phân tích dựa trên tính chất liên tục gia công và số lượng hành trình chuyểntiếp, dạng và số lượng dụng cụ cắt, chế độ cắt để xây dựng quy trình công nghệ giacông điển hình theo tiêu chuẩn chi phí quy đổi nhỏ nhất là cơ sở để xác định và giớihạn miền sử dụng hợp lý cho máy thiết kế, hay nói một cách khác, tối ưu hóa chứcnăng và công dụng của máy

2.Phạm vi tốc độ công tác:

Tốc độ chuyển động công tác (tốc độ cắt và lượng chạy dao) của cụm máy, bàndao hay bàn máy mang chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt yêu cầu khi gia công 1 sốlượng lớn chi tiết cụ thể (hoặc chi tiết điển hình) và dụng cụ cắt sử dụng Tốc độ cắt

có khuynh hướng tăng lên theo mức độ cải thiện dụng cụ cắt cũng như việc áp dụngcác loại vật liệu dụng cụ mới Trong điều kiện sản xuất thực tế, người ta phải lậpđường cong phân bố xác suất áp dụng tốc độ cắt khác nhau cho toàn bộ phạm vi chứcnăng và công dụng của máy để lựa chọn các giá trị giới hạn của tốc độ cắt có kể đếntổn thất năng suất máy

 Để xác định giá trị giới hạn của số vòng quay trục chính máy tiện, cần xácđịnh phạm vi tốc độ cắt và phạm vi kích thước đường kính gia công Theo các số liệu

thống kê, phạm vi kích thước RD = Dmax  4

Dmin chiếm hơn 85%, còn RD = 6 chiếm 92%toàn bộ các trường hợp gia công Khi đó phạm vi số vòng quay trục chính :

Rn = nmax

n min

(7.1)

 Đối với nhóm máy mài, phạm vi tốc độ công tác cần kể đến khả năng chophép thay đổi kích thước đá mài theo mức độ sữa đá nhiều lần cũng như sử dụng cácloại vật liệu đá mài khác nhau Phạm vi tốc độ làm việc của máy mài thường nhỏ, cóthể dùng các phương pháp điều chỉnh đơn giản nhất

 Đối với các máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi (bào, xọc), phạm vi điềuchỉnh số hành trình kép được xác định theo phạm vi tốc độ công tác và chiều dài giacông: nmax = 1  Vmax

Vckmax: tốc độ chạy không

Lmax, Lmin: chiều dài hành trình lớn nhất và nhỏ nhất của bàn máy

 R L

(7.3)– Các giá trị giới hạn của tốc độ chạy dao cũng được xác định theo cáchtương tự khi khảo sát tất cả chi tiết gia công được và quy trình công nghệ điển hình có

kể đến tổn thất năng suất Phạm vi điều chỉnh Rs được tính:

Rs= Smax  n max so max

Smin n min

so min n so

với so : lượng chạy dao tính theo mm/vòng

3.Đặc điểm của điều chỉnh phân cấp:

Trên toàn bộ phạm vi của tốc độ chuyển động công tác (số vòng quay, số hànhtrình kép, tốc độ chạy dao), truyền dẫn có thể dùng

H7.1: Giản đồ số vòng quay trục chính khi điều chỉnh phân cấp

phương pháp điều chỉnh phân cấp hoặc vô cấp Khi điều chỉnh phân cấp trong 1 giớihạn xác định, cần lựa chọn dãy các giá trị điều chỉnh một cách hợp lý Phổ biến nhất là

sử dụng dãy số hình học có các trị số trong dãy tuân theo quy tắc cấp số nhân Bảnchất của việc chứng minh các ưu điểm của dãy hình học được tóm tắt như sau

Nếu khảo sát 2 trị số vòng quay bất kỳ kề nhau, nk và nk+1, thì trên giản đồ H7.1chúng được biểu diễn dưới dạng 2 đường thẳng nghiêng đi qua gốc tọa độ Giả sử cầngia công chi tiết có đường kính D0, có thể chọn ở 2 giá trị tốc độ cắt Vk và Vk+1 bởi vìtốc độ trung gian trên máy không có Khi đó nếu tốc độ cắt cần thiết theo chế độ giacông nằm ở khoảng giữa thì tổn thất tốc độ tuyệt đối được xác định:

v  Vk1  Vk

Trường hợp xấu nhất với V0  Vk+1, và thường chọn tốc độ cắt theo Vk để dao đỡmòn, như vậy ứng với tổn thất tốc độ lớn nhất Vmax = Vk+1 - Vk Tổn thất tốc độtương đối có thể viết :

là điều hiển nhiên vì  = 1, điều chỉnh trở thành vô cấp, còn giới hạn trên được thànhlập từ điều kiện tổn thất tốc độ tương đối lớn nhất không được vượt quá 50%

VmaxV

 1  1 0,5



(7.9)

Các giá trị tiêu chuẩn  được lựa chọn từ dãy số tối ưu, gấp 10,   E1 10 trong đó E1:

số nguyên, đối với các giá trị tiêu chuẩn E1 = 40, 20, 10, 5, 4 Ngoài ra còn có các giátrị bổ sung   E2

2 với E = 2 và 1

2

Tất cả các giá trị công bội tiêu chuẩn của dãy hình học được cho trong bảng 7.1 Cácgiá trị công bội tiêu chuẩn thường gặp:  = 1,26;  = 1,41 và 1,58 Các trị số thấp hơngây phức tạp cho hệ thống truyền động, khi đó truyền động vô cấp có lợi thế hơn Cáctrị số lớn  = 1,78 và 2 dẫn đến việc điều chỉnh quá thô, chỉ dùng cho các máy chuyên

Z= 2 E1  3E 2

(7.10)trong đó E1, E2 : số nguyên Điều kiện (7.10) tương đương với điều chỉnh phân cấpbằng các nhóm truyền bánh răng gồm 2 hoặc 3 bộ truyền ghép liên tục trong hệ thốngtruyền động

Trên cơ sở các giá trị công bội tiêu chuẩn, các trị số vòng quay cũng đã được tiêuchuẩn (bảng II-2 [3]) Các trị số vòng quay thực tế nhận được trên trục chính phải nằmtrong giới hạn sai số cho phép

Dãy hình học đều là tốt nhất khi điều chỉnh phân cấp, nếu xác suất sử dụng 1 số vòngquay bất kỳ là như nhau trên toàn bộ phạm vi Các số liệu thống kê đã chứng tỏ rằngđiều đó phù hợp với các máy cỡ nặng, còn đối với các máy cỡ trung và cỡ nhỏ, dãyhình học không đều có thể có lợi hơn, ví dụ với công bội nhỏ dùng cho phần phạm viđiều chỉnh trung bình, còn công bội lớn dùng ở các biên

4.Tốc độ chuyển động phụ:

Cần chọn sao cho thời gian chuyển động trên đoạn đường chạy không là nhỏ nhất.Tuy nhiên khi tăng tốc độ chuyển động, tổn thất thời gian dành cho việc giảm tốc độ(hay dừng) có thể vượt quá thời gian có lợi nếu tăng tốc độ

Giả sử hệ truyền động của chuyển động phụ có độ cứng vững cao và bỏ qua ảnhhưởng của biến dạng đàn hồi thì khoảng sai lệch của thời gian chuyển động (có nguồngốc từ sai số hệ thống điều khiển khi giảm tốc độ hay dừng) có thể được đặc trưng bởikhoảng phân bố thời gian  Lấy ví dụ trong trường hợp giảm tốc độ 1 cấp trước khidừng (H7.2), thời gian chuyển động của cụm máy ở tốc độ nhanh được tính:

T1 = L 



V1

(7.12)

H7.2: Lựa chọn tốc độ chuyển động phụ khi giảm tốc độ 1 cấp Thời gian dừng của cụm máy để giảm tốc độ sang V2:

Lập luận tương tự cho các trường hợp hạ thấp 2 hay nhiều cấp tốc độ trước khi dừng

để phân tích và chọn được V1tư cũng như thời gian nhỏ nhất cần thiết cho chuyển động.5.Công suất truyền dẫn:

Dùng để tạo ra lực công tác cũng như khắc phục các loại trở lực khác nhau và được biểu thị dưới dạng:

F: lực ma sát trên bộ phận dẫn hướng [kG]

vs: tốc độ chạy dao [mm/ph]

Thường Nci chiếm khoảng (7080) công suất động cơ nên có thể tính gần đúng

Đối với các máy vạn năng, cần chú ý xác suất sử dụng công suất có ích ở các trị sốvòng quay khác nhau trên toàn bộ phạm vi công tác Các số liệu thống kê đã chứng tỏrằng trong điều kiện sản xuất thực tế, phần phạm vi điều chỉnh trung bình và caothường sử dụng hết công suất, còn ở các tốc độ thấp, công suất chỉ được dùng phầnnhỏ Do vậy kết quả xác định công suất phải phù hợp với sự phân bố công suất có íchtrên toàn phạm vi điều chỉnh.

– Công suất của hành trình chạy không: Xác định theo công thức kinh nghiệm

dtb: đường kính trung bình của tất cả ngõng trục các trục truyền dẫn [mm]

n: tổng số vòng quay của tất cả các trục không kể trục chính [v/ph]

P 2

phát sinh trong máy do:

– Lực cắt: chủ yếu phụ thuộc vào tính chất vật liệu gia công và các tham sốcủa quá trình cắt: chiều rộng và chiều sâu lớp cắt, diện tích mài mòn bề mặt sau củadao và các yếu tố khác Tính toán lực cắt thường dựa vào dựa vào các số liệu về tínhchất cơ học của vật liệu hơn là các số liệu của một quá trình cắt, có thể tham khảo cáccông thức sau [6]

c: lượng mòn trung bình của bề mặt sau dao [mm] [3]

Đối với thép kết cấu có thể lấy k = (120 180) [kG/mm2

] phụ thuộc vào độ cứng vậtliệu thép, còn đối với gang k = (90 110) [kG/mm2

]Khi dụng cụ cắt bắt đầu cắt vào chi tiết, lực cắt tăng dần đến giá trị ổn định Po Trongkhoảng thời gian quá độ nầy, lực quá tải tức thời có thể đạt đến giá trị 2Po tùy thuộcvào hệ thống công nghệ Làm giảm sự quá tải tức thời đạt được bằng các biện phápgiảm chấn và nâng cao tần số riêng của hệ truyền động

– Lực cản do ma sát: do ma sát ở các mối ghép bộ phận di động, ví dụ ở đường hướng, ổ, ở các bộ truyền

 Ma sát hỗn hợp: Ở dạng nầy lực ma sát phụ thuộc chủ yếu vào tải trọngpháp tuyến và tốc độ chuyển động tương đối Ngoài ra lực ma sát còn tăng lên cùngvới thời gian tiếp xúc cố định Để tính toán gần đúng có thể lấy hệ số ma sát hỗn hợp f

= (0,05  2)

 Ma sát ướt: Hệ số ma sát ướt được tính toán theo công thức sau

f = c v

(7.24)

h ptrong đó c: hệ số phụ thuộc vào các thông số hình học của các bề mặt đối tiếp

h: chiều dày lớp dầu bôi trơn

: độ nhớt dầu bôi trơn [cP]

v: tốc độ trượt tương đối [m/ph]

p: áp lực trung bình trên bề mặt tiếp xúc [kG/cm2]

 Ma sát lăn: Lực ma sát lăn xuất hiện trong đường hướng và ổ, gồm 2 thành phần, một thành phần không phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến, phần kia tỉ lệvới tải trọng pháp tuyến T = To +

trong đó To : lực ma sát ban đầu [kG]

– Lực do trọng lượng: Đây là các lực phát sinh do khối lượng của cụm máy và

cơ cấu, bao gồm lực và momen quán tính ở chế độ chuyển tiếp và dao động, lực ly tâm

ở tốc độ quay cao , trong một số trường hợp đặc biệt phải tính toán xác định Đánhgiá chung đặc tính biểu thị ảnh hưởng của tải trọng động có thể dựa vào hệ số kđ là tỷ

số giữa giá trị biến dạng đàn hồi do tác dụng của tải trọng động và biến dạng tĩnh

Theo tính toán, kđ = (1  2) phụ thuộc vào thời gian quá độ và tần số riêng của hệthống đàn hồi

7.Chế độ tải tính toán đối với các máy vạn năng:

Các loại máy công cụ vạn năng làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi, có sốvòng quay trục chính (hoặc số hành trình kép) biến đổi trong giới hạn từ nmin cho đến

nmax Do vậy, chọn chế độ tính toán hợp lý để xác định kích thước của chi tiết máy ảnhhưởng trực tiếp đến việc sử dụng máy đạt hiệu quả kinh tế cao

nmin

Để có thể chọn được chế độ tính toán hợp lý, người ta dựa vào các số liệu thống kêthời gian sử dụng máy và đồ thị sử dụng công suất cũng như Momen xoắn tương ứngtrên toàn chuỗi số vòng quay

Theo các số liệu thống kê, thực tế cho thấy ở 2 khoảng ¼ giữa trên toàn phạm vi dãy

số vòng quay được sử dụng nhiều hơn cả

Trong khi đó, khi điều chỉnh số vòng quay từ nmin đến nmax, mong muốn trục chínhtiêu thụ cùng một công suất ( N = const ) Tuy nhiên ứng với giá trị nmin, Momen xoắnnhận được tương ứng là Mxmax Nếu tính toán kích thước chi tiết máy theo giá trị nầy

sẽ không hợp lý vì thực tế ¼ khoảng thấp của dãy số vòng quay ít sử dụng

Do vậy phải tính toán Mx theo giá trị nt (H7.3) và ¾ khoảng trên của dãy số vòngquay có cùng công suất sử dụng (N = const), còn ở ¼ khoảng thấp cần hạ thấp côngsuất (ví dụ chọn chế độ cắt thích hợp) để đảm bảo độ bền và tuổi thọ cho chi tiết máy.Trị số nt được xác định theo công thức: nt = nmin (7.27)Đối với chuỗi lượng chạy dao, vì công suất chạy dao bé, tốc độ chạy dao chậm hơn

H7.3: Đồ thị sử dụng công suất trên toàn dãy số vòng quaynhiều so với tốc độ cắt nên nts của chuỗi lượng chạy dao đươc chọn tùy trường hợp cụthể, đảm bảo chi tiết đủ cứng vững Sau khi đã có nt, tính toán công suất cắt theo chế

độ cắt công nghệ (s,t) sao cho máy làm việc hết công suất Cũng cần tham khảo thêmcác chế độ cắt gọt thử máy tại nơi sản xuất các máy chuẩn

Chương 8: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC TRUYỀN DẪN MÁY CÔNG CỤ

1.Lựa chọn động cơ điện trong truyền dẫn:

Các loại động cơ thường gặp

 Động cơ điện không đồng bộ: Loại nầy được ứng dụng phổ biến do giáthành rẻ, độ tin cậy cao và đặc tính cơ cứng Hiện nay người ta ít dùng động cơ điệnkhông đồng bộ điều chỉnh số vòng quay, tuy nhiên có thể thực hiện được hoặc bằngcách thay đổi số đôi cực hoặc thay đổi tần số nguồn cung cấp theo công thức

n = 60f (1  s)

trong đó f: tần số nguồn cung cấp; p: số đôi cực; s: độ trượt

Điều chỉnh số vòng quay bằng cách thay đổi độ trượt s làm giảm độ cứng đường đặc tính cơ của động cơ, do vậy không áp dụng

 Động cơ điện không đồng bộ nhiều cấp tốc độ: Các cấp tốc độ khác nhaunhận được nhờ thay đổi số đôi cực Phạm vi sử dụng chủ yếu trong truyền dẫn chínhcác máy có công suất không lớn (ví dụ các máy doa chuyên dùng ), với tỷ số các cấptốc độ 1:2 ( 500/1000, 750/1500, 1500/3000v/ph)

 Động cơ dòng 1 chiều: cho phép điều chỉnh được số vòng quay một cách dễdàng và vì vậy ngày càng được ứng dụng rộng rãi để thay thế cho các kiểu động cơkhác dùng trong truyền dẫn chạy dao hoặc chuyển động phụ

Phạm vi điều chỉnh số vòng quay của động cơ khi công suất không đổi (5  10kW) dùng cho truyền dẫn chuyển động chính ở hầu hết các máy thường nhỏ hơn phạm vi

yêu cầu Tuy nhiên phải chú ý rằng công suất không đổi trên toàn bộ phạm vi là khôngcần thiết, do vậy trong truyền động chính, người ta ứng dụng kiểu điều chỉnh phối hợp,nghĩa là phần dưới của phạm vi điều chỉnh bảo đảm momen xoắn không đổi, còn phầntrên phạm vi điều chỉnh là ở công suất không đổi Điều nầy cũng hợp lý bởi vì ở phầndưới của phạm vi điều chỉnh thường không sử dụng hết công suất theo các số liệuthống kê.

 Động cơ thủy lực: phổ biến hơn cả là ở dạng xy lanh thủy lực cung cấpchuyển động thẳng cho cơ cấu chấp hành máy, ví dụ truyền dẫn chuyển động chínhcủa các máy chuốt, máy bào, xọc, hoặc chuyển động chạy dao, chuyển động phụ ở cácloại máy mài Ưu điểm của nó là kích thước nhỏ, tác dụng nhanh, cho phép ghéptrực tiếp động cơ với bộ phận chấp hành Đối với các máy hiện đại, người ta còn sửdụng các hệ thống có liên hệ ngược theo tốc độ chuyển động thực tế để tránh ảnhhưởng của sự thay đổi độ nhớt dầu và các sai số khác có thể ảnh hưởng đến độ chínhxác chuyển động

Động cơ thủy lực quay cũng cho phép điều chỉnh được vô cấp tốc độ trong 1 phạm virộng, kích thước nhỏ, truyền momen xoắn lớn Nhược điểm chính của chúng là hệthống truyền dẫn khá phức tạp, giá thành cao

2.Điều chỉnh tốc độ phân cấp:

Khi điều chỉnh phân cấp với chuỗi số vòng quay tuân theo cấp số nhân, có một

số quy luật cho phép làm đơn giản việc nghiên cứu thiết kế sơ đồ động

Số cấp tốc độ do các nhóm truyền ghép liên tục:

z = pi1trong đó pi : số bộ truyền ở nhóm thứ i; m: số nhóm truyền

(8.2)

1 trong các nhóm truyền của hệ thống truyền động phải là nhóm cơ sở Nhóm nầy tạonên dãy số vòng quay đầu tiên với công bội  (công bội của nhóm cơ sở), có số cấpchính là số bộ truyền (số tỉ số truyền) của nhóm Các nhóm còn lại được gọi là cácnhóm thay đổi (nhóm thay đổi thứ nhất, nhóm thay đổi thứ hai ) và dùng để khuếchđại dãy đầu tiên trên khắp phạm vi yêu cầu

Khi điều chỉnh phân cấp, phương pháp phân tích giản đồ là phương pháp thuận tiệnhơn cả để phân tích các phương án có thể có trong hệ thống truyền động

 Phương pháp phân tích giản đồ: sử dụng các quy ước mô tả lưới kết cấu và