Nghiên cứu độ nhám bề mặt gia công trên máy tiện cnc khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THƯỢNG LÝ NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí TÓM TẮT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THƯỢNG LÝ

NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Trung tâm Học Liệu & Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa ĐHĐN

NGHIÊN CỨU ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG TRÊN MÁY TIỆN CNC KHI TRỤC CHÍNH TRUYỀN ĐỘNG

BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC

Học viên: Nguyễn Thượng Lý

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 60520103 Khóa: 2015

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt– Hiện nay, các máy công cụ CNC đang được

sử dụng rộng rãi ở nước ta Sử dụng máy công cụ CNC giúp

ta dễ dàng gia công được các bề mặt phức tạp, các chi tiết yêu cầu về độ chính xác bề mặt, kích thước, hình dáng và vị trí tương quan, mặt khác dễ dàng tự động hoá quá trình gia công Trong quá trình gia công việc ổn định tốc độ khi chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác là một trong những vấn đề cần quan tâm khi nghiên cứu trục chính máy tiện cũng như các loại máy công cụ khác

Với các lựa chọn khác nhau đó sẽ có các bài toán động lực học khác nhau nên đề tài này là hết sức cần thiết cho nghiên cứu thiết kế chế tạo máy công cụ ứng dụng hệ truyền động thủy lực

Ở Việt Nam hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực - tin - điện tử là một lĩnh vực mới, chưa được nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết cũng như nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Hơn nữa ngày nay các trục chính và bàn dao của máy công cụ ứng dụng hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực đang là hướng nghiên cứu ứng dụng của thế giới Trong máy công cụ nói chung đặc biệt là máy tiện thì hệ thống động lực học là một hệ đàn hồi phức tạp Vấn đề đặt ra là rất lớn, nhưng trong giới hạn của đề tài này tôi chỉ nghiên cứu độ nhám bề mặt của chi tiết gia công khi trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực

Từ khóa – Trục chính máy tiện CNC– Chế độ cắt – Độ nhám

bề mặt

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trục chính máy tiện là một trong những cụm chi tiết quan trọng trong máy công cụ nói chung Độ chính xác, độ cứng vững của trục chính sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm gia công, đặc biệt là máy có tốc độ cắt lớn nên yêu cầu về chất lượng của trục

chính càng cao

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN

CỨU

Nghiên cứu độ nhám bề

mặt chi tiết gia công trên

máy tiện CNC khi trục chính

III ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu là cụm trục chính máy

Nghiên cứu về vật liệu dao và chế

độ cắt trên máy tiện CNC

Các chỉ tiêu về độ nhám bề mặt

Khảo sát thực nghiệm, đo độ

nhám bề mặt chi tiết gia công

So sánh độ nhám bề mặt chi tiết

Hình 1.2 Trục chính máy tiện

CNC

Hình 1.4 Mô hình cụm trục chính

gia công trên máy tiện CNC có trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực với máy tiện CNC có trục chính truyền động bằng động cơ điện 3 pha (điều khiển bằng bộ biến tần)

Từ đó, đề xuất hướng ứng dụng hệ truyền động và điều khiển thủy lực vào trục chính máy công cụ

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu về lý thuyết kết hợp với khảo sát thực nghiệm

V Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Độ nhám bề mặt là một trong những chỉ tiêu quan trọng khi đánh giá chất lượng của chi tiết gia công trên máy công

cụ CNC

Mặt khác, ứng dụng hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực cho trục chính máy công cụ CNC là một hướng đi mới khi thiết kế, chế tạo máy CNC tại Việt Nam Ngoài ra, kết quả nghiên cứu góp phần khai thác các số liệu thực nghiệm đề tài khoa học & công nghệ cấp bộ của chủ nhiệm đề tài Trần Ngọc Hải, Khoa Cơ khí

VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung dự kiến:

 Nghiên cứu tổng quan;

 Nghiên cứu lý thuyết;

 Nghiên cứu thực nghiệm;

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT GỌT KIM LOẠI VÀ

ĐỘ BÓNG BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG 1.1 Giới thiệu về máy công cụ

1.1 Lịch sử phát triển của máy công cụ

1.1.1 Các máy tiện CNC là các máy công cụ chủ yếu được dùng để chế tạo các chi tiết tròn xoay

Hình 1.5 Trung tâm tiện Meteor (kiểu để bàn) của hãng

Denford

1.1.2 Đặc trưng cơ bản của máy CNC

a) Tính năng tự động cao

b) Tính năng linh hoạt cao

c) Tính năng tập trung nguyên công

d) Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao

e) Gia công biên dạng phức tạp

f) Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao

1.2 Độ bóng bề mặt chi tiết gia công

1.2.1 Nghiên cứu về vật liệu dao và chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC;

Hình 1.10 kết cấu hình dáng lưỡi dao tiện

Hình 1.11 các góc tiếp xúc mũi dao

Hình 1.12 Góc công nghệ của dao tiện

Dụng cụ sau khi mài sắc có các góc nghiêng chính và góc nghiêng phụ

cơ khí đh được làm sáng tỏ Để có thể đánh giá được độ nhám

bề mặt một chi tiết, ta cần có: thông số cần đo, phương pháp

Chương 2 - GIỚI THIỆU VỀ MÁY TIỆN CNC

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG THỦY LỰC ỨNG DỤNG TRONG CẮT GỌT KIM LOẠI 2.1 Tổng quan về sự phát triển máy tiện CNC

2.2 Tổng quan về trục chính máy tiện CNC;

2.2.1 Trục chính máy công cụ CNC

2.2 Lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực

1.2.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển

1.2.1 1 Giới thiệu chung

a) Giới thiệu

Hình 2.5 Hệ thống điều khiển vòng hở

Hình 2.6 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vòng kín

2.1 Cơ sở lý thuyết về truyền động và điều khiển tự động thủy lực

2.1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động

2.1.1.1 Khái niệm chung

Hình 2.1 Sơ đồ chức năng của hệ điều khiển tự động

2.2.4 Các phần tử điều khiển cơ bản trong hệ điều khiển tự động thủy lực

2.2.4.1 Van điều khiển

Van đảo chiều là cơ cấu điều khiển dùng để đóng, 2.2.4.2

Van tỷ lệ và van servo

Van tỷ lệ:

Hình 2.23 Cấu tạo và ký hiệu của van tỷ lệ

Hình 2.24 Cấu tạo của van tỷ lệ hiệu suất cao loại 4 vị trí 4

cửa Van servo:

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt

của van servo 2.2.4.2 Bộ khuếch đại

Hình 2.29 Sơ đồ của môđun khuếch đại

a- Sơ đồ khối ký hiệu;b- Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt

P S

1

I S

2

4 6

5

7 9

8+

Tín hiệu phản hồi

Thiết lập lại

b)

Đế

n va

Bộ phận khuếch đại Tín hiệu

a)

Tổng hợp cơ sở lý thuyết điều khiển tự động: hàm truyền, lý thuyết Laplace, đại số sơ đồ khối, đáp ứng quá độ, tín hiệu tác động, phản ứng của hệ và chất lượng của hệ thống điều khiển

tự động…Lý thuyết này nhằm phục vụ nghiên cứu lý thuyết động lực học máy và phương pháp số để lập chương trình tính toán trên máy vi tính

Lý thuyết điều khiển tự động thủy lực giới thiệu về phân tích, tính toán các thông số chính trong mạch truyền động thủy lực, các đặc trưng chủ yếu như độ đàn hồi của dầu, độ cứng thủy lực, tần số dao động riêng,…Ứng dụng lý thuyết này để xác định hàm truyền của mạch điều khiển vị trí hệ thủy lực chuyển động quay

Hiệ

u chỉn

h hệ

số khu ếchđại (KP)

h hệ số khu ếch đại(KI)

Tố

c

độ gia tăn gđi

ện

áp

ra

(V/s) Điện

áp vào (+)

Điệ

n

áp

ra (+)

a- Đặc tính của hiệu chỉnh hệ số KP;

b- Đặc tính của hiệu chỉnh hệ số KI;

c- Đặc tính của hiệu chỉnh điện áp vào và ra

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

X + X

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của

máy tiện có trục chính truyền

động bằng động cơ thủy lực

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý động cơ

điện 3pha truyền động trục chính

Inverter

M

Board mạch March 3 (VM4) Dữ liệu

Tốc

kế

Động cơ điện 3pha

Ụ động

Ổ dao Da

o

Z

-

Z +

X + X

-

Ụ máy

Động cơ trục

X

Động cơ trục

Z

392

Động cơ điện Bơm dầu

n i

Từ mô hình toán phân tích ở hình (H3.17), ta có mô hình thu gọn trên hình (H3.18):

Độ vượt

lố (%)

Thời gian xác lập (s)

Sai số cận trên (%)

Sai

số cận dưới (%)

3.3.4 Nghiên cứu thực nghiệm

Bộ truyền đai thang

Ổ dao

Nguồn thủy lực

Tốc

kế

Dao Ụ động

Mâm cặp

Động

cơ thủy lực

Ụ máy

Z

-

Z +

X + X

-

Bộ truyền đai răng

100 200 300 400 500 600 700 800

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

500 1000 1500 2000

Độ vượt

lố (%)

Thời gian xác lập (s)

Sai số cận trên (%)

Sai số cận dưới (%)

Hình 3.30 Đáp ứng tốc độ của trục chính tổng hợp lý

thuyết và thực nghiệm (vòng/phút)

Trên thực nghiệm ta thấy tốc độ của trục chính có dao động, sai lệch so với giá trị cần điều khiển trong phạm vi lớn nhất ±46(vòng/phút) ( từ 0 đến 3.75%), với dao động này là

nhỏ và nằm trong phạm vi cho phép

3.4.1 Lựa chọn chi tiết

Bảng 3.17 Tổng hợp kết quả gia công

Truyề

n động công nghệ Thông số

Mẫu gia công Ảnh chụp chi tiết gia công

a) Hệ truyền động trục chính bằng động cơ điện 3 pha:

Từ các kế quả trên, ta thấy rằng với phạm vi thay đổi lượng

chạy dao S=25÷35(mm/ph) cùng một vận tốc trục chính là 1400(rpm) thì độ nhám bề mặt thay đổi không đang kể và vẫn nằm trong một cấp độ nhám (cấp 5)

b) Hệ truyền động trục chính bằng động cơ thủy lực:

Từ các kế quả trên, ta thấy rằng với phạm vi thay đổi lượng chạy dao S=25÷35(mm/ph) cùng một vận tốc trục chính là 1400(rpm) truyền động từ động cơ thủy lực thì độ nhám bề mặt thay đổi không đang kể và vẫn nằm trong một cấp độ nhám (cấp 5)

c) So sánh độ nhám với 2 hệ truyền động trục chính

Qua so sánh trên, sai lệnh độ nhám giữa 2 hệ truyền động rất nhỏ, kết quả đo độ nhám hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết Với kết quả này, có thể ứng dụng hệ truyền động bằng động cơ thủy lực cho trục chính máy tiện công cụ có công suất lớn hoặc trong các máy tiện CNC chuyên dụng

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Luận văn đã hoàn thành với các nội dung sau:

1 Nghiên cứu độ ổn định tốc độ của trục chính máy tiện khi truyền động bằng thủy lực

Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết được tổng hợp trên bảng (B3.7), ta thấy rằng:

- Thời gian đáp ứng nhanh, không có độ vượt lố, thời gian trể rất nhỏ (từ 0.01 đến 0.02 giây), sai lệch giữa tốc độ cài đặt và tốc độ khảo sát không đáng kể (từ 0 đến 1 vòng/ph);

- Sai số ở cận trên và cận dưới giá trị cài đặt nằm trong phạm vi cho phép [e(t)]≤5%;

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với kết quả khảo sát lý thuyết;

Với những nhận xét trên là cơ sở để ứng dụng trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực

2 Nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với nghiên cứu lý thuyết bằng vật liệu CT38, C45 và kim loại màu khi gia

công trên cùng một máy với 02 cơ cấu truyền động: động

cơ điện 03 pha và động cơ thủy lực, kết quả nhƣ sau

- Chọn vật liệu gia công, vật liệu gia công được chọn để gia công trên máy là CT38, C45 và kim loại màu Tuy nhiên, khi nghiên cứu độ nhám bề mặt chỉ đo và nghiên cứu trên vật liệu thép CT38 (đây là vật liệu khó đạt độ nhám bề mặt) Chọn dao, chế độ cắt và viết chương trình gia công trên cùng một máy với

2 phương án truyền động trục chính (trục chính truyền động bằng động cơ điện 3 pha và trục chính truyền động bằng động

cơ thủy lực) Kết quả gia công 18 mẫu với 3 chế độ cắt khác nhau khi xét đến ảnh hưởng của lượng chạy dao S và được thể hiện trên bảng (B3.17)

Qua các kết quả và nhận xét trên ta thấy rằng với cùng vận tốc trục chính, chiều sâu cắt ở 2 hệ truyền động trục chính khi thay đổi lượng chạy dao S thì độ nhám bề mặt cùng nằm trong một cấp nhám (cấp 5) Với các bề mặt gia công có cùng prôfin sóng sin, biên độ nhấp nhô trong một chế độ cắt với 2 phương

án truyền động trục chính tương đối giống nhau và giá trị biên

độ nhỏ Tuy nhiên, lượng chạy dao càng nhỏ thì độ nhám Rz ở

2 phương án truyền động trục chính tăng, điều này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết (vì xảy hiện tượng trượt của mũi dao trên bề mặt gia công)

3 Tính công nghệ và thao tác vận hành

Qua các kết quả thực nghiệm đã thực nghiệm, ta thấy rằng

có thể ứng dụng hệ truyền động và điều khiển động cơ thủy lực cho trục chính máy tiện, vì có một số ưu điểm nổi bật là kết cấu nhỏ gọn, điều khiển tốc độ trục chính vô cấp với thao tác đơn giản mà không cần phải có hộp tốc độ

Kết quả của đề tài là hướng nghiên cứu ứng dụng mới và cần thiết cho phát triển lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy công cụ ở trong nước

Kiến nghị

1 Trên cơ sở kết quả đạt được, tiếp tục nghiên cứu về góc cắt của dao, chế độ cắt trên máy với các vật liệu gia công khác nhau Từ đó, thiết lập chế độ cắt tham khảo trên máy chế tạo với người sử dụng

2 Tiếp tục nghiên cứu độ cứng vững của cụm trục chính, vị trí tương quan đến các chuyển động tạo hình ảnh hưởng đến độ chính xác hình dáng hình học của chi tiết gia công

3 Có thể phát triển kết quả nghiên cứu để ứng dụng hệ truyền động và điều khiển thủy lực cho trục chính các máy công cụ vạn năng, Cũng có thể phát triển kết quả nghiên cứu để ứng dụng trong các máy CNC chuyên dụng có công suất lớn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Xuân Tuỳ (2002) Hệ thống điều khiển tự động thủy lực Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội

[2] Hệ thống truyền động thủy lực và khí nén Chủ biên: Trần Ngọc Hải Đồng tác giả: Trần Xuân Tùy Nơi XB: NXB Xây dựng Năm 2011

[3] Điều khiển thủy lực- khí nén và lập trình PLC Chủ biên: Trần Ngọc Hải Đồng tác giả: Trần Xuân Tùy Nơi XB: Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng Năm 2010

[4] Giáo trình Máy cắt kim loại, tập 1 và tập 2 Chủ biên: Nguyễn Tế Đồng tác giả: Trần Xuân Tùy, Trần minh Chính, Bùi Trương Vỹ Nơi XB: trường Đại học Bách khoa Đà nẵng Năm 1987

[5] Lưu Đức Bình, Châu Mạnh Lực, (2015) Kỹ thuật đo cơ khí

Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam

[6] Trần Văn Địch (2003) Nghiên cứu độ chính xác gia công

bằng thực nghiệm Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

[7] Trần Ngọc Hải (2014) Nghiên cứu độ ổn định tốc độ của trục

chính máy tiện khi truyền động bằng động cơ thủy lực Tuyển tập

báo cáo hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ điện tử Trang 180-185

[8] Bùi Quý Lực (2005) Hệ thống điều khiển số trong công

nghiệp Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[9] Nguyễn Trọng Bình (2003) Tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt Nhà xuất bản giáo dục;

[10] Tài liệu hướng dẫn sử dụng máy đo độ nhám Mitutoyo – Nhà sản xuất thiết bị đo Mitutoyo - Nhật Bản

[11] Ali Abdul Mohsin Hassan AL-Assady, Mohammad Talib Jassim AL-Khafaji, “Design and Analysis of Electro-Hydraulic

Servo System for Speed Control of Hydraulic Motor,” Journal of

Engineering, vol 5, pp 562 -573, 2013

[12] Hossam.,Mohammad El- Bardini, "Implementation of speed

controller for rotary hydraulic motor based on LS-SVM," Journal of

Expert system with applications, vol 38, pp 14249-14256, 2011

[13 ] M.F Rahmat, S Md Rozali, N Abdul Wahab, Zulfatman and Kamaruzaman Jusoff, “Modeling and Controller Design of an

Electro-Hydraulic Actuator System,” American Journal of Applied

Sciences, vol 7, pp 1100-1108, 2010