Bài viết này nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống thiết bị để đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy tiện CNC trên cơ sở phân tích rung động theo tiêu chí mòn tổng hợp. Tiến hành thử nghiệm hệ thống thiết bị để đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính thông qua các thông số đặc trưng của rung động đo được.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống thiết bị đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục máy cơng cụ CNC sở khảo sát rung động theo tiêu chí mòn tổng cộng Studying and design the equipment system evaluating the quality of CNC machine tool spindle by analysis the vibration according to the total wear criteria Phạm Minh Tâm1,*, Phạm Văn Hùng2, Nguyễn Thùy Dương2 Khoa Cơ khí Chế tạo, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh Viện Cơ khí , Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email: tampm.ktv@gmail.com Mobile: 0913272219 Tóm tắt Từ khóa: Cụm ổ trục máy cơng cụ CNC; Độ cứng vững trục máy cơng cụ; Rung động ổ lăn; Tuổi thọ ổ lăn Trong máy công cụ nói chung máy CNC nói riêng, rung động coi thông số quan trọng để đánh giá tình trạng máy suốt thời gian hoạt động, chưa có tiêu chuẩn để đánh giá tình trạng hoạt động cụm ổ trục thông qua khảo sát rung động Dựa kết cấu, chức cụm ổ trục chính, phân tích trình mịn cụm ổ trục chính; áp dụng tiêu chuẩn kiểm tra hình học trục chính; tiêu chuẩn đo phân tích rung động máy cơng cụ; báo nghiên cứu, xây dựng tích hợp hệ thống thiết bị để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục máy tiện CNC sở phân tích rung động theo tiêu chí mịn tổng hợp Tiến hành thử nghiệm hệ thống thiết bị để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục thơng qua thơng số đặc trưng rung động đo Các kết thử nghiệm hệ thống thiết bị cho thấy trình thử nghiệm xác định mối quan hệ tương quan lượng mịn tổng cộng dọc trục cụm ổ trục máy công cụ CNC (phản ánh chất lượng việc cụm ổ trục chính) thơng số đặc trưng RMS phân tích kết đo rung động cụm ổ trục Abstract Keywords: CNC machine tool spindle ; Stiffness machine tool spindle; Bearing vibration; Bearing life Generally, characteristic of spindle - vibration is considered as an important parameter to evaluate condition of the machine during operation, However, there is currently no standard to evaluate the performance of the spindle bearing cluster via vibration Based on the structure, function of the spindle, analysis of the wear; the spindle geometry testing standards; standard measurement and analysis vibration on machine tools; This paper investigates, builds and integrates the equipment system to assess the quality of the CNC lathe spindle on the basis of vibration analysis according to the synthetic wear criteria Carry out a test of the equipment system to evaluate the performance of spindle bearing through the vibration characteristics The test equipment system results show that the testing process has determined the correlation between the total axial wear of the CNC machine tool spindle and RMS when analyzing vibration test results of spindle bearing Ngày nhận bài: 30/7/2018 Ngày nhận sửa: 12/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU Cụm trục phận quan trọng, phận chấp hành xích động máy cơng cụ CNC Việc đánh giá tình trạng hoạt động cụm trục máy cơng cụ có vai trị quan trọng định độ xác máy giúp chủ động việc lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, tăng độ an toàn vận hành thiết bị Các yêu cầu kỹ thuật cụm trục độ xác chuyển động quay, độ cứng vững, khả chống rung, tuổi thọ khả vận hành êm Kết cấu cụm trục máy CNC thường bao gồm: trục, phận gá (dao phôi), hệ thống dẫn động, ổ lăn, bệ đỡ hệ thống làm mát, bơi trơn Rung động xuất q trình vận hành máy công cụ thường phản ánh nhạy xác thay đổi tình trạng hoạt động Các tín hiệu rung động dùng để đánh giá tình trạng hoạt động máy cơng cụ nói chung cụm ổ trục nói riêng thuận lợi Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng tích hợp hệ thống thiết bị đánh giá chất lượng trục thơng qua đặc trưng rung động sở xác định lượng mòn tổng hợp cụm ổ trục Hệ thống thiết bị cho phép khảo sát mối quan hệ thông số đặc trưng tín hiệu dao động đo chất lượng làm việc cụm trục mà cụ thể lượng mịn cụm ổ trục máy công cụ CNC CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Kết cấu trục máy cơng cụ CNC Cụm trục đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo độ xác hiệu suất máy công cụ Độ tin cậy cụm trục ảnh hưởng đến tồn hiệu sản xuất tính ổn định thiết bị Về mặt kỹ thuật, trục máy cơng cụ có chức quan trọng: truyền chuyển động quay xác đến cơng cụ (ví dụ khoan, phay mài) phơi (ví dụ: tiện) truyền lượng đến vùng cắt để loại bỏ vật liệu [1] Trong q trình gia cơng trục phải chịu tải cắt gọt nhiệt phát sinh ma sát ổ lăn Lực mô men cắt bao gồm dạng tĩnh động, thông qua hệ thống dụng cụ (đồ gá dụng cụ dụng cụ) tác dụng đến vịng bi trục Thơng thường, máy cơng cụ, cụm trục phải làm việc tốc độ quay tốc độ cao (đến 20.000 vịng/phút) đảm bảo độ xác u cầu từ 1µm (ví dụ mài, doa) đến 100 µm (ví dụ: tiện, phay) [2] Hình Các phương pháp dẫn động trục a-Dẫn động truyền đai; b-Dẫn động trực tiếp; c-Dẫn động bánh răng; d- Dẫn động tích hợp Cụm trục máy cơng cụ CNC bao gồm thành phần là: phận gá, trục, ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát Có số loại hệ thống dẫn động khác nhau, bao gồm động dẫn động trực tiếp gián tiếp (hình 1) [1] Phần lớn máy cơng cụ nói chung máy CNC nói riêng sử dụng dẫn động gián tiếp với đường truyền gồm động cơ, truyền động (bánh răng; đai hay khớp nối) trục hình 1.a Về kết cấu cụm ổ trục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 thơng thường có cụm ổ chịu lực (cụm ổ phía trước), điều chỉnh độ dôi ban đầu cụm ổ đỡ (ổ phía sau) để phịng ngừa giãn nở nhiệt theo chiều trục [3] Bằng cách đo độ đảo đầu trước trục theo phương hướng kính dọc trục, ta đánh giá độ xác chuyển động quay (hình 2) Hiện nay, có nhiều nghiên cứu đánh giá chất lượng cụm trục máy cơng cụ thơng qua kiểm tra hình Hình Phương pháp kiểm tra độ đảo mặt đầu độ học xây dựng tiêu chuẩn quy đảo hướng kính dịch chuyển dọc trục trục định kiểm tra hình học máy cơng cụ máy cơng cụ (theo TCVN 7681-1-2013) CNC [4,5], nhiều hãng chế tạo hệ a- Kiểm tra độ đảo hướng kính, b- Kiểm tra lượng dịch thống thiết bị hoàn chỉnh nhằm đánh giá chuyển dọc trục; c - kiểm tra độ đảo dọc trục chất lượng cụm trục máy CNC thơng qua phép đo sai lệch hình học hình a) b) Sai lệch theo trục Z Sai lệch theo trục X,Y Hình Thiết bị đánh giá độ chất lượng làm việc máy công cụ CNC thơng qua kiểm tra hình học cụm trục Spindle Error Analyzer (hãng LION) a-Thiết bị; b-Sơ đồ đo Tri Prakosa tác giả thực nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố tải trước, khoảng cách ổ, số lượng ổ,… tới độ cứng trục máy cơng cụ đề xuất giải pháp thiết kế để tối ưu Độ lệch hóa độ cứng vững trục [6] Trong nghiên cứu này, sơ đồ đo độ Tải cứng trục máy cơng cụ thể hình Lực Hình Sơ đồ thiết bị đo độ cứng trục máy cơng cụ hướng kính tác dụng vào cụm Tri Prakosa tác giả trục xylanh khí nén độ lệch đo đồng hồ so Trong trình làm việc máy cơng cụ, thơng số kỹ thuật quan trọng độ cứng vững cụm trục Tuy nhiên, liệu phương pháp, quy trình kiểm tra độ cứng vững cụm trục máy công cụ CNC chưa công bố HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.2 Kỹ thuật đo phân tích rung động giám sát tình trạng kỹ thuật cụm trục Việc phân tích dao động để đánh giá tình trạng hoạt động thiết bị đạt nhiều thành tựu, nhiều phương pháp giải pháp áp dụng rộng rãi giám sát chất lượng, chẩn đoán chi tiết quay (ổ lăn, bánh răng,…) Phương pháp đánh giá thơng qua rung động có đặc điểm [7]: - Đánh giá dựa sở đo dao động vị trí khơng quay - Đánh giá tiến hành thiết bị hoạt động - Thực thiết bị cụ thể, kết phân tích cho biết trạng thái thiết bị - Đánh giá tiến hành liên tục định kỳ Các đại lượng đo tín hiệu rung động thay đổi nhanh, tình trạng thiết bị thay đổi theo ngày, tuần, hay tháng; phải tách thơng số chẩn đốn từ tín hiệu đo nhờ cơng cụ phân tích tín hiệu đại Các thơng số chẩn đốn thường biểu diễn dạng giá trị (bằng số) thay đổi chậm tương ứng với trạng thái kỹ thuật thiết bị [7] Tiêu chuẩn ISO 10816 [8] đề cập tới việc đánh giá rung động máy quay thông qua kết đo rung động phận không quay, áp dụng cho máy công suất 15kW tốc độ từ 120 đến 15000 vòng/phút Mức rung động thiết bị với chia làm vùng A, B, C D ứng với tình trạng làm việc khác thiết bị với công suất chế độ đo khác Phương pháp đo, loại cảm biến, quy trình kỹ thuật đo rung động, phương pháp phân tích tín hiệu rung động máy đề cập đến nhiều tài liệu [1,7,8] Tuy nhiên, việc nghiên cứu mối quan hệ thông số đặc trưng rung động chất lượng làm việc cụm ổ trục máy cơng cụ nói chung máy cơng cụ CNC nói riêng, nghiên cứu mà chủ yếu tập trung nghiên cứu cụm vịng bi đơn lẻ; Việt Nam chưa có tiêu chuẩn quy trình đánh giá chất lượng làm việc cụm trục máy cơng cụ CNC dựa vào thông số đặc trưng rung động 2.3 Sơ đồ thí nghiệm Trên sở áp dụng khuyến nghị phép đo rung động cụm trục máy theo ISO 10816, phép đo hình học trục máy tiện theo TCVN 7681-1-2013; cấu trúc hệ thống thiết bị thực nghiệm bố trí hình Fr Trơc chÝnh Fa T o Bé trun đai rang Động Rung Biến tần a, r Bộ chuyển đổi Điều chỉnh áp suất, lưu lượng Nguồn khí nÐn COMPUTER Hình Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm To -cảm biến nhiệt độ; a, r- độ dịch chuyển dọc trục độ dịch chuyển hướng kính trục chính; Fa, Fr- tải dọc trục tải hướng kính HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Với mục tiêu xác định mối quan hệ thông số đặc trưng rung động cụm ổ trục tương ứng với lượng mịn tổng cộng theo đặc trưng động lực học tải trọng, tốc độ quay, để đảm bảo thiết bị đo rung động phản ánh tình trạng hoạt động cụm ổ trục chính, hệ thống thí nghiệm tích hợp trực tiếp cụm trục máy tiện CNC Eclipse 300 Hệ thống thử nghiệm làm việc điều kiện khơng có chất bơi trơn cụm ổ trục chịu lực (cụm ổ phía trước) nhằm giảm thời gian thực nghiệm q trình mịn tuyến tính Tuy nhiên, để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường ổ lăn cần khống chế nhiệt độ làm việc nhỏ 700C (theo quy định nhà sản xuất) [9,10] Việc trì nhiệt độ làm việc cụ ổ trục nhỏ 700C thực hệ thống làm mát khí nén Các vịi phun khí nén bố trí thổi vào xung quanh ổ Trên hệ thống có lắp cảm biến nhiệt độ (được gắn áp vào ca ngồi ổ lăn) để điều khiển dịng khí làm mát phù hợp Trong q trình gia cơng máy tiện CNC, trục chịu lực cắt hướng kính lực dọc trục Do vậy, hệ thống thiết bị thí nghiệm này, thay cho lực cắt, sử dụng 02 xy lanh pít tơng khí nén theo phương dọc trục phương hướng kính Các xy lanh pít tơng lắp van điều áp để điều chỉnh áp suất tương ứng với lực cắt tính tốn So với phương án tạo lực lò xo, hệ thống có ưu điểm lực tác dụng lên cụm trục khơng thay đổi lượng mịn cụm ổ trục tăng lên theo thời gian thử nghiệm Đối với máy cơng cụ, cụm ổ trục phải tạo ứng lực định nhằm đảm bảo độ cứng vững ổ trục máy cơng cụ theo yêu cầu nhà sản xuất, giá trị lực đặt trước phụ thuộc vào loại ổ cỡ ổ sơ đồ lắp ổ Trong hệ thống thí nghiệm này, ứng với cặp ổ lăn 7210 hãng NSK lắp theo kiểu lưng đối lưng tải trọng trung bình Xác định giá trị tải trước theo phương dọc trục tương ứng có lượng dịch chuyển dọc trục ổ lăn đặt tải trước a = 6µm [11] Lưu ý giá trị a lượng mòn tổng cộng theo phương dọc trục cho phép cụm ổ 2.4 Quy trình tổng quát thực thử nghiệm Quy trình thử nghiệm thực theo bước sơ đồ hình 6, kết phép đo lượng dịch chuyển nhập vào máy tính; kết phép đo rung động lưu giữ thiết bị đo CMX-A44 chuyển sang máy tính để phân tích tính tốn giá trị đặc trưng theo phần mềm Mycrolog Analysis and Reporting hãng SKF c ci t sn < Bắt đầu Đặt Preload (=6m) theo yêu cầu éặt tải Fa, Fr để đo độ dịch chuyển ban đầu Chạy không tải, dao ®éng híng kÝnh, dao ®éng däc trơc ë tèc ®é n Chạy máy với tốc độ n thời gian 120 phút, tải Fa, Fr Chạy không tải, dao ®éng híng kÝnh, dao ®éng däc trơc ë tèc ®é n Đặt tải Fa, Fr, đo lượng dịch chuyển hướng kính dọc trục So sánh giá trị dịch chuyển däc trơc víi m KÕt thóc Thu thËp d÷ liƯu lượng mòn rung động, phân tích liệu máy tính, tìm thông số đặc trưng rung động, mối quan hệ rung động lượng mòn tổng cộng Hỡnh S quy trỡnh thực phép đo thu thập liệu Trong đó, số liệu lượng mịn tổng hợp theo phương dọc trục cụm ổ trục xác định sau: - Xác định chuẩn kiểm tra đo theo phương dọc trục lực tác động dọc trục không HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 - Tác động tải sơ Fa = 250N (bằng giá trị tải trước FPreload) - Xác định chuyển dịch dọc trục 2.5 Thử nghiệm hệ thống thiết bị thông số cụ thể Để tiến hành thử nghiệm thiết bị, vào thông số kỹ thuật máy tiện CNC Eclipse, thông số hệ thống thiết bị q trình thực nghiệm tính toán, chọn lựa cụ thể sau: - Thiết bị đo rung động Microlog CMX-A44 (hình 7) Các thơng số cài đặt: + Sensor type: Accell G m/s2 + Sens (mV/m/s2): 100 + Y-Axis units: Time + X-axis units: s + Detection: RMS Hình Thiết bị đo phân tích rung động + Freq Range: 500Hz CMX-A44 hãng SKF + Samples: 4096 - Tải trọng tác động hướng kính dọc trục q trình thí nghiệm: Tải hướng kính q trình thí nghiệm 590N (tương đương áp suất qua van điều áp 1,9 bar); tải dọc trục 250N (tương đương áp suất qua van điều áp 0,9bar - Tốc độ trục chính: n = 2000 vòng/phút - Giới hạn nhiệt độ làm việc cụm ổ trục chính: