Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu sự thay đổi độ cững vững cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300, khi chịu tải ngoài thay đổi, trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trên cơ sở mối quan hệ giữa độ cững vững, lượng mòn tổng cộng dọc trục của cụm ổ trục chính với thời gian làm việc cũng như giá trị độ cứng vững giới hạn cho phép còn lại để dự báo tuổi thọ, độ tin cậy, thời điểm điều chỉnh tải đặt trước nhằm duy trì độ cứng vững và độ chính xác gia công.
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 058-064 Nghiên cứu độ cứng vững tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 tải thay đổi Study on the Stiffness, Longevity and Reliability of the Spindle Unit of Eclipse 300 CNC Lathe with Different External Load Phạm Văn Hùng1, Nguyễn Thùy Dương1*, Phạm Minh Tâm2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, Thành phố Vinh, Nghệ An, Việt Nam * Email: duong.nguyenthuy@hust.edu.vn Tóm tắt Độ cứng vững cụm ổ trục máy cơng cụ nói chung máy CNC nói riêng tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng gia công máy Tải đặt trước cụm ổ trục tạo độ cững vững ban đầu Trong trình làm việc, tác động tải ngồi bao gồm lực cắt tốc độ, cụm ổ trục bị mòn làm suy giảm độ cứng vững, dẫn tới độ xác gia cơng giảm Bài báo trình bày kết nghiên cứu thay đổi độ cững vững cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300, chịu tải ngồi thay đổi, điều kiện phịng thí nghiệm Trên sở mối quan hệ độ cững vững, lượng mòn tổng cộng dọc trục cụm ổ trục với thời gian làm việc giá trị độ cứng vững giới hạn cho phép lại để dự báo tuổi thọ, độ tin cậy, thời điểm điều chỉnh tải đặt trước nhằm trì độ cứng vững độ xác gia cơng Keywords: Cụm trục chính, độ cứng vững, máy tiện CNC, mịn ổ lăn, tuổi thọ, độ tin cậy Abstract The stiffness of the spindle unit of machine tools in general and CNC machines in particular is an important criterion to evaluate the quality of machining The initial stiffness of the spindle unit is created by the preload During operating, the spindle unit is wear under the influence of external loads including cutting force and speed It reduces the stiffness of the spindle unit, as well as decreasing machining accuracy This paper presents the research results of the stiffness change of the Eclipse 300 CNC lathe spindle unit under different external loads in laboratory conditions Based on the relationship between the stiffness and the amount of axial wear of the spindle unit according to the working time, as well as the permissible remaining stiffness limit to predict the longevity, reliability and time of adjusting the pre-load to maintain the stiffness and machining accuracy Keywords: Spindle unit, stiffness, CNC turning machines, wear of bearing, longevity, reliability Giới thiệu theo thời gian làm việc nói chung khơng phù hợp tải ngồi khơng ổn định Máy 1cơng cụ CNC có độ cứng vững cụm ổ trục cao độ xác chi tiết gia công cao ổn định Với đặc trưng tính linh hoạt cao nên máy CNC phù hợp với sản xuất đơn loạt nhỏ, tải ngồi tác động lên cụm ổ trục ln thay đổi Trong q trình gia cơng, cụm ổ trục phải chịu tải ngồi bao gồm lực cắt gọt tốc độ quay Cụm ổ trục máy cơng cụ u cầu đảm bảo độ xác từ 1µm (mài, doa) đến 100 µm (tiện, phay) [1], vậy, cần phải có độ cứng vững ban đầu yêu cầu bắt buộc Đồng thời dự báo qui luật suy giảm độ cứng vững theo thời gian yêu cầu quan trọng Xác định chu kỳ điều chỉnh sức căng ban đầu để trì độ cứng vững cho cụm ổ trục Độ cứng vững cụm ổ trục máy tiện CNC phụ thuộc vào giá trị tải đặt trước cách lựa chọn kết cấu khác cụm ổ chịu tải Để trì cải thiện độ xác gia công sở độ cứng vững cụm ổ trục chính, Momir Šarenac [2] lựa chọn kết cấu tối ưu cho ổ lăn cho cụm trục từ đảm bảo độ cứng vững yêu cầu cho cụm trục Mặt khác, Tri Prakosa et al [3] sâu nghiên cứu cách đặt tải trước, khoảng cách ổ, số lượng ổ nhằm tăng độ cứng vững cụm ổ trục Holroyd et al [4] nghiên cứu lựa chọn phương án tích hợp cụm ổ lăn để xác định mối quan hệ độ cứng vững rung động cụm trục Rastegari A et al [5] xác định nguyên nhân suy giảm độ cứng vững mòn cụm ổ trục điều kiện chịu tải ngồi, bao gồm vùng, hoàn toàn ISSN: 2734-9381 https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.10 Received: March 17, 2020; accepted: January 15, 2021 58 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 058-064 phù hợp với quy luật mòn chung [6,7] Hình Vùng mịn khốc liệt, T > Tmax: Tốc độ mòn tăng vọt, cần dừng máy thay Đối với cụm trục chính, khơng thay cụm ổ trục dẫn tới phá huỷ Như vậy, để trì độ xác gia cơng lâu dài cần phải xác định thời điểm điều chỉnh trì sức căng ban đầu giai đoạn mịn ổn định cụm vịng bi trục chính, chưa xuất giai đoạn III nói Khi chuyển sang giai đoạn III cụm ổ trục khơng thể phục hồi độ cứng vững ban đầu nữa, bề mặt ma sát bắt đầu hư hỏng Bài báo trình bày kết nghiên cứu mối quan hệ độ cứng vững, mòn dọc trục cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 theo thời gian nhằm khẳng định giả thiết Hình Từ đó, xác định thơng số cần thiết cho tốn tính tuổi thọ độ tin cậy theo độ cứng vững tải ngồi thay đổi điều kiện phịng thí nghiệm Kết làm sở cho việc tính tốn tuổi thọ theo độ cứng vững có bơi trơn Hình Quan hệ lượng mịn U theo thời gian t hay quãng đường ma sát L Phương pháp tính tuổi thọ theo độ cứng vững cụm ổ trục Từ qui luật mịn chung hình [5], giả thiết qui luật thay đổi độ cứng vững J theo thời gian quãng đường ma sát Hình 2, điều kiện mịn bình thường gồm ba giai đoạn: Giai đoạn chạy rà, tốc độ giảm độ cứng vững giảm dần; Giai đoạn ổn định, tốc độ giảm độ cứng vững không thay đổi ; Giai đoạn độ cứng vững suy giảm nhanh, tốc độ giảm độ cứng vững tăng vọt Hình Quan hệ độ cứng vững J theo thời gian t hay quãng đường ma sát L Trên sở quan hệ mòn tuổi thọ, độ tin cậy [7], đưa quan hệ độ cứng vững J tuổi thọ, độ tin cậy Hình Độ cứng vững cụm trục J thay đổi theo thời gian (t) thừa nhận tuân theo quy luật tuyến tính thể phương trình sau: Hình Sự phụ thuộc độ cứng vững J theo thời gian độ tin cậy Jm = Jo - γm.t (1) Trong đó: Giai đoạn chạy rà (I), tốc độ mòn giảm dần tới giá trị ổn định Jm- Độ cứng vững trung bình cụm ổ trục theo thời gian, Giai đoạn mòn ổn định (II): tốc độ mịn có giá trị khơng đổi Tuổi thọ chủ yếu nằm giai đoạn Jo – Độ cứng vững ban đầu cụm ổ trục chính, Giai đoạn mịn khốc liệt (III): Có thể chia thành hai vùng: vững Vùng lân cận sau điểmTmax: Khoảng chuyển tiếp ngắn, tượng hư hỏng cục bắt đầu xuất Đối với cụm ổ trục rung động bắt đầu có đột biến, chi tiết lăn, ca trong, ca ngồi hay vịng cách bắt đầu xuất hư hỏng cục Tốc độ mòn bắt đầu tăng γm – Tốc độ suy giảm trung bình độ cứng Tốc độ giảm trung bình độ cứng vững theo thời gian tính theo phương trình tương tự tốc độ mòn [7]: = γ m k J Pm Vm →= γ m k Pm nm 59 (2) JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 058-064 [J] – Độ cứng vững cịn lại cho phép Trong đó: Tuỳ thuộc vào độ tin cậy, đối số hàm Laplace (Uα) có giá trị khác Phương trình tuổi thọ sở độ cứng vũng theo độ tin cậy là: Pm – Tải trọng trung bình, Vm – Vận tốc trung bình nm – Tốc độ quay trung bình, U α ( σ Jo2 + σ γ2T ) = J0 − γ J T − [ J ] kj k hệ số xác định từ kết thực nghiệm Phương trình (8) nguyên tắc có hai nghiệm T1 T2, nhiên độ tin cậy 50% nhỏ nghiệm phương trình phải nằm khoảng < T < Tm Tuổi thọ trung bình Tm cụm ổ trục có độ cứng vững cịn lại [J] cho phép xác định theo công thức: Trong điều kiện làm việc bình thường xem tải trọng tốc độ hai biến ngẫu nhiên có độ lệch chuẩn σp(N) σn(vg/ph) Như vậy, tốc độ suy giảm độ cứng vững γ biến ngẫu nhiên tuân theo luật số lớn, phân phối chuẩn có kỳ vọng sai lệch tiêu chuẩn σγ với với hàm mật độ f(γ) tính theo cơng thức [7]: f (γ ) = σγ [γ - γ j ]2 exp 2 2π 2σ γ (8) Tm = J0 − [ J ] γm (9) Hệ thống thiết bị thí nghiệm (3) Trong đó: σ= γ γm = D(kpn= ) k σ p2σ n2 + σ p2 nm2 + σ n2 pm2 Jm T (4) (5) T - tuổi thọ dự kiến Hình Sơ đồ thiết bị thí nghiệm D- Phương sai Sai lệch tiêu chuẩn Jm tính: = σJ σ Jo2 + σ γ2T (6) P(t) xác suất làm việc không hỏng cụm ổ trục theo độ cứng vững J, ứng với chu kỳ làm việc có thời gian t = T Xác suất làm việc khơng hỏng cụm trục tính theo độ cứng vững J tương ứng diện tích nằm đường cong mật độ xác suất J: f(J) nằm khoảng [J] ≤ J ≤ J0 (Hình 3) Xác suất làm việc P(t) – đặc trưng cho khả làm việc liên tục, tính thơng qua toán tử Laplace [7] sau: J − γ T − [J ] m = 0,5 + φ P(t) σ Jo2 + σ γ2T Trong đó: Hình Thiết bị thực nghiệm đánh giá chất lượng cụm trục máy tiện CNC Eclipse 300 1- Xy-lanh tạo lực hướng kính; 2- Xy-lanh tạo lực dọc trục; (7) – Đồng hồ so; – Cụm trục máy tiện CNC; – Bộ theo dõi khống chế nhiệt độ; 6- Bộ điều khiển tốc độ trục chính; 7- Đường khí nén làm mát σJo - Sai lệch tiêu chuẩn độ cứng vững ban đầu; Dựa nguyên tắc phép đo độ cứng vững đo lượng mòn tổng cộng xác định tuổi thọ trục máy tiện theo (ISO 13041 - 1:2004) [8] xây dựng sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm trình bày Hình Hệ thống thiết bị thí nghiệm bố trí trực tiếp cụm trục máy tiện CNC Elipse 300 Trong hệ thống này, sử dụng 02 xy-lanh pít tơng khí nén theo phương dọc trục phương hướng kính điều chỉnh áp suất tương ứng với lực cắt tính Φ - Tốn tử Laplace; T - Tuổi thọ dự kiến; σγ - Sai lệch tiêu chuẩn tốc độ suy giảm độ cứng vững; 60 JST: Engineering and Technology for Sustainable Development Vol 1, Issue 2, April 2021, 058-064 toán Để giảm thời gian, thực nghiệm tiến hành điều kiện khơng có chất bơi trơn Cụm ổ trục đảm bảo làm việc điều kiện ổn định, nhiệt độ làm việc trì nhỏ 60 0C hệ thống làm mát khí nén [9,10] Các cảm biến nhiệt độ gắn áp vào ca ngồi ổ lăn để điều khiển dịng khí làm mát phù hợp Đo dịch chuyển hướng kính lượng mòn dọc trục sử dụng đồng hồ so Mitutoyo 1/1000, phạm vi đo: – 0,14 mm; Độ chia: 0,001 mm hướng kính Fr; Xác định dịch chuyển hướng kính vị trí đo y (µm); Đo chuyển vị thực với 20 điểm đo theo chu vi; Tính độ cứng vững J= Fr/y (N/µm)[2] Đo lượng mịn tổng cộng dọc trục δ (µm): Xác định chuẩn đo theo phương dọc trục; Tác động lực dọc trục; Xác định chuyển dịch dọc trục δ (µm); Lặp lại lần bước lấy giá trị trung bình Kết thảo luận 3.1 Kết thí nghiệm Bảng Các thông số kỹ thuật thí nghiệm STT Thơng số Giá trị 7210B NSK D=90mm, d=50mm, Cr =60500mm, α =15 Tốc độ quay, n 1800, 2000, 2200 vg/ph Tải trọng tương đương, P 1310, 1915, 2520N Bôi trơn Không bôi trơn Bước thời gian 6h Làm mát Khí nén đảm bảo T