1. Lịch sử phát triển của máy công cụ CNC
2.1.4 Các phần tử của hệ thống bôi trơn
2.1.4.1 Bơm dầu
Bơm dầu là một loại cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến đổi cơ năng thành thế năng (dưới dạng áp suất) của dầu. Trong hệ thống bôi trơn thường sử dụng các loại bơm thể tích, tức là các loại bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc: khi thể tích của buồng làm việc tăng, bơm hút chất lỏng, thực hiện quá trình hút; và khi thể tích giảm, bơm đẩy chất lỏng ra, thực hiện chu kỳ nén cung cấp chất lỏng có thế năng cho hệ thống. Nếu trên đường chất
29
lỏng bị đẩy ra ta đặt một vật cản (thí dụ như đặt van), chất lỏng bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm.
Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc mà ta có thể phân biệt được hai loại bơm thể tích (hình 2.1):
Bơm có lưu lượng cố định, gọi tắt là bơm cố định.
Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh.
Trong những năm gần đây, bơm điều chỉnh được sử dụng ngày càng rộng rãi, vì với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy việc đảm bảo các yêu cầu về chế tạo bơm điều chỉnh không thành vấn đề lớn. Mặt khác, công suất truyền động của máy tăng, đòi hỏi những cơ cấu ít bị tổn thất năng lượng nhất. Bơm điều chỉnh chỉ đưa vào hệ thống thuỷ lực một lượng dầu cần thiết để thực hiện truyền động, không có lượng dầu thừa, nên hạn chế được nguồn sinh nhiệt.
Đứng về mặt kết cấu, bơm thể tích (cả bơm cố định và bơm với lưu lượng thay đổi) có thể phân thành các loại sau:
Bơm bánh răng. Bơm cánh gạt. Bơm pít-tông.
30
Hình 2.1. Các loại bơm thể tích.
Tuy nhiên trong hệ thống bôi trơn của máy CNC chủ yếu dùng hai loại máy bơm là bánh răng và bơm cánh gạt, bơm piston rất ít khi sử dụng cho hệ thống bôi trơn của máy.
31
* Bơm bánh răng: Là loại bơm sử dụng khá rộng rãi, vì nó có kết cấu đơn
giản, chế tạo dễ dàng. Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, tổ hợp, bào, phay... Đối với những máy đòi hỏi áp lực cao như máy ép, máy dập... thì cần phải có các loại bơm có áp suất cao hơn. Bơm bánh răng có thể chia làm hai loại như sau:
Bơm bánh răng ăn khớp trong. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài.
Hình 2.2. Bơm bánh răng ăn khớp trong (a) và ăn khớp ngoài (b).
Ưu điểm của bơm bánh răng ăn khớp trong là có kích thước bé hơn và tổn thất thể tích bé hơn bơm bánh răng ăn khớp ngoài khi có cùng lưu lượng và dung sai chế tạo, nhưng loại bơm này khó chế tạo do đó giá thành cao hơn.
* Bơm cánh gạt: Cũng là loại bơm được dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và
cũng chủ yếu dùng trong các hệ thống có áp suất thấp và trung bình. So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt đảm bảo một lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn, do đó nó rất phù hợp trong các hệ thống bôi trơn của khá nhiều máy CNC và máy công cụ, như thực hiện lượng chạy dao cho máy tổ hợp, máy doa, máy tiện, máy phay; thực hiện chuyển động của bàn máy và các cơ cấu khác của máy mài, của các băng chuyền, của cơ cấu kẹp chặt, cấp phôi trên máy tự động và dây chuyền tự động. Có thể chia bơm cánh gạt thành hai loại như sau:
Bơm cánh gạt tác dụng đơn, gọi tắt là bơm cánh gạt đơn. Bơm cánh gạt tác dụng kép, gọi tắt là bơm cánh gạt kép.
32
Hình2.3. Bơm cánh gạt đơn.
Trên đây là loại bơm cánh gạt đơn (hình 2.3),khi trục quay một vòng, bơm thực hiện một chu kỳ hút và nén.
Hình 2.4. Bơm cánh gạt kép.
Bơm cánh gạt kép (hình 2.4), khi trục quay một vòng, bơm thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm cả hai lần hút và hai lần nén.
33
* Bơm piston
Bơm piston là loại bơm dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu piston – xilanh. Vì bề mặt làm việc của cơ cấu này hình trụ tròn, do đó dễ dàng đạt được độ chính xác gia công cao, đảm bảo được hiệu suất thể tích tốt. Loại bơm này có thể làm việc tạo ra được áp suất lớn (p=700bar) do vậy bơm piston thường được dùng trong hệ thống thủy lực, ít khi được lắp đặt cho hệ thống bôi trơn của máy CNC [6,7].
2.1.4.2 Bộ lọc
Do yêu cầu của việc bôi trơn là dầu bôi trơn phải không có các tạp chất các chất bẩn có tác dụng như những hạt mài lẫn vào nên dầu bôi trơn khi cung cấp vào hệ thống phải đảm bảo là không lẫn các tạp chất có hại đó. Trong quá trình làm việc của máy các hạt kim loại bị bong tách ra lẫn vào trong dầu bôi trơn và bản thân dầu cũng có các tạp chất. Do đó để có dầu sạch người ta dùng bộ lọc dầu. Bộ lọc dầu có tác dụng lọc bỏ các tạp chất có trong dầu. Tuỳ theo yêu cầu làm việc của bề mặt ma sát mà người ta sử dụng các bội lọc có khả năng loại bỏ những chất bẩn có kích thước nhỏ đến cỡ nào. Tuỳ theo kích thước nhỏ nhất của chất bẩn mà bộ lọc có thể loại bỏ được người ta chia bộ lọc thành các loại sau:
Bộ lọc thô: Có thể lọc được những chất bẩn có kích thước đến 0,1mm. Bộ lọc trung bình: Có thể lọc được những chất bẩn có kích thước đến 0,01mm.
Bộ lọc tinh: Có thể lọc được những chất bẩn có kích thước đến 0,005mm. Bộ lọc đặc biệt tinh: Có thể lọc được những chất bẩn có kích thước đến 0,001mm.
Trong máy CNC, bộ lọc thường được gắn ở đường hút và đường hồi của bơm dầu, một số hệ thống bôi trơn còn gắn thêm bộ lọc tại vị trí lỗ nạp dầu để hạn chế bụi bẩn khi nạp dầu bôi trơn (hình 2.5).
34
Hình 2.5. Bộ lọc dầu bôi trơn
2.1.4.3 Các loại van
Để dẫn dầu bôi trơn từ một bơm dầu đến tất cả các điểm cần bôi trơn ta sử dụng các van phân phối, thông thường là các van có một đầu vào nhiều đầu ra. Ngoài ra để an toàn cho hệ thống người ta còn trang bị cho hệ thống các loại van an toàn, van tràn (hình 2.6/2.7).
35
a. Van trục b. Van côn c. Van bi
Hình 2.18. Van tiết lưu điều chỉnh dọc trục
2.1.4.4 Các ống dẫn, ống nối
Ống dẫn dầu bôi trơn thường được sử dụng hiện nay được làm bằng các loại vật liệu mới, các ống này thường được tiêu chuẩn hoá. Các ống nối thường là các loại ống nối có thể thực hiện việc kết nối nhanh và cũng được tiêu chuẩn hoá.
2.1.5 Vật liệu bôi trơn
Bôi trơn là biện pháp đưa vật liệu bôi trơn vào vùng ma sát, làm giảm ma sát mà giảm mòn, do vậy chọn đúng vật liệu bôi trơn là rất quan trọng, vật liệu bôi trơn được đưa vào vùng ma sát, chúng có những nhiệm vụ sau:
Đảm bảo tính truyền dẫn.
Giảm mất mát năng lượng cơ học. Giảm sinh nhiệt.
Chống mài mòn.
Chống bụi bẩn của môi trường. Chống rung tốt. Dạng khí Dạng lỏng Dạng đặc Dạng rắn Không khí Khí ni tơ Khí dioxit cacbon Dầu khoáng Dầu tổng hợp Dầu thực vật Mỡ động vật Huyền phù Nhũ tương Mỡ khoáng chất Mỡ tổng hợp Graphit Đisunfit molipđen Kim loại (Cu, Pb, Au) Hợp chất vô cơCaF2, ZnO, ZnS, Zn2P2O7
36
Việc lựa chọn chất bôi trơn để đạt hiệu quả cao nhất cần phải biết kết hợp chặt chẽ giữa vật liệu được bôi trơn và vật liệu bôi trơn cùng các điều kiện: vĩ mô, vi mô, động học và động lực học [3].
Tuy nhiên, vật liệu bôi trơn sử dụngcho máy CNC được dùng chủ yếu là: Mỡ và dầu bôi trơn. Lựa chọn vật liệu và chế độ bôi trơn phụ thuộc điều kiện và mục đích sử dụng để đạt được hiệu quả bôi trơn tốt nhất.
Tham khảo Bảng 2.2 so sánh giữa hai kiểu bôi trơn để có sự lựa chọn tốt nhất:
Nội dung Bôi trơn bằng mỡ Bôi trơn bằng dầu
Hiệu quả làm mát Kém
Tốt, sử dụng truyền nhiệt và bôi trơn cưỡng bức tuần hoàn
Tốc độ
Tốc độ giới hạn: 65%~80% tốc độ của bôi trơn bằng dầu
Cho phép tốc độ cao hơn
Độ lỏng Kém Tốt
Thay mới Một vài trường hợp
khó khăn Dễ dàng
Loại chất bẩn Không thể Dễ dàng
Nhiễm bẩn bên ngoài do rò rỉ
Hiếm khi nhiễm bẩn bởi rò rỉ
Thường rò rỉ, không thích hợp nên đòi hỏi tránh nhiễm bẩn từ bên ngoài
Kết cấu buồng ổ và phương pháp làm kín
Đơn giản Phức tạp, đòi hỏi bảo trì cẩn thận hơn
Bảng 2.2. Bảng so sánh giữa hai kiểu bôi trơn mỡ và dầu.
Thường trong máy công cụ nói chung, máy CNC nói riêng, với tốc độ trục chính ngày càng được cải thiện do vậy dầu bôi trơn được lựa chọn sử dụng phổ biến. Dầu bôi trơn nói chung thường có chất lỏng cơ bản, chiếm tỷ lệ chính trong dầu bôi trơn. Nguồn gốc của chất lỏng cơ sở này thường là dầu khoáng bổsung thêm các chất phụ gia để dầu có được các đặc tính như mong muốn. Chất lỏng cơ sở có được từ hai
37
nguồn chính: một là, sản phẩm thu được từ dầu thô, hai là chất tổng hợp từ các hợp chất có các tính chất mà dầu bôi trơn cần có.
2.1.5.1 Dầu khoáng
Nguyên tắc chung của sản xuất dầu bôi trơn liên quan đến các bước cải thiện một số đặc tính dầu bôi trơn như:
Chỉ số độ nhớt. Chống oxy hóa.
Làm dầu có tính lỏng ở nhiệt độ thấp, tăng cường khả năng chống oxy hóa và bền nhiệt.
2.1.5.2 Dầu tổng hợp
Một cách sản xuất dầu bôi mát. Tính lỏng ở nhiệt độ thấp.
Bắt đầu từ dầu thô, quá trình đặc trưng để sản xuất dầu bôi trơn là: Tách các thành phần nhẹ hơn như: xăng, dầu máy bay, dầu diesel,… Loại bỏ các tạp chất.
Bổsung các chất để bôi trơn khác là tạo ra dầu bôi trơn từ các phản ứng hóa học tạo ra các phân tử có trọng lượng lớn hơn với các tính năng đó được dự kiến trước.
Dầu tổng hợp có một số ƣu điểm so với dầu khoáng:
Có tính lỏng ở nhiệt độ rất thấp. Độ nhớt lớn, tính oxy hóa cao. Nhiệt độ bắt lửa và cháy cao.
Khả năng bảo vệ bề mặt chống oxy hóa cao.
Nhƣợc điểm: Giá thành cao hơn dầu khoáng.
Được dùng nhiều trong ngành công nghiệp hàng không.
2.1.5.3 Chất phụ gia trong dầu bôi trơn
Dầu nhờn thương mại là sản phẩm cuối cùng, pha trộn từ hai thành phần chính. Thành phần thứ nhất là dầu gốc, được các hãng sản xuất từ dầu mỏ thiên nhiên hoặc tổng hợp. Dầu gốc chứa các phân tử hydrocarbon nặng và có các tính chất hóa lý tương tự như dầu thành phẩm. Tuy nhiên, người ta không thể sử dụng ngay loại dầu
38
này bởi tính chất hóa lý của nó chưa đáp ứng yêu cầu bảo vệ động cơ. Để cải thiện các tính chất đó, các hãng phải pha trộn thêm thành phần thứ hai là các chất phụ gia, điển hình như: Phụ gia tăng chỉ số nhớt, phụ gia chống oxy hóa, phụ gia tẩy rửa, phụ gia phân tán, phụ gia ức chế ăn mòn, chống rỉ, chống mài mòn, phụ gia biến tính, giảm ma sát, hạ điểm đông đặc, ức chế tạo bọt...
2.1.6 Chế độ bôi trơn
Như phân tích ở trên, vị trí các cặp ma sát cần bôi trơn trong máy CNC bao gồm: Cụm đường hướng, trục vít-me đai ốc bi, cụm trục chính, các ổ bi.
Để đánh giá được chỉ tiêu tính toán cho từng vị trí ta phải hiểu được yêu cầu làm việc của từng bộ phận.
2.1.6.1 Chế độ bôi trơn cụm đƣờng hƣớng a. Yêu cầu kỹ thuật của cụm đƣờng hƣớng a. Yêu cầu kỹ thuật của cụm đƣờng hƣớng
Đường hướng phải có độ cứng vững cao.
Lực cản chuyển động của bàn máy, bàn xe dao phải nhỏ nhất, tiêu hao công suất nhỏ nhất.
Không cho phép có khe hở giữa các cặp bề mặt đối tiếp.
Khả năng hấp thụ dao động của đường hướng phải lớn trong mặt phẳng vuông góc với phương chuyển động.
Hệ số ma sát (f) ở tốc độ chuyển động thẳng biến đổi cùng tăng hoặc cùng là hằng số.
Tuổi thọ đường hướng phải lớn đặc biệt là độ bền mòn để duy trì độ chính xác lâu dài.
b. Chế độ bôi trơn cụm đƣờng hƣớng:
Từ yêu cầu kỹ thuật của cụm đường hướng ta phải có chế độ bôi trơn hợp lý. Vậy ở đây ta dùng chế độ bôi trơn định kỳ bao gồm các yêu cầu sau đây.
Lưu lượng dầu bôi trơn. Thời gian sau mỗi lần bơm. Công suất cần thiết của bơm.
39
2.1.6.2 Chế độ bôi trơn cụm trục chính a. Yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính a. Yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính
Trục chính phải đảm bảo cứng vững. Nếu trục chính không đủ cứng vững khi làm việc sẽ bị cong, gây tiếng ồn làm cho các chi tiết nhanh bị mòn.
Trục chính phải có độ chịu mòn cao. Các bề mặt chịu ma sát như cổ trục, vòng bi phải đảm bảo độ chịu mòn đầy đủ. Nếu trục chính chóng bị mòn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến độ chính xác gia công chi tiết.
Chuyển động của trục chính phải êm, chính xác. Chuyển động của trục chính ảnh hưởng trục tiếp đến độ chính xác gia công. Nếu chuyển động của trục chính không chính xác sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác và hình dạng của chi tiết gia công.
b. Yêu cầu bôi trơn trục chính
Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của trục chính khi trục chính làm việc với tốc độ cao cần phải được bôi trơn đầy đủ, nhất là tại những vị trí có các cặp ma sát như ổ bi ổ trượt.
Do trục chính làm việc với tốc độ cao và chịu tác động của lực cắt nên ta phải bôi trơn liên tục trục chính. Vì vậy chế độ bôi trơn ổ đây là bôi trơn sương mù bao gồm các yêu cầu sau:
Lưu lượng dầu bôi trơn. Thời gian sau mỗi lần bơm. Áp suất của dòng khí.
2.1.6.3 Chế độ bôi trơn cho trục vít-me đai ốc bi
Truyền động vít-me đai ốc bi được dùng trong các cơ cấu di chuyển chính xác, cơ cấu định lượng và điều chỉnh... ở đó các viên bi nằm trong các rãnh xoắn của vít và đai ốc. Vận tốc di chuyển của các viên bi này khác với vận tốc di chuyển của vít và đai ốc, vì vậy để đảm bảo sự tuần hoàn liên tục của các viên bi, hai đầu của đoạn ren làm việc được nối với rãnh hồi bi hoặc ống dẫn bi.
a. Yêu cầu kỹ thuật của trục vít-me đai ốc bi:
Khi đảo chiều chuyển động không tồn tại khe hở để đảm bảo độ chính xác gia công.
40
Bề mặt của trục vít-me và đai ốc bi phải được tôi và thấm các bon đạt được độ cứng bề mặt HV 700÷800, độ cứng bên trong đạt HV 260÷450, chiều dày lớp thấm từ 0,8 ÷ 1,2 mm.
Đường ren trên đai ốc bi và trục vít-me là những bề mặt chính xác.
b. Yêu cầu bôi trơn:
Bộ vít-međai ốc bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít ma sát và không có khe hở khi truyền dẫn với tốc độ cao. Vì ma sát nhỏ nên hoàn toàn không bị mòn. Điều kiện bôi trơn ở đây là bôi trơn định kỳ:
Thời gian sau mỗi lần bơm. Lưu lượng của bơm.
2.2 Một số phƣơng pháp bôi trơn
Để ổ lăn hoạt động tin cậy thì nó phải được bôi trơn đầy đủ để tránh tiếp xúc trực tiếp giữa kim với loạikim loại, giữa các con lăn, rãnh lăn và vòng cách. Việc bôi