7. Các kết quả mới
1.3. Cấu tạo xylanh piston khí nén
Hình 1.14 trình bày cấu tạo của chung của XLPTKN [55]
- Thân Xylanh (1): Thƣờng đƣợc làm bằng ống thép, các bề mặt chịu lực của buồng
xylanh đƣợc gia công nhẵn bóng và chính xác. Trƣờng hợp đặc biệt, xylanh có thể đƣợc làm bằng nhôm, đồng thau hoặc thép ống với bề mặt chịu lực mạ crôm. Kết cấu đặc biệt này đƣợc sử dụng khi hoạt động không thƣờng xuyên hoặc có các ảnh hƣởng của các yếu tố ăn mòn.
- Đế xylanh (2) và nắp xylanh (3): Thƣờng làm bằng vật liệu đúc (nhôm hoặc gang). Hai
nắp có thể đƣợc gắn chặt vào thân xylanh bằng cần nối, mối ren hoặc mặt bích.
- Cần piston (4): Làm từ thép đã qua xử lý nhiệt, thành phần Crom trong thép có tác
dụng bảo vệ chống gỉ. Thông thƣờng đầu cần piston có mối ren xoắn sẽ làm giảm nguy cơ gãy cần.
- Bạc lót (6): Dẫn hƣớng cần piston, có thể đƣợc làm bằng hợp kim đồng hoặc kim loại
bọc nhựa.
Hình 1.14 Cấu tạo xylanh – piston khí nén [nguồn 55]
- Gioăng cần piston (5) (hình 1.15a)
Gioăng có nhiệm vụ chịu áp, gạt nƣớc và bụi. Mặt trên của gioăng khép kín với rãnh gioăng chịu áp suất thích hợp. Mặt trong phía bao quanh cần piston có tác dụng ngăn chặn sự thất thoát của khí nén qua khe hở giữa cần piston và rãnh gioăng. Mặt ngoài gioăng có tác dụng làm sạch gạt bụi, nƣớc khi cần piston dịch chuyển. Việc làm sạch bề mặt là rất
1- Thân xylanh 2- Đế xylanh 3- Nắp xylanh 4- Cần piston 5- Gioăng cần piston 6- Bạc lót 7- Vòng chắn bụi 8- Gioăng piston 9- Gioăng giảm chấn
30
quan trọng bởi các hạt mài có thể dính vào lớp màng mỏng bôi trơn trên cần piston khi dịch chuyển. Nếu các hạt mài này lọt vào trong xylanh sẽ làm giảm tuổi thọ của cơ cấu dẫn hƣớng cũng nhƣ các gioăng bên trong. Trong các điều kiện làm việc đặc biệt khắc nghiệt, có thể phải dùng các loại gioăng đặc biệt. Ở các xylanh chịu tải trọng cao, gioăng gạt nƣớc (bụi) và gioăng kín khít đƣợc tách rời nhau [60].
- Gioăng piston (8): có nhiệm vụ đảm bảo kín khít không cho phép lọt khí giữa các buồng xylanh khi có sự chênh lệch áp suất. Gioăng piston có nhiều dạng nhƣ: gioăng nhẫn “O-ring”, gioăng cốc …
Gioăng nhẫn ( hình 1.15b)
Gioăng nhẫn “O-ring” đƣợc lồng hơi lỏng vào trong rãnh với đƣờng kính ngoài vừa đủ để tiếp xúc với thành xylanh. Khi có áp suất tác dụng vào một bên của piston, gioăng nhẫn sẽ bị đẩy ngang và ép ra phía ngoài của gioăng làm kín khe hở giữa đƣờng kính ngoài của piston và thành xylanh. Thiết kế này không đảm bảo kín khít khi chênh lệch áp suất giữa 2 khoang nhỏ, thông thƣờng yêu cầu chênh lệch áp suất ≥ 0,5 bar [60]. Nếu gioăng bị lồng căng vào trong cả rãnh gioăng và thành xylanh thì ma sát có thể sẽ là rất lớn.
Gioăng cốc piston (hình 1.15c)
Gioăng cốc đƣợc dùng cho các piston của xylanh có đƣờng kính trung bình và lớn, có tác dụng làm kín không khí theo một chiều. Vì vậy, với xylanh tác động 1 chiều sử dụng 1 gioăng cốc, còn đối với các xylanh tác động 2 chiều sử dụng 2 gioăng cốc nhƣ hình 1.5. Các môi của gioăng với góc mở rộng, độ mềm dẻo cao, tạo áp lực theo phƣơng hƣớng kính nhỏ giúp làm giảm ma sát tĩnh [60]. Hình 1.15c thể hiện tiết diện của một gioăng cốc cho phép chịu tải mặt bên bởi vòng dẫn hƣớng chống mòn. Điều này cho phép chúng thích ứng với dung sai độ tròn và dung sai lệch tâm của lòng xylanh và piston.
- Gioăng giảm chấn hình 1.15d
Các gioăng này thực hiện nhiệm vụ của gioăng và van chặn một chiều, chỉ làm kín khít đƣờng kính trong của gioăng. Điều này cho phép làm kín khít theo một chiều nhất định. Theo chiều còn lại, không khí chảy tự do xung quanh đƣờng kính ngoài và các bề mặt khác nơi mà có ranh thoát trên bề mặt
Vật liệu làm gioăng: Gioăng thƣờng làm bằng vật liệu perbunan, viton and teflon. Gioăng tiêu chuẩn thƣờng đƣợc khuyến cáo làm việc liên tục trong khoảng + 2°C đến + 80°C. Nhiệt độ cao hơn sẽ làm mềm các gioăng làm thay đổi tính năng ma sát. Nhiệt độ thấp hơn sẽ làm gioăng cứng lại, làm cho chúng giòn và có khả năng tách và nứt [60]. Đối với ứng dụng làm việc trong môi trƣờng nhiệt độ cao lên đến 150°C, xylanh đƣợc trang bị
31 gioăng Viton (-20°C đến +150°C). Đối xylanh làm việc liên tục ở nhiệt độ thấp xuống đến -20°C, xylanh dùng gioăng Teflon (-80°C đến +200°C)
Hình 1.15 Một số loại gioăng trong XLPTKN [60] 1.4 Phân loại xylanh – piston khí nén
Hiện nay, XLPTKN có nhiều chủng loại, kích thƣớc, kết cấu khác nhau phân loại theo chức năng có 2 loại chính: Xylanh lực và xylanh quay.
1.4.1 Xylanh lực: Biến năng lƣợng khí nén thành chuyển động thẳng của cơ cấu chấp hành
Xylanh tác động đơn (hình 1.16)
Với xylanh tác động đơn, áp lực khí nén tác dụng vào 1 chiều, chiều ngƣợc lại do lò xo tác động hay do ngoại lực tác dụng. Các lực lò xo đƣợc tính toán để piston trở lại vị trí bắt đầu của nó với một tốc độ tƣơng đối cao trong điều kiện không tải. Do đó, xylanh tác động đơn có hành trình dài xấp xỉ 80mm.Xylanh tác động đơn có cấu tạo, hoạt động đơn giản, hành trình ngắn thích hợp với yêu cầu nhỏ gọn, đồ gá kẹp chi tiết.
Xylanh tác động đơn có các kiểu dáng khác nhau gồm: • Xylanh kiểu màng (Diaphragm cylinder)
• Xylanh kiểu màng lăn (Rolling diaphragm cylinder)
Hình 1.16. Xylanh tác động đơn[55] Hình 1.17 Xilanh màng[9]
a. Xi lanh màng kiểu cuộn b. Xi lanh màng kiểu hộp
32
Xylanh tác động kép ( hình 1.18)
Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng kép (2 chiều): Áp suất khí nén đƣợc cấp lần lƣợt vào cả 2 phía của xylanh. Các xylanh tác động kép có thể thực hiện công việc với cả hai hƣớng chuyển động. Lực truyền cho cần piston ở hành trình làm việc về phía trƣớc lớn hơn so với hành trình trở lại do diện tích giảm trên phía cần piston.
Xylanh có giảm chấn (hình 1.19)
Khi XLPTKN làm việc với tải lớn thƣờng xảy ra rung động ở cuối hành trình ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống cơ khí. Do đó, nhà sản xuất bố trí gioăng ở các vị trí cuối hành trình để ngăn chặn những tác động gây tổn hại do va đập. Trƣớc khi đến vị trí kết thúc, gioăng piston đóng đƣờng dẫn dòng chảy trực tiếp của không khí ra bên ngoài. Thay vào đó là đƣờng xả rất nhỏ và có thể điều chỉnh đƣợc lƣợng mở qua các vít điều chỉnh. Ở cuối hành trình làm việc, tốc độ xylanh đƣợc giảm dần.
Hình 1.18. Xylanh tác động kép[55] Hình 1.19 Xylanh tác động kép có giảm chấn
[55]
Xylanh tác động kép tiếp đôi (hình 1.20)
Các xylanh tác động kép tiếp đôi đƣợc kết hợp các tính năng của hai xylanh tác động kép để tạo thành một xylanh. Lực ở cần piston gần nhƣ tăng gấp đôi, phù hợp cho các ứng dụng cần lực lớn nhƣng đƣờng kính xylanh bị hạn chế.
Xylanh 2 đầu cần (Hình 1.21)
Xylanh này có cần piston ở cả hai bên, piston đƣợc dẫn hƣớng tốt hơn. Xylanh có tác động kép và lực tác động 2 chiều có giá trị nhƣ nhau.
33
Xylanh nhiều vị trí ( Hình 1.22)
Xylanh nhiều vị trí gồm nhiều xylanh tác động kép kết nối với nhau. Các xylanh đơn di chuyển khi áp suất tác dụng. Hai xylanh có chiều dài hành trình làm việc khác nhau, sẽ có bốn vị trí đƣợc xác định nhƣ trên hình 1.22.
Xylanh va đập (Hình 1.23)
Xylanh va đập có động năng lớn, động năng lớn thu đƣợc khi tăng vận tốc của piston. Vận tốc của piston va đập nằm trong khoảng 7,5 đến 10 m/s. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp hành trình làm việc lớn, vận tốc sẽ nhanh chóng bị giảm. Xylanh va đập vì thế không thích hợp với các ứng dụng có hành trình làm việc lớn.
Tác động của van điều khiển làm tăng áp suất trong buồng xylanh A. Nếu xylanh di chuyển theo hƣớng Z, toàn bộ bề mặt piston tham gia tác động. Không khí từ buồng xylanh A cũng sẽ chảy vào trong buồng xylanh một cách nhanh chóng thông qua tiết diện C. Do đó piston sẽ đƣợc gia tốc một cách nhanh chóng.
Hình1.22 Xylanh nhiều vị trí[55] Hình 1.23 Xylanh piston tác động [55]
Xylanh không cần (Hình 1.24)
Xylanh không cần piston có ƣu điểm so với các xylanh có cần piston là chiều dài thiết kế bằng một nửa. Điều này giúp loại bỏ các nguy cơ cần piston mất ổn định và chuyển động có thể diễn ra trên toàn bộ chiều dài hành trình làm việc. Hành trình làm việc của xylanh không cần có thể đến 10m. Lực đẩy piston ở hai hƣớng của chuyển động có giá trị bằng nhau.
1.4.2 Xylanh quay (Rotary cylinders)
Với thiết kế hình 1.25 của xylanh tác động hai chiều, cần piston có biên dạng thanh răng truyền động. Cần piston ăn khớp một bánh răng, và truyền chuyển động quay cho bánh răng. Phạm vi của các góc quay thay đổi từ 45o
, 90o, 180o, 270o đến 360o
34 men xoắn là phụ thuộc vào áp suất, bề mặt piston và đƣờng kính bánh răng; Mô men quay có thể đạt tới 150 (Nm).
Hình 1.24 Xylanh không cần loại đai[55] Hình1.25 Xylanh quay[55]
1.5 Đặc tính làm việc của xylanh – piston khí nén
Đặc tính làm việc xylanh có thể đƣợc xác định nhờ lý thuyết hoặc nhờ việc sử dụng các dữ liệu của nhà sản xuất. Cả hai phƣơng pháp này đều áp dụng đƣợc, nhƣng nói chung dữ liệu của nhà sản xuất phù hợp hơn với thiết kế và ứng dụng cụ thể.
1.5.1 Lực đẩy piston
Lực đẩy piston phụ thuộc vào áp suất không khí, đƣờng kính xylanh và lực cản ma sát của các bộ phận làm kín. Lực piston lý thuyết đƣợc tính theo công thức [9,55]:
F= A.p (N) (1.1) Trong đó: A - Diện tích của piston (m2
); p - Áp suất (Pa).
Trong thực tế, lực piston hữu ích là rất quan trọng. Khi tính toán, cần xem xét lực cản ma sát. Dƣới điều kiện hoạt động bình thƣờng (dải áp lực từ 400 đến 800 kPa/4-8bar) lực ma sát thƣờng chiếm khoảng 10% ÷15% lực piston lý thuyết [9,55]
Xylanh tác động đơn, lực piston đƣợc tính theo công thức:
Feff = (A.p) - (F+FF) (1.2) Xylanh tác động kép lực Piston đƣợc tính theo công thức:
Hành trình đi : Feff (A. ) Fp ms (1.3) Hành trình về : Feff (A'. ) Fp ms
Trong đó: Feff - Lực piston hữu ích (N);
A - Diện tích hữu ích của piston (m2) = 2 ( . )
; 4
D
A‟ - Diện tích mặt hình khuyên hữu ích (m2
) = 2 2
( ) ;
4
D d p - Áp suất làm việc (Pa);
Fms - Lực ma sát (N); FF - Lực lò xo trở lại (N);
35 D - Đƣờng kính piston (m);
d - Đƣờng kính cần piston (m).
Trên thực tế áp dụng trong công nghiệp thƣờng sử dụng đồ thị quan hệ giữa lực, áp suất và đƣờng kính piston để xác định lực hiệu dụng nhƣ trên hình 1.26 [55]
Hình 1.26 Đồ thị quan hệ giữa lực, áp suất và đường kính của XLPTKN [55]
1.5.2 Chiều dài hành trình
Để đảm bảo ổn định trong quá trình làm việc, hành trình làm việc cho phép của xylanh có cần tối đa là 2m và 10m đối với xylanh không cần [55].
Với chiều dài hành trình quá lớn, áp lực lên piston và bạc dẫn hƣớng sẽ là rất lớn. Để tránh nguy cơ mất ổn định khi chiều dài hành trình lớn, cần quan tâm đến vùng mất ổn định không làm việc đƣợc nhƣ trên hình 1.27
Hình 1.27 Đồ thị quan hệ giữa chiều dài hành trình, lực và đường kính cần XLPTKN [55]
Hàn h tr ìn h làm v iệ c h ( m m )
Áp suất làm việc (bar)
Lực đẩy piston (N) Đƣ ờng k ính p is ton (m m ) Đƣờng kính cần piston mm Lực đẩy piston (N)
36
1.5.3 Tốc độ piston
Tốc độ piston của xylanh khí nén phụ thuộc vào tải, áp suất làm việc hiện tại, độ dài của ống dẫn khí, diện tích mặt cắt ngang của dòng khí ở giữa phần tử điều khiển, phần tử làm việc và lƣu lƣợng dòng chảy qua phần tử điều khiển. Ngoài ra, tốc độ còn bị ảnh hƣởng bởi các gioăng giảm chấn vị trí cuối.
Hình 1.28 Tốc độ trung bình của piston [55]
Tốc độ trung bình của piston xylanh tiêu chuẩn là khoảng 0,1-1,5 m/s. Với xy-lanh đặc biệt (Xylanh tác động), tốc độ có thể lên đến 10 m/s. Thông thƣờng tốc độ piston có thể đƣợc điều chỉnh bằng van điều khiển lƣu lƣợng và tăng tốc nhờ sử dụng các van xả nhanh [55] nhƣ hình 1.28
1.5.4 Lƣợng khí tiêu thụ
Lƣợng khí tiêu thụ đƣợc tính bằng lít không khí trong mỗi phút. Với áp lực vận hành cụ thể, đƣờng kính piston, hành trình và số hành trình, việc tiêu thụ không khí đƣợc tính bằng công thức [55]. qB = . A . s . n (1.4) Trong đó: qB - Lƣợng khí tiêu thụ ( l/phút); - Tỷ lệ nén; 101.3 p; 101.3
p - Áp suất làm việc (kPa); A – Diện tích piston; s – Hành trình (cm); n – Số hành trình trong một phút (1/phút). T ốc độ t ru n g b ìn h p is to n m m /s Đƣờng kính piston mm Van lớn xả nhanh Van trung bình, nhỏ có điều khiển xả
37 Lƣợng khí tiêu thụ có thể đƣợc xác định theo đồ thị trên hình 1.29
Hình 1.29 Lượng khí tiêu thụ [55]
Lƣợng khí tiêu thụ có thể đƣợc tính theo công thức sau cho xylanh tác động đơn và xylanh tác động kép:
Với xylanh tác động đơn :
qB s n q. . H
(1.5) Với xylanh tác động kép: qB 2. . .s n qH
(1.6) Trong đó: qH - Lƣợng khí tiêu thụ trên chiều dài hành trình (l/cm)
Với những công thức trên, lƣợng khí tiêu thụ khác nhau của xylanh tác động kép trong thời gian hành trình trƣớc và hành trình trở lại không đƣợc xem xét. Điều này có thể đƣợc bỏ qua do dung sai khác nhau trong dòng và van.
Lƣợng khí tiêu thụ chung của một xylanh cũng bao gồm việc làm đầy các vùng chết (dead zones). Lƣợng khí tiêu thụ cần thiết để điền vào vùng chết có thể lên đến 20% lƣợng tiêu thụ khí. Vùng chết của một xylanh cũng là đƣờng cung cấp khí nén trong chính xylanh và không phải vùng vị trí cuối của piston – vùng hành trình hữu ích.
1.6 Đặc điểm môi trƣờng làm việc của các máy công cụ CNC
1.6.1 Yêu cầu môi trƣờng làm việc máy CNC
Để đảm bảo độ chính xác của máy công cụ CNC cũng nhƣ độ chính xác gia công thì môi trƣờng làm việc cần phải có nhiệt độ ổn định, ít biến đổi. Thông thƣờng, máy CNC làm việc ở nhiệt độ phòng và không có yêu cầu đặc biệt trừ những máy có độ chính xác cao nhƣ máy doa CNC, thực tế cho thấy rằng khi nhiệt độ tăng cao thì tỉ lệ hỏng bộ điều khiển số tăng lên. Độ ẩm của môi trƣờng làm giảm độ tin cậy của máy và thiết bị, đặc biệt trong môi trƣờng ẩm cao, làm cho những bảng mạch in và những đầu nối bị ăn mòn, làm
Đƣ ờn g k ín h p is to n mm
Áp suất làm việc (bar)
38 hỏng bộ điều khiển. Một số lƣu ý về điều kiện môi trƣờng làm việc máy CNC thông dụng [40]:
1. Nhiệt độ môi trƣờng làm việc nằm trong khoảng từ 0 ÷ 35 ℃, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng, cần trang bị thiết bị chiếu sáng, nội thất tốt nhƣ hình 1.30
Hình1.30 Máy CNC làm việc trong môi trường bình thường
2. Để nâng cao tính chính xác của bộ phận gia công phải làm giảm biến dạng nhiệt của máy, nếu có thể đƣợc, máy CNC nên đƣợc đặt trong một môi trƣờng tƣơng đối khép kín và có thể trang bị thiết bị điều hòa không khí nhƣ hình 1.31
Hình 1.31 Máy CNC làm việc trong môi trường có quạt và điều hòa không khí [41]
3. Môi trƣờng làm việc có độ ẩm tƣơng đối dƣới 75%. Máy CNC nên đƣợc lắp đặt ở những nơi cách xa chất lỏng văng tóe và ngăn chặn ngƣng đọng, nhỏ giọt của chất lỏng
4. Tránh môi trƣờng bụi bẩn và khí ăn mòn.
Điều hòa không khí
39 Theo khuyến cáo của nhà sản xuất máy CNC để đảm bảo độ chính xác cao của máy và quá trình gia công thì yếu tố môi trƣờng làm việc là rất quan trọng (nhiệt độ và độ ẩm