Chương 2: CÁC THÔNG SỐ THỦY ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY MÀI TRÒN NGOÀI
2.3. Các thông số thủy động cơ bản của cụm ổ trục chính máy mài tròn ngoài
Hầu hết các máy mài tròn ngoài trong các xưởng gia công cắt gọt truyền thống tại Việt Nam hiện nay đều đang còn sử dụng những loại máy mài do Liên Xô cũ sản suất những năm 1975-1980, do các loại máy này vẫn chạy ổn định đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị. Một trong các dòng máy mài tròn ngoài đó là máy mài 3K12 thuộc dòng máy cỡ trung. Cụm trục chính của máy mài 3K12 sử dụng phương pháp bôi trơn thủy động. Việc sử dụng phương pháp bôi trơn thủy động cho cụm trục chính máy này đã đảm bảo được yêu cầu cơ bản về độ chính xác kích thước và hình học của chi tiết gia công tinh. Tuy nhiên với đặc điểm của bôi trơn thủy động là quỹ đạo tâm trục thay đổi phụ thuộc vào tốc độ và tải trọng tác dụng điều này gây khó khăn cho việc ổn định và nâng cao chất lượng chi tiết gia công tinh theo yêu cầu của công nghiệp hiện nay như hình 2.12.
Hình 2. 12. Chiều dày màng dầu thay đổi theo tốc độ quay của trục [8]
Mặt khác, theo thời gian sử dụng nên khả năng tải cũng như độ ổn định tâm trục, rung động trục chính máy mài tròn ngoài không duy trì được như chất
Vi Thị Nhung – CTM16B
lượng ban đầu. Cùng với sự phát triển khoa học về tribology yêu cầu về năng suất cũng như nâng cao chất lượng chi tiết gia công, một xu hướng mới đã được triển khai cho thiết kế và chế tạo cụm ổ trục chính là giải pháp bôi trơn thủy tĩnh cho các máy công cụ nói chung và máy mài nói riêng với những ưu điểm đặc biệt mà các loại ổ trục khác không có: Hệ số ma sát rất nhỏ khoảng (1.10-5- 6.10- 5) do luôn làm việc ở chế độ bôi trơn ướt; Khả năng chịu tải cao, ngay cả ở vùng có vận tốc thấp (gần bằng 0); Khả năng giảm chấn của ổ thủy tĩnh tốt hơn các loại ổ khác, đồng thời không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt nên về mặt lý thuyết là không có ma sát; Sự cản trở chuyển động của ổ chính là độ nhớt của chất lòng bôi trơn. Chính đặc điểm này đã kéo dài tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị.
Đề tài tập trung nghiên cứu xác định bộ thông số thủy tĩnh của cụm trục chính máy mài tròn ngoài dựa trên các thông số cơ bản của cụm ổ thủy động có sẵn làm cơ sở để chế tạo cụm ổ thủy tĩnh cho trục chính máy mài tròn ngoài mà một trong các dạng điển hình cho dòng máy mài cỡ trung là máy mài tròn ngoài 3K12 (Hình 2.13).
Thông số chung của máy mài tròn ngoài 3K12:
Cấp chính xác theo ГОСТ 8-82 П
Đường kính lớn nhất của phôi, 200 mm.
Độ dài lớn nhất của sản phẩm đã xử lý, 500 mm.
Chiều dài nghiền lớn nhất, 450 mm.
Đường kính mài tròn lớn nhất, 200 mm.
Đề nghị đường kính mài tròn, 8..60 mm.
Đường kính mài bên trong được đề nghị, 25..100 mm.
Chuyển động theo chiều dọc lớn nhất của bàn bằng tay/máy, 550/500 mm.
Tốc độ di chuyển bàn từ hệ thống thủy lực, 0,1..5 m/phút.
Góc quay lớn nhất của bảng trên là chiều kim đồng hồ, 60 độ.
Góc quay lớn nhất của bảng trên ngược chiều kim đồng hồ, 70 độ.
Vi Thị Nhung – CTM16B
Hình 2. 13. Hình dáng máy mài tròn ngoài 3K12 Đầu mài:
Chuyển động lớn nhất của đầu mài từ bánh đà, 110 mm.
Di chuyển đầu mài tương ứng với phần trên, 230 mm.
Di chuyển đầu mài trong khi tiếp cận nhanh, 40 mm.
Xoay đầu mài, 90 độ.
Bánh mài theo GOST 2424-67 350 x 40 x 127:
Đường kính của bánh mài - lớn nhất/nhỏ nhất, m/s.
Đường kính trong bánh mài, 127 m/s.
Chiều rộng bánh mài, 40 mm.
Tốc độ quay trục chính, 2720 vòng/phút.
Giá trị của chuyển động ngang của đầu mài trong một lượt của bánh đà, 0,5 mm.
Tốc độ điều chỉnh nhanh đầu mài, 1 mm/phút
Đường kính chuôi trục chính theo ГОСТ 2323-67 (côn 1: 5, đường kính danh nghĩa), 65 mm.
Vi Thị Nhung – CTM16B
Công cụ mài bên trong:
17 x 20 x 6 mm.
30 x 25 x 10 mm.
40 x 32 x 16 mm.
Kích thước tổng thể của máy 2600 x 1900 x 1975 mm.
Trọng lượng máy với thiết bị điện và làm mát, 3100 kg.
Năm sản suất: 1982
Máy mài tròn 3K12 thuộc dòng máy cỡ trung được thiết kế để mài các bề mặt hình trụ và hình nón bên ngoài và bên trong trong sản xuất đơn chiếc và quy mô nhỏ với việc lắp đặt các bộ phận trong các trung tâm.
Sự có mặt của bàn xoay làm cho nó có thể mài phẳng các bề mặt hình nón ở các trung tâm.
Bề mặt hình nón lõm có thể được nghiền bằng cách xoay đầu của sản phẩm hoặc đầu mài.
Máy có thể được xử lý theo các cách sau:
• Tự động mài với những hoạt động không liên tục ngang dọc mà được thực hiện bởi bảng ngược với ăn dao tự động tắt trên đạt một kích thước định trước.
• Cắt theo chiều dọc điều khiển bằng tay.
• Bằng cách nghiền điều khiển bằng tay.
• Độ chính xác của việc xử lý nằm trong vòng 1-2 lớp.
Máy được thiết kế để hoạt động ở tốc độ mài 35 hoặc 50 m/s.
Tuy nhiên, theo thời gian sử dụng nên khả năng tải cũng như độ ổn định tâm trục, rung động trục chính của dòng máy mài tròn ngoài này không duy trì được như chất lượng ban đầu. Do đó cần thiết thay thế cụm ổ thủy động bằng cụm ổ thủy tĩnh cho trục chính để đảm bảo chất lượng gia công theo yêu cầu công nghiệp hiện đại đồng thời giảm chi phí đầu tư thiết bị mới.
Vi Thị Nhung – CTM16B
Để xác định bộ thông số thủy tĩnh cho cụm ổ thay thế trước hết phải lấy số liệu của cụm ổ thủy động ở những giá trị nguy hiểm nhất để làm cơ sở tính toán. Ổ thủy động dùng cho cụm trục chính máy mài 3K12 là ổ tự lựa với khả năng ổn định tâm trục cao hơn ổ cứng nhưng khả năng tải thấp hơn. Do đó phải xác định khả năng tải cao hơn đó là ổ thủy động ba mưởng cứng. Đề tài lựa chọn phương pháp tính toán gần đúng theo công nghiệp theo tài liệu [8] để xác định các thông số thủy động làm căn cứ tính toán xác định các thông số thủy tĩnh đặc trưng phục vụ nghiên cứu và chế tạo. Sơ đồ mặt cắt ngang và dọc của cụm ổ thủy động trục chính máy mài 3K12 được thể hiện trên hình 2.14 và hình 2.15.
Hình 2. 14. Sơ đồ mặt cắt ngang cụm ổ thủy động máy mài tròn ngoài 3K12 1-Mưởng tự lựa;2-Khung gá bạc; 3-Vít điều chỉnh; 4-Mắt dầu;
5-Dây đai; 6-Động cơ.
Cụm ổ thủy động máy mài 3K12 với kết cấu ổ tự lựa 3 mưởng có các thông số cơ bản như sau:
Đường kính ngõng trục: D=70mm.
Tốc độ quay trục chính: n=3000 vòng/phút.
Công suất động cơ: 5,5kW.
Vi Thị Nhung – CTM16B
Độ nhớt dầu bôi trơn: Chọn loại dầu bôi trơn sử dụng là dầu chuyên dùng cho trục chớnh mỏy cụng cụ cú độ nhớt thấp Mobil Velocite No 4 cú à=3,5 mpa.s;
khối lượng riêng: =0,802 g/cm3; Nhiệt dung riêng của dầu 1,7 kj/kg.C Nhiệt độ làm việc tối đa của dầu bôi trơn: T = 1200 C
Số mưởng tự lựa: 3
Tỷ lệ chiều rộng ổ/đường kính ổ: 𝑙
𝑑 = 0,8
Hình 2. 15. Sơ đồ mặt cắt dọc cụm ổ thủy động máy mài tròn ngoài 3K12 1-Thân máy; 2-Vỏ ổ trượt; 3-Trục; 4-Bích đá; 5-Đá mài;6-Bao che đá; 7-Bánh
đai; 8-Bao che bộ truyền đai; 9,10-Nắp ổ
Chế độ lắp ráp trục và bạc: Các kiểu lắp lỏng tiêu chuẩn thường được sử dụng đối với mối ghép mà hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau.
Kiểu lắp 𝐻7
ℎ6;𝐻8
ℎ7;𝐻8
ℎ8 - Các kiểu lắp này có độ hở nhỏ, đăc biêt là độ hở nhỏ nhất bằng không (Smin = 0). Chúng được sử dụng đối với mối ghép động, nhưng chuyển động tương đối của chi tiết chậm, và thường dọc theo trục để đảm bảo độ
Vi Thị Nhung – CTM16B
chính xác định tâm cao. Ví dụ bánh răng thay thế lắp với trục trong máy công, cán pittong lắp với bạc dẫn hướng...
Kiểu lắp 𝐻7
𝑔6;𝐺7
ℎ6 - Kiểu lắp này có độ hở nhỏ, chúng đươc sử dung đối với mối ghép động chính xác. Độ hở nhỏ của lắp ghép nhằm giảm sai lệch độ đồng tâm.
Thường sử dụng cho mối ghép mà chuyển động tương đối là chuyển động tịnh tiến, hoặc ổ quay chính xác tải trọng nhỏ. Ví dụ: Ổ trục chính của các máy chính xác, trục thanh đo với bạc dẫn của đồng hồ so, bánh răng dịch chuyển trên trục,...
Kiểu lắp 𝐻7
𝑓7;𝐹8
ℎ6 - Có độ hở trung bình, độ hở đủ đảm bảo trục quay tự do trong ổ trượt, có bôi trơn mỡ hoặc dầu. Ví dụ: Ổ trục trong các hộp truyền động, bánh răng hoặc bánh đai quay lồng không trên trục, con trượt trong rãnh trượt,...
Kiểu lắp 𝐻7
𝑒7;𝐻8
𝑒8 - Có độ hở tương đối lớn, độ hở lớn đảm bảo trục quay tự do với chế độ làm việc nặng, tải trọng lớn, tốc độ lớn, nhiệt độ cao. Ví dụ: Ổ lắp với trục tua bin của máy phát điện, cổ trục chính của trục khuỷu với ổ trong động cơ ô tô.
Kiểu lắp 𝐻9
𝑑9;𝐻8
𝑑9 - Có độ hở lớn, cho phép bồi thường sai lệch lớn về vị trí của bề mặt lắp ghép và biến dạng nhiệt. Ví dụ: Trục máy cán, máy nghiền bi lắp với ổ trục, vòng găng lắp với rãnh pittong của máy nén khí.
Đối với ổ thủy động, tùy thuộc vào tải trọng, yêu cầu độ chính xác mà dùng kiểu lắp ghép. Theo [5] những kiểu lắp thường dùng trong bôi trơn ướt là
𝐻7 𝑒8,𝐻7
𝑓7,𝐻8
𝑒8… Nhưng đối với trục chính máy gia công chính xác như máy mài thì cần độ đồng tâm trục và ổ cao nên kiểu lắp phù hợp cho cụm ổ trục chính máy mài tròn ngoài là: 𝐺7
ℎ6 = +4010
−190 với độ hở nhỏ, nhằm giảm sai lệch độ đồng tâm.
Độ hở lớn nhất: Smax = 59àm.
Độ hở nhỏ nhất: Smin = 10 àm.
Độ hở trung bình: Stb= Smax+Smin
2 = 34,5à𝑚
Vi Thị Nhung – CTM16B
Đối với ổ thuỷ động do đặc điểm không bôi trơn ướt hoàn toàn trong giai đoạn quá độ và kém ổn định khi thay đổi các thông số của tải như P và v(U), nên cần thiết phải xác định chiều dầy màng dầu bôi trơn ướt tối thiểu. Chiều dầy màng dầu tối thiểu này phụ thuộc vào vận tốc.
Căn cứ vào vận tốc trục tính theo công thức:
U = 𝜋.𝑑.𝑛
60 =𝜋.0,07.3000
60 = 10,99 (𝑚/𝑠)
Tra bảng 2.1 tỡm được chiều dày màng dầu nhỏ nhất h0min=4àm. Thừa nhận bề mặt được gia cụng tinh cú chiều cao nhỏm là l àm, khi đú cú thể coi homin~ 5àm là chiều cao nhỏ nhất để đảm bảo bụi trơn ướt.
Bảng 2. 1. Chiều dày màng dầu nhỏ thất theo U [8]
U in m/s 0 … 1 1 … 5 5 … 10 10 … 30 >30
homin in àm 1 2 3 4 5
Đồng thời để đảm bảo bôi trơn ướt hoàn toàn thì [8]:
𝑠
ℎ𝑜𝑧 ≥ 5 ↔ 𝑅 − 𝑟 ℎ𝑜𝑧 ≥ 5
Trong đó:
s: Sai khác bán kính;
R: Bán kính lỗ;
r: Bán kính bạc;
hoz: Chiều dày màng dầu thủy động;
Theo [8] h0max < 0,35 Stb= 12,075àm
=> lấy h0z= 8,5àm.
Ta có: 𝑠 ≥ 5. ℎ𝑜𝑧 và 𝑠 = 𝑒 + ℎ𝑜𝑧 Từ đó tính được:
E=34àm =>s = 42,5àm
Hình 2. 16. Các thông số cơ bản của một mưởng trong ổ thủy động [8]
a. Xác định lực thủy động F1 tác dụng lên mưởng tự lựa 1:
Vi Thị Nhung – CTM16B
Độ lệch tâm tương đối lớn nhất:
𝜀𝑚𝑎𝑥 =𝑒
𝑠 = 1 −ℎ𝑚𝑖𝑛
𝑠 = 0,88 Tra hình 2.17 với 𝑏
𝑑= 0,8 và 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 0,88 cùng = 1300 (với ổ thủy động 3 mưởng tra theo = 1300) [8] ta có:
𝐹1
6𝜇𝑈𝑏(𝑟𝑠)2 = 0,9 => F1 = 0,9.6. 𝜇𝑈𝑏(𝑟
𝑠)2 F1 = 0,9.6.3,5(mpa.s).10,99(m/s).0,056(m).( 0,035 (𝑚)
42,5.10−6(𝑚))2=7888705(mN)=7890 (N)
Hình 2. 17. Sự phụ thuộc các thông số đặc trưng của ổ thủy động [8]
với = 130, 𝑏
𝑑 = 0,8; 𝜀 = 0,7 … 1
Phương của lực thủy động được xác định thông qua hình 2.18 [7] ta được
F = 1640
b-Xác định thủy động tác dụng lên mưởng 2 và 3 của ổ trượt lực:
Chiều dày dầu tại mưởng 2:
h02 = 2hoz –homin và 𝜀 = 1 −2hoz –homin
𝑠 = 0,72 Theo hình 2.17 [8] với 𝜀 = 0,72, 𝑏
𝑑 = 0,8 và cùng = 1300 ta được:
𝐹2
6𝜇𝑈𝑏(𝑟𝑠)2= 0,21 => F2 = 0,21.6.𝜇𝑈𝑏(𝑟
𝑠)2
Vi Thị Nhung – CTM16B
F2 = 0,21.6.3,5(mpa.s).10,99(m/s).0,056(m).( 0,035 (𝑚)
42,5.10−6(𝑚))2= 1840698mN = 1840(N)
Hình 2. 18. Góc của lực F theo 𝜺, 𝝋𝟏[8]
Phương của lực thủy động được xác định thông qua hình 2.18 [8] ta được F = 1620
Thừa nhận mưởng 2 và 3 có lực thủy động là như nhau thì tổng lực thủy động do ba mưởng của ổ tác dụng lên cổ trục chính là:
FTH = F1 + F2.cos1200 +F3.cos1200=7890+1840.(-0,5) +1840.(-0,5) = 6050(N)
Hình 2. 19. Sự phụ thuộc các thông số đặc trưng của ổ thủy động [8]
với = 130, 𝑏
𝑑 = 0,8; 𝜀 = 0 … 1
Vi Thị Nhung – CTM16B
c-Công suất ma sát và lưu lượngcủa ổ thủy động.
Mưởng tự lựa chính: với = 0,88 và 𝑏
𝑑 = 0,8, 1 = 1300 tra biểu đồ theo hình 2.20 [8] ta tìm được:
𝐹𝑅1 𝜇. 𝑈. 𝑏.𝑟
𝑠
= 7,8 ↔ 𝐹𝑅1 = 7,8. 𝜇. 𝑈. 𝑏.𝑟 𝑠
FR1 = 7,8.3,5(mpa.s).10,99(m/s). 0,056(m). 0,035 (𝑚)
42,5.10−6(𝑚) = 13836(mN) ~ 14(N)
Hình 2. 20. Lực ma sát với = 0,7...1 và 1 = 1300 [8]
Theo đồ thị hình 2.20 ta xác định lực ma sát FR3 với = 0,88và1 = 1300,
3 = 2300:
𝐹𝑅3 𝜇. 𝑈. 𝑏.𝑟
𝑠
= 1,8 ↔ 𝐹𝑅3 = 1,8. 𝜇. 𝑈. 𝑏.𝑟 𝑠
FR3 = 2,9.3,5(mpa.s).10,99(m/s). 0,056(m). 0,035 (𝑚)
42,5.10−6(𝑚) = 3193(mN) ~ 3,1(N) Tính lực ma sát tương tự cho mưởng thứ 2 va 3 ta sẽ được kết quả như Bảng 2.2
Vậy công suất ma sát của ổ thủy động là: PR = 10-3.FR.U (kW) PR = 10-3. 37,92.10,99 ≈ 0,42 (kW)
Lưu lượng của cụm ổ thủy động:
Vi Thị Nhung – CTM16B
Q = 0,6.10
2.𝑃𝑅
𝑐.𝜌.∆𝑡 (m3/s) = 0,6.10
2.0,42
1,7.820.20 = 0,00090(m3/s)
Bảng 2. 2. Tổng hợp kết quả lực ma sát trên các mưởng
Thứ tự mưởng tự lựa Đơn vị tính: N
FR1 FR3 FR1 +FR3
1 14,00 3,10 18,40
2 6,90 2,86 9,76
3 6,90 2,86 9,76
27,80 8,82 37,92