CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MA SÁT TRONG XYLANH - PISTON KHÍ NÉN
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.5 Ảnh hưởng của lực ma sát đến sai lệch vị trí của xylanh – piston khí nén trong ở cấp
4.5.2 Cấu tạo hệ thống thay dao máy phay CNC
Cấu tạo của hệ thống thay dao máy CNC cỡ trung đƣợc trình bày trên hình 4.16
Hình 4.16 Cấu tạo hệ thống thay dao trên máy CNC V30
Ổ cấp dao đƣợc đƣa vào vị trí thay dao nhờ hệ thống XLPTKN 2. Trên hình 4.17 trình bày sơ đồ điều khiển khí nén của hệ thống thay dao.
Hình 4.17 Sơ đồ hệ thống khí nén máy CNC - V30 [44]
Khi có lệnh thay dao, thiết bị cung cấp khí nén đƣợc khởi động cấp khí nén cho XLPTKN nhờ điều khiển bằng điện từ SOL1, đồng thời điều chỉnh lưu lượng thông qua van tiết lưu đảm bảo tốc độ làm việc của piston rồi vào buồng A của xylanh tạo ra lực đẩy của piston. Piston đẩy vào tang chứa của ổ cấp dao làm cho nó chuyển động tịnh tiến vào
1- Giá đỡ 2- XLPTKN
3- Động cơ dẫn động quay ổ cấp dao 4- Chuôi gá dao
5- Kẹp dao 6- Cơ cấu mante 7- Tang chứa dao
Di chuyển ổ cấp dao Tháo/ kẹp dao
Làm sạch cổ trục chính
Nguồn khí nén
106 vị trí thay dao. Khí nén sau đó đƣợc đƣa vào XLPTKN tháo/kẹp dao thông quan van điện từ SOL2, đồng thời khi gá dao thoát khỏi lỗ côn trục chính van điện từ SOL3 thổi khí nén dọc tâm trục chính đi ra lỗ côn để làm sạch bề mặt lắp ghép.
Trục chính đƣợc điều khiển chuyển động lên trên thoát khỏi chuôi côn của dao. Ổ cấp dao quay phân độ đưa dao được gọi bởi chương trình NC vào vị trí thay dao. Trục chính đƣợc điều khiển chuyển động về mặt phẳng thay dao đồng thời SOL2 điều khiển kẹp dao.
SOL1 điều khiển XLPTKN đƣa ổ cấp dao về vị trí trữ dao.
Trong chu trình thay dao nói trên thì chuyển động của XLPTKN đƣợc điều khiển bởi van điện từ SLO1, van tiết lưu sẽ quyết định ảnh hưởng sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao.
4.5.3 Sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao máy CNC
Một số thông số cơ bản của ổ cấp dao tự động máy phay CNC V30:
Hành trình của piston là : H = 250 mm.
Khối lƣợng của ổ cấp và các chi tiết lắp ghép khác: m (kg) gồm:
- Khối lƣợng của Tang: m1= 50kg;
- Khối lƣợng của 1 dao: m2 = 7kg;
- khối lƣợng cơ cấu kẹp dao: m3 = 0.8kg;
- Khối lƣợng của động cơ gắn liền hộp giảm tốc quay đài dao: m4 = 22 kg;
- Các thành phần lắp ghép khác chọn m5= 10 kg;
=> m = 231.74 kg
- Khối lƣợng của cần piston: m6 = 0.74kg.
Thời gian đƣa ổ cấp dao về vị trí thay dao 3-5s; Áp suất làm việc 5 ÷ 6 bar
Vị trí dừng của XLPTKN khi đưa ổ cấp dao về vị trí thay dao chịu ảnh hưởng bởi đặc tính ma sát trong điều kiện biến thiên nhiệt ẩm Việt Nam. Dung sai sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao đƣợc thể hiện hình 4.18.
= Lmax – Lmin (4.20)
Trong đó: Lmax – Sai lệch lớn nhất của ổ cấp dao khi có tín hiệu dừng;
Lmin - Sai lệch nhỏ nhất của ổ cấp dao khi có tín hiệu dừng.
LT – Khoảng hiệu chỉnh vị trí ổ cấp dao CB1, CB2 – Cảm biến hành trình
107 Hình 4.18 Định lượng sai lệch và điều chỉnh ổ cấp dao
Mô hình chuyển động của piston đƣa ổ cấp dao về vị trí thay dao đƣợc thể hiện trên hình 4.19
Hình 4. 19 Mô hình chuyển động của piston đưa ổ cấp dao về vị trí thay dao
Phương trình chuyển động của XLPTKN dùng cho ổ cấp dao máy CNC:
Mx&&= FP - FL - Fmsd (4.21) Fp = p1. A1 –p2.A2
M = m + m6
Fmsd = f(T, RH) với T = 150C ÷ 500C, RH = 51% ÷ 99%
FL = f.m.g; f = 0.05 Trong đó: p1 – Áp suất buồng 1;
p2 – Áp suất buồng 2;
A1 – Diện tích buồng 1;
A2 - Diện tích buồng 2;
Fms
FL FP
P1 P2
m
x
Trục chính
Ổ cấp dao ở vị trí chờ
m6
CB1 CB2
LT
A2 A1
108 x – Dịch chuyển của piston tại thời điểm t;
m – Khối lƣợng của ổ cấp dao và các chi tiết lắp ghép khác;
m6 – Khối lƣợng của cần piston;
M – khối lƣợng của toàn bộ hệ thống khi thay dao;
Fp – Lực đẩy piston;
Fmsd - Lực ma sát giữa các gioăng – xylanh;
FL – Lực cản lăn.
Xét quá trinh dừng của ổ cấp dao phương trình chuyển động của ổ cấp dao có dạng sau:
L msd
Mx&&= -F - F
(4.22)
Khoảng dịch chuyển quá độ trong qúa trình dừng ổ cấp dao máy phay CNC đƣợc tính theo công thức:
v2 – v02 = 2.a.L
2 0.
2( . . msd) L v M
f m g F
(4.23) Trong đó: v – Vận tốc dừng, v = 0mm/s;
v0 - Vận tốc làm việc của piston khi bắt đầu quá trình dừng;
a - Gia tốc của piston;
L – Khoảng dịch chuyển quá độ trong quá trình dừng.
Sử dụng phần mềm Matlab tính sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao máy phay CNC ứng với từng tốc độ dịch chuyển.
Xét trường hợp 1: Khi ổ cấp dao mang đủ 20 dao
Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao máy phay CNC ở các tốc độ dịch chuyển 30, 50, 100mm/s đƣợc thể hiện trên hình 4.20, 4.21, 4.22.
Hình 4.20 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v = 30mm/s khi
mang đủ dao
Hình 4.21 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v = 50mm/s khi
mang đủ dao
109 Nhận xét: Từ các đồ thị sai lệch vị trí dừng
hình 4.20, hình 4.21, hình 4.22 cho thấy ma sát của XLPTKN trong điều kiện biến thiên nhiệt ẩm Việt Nam có ảnh hưởng rõ rệt đến vị trí dừng của ổ cấp dao máy phay CNC.
Sai lệch vị trí dừng có chiều hướng tăng khi tốc độ dịch chuyển tăng. Sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao máy phay lớn nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 500C, RH = 99%), sai lệch nhỏ nhất trong vùng nhiệt ẩm (T = 150C, RH = 51%). Dung sai () của sai lệch vị trí
ở các tốc độ dịch chuyển 30mm/s, 50mm/s, 100mm/s lần lƣợt là: 0.035mm, 0.108mm, 0.387mm.
Trường hơp 2: Khi ổ cấp dao mang 1 dao
Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao máy phay CNC ở các tốc độ dịch chuyển 30mm/s, 50mm/s, 100mm/s đƣợc thể hiện trên hình 4.23, 4.24, 4.25
Hình 4.23 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v = 30mm/s khi
mang 1 dao
Hình 4.24 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v = 50mm khi
mang 1 dao Nhận xét:
Từ các đồ thị sai lệch vị trí dừng hình 4.23, hình 4.24, hình 4.25 cho thấy ma sát của XLPTKN trong điều kiện biến thiên nhiệt ẩm Việt Nam có ảnh hưởng rõ rệt đến vị trí dừng của ổ cấp dao máy phay CNC. Sai lệch vị trí dừng có chiều hướng tăng khi tốc độ dịch chuyển tăng. Sai lệch vị trí của ổ cấp dao máy phay CNC lớn nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 500C, RH = 99%), sai lệch nhỏ nhất trong vùng nhiệt ẩm (T = 150C, RH = 51%).
Hình 4.22 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v = 100mm/s khi
mang đủ dao
110 Dung sai () của sai lệch vị trí ở các tốc độ dịch chuyển 30mm/s, 50mm/s, 100mm/s lần lƣợt là: 0.066mm, 0.200mm, 0.648mm.
Nhận xét chung:
Từ các đồ thị sai lệch vị trí của ổ cấp dao trong 2 trường hợp ổ cấp dao mang đủ dao và ổ cấp dao mang 1 dao cho thấy khoảng dung sai phụ thuộc vào đặc tính ma sát trong môi trường nhiệt ẩm, tốc độ dịch chuyển và khối lƣợng của ổ cấp dao đƣợc thể hiện trong bảng 4.13
Bảng 4.13 Tổng hợp sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao khi dừng
v(mm/s) Lmin1 (mm)
Lmax1
(mm) 1 (mm) Lmin20 (mm)
Lmax20
(mm) 20 (mm) LT = (Lmin1+Lmax20)/2
30 0.712 0.778 0.066 0.820 0.855 0.035 0.7835
50 1.895 2.095 0.200 2.232 2.340 0.108 2.1175
100 6.922 7.570 0.648 8.537 8.924 0.387 7.9226
Trong đó:
Lmin1 - Sai lệch nhỏ nhất của ổ cấp dao chứa 1 dao khi dừng;
Lmax1 - Sai lệch lớn nhất của ổ cấp dao chứa 1 dao khi dừng;
1 - Dung sai sai lệch của ổ cấp dao chứa 1 dao khi dừng;
Lmin20 - Sai lệch nhỏ nhất của ổ cấp dao chứa đủ dao khi dừng;
Lmax20 - Sai lệch lớn nhất của ổ cấp dao chứa đủ dao khi dừng;
20 - Dung sai sai lệch của ổ cấp dao chứa đủ dao khi dừng;
LT - Khoảng hiệu chỉnh vị trí ổ cấp dao
Do tác động của nhiệt ẩm đặc trƣng Việt Nam đã dẫn tới sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao sử dụng XLPTKN phân bố trong khoảng dung sai nhƣ trong bảng 4.13, đây là nguyên nhân gây mòn va đập lỗ côn trục chính máy phay CNC. Do đó, cần điều chỉnh để tâm của khoảng dung sai trùng đường tâm lỗ côn trục chính (tham khảo kích thước LT trong bảng 4.13), khi đó sẽ giảm được ảnh hưởng của yếu tố nhiệt ẩm đến ma sát XLPTKN nói chung và mòn va đập lỗ côn trục chính nói riêng. Việc điều chỉnh này cần đƣợc thực hiện thông qua quá trình hiệu chỉnh máy và chạy thử khi lắp ráp.
Mặt khác khối lượng ổ cấp dao thay đổi cũng ảnh hưởng đến sai lệch vị trí dừng cũng nhƣ khoảng dung sai của sai lệch. Vì vậy khi vận hành máy CNC bên cạnh việc lựa chọn
Hình 4.25 Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển v =100mm/s
khi mang 1 dao
111 số dao trữ trên ổ cấp dao phù hợp với quy trình công nghệ gia công cần phải quan tâm tới tổng khối lƣợng của các dao để giảm dung sai sai lệch vị trí.
112
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Từ kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu đã xác định đƣợc đặc tính ma sát bao gồm ma sát tĩnh và ma sát động biến thiên theo tốc độ dịch chuyển có dạng tương đồng với đường cong Stribeck và biểu diễn bằng phương trình (4.1) và (4.2).
Ở cùng nhiệt độ khi tăng độ ẩm thì lực ma sát có xu hướng giảm điều này khẳng định ảnh hưởng rõ rệt của độ ẩm tương đối đến lực ma sát của XLPTKN. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của độ ẩm tương đối đến ma sát động là mạnh hơn trường hợp ma sát tĩnh.
Ở cùng độ ẩm tương đối, khi tăng nhiệt độ môi trường thì lực ma sát cũng có xu hướng giảm và lực ma sát động giảm mạnh hơn ma sát tĩnh, do vật liệu làm gioăng bị biến tính, ở nhiệt độ thấp cứng lại, giảm tính đàn hồi, khi tăng nhiệt độ gioăng đƣợc làm mềm hơn tăng tính đàn hồi.
Thông qua quy hoạch thực nghiệm với 2 thông số nhiệt ẩm đã xác định hàm hồi quy lực ma sát phụ thuộc vào 2 yếu tố đặc trƣng của khí hậu Việt Nam là nhiệt độ (T) và độ ẩm tương đối không khí (RH) là phương trình bậc 2 (4.11), (4.12), (4.13), (4.16), (4.17) và (4.18).
Trên cơ sở các thông số cơ bản của ổ cấp dao máy phay CNC đã xác định đƣợc sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao sử dụng XLPTKN, sai lệch vị trí dừng có chiều hướng tăng khi tốc độ dịch chuyển tăng. Sai lệch vị trí lớn nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 500C, RH = 99%), sai lệch nhỏ nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 150C, RH = 51%). Khoảng dung sai sai lệch vị trí của ổ cấp dao nhƣ trong bảng 4.13 có thể đƣợc dùng làm căn cứ điều chỉnh máy khi lắp đặt và chạy thử máy phay CNC trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Kết quả này cho thấy ảnh hưởng của nhiệt ẩm không khí đến vị trí dừng của ổ cấp dao là rõ rệt, nó là một trong những nguyên nhân gây ra sự không đồng tâm trong quá trình thay dao và là nguyên nhân gây ra mòn va đập lỗ côn trục chính.
Để giảm mòn va đập lỗ côn trục chính, khi lắp ráp điều chỉnh máy cần phải đảm bảo tâm của dung sai sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao trùng với đường tâm của lỗ côn trục chính.
113
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Trong hệ thống thay dao tự động máy phay CNC cỡ trung, sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao khi vào thay dao là một trong các nguyên nhân chính gây mòn va đập lỗ côn trục chính. Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công của máy phay CNC, làm giảm độ tin cậy và tuổi thọ chung của máy.
Với hệ thống thay dao tự động máy phay CNC cỡ trung có sử dụng xylanh – piston khí nén là nguồn động lực cho chuyển động đƣa ổ cấp dao vào vùng thay dao, thì sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao chính là sai lệch vị trí của XLPTKN.
Ảnh hưởng của khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam đến đặc tính ma sát của XLPTKN là rõ rệt.
Kết quả thực nghiệm cho thấy đặc tính ma sát thay đổi theo tốc độ dịch chuyển có dạng đường cong Stribeck với giá trị nhỏ nhất trong khoảng 25 ÷ 35mm/s. Đồng thời đặc tính ma sát giảm: khoảng 10% ÷ 17% khi nhiệt độ tăng từ 150C ÷ 500C; Giảm khoảng 14% ÷ 24% khi độ ẩm tương đối tăng từ 51% ÷ 99%. Luận án đã đưa ra các phương trình (4.1) và (4.2) mô tả mối quan hệ này.
Kết quả từ quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai với hai yếu tố đầu vào nhiệt độ (T) và độ ẩm tương đối (RH) được thực hiện ở 3 tốc độ làm việc (30mm/s, 50mm/s và 100mm/s) của XLPTKN đã cho thấy đặc tính ma sát biến thiên có quy luật và đƣợc cụ thể hóa bằng các phương trình hồi quy có dạng.
Fms = b0 – b1T+b2RH – b22RH2
Các hệ số bi được cho trong bảng 4.11, từ phương tình hồi quy cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng tuyến tính và độ ẩm ảnh hưởng phi tuyến.
Từ quy luật biến thiên của ma sát trong điều kiện nhiệt ẩm thay đổi với các thông số cụ thể của máy CNC V30 đã định lƣợng đƣợc sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao khi vận hành trong môi trường nhiệt ẩm Việt Nam. Sai lệch vị trí dừng này phụ thuộc giá trị nhiệt ẩm, tốc độ dịch chuyển của ổ cấp dao và khối lƣợng ổ cấp dao. Trong các vùng tốc độ dịch chuyển khảo sát cho thấy tốc độ dịch chuyển càng lớn sai lệch vị trí càng nhiều, sai lệch vị trí lớn nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 500C, RH = 99%), sai lệch nhỏ nhất tại vùng nhiệt ẩm (T = 150C, RH = 51%).
Khoảng hiệu chỉnh vị trí ổ cấp dao đƣợc xác định trong bảng 4.13 có thể đƣợc sử dụng hiệu chỉnh và vận hành chạy thử khi lắp đặt máy phay CNC trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Điều này sẽ hạn chế sự suy giảm độ chính xác của máy và độ chính của chi tiết đƣợc gia công khi vận hành tại Việt Nam.
114
KHUYẾN NGHỊ
Nhƣ vậy, kết quả nghiên cứu lý thuyết và tổ chức thực nghiệm đã cho thấy một trong các nguyên nhân chính làm mòn va đập lỗ côn trục chính đó là biến thiên của nhiệt ẩm không khí, khi ổ cấp dao tự động sử dụng XLPTKN làm nguồn động lực.
Việc định lƣợng đƣợc sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam sẽ tạo tiền đề và cơ sở cho nghiên cứu mòn va đập lỗ côn trục chính. Đây chính là các thông số đầu vào cho thực nghiệm mòn va đập lỗ côn trục chính.
Căn cứ vào kết quả nghiên cứu tiếp tục triển khai các nghiên cứu tiếp theo nhằm ƣớc lƣợng đƣợc tuổi thọ dự kiến của lỗ côn trục chính. Từ đó có kế hoạch sửa chữa lỗ côn trục chính cho phù hợp điều kiện khí hậu Việt Nam.