Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong Xylanh - piston khí nén đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:121

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nhằm mục đích nghiên cứu xác định ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm tương đối với đặc trưng nhiệt ẩm Việt Nam đến đặc tính ma sát của XLPTKN, được sử dụng trong ổ cấp dao tự động của máy phay CNC cỡ trung; xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa đặc tính ma sát của XLPTKN vào tốc độ dịch chuyển với hai thông số nhiệt độ và độ ẩm tương đối biến thiên có đặc trong khí hậu Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong Xylanh - piston khí nén đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là tất cả những nội dung trong luận án ”Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong XLPTKN đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của tập thể cán bộ hƣớng dẫn: PGS. TS Phạm Văn Hùng và PGS. TS Trần Đức Quý. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày tháng năm 2016 Tập thể hƣớng dẫn Tác giả luận án PGS. TS Phạm Văn Hùng PGS. TS Trần Đức Quý Nguyễn Thùy Dương 1
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi ngƣời. Lời đầu tiên tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy & Ma sát học – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Trần Đức Quý đã hƣớng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành biết ơn các thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến bổ ích cũng nhƣ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những ngƣời luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận án Nguyễn Thùy Dƣơng 2
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................................6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH TRONG LUẬN ÁN...................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...........................................................................................10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN ..............................................................11 MỞ ĐẦU ................................................................................................................................15 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................15 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ....................................................................................... 16 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................................16 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................................17 5. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................................17 6. Nội dung luận án ................................................................................................................18 7. Các kết quả mới ..................................................................................................................19 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT TRONG XYLANH PISTON KHÍ NÉN DÙNG CHO Ổ CẤP DAO MÁY PHAY CNC ..................................................................................20 1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC và các hƣ hỏng lỗ côn trục chính ........................................... 20 1.1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC ...................................................................................... 20 1.1.2 Một số hƣ hỏng của lỗ côn trục chính liên quan đến quá trình thay dao tự động trên máy CNC ................................................................................................................. 24 1.2 Vai trò và đặc điểm của xylanh – piston khí nén.............................................................. 28 1.3. Cấu tạo xylanh- piston khí nén ........................................................................................ 29 1.4 Phân loại xylanh – piston khí nén..................................................................................... 31 1.4.1 Xylanh lực .............................................................................................................. 31 1.4.2 Xylanh quay ........................................................................................................... 33 1.5 Đặc tính làm việc của xylanh – piston khí nén ................................................................. 34 1.5.1 Lực đẩy piston ........................................................................................................ 34 1.5.2 Chiều dài hành trình ............................................................................................. 35 1.5.3 Tốc độ piston .......................................................................................................... 36 1.5.4 Lƣợng khí tiêu thụ .................................................................................................. 36 1.6 Đặc điểm môi trƣờng làm việc của các máy công cụ CNC.............................................. 37 1.6.1 Yêu cầu môi trƣờng làm việc máy CNC ................................................................ 37 1.6.2 Môi trƣờng làm việc máy CNC tại Việt Nam [43,44] ........................................... 39 3
1.7 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc về đặc tính ma sát của xylanh – piston khí nén dùng cho máy CNC ......................................................................................................................... 41 1.8 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................................... 46 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 .......................................................................................................48 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MA SÁT TRONG XYLANH - PISTON KHÍ NÉN ...49 2.1 Tổng quan về ma sát ......................................................................................................... 49 2.1.1 Một số khái niệm chung về ma ma sát ................................................................... 49 2.1.2 Đặc điểm tiếp xúc ma sát của cặp ma sát trƣợt ..................................................... 50 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cặp ma sát trƣợt...................................................................... 52 2.2.1 Ảnh hƣởng của áp suất pháp tuyến ....................................................................... 53 2.2.2. Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trƣợt .................................................. 54 2.2.3 Sự phụ thuộc lực ma sát vào tốc độ dịch chuyển khi có bôi trơn .......................... 54 2.2.4 Ảnh hƣởng của vật liệu bôi trơn............................................................................ 56 2.2.5 Ảnh hƣởng của nhiệt độ ......................................................................................... 56 2.2.6 Ảnh hƣởng của độ ẩm ............................................................................................ 57 2.3. Các lý thuyết tính ma sát cặp vật liệu ............................................................................. 57 2.3.1. Công thức tính hệ số ma sát theo thực nghiệm ..................................................... 57 2.3.2 Lý thuyết cơ phân tử .............................................................................................. 59 2.4 Tính lực ma sát của xylanh – piston khí nén .................................................................... 62 2.4.1 Ma sát gioăng và XLPTKN .................................................................................... 63 2.4.2 Tính lực ma sát trong xylanh - piston dùng trong ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung. ............................................................................................................................... 65 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .......................................................................................................67 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MA SÁT TRONG XYLANH – PISTON KHÍ NÉN ............................................68 3.1 Mục đích thí nghiệm .........................................................................................................68 3.1 Mục đích thí nghiệm ......................................................................................................... 68 3.2 Phƣơng pháp đo lực ma sát ..............................................................................................68 3.2 Phƣơng pháp đo lực ma sát .............................................................................................. 68 3.3 Thiết kế thiết bị thực nghiệm ............................................................................................ 70 3.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu thực nghiệm........................................................................ 70 3.3.2 Thiết bị thực nghiệm đo ma sát trong xylanh – piston khí nén .............................. 71 3.4 Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm .................................................................................. 81 3.4.1 Xác định các thông số thực nghiệm ....................................................................... 81 4
3.4.2 Tổ chức thực nghiệm khảo sát ma sát trong xylanh – piston khí nén .................... 82 3.4.3 Bảng số liệu kết quả thực nghiệm .......................................................................... 83 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .......................................................................................................84 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................85 4.1 Thực nghiệm xác định ảnh hƣởng vận tốc dịch chuyển đến ma sát trong xylanh – piston khí nén. ................................................................................................................................... 85 4.2 Thực nghiệm ảnh hƣởng của độ ẩm tƣơng đối đến lực ma sát trong xylanh – piston khí nén .......................................................................................................................................... 87 4.3 Thực nghiệm ảnh hƣởng nhiệt độ đến lực ma sát của xylanh – piston khí nén ............... 90 4.4 Thực nghiệm ảnh hƣởng của môi trƣờng nhiệt ẩm Việt nam đến lực ma sát trong XLPTKN dùng trong ổ cấp dao máy CNC ............................................................................ 92 4.4.1 Xác định các hệ số của hàm hồi quy lực ma sát tĩnh ............................................. 93 4.4.2 Xác định các hệ số của hàm hồi quy lực ma sát động ............................................ 99 4.5 Ảnh hƣởng của lực ma sát đến sai lệch vị trí của xylanh – piston khí nén trong ở cấp dao máy phay CNC .............................................................................................................. 104 4.5.1 Giới thiệu hệ thống thay dao máy phay CNC cỡ trung V30 ................................ 104 4.5.2 Cấu tạo hệ thống thay dao máy phay CNC .......................................................... 105 4.5.3 Sai lệch vị trí khi dừng ổ cấp dao máy CNC ........................................................ 106 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 .....................................................................................................112 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.......................................................................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................119 PHỤ LỤC .............................................................................................................................120 5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer Numerical Control XLPTKN: Xylanh – piston khí nén ATC: Automatic tool changer TIR: Total indicator run out – Tổng sai lệch T: Nhiệt độ RH: Độ ẩm tƣơng đối của không khí 6
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị p Áp suất Bar v Tốc độ dịch chuyển mm/s F Lực piston lý thuyết N A1 Diện tích mặt đáy của piston m2 Feff Lực piston xylanh thực tế N Fms Lực ma sát N FF Lực lò xo trở lại N D Đƣờng kính piston m d Đƣờng kính cần piston m A‟ Diện tích mặt hình khuyên m2 qB Lƣu lƣợng tiêu thụ l/phut s Hành trình cm qH Lƣợng khí tiêu thụ trên chiều dài hành trình l/cm n Số hành trình trong một phút l/phút f Hệ số ma sát N Tải pháp tuyến N fvđ Hệ số ma sát khi va đập mv1 Động lƣợng thay đổi theo phƣơng tiếp tuyến N.s mv2 Động lƣợng thay đổi theo phƣơng tiếp tuyến N.s Fw Hệ số mất mát năng lƣợng WT Công tiêu hao để thắng lực ma sát J W Công tiêu hao chung J Fms Lực ma sát N A Đặc trƣng cho môi trƣờng tác dụng giữa hai vật thể ma sát  Sức bền cắt của liên kết phân tử kGf/mm2 PT Áp lực giới hạn chảy N/mm2 K Hệ số thực nghiệm T Giới hạn chảy của vật liệu N/mm2 D Đƣờng kính mẫu thử mm 7
d Chiều rộng vết đƣờng trƣợt mm a Bán kính chỗ bám dính mm f0 Hệ số ma sát tĩnh c Hằng số  0 Nhiệt độ K  Hệ số thực nghiệm F0 Lực ma sát tại thời điểm ban đầu của quá trình tiếp xúc N F Lực ma sát khi thời gian tiếp xúc là vô cùng N  Hệ số áp điện của thành phần ma sát phận tử Fch Lực ma sát cơ học N Fpt Lực ma sát phân tử N r Bánh kính cong của nhấp nhô m  Hệ số đàn hồi của vật liệu E Môdun đàn hồi của vật liệu Mpa αH Hệ số mất mát do trễ khi trƣợt h Chiều sâu thâm nhập m pc Áp lực vòng Hb Chiều cao của sóng m Rb Bán kính cong của sóng mm Hệ số phụ thuộc vào đƣờng cong phân bố của nhấp nhô bề Kv mặt  Hệ số phụ thuộc vào đƣờng cong phân bố của nhấp nhô bề Kvfdh mặt  FCoulomb Lực ma sát Coulomb N Kprop Hệ số phụ thuộc vào tốc độ FStribeck Ảnh hƣởng của Stribeck N fexp Hệ số mũ của tốc độ chảy p Chênh lệch áp suất giữ tham chia 2 buồng xylanh Bar Fstat Lực ma sát tĩnh N Fmin Lực ma sát nhỏ nhất N Fref Lực tham chiếu N Dref Đƣờng kính tham chiếu mm 8
vcrit Vận tốc giới hạn mm/s Fmst Lực ma sát tĩnh N Fmsd Lực ma sát động N FL Lực cản lăn N m Khối lƣợng của ổ cấp dao kg 9
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng số Tên bảng Trang Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của XLPTKN 71 Bảng 3.2 Bảng mã hóa biến thực nghiệm 82 Bảng 3.3 Ma trận quy hoạch trực giao bậc 2 83 Lực ma sát trong XLPTKN theo tốc độ dịch chuyển thực Bảng 4.1 85 nghiệm Lực ma sát của XLPTKN theo tốc độ dịch chuyển và độ ẩm Bảng 4.2 88 thực nghiệm Lực ma sát của XLPTKN theo tốc độ dịch chuyển và nhiệt độ Bảng 4.3 91 thực nghiệm Bảng 4.4 Tổng hợp thông số đầu vào, đầu ra và tổ chức thực nghiệm 93 Bảng 4.5 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát tĩnh ở tốc độ v = 30mm/s 94 Bảng 4.6 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát tĩnh ở tốc độ v = 50mm/s 97 Bảng 4.7 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát tĩnh ở tốc độ v = 100mm/s 98 Bảng 4.8 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát động ở tốc độ v = 30mm/s 100 Bảng 4.9 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát động ở tốc độ v = 50mm/s 101 Bảng 4.10 Ma trận quy hoạch trực giao ma sát động ở tốc độ v = 100mm/s 102 Các hệ số của phƣơng trình hồi quy đặc tính lực ma sát trong Bảng 4.11 103 điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam Bảng 4.12 Bảng thí thực nghiệm p =5bar. 104 Bảng 4.13 Tổng hợp sai lệch vị trí của ổ cấp dao khi dừng 110 10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình Số Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC 20 Hình 1.2 Ổ cấp dao máy phay CNC 21 Hình 1.3 Máy phay CNC CM3 sử dụng cơ cấu tay kẹp dụng cụ 22 HÌnh 1.4 Trình tự thay dao của ổ cấp dao có tay kẹp 22 HÌnh 1.5 Máy phay PCNC 1100 có ổ cấp dao tự hành 23 Hình 1.6 Trình tự thay dao của ổ chứa dao tự hành 23 HÌnh 1.7 Một số dạng hỏng lỗ côn trục chính và bề mặt chuôi dao 24 HÌnh 1.8 Lỗ côn trục chính trƣớc và sau khi mài lại 24 HÌnh 1.9 Kiểm tra độ đồng tâm của dao lắp trong trục chính 25 Hình 1.10 Sự phụ thuộc của tuổi thọ dao theo tổng sai lệch TIR 26 Hình 1.11 Đánh giá tổng sai lệch theo hƣớng kinh, TIR 26 Hƣ hỏng chuôi côn và sai lệch đƣờng tâm gá dao với đƣờng HÌnh 1.12 27 tâm của lỗ côn trục chính Hình 1.13 Một số xylanh thƣờng sử dụng trong công nghiệp 28 Hình 1.14 Cấu tạo xylanh – piston khí nén 29 Hình 1.15 Một số loại goăng trong XLPTKN 31 Hình 1.16 Xylanh tác động đơn 31 Hình 1.17 Xylanh màng 31 Hình 1.18 Xylanh tác động kép 32 Hình 1.19 Xylanh tác động kép với đệm vị trí cuối 32 Hình 1.20 Xylanh tác động kép tiếp đôi 32 Hình 1.21 Xylanh – piston hai đầu cần 32 Hình 1.22 Xylanh nhiều vị trí 33 Hình 1.23 Xylanh piston tác động 33 Hình 1.24 Xylanh không cần 34 Hình 1.25 Xylanh quay 34 Hình 1.26 Đồ thị quan hệ giữa lực, áp suất và đƣờng kính của XLPTKN 35 Đồ thị quan hệ giữa chiều dài hành trình, lƣc và đƣờng kính Hình 1.27 35 cần XLPTKN Hình 1.28 Tốc độ trung bình của piston 36 Hình 1.29 Lƣợng khí tiêu thụ 37 Hình 1.30 Máy CNC làm việc trong môi trƣờng bính thƣờng 38 Máy CNC làm việc trong môi trƣờng có quạt và điều hòa Hình 1.31 38 không khí Hình 1.32 Bản đồ khí hậu Việt Nam 39 Hình 1.33 Máy CNC làm việc tại công ty cơ khí tại Việt Nam 41 11
Kết quả thực nghiệm khảo sát lực ma sát gioăng piston - Hình 1.34 42 xylanh Hình 1.35 Kết quả mô phỏng lực ma sát ở điều kiện bôi trơn khác nhau 42 Hình 1.36 So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng 42 Sự phân bố ma sát cho xylanh với các đƣờng kính D=40mm, Hình 1.37 43 D=60mm và D=80mm Hình 1.38 Lực ma sát khi áp suất buồng cản =0 Mpa. 44 Hình 1.39 Lực ma sát khi áp suất buồng dẫn động =6 Mpa 44 Hình 1.40 Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc độ trƣợt 45 Đặc tính ma sát của gioăng A –PSD tại 50mm/s trong điều Hình 1.41 45 kiện không bôi trơn và có bôi trơn Hình 1.42 Quan hệ phụ thuộc lực ma sát với vận tốc 46 Đặc tính ma sát ở giai đoạn dịch chuyển ban đầu với các điều HÌnh 1.43 47 kiện áp suất khác nhau Hình 2.1 Đồ thị nguyên tắc biến thiên lực ma sát theo dịch chuyển 49 Hình 2.2 Đặc điểm tiếp xúc của 2 bề mặt 51 Hình 2.3 Tiếp xúc bề mặt ma sát trƣợt 51 Tiếp xúc lý tƣởng giữa bề mặt kỹ thuật trong ma sát tĩnh. Tiếp Hình 2.4 52 xúc nhấp nhô tác động nhƣ lò xo Hình 2.5 Biến dạng đàn hồi dƣới tác dụng của lực 52 Hình 2.6 Liên kết phá vỡ bắt đầu hiện tƣợng trƣợt 52 Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc áp suất Hình 2.7 53 pháp tuyến f = f(p) Sơ đồ nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc Hình 2.8 54 trƣợt f = f(v) Hình 2.9 Đƣờng cong Stribeck 54 Hình 2.10 Vùng bôi trơn giới hạn 55 Hình 2.11 Chuyển động cuốn chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc 55 Hình 2.12 Vùng bôi trơn hỗn hợp 55 Hình 2.13 Vủng 4 bôi trơn ƣớt hoànt oàn 56 Hình 2.14 Liên kết ma sát tại đỉnh nhấp nhô (liên kết ma sát đơn vị) 59 Hình 2.15 Sơ đồ ma sát trƣợt của chỏm cầu 61 Hình 2.16 Các loại gioăg trên XLPTKN 63 Hình 2.17 Hiệu suất là hàm của áp suất và đƣờng kính piston 64 Hình 2.18 Đặc tính ma sát tƣơng ứng với phƣơng trình 2.6 và 2.7 65 Đặc tính ma sát tƣơng ứng phƣơng trình 2.6 và 2.7 cho trƣờng Hình 2.19 66 hợp chênh lệch áp suất 0,2 ,4, 6, 8, 10 bar Hình 3.1 Phƣơng án 1 69 Hình 3.2 Phƣơng án 2 70 Hình 3.3 Kết cấu của Xylanh TGCSx150 71 Hình3.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển tủ nhiệt ẩm 72 12
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý đo ma sát của Belforte và đồng nghiệp 73 Hình 3.6 Sơ đồ đo lực ma sát của Ho chang và đồng nghiệp 74 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động cho XLPTKN của thiết bị Hình 3.7 74 thực nghiệm. Hình 3.8 Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đo 75 Hình 3.9 Sơ đồ xử lý, lƣu dữ liệu đo 75 Hình 3.10 Sơ đồ xử lý đọc lại dữ liệu 76 Hình 3.11 Màn hình hiểu thị kết quả đo 77 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của Hình 3.12 78 XLPTKN Hình 3.13: Mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thực nghiệm 78 Hình 3.14 Thiết bị trong tủ nhiệt ẩm 79 Hình3.15 Hệ thống đo và bộ XLSL 79 Hình 3.16 Hình ảnh thƣớc đo dịch chuyển thẳng 80 Hình 3.17 Hình ảnh thiết bị đo lực dạng chữ S 80 Đồ thị sự phụ thuộc của lực ma sát tĩnh vào tốc độ dịch Hình 4.1 86 chuyển Fmst – v Đồ thị sự phụ thuộc của lực ma sát động vào tốc độ dịch Hình 4.2 86 chuyển Fmsđ – v Đồ thị tƣơng quan Fmst -Fmsđ phụ thuộc vào tốc độ dịch Hình 4.3 87 chuyển Hình 4.4 Đồ thị quan hệ lực ma sát tĩnh – độ ẩm tƣơng đối 88 Hình 4.5 Đồ thị quan hệ lực ma sát động – độ ẩm tƣơng đối 88 Đồ thị quan hệ lực ma sát tĩnh – tốc độ dịch chuyển ở độ ẩm Hình 4.6 89 khác nhau Đồ thị quan hệ lực ma sát động – tốc độ dịch chuyển ở độ ẩm Hình 4.7 89 khác nhau Đồ thị sự phụ thuộc của lực ma sát của XLPTKN vao độ ẩm Hình 4.8 90 tƣơng đối và tốc độ dịch chuyển Hình 4.9 Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát vào nhiệt độ tƣơng ứng tốc độ 91 dịch chuyển Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát tĩnh vào môi trƣờng nhiệt ẩm ở Hình 4.10 96 tốc độ dịch chuyển 30mm/s Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát tĩnh vào môi trƣờng nhiệt ẩm Hình 4.11 98 ở tốc độ dịch chuyển 50mm/s Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát tĩnh vào môi trƣờng nhiệt ẩm Hình 4.12 99 ở tốc độ dịch chuyển 100mm/s Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát động vào môi trƣờng nhiệt ẩm Hình 4.13 100 ở tốc độ dịch chuyển 30mm/s Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát động vào môi trƣờng nhiệt ẩm Hình 4.14 101 ở tốc độ dịch chuyển 50mm/s 13
Đồ thị sự phụ thuộc lực ma sát động vào môi trƣờng nhiệt ẩm Hình 4.15 103 ở tốc độ dịch chuyển 100mm/s Hình 4.16 Cấu tạo hệ thống thay dao trên máy CNC V30 105 Hình 4.17 Sơ đồ hệ thống khí nén máy CNC V30 105 Hình 4.18 Định lƣợng sai lệch vầ điều chỉnh ổ cấp dao máy phay CNC 107 Mô hình chuyển động của piston đƣa ổ cấp dao về vị trí thay Hình 4.19 107 dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.20 108 v = 30mm/s khi mang đủ dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.21 108 v = 50mm/s khi mang đủ dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.22 109 v = 100mm/s khi mang đủ dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.23 109 v = 30mm/s khi mang 1 dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.24 109 v = 50mm/s khi mang 1 dao Đồ thị sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao ở tốc độ dịch chuyển Hình 4.25 110 v = 100mm/s khi mang 1 dao 14
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Máy công cụ CNC là hệ thống thiết bị cơ điện tử hiện đại, ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo, với nhiều ƣu điểm: Độ chính xác gia công cao, chất lƣợng ổn định, hiệu quả kinh tế cao, thời gian gia công, thời gian chuẩn bị gia công ngắn…Một trong các bộ phận quan trọng cấu thành máy CNC đó là hệ thống thay dao tự động (Automatic tool change - ATC). Hệ thống ATC là mô đun quyết định mức độ tự động và linh hoạt của máy CNC. Với các máy phay CNC cỡ trung, chuyển động đƣa ổ cấp dao vào vùng thay dao thƣờng sử dụng cụm xylanh – piston khí nén (XLPTKN). Trong quá trình thay dao tự động cần phải đảm bảo độ đồng tâm của đƣờng tâm gá dao đƣợc thay với đƣờng tâm trục chính. Sai lệch vị trí của XLPTKN trong chuyển động cấp dao sẽ trực tiếp gây ra các sai số về độ đồng tâm của trục chính với đƣờng tâm của gá dao trên ổ cấp dao của máy phay CNC cỡ trung. Đây là một trong các nguyên nhân gây mòn va đập lỗ côn trục chính máy công cụ CNC, làm giảm độ chính xác gia công của máy. Trong quá trình làm việc XLPTKN luôn tồn tại lực ma sát trƣợt (chiếm khoảng 10% - 15% lực truyền động), cản trở chuyển động, gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ của XLPTKN. Đặc tính ma sát trong cặp ma sát có chuyển động trƣợt tƣơng đối nói chung và trong XLPTKN nói riêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Áp suất p, tốc độ dịch chuyển v, chất lƣợng bề mặt, vật liệu, môi trƣờng… Việc xác định chính xác đặc tính ma sát trƣợt trong chuyển động tƣơng đối là rất phức tạp, thông thƣờng phải tiến hành qua các thực nghiệm. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về đặc tính ma sát trong XLPTKN, nhƣng chủ yếu tập trung nghiên cứu vào một số yếu tố ảnh hƣởng nhƣ: Áp suất p, tốc độ dịch chuyển v, chất bôi trơn, vật liệu gioăng làm kín đến lực ma sát trong XLPTKN. Trên thực tế sử dụng, bên cạnh các yếu tố trên thì yếu tố môi trƣờng cũng có ảnh hƣởng đáng kể, đặc biệt là trong môi trƣờng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa nhƣ Việt Nam. Việt Nam là nƣớc có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, với độ ẩm tƣơng đối của không khí khá cao, trung bình hàng năm trên 80%. Vì vậy, phần lớn các thiết bị vận hành trong điều kiện khí hậu Việt Nam đều bị thay đổi các tính năng kỹ thuật, ảnh hƣởng đến chất lƣợng làm việc của chúng, XLPTKN cũng không nằm ngoài ảnh hƣởng chung đó. Gioăng xy lanh – cần piston luôn làm việc trong điều kiện ma sát trƣợt và chịu ảnh hƣởng trực tiếp của môi trƣờng không khí. Do đó, đặc tính ma sát chung của cụm XLPTKN cũng có những 15
thay đổi nhất định phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt ẩm không khí biến đổi và ảnh hƣởng đến điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ của XLPTKN. Hiện nay, ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ. Chính vì vậy, đề tài luận án đã chọn hƣớng nghiên cứu là “Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát trong XLPTKN đến sai lệch vị trí của ổ cấp dao trên máy CNC trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam”. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Nghiên cứu xác định ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối với đặc trƣng nhiệt ẩm Việt Nam đến đặc tính ma sát của XLPTKN, đƣợc sử dụng trong ổ cấp dao tự động của máy phay CNC cỡ trung. Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa đặc tính ma sát của XLPTKN vào tốc độ dịch chuyển với hai thông số nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối biến thiên có đặc trƣng khí hậu Việt Nam. Xác định sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung trong quá trình thay dao tự động khi XLPTKN chịu tác động của nhiệt ẩm môi trƣờng Việt Nam. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu chung của đề tài là XLPTKN dùng trong ổ cấp dao máy phay CNC cỡ trung. XLPTKN là cụm chi tiết đƣợc mô đun hóa và tiêu chuẩn hóa, đa dạng về chủng loại và kết cấu đáp ứng đƣợc các yêu cầu truyền động khác nhau của các thiết bị cơ điện tử hiện đại. Đối tƣợng nghiên cứu cụ thể trong đề tài luận án là XLPTKN một đầu cần tác động kép có mã hiệu TGC50x150 – S, theo ISO 9001 -2008, thƣờng dùng trong máy phay CNC cỡ trung có ổ chứa dao tự hành với số dao 18 – 24 dao. Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của đặc trƣng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam với 2 thông số cơ bản là nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối, đến đặc tính ma sát của XLPTKN trong vùng tốc độ dịch chuyển 5 ÷ 100mm/s. Nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối đƣợc xác định theo giới hạn đặc trƣng của khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam, nhiệt độ trong khoảng 150C ÷ 500C, độ ẩm tƣơng đối không khí trong khoảng 51% ÷ 99%. 16
Các nghiên cứu về sai lệch vị trí của ổ cấp dao máy phay CNC đƣợc thực hiện trong điều kiện áp suất khí quyển, có kiểm chứng với điều kiện áp suất làm việc thực tế trong vùng tốc độ làm việc của ổ cấp dao từ 30 ÷ 100mm/s. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu về đặc tính ma sát của XLPTKN sử dụng trên ổ cấp dao máy phay CNC trong điều kiện đặc trƣng khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam sẽ bổ sung vào các công trình nghiên cứu về ảnh hƣởng của môi trƣờng đến đặc tính ma sát XLPTKN nói chung. Xác định đƣợc sự phụ thuộc rõ rệt của đặc tính ma sát vào hai thông số khí hậu là nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối khi tốc độ dịch chuyển thay đổi. Đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam là cơ sở để tính toán và điều khiển chính xác vị trí cũng nhƣ ổn định tốc độ của XLPTKN, đƣợc dùng trong các thiết bị cơ điện tử nói chung và ổ cấp dao tự động máy công cụ CNC nói riêng. Xác định đƣợc nguyên nhân chủ yếu gây mòn lỗ côn trục chính máy phay CNC với ổ cấp dao tự hành là do sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài có tính thực tiễn và thời sự cao do các máy CNC hiện nay sử dụng ở Việt Nam phần lớn đều nhập từ các nƣớc có nền công nghiệp tiên tiến và khí hậu ôn đới. Tại Việt Nam, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, có độ ẩm cao và biên độ thay đổi lớn sẽ ảnh hƣởng đến sai lệch vị trí của XLPTKN trong hệ thống cấp dao tự động máy phay CNC, làm tăng mòn va đập của lỗ côn trục chính máy phay CNC. Kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu dự báo mòn lỗ côn trục chính máy công cụ CNC trong điều kiện Việt Nam để có kế hoạch bảo dƣỡng sửa chữa và thay thế phù hợp. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các lý thuyết về ma sát, các yếu tố ảnh hƣởng đến ma sát, trong đó tập trung vào ma sát trƣợt trong XLPTKN. Từ đó xác định các thông số thực nghiệm và làm cơ sở cho nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phƣơng pháp đo, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm cũng nhƣ tính toán các sai lệch vị trí của ổ cấp dao trong máy phay CNC khi dùng XLPTKN. 17
Nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế chế tạo và tích hợp hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm thay đổi. Tổ chức thực nghiệm và xử lý kết quả khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN khi làm việc ở các điều kiện môi trƣờng nhiệt ẩm, tƣơng ứng với tốc độ dịch chuyển khác nhau. 6. Nội dung luận án Nội dung chính của luận án bao gồm: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về ma sát xylanh – piston khí nén dùng cho ổ cấp dao máy phay CNC. Nghiên cứu cấu tạo, điều kiện làm việc của ổ cấp dao tự động máy phay CNC có sử dụng XLPTKN. Phân tích, đánh giá nguyên nhân gây mòn lỗ côn trục chính máy CNC. Nghiên cứu điều kiện môi trƣờng vận hành làm việc của máy CNC trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Phân tích đánh giá những công trình nghiên cứu đã có của tác giả trong và ngoài nƣớc liên quan đến ma sát trong XLPTKN. Trên cơ sở đó xác định những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ma sát của xylanh –piston khí nén. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ma sát nói chung và ma sát của XLPTKN nói riêng. Các kết quả nghiên cứu về ma sát XLPTKN trong các điều kiện về bôi trơn và môi trƣờng cụ thể. Lựa chọn mô hình tính áp dụng phù hợp cho tính toán lý thuyết và thực nghiệm. Chương 3: Phƣơng pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát trong XLPTKN Nghiên cứu thiết kế thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát trong XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam. Tổ chức quy hoạch thực nghiệm, xác định các yếu tố đầu vào, các yếu tố đầu ra. Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Trên cơ sở kết quả thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN, xác định sự phụ thuộc lực ma sát vào nhiệt độ, độ ẩm tƣơng đối với đặc trƣng khí hậu Việt Nam ở khoảng tốc độ dịch chuyển từ 5 ÷ 100mm/s. Xây dựng mô hình toán định lƣợng ảnh hƣởng của nhiệt ẩm đến đặc tính ma sát của XLPTKN dùng cho ổ chứa dao trong khoảng tốc độ dịch chuyển 30 ÷ 100mm/s, từ đó xác định sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao trong máy phay CNC có tích hợp XLPTKN. 18
7. Các kết quả mới Luận án đã xác định đặc tính ma sát trong XLPTKN khi tốc độ dịch chuyển thay đổi trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam cũng có dạng đƣờng cong Stribeck. Thực nghiệm cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt ẩm đến đặc tính ma sát trong XLPTKN là rõ rệt. Ở các tốc độ khác nhau lực ma sát tĩnh thay đổi trong khoảng 30% ÷ 50%, lực ma sát động thay đổi trong khoảng 36 ÷ 65% khi nhiệt ẩm biên thiên trong vùng khảo sát. Trên cơ sở thiết lập mô hình toán học cho chuyển động của ổ cấp dao máy phay CNC tích hợp XLPTKN, xác định đƣợc sai lệch vị trí dừng ổ cấp dao tự động khi chịu tác động của yếu tố nhiệt ẩm của môi trƣờng thay đổi. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu về mòn va đập lỗ côn trục chính máy công cụ CNC. 19
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT TRONG XYLANH PISTON KHÍ NÉN DÙNG CHO Ổ CẤP DAO MÁY PHAY CNC 1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC và các hƣ hỏng lỗ côn trục chính 1.1.1 Ổ cấp dao máy phay CNC Máy công cụ CNC hiện nay đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi ở các nƣớc trên thế giới và Việt Nam. Máy CNC với ƣu điểm có độ chính xác cao, chất lƣợng ổn định, hiệu quả kinh tế cao, thời gian gia công ngắn, thời gian chuẩn bị sản xuất ngắn, có thể vận hành, lập trình trực tiếp trên máy hoặc lập trình độc lập về không gian, thời gian với máy. [1] Máy CNC đƣợc thiết kế theo mô đun dựa trên các ƣu điểm của máy công cụ thƣờng và phát triển thêm các mô đun khác để đảm bảo tính linh hoạt. Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm các mô đun cơ bản nhƣ sau: Trục chính, thay dao tự động, bàn máy, điều khiển CNC [14]. b¶ng §iÒu khiÓn §iÒu khiÓn Mµn h×nh CNC 3 Xö lý §iÒu khiÓn c«ng nghÖ thÝch nghi 2 xö lý §iÒu khiÓn Z h×nh häc c¸c trôc 1 ch¹y dao trôc chÝnh ph¶n håi trôc x, y, z dông cô 4 tay kÑp dông cô bµn m¸y X æ chøa dao 5 Y Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC[14] Mô đun trục chính là nơi gá lắp dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt. Trục chính đƣợc dẫn động bởi động cơ servo trục chính (1) đƣợc điều khiển, điều chỉnh bởi bộ điều khiển 20