Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC" là nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Minh Tâm NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI NGOÀI VÀ TỐC ĐỘ QUAY ĐẾN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỦA CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Phạm Văn Hùng 2. PGS.TS Nguyễn Thùy Dương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cụm ổ trục chính máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng có độ chính xác chuyển động quay, độ cứng vững, khả năng chống rung động, khả năng chống biến dạng nhiệt, tuổi thọ và độ tin cậy cao. Trong quá trình làm việc, theo thời gian cụm ổ trục chính bị mòn làm suy giảm độ cứng vững, tăng rung động và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, độ tin cậy và tuổi thọ của máy. Nếu cụm ổ trục chính không được bảo dưỡng, điều chỉnh kịp thời có thể phải dừng máy để sửa chữa, thay thế, ảnh hưởng đến kế hoạch sản xuất và làm tăng chi phí của doanh nghiệp. Đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy công cụ trong quá trình làm việc có vai trò rất quan trọng trong sản xuất. Chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy công cụ được đánh giá chính xác và kịp thời sẽ đưa ra được thời điểm bảo dưỡng, điều chỉnh chính xác. Nó làm tăng hiệu quả sử dụng, kéo dài tuổi thọ và tăng độ tin cậy của cụm ổ trục chính nói riêng và máy công cụ nói chung. Chất lượng cụm ổ trục chính máy công cụ thường được đánh giá theo chỉ tiêu mòn, chỉ tiêu cứng vững kết hợp với phân tích rung động. Máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng yêu cầu duy trì tải đặt trước lên các cụm ổ trục chính để tăng độ cứng vững, đảm bảo độ chính xác gia công. Khi cụm ổ trục chính máy công cụ CNC bị mòn, tải đặt trước bị suy giảm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Do đó xác định thời điểm điều chỉnh cụm ổ trục chính để duy trì tải đặt trước là rất quan trọng. Trên thực tế, đo mòn hay đo độ cứng vững của cụm ổ trục chính là công việc khó khăn, phức tạp, cần các công cụ trợ giúp và phải dừng máy để thực hiện theo một quy trình chặt chẽ. Sử dụng rung động để đánh giá chất lượng cụm ổ trục chính là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, hiện đại, không phải dừng máy. Giải pháp này phù hợp với điều kiện làm việc của máy công cụ trong thực tiễn sản xuất. Tuy nhiên, để sử dụng kỹ thuật đo và phân tích rung động cho cụm ổ trục chính máy công cụ CNC thì phải lượng hóa được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động theo tải ngoài và tốc độ quay. Trên cơ sở đó xác định được ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính. Các mối quan hệ nói trên thay đổi theo loại 1
máy, phạm vi công suất cụ thể, đặc điểm kết cấu cụm ổ trục chính máy công cụ. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài của luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC”. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án * Mục đích chung: Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. * Mục đích cụ thể: - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động (RMS) cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. - Nghiên cứu xác định giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] của cụm ổ trục chính khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. - Nghiên cứu xác định tuổi thọ dự kiến của cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ với các độ tin cậy khác nhau theo lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300, với cặp ổ lăn 7210B lắp ghép kiểu lưng đối lưng (DB). Máy có công suất 1,5kW, tốc độ vòng quay tối đa là 4.000 vòng/phút. * Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300 theo chỉ tiêu mòn và chỉ tiêu cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Các thực nghiệm tiến hành trong điều kiện mòn gia tốc (nhưng vẫn trong giai đoạn mòn ổn định, bình thường) và mòn bôi trơn tiêu chuẩn của cụm ổ trục chính. Tốc độ và tải ngoài của nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với vùng làm việc bình thường của máy tiện CNC Eclipse 300. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được mối quan hệ phụ thuộc giữa lượng mòn U và độ cứng vững J với giá trị đại lượng đặc trưng RMS của rung động cụm ổ trục 2
chính máy công cụ CNC trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Lượng hóa được giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo giá trị lượng mòn giới hạn [U] và giá trị độ cứng vững giới hạn [J] trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Xác định được tuổi thọ dự kiến với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn, chỉ tiêu cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động. * Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất giải pháp đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính không dừng máy thông qua giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] xác định qua thực nghiệm. Tuổi thọ dự kiến tính toán của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC trên cơ sở thực nghiệm tạo điều kiện chủ động cho việc lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, duy trì chất lượng gia công và tiết kiệm chi phí sản xuất. Kết quả nghiên cứu có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về giám sát chất lượng làm việc của các cụm ổ trục chính các thiết bị công nghiệp và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong công tác giảng dạy, đào tạo có nội dung liên quan. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết về độ tin cậy, tuổi thọ thiết bị trên cơ sở lượng mòn, độ cứng vững và lý thuyết rung động. Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp khi nghiên cứu các tài liệu khoa học liên quan. - Nghiên cứu thực nghiệm: + Xây dựng mô hình thực nghiệm với các yếu tố đầu vào và hàm mục tiêu dựa trên các kết quả nghiên cứu phân tích, tổng hợp; + Thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm để đưa ra mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính. Nghiên cứu sử dụng trang thiết bị đồng bộ cũng như các công cụ, phần mềm phân tích rung động của hãng SKF, Thụy Sĩ. - Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, tính toán được tuổi thọ dự kiến của cụm ổ trục chính theo các độ tin cậy. 6. Nội dung luận án 3
Nội dung chính của luận án bao gồm: Chương 1. Tổng quan về tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính máy CNC Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của cụm ổ trục chính máy tiện CNC. Phân tích, đánh giá và tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nuớc liên quan đến nội dung đề tài. Trên cơ sở đó, xác định những nội dung, vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Chương 2. Cơ sở xác định tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy CNC Nghiên cứu, thiết lập các tính toán về tuổi thọ, độ tin cậy theo các chỉ tiêu mòn và chỉ tiêu cững vững. Nghiên cứu ảnh hưởng giữa lượng mòn và độ cứng vững đến chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính. Các kỹ thuật đo, phân tích và tính toán giá trị đại lượng đặc trưng của rung động sử dụng để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục chính máy công cụ CNC. Chương 3. Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC Nghiên cứu xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm nhằm xác định quan hệ giữa tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC với tải ngoài và tốc độ quay. Xây dựng quy trình thực nghiệm, quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính. Thực nghiệm và thu thập dữ liệu về lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động của cụm ổ trục chính trên thiết bị đã tích hợp trong điều kiện mòn gia tốc và bôi trơn tiêu chuẩn. Chương 4. Kết quả thực nghiệm và đánh giá tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Trên cơ sở kết quả thực nghiệm xây dựng được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Tính toán được tuổi thọ dự kiến với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động. Dự kiến được giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động, làm căn cứ cho việc dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh duy trì tải đặt trước. 4
7. Các kết quả mới Xây dựng được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ thay đổi. Dự kiến giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục chính máy tiện CNC, cơ sở để áp dụng kỹ thuật giám sát chất lượng cụm ổ trục chính bằng rung động. Giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động có thể được xác định từ giá trị lượng mòn giới hạn hoặc giá trị độ cứng vững giới hạn của cụm ổ trục chính. Đây là căn cứ xác định thời điểm dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh cụm ổ trục chính nhằm duy trì chất lượng làm việc của máy công cụ CNC. Xác định được tuổi thọ với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo tải ngoài và tốc độ quay dựa trên các chỉ tiêu mòn, cứng vững và rung động. Có thể căn cứ vào một trong các chỉ tiêu trên của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC để lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa phù hợp với độ chính xác và độ tin cậy yêu cầu. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 1.1. Cụm trục chính máy tiện CNC 1.1.1. Máy tiện CNC và ứng dụng trong công nghiệp Máy công cụ CNC (Computer Numerical Control – Máy công cụ điều khiển số) là sản phẩm cơ điện tử hiện đại, có thể thực hiện các chức năng mà máy công cụ truyền thống không có. Trong các nhà máy cơ khí tại Việt Nam, máy tiện CNC được sử dụng phổ biến và thực hiện nhiều nguyên công gia công cắt gọt các chi tiết máy 1.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính máy tiện CNC - Độ chính xác chuyển động quay; - Độ cứng vững của cụm trục chính; - Khả năng chống rung động; - Tuổi thọ của cụm trục chính; - Độ tin cậy. 1.1.3. Kết cấu cụm trục chính máy tiện CNC Về nguyên tắc, kết cấu của cụm trục chính máy công cụ vạn năng và máy công cụ CNC là cơ bản giống nhau. Ổ trục chính máy tiện CNC được tích hợp thêm nhiều cơ cấu chấp hành tự động, nên có kết cấu khá phức tạp hơn và thường bao gồm các bộ phận: Vỏ trục chính, trục chính, cụm ổ trục chính, Phanh, Mâm cặp, … 1.2. Cụm ổ trục chính máy tiện CNC 5
Trên các máy tiện CNC cỡ nhỏ, cụm ổ trục chính thường gồm các cặp ổ lăn đỡ chặn. Các kết cấu ghép cặp ổ lăn thường dùng là nối tiếp (TD – Tandem), lắp lưng đối lưng (DB - Double Back hay Back to Back) hoặc, lắp mặt đối mặt (DF – Double Face hay Face to Face). 1.2.2. Tải đặt trước trên cụm ổ trục chính của máy công cụ Để có độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác gia công trong thời gian làm việc, cụm ổ trục chính trên máy công cụ CNC phải được đặt tải đặt trước (cung cấp một dự ứng lực lên các con lăn và các vòng lăn). 1.2.3. Một số dạng hỏng của cụm ổ trục chính Một số dạng hỏng thường gặp trên cụm ổ trục chính máy công cụ CNC là: Mòn các con lăn, ca trong, ca ngoài của ổ lăn quá giới hạn cho phép, Tróc rỗ bề mặt ổ lăn do mỏi, Vỡ vòng cách, vỡ con lăn hay vỡ ca trong, ca ngoài của ổ lăn,.. 1.3. Tổng quan về tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các công trình tập trung vào 3 hướng chính: Hướng thứ nhất, nghiên cứu về tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính. Tuổi thọ làm việc của một cụm ổ trục chính được định nghĩa là số vòng quay hoặc số giờ làm việc ở một tốc độ và chế độ làm việc xác định mà cụm ổ thực hiện được trước khi xuất hiện dấu hiệu mỏi vật liệu đầu tiên trên rãnh lăn của vòng trong hoặc vòng ngoài hoặc trên các con lăn [5]. Tuổi thọ danh định cơ bản theo tiêu chuẩn ISO 281 được tính theo công thức (1.1) [5]: C q L10 = ( r ) (1.1) Pr Việc tính toán tuổi thọ thực tiễn của ổ lăn còn phụ thuộc vào điều kiện làm việc, chế độ bôi trơn, làm mát hay độ tin cậy yêu cầu. Tác giả Tao Zhang chỉ ra rằng việc tính toán tuổi thọ theo mài mòn của cụm trục ổ chính có sự thay đổi theo chế độ bôi trơn, mức tải trước và cách đặt tải trước [6]. Tác giả Rajkumar Bhimgonda Patil cho rằng thực hiện bảo trì các thiết bị đó đúng thời điểm, sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của máy tiện CNC lên thêm 45%, tăng tuổi thọ từ 15.000 giờ lên 17.000 giờ và giảm 20% tổng chi phí vòng đời của máy [7]. 6
Hướng thứ hai, nghiên cứu nhằm tối ưu hóa kết cấu và tìm giải pháp nâng cao độ chính xác cụm trục chính đã chỉ ra rằng tình trạng kỹ thuật của ổ trục chính có vai trò quyết định chất lượng làm việc của cả cụm trục chính máy công cụ CNC [1]. Tác giả Te Li, thông qua thực nghiệm về tải trước với sơ đồ thí nghiệm chỉ ra rằng tải trước có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính động lực học và tính nhiệt của cụm trục chính [8]. ISO 13041-1:2004 thiết lập Hình 1.7. Sơ đồ kiểm tra đầu mút quy trình kiểm tra hình học trục chính của ụ phôi [10] cho máy tiện điều khiển số có một trục chính mang phôi nằm ngang [10] Kết quả của phép lượng dịch chuyển dọc trục cho chúng ta biết lượng mòn tổng hợp dọc trục của cụm trục chính. Kết quả phép đo độ đảo hướng kính cho chúng ta biết độ cứng vững của cụm trục chính tại thời điểm đo. Đây là các thông số quan trọng để đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy của cụm trục chính máy công cụ CNC có một trục chính nằm ngang. Hướng thứ ba, nghiên cứu giám sát chất lượng (tình trạng) làm việc của cụm ổ trục chính thông qua rung động. Công nghệ giám sát tình trạng bằng phân tích rung động được sử dụng rộng rãi trên cụm trục chính máy công cụ với các ưu điểm như đáp ứng thời gian thực nhanh, độ tin cậy cao và chi phí hợp lý. Theo tác giả Randall, phân tích rung động là một trong những kỹ thuật chính để thu thập thông tin về các điều kiện bên trong quá trình làm việc của cụm ổ trục chính [10]. Phân tích rung động có thể chẩn đoán lỗi ổ trục chính và ngăn ngừa các hậu quả không mong muốn của việc hỏng hóc. Tác giả Grzegorz Wszołek đã sử dụng hệ thống cảm biến MEMS (Microelectro-Mechanical Systems) để đo rung động trên vỏ trục chính máy CNC, chỉ ra rằng có thể kiểm tra tình trạng của các ổ lăn lắp trên trục chính bằng cách sử dụng phân tích rung đồng bộ (sử dụng giá trị RMS) đối với chuyển động quay của trục chính [14]. 7
Tác giả Neuebauer thực hiện các kỹ thuật giám sát khác nhau cho vòng bi trục chính [19], kết quả cho thấy rằng bằng cách sử dụng giá trị trung bình hiệu dụng (RMS) của vận tốc rung động (mm/s), các dạng hỏng có thể được phát hiện ở mức dưới 10% tuổi thọ còn lại của vòng bi. Tác giả Vogl & Donmez đã đưa ra thông số SDM để chẩn đoán tình trạng Hình 1.13. Đo rung động trên cụm trục chính [17] cụm lăn trục chính, mục đích để bảo trì theo tình trạng, giảm thời gian dừng máy, Hình 1.16. Giám sát tình trạng trục chính giảm chi phí và tăng thông qua LTSC [22]. hiệu quả sản xuất [21]. Phân loại tình trạng hoạt động của trục chính máy công cụ ở vùng A (vùng trục chính mới), B (vùng tình tạng tốt), C (vùng cảnh báo) hoặc D (vùng nguy hiểm) như Hình 1.19. Kết quả nghiên cứu của Butdee S and Kullawong T cho thấy mối quan hệ giữa vận tốc rung động theo thời gian hoạt động có dạng phương trình bậc 3 như công thức (1.3). Vvibrations = 0.1651 + 0.000526t - 0.000483t2 + 0.000110t3 (1.3) 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, những năm gần đây có nhiều công trình về tính toán, thiết kế máy theo tuổi thọ, độ tin vậy và nghiên cứu về chẩn đoán tình trạng của chi tiết máy trên cơ sở giám sát rung động. TCVN 7011-8:2013 được ban hành dựa trên ISO/TR 230-8:2010 đã đưa ra quy tắc kiểm tra máy công cụ phần rung động nhằm mục đích chuẩn hóa các phương pháp kiểm đặc tính của máy công cụ, không lắp dụng cụ cắt, không kể tới các dụng cụ máy cầm tay [36]. Tác giả Lại Huy Thiện đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đo, giám sát rung động và thực nghiệm trên động cơ tàu biển. Làm chủ được công nghệ chế tạo thiết bị đo, giám sát rung động trên đối tượng động cơ diesel tàu biển nghiên cứu tại Việt Nam [34]. 1.4. Xác định vấn đề cần nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính. - Xác định mối liên hệ giữa tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC dựa vào lượng mòn, độ cứng vững và mức độ rung 8
động. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC trong điều kiện phòng thực nghiệm. + Xây dựng, tích hợp hệ thống thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo sự thay đổi của tải ngoài và tốc độ làm việc để phục vụ thực nghiệm. + Thiết lập quy trình thực nghiệm khảo sát giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS, lượng mòn và độ cứng vững cụm ổ trục chính khi tải ngoài, tốc độ vòng quay trục chính thay đổi. + Xây dựng mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững đặc trưng cho tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính (phản ánh chất lượng làm việc) với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo thời gian làm việc. + Xác định giá trị giới hạn của đặc trưng rung động [RMS] của cụm ổ trục chính máy tiện CNC từ giá trị lượng mòn giới hạn và giá trị độ cứng vững giới hạn. - Xác định thời điểm điều chỉnh bảo dưỡng cụm ổ trục chính Tdc nhằm duy trì chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy tiện CNC, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Chất lượng cụm ổ trục chính quyết định đến độ chính xác gia công trên máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng. Duy trì chất lượng làm việc dài lâu của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC trong quá trình làm việc thường phải được thực hiện bằng các giải pháp bảo trì tích cực và điều chỉnh tải đặt trước. Các giải pháp này phải được thực hiện đúng thời điểm trong giai đoạn mòn bình thường khi lượng mòn, độ cững vững chưa vượt quá giá trị giới hạn quy định của các tiêu chuẩn. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước chia làm 3 hướng chính: - Hướng thứ nhất: Nghiên cứu về tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính; - Hướng thứ hai: Nghiên cứu nhằm tối ưu hóa kết cấu và tìm giải pháp nâng cao độ chính xác cụm ổ trục chính; - Hướng thứ ba: Nghiên cứu giám sát chất lượng (tình trạng) làm việc của cụm ổ trục chính thông qua phân tích rung động. Từ việc phân tích, tổng hợp các công trình nghiên cứu, tác giả đã xác định được các vấn đề cần nghiên cứu của đề tài Luận án. Đó là mối 9
quan hệ giữa tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính máy công cụ CNC và các thông số đầu vào tốc độ, tải ngoài trên cơ sở mòn, cứng vững với rung động cần được nghiên cứu. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ CNC 2.1. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu bền mỏi 2.1.1. Tuổi thọ cụm ổ trục chính Khi tính toán thiết kế máy công cụ CNC, tính và chọn ổ lăn theo công thức quy ước theo công thức (1.1) trong Chương 1 [7]: q C  L10 =  r   Pr  Để xác định tuổi thọ ổ lăn chính xác hơn bổ sung vào công thức tính tuổi thọ hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO và hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy a1. L nm = a 1 a ISO L 10 (triệu vòng) (2.4) Trong đó: aISO - Hệ số tuổi thọ sửa đổi; a1 - Hệ số tuổi thọ sửa đổi với độ tin cậy; Lnm - Tuổi thọ sửa đổi, (triệu vòng quay); L10 – Tuổi thọ cơ bản danh định (triệu vòng quay). 2.1.2. Độ tin cậy cụm trục chính Đối với một nhóm các cụm trục chính giống nhau, vận hành trong cùng một điều kiện, tỷ lệ phần trăm của nhóm các ổ này sẽ đạt được hoặc vượt quá tuổi thọ quy định. Độ tin cậy của một cụm trục chính là xác suất đạt được hoặc vượt quá tuổi thọ quy định của ổ lăn. 2.1.2.4. Xác định tuổi thọ ổ lăn theo độ tin cậy Các giá trị của hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy a1 được cho trong bảng 2.4 [40]. Bảng 2.4. Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy, a1 [40] Độ tin cậy (%) Lnm a1 90 L10m 1 95 L5m 0,64 99 L1m 0,25 10
2.2. Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy cụm trục chính theo tiêu chí mòn 2.2.1. Các giai đoạn của quá U trình mòn cụm trục chính Trong điều kiện ma sát mòn U max bình thường, sự phụ thuộc của [U] lượng mòn U theo thời gian hoặc quãng đường ma sát U R được chia thành thành ba giai a 0 đoạn cơ bản [45] [46]: Giai 0 T 1 T m T max T(L ) T đoạn chạy rà (I), giai đoạn I II III mòn ổn định (II) và giai đoạn Hình 2.3. Quan hệ lượng mòn U mòn khốc liệt (III) [45]. theo thời gian T (hay quãng 2.2.2. Tính toán tuổi thọ và đường ma sát L) [45] độ tin cậy cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn Trên cơ sở quan hệ của mòn và tuổi thọ, độ tin cậy, mối quan hệ giữa lượng mòn và tuổi thọ, độ tin cậy được biểu diễn như trên Hình 2.4 [45]. Lượng mòn của cụm trục chính U: Um = aou+ mu.t (2.26) Hình 2.4. Sơ đồ tính toán tuổi thọ Xác suất làm việc P(t) (%) – đặc và độ tin cậy theo lượng mòn trưng cho khả năng làm việc tổng hợp dọc trục U liên tục, được tính thông qua toán tử Laplace [45] như sau: [U]−a0u −γmu .Tu P(t) = 0,5 + ϕ [ ] (2.32) √σ2 +σ2 Tu 2 aou γ Tuổi thọ trung bình Tmu của cụm trục chính khi có độ lượng mòn tổng hợp dọc trục giới hạn cho phép sẽ được xác định theo công thức (2.34): [U]− a Tmu = γ ou (2.34) mu 11
2.3. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm trục chính theo chỉ tiêu cứng vững Từ quy luật mòn chung trên Hình 2.1 và nội dung các nghiên cứu [43], [47], có thể giả thiết qui luật thay đổi độ cứng vững J theo thời gian hoặc quãng đường ma sát như trên Hình 2.5 [48], trong điều kiện mòn bình thường cũng gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn chạy rà, tốc độ giảm độ cứng vững giảm dần; - Giai đoạn ổn định, tốc độ giảm độ cứng vững không Hình 2.5. Quan hệ giữa độ cứng thay đổi; vững J theo thời gian t hay quãng - Giai đoạn độ cứng vững đường ma sát L suy giảm nhanh, tốc độ giảm độ cứng vững tăng vọt. Trên cơ sở quan hệ của mòn và tuổi thọ, độ tin cậy [49], đưa ra được quan hệ giữa độ cứng vững J và tuổi thọ, độ tin cậy như trên Hình 2.6 [48]. Độ cứng vững cụm trục chính J thay đổi theo thời Hình 2.6. Sự phụ thuộc độ cứng vững J gian (t) thừa nhận tuân theo theo thời gian và độ tin cậy [49] quy luật tuyến tính và được thể hiện bằng phương trình sau: Jm = Jo - γm.t (2.35) Tốc độ giảm trung bình độ cứng vững theo thời gian có thể tính theo phương trình tương tự tốc độ mòn [47]: m=kJ.Pm.Vm (2.37) 12
Xác suất làm việc P(t) – đặc trưng cho khả năng làm việc liên tục, được tính thông qua toán tử Laplace [47] như sau:  J -γ T-  J   P(t)=0,5+f  0 m  (2.41)  σ 2 +σ 2 T 2   J0 γ  Tuổi thọ trung bình TJ của cụm trục chính khi có độ cứng vững còn lại [J] cho phép sẽ được xác định theo công thức (2.43): J -J TJ = 0 (2.43) γm 2.4. Đánh giá chất lượng cụm ổ trục chính trên cơ sở rung động 2.4.1. Rung động và phân tích rung động Rung động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và trong kỹ thuật là quá trình trong đó một đại lượng vật lý (hóa học, sinh học,...) thay đổi theo thời gian mà có một đặc điểm nào đó lặp lại ít nhất một lần. 2.4.2. Cấu trúc cơ bản của tín hiệu rung động Tín hiệu rung động do đầu đo rung động ghi lại trong một phép đo được tổng hợp từ nhiều nguồn rung động khác nhau. 2.4.3. Phân tích và xử lý tín hiệu đo Tín hiệu rung động thường được phân tích trong miền thời gian (dựa trên các đồ thị tín hiệu theo thời gian) trước khi được phân tích trong miền tần số. Các giá trị tín hiệu đặc trưng thường được sử dụng để đánh giá tín hiệu rung động. Trong đó giá trị trung bình hiệu dụng RMS thường được sử dụng để chẩn đoán tình trạng làm việc của máy và chi tiết máy: 1𝑁 𝑅𝑀𝑆 = √ 𝑁 ∑ 𝑛=1 𝑥[𝑛]2 đối với tín hiệu rời rạc 2.4.4. Giám sát tình trạng cụm trục chính trên cơ sở phân tích rung động Quá trình giám sát tình trạng kỹ thuật cụm trục chính máy công cụ CNC thông qua các đặc trưng rung động có thể được mô tả qua bốn giai đoạn [43]. - Giai đoạn thứ nhất: Cụm trục chính còn hoạt động tốt, lúc này biên độ rung động sẽ rất nhỏ do chưa xuất hiện hiện tượng mòn và các sự cố. - Giai đoạn thứ hai: Cụm trục chính bị mòn đồng bộ, khi đó biên độ của rung động tăng theo thời gian, tương ứng với khe hở giữa các bộ phận của cụm tăng lên hay mòn tổng cộng tăng. 13
- Giai đoạn thứ ba: Xuất hiện các hiện tượng dạng hỏng cục bộ trong cụm trục chính, phân tích vận tốc hay tần số có thể phát hiện lỗi ở các chi tiết như con lăn, ca trong, ca ngoài hay vòng cách. - Giai đoạn bốn: Xuất hiện dạng hỏng lớn trên cụm trục chính, các mức rung sẽ tăng lên, phân tích phổ vận tốc sẽ dễ dàng nhận thấy cụm đã dạng hỏng. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết để tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo các chỉ tiêu bền mỏi, chỉ tiêu mòn và chỉ tiêu cứng vững. Hiện nay, việc tính toán tuổi thọ ổ lăn thường sử dụng chỉ tiêu bền mỏi với độ tin cậy 90%. Các công thức tính tuổi thọ theo chỉ tiêu bền mỏi đã đề cập đến điều kiện làm việc, chế độ bôi trơn và độ tin cậy. Trên máy công cụ CNC, cụm ổ trục chính ngoài việc đảm bảo chỉ tiêu bền mỏi còn phải đảm bảo độ cứng vững để duy trì độ chính xác gia công và độ tin cậy cao. Do đó, xác định tuổi thọ của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC theo chỉ tiêu mòn U hoặc theo chỉ tiêu cứng vững J là yêu cầu cần thiết. Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính theo các chỉ tiêu mòn, cứng vững là khó khăn, phức tạp, cần các công cụ trợ giúp và phải dừng máy theo một quy trình chặt chẽ. Sử dụng kỹ thuật phân tích rung động để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục chính máy công cụ CNC là giải pháp phù hợp, mang lại nhiều lợi ích trong thực tiễn sản xuất như: thực hiện trong môi trường công nghiệp mà không phải dừng máy, độ chính xác cao, ... Thông số đặc trưng của rung động thường sử dụng trong kỹ thuật đánh giá chất lượng làm việc của máy công cụ CNC là giá trị đại lượng đặc trưng RMS của rung động. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯỢNG MÒN, ĐỘ CỨNG VỮNG VÀ RUNG ĐỘNG CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm Mục đích của thực nghiệm là xác định được lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động của cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Tìm ra mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ. Từ đó xác định tuổi 14
thọ dự kiến của cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ với các độ tin cậy khác nhau theo tải ngoài và tốc độ quay. Yêu cầu đối với thiết bị: Hệ thống thực nghiệm phải đảm bảo điều khiển được tải ngoài và tốc độ quay trong quá trình thực nghiệm trên cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ. Đo được chính xác lượng mòn dọc trục và độ cứng vững của cụm ổ trục chính. Thu thập, phân tích và tính toán được giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính. Đảm bảo nhiệt độ làm việc của cụm ổ trục chính theo quy định của nhà sản xuất. 3.2. Xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm 3.2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu cụ thể của luận án là cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300. Cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300 sử dụng cặp ổ lăn 7210B của hãng NSK có góc tiếp xúc α=150 lắp theo kiểu lưng đối lưng (DB) 3.2.2. Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3.2.2.1. Hệ thống tạo tải ngoài Phương án được lựa chọn để tích hợp vào máy thực nghiệm là tạo tải bằng hệ thống xy lanh khí nén như Hình 3.6. 1 2 3 4 5 6 Hình 3.6. Hình ảnh hệ thống tạo tải trên máy tiện CNC Eclipse 300 3.2.2.2. Hệ thống đo lượng mòn và độ cứng vững Căn cứ vào điều kiện thực tiễn và độ chính xác phép đo, đồng hồ so Mitutoyo 1/1000 (Nhật Bản) được sử dụng trong phép đo dịch chuyển dọc trục và dịch chuyển hướng kính. Các thông số cơ bản của đồng hồ so: phạm vi đo: 0 – 0,14 mm, độ chia: 0,001 mm [52]. 15
a) Đo lượng mòn Sơ đồ đo dịch chuyển dọc trục được xác lập như Hình 3.7. b) Đo và tính toán độ cứng vững Sơ đồ đo dịch chuyển hướng kính như Hình 3.8. Áp dụng công thức (3.9) để tính ra độ cứng vững của cụm ổ trục chính máy tiện CNC. 3.2.2.3. Đo và tính toán giá trị đại lượng đặc trưng của rung động Thiết bị đo và phân tích rung động CMX A44 của hãng SKF (Thụy Sĩ) được sử dụng để đo rung động trong các thực nghiệm (Hình 3.9). Xử lý số liệu đo bằng phần mềm MicroAnalysis System. 3.3. Tổ hợp máy thực nghiệm: Sơ đồ khối thiết bị thực nghiệm được thiết kế như trên Hình 3.14. Fr Trôc chÝnh Fa o T Bé truyÒn ®ai rang §éng c¬ Bé §iÒu chØnh Rung a, r chuyÓn ¸p suÊt, ®æi l-u l-îng BiÕn tÇn Nguån khÝ nÐn COMPUTER Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm Thiết bị được xây dựng và tích hợp hoàn chỉnh như Hình 3.14. Hình 3.15. Thiết bị thực nghiệm đánh giá chất lượng cụm trục chính bằng khảo sát rung động trên máy tiện CNC Eclipse 300 16
3.4. Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm Trong thực nghiệm, số biến đầu vào là 2 (tải ngoài P, tốc độ quay n). Thực hiện quy hoạch thực nghiệm tối ưu toàn phần dạng 2k và một thực nghiệm tại tâm quy hoạch [55], thực hiện thêm 01 thực nghiệm tại tâm quy hoạch trong điều kiện bôi trơn theo tiêu chuẩn để kiểm chứng lý thuyết và thực nghiệm. Bảng 3.4. Bảng thông số thí nghiệm Thông số P (N) n (v/ph) TN1 1.310 1.800 TN2 2.520 1.800 TN3 1.310 2.200 TN4 2.520 2.200 TN5 1.915 2.000 TN6 1.915 2.000 3.4. Trình tự tiến hành thực nghiệm KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Trong chương này, luận án đã xây dựng và tích hợp được hệ thống thiết bị thực nghiệm trên máy tiện CNC Eclipse 300, cho phép xác định được lượng mòn, độ cứng vững và rung động cụm ổ trục chính theo tải ngoài và tốc độ quay. Các thực nghiệm được tiến hành trong điều kiện mòn gia tốc và bôi trơn tiêu chuẩn. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần được đề xuất thực hiện nhằm khảo sát ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính máy tiện CNC; một thực nghiệm 17
tại tâm quy hoạch trong điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn nhằm đối sánh kết quả giữa thực nghiệm và lý thuyết. Kết quả tính toán giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục chính được thực hiện trên chương trình Matlab có sử dụng phân tích phổ tần số rung động (FFT). Xác lập được các bước tiến hành thực nghiệm đo lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS cụm ổ trục chính máy công cụ CNC Elipse 300 khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 4.1. Quan hệ giữa thời gian điều chỉnh và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động với tải ngoài và tốc độ quay theo chỉ tiêu mòn 4.1.1. Kết quả thực nghiệm mối quan hệ giữa lượng mòn U và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS theo thời gian t Hình 4.1. Đồ thị tổng hợp giữa lượng mòn tổng hợp dọc trục U và đặc trưng gia tốc RMS trong các thí nghiệm 18