Nghiên cứu rung động cụm ổ trục chính máy tiện cnc trên cơ sở mòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

QUÁCH TRƢỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỤM Ổ TRỤC CHÍNH
MÁY TIỆN CNC TRÊN CƠ SỞ MỊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

QUÁCH TRƢỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU RUNG ĐỘNG CỤM Ổ TRỤC CHÍNH
MÁY TIỆN CNC TRÊN CƠ SỞ MỊN

Mã đề tài : CTM15B-18

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BÙI TUẤN ANH

Hà Nội – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đuợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã đuợc chỉ rõ
nguồn gốc.
Hà Nội, Ngày 14 tháng 09 năm 2018
Tác giả luận văn

QUÁCH TRƢỜNG GIANG


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn khoa học
TS. Bùi Tuấn Anh đã tận tình hƣớng dẫn, nghiêm khắc chỉ bảo trong suốt quá trình
làm luận văn, đã định hƣớng giải quyết các vấn đề khoa học cho luận văn. Đổng thời
chỉnh sửa cấu trúc luận văn, để luận văn hồn thành đúng thời hạn.
Tơi xin cảm ơn Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ
khí, đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong q trình làm luận văn. Tơi xin bày tỏ lịng cám
ơn Ban lãnh đạo Công ty TNHH Xây dựng kỹ thuật và Thƣơng mại Hà nội đã tạo điều
kiện để tôi hoàn thành luận văn và đảm bảo tiến độ.
Đặc biệt cảm ơn anh Phạm Minh Tâm – Nghiên cứu sinh của Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội (2011-2018) đã cho phép tôi cùng tham gia nghiên cứu trên các
thiết bị thực nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn các đổng nghiệp, đã góp ý kiến xây dựng để luận
văn có chất lƣợng cao.

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC ....................................................................................................................... I
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .....................................................................................III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ...................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................... VIII
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu của Luận văn ........................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................2
6. Nội dung Luận văn ..................................................................................................3
7. Các kết quả mới .......................................................................................................3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN................................................................................................5
I.1. Đặc điểm, vai trò của cụm trục chính máy CNC ..................................................5
I.1.1. Vỏ trục chính .................................................................................................8
I.1.2. Động cơ ........................................................................................................9
I.1.3. Trục chính ....................................................................................................10
I.1.4. Ổ trục chính .................................................................................................11
I.2. Các yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính máy CNC ..........................................18
I.2.1 Các yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính máy CNC ....................................18
I.2.2 Nguyên tắc thiết kế cụm trục chính máy CNC .............................................19
I.3. Rung động trên trục chính máy cơng cụ .............................................................22
I.4. Tổng quan về đánh giá chất lƣợng cụm trục chính máy cơng cụ CNC ..............28
I.4.1. Các nghiên cứu ngồi nƣớc .........................................................................28

I.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................................37
Kết luận chƣơng 1 .........................................................................................................39
Chƣơng 2. CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG LÀM VIỆC CỤM Ổ TRỤC CHÍNH
MÁY CNC .....................................................................................................................40
II.1. Tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy CNC ....................................40
II.1.1. Tuổi thọ cụm ổ trục chính máy CNC .........................................................40
II.1.1.1. Tải trọng động hƣớng kính cơ bản danh định Cr ................................40
I


II.1.1.2. Tải trọng động hƣớng kính tƣơng đƣơng............................................43
II.1.1.3. Tuổi thọ sửa đổi danh định .................................................................46
II.1.2. Độ tin cậy cụm ổ trục chính máy CNC ......................................................51
II.1.2.1. Khái niệm ............................................................................................51
II.1.2.2. Đặc trƣng độ tin cậy............................................................................52
II.1.3. Xác định tuổi thọ ổ lăn theo độ tin cậy ......................................................52
II.2. Đánh giá cụm tuổi thọ cụm ổ trục chính máy CNC theo tiêu chí mịn .............53
II.3. Đánh giá chất lƣợng cụm trục chính máy CNC trên cơ sở rung động ..............55
II.3.1. Tổng quan về rung động ............................................................................55
II.3.2. Cấu trúc cơ bản của tín hiệu rung động .....................................................56
II.3.3. Phân tích và xử lý tín hiệu đo.....................................................................57
II.3.3.1. Các giá trị tín hiệu đặc trƣng...............................................................57
II.3.3.2. Phép lọc tín hiệu..................................................................................58
Kết luận chƣơng 2 .........................................................................................................60
Chƣơng 3. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ....................................................................61
III.1. Thiết bị và Điều kiện thí nghiệm: ....................................................................61
III.2. Lựa chọn thông số thực nghiệm .......................................................................62
III.3. Thực nghiệm xác định tƣơng quan giữa mòn  và rung động a ......................63
III.3.1. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................63
III.3.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mòn  và gia tốc a của rung động ............64

III.3.3. Xác định tƣơng quan qua hàm hồi quy Tdc với a .....................................66
III.3.4. Xác định quan hệ Tdc và [a] theo tải P .....................................................67
Kết luận chƣơng 3 .........................................................................................................68
KẾT LUẬN ...................................................................................................................69
KHUYẾN NGHỊ ...........................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................70

II


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CNC

Computer Numerical Control (máy công cụ điều khiển số)

RMS

Root Mean Square (giá trị trung bình hiệu dụng)

DB

Double back hoặc Bacsk to Back

ISO

International Organization for Standardization

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

AC

Alternating Current

CBM

Condition Based Maintenance

LTSC

Long Time

STSC

Short Time

DIN

Deutsches Institut für Normung

AM

Ampitude Modulation

FM

Frequency Modulation

rpm

Round per minute

III


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ý nghĩa

Ký hiệu
a

Gia tốc rung động

Đơn vị
mm/s2 rms

[a]

Giá trị trung bình hiệu dụng giới hạn cho phép của gia tốc

Tdc

Thời gian điều chỉnh máy

giờ

Lƣợng mòn tổng cộng

µm

[]

Lƣợng mịn tổng cộng giới hạn cho phép

µm

PPreload

Tải trƣớc tác dụng lên cụm ổ trục chính

N



mm/s2

L10

Tuổi thọ của ổ

Cr

Khả năng tải động của ổ

N

Pr

Tải trọng động tƣơng đƣơng

N

P

Tải tƣơng đƣơng

q

Số mũ của phƣơng trình tuổi thọ ổ lăn

bm

triệu vịng

Hệ số danh định đối với thép ổ lăn chất lƣợng cao

fc

Hệ số phụ thuộc vào hình học của các bộ phận và vật liệu

i

Số dãy con lăn

α

Góc tiếp xúc danh nghĩa

Z

Số lƣợng các con lăn trong ổ lăn một dãy

độ

Đƣờng kính trung bình qua bộ bi

mm

d

Đƣờng kính trong của ổ lăn

mm

D

Đƣờng kính ngồi của ổ lăn

mm

C0

Khả năng tải tĩnh

X

Hệ số

Y

Hệ số

Fr

Tải hƣớng kính

N

Fa

Tải dọc trục

N

aiso

Hệ số tuổi thọ sửa đổi

a1

Hệ số tuổi thọ sửa đổi với độ tin cậy

Dw

Lnm
u

N

Tuổi thọ sửa đổi

triệu vòng

Ứng suất mỏi giới hạn

IV




Ứng suất thực

eC

Hệ số nhiễm bẩn

κ

Tỷ số độ nhớt



Độ nhớt động thực tế

1

Độ nhớt động chuẩn

n

Tốc độ

R(t)

vịng/phút

Xác suất khơng hỏng trong thời gian hoạt động

T

Tuổi thọ của ổ lăn

giờ

t

Thời gian làm việc

giờ

(t)

Cƣờng độ hỏng
Tốc độ mòn theo thời gian

ờ

m

Số lần điều chỉnh, bảo dƣỡng ổ trục chính

k

Hệ số tuổi thọ giữa bôi trơn tiêu chuẩn và không bôi trơn

l

Hệ số giữa gia tốc giới hạn cho phép ở trạng thái có bơi trơn
và khơng bơi trơn
Tuổi thọ xác định theo thực nghiệm

J

Độ cứng vững

giờ
N/µm

Py

Lực tác dụng theo phƣơng hƣớng kính của bề mặt gia cơng

y

Lƣợng dịch chuyển trục chính theo phƣơng của lực

̃

Tín hiệu rung động trung bình

N
µm

x(t)

Tín hiệu rung động

Fa

Tải dọc trục

N

Fr

Tải hƣớng kính

N

pa

Áp suất qua van điều chỉnh lực dọc trục

bar

pr

Áp suất qua van điều chỉnh lực hƣớng kính

bar

A

Diện tích

f

Tần số

Hz

fmax

Tần số cực đại

Hz

fmin

Tần số cực tiểu

Hz

Nhiệt độ

độ

t0

mm2

V


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy tiện CNC ......................................................5
Hình 1.2 Cụm trục chính máy tiện CNC .........................................................................6
Hình 1.3 Các phƣơng pháp dẫn động trục chính .............................................................6
Hình 1.4 Trục chính tích hợp...........................................................................................8
Hình 1.5 Cấu tạo cụm trục chính máy CNC ....................................................................8
Hình 1.6 Hình dạng vỏ trục chính máy cơng cụ .............................................................9
Hình 1.7 Tích hợp động cơ và trục chính ......................................................................10
Hình 1.8 Hệ thống làm mát cho động cơ trục chính và vịng bi....................................10
Hình 1.9 Cấu tạo điển hình trục chính máy CNC truyền động đai. ..............................11
Hình 1.10 Các bộ phận chính của ổ lăn .........................................................................12
Hình 1.11 Ảnh hƣởng của góc tiếp xúc trong khả năng chịu tải. ..................................12
Hình 1.12 Các kiểu bố trí bộ vịng bi khác nhau ...........................................................13
Hình 1.13 Back – to – back ...........................................................................................13
Hình 1.14 Cách bố trí trƣớc - sau ..................................................................................13
Hình 1.15 Cách bố trí mặt đối mặt trƣớc - sau ..............................................................14
Hình 1.16 Một số phƣơng pháp bơi trơn ổ lăn ..............................................................14
Hình 1.17 Sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến kích thƣớc một số phần trục chính ............14
Hình 1.18 Làm mát khơng khí .......................................................................................15
Hình 1.19 Trục chính điều khiển bằng đai của máy tiện CNC .....................................16
Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống bơi trơn trục chính ...............................................................16
Hình 1.21 Ngun lý bơi trơn khơng khí.......................................................................17
Hình 1.22 Hệ thống bơi trơn Macro ..............................................................................17
Hình 1.23 Hệ thống bơi trơn Micro-Fog .......................................................................18

Hình 1.24 Sơ đồ bố trí trục chính ..................................................................................19
Hình 1.25 Máy phay CNC 5 trục kiểu đứng .................................................................20
Hình 1.26 Máy phay CNC 5 trục kiểu quay ..................................................................20
Hình 1.27 Đầu trục chính bố trí kiểu động học song song ............................................21
Hình 1.28 Đầu trục chính có nhiều cụm trục chính.......................................................21
Hình 1.29 Kết cấu các cụm trục chính máy CNC .........................................................22
Hình 1.30 Kết cấu phần lắp ổ bi với các cụm trục chính động cơ liền trục ..................22
Hình 1.31 Đốm năng gây ra mất cân bằng ....................................................................23
Hình 1.32 Đáp ứng biên độ của roto không cân bằng ...................................................24
VI


Hình 1.33 Khả năng phát hiện lỗi và phí bảo trì theo thời gian ....................................26
Hình 1.34 a) Kết cấu của ổ lăn và b) dạng tín hiệu dao động ở vỏ ổ. ...........................28
Hình 1.35 Rung động của máy ở các chế độ khác nhau................................................28
Hình 1.36 Thiết lập thử nghiệm và phát hiện lỗi...........................................................29
Hình 1.37 Thiết lập thử nghiệm của Neuebauer............................................................30
Hình 1.38 Xu hƣớng rung động đến khi hỏng ổ trục & kết quả hoạt động của các kỹ
thuật giám sát khác nhau. ..............................................................................................30
Hình 1.39 Sơ đồ giám sát trục chính .............................................................................31
Hình 1.40 Đồ thị biểu diễn giá trị thơng số đặc trƣng rung động đo đƣợc.................................. 32
Hình 1.41 Phƣơng pháp của Vogl & Donmez để giám sát tình trạng trục chính..........33
Hình 1.42 Xác nhận số liệu đƣợc đề xuất......................................................................33
Hình 1.43 Thiết bị thí nghiệm của Butdee S and Kullawong T ....................................34
Hình 2.1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi aiso theo

u


..................................................................47

Hình 2.2. Đồ thi xác định độ nhớt động học chuẩn 1 ..................................................50
Hình 2.3. Sự phụ thuộc mịn vào thời gian t hay quãng đƣờng ma sát L ......................53
Hình 2.4 a – Đồ thị rung động vẽ trên phần mềm Microlog Analysis; b – Ứng dụng
tính giá trị đặc trƣng của rung động trên Matlab. ..........................................................59
Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị thí nghiệm ........................................................................61
Hình 3.2 Hình ảnh Thiết bị thực nghiệm trên máy tiện CNC Eclipse 300 ...................62
Hình 3.3 Đồ thị tổng hợp giữa lƣợng mòn và gia tốc trong các thí nghiệm .................65

VII


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Quan hệ giữa tản nhiệt và lƣu lƣợng dòng chảy nƣớc làm mát Q................................ 15
Bảng 1.2: Vùng và mức độ rung theo và ISO/TR 17342-2 ...........................................36
Bảng 2.1 - Giá trị của bm cho ổ bi đỡ ...........................................................................41
Bảng 2.2. Các giá trị của hệ số fc đối với các ổ bi đỡ ...................................................42
Bảng 2.3. Các giá trị X và Y đối với ổ đỡ .....................................................................44
Bảng 2.4 Hệ số nhiễm bẩn eC ........................................................................................49
Bảng 2.5. Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy, a1 ................................................52
Bảng 2.6. Giá trị tín hiệu đặc trƣng cơ bản của rung động ..........................................58
Bảng 3.1. Thống số ổ trục thí nghiệm ...........................................................................61
Bảng 3.2 Thơng kỹ thuật của các thí nghiệm ................................................................63
Bảng 3.3. Kết quả đo lƣợng mịn  (µm) và rung động a (mm/s2 rms) .........................63
Bảng 3.4. Giá trị của Tdc và [a] khi []=5µm ...............................................................66

VIII


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Máy công cụ CNC là hệ thống thiết bị cơ điện tử hiện đại, đƣợc sử dụng khá
phổ biến trong hầu hết các ngành công nghiệp, với ƣu điểm nổi trội là linh hoạt về
hình dáng, kích thƣớc sản phẩm đƣợc gia cơng mà vẫn đảm bảo độ chính xác gia cơng,
chất lƣợng ổn định, hiệu quả kinh tế và thời gian chuẩn bị gia công ngắn...
Một trong những bộ phận quan trọng cấu thành máy cơng cụ CNC là cụm trục
chính. Chất lƣợng hoạt động của cụm trục chính máy cơng cụ có vai trị rất quan trọng
vì nó quyết định trực tiếp đến độ chính xác gia cơng của máy. Các u cầu kỹ thuật cơ
bản đối với cụm trục chính máy cơng cụ là độ chính xác chuyển động quay, độ cứng
vững, khả năng chống rung, tuổi thọ và độ tin cậy.
Trong quá trình vận hành, rung động xuất hiện và phản ánh rất nhạy, chính xác
đối với sự thay đổi tình trạng hoạt động của máy. Đánh giá tình trạng hoạt động máy
cơng cụ nói chung và cụm ổ trục chính nói riêng theo các đặc trƣng của rung động là
rất thuận lợi do không phải dừng máy, tháo máy.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số đặc trƣng của rung
động và tuổi thọ cụm ổ trục chính đặc trƣng cho chất lƣợng làm việc của cụm ổ trục
chính máy cơng cụ nói chung và máy cơng cụ CNC nói riêng, chƣa đƣợc nghiên cứu
nhiều mà chủ yếu tập trung nghiên cứu chất lƣợng vận hành các cụm vòng bi đơn lẻ ở
trạng thái dài hạn – trạng thái xuất hiện các hƣ hỏng cục bộ trên vịng trong, vịng
ngồi, viên bi hay vịng cách. Ở Việt Nam hiện nay, chƣa có quy trình đánh giá chất
lƣợng làm việc của cụm trục chính máy cơng cụ CNC căn cứ vào các thông số đặc
trƣng của rung động. Chính vì vậy, đề tài Luận văn đã chọn hƣớng nghiên cứu là
―Nghiên cứu rung động cụm ổ trục chính máy tiện CNC trên cơ sở mịn‖.
2. Mục đích nghiên cứu của Luận văn
Nghiên cứu nhằm xác định mối tƣơng quan giữa lƣợng mòn tổng cộng và giá trị
đặc trƣng của rung động cụm trục chính máy tiện CNC theo thời gian làm việc, trong
điều kiện phịng thí nghiệm.
Xác định giá trị trung bình hiệu dụng giới hạn cho phép của gia tốc rung động
cụm ổ trục chính máy tiện từ giá trị lƣợng mòn tổng cộng  thể hiện tuổi thọ giới hạn ở
một chế độ làm việc xác định (tải trọng, tốc độ trục chính). Từ đó, xác định thời điểm

1


điều chỉnh bảo dƣỡng cụm ổ trục chính Tdk nhằm duy trì chất lƣợng làm việc của cụm
ổ trục chính máy tiện CNC máy tiện CNC, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu chung của đề tài là cụm ổ trục chính máy tiện CNC là
cụm chi tiết đƣợc mơ đun hóa và tiêu chuẩn hóa, đa dạng về chủng loại và phong phú
về kết cấu đã 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 văn là cụm ổ trục chính máy tiện
CNC Eclipse 300, trong đó có tích hợp 02 ổ 7210B của hãng NSK lắp ghép kiểu lƣng
đối lƣng DB (back to back).
Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu mối tƣơng quan giữa lƣợng mòn tổng cộng và
giá trị đặc trƣng rung động của máy tiện CNC có cơng suất 1,5kW, tốc độ vòng quay
từ 1000-3000 vòng/phút.
Các nghiên cứu đƣợc tiến hành trong điều kiện khơng có chất bơi trơn tại cụm ổ
trục chính chịu lực chính trong q trình mịn tuyến tính. Để đảm bảo điều kiện làm
việc bình thƣờng của ổ lăn, nhiệt độ làm việc đƣợc duy trì nhỏ hơn 600C.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Đề tài Luận văn đã đƣa ra quy trình thực nghiệm xác định mối tƣơng quan giữa mịn
với đặc trƣng rung động của trục chính máy công cụ CNC.
- Đã xác lập đƣợc mối tƣơng quan giữa lƣợng mịn tổng cộng, với giá trị trung bình
hiệu dụng giới hạn cho phép của gia tốc rung động của cụm trục chính máy tiện CNC
thí nghiệm.
Ý nghĩa thực tiễn

- Đề tài đã xây dựng đƣợc hệ thống cơ sở lý thuyết cho thử nghiệm đánh giá tƣơng
quan lƣợng mòn tổng cộng với giá trị gia tốc cho phép dao động.
- Tuổi thọ cụm trục chính đƣợc đặc trƣng bởi lƣợng mịn tổng cộng. Trong đó độ
lƣợng mịn dọc trục tổng cộng cần đƣợc quan tâm đầu tiên.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:
2


- Nghiên cứu lý thuyết về độ tin cậy, tuổi thọ thiết bị trên cơ sở mòn và lý thuyết rung
động, sử dụng phƣơng pháp phân tích và tổng hợp khi nghiên cứu các tài liệu khoa học
liên quan.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên đối tƣợng khảo sát kết hợp với các phƣơng pháp xử lý
số liệu để đƣa ra mối tƣơng quan giữa đặc trƣng rung động với mòn trục chính, sử
dụng thiết bị và trang bị đồng bộ cũng nhƣ các công cụ, dữ liệu hỗ trợ của hãng SKF,
Thụy sĩ.
6. Nội dung Luận văn
Nội dung chính của Luận văn bao gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về cụm trục chính máy tiện CNC
Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật của cụm trục chính máy tiện CNC. Các
phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng làm việc cụm ổ trục chính máy tiện CNC. Phân tích,
đánh giá những cơng trình nghiên cứu đã có của tác giả trong và ngồi nuớc liên quan
đến đánh giá chất lƣợng cụm ổ trục chính máy tiện CNC. Trên cơ sở đó xác định
những vấn đề mà Luận văn cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về mòn và rung động ổ trục chính máy tiện CNC
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mòn và rung động cụm ổ trục chính máy tiện
CNC; mối quan hệ giữa lƣợng mịn tổng cộng và độ cứng vững đến chất lƣợng làm
việc của cụm ổ trục chính; Các phƣơng pháp, kỹ thuật đo và phân tích rung động sử
dụng để đánh giá chất lƣợng cụm trục chính máy tiện CNC, phƣơng pháp giám sát
chất lƣợng làm việc của cụm ổ trục chính máy tiện CNC trên cơ sở khảo sát rung

động.
Chƣơng 3: Đánh giá Kết quả thực nghiệm rung động
Trên cơ sở kết quả thực nghiệm khảo sát, xây dựng mơ hình tốn định luợng
mối quan hệ giữa mòn và giá trị đặc trƣng của rung động đo đƣợc, từ đó xác định thời
điểm Tdc cần thiết phải dừng máy để điều chỉnh độ căng của cụm ổ trục chính về trang
thái ban đầu nhằm nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy máy cơng cụ CNC, giảm chi phí sản
xuất.
7. Các kết quả mới
- Quy trình xác định mịn tổng cộng  và [a] để giám sát chất lƣợng cụm ổ trục chính
máy tiện CNC trong điều kiện vận hành bình thƣờng và chỉ ra thời điểm (tuổi thọ Tdc)

3


điều chỉnh ổ trục chính trong chu kỳ làm việc để đảm bảo duy trì chất lƣợng làm việc
của máy CNC.
- Xác định mối tƣơng quan giữa giá trị đặc trƣng của gia tốc rung động theo hàm phi
tuyến và lƣợng mịn tổng cộng cụm ổ trục chính theo hàm tuyến tính có quan hệ đồng
biến và hồn tồn xác định đƣợc thông qua thực nghiệm.

4


Chƣơng 1. TỔNG QUAN
I.1. Đặc điểm, vai trò của cụm trục chính máy CNC
Máy cơng cụ CNC là sản phẩm cơ điện tử hiện đại, đƣợc sử dụng phổ biến với
nhiều ƣu điểm: Độ chính xác gia cơng cao; sản phẩm đa dạng, linh hoạt; chất lƣợng ổn
định, hiệu quả kinh tế cao, thời gian chuẩn bị gia công ngắn… Sản phẩm của q trình
gia cơng trên máy cơng cụ đƣợc sử dụng trong hầu nhƣ tất cả các lĩnh vực của cuộc
sống: y tế, giao thông, xây dựng, năng lƣợng, ...

Cụm trục chính, đƣợc ví nhƣ trái tim của máy cơng cụ, đóng vai trị quan trọng
trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của máy cơng cụ nói chung và máy CNC
nói riêng. Phạm vi cơng suất và tốc độ quyết định khả năng gia công của máy cơng cụ,
tuy nhiên, cịn có những thơng số kỹ thuật khác rất quan trong nhƣ: độ chính xác, độ
cứng vững, hiệu suất, khả năng công nghệ, … cũng có vai trị hết sức quan trọng. Về
mặt kỹ thuật, trục máy cơng cụ có chức năng quan trọng: truyền chuyển động quay
chính xác đến cơng cụ/phơi và truyền năng lƣợng đến vùng cắt để loại bỏ vật liệu.
Hình 1.1 mô tả sơ đồ kết cấu động học máy tiện CNC

h .1
gh
i
Trong q trình gia cơng trục chính phải chịu tải trọng do cắt gọt và nhiệt phát
sinh do ma sát trong ổ lăn. Lực và mô men cắt bao gồm dạng tĩnh và động, thông qua
hệ thống dụng cụ (đồ gá dụng cụ và dụng cụ) tác dụng đến các vịng bi trục chính.
Trên các máy cơng cụ thơng thƣờng, cụm trục chính phải làm việc ở tốc độ quay ở tốc
5


độ cao (đến 20.000 vịng/phút) và đảm bảo độ chính xác yêu cầu từ 1µm ( mài) đến
100 µm ( tiện, phay, bào.. ). Do đó, tải trọng và nhiệt là nguyên nhân cơ bản gây mòn
ổ lăn và dẫn đến rung động cụm trục chính. Hình 1.2 mơ tả kết cấu trục chính của một
máy tiện CNC

h 1.2
r
h h
i
[39]
Có một số loại hệ thống dẫn động khác nhau, về cơ bản nó bao gồm động cơ

dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp (hình 1.3).

Hình 1.3

phư g ph p dẫ

ng tr c chính [37]

a-Dẫn động bằng bộ truyền đai; b-Dẫn động trực tiếp; c-Dẫn động bằng bộ bánh răng;
d- Dẫn động tích hợp
Hiện nay, phần lớn máy cơng cụ nói chung và máy CNC nói riêng sử dụng dẫn
động gián tiếp với đƣờng truyền gồm động cơ, bộ truyền động (bánh răng; đai hay
khớp nối) và trục chính.
Các trục chính truyền động bằng đai thƣờng sử dụng đai răng để truyền cơng
suất từ động cơ đến trục chính. Hệ thống truyền động này có giá thành thấp và dễ bảo
trì nhƣng có nhƣợc điểm nhƣ nhƣ tổn thất năng lƣợng, tiếng ồn, rung và tạo ra tải tác
6


dụng trên vịng bi trục chính. Hiệu suất của hệ thống này khoảng 95% và có thể đạt
đƣợc tốc độ khoảng 15.000 vịng/phút.
Trục chính truyền động trực tiếp nhận cơng suất trực tiếp từ động cơ bằng hệ
thống ghép nối trực tiếp, có khả năng làm việc ở tốc độ cao nhƣng chỉ ở các moment
thấp. Hiệu suất truyền động của hệ thống này khoảng 100%.
Trục chính truyền động bằng bộ truyền bánh răng không hoạt động tốt ở tốc độ
cao bởi vì tổn hao cơng suất và mức độ rung động tăng. Tuy nhiên, chúng có thể
truyền mơ men lớn ở tốc độ thấp và do đó phù hợp cho gia công nhiệm vụ gia công thô
hoặc gia công với công suất lớn. Hiệu suất của hệ thống truyền động này là dƣới 90%.
Ở loại trục chính truyền động tích hợp, động cơ có thể là động cơ điện đồng bộ hoặc
khơng đồng bộ đƣợc tích hợp vào kết cấu trục chính giữa các ổ đỡ trƣớc và sau nhƣ

hình 1.3. Bằng cách này, rung động và tiếng ồn đƣợc giảm thiểu và cơng việc có thể
đƣợc thực hiện ở các tốc độ quay cao, từ 15.000 vg/ph. Do đó trục chính loại này rất
phổ biến ở các máy cơng cụ gia cơng cao tốc. Kiểm sốt sự truyền nhiệt bên trong trục
chính và giãn nở nhiệt là yếu tố then chốt để đạt đƣợc hiệu suất tốt cho loại truyền
động này. Do động cơ lắp bên trong thân trục chính nên hệ thống tản nhiệt có vai trị
vơ cùng quan trọng. Loại trục chính này đắt tiền do có các hệ thống phụ cho làm mát
và giám sát cũng nhƣ yêu cầu độ chính xác cực kỳ cao trong lắp ráp.
Các trục chính ghép tích hợp cịn đƣợc gọi là trục điện, trục xoay động cơ và
trục động cơ chứa một động cơ điện kết hợp lắp ráp của nó, nằm ở vị trí trung tâm giữa
các bố trí vịng bi (trƣớc và sau). Cấu hình này chiếm khơng gian ít hơn so với các trục
chính khác nhƣng nó đắt hơn và phức tạp hơn trong cấu trúc. Tuy nhiên, lợi thế là đạt
đƣợc tốc độ cao ở độ rung và tiếng ồn thấp với hiệu suất đặc biệt lớn [1]. Ổ trục tích
hợp cũng đƣợc đặc trƣng cho khả năng tăng tốc cao, độ cứng không mài mịn, độ cứng
cao và hiệu quả trong các ngun cơng gia cơng tinh. Hình 1.4 thể hiện mặt cắt một
trục chính tích hợp

7


h 1.4 Tr
h h h h p[39]
Trục chính máy cơng cụ CNC là cụm phức tạp đƣợc cấu thành từ nhiều thành
phần khác nhau thƣờng bao gồm các thành phần cơ bản là: Vỏ trục chính, trục chính,
các ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát. Mỗi thành phần đóng một vai trị quan
trọng trong các chức năng của trục chính. Hiệu suất riêng của các thành phần sẽ quyết
định tới hiệu suất tổng thể của trục chính. Hình 1.5 là cấu tạo cấu trục chính tích hợp
trên máy CNC.

h 1.5
I.1.1.

r

h h

[39]

trục chính
Vỏ là phần cấu trúc chứa tất cả các bộ phận khác của trục chính và tách riêng

trục chính ra khỏi cấu trúc dụng cụ máy. Hình dạng bên ngồi của chúng có thể khác
nhau (Hình 1.6) tùy thuộc vào cấu hình bên trong và giao diện cần thiết cho thân máy
cơng cụ nơi nó sẽ đƣợc cài đặt. Tuy nhiên, phổ biến nhất là hình vng và dạng hộp,
sau đó có hình dạng hình trụ.

8


Hình 1.6 Hình d ng vỏ tr c chính máy cơng c [39]
Chức năng chính của vỏ là định vị chính xác và bảo vệ các thành phần cụm trục
chính khỏi tác động của mơi trƣờng. Độ chính xác hình dáng hình học của vỏ là đặc
biệt quan trọng trong việc lắp ráp và định vị vị trí của vịng bi trục chính. Trong thực
tế, trục máy cơng cụ u cầu vịng bi chính xác cao, đƣợc phân loại theo lớp dung sai.
Vì lí do này, vỏ phải tn thủ các dung sai hình dáng hình học và vị trí tƣơng quan nhƣ
độ trịn, dung sai kích thƣớng, độ đồng tâm, .... Ngồi ra vỏ hộp trục chính là nơi cung
cấp chất bơi trơn và làm mát vịng bi và động cơ trong các trục chính. Bên cạnh đó,
trong một số trục chính, vỏ máy cung cấp dung dịch trơn nguội cần thiết cho các hoạt
động gia cơng và có thể đƣợc tích hợp cảm biến và hệ thống điện, điện tử.
I.1.2. Động cơ
Động cơ là cơ cấu biến năng lƣợng điện thành năng lƣợng cơ học theo dạng

quay. Trong các ứng dụng của công cụ máy, động cơ điện đƣợc sử dụng khá phổ biến
bởi ƣu điểm nhỏ gọn, dễ điều khiển, …
Có rất nhiều động cơ điện đƣợc sử dụng cho máy công cụ CNC: động cơ điện
một chiều hoặc động cơ điện xoay chiều. Trong động cơ điện xoay chiều (AC) gồm
hai loại: đồng bộ hoặc không đồng bộ. Trong các động cơ đồng bộ, rôto quay theo tốc
độ đƣợc xác định bởi tần số cung cấp điện và số cực, đƣợc gọi là tốc độ đồng bộ.
Trong các động cơ khơng đồng đồng bộ (cũng có động cơ cảm ứng), rôto quay chậm
hơn tốc độ đồng bộ [2]. Trong trục chính, tốc độ đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi
tần số nhờ biến tần với hệ thống CNC của máy công cụ.
Xu hƣớng hiện nay đang chuyển từ động cơ không đồng bộ sang động cơ đồng
bộ nam châm vĩnh cửu. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thể hiện đặc tính tƣơng
đối tốt hơn nhƣ: công suất cao và tỷ lệ công suất/trọng lƣợng lớn, cho phép cơ cấu trục
chính nhỏ hơn và nhẹ hơn. Hình 1.7 cho thấy việc có thể tích hợp đƣợc trục chính và
động cơ để truyền cơng suất cắt trên máy công cụ.

9


Hình 1.7 Tích h p

g

và r c chính.

Trong q trình làm việc, do tổn hao hiệu suất trên động cơ điện, hệ thống sẽ bị
nóng lên do một phần cơng suất tổn hao biến thành nhiệt năng. Do đó phải có giải
pháp là mát cho động cơ bằng cách cung cấp một "áo khốc làm mát" (Hình 1.8) là
một khoang xoắn ốc bao quanh stato. Thông qua khoang này, chất làm mát (ví dụ:
nƣớc, dầu, dung dịch glycol) đƣợc lƣu thơng bởi một thiết bị làm mát bên ngồi.
Trong nhiều thiết kế trục chính, mạch làm mát này cũng chịu trách nhiệm làm mát các

vịng bi.

Hình 1.8 H thống làm mát h

g

r c chính và vịng bi[38]

I.1.3. Trục chính
Chức năng chính của trục là nhận nguồn năng lƣợng (mơ men) từ động cơ, qua
bộ truyền (nếu có) và truyền cơng suất này đến bộ phận gá dao, gá phôi. Tùy thuộc vào
cấu hình trục chính mà thƣờng lắp hai đến ba cụm vòng bi. Các cụm vòng bi này định
vị chính xác vị trí và hạn chế chuyển động dọc trục.
Trục là cơ sở để tích hợp thanh kéo của cơ cấu gá phôi, gá dao và trong một số cấu
hình cho phép dung dịch trơn nguội lƣu thơng trong trục.
10


Hình 1.9 C u t o iển hình tr c chính máy CNC truyề
g i.[39]
Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của trục chính là đảm bảo độ đồng tâm, độ song
song, dung sai kích thƣớc và độ nhám bề mặt. Trong đó, dung sai kích thƣớc tại vị trí
lắp ghép (cổ trục) có vai trị quan trọng nhất. Mặt khác, trục đƣợc chế tạo phải đảm
bảo cân bằng động và tĩnh để giảm thiểu rung động trong quá trình làm việc. Khi thiết
kế trục chính máy cơng cụ, phải lƣu ý tần số cộng hƣởng của rung động.
I.1.4. Ổ

ục c n

Ổ trục chính có ảnh hƣởng rất lớn đến việc hình thành độ cứng vững của hệ

thống trục chính máy cơng cụ, nó phải đảm bảo độ chính xác của truyền động trên tất
cả mọi số vòng quay và tải trọng.
Yêu cầu cơ bản đối với ổ trục chính:
- Đảm bảo chuyển động quay chính xác ngay cả khi tải trọng thay đổi. Ổ trục phải chịu
đƣợc chấn động, đây là một trong những yêu cầu quan trọng của trục chính làm việc
với tốc độ cao. Điểu chỉnh khe hở dễ dàng, chế tạo và sử dụng đơn giản. Đảm bảo
đƣợc tuổi thọ theo yêu cầu. Tùy theo điều kiện làm việc và yêu cầu kỹ thuật có thể sử
dụng các loại vòng bi nhƣ vòng bi lăn, vòng bi khí, từ, thủy tĩnh và thủy động lực học.
Tuy nhiên, vịng bi có đặc tính tổng thể tốt hơn so với mỗi loại khác, trong các ứng
dụng trục chính của cơng cụ máy [3]. Một bất lợi chính của vịng bi lăn là thiếu tính
chất giảm xóc cao. Tuy nhiên, vòng bi lăn nổi bật ở mức giá thấp và dễ dàng bơi trơn,
do đó đƣợc sử dụng rỗng rãi trên cụm trục chính máy cơng cụ. Hình 1.10 biểu diễn cấu
tạo của một ổ lăn.

11


Hình 1.10 Các b phận chính c a ổ lă
Một trong những yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền của tuổi thọ vòng bi là độ lớn và
loại tải trọng với các điều kiện tải danh định. Loại tải tƣơng quan chặt chẽ với hình học
của vịng bi. Trong các vịng bi tiếp xúc góc, góc tiếp xúc α sẽ ảnh hƣởng đến tải dọc
trục hoặc tải hƣớng tâmvà tốc độ cho phép của ổ đỡ. Giá trị cao hơn của α thì khả năng
chịu đƣợc tải dọc trục cao hơn, nhƣng ở tốc độ thấp hơn. Góc tiếp xúc điển hình cho
vịng bi tiếp xúc góc là 15º, 25º và 30º (hình 1.11)

Hình 1.11 Ả h hưởng c a góc ti p xúc trong khả ă g chịu tải.
* Bộ vòng bi
Để thực hiện tải trọng trục theo cả hai hƣớng và tăng độ cứng trục dọc và trục
xuyên tâm, các vòng bi đƣợc kết hợp và sắp xếp theo các cách khác nhau dọc theo trục
chính. Những sắp xếp này thƣờng đƣợc gọi là lắp bộ vòng bi.

12


Hình 1.12 Các kiểu bố trí b vịng bi khác nhau
Các cấu hình cơ bản nhất là DB, mặt đối mặt (DF) hoặc song song (TD) đề cập
đến vị trí tƣơng đối của các mặt vòng bi đối với vòng bi thứ hai (xem Hình 1.12). Tuy
nhiên chúng có thể đƣợc kết hợp để tạo thêm sự sắp xếp với hơn hai vịng bi cạnh
nhau.
Cách bố trí back-to-back là thơng dụng nhất.
 Vòng trong của ổ lăn đƣợc gắn chặt với nhau
 ụ trục chính đƣợc vận hành vơi tải trọng lớn

Hình 1.13 Back – to – back [36]
Cách bố trí trƣớc – sau:
 Vịng trong và vịng ngồi có độ lệch, tạo ra khả năng tải cao hơn
 Chịu đƣợc tải trọng dọc trục lớn theo một chiều nhƣng khơng chịu tải có
hƣớng ngƣợc lại

Hình 1.14 Cách bố r rước - sau[36]

13