Nghiên cứu một số vần đề động lực học của cụm trục chính máy tiện

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học bách khoa hà nội

ĐàO DUY TRUNG

Tên luận án:

Nghiờn cu mt s vấn đề động lực
trục chính máy tiện “

học của cụm

Chuyªn ngành: Công nghệ chế tạo máy
MÃ số
: 2.01.09

Luận án tiến sÜ kü thuËt

Hµ Néi, 07/2006


Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học bách khoa hà nội

đào duy trung

Tên luận án:

Nghiờn cu mt s vấn đề động lực

trục chính máy tiện “

học của cụm

Chuyªn ngành: Công nghệ chế tạo máy
MÃ số
: 2.01.09

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Phạm Đắp
2. TS Nguyễn Xuân Toàn

Hà Nội, 07/2006


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực.
Những kết luận của luận án chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Đào Duy Trung


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Mục lục
Mục lục

1

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

4

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

6

Danh mục các bảng

11

Mở đầu

13

Chương 1 Tổng quan cơ së lý thut øng dơng trong nghiªn cøu

20

1.1

20

Tỉng quan lý thuyết động lực học máy công cụ

1.1.1 Hệ thống động lùc häc m¸y- g¸- dao- chi tiÕt

20

1.1.2 CÊu tróc hƯ thống động lực học máy công cụ- Hệ thống đàn hồi tương đương

21

1.2

Phương trình động lực học

31

1.2.1 Thành lập phương trình vi phân dao động

31

1.2.2 Ma trận khối lượng

32

1.2.3 Dao động tự do - Tần số và dạng dao động riêng

34

1.3

34

Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn

1.3.1 Mô hình toán và phương pháp giải bằng phần tử hữu hạn

34

1.3.2 Trình tự giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

37

1.4

Mô hình kết cấu và mô hình tính động lực học cụm trục chính máy tiện vạn 39
năng hạng trung

1.4.1 Các giả thuyết của mô hình tính

39

1.4.2 Mô hình kết cấu và tính toán cụm trục chính

40

Kết luận Chương 1

42

Chương 2 Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục chính và khảo

nghiệm cân bằng động trục chính máy tiện

43

2.1

Một số tính toán cụm trục chính máy công cụ

43

2.1.1

Tính tần số riêng

43

2.1.2

Tính độ biến dạng của hệ thống đàn hồi

45

2.1.3

Tính độ cứng vững trục chính có xét tới độ mềm dẻo của ổ

48

2.2.

Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục chính

52

2.2.1 Độ chính xác quay tròn của trục chính

52

2.2.2

Độ cứng vững của cụm trục chính

54

2.2.3

Độ ổn định rung của cụm trục chính

56

2.2.4

Yêu cầu kết cấu trôc chÝnh

57

1


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

2.2.5

Thiết kế cụm trục chính dùng ổ lăn

58

2.2.6 Một số kết cấu điển hình của cụm trục chính của máy tiện dùng ổ lăn

61

2.3

63

Cân bằng và khảo nghiệm cân bằng động trục chính máy tiện T18A

2.3.1 Nguyên lý máy cân bằng động kiểu khung

63

2.3.2 Yêu cầu về chất lượng cân bằng phần quay và xác định lượng mất cân bằng
còn dư cho phép

66

2.3.3 Máy cân bằng động của Viện Nghiên cứu Cơ khí đà tin học hóa. Cân bằng
động trục chính máy tiện T18A

72

Kết luận Chương 2

80

Chương 3 Tính toán động lực học cụm trục chính và thân máy tiện T18A dưới 81
ảnh hưởng của một số thông số thay đổi bằng phầm mềm của
phương pháp phần tử hữu hạn và tối ưu hóa các thông số
3.1

Tính toán bộ tham số ngoại tác động lên cụm trục chính và thân máy

81

3.1.1 Tính ba thành phần lực cắt

82

3.1.2 Tính các thành phần lực tác dụng lên ụ đứng và ụ động

83

3.1.3 Tính các thành phần lực tác dụng lên băng (thân) máy

84

3.2

ứnp dụng phần mềm CosmosDesignSTAR

86

3.3

Tính toán động lực học cụm trục chính

89

3.3.1 Tính dao động riêng

91

3.3.2 Tính dao động cưỡng bức

101

3.4

112

Tính toán động lực học hệ thân máy

3.4.1 Tính dao động riêng

113

3.4.2 Tính dao động cưỡng bức

114

Kết luận Chương 3

118

Chương 4 Các kết quả đo thí nghiệm đo dao động riêng và cưỡng bức cụm trục 120
chính trên máy T18A bằng thiết bị và phần mềm chuyên dùng
4.1

Giới thiệu nguyên lý cơ bản thiết bị ®o thÝ nghiƯm

120

4.1.1 HƯ kÝch ®éng

121

4.1.2 Bé chun ®ỉi lùc và chuyển động

123

4.1.3 Hệ đo và phân tích mẫu

127

4.2.

128

Nghiên cứu đo và xác định dao động riêng của trục máy tiện bằng thiết bị
NI 4412 và phần mềm Smart Office

4.2.1 Sơ đồ đo trục và chọn điểm đo

129

2


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

4.2.2 Trình tự đo

130

4.2.3 Các kết quả đo dao động

132

4.3

Đo kiểm dao động cưỡng bức cụm trục chính trên máy tiện T18A khi có tải 136
và không tải bằng thiết bị DATA COLLETOR 2526E và phần mềm chuyên
dùng

4.3.1 Giới thiệu thiết bị đo dao động, thu thập dữ liệu DC 2526 E

136

4.3.2 Kết quả đo dao động cụm trục chính trên máy

140

4.3.3 Tổng hợp kết quả và so sánh với kết quả tính toán

143

Kết luận Chương 4

145

Kết luận chung của luận án

146

Danh mục các công trình công bố liên quan đến Luận án

148

Tài liệu tham khảo

149

Lời cám ơn của tác giả

154

Phần Phụ lục

155

Phụ lục 1 Ví dụ trình tự giải Cosmos Design

156

Phụ lục 2 Các dạng dao động riêng, trường ứng suất, chuyển vị và biến dạng
cụm trục chính khi tính bằng phầm mềm Cosmos Design

158

Phụ lục 3 Một số hình ảnh, biểu đồ ... đo dao động riêng bằng thiết bị NI 4472 và 170-181
phÇn mỊm Smart office

3


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
A - khoảng cách từ điểm đặt lực cắt tại đầu côngxôn mâm cặp đến ổ trước trục
chính, mm;
a 1 - khoảng cách giữa điểm đặt lực bánh răng lớn đến ổ trước trục chính [mm];
a 2 - khoảng cách giữa hai điểm đặt lực của hai bánh răng cụm trục chính[mm];
A i - biên độ dao ®éng;
δ - ®é ®¶o h­íng kÝnh cđa ỉ;
c - ®é cứng của phần tử;
C-

ma trận độ cứng của hệ phần tư;

C 1 , C 2 , C 3 - ®é cøng h­íng kÝnh cđa ỉ bi thø nhÊt, thø hai và thứ ba [N/àm];

d, D - đường kính trong và ngoài của ổ lăn (mm);
1 , 2 , σ 3 - c¸c øng suÊt chÝnh thø nhÊt, thø hai vµ thø ba;
σ x , σ y , σ z - các ứng suất pháp theo phương ox, oy và oz;
E -

mô đun đàn hồi của vật liệu;

EI -

độ cứng chống uốn của mặt cắt ngang trục;

eT -

độ mềm cđa ỉ tr­íc;

eS -

®é mỊm cđa ỉ sau;

eP -

®é lƯch tâm cho phép còn dư của trục chính;

F -

ma trận lực tác dụng lên phần tử;

F-

lực đặt vào đầu mút c«ngx«n cơm trơc chÝnh;

F lt1 ,
F lt2 -

hai lùc ly tâm lớn nhất do lượng mất cân bằng của trục chính gây ra tại
hai chỗ lắp tương ứng bánh răng 1và bánh răng 2;

F br -

lực ăn khớp bánh răng khi truyền động;

f(t)-

lực tác dụng lên phần tử;

fr -

tần số dao động riêng [Hz];

f x , f y , f z - các thành phần lực khối theo phương x, y và z;
I -

ma trận đơn vị;

Ix -

mô men quán tính theo mặt cắt ngang của trục;

L-

khoảng cách giữa ổ bi thø nhÊt vµ thø ba [mm];

l 1 , l 2 - khoảng cách tương ứng giữa ổ bi thứ hai vµ thø ba; thø nhÊt vµ thø hai, mm;
m-

khèi lượng vật dao động;

4


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

m s ; m T - mô men phản lực tại ổ sau và ổ tr­íc cơm trơc chÝnh;
n - sè bËc tù do cđa hệ;
n tc - số vòng quay cụm trục chính;
-

thế năng của hệ phần tử;

R s , R t - phản lực gối tựa tại ổ sau và ổ trước cụm trục chính;
Tx -

động năng của phần tử;

T -

ma trận động năng của hệ phần tử;

u, v, w -

chuyển vị theo phương ox, oy và oz;

w,W

hàm truyền của phần tử và hệ thống;

y-

chuyển vị hướng kính của hệ thống đàn hồi cụm trục chính côngxôn;

y(x)- chuyển vị ngang (hướng kính) của đường tâm trục chính;
-

tần số góc (= 2f);

r - tần số góc riêng (= 2f r );
-

tần số vòng dao động cưỡng bức [s-1];

-

góc xoay của ổ;

, à - c¸c h»ng sè Lame;
τ xy , τ yz , xz - các ứng suất tiếp thuộc mặt xoy, yoz và xoz;
-

độ chuyển vị tại đầu cắt công xôn của trục;

ĐH-

đàn hồi;

ĐLH-

động lực học;

HTĐH-

hệ thống đàn hồi;

HTĐHTĐ - hệ thống đàn hồi tương đương;
MGDC -

máy- gá- dao- chi tiết;

PTHH -

phần tử hữu hạn;

QTC-

quá trình cắt;

QTMS -

quá trình ma sát;

QTĐC -

quá trình động cơ.

5


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Hình 1.1 -

Sơ đồ khối hệ thống động lực học máy công cụ mạch hở

20

Hình 1.2 -

Sơ đồ khối hệ thống động lực học máy công cụ mạch kín

21

Hình 1.3 -

Cấu trúc điển hình của hệ thống đàn hồi MGDC và quá trình làm
việc

22

Hình 1.4 -

Hàm truyền của hệ thống

23

Hình 1.5 -

Cấu trúc mạch vòng liên kết của hệ thống MGDC với quá trình
cắt xét ở toạ độ y

23

Hình 1.6 -

Ba dạng hệ thống đàn hồi tương đương

25

Hình 1.7 -

Sơ đồ xác định đặc tính của phần tử tương đương

26

Hình 1.8 -

Hệ thống động lực học nhiều toạ độ

28

Hình 1.9 -

Phần tử nhiều toạ độ của hệ thống

28

Hình 1.10 -

Cấu trúc nhiều toạ độ mạch vòng hệ thống liên kết các phần tử
đàn hồi và phần tử P

30

Hình 1.11 - Mô hình hệ đàn hồi phẳng chịu lực

34

Hình 1.12 - Mô hình chuyển đổi phần tử hữu hạn

36

Hình 1.13 - Cách đánh số nút của phương pháp phần tử hữu hạn

37

Hình 1.14 - Kết cấu cụm trục chính máy tiện T18A

40

Hình 1.15 - Mô hình tính Solid 3D cụm trục chính máy tiện

41

Hình 2.1 -

Mô hình tính tần số dao động riêng

44

Hình 2.2 -

Sơ đồ tính tĩnh biến dạng cụm trục chính côngxôn

46

Hình 2.3 -

Sơ đồ tính độ mềm của ổ chỉ chịu lực cắt tại đầu côngxôn

49

Hình 2.4 -

Đồ thị độ mềm của cụm trục chính

51

Hình 2.5 -

Sơ đồ tính độ mềm của trục chính khi chịu hai lực

51

Hình 2.6 -

Kết cấu cụm trục chính máy tiện T620

61

Hình 2.7 -

Kết cấu cụm trục chính máy tiện T613

61

Hình 2.8 -

KÕt cÊu cơm trơc chÝnh m¸y tiƯn ngang (CHLB Đức)

61

Hình 2.9 -

Kết cấu cụm trục chính máy tiện đứng (CHLB Đức)

62

Hình 2.10 -

Kết cấu cụm trục chính máy tiện Rơvôve tự động PIMAT

63/2000 (CHLB Đức)

62

Hình 2.11 - Kết cấu cụm trục chính máy tiện 2056 NC (CHLB Đức)

6

62


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Hình 2.12 - Kết cấu cụm trục chính máy tiện DA 210 1250, Australia

63

Hình 2.13 - Kết cấu cụm trục chính máy tiện T18A

63

Hình 2.14 - Sơ đồ nguyên lý máy cân bằng động kiểu khung

64

Hình 2.15 - ảnh hưởng của gia tốc đến tần số và biên độ cộng hưởng

65

Hình 2.16 -

Các dạng biểu thị khác nhau của trạng thái mất cân bằng phần
quay

68

Hình 2.17 -

Lượng mất cân bằng qui định còn dư cho phép lớn nhất phù hợp
với các cấp chính xác cân bằng khác nhau

71

Hình 2.18 - Hệ thống điều khiển máy cân bằng động

74

Hình 2.19 - Máy cân bằng động của NARIME * trước khi cải tạo

74

Hình 2.20 - Máy cân bằng động của NARIME sau khi cải tạo

74

Hình 2.21 - Sơ đồ điện tin học hóa máy cân bằng

75

Hình 2.22 -

Một số hình ảnh cân bằng động các trục chính trên máy của
NARIME

76

Hình 2.23 - Kết cấu trục chính
Hình 2.24 -

*

75

Một số hình ảnh cân bằng động trục chính tại Công ty Điện cơ
Hà Nội

77

Hình 2.25 - Giá trị lượng mất cân bằng còn dư các trục chính máy tiện

78

Hình 2.26 - Các phiếu kết quả đo và hồ sơ mượn trục chính

79

Hình 3.1
đến 3.4 -

Các sơ đồ tính lực tác dụng lên mâm cặp , ụ động, bàn xe dao và

82,83
băng máy tiện T18A

Hình 3.5 -

Sơ đồ khối quá trình giải bài toán bằng phần mềm COSMOS
DesignStar 4.0

88

Hình 3.6 -

Mô hình tính cụm trục trơn

89

Hình 3.7 -

Mô hình tính cụm trục có hai bánh răng và mâm cặp

90

Hình 3.8 -

Trục trơn chia lưới có hai và ba ổ đỡ

92

Hình 3.9 - Đồ thị so sánh tần số riêng cụm trục trơn

92

Hình 3.10
đến 3.11 -

93

Các dạng riêng ứng với tần số riêng thứ nhất và thứ hai của trục
trơn có hai và ba ổ đỡ

Hình 3.12- Sơ đồ kết cấu và tính dao động riêng

93

Hình 3.13 - Thay đổi tần số riêng khi thay đổi độ cứng

94

Hình 3.14 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.2a)

94

Hình 3.15

95

Các dạng riêng ứng với tần số riêng thứ nhất, thứ hai, thứ ba và

tên viết tắt tiếng Anh của Viện Nghiên cứu Cơ khí (National Research Institute for Mechanical Engineering)

7


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

và 3.16 - thứ tư
Hình 3.17 - Thay đổi tần số riêng khi thay đổi khoảng cách các ổ đỡ

95

Hình 3.18 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.2b)

96

Hình 3.19 - Sơ đồ kết cấu và tính dao động riêng cụm trục ba ổ đỡ

97

Hình 3.20 - Thay đổi tần số riêng khi thay đổi độ cứng ổ

97

Hình 3.21 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.3a)

98

Hình 3.22
đến 3.23-

99

Các dạng riêng ứng với tần số riêng thứ nhất, thứ hai, thứ ba và
thứ tư của trục

Hình 3.24 - Thay đổi tần số riêng khi thay đổi vị trí lắp đặt ổ

99

Hình 3.25 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.3b)

100

Hình 3.26 - Sơ đồ tính và chịu lực trường hợp 3.3.2.1a)

103

Hình 3.27 - Sơ đồ tính và chịu lực trường hợp 3.3.2.1b)

104

Hình 3.28
đến 3.33

Trường các ứng suất chính, pháp, chuyển vị và biến dạng cụm
105,106
trục ba ổ đỡ

Hình 3.34- Sơ đồ tính và chịu lực trường hợp 3.3.2.2a)

107

Hình 3.35
đến 3.36-

Biểu đồ chuyển vị và biến dạng tương đối cụm trục chính ba ổ đỡ
108
trường hợp 3.3.2.2a)

Hình 3.37
đến 3.42

Trường ứng suất chính, ứng suất pháp, chuyển vị và biến dạng,
108,109
cụm trục ba ổ đỡ- bánh răng- mâm cặp

Hình 3.43- Sơ đồ tính và chịu lực trường hợp 3.3.2.2b)

109

Hình 3.44
và 3.45 -

Biểu đồ chuyển vị và biến dạng tương đối max khi 100% F và F r

111

Hình 3.46
đến 3.51-

Trường ứng suất chính, ứng suất pháp, chuyển vị và biến dạng,

111,112
cụm trục ba ổ đỡ khi 100% tải

Hình 3.52- Mô hình chia lưới thân máy

112

Hình 3.53- Kết cấu mặt cắt ngang băng máy

113

Hình 3.54
đến 3.56 -

Ba dạng dao đông riêng đầu tiên của thân máy

113,114

Hình 3.57 - Sơ đồ tính và đặt lực lên hệ thân máy

114

Hình 3.58
đến 3.59 -

Các trị số max và min của ứng suất, chuyển vị và biến dạng

115

Hình 3.60

và 3.62 -

Các trường ứng suất, chuyển vị và biến dạng thân máy

116

Hình 4.1 -

Sơ đồ thử phân tích mẫu

120

8


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Hình 4.2 -

Phạm vi làm việc của hai bộ kích động

121

Hình 4.3 -

Kết cấu cơ bản của bộ tạo rung kiểu động lực

121

Hình 4.4 -

Kết cấu cơ bản của bộ tạo rung kiểu lệch tâm

122

Hình 4.5 -

Búa kích thích rung

122

Hình 4.6 -

Quan hệ giữa tín hiệu búa và tần số

123

Hình 4.7 -

Sơ đồ bộ chuyển đổi áp điện

123

Hình 4.8 -

Nguyên lý của bộ chuyển đổi áp điện

123

Hình 4.9 -

Đáp tuyến điển hình và đáp tuyến ngang cđa gia tèc kÕ

123

H×nh 4.10 - KÕt cÊu mét số dạng của gia tốc kế

124

Hình 4.11 - Đáp ứng của các gia tốc kế theo cách lắp đặt khác nhau

125

Hình 4.12 - Nguyên tắc làm việc của gia tốc kế servo

126

Hình 4.13 - Nguyên lý cảm ứng

126

Hình 4.14 - Nguyên lý bộ đo rung kiểu lazer

126

Hình 4.15 - Nguyên lý bộ chuyển đổi D/A

127

Hình 4.16 - Nguyên lý bộ chuyển đổi D/A dạng bộ đếm

128

Hình 4.17 - Nguyên lý bộ chuyển đổi D/A dạng tia chớp

128

Hình 4.18 - Sơ đồ bộ đa mạng

128

Hình 4.19 - Sơ đồ đo trục chính

129

Hình 4.20 - Sơ đồ chọn điểm đo

129

Hình 4.21 - Sáu mặt cắt đo cách đều

130

Hình 4.22 - Một số hình ảnh khi đo dao động riêng trục chính

130

Hình 4.23 - Trục đo dao động riêng đặt trên hai nửa gối đỡ

131

Hình 4.24- Toạ độ của các điểm đo trục chính từ điểm 1 đến 120

131

Hình 4.25 - Hình lưới đo trục chính

132

Hình 4.26 - Sơ đồ đo 120 điểm

132

Hình 4.27 - Biểu đồ dao động của cả trục (chồng chất 120 điểm)

132

Hình 4.28 - Biểu đồ dao động của từng điểm (theo 3 phương)

133

Hình 4.29

Các dạng dao động riêng ứng với các tần số riêng

134

Hình 4.30

Sai khác tần số riêng khi tính và đo kiểm

135

Hình 4.31

Cấu hình của thiết bị DC2526E

137

Hình 4.32

Sơ đồ đo dao động trục chính máy tiện T18A

139

Hình 4.33

Máy tiện T18A đo dao động

140

Hình 4.34

Biểu đồ và hình ảnh đo tại ổ 1 khi không tải

140

9

Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Hình 4.35

Biểu đồ và hình ảnh đo dao động tại ổ 2 khi không tải

141

Hình 4.36

Biểu đồ và hình ảnh đo tại ổ 1 khi 100% tải thử

141

Hình 4.37

Biểu đồ và hình ảnh đo tại ổ 2 khi 100% tải thử

142

Hình 4.38

Biểu đồ đo dao động ổ trước, 125% tải thử

142

Hình 4.39

Biểu đồ và hình ¶nh ®o dao ®éng ỉ sau, khi 125% t¶i thư

143

10


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

DANH MụC CáC BảNG
Bảng 2.1Bảng 2.2Bảng 2.3Bảng 2.4Bảng 2.5Bảng 2.6Bảng 2.7Bảng 2.8-

Tiêu chuẩn độ chính xác quay tròn;
Độ đảo hướng kính cho phép mặt định tâm trục chính;
Hệ số K 1 và b;
Trị số chuyển vị cho phép lớn nhất;
Biên độ dao động đầu mút trục chính;
Dạng công xôn trục chính;
Các cấp chất lượng cân bằng cho các nhóm phần quay khác nhau;
Các kết quả xác định lượng mất cân bằng còn dư[g.mm].

Bảng 3.1- Sơ đồ tính các trường hợp

53
53
56
56
57
58
69
77
90

91

Bảng 3.2- Độ cứng hướng kính, N.àm;
Bảng 3.3- Biên độ chuyển vị thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.2a)
Bảng 3.4- Biên độ chuyển vị thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.2b)
Bảng 3.5- Biên độ chuyển vị thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.3a)
Bảng 3.6- Biên độ chuyển vị thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.3b)
Bảng 3.7- Các giá trị lực mất cân bằng tác dụng lên trục, N;
Bảng 3.8- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng trường hợp 3.3.2.1a)
Bảng 3.9Hệ số an toàn;
Bảng3.10- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng trường hợp 3.3.2.1b)
Bảng 3.11- Hệ số an toàn;
Bảng 3.12- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng trường hợp 3.3.2.2a)
Bảng 3.13- Hệ số an toàn
Bảng 3.14- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng trường hợp 3.3.2.2b)
Bảng 3.15- Trị số ứng suất, chuyển vị, biến dạng mục 3.4.2
Bảng 3.16- Kiểm tra hệ số an toàn;
Bảng 3.17Hệ số an toàn khi 100 và 150% tải

91
96
98
100
102
103
103
105
105
107
107

110
110
115
116

Bảng 4.1Bảng 4.2Bảng 4.3Bảng 4.4Bảng 4.5Bảng 4.6-

121
122
124
124
125
126

Đặc tính điển hình của bộ tạo rung thuỷ lực;
Đặc tính điển hình của bộ kích động điện động lực;
Đặc tính điển hình của bộ chuyển đổi áp điện;
Các tính năng của gia tốc kế kiểu áp điện điển hình;
Các tính năng của gia tốc kế kiểu điện tích điển hình;
Các tính năng của gia tốc kế kiĨu SÐc v«;

11


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Bảng 4.7Bảng 4.8Bảng 4.9-

Sai khác trị số tần số riêng,[H Z ], khi tính toán và đo kiểm
Các giá trị kết quả đo dao động;

So sánh các giá trị chuyển vị khi tính toán và ®o kiÓm;

12

135
143
144


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

mở đầu
1
1.1

Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
Ngoài nước
Trong những năm gần đây, Khoa học Công nghệ đà phát triển mạnh mẽ

đà đạt đến đỉnh cao của nó và đà phát huy được tác dụng khá lớn trong sự phát
triển đi lên của xà hôị, đáp ứng được nhu cầu và đòi hỏi của con người, của xÃ
hội. Động lực học máy công cụ cũng là một ngành Khoa học Công nghệ tuy
mới ra đời chưa lâu, song đà có một vị trí xứng đáng trong hoạt động khoa học
Thế giới.
Khi thiết kế, cần thiết phải biết được quy luật các tác dụng lâu dài có tính
chu kỳ của các quá trình động lực học như quá trình làm việc bình ổn, quá trình
chuyển tiếp (quá độ) như va chạm, khởi động, phanh v.v... gây ra cho máy. Việc
thiết kế, chế tạo và sử dụng máy công cụ kéo theo việc giải quyết nhiều vấn đề
nghiên cứu, tính toán kết cấu, điều khiển máy và các hiện tượng động lực học thể
hiện qua các quá trình động lực của nó.

Trên thế giới, việc nghiên cứu động lực học máy công cụ đà được phát
triển mạnh và có những nội dung nghiên cứu đa dạng, phong phú, đề cập nhiều
vấn đề lớn, tốn kém nhiều kinh phí vào những năm 60 của thế kỷ trước, kể từ khi
xuất bản tài liệu nghiên cứu tổng kết và viết thành sách: Machine Dynamis - Động lực học máy của các nhà nghiên cứu Nga, Ba Lan,
Anh, Mỹ.....Các vấn đề nghiên cứu động lực học cụm trục chính máy công cụ tập
trung vào cơ sở tính toán các thông số cụm trục chính máy cắt kim loại, kỹ thuật
đo dao động máy cắt kim loại tại gối đỡ cụm trục chính, ảnh hưởng của ma sát
và nhiệt độ đến độ chính xác gia công cụm trục chính máy công cụ, v.v...
Định kỳ vài năm một lần, trên Thế giới có tổ chức Hội nghị Quốc tế về
Động lực máy - Dao động. ở hầu hết các nước đều có các Viện Nghiên cứu, các

13


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Hiệp hội, có các Tạp chí và Tập san dành riêng cho lĩnh vực này, hàng năm đều
công bố các phát minh sáng chế các vấn đề có liên quan đến lĩnh vực này.
Trên thế giới có rất nhiều tạp chí và các Hiệp Hội Khoa học Quốc tế và
Quốc gia liên quan đến vấn đề này:
- Tạp chí International Journal of Machine Tool and Manufacture Design Research Application” ra liªn tơc theo tõng tuyển tập, theo các số thuộc
từng tháng, liên quan đến thiết kế, nghiên cứu và ứng dụng do Nhà xuất bản
Pergamon của Anh thực hiện, đà tập hợp được hầu hết các nhà khoa học có tên
tuổi trên thế giới trong trong lĩnh vực máy công cụ và chế tạo cơ khí, trong đó đề
cập đến rất nhiều khía cạnh của lĩnh vực động lực học máy, động lực học cụm
trục chính máy công cụ ...
- Liên hiệp Hội Quốc tế về lý thuyết máy và cơ điện tử IFTOM
(International Journal of Machine Tool and Mechatronics) được tổ chức bốn
năm một lần không chỉ đề cập đến các lĩnh vực truyền thống kinh điển của cơ
học máy mà đà và đang lưu tâm đến các vấn đề mới, trong đó có vấn đề Cơ Điện

tử. Hội nghị toàn cầu lần thứ nhất này được tổ chức năm 1965 tại Zakopane BaLan và chính thức hoạt động từ năm 1969 ...
- ë Mü, HiƯp héi Kü s­ C¬ khÝ Mü - ASME (Americal Society of
Mechanical Engineers) có Tạp chí đo và điều khiển hệ thống động lực họcJournal of Dynamic System Measurements and Controls, ra 01tháng/01 kỳ đề
cập đến nhiều vấn đề liên quan đến việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo đạc và
điều khiển hệ thống động lực học máy và cơ cấu cơ khí, trong đó đà nghiên cứu
một số vấn đề về động lực học và dao động ứng dụng máy công cụ....
- ở Nga, có các tạp chí Chế tạo máy () và tạp chí
Công nghệ chế tạo máy (T ) cũng đề cập nhiều
đến vấn đề nghiên cứu động lực học máy công cụ, động lực học cơ cấu thiết bị
cơ khí.
- Kudinov V.A., Kamysev A. và cộng sự ở Nga đà nhiều năm nghiên cứu
xây dựng nền móng ban đầu về động lực học máy công cụ có ứng dụng lý thuyết
14


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

điều khiển và thuật toán tối ưu bằng máy tính điện tử ; ở Mỹ Zangwell dùng
phương pháp xác định từ mục tiêu ban đầu, từ một số yếu tố tối ưu để tiệm cận
dần mục tiêu cuối cùng.
- Sokolov Iu. N. và Figatner A. M. đà nghiên cứu nhiều năm vấn đề: Cơ
sở dao động các thông số cụm trục chính của máy công cụ, được đăng tại Nhà
Xuất bản Máy và dụng cụ- Moscow 1989.
- Năm 2004, trong Tạp chí: Precision Engineering tập 11, trang 135138, hai nhà nghiên cứu M.Q. Chen và C.H. Yang của Viện Công nghệ Dalian,
Cộng hoà Nhân dân Trung Hoa đà nghiên cứu vấn đề: Công nghệ bù hiệu
chỉnh động lực học của chuyển động sai số của trục chính máy tiện chính xác,
trong đó việc thử hiệu chỉnh động lực học trên máy tiện chính xác CG 6125 cho
thấy trị số sai số độ nhám của chi tiết được gia công có thể giảm từ 1,0 - 1,7 àm
xuống còn 0,4 - 0,8 àm .
- Trong Tạp chí Quốc tế: Thiết kế và nghiên cứu máy công cụ

International Journal of Machine Tool Design and Research”, tËp 8, 12.1988,
trang 239 - 259, J.G. Bolinger và G. Geiger đà nghiên cứu vấn đề: Phân tích các
quan hệ tĩnh và động của cụm trục chính máy tiện , đà nêu được tác động tĩnh,
động học và động lực học, đặc biệt ảnh hưởng động lực học của sự phân bố khối
lượng đầu mâm cặp và ®ai dÉn ®éng trơc chÝnh ®Õn dao ®éng cđa cơm trục chính
máy tiện chuyên dùng.
- Anand M., Sharam T. và S. Sakar đà nghiên cứu vấn đề: Thiết kế tối ưu
cụm trục chính máy tiện khi chịu kích động bởi lực cắt ngẫu nhiên và công bố
trên tạp chí quốc tÕ: “ Finited Element Method in Analysis and Desgin ”, tËp 3,
10/1987, trang 175 - 182.
HiƯn nay, mét sè h­íng nghiên cứu trên thế giới về động lực học máy
công cụ tập trung như sau:
- Tối ưu hóa các đặc tính tĩnh học và động lực học;
- Nghiên cứu động lùc häc cơm trun dÉn chÝnh, cơm dao c¾t, hƯ thống
thuỷ lực, đặc biệt khả năng xuất hiện các máy công cụ, trung tâm gia công tốc độ
15


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

siêu cao từ 20.000 đến 25000 vg/ph, đặc biệt tới 30.000 vg/ph, năng suất làm việc
cao, hiệu suất lớn kéo theo sự biến đổi tương thích về kết cấu, bộ phận và bố cục
máy.
- Nghiên cứu động lực học cụm lắp ghép chuẩn;
- Mô hình hóa và xây dựng các bài toán động lực học máy công cụ theo
ngôn ngữ Bongraph lý thuyết điều khiển học ...
Như vậy, nghiên cứu động lực học cụm trục chính máy công cụ và máy tiện
trên thế giới đà và đang phát triển mạnh mẽ, đang được quan tâm nghiên cứu để
hoàn thiện, ngày càng có ảnh hưởng và tác động lớn sự phát triển của Khoa học và
Công nghệ.

1.2

Trong nước

ở Việt Nam, các vấn đề nghiên cứu động lực học cụm trục chính của máy
tiện hạng trung chế tạo tại Việt Nam còn rất mới chưa được đề cập nghiên cứu
nhiều, các nghiên cứu hầu hết tập trung phục vụ cho công tác giảng dạy ở các
trường Đại học Kỹ thuật, có một số đề tài cấp Nhà nước và cấp Bộ liên quan đến
máy công cụ, tuy nhiên chưa có nghiên cứu sâu, hẹp, nghiên cứu phát triển áp
dụng cho một đối tượng sản phẩm cụ thể nào, đặc biệt cho đối tượng cụm trục
chính máy tiện.
Một số vấn đề có liên quan sau đà được đề cập:
- Năm 1996, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, PGS Phạm Đắp cùng
các cộng sự đà nghiên cứu thành công vấn đề: Động lực học cơ hệ đối xứng
quay mâm cặp máy tiện đứng hạng nặng, ứng dụng đo lường và xử lý tín hiệu
ngẫu nhiên.
- Tại Trường Đại học Đà Nẵng năm 1998 trong luận án Tiến sĩ Kỹ thuật
với nội dung: Góp phần nghiên cứu động lực học hệ thủy lực truyền dẫn tịnh tiến
trong máy công cụ, Trần Xuân Tùy đà nghiên cứu quy luật ảnh hưởng các thông
số kết cấu điều khiển và mô phỏng đến quá trình động lực học hệ điều khiển tự
động thủy lực tịnh tiến trong các máy c«ng cơ .

16


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

- Nguyễn Xuân Chung, Nghiêm Hồng Phúc nghiên cứu về: Mô hình dao
động xoắn cụm trục chính máy công cụ ;
- Đặng Việt Cương ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với: Về một

giải pháp nâng cao tốc độ tới hạn của trục quay máy công cụ .
Ngành sản xuất máy công cụ cắt gọt ở Việt Nam xuất hiện đà gần 50 năm,
từ 10/1958 mà tiêu biểu là Công ty Cơ khí Hà Nội hàng năm đà chế tạo hàng loạt
máy công cụ với các cấp độ cơ khí hoá vạn năng, trong đó máy tiện hạng trung
được sản xuất nhiều nhất, với sản lượng khoảng 400 máy/năm trong một vài năm
trở lại đây. Tuy nhiên sản phẩm xuất xưởng chưa được đánh giá bằng các chỉ tiêu
chất lượng động lực học, chủ yếu được nghiên cứu lấy mẫu và chuyển giao công
nghệ từ các thiết bị của Liên xô cũ, nên máy làm việc không ổn định và tuổi thọ
ngắn, ®é chÝnh x¸c thÊp.
C¸c yÕu tè ®éng lùc häc nh­: lượng mất cân bằng còn dư trục chính, độ
cứng vững hướng kính của ổ và việc thay đổi vị trí ổ đỡ cụm trục chính, lực cắt
của cụm trục chính của máy tiện vạn năng chế tạo tại Việt Nam ảnh hưởng đến
rung động, độ bền thiết bị và độ chính xác gia công chi tiết máy là các vấn đề
nghiên cứu rất mới được đề cập trong Luận án tiến sĩ kỹ thuật này.
Việc thực hiện Luận án mang tên: Nghiên cứu một số vấn đề động lực
học cụm trục chính máy tiện là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2

Mục tiêu của luận án
Trong khuôn khổ của luận án, chỉ giới hạn nghiên cứu động lực học cụm

trục chính máy tiện hạng trung ( tần số và dạng dao động riêng; ứng suất, biến
dạng và chuyển vị khi hệ chịu bộ tham số ngoại tác động ) mà đại diện là máy
tiện T18A do Công ty Cơ khí Hà nội thiết kế chế tạo, dưới ảnh hưởng của một số
thông số thay ®ỉi, nh­ : ®é cøng cđa ỉ ®ì trơc chÝnh; vị trí lắp đặt ổ; lượng mất
cân bằng dư và lực cắt chi tiết gia công nhằm giảm độ rung, nâng cao độ bền. Để
có số liệu đánh giá kết luận thêm, đề tài có tính toán bổ xung hệ thân máy tiện.

17

Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Từ những kết quả nghiên cứu, Luận án đưa ra một số kết luận về độ ổn
định động lực học, về đặc tính dao động, về độ bền, đồng thời kiến nghị về cải
tiến kết cấu, khả năng chuyển từ máy vạn năng thông thường thành máy vạn
năng NC và cao hơn sau này thành NC thông minh (Smart Machine Tool).
Để giải quyết được các mục tiêu của Luận án, các vấn đề sau sẽ được đề
cập và nghiên cứu theo từng chương tương ứng trong Luận án này:
1.

Tổng quan cơ sở lý thuyết ứng dụng trong nghiên cứu;

2.

Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ bố trí lắp trong cụm trục chính và khảo
nghiệm cân bằng động trục chính;

3.

Tính toán động lực học cụm trục chính máy T18A và thân máy dưới
ảnh hưởng của một số thông số thay đổi bằng phần mềm
COSMOSDesign STAR 4.0

4.

Các kết quả đo dao động riêng và cưỡng bức cụm trục chính máy tiện
T18A bằng thiết bị và phầm mềm chuyên dùng.
Kết luận chung luận án. Đề xuất, kiến nghị.

3

Các vấn đề còn tồn tại
Luận án chưa tính được ứng suất, biến dạng và chuyển vị cưỡng bức khi hệ

chịu bộ tham số ngoại tác động thay đổi theo thời gian, thay đổi ngẫu nhiên,
chưa đề cập được ảnh hưởng biến dạng của lỗ thân máy lắp ổ, mới tập trung tính
dao động ngang( uốn), chưa tính đến biến dạng trục do nhiệt khi có ma sát
v.v...Đây là các vấn đề còn đang để ngỏ cần tiếp tục được nghiên cứu thời gian
tới trong vấn đề hẹp này.
4

Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện luận án, Tác giả xin trân trọng cảm ơn Các

Thầy Hướng dẫn Khoa học, Các nhà Khoa học trong và ngoài Trường, các bạn
Đồng nghiệp....... đà tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện hoàn thành luận
án này. Tác giả muốn đặc biệt cảm ơn Các Thầy, các Nhà Khoa học hưóng dẫn
có kinh nghiệm, tận tình trong nhiều năm giúp Tác giả hoàn thành luận án này.
18


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Trong quá trình thực hiện Luận án, do trình độ và thời gian hạn chế, chắc
chắn còn rất nhiều thiếu sót không tránh khỏi, Tác giả mong nhận được sự đánh
giá, nhận xét của các Thầy, các Chuyên gia có liên quan để hoàn chỉnh luận án.
Xin cảm ơn./.

19


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Chương 1
Tổng quan cơ sở lý thut øng dơng trong nghiªn cøu

1.1 Tỉng quan lý thuyết động lực học máy công cụ [7], [16], [17],

[18], [56], [57]
1.1.1

Hệ thống động lực học máy- gá- dao- chi tiết

[17], [55]

Hệ thống động lực học máy công cụ là tập hợp gồm hệ thống đàn hồi
và những quá trình làm việc. Hệ thống đàn hồi chủ yếu là máy, đồ gá, dụng
cụ và chi tiết gia công. Quá trình làm việc là quá trình cắt, quá trình ma sát
và quá trình động cơ
Hệ thống đàn hồi và quá trình làm việc có tác dụng tương hỗ lẫn nhau
và là thành phần cơ bản của hệ thống động lực học máy công cụ.
Hình1.1 mô tả sơ đồ hệ thống
động lực học máy mạch hở.
Sơ đồ này thể hiện tác động
của quá trình làm việc (quá trình
cắt, quá trình ma sát, quá trình
trong động cơ) và ngoại lực lên hệ
thống đàn hồi, gây ra các chuyển vị

(hay biến dạng) tương ứng. Lực tác
động (P, F, M) và những biến dạng
tương ứng (y 1 , y 2 , y 3 ) được biểu
diễn như những toạ độ vào và ra:
Trong đó các lực tác động không
thay đổi về hướng hoặc tính chất và
không có quan hệ hàm số với biến
dạng.

f(t)

Hệ đàn hồi

Y1
Y2
Y3

Quá trình cắt

y3(t)
y1(t)

Quá trình ma sát

y2(t)

Quá trình động cơ

y3(t)

Hình 1.1- Sơ đồ khối hệ thống động
lực học máy công cụ mạch hở

Hệ thống động lực học máy mạch hở được sử dụng cho việc xét độ ổn
định của các hệ thống động lực học mạch kín. Khi lực tác động lên hệ thống
máy là ngoại lực không đổi hoặc biến đổi theo thời gian thì hệ thống đàn hồi
xuất hiện các dạng dao động cưỡng bức tương ứng.

20


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

Cần thay đổi sơ đồ khối
trên Hìn1.1 bằng sơ đồ khối trên
Hình 1.2. Trong sơ đồ này biểu
thị tác động ngược của hệ thống
đàn hồi lên quá trình làm việc.
Toạ độ f(t) biểu thị tác động của
ngoại lực lên hệ đàn hồi, là
ngoại lực độc lập với các thông
số của hệ thống hoặc không phụ
thuộc vào biến dạng của hệ
thống đàn hồi. Trong nhóm lực
này gồm có: lực quán tính của
những chi tiết chuyển động tịnh
tiến qua lại và những chi tiết
quay không cân bằng; trọng
lượng chi tiết gia công; lực cố
định các chi tiết trong hệ thống;

f(t)

Hệ thống đàn hồi
p

y1

Quá trình cắt
y1 (t)
F

Y2

Quá trình ma sát

y2 (t)
y3

M

Quá trình đ/cơ

y3 (t)

Hình 1.2- Sơ đồ khối hệ thống động
lực học máy mạch kín

nguồn nhiệt tác động biến dạng; các dao động tác động từ bên ngoài đến bệ
máy hoặc chính trong hệ thống xuất hiện lực tiếp xúc giữa các bánh răng ăn

khớp không đều, sai số gia công và lắp ráp chi tiết thành máy v.v
Khi phân tích mối quan hệ trong lý thuyết động lực học máy công cụ,
cho phép nêu ra những đặc điểm sau đây:
a) hệ thống động lực học máy là hệ thống khép kín nhiều mạch vòng,
bao gồm cả nguồn năng lượng (coi là hệ thống chủ động);
b) tác động của những phần tử cơ bản của hệ thống coi là những tác
động có hướng;
c) sự tác động lẫn nhau trong quá trình làm việc chỉ xảy ra trong hệ
thống đàn hồi.
1.1.2 Cấu trúc hệ thống động lực học máy công cụ- Hệ thống đàn hồi
tương đương
1.1.2.1

Cấu trúc hệ thống động lực học máy công cụ

Sơ đồ cấu trúc biểu diễn một cách quy ước mối liên hệ giữa hệ thống
đàn hồi- máy-gá-dao-chi tiết và các quá trình làm việc gồm các phần tử, các
mạch vòng liên kết, các tín hiệu vào và ra, các điểm nút được mô tả râ h¬n
21


Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006

theo Hình1.3, trong đó các chỉ số ký hiệu i đặc trưng động lực học W i các
phần tử như sau:
ĐH hệ đàn hồi ;

P quá trình cắt ;

F quá trình ma sát;

M quá trình trong động cơ.

Hình1.3 nêu cấu trúc điển hình hệ thống đàn hồi máy-gá-dao-chi tiết
và quá trình làm việc có tác động bên ngoài . Tổng đại số hai vectơ được
thực hiện ở điểm nút cộng (vòng tròn nhỏ có hai gạch chéo, các tín hiệu đến
phần tử qua ô chéo đen được trừ với các tín hiệu đến phần tử qua ô chéo
trắng). các tín hiệu ra khỏi phần tử đàn hồi là các vectơ y 1 , y 2 , y 3 … (biĨu thÞ
biÕn dạng hay dịch chuyển tương ứng) cũng gọi là các toạ độ suy rộng, cùng
với các đạo hàm của chúng.
f(t)
y3
y2
y1

Hệ thống đàn hồi máy-gá-dao-chi tiết,
WĐH
Phần tử trề
WC

P

F

M

Quá trình cắt
WP

y1(t)

Quá trình ma sát
WF

y2(t)

Quá trình động cơ
WM

y3(t)

Hình 1.3- Cấu trúc điển hình hệ thống đàn hồi máy-gá-dao-chi tiết
và quá trình làm việc

22