Tìm hiểu về trục chính máy công cụ

Trục chính máy công cụ đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công vì nó cung cấp tốc độ cắt cho dao và là một phần của chuỗi truyền lực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc chi tiết. Tùy theo loại máy mà trục chính có những đặc tính khác nhau. Đối với máy tiện, trục chính mang chi tiết và cấp tốc độ cắt. Khi khoan và phay thì trục chính quay dao được lắp trên nó để tạo ra tốc độ cắt. Trục chính của máy công cụ là đối tượng mà các nhà chế tạo đã và tập trung nghiên cứu hoàn thiện và phát triển.

Các thành phần cơ bản của một trục chính là bộ phận gá dao, đòn kéo, trục, các ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát và thân. Có một số loại hệ thống dẫn động, về cơ bản nó bao bao gồm một động cơ, trực tiếp hoặc gián tiếp, đi đôi với trục chính. Trên hình 1 là hai dạng trục chính máy công cụ gia công cao tốc, một loại được dẫn động gián tiếp thông qua bộ truyền đai (belt-driven) còn loại kia được dẫn động trực tiếp từ một động cơ được tích hợp trên trục (motorized).
Trục chính máy gia công cao tốc.

Dẫn động trục chính là cơ cấu cung cấp và truyền chuyển động đến trục chính, bao gồm động cơ và khớp nối. Bằng cách này, tốc độ quay, mo men xoắn và công suất sẽ được truyền đến dụng cụ nhờ cơ cấu kẹp dao. Nói chung, có bốn loại trục chính phụ thuộc vào dạng dẫn động được sử dụng, bao gồm loại dẫn động đai, dẫn động bánh răng, dẫn động trực tiếp và dẫn động tích hợp.

Trục chính dẫn động bằng đai

Trục chính loại này được truyền chuyển động từ một động cơ bên ngoài thông qua bộ truyền đai răng hoặc đai thang. Loại này được sử dụng khá phổ biến trong các máy gia công truyền thống vì chi phí thấp và hiệu suất tốt khi truyền công suất danh nghĩa của động cơ thành công suất có ích trên trục chính. Hiệu suất của trục chính dẫn động đai, về mặt truyền công suất động cơ đến trục chính, đạt khoảng 95%. Như vậy nó kém hiệu quả hơn so với trục chính truyền động trực tiếp (gần 100%) nhưng lại tốt hơn loại truyền động bánh răng (bé hơn 90%). Trục chính dẫn động đai có thể đạt tốc độ quay 15.000 vg/ph và truyền mô men xoắn tốt ở tốc độ thấp (1000 vg/ph) tùy thuộc vào loại đai và tỉ số truyền. Ngược lại, truyền động bánh răng lại truyền mô men xoắn ở tốc độ thấp tốt hơn so với ở tốc độ cao. Loại truyền động trực tiếp là tốt hơn cả vì nó ít rung và ít ồn. Tuy nhiên, truyền động đai thì rất linh hoạt và chúng được dùng cho một dải rộng lớn nhiều công việc khác nhau với các yêu cầu giữa mô men xoắn cao/tốc độ quay thấp và mô men xoắn thấp/tốc độ quay cao. Loại truyền động này có nhược điểm chính là:

Bị giãn nở nhiệt đáng kể so với các truyền động khác.
Gây nhiều tiếng ồn hơn do sự chuyển động của đai.
Độ kéo căng của đai gây nên một lực hướng kính lên trục, gây nên tải trên các ổ đỡ.

Trục chính được dẫn động bằng bánh răng.

Trục chính dẫn động bằng bánh răng

Trục chính dẫn động bằng bánh răng có thể đạt mô men xoắn cao ở số vòng quay thấp và chúng có nhiều dải cấp tốc độ. Tuy nhiên các bánh răng có thể gây nên rung động, tạo ảnh hưởng xấu lên độ bóng bề mặt chi tiết gia công. Hơn nữa, hiệu suất của chúng kém hơn các dạng khác khi chúng chuyển đổi công suất danh nghĩa của động cơ thành công suất cắt của dao. Trục chính dẫn động bánh răng không phù hợp cho các trường hợp gia công cao tốc mặc dù rất thích hợp cho các công việc nặng.

Trục chính được dẫn động trực tiếp

Các trục chính được dẫn động trực tiếp đạt hiệt suất truyền công suất từ động cơ đến dao gần 100%. Chúng có thể làm việc ở tốc độ quay cao nhưng mô men xoắn thấp. Vì không có xích truyền động nên không thể tăng mô men xoắn một cách cơ học để đáp lại sự giảm tốc độ động cơ.
Hệ thống truyền động này ứng xử tốt về mặt rung động, có nghĩa là có thể đạt các tốc độ cao và vẫn đạt được độ bóng bề mặt tốt.

Trục chính được dẫn động tích hợp

Ở loại trục chính này, động cơ có thể là động cơ điện đồng bộ hoặc không đồng bộ được tích hợp vào kết cấu trục chính giữa các ổ đỡ trước và sau như hình 3. Bằng cách này, rung động và tiếng ồn được giảm thiểu và công việc có thể được 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 công cụ gia công cao tốc.
Kiểm soát sự truyền nhiệt bên trong trục chính và giãn nở nhiệt là yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất tốt cho loại truyền động này. Do động cơ lắp bên trong thân trục chính nên hệ thống tản nhiệt có vai trò vô cùng quan trọng. Loại trục chính này đắt tiền do có các hệ thống phụ cho làm mát và giám sát cũng như yêu cầu độ chính xác cực kỳ cao trong lắp ráp.
Các xu hướng mới nhất về trục chính máy công cụ hiện nay bao gồm sử một loạt các ổ bi có độ chính xác cao như các ổ đũa con lăn trụ làm bằng silicon nitride, và một loạt hợp kim thép cho hiệu suất cao hơn bình thường. Xu hướng mới của các trục hính kết hợp những vấn đề sau đây:

Các hệ thống bôi trơn mới.
Các ổ đỡ hỗ trợ và các thiết bị cho truyền động vít me.
Đai ốc hãm cho các trục chính hiệu suất.
Các giải pháp kỹ thuật để đo lường chính xác và giám sát trục chính.

Tài liệu tham khảo

l.n. lópez de lacalle , A. lamikiz (eds). machine
Tools for high performance machining. Spinger 2009.
http://www.articlesbase.com/shopping-articles/machine-tool-spindles-changing-trends-679146.html
http://www.directindustry.com/industrial-manufacturer/spindle-66345-_61.html

Ths Nguyễn Văn Tường – Khoa Cơ khí – ĐH Nha Trang
Nguồn: Tạp chí máy móc và công cụ HIENDAIHOA.COM

Tìm kiếm Blog này