HOA KỲ – Việc lựa chọn tốc độ, công suất HP (1), mô-men xoắn và khả năng tăng/ giảm tốc của trục chính cần dựa trên yêu cầu gia công thực tế của chi tiết, kết hợp với việc phân tích biểu đồ công suất – mô-men xoắn và tham khảo tư vấn từ nhà sản xuất máy.
(1) HP (Horsepower – mã lực) là đơn vị đo công suất, tức là tốc độ thực hiện công việc hoặc tốc độ truyền năng lượng của một hệ thống cơ khí. Trong ngữ cảnh trục chính máy CNC, công suất HP cho biết khả năng duy trì quá trình cắt gọt của trục chính theo thời gian, khác với mô-men xoắn là lực xoay tức thời tại trục.

Nội dung về thông số trục chính của máy công cụ được cung cấp bởi các chuyên gia của công ty Mazak.

Nhiều xưởng gia công hiện nay vẫn chưa thực sự hiểu rõ các thông số kỹ thuật của trục chính máy công cụ. Trong khi tốc độ trục chính khá dễ hiểu vì được biểu thị bằng đơn vị vòng/phút (rpm), thì các thông số về công suất và mô-men xoắn lại thường gây nhầm lẫn. Vì vậy, các doanh nghiệp cần tìm hiểu cách các nhà sản xuất máy công cụ (OEM) công bố và diễn giải các thông số này, cũng như ý nghĩa thực sự của chúng đối với khả năng vận hành của trục chính.

Công suất và mô-men xoắn cần được đánh giá theo thời gian
Quá trình lựa chọn trục chính thường bắt đầu từ loại chi tiết mà doanh nghiệp dự định gia công cùng tốc độ quay phù hợp cho ứng dụng đó. Từ đây, các yêu cầu về tốc độ trục chính, công suất và mô-men xoắn sẽ được xác định. Tuy nhiên, các nhà sản xuất máy công cụ thường sử dụng những phương pháp khác nhau để đo lường hoặc công bố các thông số công suất và mô-men xoắn.

Khi đánh giá công suất và mô-men xoắn của trục chính, điều đầu tiên cần xác định là công suất được công bố dưới dạng công suất liên tục (continuous rating) hay công suất theo chu kỳ tải (duty rating). Chẳng hạn, công ty Mazak công bố cả công suất liên tục và công suất theo chu kỳ tải của trục chính dưới dạng ED – một thông số liên quan trực tiếp đến nhiệt lượng sinh ra trong quá trình vận hành. Nhiệt độ là yếu tố làm suy giảm khả năng duy trì công suất của trục chính theo thời gian.

ED biểu thị công suất dựa trên một chu kỳ hoạt động kéo dài 10 phút, trong khi một số nhà sản xuất khác có thể sử dụng chu kỳ 5 phút hoặc 30 phút. Ví dụ, ED 10% có nghĩa là 10% của chu kỳ 10 phút, tương đương với một phút mà trục chính có thể vận hành an toàn ở mức công suất và mô-men xoắn tối đa xét theo giới hạn nhiệt. Trong chín phút còn lại, trục chính phải ở trạng thái không tải để duy trì đúng chu kỳ làm việc mà không gây quá tải nhiệt. Nói cách khác, chu kỳ tải cho biết trong thời gian vận hành, trục chính chỉ có thể hoạt động ở một tỷ lệ nhất định so với mức công suất tối đa được công bố.

Biểu đồ công suất và mô-men xoắn cho thấy toàn bộ khả năng của trục chính
Để hiểu đầy đủ năng lực của một trục chính, các doanh nghiệp nên yêu cầu nhà sản xuất cung cấp biểu đồ mô-men xoắn và công suất. Các đường cong trên biểu đồ này sẽ cho biết lượng công suất và mô-men xoắn thực tế mà trục chính có thể cung cấp, đồng thời trả lời những câu hỏi quan trọng như công suất là bao nhiêu, có thể duy trì trong thời gian bao lâu, là công suất liên tục hay công suất theo chu kỳ tải. Ngoài ra, thiết kế của từng loại trục chính cũng quyết định hình dạng và xu hướng của các đường cong công suất và mô-men xoắn.

Công suất và mô-men xoắn có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và đều chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tải cắt tác động lên trục chính. Mô-men xoắn cũng được công bố theo cùng nguyên tắc như công suất, nghĩa là các tiêu chí về chu kỳ tải hay công suất liên tục cũng được áp dụng tương tự đối với giá trị mô-men xoắn.

Khi một doanh nghiệp vận hành trục chính vượt quá khả năng thiết kế, điều đó đồng nghĩa với việc họ đang yêu cầu mô-men xoắn lớn hơn mức mà trục chính có thể cung cấp. Trong trường hợp này, hệ thống điện tử sẽ phát cảnh báo nguy cơ hư hỏng và có thể tự động dừng trục chính. Nguyên nhân là các máy CNC hiện đại đều được trang bị đồng hồ hiển thị tải trục chính (spindle load meter), được thiết lập dựa trên một ngưỡng mô-men xoắn nhất định.

Mối quan hệ giữa công suất và mô-men xoắn
Công suất và mô-men xoắn có mối quan hệ nghịch biến. Thông thường, một trục chính có tốc độ quay và công suất cao sẽ phải đánh đổi bằng mức mô-men xoắn thấp hơn, trong khi các trục chính có mô-men xoắn lớn thường không đạt tốc độ quá cao.

Một điểm quan trọng cần ghi nhớ là trục chính chỉ đạt được mô-men xoắn tối đa tại một tốc độ quay nhất định. Khi tốc độ tiếp tục tăng, giá trị mô-men xoắn sẽ bắt đầu giảm dần. Về lý thuyết, doanh nghiệp có thể luôn vận hành ở tốc độ thấp để đạt mô-men xoắn lớn nhất, nhưng yêu cầu gia công thực tế thường không cho phép điều đó. Họ có thể thực hiện các nguyên công cắt nặng ở tốc độ thấp, nhưng mức mô-men xoắn liên tục tối đa của máy đôi khi chỉ được phép duy trì trong khoảng 10 phút.

Cẩn trọng với các thông số công bố từ nhà sản xuất
Một số nhà sản xuất chỉ công bố giá trị công suất tối đa của trục chính nhưng không cung cấp thông tin về ED hoặc công suất liên tục. Thay vào đó, họ đưa ra các ghi chú như “dựa trên mức tải 200%” trên biểu đồ công suất và mô-men xoắn.

Điều này có nghĩa rằng trục chính chỉ đạt được công suất tối đa được công bố khi hoạt động ở mức tải gấp đôi giá trị hiển thị trên đồng hồ tải của máy. Tuy nhiên, các thông số này lại không cho biết công suất đó có thể được duy trì trong bao lâu trước khi trục chính bị quá tải nhiệt hoặc quá tải cơ học.

Những cách công bố theo tỷ lệ phần trăm như vậy thường khá mơ hồ vì trên thực tế không có doanh nghiệp nào vận hành trục chính ở mức tải 200% trong thời gian dài. Mặc dù việc vận hành có thể vượt quá giá trị tải hiển thị trên máy trong một số trường hợp nhất định, điều đó chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn. Nếu một xưởng thường xuyên vận hành vượt ngưỡng tải của trục chính, đó là dấu hiệu cho thấy họ cần một máy có công suất và mô-men xoắn lớn hơn.

Tầm quan trọng của khả năng tăng tốc và giảm tốc
Khả năng tăng tốc và giảm tốc (Acceleration/Deceleration – Acc/Dec) của trục chính thể hiện tốc độ mà máy đạt đến vòng tua tối đa và tốc độ dừng lại sau khi hoàn thành quá trình gia công. Mức độ quan trọng của thông số này phụ thuộc rất lớn vào loại ứng dụng.

Ví dụ, trong ngành sản xuất linh kiện ô tô, các nguyên công thường xuyên chuyển đổi giữa phay, khoan và taro (2). Điều này dẫn đến số lượng thay dao rất lớn, khiến thời gian tăng tốc và giảm tốc trở thành yếu tố quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian chu kỳ gia công.
(2) Taro (tiếng Anh: tapping) là quá trình gia công ren bên trong lỗ bằng dụng cụ gọi là mũi taro (tap).

Ngược lại, đối với các ứng dụng gia công thô chi tiết hàng không từ phôi nhôm nguyên khối hoặc gia công hợp kim niken, Acc/Dec không phải yếu tố quá quan trọng. Trong những trường hợp này, máy thường duy trì trạng thái cắt trong thời gian dài, do đó việc tăng hoặc giảm tốc chậm hơn một hoặc hai giây gần như không ảnh hưởng đáng kể đến tổng thời gian gia công của chi tiết.

Mối liên hệ giữa Acc/Dec và chu kỳ tải
Các doanh nghiệp cần đánh giá thời gian Acc/Dec cùng với chu kỳ tải của trục chính. Mỗi lần trục chính tăng tốc lên tốc độ tối đa rồi giảm về 0 để thay dao đều tạo ra nhiệt. Nếu chu kỳ tải không đủ dài để trục chính tản nhiệt, hệ thống sẽ tự động dừng nhằm bảo vệ thiết bị.

Một yếu tố khác cần lưu ý là công suất. Mặc dù một máy có thể sở hữu công suất rất lớn, nhưng một phần đáng kể trong số đó sẽ được sử dụng để tăng tốc trục chính lên tốc độ tối đa. Điều này khiến lượng công suất còn lại dành cho quá trình cắt gọt thực tế bị giảm đi tương ứng.

Lựa chọn trục chính phù hợp
Việc lựa chọn tốc độ, công suất, mô-men xoắn và khả năng tăng giảm tốc của trục chính cần bắt đầu từ yêu cầu gia công thực tế của chi tiết. Bên cạnh đó, doanh nghiệp nên yêu cầu biểu đồ công suất – mô-men xoắn từ nhà sản xuất và trao đổi trực tiếp với nhà sản xuất của máy.

Thông qua quá trình này, các xưởng gia công sẽ có được cái nhìn đầy đủ và chính xác về khả năng thực sự của trục chính, từ đó lựa chọn được cấu hình phù hợp nhất với nhu cầu sản xuất và ứng dụng gia công của mình.

Để xem các tin bài khác về “Máy công cụ”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Shop Metalworking Technology