YẾU TỐ NÀO QUYẾT ĐỊNH SỨC MẠNH TRỤC CHÍNH? – MÁY PHAY CNC

Khi nói đến khả năng và sức mạnh trục chính (Spindle) của máy phay cnc (Machining Center) chúng ta cần xem lại thiết kế truyền động trục chính của máy, nó là dạng truyền động nào, có ưu, nhược điểm gì và đâu là yếu tố quyết định độ mạnh yếu của trục chính?

Khả năng cắt của trục chính - máy phay cnc (trung tâm gia công đứng)
      Khả năng cắt của trục chính - máy phay cnc (trung tâm gia công đứng)
Khả năng cắt của trục chính - máy phay cnc (trung tâm gia công ngang)
      Khả năng cắt của trục chính - máy phay cnc (trung tâm gia công ngang)

I. Các dạng truyền động trục chính (Spindle):

Trong chế tạo máy phay cnc (trung tâm gia công) hiện nay gồm có 3 loại.

  • Truyền động Motor trục chính trực tiếp (integral-motor spindle)
  • Truyền động Motor trục chính qua đai răng (belt-driven spindle)
  • Truyền động Motor trục chính qua hệ thống bánh răng (Gear - Driven Spindle)

Mỗi loại truyền động trục chính đều có đặc tính và thiết kế khác nhau, tuỳ theo nhu cầu sử dụng của mỗi người.

1. Truyền động Motor trục chính trực tiếp: dạng truyền động trực tiếp này khá phổ biến trong sản xuất chế tạo máy phay cnc hiện nay. Động cơ được chế tạo gắn liền với trục chính của máy mà không cần phải qua dây đai hay hệ thống bánh răng để truyền tải.

Hệ thống truyền động Motor trục chính trực tiếp - trung tâm gia công cnc
Hệ thống truyền động Motor trục chính trực tiếp - trung tâm gia công (nguồn: nsk)

Ưu điểm: khoảng chứa của Motor và trục chính nhỏ hơn, dễ chế tạo, giảm chi phí. Vì truyền động trực tiếp nên khả năng tăng tốc độ trục chính rất nhanh và êm, thường dùng cho nhu cầu tốc độ vòng quay lớn 14.000 ~ 30.000 vòng/phút trở lên (thời gian tăng tốc độ từ tối thiểu đến tối đa cũng rất nhanh).

Nhược điểm: cũng chính vì truyền động trực tiếp nên dễ bị ảnh hưởng nhiệt từ động cơ sang trục chính, làm nóng và tăng ma sát, giảm độ chính xác cũng như tuổi thọ trục chính. Truyền động trực tiếp (Motor quay bao nhiêu thì trục chính quay như vậy không qua tỉ số truyền) tốc độ cao nhưng Momen xoắn rất thấp dẫn đến khả năng cắt yếu, khó cắt nặng, khả năng gia công bị hạn chế, khi cắt nặng sẽ bị rung làm giảm tuổi thọ dao cụ, máy yếu vì Momen xoắn thấp nên chỉ phù hợp gia công tinh, cắt mỏng.

Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất trục chính truyền động trực tiếp
Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất dạng trục chính truyền động trực tiếp

2. Truyền động trục chính bằng đai răng: dạng này cũng khá phổ biến, động cơ truyền động qua trục chính bởi dây đai răng.

Trục chính truyền động đai - máy phay cnc
Trục chính truyền động đai - máy phay cnc (nguồn: Royal)

Ưu điểm: Loại này có Momen lớn hơn nên trục chính mạnh hơn, gia công được cả thô và tinh, truyền động tương đối êm, dễ bảo trì thay đai, làm mát thích hợp sẽ duy trì được tuổi thọ cũng như độ chính xác của trục chính.

Nhược điểm: vì truyền động qua đai nên tăng tốc chậm hơn so với truyền động trực tiếp, khoảng chứa motor và trục chính lớn hơn, tốc độ thường không quá 30.000 vòng/phút.

Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất trục chính truyền động đai
Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất trục chính
truyền động đai (nguồn AWEA)

3. Truyền động Motor trục chính qua hệ thống bánh răng: kiểu thiết kế này tạo sự cứng vững, năng suất cao và tiết kiệm năng lượng.

Hệ thống truyền động bánh răng trục chính - trung tâm gia công cnc
Hệ thống truyền động bánh răng trục chính - trung tâm gia công cnc (nguồn: colonial)

Ưu điểm: Truyền động mạnh mẽ, momen xoắn rất lớn phù hợp cho nhu cầu gia công đa dạng, cắt các vật liệu cứng như Inox, thép hợp kim, Taro lớn, thép đã qua nhiệt luyện, …phù hợp gia công cắt nặng, gia công cả thô và tinh. Năng suất cao tiết kiệm thời gian, giảm chi phí gia công. Tuổi thọ duy trì lâu dài và độ chính xác cao. Vì cứng vững nên tuổi thọ của dao cụ được kéo dài, gia công chính xác, chất lượng sản phẩm được nâng cao. Hệ thống truyền động dễ làm mát, ít sinh nhiệt và ít bảo trì.

Hệ thống truyền động bánh răng trục chính - trung tâm gia công cnc Kitamura
Hệ thống truyền động bánh răng trục chính và khả năng cắt.

Nhược điểm: với nhiều ưu điểm như vậy nên cơ cấu truyền động này thường có giá thành chế tạo cao hơn hai loại trên, thời gian tăng tốc độ từ tối thiểu đến tối đa sẽ chậm hơn loại truyền động trực tiếp và thường tốc độ tối đa theo thiết kế của truyền động này ít khi vượt quá 30.000 vòng/phút.

Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất trục chính truyền động bánh răng
Biểu đồ thể hiện Momen, tốc độ và công suất trục chính truyền động bánh răng (Kitamura)

II. Yếu tố quyết định khả năng của trục chính

Với các phân tích truyền động trên chúng ta có thể thấy rằng công suất và số vòng quay tối đa của trục chính không phải là yếu tố quyết định khả năng gia công mạnh hay yếu của máy cnc (trung tâm gia công), mà chính là khả năng cắt, Momen xoắn của trục chính. 

Momen xoắn thể hiện khả năng bóc tách vật liệu và dựa vào nhu cầu gia công người ta sẽ lựa chọn momen phù hợp để thiết kế theo 1 trong 3 kiểu truyền động trục chính trên. Ngoài ra còn có các thông số như đường kính trục chính, đường kính bạc đạn, kết cấu, ….

Công suất cao, tốc độ quay cao không hẳn là Momen sẽ lớn và đương nhiên cũng không hẳn là sẽ cắt nặng cắt dày hoặc gia công mạnh mẽ được. Vì vậy công suất và tốc độ của trục chính không phải là yếu tố quyết định độ mạnh yếu và khả năng cắt của một trung tâm gia công.

Ví dụ một trung tâm gia công có công suất 18Kw, tốc độ 30.000 vòng/phút thiết kế kiểu truyền động trục chính trực tiếp sẽ không cắt mạnh và nhanh (như phay mặt đầu, phay ngón, dạng hốc, rãnh, phay thô, tinh, … ở tốc độ dưới 10.000 vòng/phút) bằng một trung tâm gia công cùng loại nhưng công suất chỉ 11Kw và với tốc độ quay tối đa 10.000 vòng/phút kiểu truyền động bánh răng, vì loại này có momen xoắn lớn hơn và ngược lại khả năng gia công tinh, mỏng và độ bóng sẽ tốt hơn (điều này những ai đã từng làm qua hoặc sở hữu 2 máy kiểu như vậy sẽ dễ dàng thấy được).

Công suất và số vòng quay tối đa của trục chính càng lớn thì càng tốt cho việc gia công tinh sản phẩm. Thường khi tốc độ cao Momen sẽ thấp, về độ mạnh yếu của trục chính máy thì cần quan tâm đến Momen và thiết kế kiểu truyền động trục chính. Từ đó chúng ta dễ dàng chọn đúng máy theo nhu cầu gia công của mình hơn.