Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trương Minh Đức
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hà Nội – 2022
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Toàn Thắng
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1 Lý do lựa chọn đề tài luận án
Ổ khí (tĩnh, động) cũng như ổ thủy (tĩnh, động) là giảipháp rất hiệu quả thường được áp dụng cho những bộ truyềnđộng chính xác Khi sử dụng ổ khí sẽ khắc phục được nhữngnhược điểm cơ bản của hầu hết các khớp động truyền thống nhưxuất hiện khe hở động gây sai số ngẫu nhiên Trong ổ khí, khe
hở động luôn luôn được kiểm soát và không xuất hiện ngẫunhiên trong quá trình làm việc của ổ do lớp màng khí nén ápsuất cao được hình thành giữa bạc và trục quay Đặc biệt, masát rất nhỏ (gần như bằng 0) dẫn đến giảm thiểu mài mòn, giảmthiểu sinh nhiệt do ma sát Vì vậy ổ khí sẽ đảm bảo đượcchuyển động tương đối với độ chính xác rất cao Nhờ những ưuđiểm nổi bật mà ổ khí ngày càng được sử dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực như gia công cơ khí, đo lường, hàng không…Đặc biệt, trong lĩnh vực gia công cơ khí, việc ứng dụng ổ khícao tốc trên các máy công cụ để gia công các lỗ nhỏ là rất phùhợp Vì trong trường hợp này, do kích thước dụng cụ cắt,mômen cắt nhỏ nên đòi hỏi tốc độ quay trục chính của máy làrất lớn, cỡ vài chục nghìn vòng/phút [1]
Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông
số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ baogồm:
+ Ổ khí tĩnh trong nghiên cứu này hoạt động trên nguyêntắc bơm khí nén có áp suất từ máy nén nhằm tạo ra lớp khí néngiữa trục và bạc, tách rời bạc đệm khí và trục quay không tiếpxúc cơ khí với nhau, hoạt động hoàn toàn dựa trên ma sát khí
Độ cứng của lớp khí nén là yếu tố rất quan trọng đảm bảo ổ khí
có hoạt động ổn định hay không, có giữ cho tâm trục quay ổnđịnh hay không? Độ cứng vững này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vàokết cấu hình học của ổ khí, cách dẫn khí và cấp khí Do đó việcnghiên cứu kết cấu của ổ khí để đảm bảo áp suất được phân bốhợp lý trên bề mặt đệm, tăng độ cứng vững lớp khí nén giữa
Trang 4Chính vì vậy, trong nghiên cứu của luận án tác giả đãlựa chọn ổ khí quay sử dụng trên máy khoan lỗ nhỏ CNC dạngrãnh với phương thức dẫn khí từ lỗ đột thắt trung tâm qua cácrãnh dẫn hình chữ nhật để tạo vùng áp suất ổn định trong phạm
vi rãnh dẫn hình chữ nhật đó Việc chọn dạng dẫn khí này phùhợp với năng lực và khả năng công nghệ chế tạo cơ khí tại ViệtNam
Với đề tài, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông
số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ”
từng bước làm chủ được thiết kế, công nghệ chế tạo ra ổ khíquay dạng rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm tạiViệt Nam là phạm vi quan tâm của đề tài luận án này
2 Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu.
Mục đích
Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một
số thông số khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ như kết cấu hìnhhọc, cách dẫn khí, áp suất cấp Các yếu tố này tạo ra áp suấtphân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hưởng đến độ chính xáccủa ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ được chế tạotrong điều kiện công nghệ tại Việt Nam Mục đích cụ thể baogồm:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo ra được ổ khí quay có kếtcấu dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm đảm bảo ổ hoạtđộng ổn định, không có tiếp xúc cơ khí và khả năng chịu tải dọctrục và độ cứng vững hướng tâm đạt trong khoảng 3 ÷ 10N/μm
Trang 5Bước đầu làm chủ được công nghệ thiết kế và gia công chế tạo
ổ khí quay gia công lỗ nhỏ phù hợp với điều kiện và kinh tế tạiViệt Nam
Đối tượng nghiên cứu
Ổ đệm khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm.Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ chặn, dùng làm đầu trục chínhmáy phay cỡ nhỏ, chịu lực dọc trục trong quá trình gia công.Các đại lượng, yếu tố khí tĩnh ảnh hưởng đến độ cứngvững của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ Đánh giánhững đại lượng ảnh hưởng chính, quyết định độ chính xác ổkhí quay
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng.Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, công trình đãnghiên cứu trong nước và ngoài nước về ổ khí quay ứng dụngtrong trục chính của các máy gia công lỗ nhỏ Từ tính toán lýthuyết về khe hở ổ trục và bôi trơn trong ổ khí, tìm hiểu lýthuyết tính toán ổ khí tĩnh Nghiên cứu tính toán độ cứng vững
và áp suất phân bố của ổ khí tĩnh Nghiên cứu xây dựng môhình mô phỏng và thực nghiệm để phân tích, đánh giá các yếu
tố ảnh hưởng đến độ chính xác ổ khí tĩnh
Phạm vi nghiên cứu
Giới hạn của ổ khí quay được tạo ra trong nghiên cứu là ổkhí kết cấu dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm,phân vùng rãnh, có kích thước giới hạn chiều rộng rãnh là0,5mm và chiều sâu rãnh là 0,3mm Ổ đệm khí chịu tải dọc trụcđược cung cấp nguồn khí có áp suất từ 2bar 4bar, khả năngchịu tải dọc trục của ổ đệm khí là 50N÷100N; độ cứng vữngdọc trục và lực hướng tâm là là 3N÷10N/μm
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học: Thiết lập được mô hình thực nghiệmtrên cơ sở mô phỏng tính toán ổ khí quay để phục vụ cho
Trang 6Ý nghĩa thực tiễn: Mô phỏng và thực nghiệm giúp xác địnhmức độ ảnh hưởng của áp suất khí, ảnh hưởng của số vòng quaytrục chính đến phân bố áp suất trên bề mặt tiếp xúc giữa trục vàbạc Từ đó tiếp cận khả năng chế tạo ổ khí quay ứng dụng tronggia công lỗ nhỏ tại Việt Nam.
4 Những đóng góp mới
Những kết quả mới của luận án đạt được như sau:
1 Nghiên cứu đưa ra được kết cấu ổ khí tĩnh có nguồnkhí cấp vào dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâmphân vùng cấp khí trong ổ, tăng hiệu quả độ cứng của đệm khí.Ứng dụng mô phỏng xác định ảnh hưởng của các yếu tố như ápsuất cấp, kết cấu đệm khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặttrong điều kiện ổ khí quay với các vận tốc khác nhau Đây cũng
là hướng nghiên cứu khác biệt so với các công trình đã công bốtrước đó trên thế giới
2 Đã nghiên cứu chế tạo được mô hình thực nghiệm ổkhí tĩnh với kết cấu định vị trên 4 bậc tự do dọc trục và vai trụcđịnh vị 1 bậc tự do, lắp trên trục chính máy CNC để thực hiệncác nguyên công khoan lỗ ≤ 1mm Độ cứng hướng tâm 5N/μm,
độ cứng dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong dải tốc độ từ1000020000vòng/phút hoàn toàn không có tiếp xúc cơ khí vớikết cấu nhỏ gọn
5 Bố cục của luận án
Luận án được bố cục 4 chương, bao gồm
Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ
Trang 7Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ
Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay
Chương 4: Thực nghiệm đánh giá các đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ
Kết luận và hướng phát triển
Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ
nhỏ
Hiện nay việc ứng dụng ổ khí quay trên thế giới đã cónhững thành tựu nổi bật trong gia công chế tạo, trong khi đó ởViệt Nam hiện nay chưa có Doanh nghiệp nào có thể gia côngsản xuất được, giá thành cho một ổ khí cũng cao Đây chính là
lý do mà tác giả đã lựa chọn đề tài về lĩnh vực ổ khí quay đểnghiên cứu
+ Ưu điểm của ổ bôi trơn khí tĩnh:
Khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng
Độ tin cậy và hiệu suất của máy cao
+ Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Hiện nay, trên thếgiới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ổ khí quay ứngdụng trong gia công lỗ nhỏ và đã có nhiều thành tựu nhất định.Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào giải quyết vấn đề phân bố
áp suất, lực tải và ổn định của ổ khí
+ Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam: Mới dừng lại ởnghiên cứu mà chưa được ứng dụng trong thực tế
Trang 8Kết luận
Với đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” với các nội dung nghiên cứu:
1 Qua nghiên cứu tổng quan các công trình về ổ khíquay ứng dụng trong gia công trên thế giới, và các nghiên cứutại Việt Nam có thể thấy rằng kết cấu của ổ khí có các dạng cấpkhí:
Cấp khí dạng lỗ hình khuyên và lỗ đơn giản, cấp khídạng khe hẹp, cấp khí dạng rãnh, cấp khí dạng xốp Tác giả đã
kế thừa các nghiên cứu trước đó và đưa ra dạng cấp khí với lỗcấp khí trung tâm liên kết hình chữ nhật tạo ra vùng đồng áp
2 Nghiên cứu lý thuyết hoạt động của ổ khí tác giảnhận định: Áp suất cấp vào ổ khí sẽ ảnh hưởng đến phân bố ápsuất trên bề mặt đệm khí và độ cứng của đệm khí, từ đó ảnhhưởng đến khả năng tải và khả năng định tâm của ổ, chính làảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ chính xác khi gia côngchi tiết của ổ khí tĩnh
3 Nghiên cứu các ưu nhược điểm của các ổ khí vànhững khó khăn khi gia công chế tạo ổ khí
Trong các chương tiếp theo của luận án sẽ nghiên cứu
cơ sở lý thuyết với các phương án:
+ Phân tích kết cấu của ổ khí với bạc đệm khí dạngrãnh và lỗ đột đột thắt trung tâm với vùng cấp áp suất riêng biệt
+ Nghiên cứu tính toán đưa ra các phương trình độnglực học phương trình về phương trình dòng khí, phân bố ápsuất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hưởng đến chấtlượng và độ chính xác gia công
Trang 9Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng
dụng trong gia công lỗ nhỏ
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều thành tựu nghiên cứu
về ổ khí quay cao tốc và đã trở thành thương phẩm của một sốhãng sản xuất như Westwind, Excellon, Tuy nhiên, việc tínhtoán thiết kế và đặc biệt là công nghệ chế tạo ổ khí cao tốc vẫn
là bí mật của các hãng sản xuất Do đó việc nghiên cứu cơ sở lýthuyết thiết kế chế tạo ổ khí quay cao tốc ở Việt Nam sẽ gópphần nâng cao về mặt học thuật tiến tới làm chủ thiết kế, làmchủ công nghệ chế tạo, tăng khả năng nội địa hóa sản phẩm Vìvậy, trong luận án này xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật đặt ra đốivới thông số khí tĩnh trong gia công lỗ nhỏ, tác giả thực hiệnnghiên cứu, tính toán và thiết kế kết cấu của ổ khí quay cao tốc
để ứng dụng lắp trên trục chính của máy khoan
Trong chương này sẽ đi phân tích đặc tính kỹ thuật của
ổ khí quay, sau đó đưa ra một số phương trình tính toán cơ bảncủa bôi trơn bằng khí như sau:
Đưa ra được phương trình liên tục của dòng bôi trơnkhí đẳng nhiệt có dạng đơn giản:
(1)
Phương trình bôi trơn cho chi tiết bạc
Dựa trên các giả định của bài toán, phương trình Reynolds theotọa độ trụ góc θ theo trục z có thể được suy ra dựa trên phươngtrình Navier – Stokes và phương trình liên tục của chất lỏng:
Trang 10p0: Áp suất cấp, px, py, pφx, pφy áp suất theo các phương.
Phương trình đệm khí dưới
Dựa vào phương trình cơ bản tính toán đối với trục, phươngtrình Reynolds theo tọa độ đệm khí dưới với góc θ và hệ tọa độcực r có thể thu được:
r
Các đặc tính tĩnh và động được xác định bằng cách tích phân áp suất trong khu vực màng khí trên bề mặt đệm khí dưới
Trang 12Các nội dung đã nghiên cứu trong chương này:
1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổ khí, tình hình hiện tại
1
Trang 13khí theo phương dọc trục thì cần phải thiết kế 2 đệm khí chặn ở
Trang 14vai trục, tổng lực đẩy của đệm khí theo phương dọc trục phảithắng được lực dọc trục khi khoan Do đó kết cấu ổ khí có một
số bậc định vị trùng nhau, để ổ khí hoạt động tốt thì phải thiết
kế dung sai vị trí tương quan nghiêm ngặt (cỡ một vài micron)
để trục quay chỉ tồn tại 1 bậc tự do chuyển động duy nhất làquay quanh trục
Nếu chia ổ cấp khí thành 3 vùng không khí riêng biệt,thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần
Quá trình thiết kế đệm khí, phải luôn tạo ra vùng ápsuất phân lập để có thể tăng độ cứng vững cho đệm khí, giữ cânbằng cho trục quay ở một vị trí cố định
Đối với lĩnh vực đo lường và cơ khí chính xác, thì đây làlời giải thỏa đáng nhất cho những bộ truyền động chính xác Tuynhiên việc tính toán để đảm bảo ổ khí làm việc ổn định là mộtviệc rất phức tạp
3 Đưa ra các phương trình dòng khí tổng quát cho ổ khí
và phương trình đặc tính tĩnh học và động học độ cứng vữngtrên bề mặt bạc và đệm khí dưới theo các phương trình độnghọc Bernoulli và Navier-stokes
4 Việc tính toán phương trình ổ khí theo phương pháp cáccác phương trình khí động học rất phức tạp và cần rất nhiều cácđiều kiện biên cho bài toán mới có thể giải được Ở đây tác giả
đã ứng dụng phương pháp đệm khí tương đương để tính toán sơ
bộ áp suất và lực nâng của đệm khí phụ thuộc vào kết cấu củađệm cũng như áp suất nguồn cấp phục vụ cho việc chế tạo ổkhí
Để khảo sát đặc tính của ổ khí một cách chi tiết hơn,phức tạp hơn trong chương 3 tác giả sẽ mô phỏng dòng khí theophương pháp phần tử hữu hạn để đưa ra các kết quả về phân bố
áp suất trên bề mặt trên toàn bộ ổ và độ cứng vững dựa vào cácphương trình động lực học Navier-stokes
Trang 15Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thông số ảnh hưởng
đến độ chính xác của ổ khí quay
Để giải các phương trình đã nghiên cứu ở chương 2 cóthể dùng phương pháp số để giải như phương pháp phần tử hữuhạn, sai phân hữu hạn, phần tử thể tích… Việc giải theo phươngpháp này sẽ mất nhiều thời gian và có thể nhầm trong quá trìnhbiến đổi và tính toán Vì vậy chương này sẽ phân tích mô hìnhthiết kế và ứng dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS giảiquyết các khó khăn trên bằng việc thiết lập các mô hình tínhtoán, đưa điều kiện biên theo các dữ liệu đã được lý thuyết đưa
ra từ đó có thể tính toán được lực tác dụng (độ cứng vững) của
ổ và phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí và của đệm khí
Hình 3.1 Mô hình khảo sát ổ khí tĩnh
Để làm rõ ảnh hưởng của việc phân tách đệm khí độclập đến độ cứng vững của ổ khí quay, việc mô phỏng được thựchiện trên 3 mô hình: mô hình 1: Mô hình đệm khí các rãnh dẫnliên kết với nhau, mô hình 2: Mô hình đệm khí rãnh chữ nhậtliên kết, mô hình 3: Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn chữ nhậtphân lập
Kết quả mô phỏng:
Trang 16Hình 3.2 Sự phân bố áp suất của 3 mô hình
Từ hình 3.2 ta nhận thấy: Với áp suất chi tiết, áp suất trung bìnhcủa mô hình (1) là 330400 Pa, mô hình (2) là 215947 Pa và ápsuất của mô hình (3) là 127210 Pa
Hình 3.3 Sự phân bố trên bề mặt trên và dưới
Trên hình 3.3 áp suất bề mặt trong mô hình (3) nhìn chung thấphơn nhiều so với mô hình (1) và (2) Lực đẩy trên bề bặt trongthiết kế (3) không thể đạt được giá trị như trong thiết kế (1), cụthể: bề mặt trên lực đẩy đạt 62,78N và lực đẩy bề mặt dưới đạt64,72N Tùy thuộc vào sự chênh lệch giữa các lực tại hai vị trínói trên và trục sẽ lệch theo trục Z cho đến khi đạt điểm cânbằng Dễ dàng nhận thấy rằng, trong trường hợp khảo sát, kíchthước của khe hở tại hai vị trí (12 µm) cực kỳ gần điểm cânbằng, điều này đảm bảo rằng trục sẽ quay lơ lửng với trạng thái
Trang 17tối ưu hóa Hơn nữa, do áp lực rất lớn, lực đẩy tạo ra tại hai vịtrí trong thiết kế (1) cũng lớn hơn trong thiết kế (3), đối với chitiết thiết kế (1) khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng là: 314,26 N caohơn so với mô hình (3) 179,84N Do sự phân bố áp suất khôngcân bằng, trục của thiết kế này có xu hướng di chuyển xa hơn từ
vị trí cân bằng và điều này dẫn đến chuyển động của trục quay
về phía bề mặt, nơi có ít lực tạo ra áp suất bề mặt hơn Trongtrường hợp này, trục tịnh tiến theo hướng chuyển động trên trục
Y và gần với bề mặt bạc hơn nhiều
Hình 3.4 Sự phân bố vận tốc không khí trong bề mặtTương tự trên hình 3.4, kết quả mô phỏng của dòng chảy ổ khíquay trong mô hình (3) có rãnh khí tách biệt có rãnh cao hơn
mô hình (1) (hình 3.4) Vì có các rãnh phân phối có kích thướclớn hơn (chiều rộng rãnh khí 3mm và chiều sâu rãnh là1mm),vận tốc của dòng chảy trong mô hình (3) có giá trị trung bìnhcao hơn trong mô hình (1) là khoảng 100m /s
Hình 3.5 Mô hình phân bố áp suất xung quanh bề mặtngõng trục khi trục quay được đặt lệch tâm