Kết quả nghiên cứu về mòn của VMĐB sẽ là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế trong điều kiện Việt Nam.. Mục đích nghiên cứu của luận á
Trang 1Phát biểu tại Hội nghị tổng kết 10 năm thực hiện chiến lược phát triển ngành Cơ khí Thủ Tướng chính phủ nhấn mạnh: “Cơ khí
là ngành công nghiệp nền tảng, có vị trí quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Chính phủ rất quan tâm tới phát triển ngành Cơ khí, đặc biệt là Cơ khí chế tạo”
Trong lĩnh vực chế tạo và gia công cơ khí chính xác, máy công
cụ CNC là lựa chọn ưu tiên hàng đầu do ưu điểm nổi trội về độ chính xác và hiệu quả kinh tế do rút ngắn thời gian gia công
Các chuyển động tịnh tiến yêu cầu độ chính xác và hiệu suất truyền động cao trong máy công cụ CNC và các máy, thiết bị công nghệ cao đều được thực hiện nhờ cơ cấu vít me – đai ốc bi (VMĐB)
Do ảnh hưởng rất lớn của độ chính xác VMĐB tới độ chính xác chi tiết được gia công nên trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu, khảo sát các vấn đề liên quan tới cụm chi tiết VMĐB Tuy nhiên, các nghiên cứu về VMĐB vẫn chưa đầy đủ Khảo sát tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB của máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam là lĩnh vực mới, chưa được công bố trên thế giới Đồng thời, xu hướng thiết kế, sử dụng VMĐB thay thế các bộ truyền thông thường đang ngày càng tăng, bộ truyền VMĐB hiện nay trong nước chưa sản xuất được Kết quả nghiên cứu về mòn của VMĐB sẽ
là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế trong điều kiện Việt Nam
2 Mục đích nghiên cứu của luận án
- Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ mòn của VMĐB trong điều kiện có bôi trơn và không bôi trơn
- Xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Bộ truyền VMĐB có mã hiệu: ISO3408 –16 x 05 x 222 – T7R4 Phạm vi nghiên cứu:
Trang 22
- Môi trường thực hiện các thực nghiệm theo TCVN 7699-2-30
- Tải, tốc độ quay của vít me – đai ốc bi được xác định theo Cỡ máy CNC và điều kiện sử dụng, cụ thể:
Đưa ra phương pháp xác định mòn dọc trục của VMĐB
Đưa ra được “hệ số tuổi thọ” bổ sung cho công thức tính tuổi thọ của VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30
Xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy thực tế
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể dùng đẻ tham khảo và làm cơ sở khoa học cho việc xác định tuổi thọ theo độ tin cậy của cụm VMĐB khi làm việc trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam, từ đó có
kế hoạch điều chỉnh, bảo dưỡng, thay thế phù hợp cho từng đối tượng
sử dụng có yêu cầu độ tin cậy khác nhau
Phần lớn các máy CNC sử dụng VMĐB tại Việt Nam được nhập khẩu từ nhiều nguồn, có chất lượng khác nhau nên việc nghiên cứu giúp người sử dụng có lựa chọn các thiết bị có tích hợp VMĐB phù hợp với điều kiện nhiệt ẩm ở Việt Nam
5 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu lý thuyết mòn, các yếu tố ảnh hưởng đến mòn, mối quan hệ giữa mòn và độ chính xác, tuổi thọ của VMĐB
Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế hệ thống tạo tải, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm
Thực nghiệm:
Xây dựng Quy hoạch thực nghiệm, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm
Trang 36 Nội dung luận án
Nội dung chính luận án bao gồm
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI 1.1 Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi
Các đặc điểm, vị trí, vai trò và phạm vi sử dụng VMĐB trong máy CNC
1.2 Phân loại vít me – đai ốc bi
Các loại VMĐB thông dụng, phân loại theo: Hình dáng, kết cấu; Cấp chính xác và theo công dụng
1.3 Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi
Các dạng hỏng có thể xảy ra với VMĐB, dạng hỏng thường gặp
và nguyên nhân hỏng
1.4 Các đặc trưng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi
Những đặc trưng cơ bản của VMĐB, một số công thức tính cho VMĐB
1.5 Vật liệu làm vit me – đai ốc bi
Một số vật liệu được chọn sử dụng cho chế tạo VMĐB do một
số hãng chế tạo lớn trên thế giới công bố
1.6 Môi trường làm việc của máy công cụ CNC
Môi trường làm việc của máy CNC trên thế giới và Việt Nam có
sự khác biệt: Máy CNC trên thế giới được đặt trong môi trường có điều hòa nhiệt độ hoặc trong môi trường có nhiệt độ, độ ẩm ổn định, máy CNC ở Việt Nam đa phần được đặt trong nhà xưởng khá thông thoáng, không được điều hòa không khí, trong khi môi trường tại Việt Nam (chủ yếu là miền Bắc) có sự biến thiên nhiệt độ lớn, tốc độ cao ở mức độ ẩm tương đối cao làm xuất hiện hiện tượng đọng sương lên bề mặt ma sat
1.7 Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi
Một số kết quả các nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến đối tượng nghiên cứu của đề tài của luận án trên thế giới:
Bản chất tiếp xúc trong vít me – đai ốc bi là tiếp xúc Hertz [24,
26, 55, 62, 66, 68]; Ma sát trong bộ truyền VMĐB như những chiếc lông đàn hồi trong bàn chải, độ lệch của lông gây ra bởi hai mặt có
Trang 44
chuyển động tương đối làm tăng lên lực ma sát [24, 26, 66]; Lượng mòn phụ thuộc số hành trình [28]; Ảnh hưởng của tốc độ đến tải đặt trước là tuyến tính [20]; Mô hình hóa hệ bi chặn – trục vít – đai ốc bi như hệ đàn hồi gồm các lò xo mắc nối tiếp [22]; Góc tiếp xúc ảnh hưởng tới tải tác dụng lên bi [25, 77]; Sai lệch vị trí đai ốc có thể lên đến hằng trăm micromét do sự thay đổi nhiệt độ trong VMĐB , phụ thuộc thời gian, chế độ làm việc và chất làm mát [44, 79]; Mòn VMĐB chủ yếu phụ thuộc vào tải và tốc độ quay [23]
Lực ma sát tạo ra từ việc “uốn-đàn hồi” của lông bàn chải [66]:
và có chú ý tới bôi trơn [23]
Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong
vít me – đai ốc bi [24, 66]
Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ
thuộc vào số hành trình [28]
Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít
đến tăng (giảm) tải đăt trước [20] Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn – trục vít – đai ốc bi [22]
Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương
đối của vòng bi với mật độ nước trong chất bôi trơn [41]
Trang 55
Các nghiên cứu tại Việt Nam về VMĐB chủ yếu là tính toán lý thuyết, còn lại là nghiên cứu chế tạo Liên quan tới lĩnh vực nhiệt ẩm của môi trường, hiện nay đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nhưng chưa có ai công bố kết quả nghiên cứu về VMĐB Trong các nghiên cứu trên, môi trường được thực nghiệm ở mức nhiệt độ, độ
ẩm tương đối ổn định và đa phần độ ẩm tương đối ở mức thấp (RH<80%)
Nhìn chung các nghiên chưa đề cập đầy đủ vấn đề ảnh hưởng của môi trường, điều này thể hiện ở việc tiêu chuẩn ISO về thử nghiệm môi trường chưa có bản nào tương đương với môi trường theo TCVN 7699-2-30 hay IEC 60068-2-30
Kết luận chương 1
Độ chính xác truyền động của cụm VMĐB ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác kích thước và hình dáng hình học của sản phẩm khi gia công trên máy công cụ CNC cũng như độ chính xác vị trí của thiết bị công nghiệp, thiết bị đo có sử dụng VMĐB
Có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về VMĐB trên thế giới nhưng chưa đủ, đặc biệt là ở điều kiện môi trường khắc nghiệt như Việt Nam Hiện nay TCVN 7699-2-30 được sử dụng trong các nghiên cứu về ảnh hưởng của khí hậu nóng ẩm, chu kỳ - một kiểu môi trường khá đặc trưng cho khí hậu miền Bắc của Việt Nam Cho đến nay Việt Nam chưa chế tạo được VMĐB thành phẩm Các VMĐB nói riêng và máy công cụ CNC nói chung đều được nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau Môi trường khí hậu Việt Nam có đặc thù riêng “khí hậu nhiệt đới ẩm”, đồng thời việc sử dụng, bảo dưỡng hiện nay đều dựa theo tài liệu kỹ thuật về VMĐB được nước ngoài
Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi [23]
Trang 6CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT
ME – ĐAI ỐC BI TRÊN CƠ SỞ MÒN
2.1 Tổng quan về mòn vật liệu:
Mòn theo thời gian
Trong điều kiện ma sát mòn bình thường, sự phụ thuộc của mòn theo thời gian hoặc quãng đường ma sát được chia thành thành ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt [5] Hình 2.1 biểu diễn sự phụ thuộc của mòn vào thời gian
Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời
gian “t” hay quãng đường ma sát “L” [5]
“Trong giai đoạn mòn ổn định, thừa nhận quy luật mòn là tuyến tính” [5, 14] Cần ít nhất giá
trị của lượng mòn tại hai thời điểm khác nhau, để xác định được tốc
độ mòn của giai đoạn mòn bình thường này
Ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến mòn
Ảnh hưởng của tải và tốc độ đến tốc độ mòn của cặp ma sát nói chung:
Sự ảnh hưởng của bôi trơn và môi trường thể hiện qua các hệ số
a0, a1, a2, có giá trị cụ thể ứng với các cặp ma sát khác nhau
Tổng quát, Ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến mòn: Áp suất pháp
tuyến; Vận tốc; Rung động; Bôi trơn; Môi trường
Tiêu chuẩn TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trường
Sự có mặt của hơi nước ngưng tụ trên bề mặt vật liệu là kết quả của sự biến đổi có điều kiện của cả nhiệt độ và độ ẩm không khí
Trong tiêu chuẩn này, giai đoạn tăng nhiệt là giai đoạn có xuất hiện hiện tượng đọng sương (ngưng tụ nước) lên bề mặt ma sát
Trang 7Tuổi thọ cho bộ truyền làm việc một chiều
- Tính theo số vòng quay: ( ) (vòng) (2.5)
Tính theo giờ: (h) (2.6)
Tuổi thọ bộ truyền làm việc hai chiều: (
) (vòng) Tuổi thọ cho bộ truyền được đặt tải trước [39]
- Tính cho bộ truyền làm việc một chiều
(
- Tính cho các bộ truyền làm việc hai chiều
( ) (vòng) (2.9) Tuổi thọ với hệ số độ tin cậy [39]
Theo đơn vị tính số vòng quay: Lar = L far (vòng) (2.10) Hoặc với vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều hoặc đặt tải trước
Lar = Lr far (vòng) (2.11) Theo đơn vị tính giờ “h”: Lhar = Lh far (h) (2.12)
Bảng 2.1 Hệ số độ tin cậy theo ISO 3408 – 5 (2006)
Tuổi thọ VMĐB trên cơ sở mòn
VMĐB trong máy công cụ CNC khi làm việc sẽ mòn Khi mòn tăng lên theo thời gian làm việc, sai số làm việc tăng dần, đến một giá trị cho phép (xác định theo cấp chính xác) là lúc máy không đạt được yêu cầu làm việc và hết tuổi thọ máy (VMĐB)
Trang 88
Qua phân tích một VMĐB khi chưa mòn và khi mòn dẫn tới kết
luận: “Lượng sai lệch vị trí do mòn chính là lượng mòn”
Các phân tích ảnh hưởng các yếu tố tới kết quả đo dẫn tới kết
luận: “Lượng tăng sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc trong bộ truyền VMĐB chính là lượng mòn dọc trục”
Hình 2.9 Mô hình hóa hệ
Vít me – đai ốc – bi trước và sau mòn
Sai lệch dọc trục do mòn của VMĐB tại một điểm xác định theo góc quay trục vít me được tính là:
UC = 2 (’ - ) Sai lệch dọc trục giới hạn [] là mòn dọc trục giới hạn Uc max
Hay là: [ ] [ ] (2.19) Trong đó, ep là sai lệch dọc trục tối đa cho phép, phụ thuộc cấp chính xác và chiều dài đoạn ren vít me (Lu)
Khi đó, tuổi thọ bộ truyền được xác định dựa theo thực nghiệm
2.3 Lý thuyết độ tin cậy
Các khái niệm, đặc trưng, ý nghĩa độ tin cậy; Công thức xác định độ tin cậy theo các chỉ tiêu; Một số hàm phân phối trong tính toán độ tin cậy; Lý thuyết xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn và các thể hiện mòn
2.4 Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB
Gọi lượng mòn đo được tại mỗi thí nhiệm là Uc i (i = 1,k; k là số thí nghiệm) Tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699–2–30 tương ứng là: (i = 1,k) (2.36) Tuổi thọ xác định trong mỗi thí nghiệm: [ ]
(2.37)
a, trước khi làm việc b, khi làm việc và bị mòn
Trang 99
Tương ứng hệ số tuổi thọ trong từng thí nghiệm:
(2.38) Độ tin cậy của tuổi thọ, cũng như độ tin cậy của hệ số tuổi thọ của VMĐB khi làm việc trong điều kiện Việt Nam sẽ được xác định qua giá trị tuổi thọ qua từng thí nghiệm, tuân theo quy luật phân phối chuẩn, được mô tả như sau: Bảng 2.4 Hệ số tuổi thọ thực nghiệm Dựa vào số liệu thu được, xác định hàm hồi quy thực nghiệm hệ số tuổi thọ theo môi trường “ ̂” và tính được kỳ vọng ( ̅), độ lệch chuẩn ( ) của hàm ̂ Mòn tuân theo phân phối chuẩn Gauss Do tính đối xứng của phân bố mòn, hàm laplace (z) cho phép xác định đối số z của phân phối theo độ tin cậy R(t) dựa trên công thức R(t) = 0,5 + (z) [7] Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 ở các điều kiện làm việc (tải, tốc độ quay) khác được xác định theo công thức: Lh mt = m Lh iso (2.40) Bảng 2.5 Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 ứng với các độ tin cậy Mức tin cậy của hệ số tuổi thọ thực nghiệm – tiêu chuẩn Fisher – m (95%) Độ tin cậy của công thức xác định tuổi thọ (L h theo ISO) Độ tin cậy thực tế (%) Hệ số tuổi thọ “m” ứng với các độ tin cậy Độ tin cậy f ar I II III IV = I II V 95 90 1 85,50
95 0,62 90,25
96 0,53 91,20
97 0,44 92,15
98 0,33 93,10
99 0,21 94,05
Tuổi thọ của VMĐB theo công thức của ISO ở mức 90%, theo các mức tin cậy cao hơn thì phải bổ sung thêm với hệ số độ tin cậy far [39] Do dó, mức tin cậy thực tế của tuổi thọ khi đã tính đến hệ số tuổi thọ có ảnh hưởng của môi trường TCVN 7699-2-30 là tích của độ tin cậy theo ISO và độ tin cậy của hệ số tuổi thọ thực nghiệm khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 Hệ số tuổi thọ khi làm STN Tải (F) Tốc độ (n) Môi trường Lượng mòn đo được Tuổi thọ thực nghiệm Tuổi thọ theo ISO Hệ số tuổi thọ 1 F 1 n 1 TCVN U c 1 L h mt 1 L h iso 1 m 1 2 F 2 n 2 TCVN U c 2 L h mt 2 L h iso 2 m 2 TCVN
k F k n k TCVN U c k L h mt k L h iso k m k
Trang 10xử lý bề mặt tốt và là VMĐB thành phẩm nên giai đoạn chạy rà của VMĐB có thời gian rất ngắn, có thể giả thiết bỏ qua giai đoạn này Điều kiện môi trường TCVN 7699-2-30 đặc trưng cho môi trường nhiệt ẩm khắc nghiệt Do vậy, môi trường theo TCVN7699-2-
30 là có ảnh hưởng lớn đến mòn khi thay đổi các thông số chính: tải, tốc độ và bôi trơn
Độ tin cậy thể hiện qua các chỉ tiêu đánh giá: Mật độ phân phối hỏng f(t); Xác suất không hỏng R(t); Xác suất hỏng F(t); cường độ hỏng (t); và thời gian trung bình đến lần hỏng đầu tiên ttb Hàm phân
bố tuổi thọ VMĐB tuân theo phân phối chuẩn là cơ sở để xác định độ tin cậy của hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30
Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN
7699-2-30 ở các điều kiện được tính theo công thức Lh mt = m Lh iso trong đó
m là hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào độ tin cậy
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP, HỆ THỐNG THIẾT BỊ
THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU MÒN
3.1 Mục đích và yêu cầu thực nghiệm:
Từ mục đích, dẫn tới các yêu cầu của thực nghiệm cũng như đối với các thiết bị thí nghiệm và điều kiện thí nghiệm
Điều kiện ma sát trong các thí nghiệm là không bổ sung chất bôi trơn để tăng mức độ ảnh hưởng môi trường tới mòn và giảm thời gian thực nghiệm Một thí nghiệm có bổ sung bôi trơn tiêu chuẩn để so sánh với thí nghiệm không bổ sung bôi trơn, từ đó rút ra sự ảnh hưởng của bôi trơn trong môi trường TCVN 7699-2-30
3.2 Thiết kế máy thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm
Máy thí nghiệm được thiết kế dạng modul, bao gồm các phần:
Bộ truyền VMĐB; Hệ thống tạo tải và dẫn động VMĐB; Hệ thống
đo, phù hợp với thông số kỹ thuật của VMĐB được chọn làm đối tượng nghiên cứu
Trang 1111
Đối tượng nghiên cứu của thí nghiệm là VMĐB tiêu chuẩn, dùng trong máy CNC cỡ nhỏ, mã hiệu ISO 3408-16x05x222-T7R4 Hình 3.2 thể hiện một số kích thước cơ bản của bộ truyền VMĐB Dựa trên đối tượng nghiên cứu cụ thể, các hệ thống chức năng
đã được thiết kế nguyên lý và thiết kế chi tiết
Thiết bị tạo môi trường
Thực hiện thí nghiệm trong tủ môi trường BKM-NA2 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ và độ ẩm tương đối của môi trường trong tủ nhiệt ẩm theo TCVN 7699-2-30 được biểu diễn ở hình 3.3
Hệ thống tạo tải: Tải lớn nhất trong các thí nghiệm là 3500 N;
khoảng tốc độ quay của trục vít me là 79100 (vg/ph); Công suất động cơ dẫn động trục vít me 1,0 (kW)
Để tạo được tải theo yêu cầu Có một số phương án cho hệ thống tạo tải lên VMĐB:
Đo vị trí
đai ốc
Đo góc quay trục vít me
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ
bản của máy thí nghiệm
Hình 3.2 Một số kích thước
cơ bản của bộ truyền VMĐB
Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tủ nhiệt ẩm Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên VMĐB
Trang 1212
Phương án I: Tạo tải nhờ tải trọng
Hình 3.5 Phương án I – Tạo tải nhờ tải
trọng
Nhược điểm của phương
án này là rất khó khi thay đổi chiều tác dụng của tải trong một chu trình chuyển động Đồng thời, để tải tác động lên đai ốc là dọc trục thì việc gá lắp, điều chỉnh là khá khó khăn
Phương án II: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt
Hình 3.6 Phương án II – Tạo tải nhờ
hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt
Nhược điểm của phương
án này là khó gá lắp, điều chỉnh cho tải tác động từ pittong lên đai ốc có phương dọc trục Đồng thời, do có kết cấu phức tạp, cồng kềnh nên cũng không thuận lợi cho việc gá lắp máy trong tủ tạo môi trường – nhất là khi tủ môi trường có kích thước hạn chế
Phương án III: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong - xilanh tích hợp với sống trượt
Hình 3.7 Phương án III – Tạo tải nhờ
hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tích hợp với sống trượt
Đặc điểm của phương án III là dễ dàng điều khiển đổi chiều tác dụng của tải; Tải ổn định; Dễ dàng điều chỉnh để tải tác dụng lên đai ốc là dọc trục; Kết cấu máy nhỏ, gọn, dễ tháo lắp – thuận tiện cho gá lắp máy thí nghiệm vào trong tủ môi trường
