Nhan đề : Nghiên cứu xây dựng hệ thống cơ điện tử phục vụ đo mòn vít me đai ốc bi máy CNC Tác giả : Đặng Quang Thẩm Người hướng dẫn: Trần Đức Toàn Từ khoá : Vít me; Đai ốc; Đai ốc bi; Hệ thống cơ điện tử Năm xuất bản : 2020 Nhà xuất bản : Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt : Tổng quan về vít me đai ốc bi; cơ sở lý thuyết tính toán và nguyên lý hệ thống đo mòn vít me đai ốc bi; tính toán và mô phỏng hệ thống đo mòn vít me đai ốc bi.
TỔ NG QUAN V Ề VÍT ME – ĐAI Ố C BI
T ổ ng quan v ề vít me – đai ố c bi
1.1.1 Đặc điểm của vít me – đai ốc bi
Bộ truyền vít me – đai ốc bi là một loại thiết bị quan trọng, có chức năng chuyển đổi chuyển động quay của trục vít thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và ngược lại Thiết bị này hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc và thiết bị công nghiệp.
Hình 1.1 Phương pháp xây dựng lên vít me– đai ốc bi
Hình 1.2 Các bộphận chính của vít me– đai ốc bi [1]
Đặc điểm chính của bộ truyền vít me – đai ốc bi:
Đai ốc bi có đặc điểm nổi bật so với bộ truyền vít me – đai ốc thông thường, đó là ma sát trong bộ truyền này là tổng hợp của cả lăn và trượt Đặc điểm này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động, giảm thiểu tổn thất do ma sát, đồng thời đáp ứng tốt nhu cầu khởi động nhanh và dừng chính xác.
Vít me – đai ốc bi có rãnh hồi bi cho phép các bi chuyển động tuần hoàn, giúp tải trọng phân bổ đều lên từng viên bi Tính năng này ngăn chặn hiện tượng mòn cục bộ, bảo đảm tuổi thọ và hiệu suất của bộ truyền.
Bằng cách áp dụng các biện pháp khử khe hở trong bộ truyền modul với các chi tiết tiêu chuẩn, việc gia công và lắp ráp trở nên chính xác hơn Nhờ đó, vít me – đai ốc bi đạt độ chính xác truyền động cao, được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế chế tạo CNC và nhiều lĩnh vực khác.
Ưu điểm của vít me – đai ốc bi:
- Tổn thất ma sát ít, hiệu suất của bộ truyền cao ƞ≈ 0,9
Mối ghép ren không có khe hở, giúp tạo ra lực căng cho trước, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao và độ chính xác truyền dẫn tối ưu, đặc biệt khi đảo chiều chuyển động.
- Hệ số ma sát lăn phụ thuộc rất nhỏ vảo vận tốc lăn của bi trong vùng làm việc, giúp nâng cao khả năng chuyển động ổn định.
- Độ chính xác dịch chuyển bị hạn chế bởi sai số chế tạo, cần có rãnh để đưa con lăn trở về.
- Độ cứng chống biến dạng thấp hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc kháccùng kích thước.
- Khả năng chống quá tải thấp hơn so với bộ truyền khác.
Nhược điểm của vít me – đai ốc bi:
- Vít me - đai ốc bi có khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường ( do đặc điểm cấu tạo)
- Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thành vẫn còn đắt so với vít me thường.
Hình 1.3 Hình ảnh một sốbộtruyền vít me– đai ốc bi
1.1.2 Ứng dụng của vít me – đai ốc bi
Đai ốc bi là một cơ cấu quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện nay, đặc biệt trong gia công cơ khí, nhờ vào khả năng chịu tải lớn và độ tin cậy cao Trong các máy công cụ, đặc biệt là máy CNC, đai ốc bi được sử dụng để truyền động, chuyển đổi từ chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến của bàn máy hoặc đầu trục chính.
Hình 1.4 Vít me– đai ốc bi sửdụng đểdịch chuyển bàn máy trong trung tâm gia công
Trong máy công cụ CNC, trục vít me được lắp cố định dọc theo thân máy, trong khi đai ốc gắn với bàn máy Khi vít me quay nhờ hệ thống truyền dẫn, đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me, từ đó làm cho bàn máy chuyển động Lượng dịch chuyển của đai ốc phụ thuộc vào góc quay của trục vít me và có thể điều chỉnh thông qua động cơ Servo Bàn máy, với vai trò quan trọng trong việc thực hiện chuyển động chạy dao, yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo chất lượng gia công Do đó, cụm vít me – đai ốc bi có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình gia công.
Vít me và đai ốc bi không chỉ được ứng dụng trong ngành cơ khí mà còn được sử dụng trong các lĩnh vực như công nghệ hóa dầu và thủy điện Chúng cũng thích hợp cho những trường hợp nâng tải trọng lớn theo chiều thẳng đứng, yêu cầu độ chính xác cao, như trong các hệ thống nâng tại nơi làm việc.
Phân lo ạ i vít me – đai ố c bi
1.2.1 Theo hình dáng và kết cấu
Hiện nay, trên thị trường có nhiều hãng nổi tiếng cung cấp vít me và đai ốc tiêu chuẩn, bao gồm các tên tuổi như Thomson, Carry, Steinmeyer, Kurim, NSK, KSK, HIWIN, GTEN, TBI, NIKO và SKF.
Mỗi hãng sản xuất đều có ký hiệu và tiêu chuẩn riêng cho các sản phẩm của mình Tuy nhiên, vít me và đai ốc bi có thể được phân loại theo các tiêu chuẩn chung.
Phân loại theo chiều của ren vít
Theo phân loại, có hai loại ren vít: ren trái và ren phải Mặc dù bộ truyền có ren trái đã được đề cập trong một số tài liệu, nhưng chúng ít được sản xuất hàng loạt Mặc định, vít me - đai ốc bi thường có ren phải Hình 1.5 minh họa hai loại vít me - đai ốc bi với ren trái và ren phải.
Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải
Phân loại theo sốđầu mối ren:
Ren một đầu mối là loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí Loại ren này có khả năng truyền chuyển động với độ chính xác cao hơn so với ren nhiều đầu mối, nhờ vào quy trình chế tạo đơn giản và bước vít thường nhỏ hơn.
Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối [29]
Với động cơ servo, khả năng điều chỉnh tốc độ trở nên linh hoạt hơn, đặc biệt là khi so sánh với các bộ truyền vít me - đai ốc ma sát trượt thông thường Điều này cho phép truyền chuyển động với vận tốc lớn mà không cần phải sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc nhiều đầu mối, chỉ cần một loại có ren một đầu mối Nhờ vào hệ số ma sát thấp, hiệu suất truyền động được cải thiện đáng kể.
Loại ren nhiều đầu mối được chế tạo phức tạp hơn so với loại ren một đầu mối, đòi hỏi độ chính xác cao giữa khoảng cách các mối ren trên đai ốc và trục vít me Sự sai số bước và sai số tích lũy trong quá trình chế tạo làm tăng yêu cầu về độ chính xác tại các tiết diện khác nhau Hình 1.7 minh họa vít me - đai ốc bi có ren nhiều đầu mối.
Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối [29]
Vít me - đai ốc bi có ren nhiều đầu mối sở hữu góc xoắn lớn, dẫn đến lực dọc trục tác động lên các bi trong bộ truyền nhỏ hơn so với loại một đầu mối Điều này mang lại ưu điểm vượt trội cho bộ vít me.
- đai ốc bi có ren nhiều đầu mối là tỷ số truyền lớn hơn so với loại một đầu mối
Chế tạo đai ốc có ren nhiều đầu mối phức tạp hơn so với loại có một đầu mối với cùng độ chính xác Cụm đai ốc này bao gồm hai rãnh bi độc lập, giúp duy trì tải đặt trước không thay đổi Tuy nhiên, bộ truyền kiểu này chưa được sử dụng rộng rãi Hình 1.8 minh họa đai ốc cho ren nhiều đầu mối.
Hình 1.8 Đai ốc có ren nhiều đầu mối [29]
Phân loại theo kiểu hồi bi trên đai ốc:
Loại vít me - đai ốc bi có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc có rãnh hồi bi song song với đường tâm đai ốc, với đường dẫn bi được bố trí trên nắp đai ốc, như hình 1.9 Ưu điểm của thiết kế này là rãnh hồi bi nằm bên trong đai ốc, giúp tiết kiệm không gian và nâng cao tính công nghệ, đồng thời phân phối tải đều hơn Tuy nhiên, kích thước đai ốc lớn hơn, dẫn đến hạn chế hành trình so với các loại vít me - đai ốc bi cùng kích cỡ.
Máng đổ i hướ ng bi Đai ố c
Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗtrên đai ốc [29]
Loại có rãnh hồi bi kiểu ống là phương án hồi bi phổ biến nhất hiện nay nhờ vào ưu điểm dễ chế tạo, sửa chữa và căn chỉnh, với kích thước đai ốc nhỏ gọn Ống hồi bi được lắp vào đai ốc trong giới hạn kích thước đường kính ngoài của đai ốc Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là lực phân phối trên đai ốc không đều, độ bền mòn của đầu ống thấp, và độ tin cậy khi kẹp chặt ống không cao Hình 1.10 minh họa vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống.
Rãnh hồi bi Trục vít me
Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [29]
Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp được thiết kế trên một máng lót đặc biệt, với các hốc phân bố đều trên đai ốc như hình 1.11 Cấu trúc này nổi bật với đường hồi bi kết nối hai rãnh, mang lại nhiều ưu điểm như kích thước đường kính đai ốc nhỏ hơn so với các bộ truyền vít me khác cùng đường kính, độ bền cao, không bị mòn nhanh và chiều dài rãnh hồi bi ngắn.
Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp [29]
Nhược điểm của kết cấu hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp là quá trình chế tạo phức tạp và độ khó cao, đặc biệt trong việc gia công rãnh hồi bi trên chi tiết đai ốc Hơn nữa, mỗi viên bi chỉ chuyển động tương đối với đai ốc trên một vòng ren, dẫn đến việc tải trọng phân bố trên đai ốc và vít me trở nên không đều và phụ thuộc vào độ chính xác của việc phân bố các hốc bi trên chu vi đai ốc.
Phân loại theo cách đặt tải trước và khử khe hở:
Loại khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm sử dụng một tấm đệm ghép giữa hai đai ốc để điều chỉnh khe hở Khi cần tải đặt trước là kéo, tấm đệm sẽ có chiều dày dương, trong khi khi tải đặt trước là nén, chiều dày tấm đệm sẽ là âm.
Tấm đệm với chiều dày khác nhau cho phép điều chỉnh tải đặt trước, từ đó thay đổi độ cứng của bộ truyền vít me - đai ốc bi Mặc dù phương pháp này có cấu trúc đơn giản hơn, nhưng việc điều chỉnh lại gặp khó khăn Hình 1.12 minh họa cấu trúc của vít me - đai ốc bi có tính năng khử khe hở và sử dụng tấm đệm để đặt tải trước.
Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm [29]
Loại khử khe hở sử dụng đai ốc với hai hệ thống rãnh bi có khoảng cách rãnh lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với bước vít α, yêu cầu chế tạo phức tạp và chính xác hơn so với loại có hai đai ốc Trong thân đai ốc, hai hệ thống rãnh bi được thiết kế cách nhau một khoảng Ph ± α, với α thể hiện tải đặt trước cho từng loại vít me - đai ốc bi Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là khoảng cách giữa hai hệ thống rãnh bi cố định, dẫn đến việc không thể chỉnh sửa hoặc thay đổi tải đặt trước Kết cấu khử khe hở kiểu này được minh họa trong hình 1.13, trong đó Ph là ký hiệu bước vít me.
T ấm đệ m Tải trước kéo T ải trướ c kéo Tải trước nén Tải trước nén
Hình 1.13 Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít khoảng α [29]
Các d ạ ng h ỏ ng vít me – đai ố c bi
Truyền động VMĐB khi làm việc, theo lý thuyết có thể gặp một số dạng hỏng sau [9]:
Khi tải trọng tĩnh vượt quá giá trị cho phép, vít me và đai ốc bi có thể gặp phải hư hỏng nghiêm trọng như vỡ bi, biến dạng dẻo bề mặt làm việc, gãy hoặc đứt trục, cũng như nứt và vỡ đai ốc.
Khi chịu tải theo chu kỳ, ngay cả khi tải trọng nhỏ hơn giá trị cho phép, sự xuất hiện của các vết nứt tế vi và sự thay đổi dấu ứng suất sẽ dẫn đến sự phát triển của nứt, gãy hoặc vỡ theo thời gian.
Hỏng do bị ăn mòn:
Dưới tác dụng của hóa học, môi trường
Do tác dụng của tải (P), vận tốc (V) của chuyển động tương đối lăn và trượt
Hỏng do mất ổn định:
Mặc dù tải tác động nhỏ hơn giá trị cho phép, nhưng vẫn có thể gây ra biến dạng và cong vênh Trục vít me sẽ mất ổn định khi có chiều dài quá lớn hoặc kết cấu không đủ cứng vững, ví dụ như khi chỉ hạn chế một đầu của trục vít trong khi đầu kia để tự do.
Máy công cụ CNC là thiết bị có độ chính xác cao, được trang bị công nghệ tự động hóa hiện đại và có tuổi thọ thiết kế lên đến hàng chục nghìn giờ Với các cơ cấu cảnh báo và phòng ngừa quá tải ở nhiều cấp độ, việc hỏng hóc như đứt, gãy, hoặc vỡ bi vít me - đai ốc bi trong máy CNC rất hiếm xảy ra.
Hỏng hóc do mất ổn định của vít me thường xảy ra ở máy CNC có cấu trúc không cứng vững, dẫn đến sai số trong quá trình lắp đặt Nguyên nhân chính gây hỏng hóc là do mỏi và mòn do ăn mòn, mài mòn Tại các quốc gia công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nhật, hỏng hóc máy móc được xác định khi thiết bị không đạt độ chính xác gia công, buộc phải loại bỏ khỏi dây chuyền sản xuất hoặc chuyển đổi mục đích sử dụng Do đó, mòn do ăn mòn và mài mòn là những nguyên nhân chủ yếu gây hỏng hóc cho thiết bị và máy móc.
Dưới đây là một số hình ảnh về hỏng vít me - đai ốc bi:
Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi[14,18]
Hình 1.17 minh họa tình trạng vít me và đai ốc bị rỉ sét trên bề mặt làm việc, nguyên nhân chủ yếu do việc bảo quản và sử dụng trong môi trường làm việc không đảm bảo.
Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi[22]
Hình 1.18 thể hiện hình ảnh vít me - đai ốc bi bị tróc rỗ bề mặt làm việc do mòn mỏi
Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me [16]
Hình 1.19 thể hiện hình ảnh vít me - đai ốc bibị biến dạng (cong) do kết cấu kém cứng vững
Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của vít me - đai ốc bi[12]
Như vậy, khái niệm tuổi thọ, hay hỏng là khi vít me - đai ốc bi không đủ độchính xác cho phép ở cấp chính xác ban đầu
Mòn là nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng của vít me - đai ốc bi Khi mức độ mòn đạt đến giới hạn cho phép, sai số trong bộ truyền đạt sẽ vượt quá mức tối đa, đánh dấu thời điểm bộ truyền vít me - đai ốc bi không còn hoạt động hiệu quả và được coi là đã hết tuổi thọ.
Mòn oxy hóa là một dạng mòn quan trọng trong cơ chế mòn của vít me - đai ốc bi, kết hợp giữa ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học Quá trình này diễn ra khi bề mặt chi tiết bị phá hủy dần dần do ma sát, nhờ vào sự tương tác giữa các lớp bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo với oxy trong không khí hoặc dầu bôi trơn Mòn oxy hóa được thể hiện qua sự hình thành các lớp màng hấp thụ hóa học, tạo ra các hợp chất giữa kim loại và oxy, và việc bong tách lớp màng này khỏi bề mặt ma sát Đây là một quá trình ổn định, cân bằng động giữa sự phá hủy và phục hồi các lớp màng oxit, đặc trưng cho điều kiện làm việc bình thường của cặp ma sát.
Bộ truyền vít me - đai ốc bi sẽ bị ảnh hưởng bởi quá trình mòn, dẫn đến sự giảm kích thước và làm suy giảm độ chính xác Hệ quả là sai lệch vị trí tương đối của cặp ma sẽ gia tăng.
Khi áp suất tại điểm va đập tăng lên, sẽ gây ra biến dạng dẻo bề mặt, làm giảm chất lượng bề mặt và dẫn đến gia tăng ma sát và mòn Quá trình mòn này chịu ảnh hưởng lớn từ môi trường bảo quản và cách sử dụng.
Các đặc trưng, tính toán cơ bả n c ủ a vít me – đai ố c bi
Vít me – đai ốc bi là bộ phận truyền động chính xác, được sản xuất theo tiêu chuẩn hóa cao Mặc dù có nhiều loại vít me – đai ốc bi với ký hiệu và nguồn gốc khác nhau, chúng vẫn giữ những thông số hình học và đặc trưng cơ bản tương tự nhau Một số đặc trưng quan trọng của bộ truyền này bao gồm độ chính xác cao và khả năng chịu tải tốt.
- Truyền động chính xác cao;
- Hiệu suất bộ truyền cao (>90%), mất mát do ma sát thấp;
- Lực ma sát phụ thuộc rất ít vào vận tốc;
Có thể điều chỉnh khe hở giữa vít me và đai ốc bi khi đảo chiều Vít me và đai ốc bi theo tiêu chuẩn sử dụng các phương pháp tính tương đối giống nhau Dưới đây là một số phương pháp tính cơ bản cho vít me và đai ốc bi.
1.4.1 Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [19] Độ cứng vững dọc trục cụm vít me - đai ốc bi được tính toán xác định theo từng chủng loại, kích thước, vật liệu Nhìn chung có thể xác định dựa trên công thức quy định như sau:
RS: Độ cứng vững của trục vít me - đai ốc bi đoạn chịu tải;
Rnu,ar: Độ cứng vững của đai ốc bi
Cácgiá trị RS; Rnu,ar phụ thuộc vào đặc điểm bộ truyền và được nêu trong [27]
1.4.2 Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa C oa [22]
C oa = k 0 z l i sinα D w 2 cosφ (N) (1.2) Trong đó:
𝑧𝑧 𝑙𝑙 : Số bi chịu tải trên một vòngz l = � cos D pw φ.D π w−z u �; i: Số vòng bi chịu tải;
𝐷𝐷 𝑝𝑝𝑤𝑤 : Đường kính vòng tròn tạo bởi tâm các viên bi (mm); ϕ: Góc rãnh bi (độ, 0 );
𝑧𝑧 𝑢𝑢 : Số bi không chịu tải; k 0 = 27,74
2 −cos α Dw 2 ; ρ 11 ;ρ 12 ;ρ 21 ;ρ 22 : bán kính cong đối ứng (mm -1 )
1.4.3 T ải động dọc trục danh nghĩa C a [22]
𝐶𝐶𝑖𝑖: Tải động cho một vòng bi chịu tải,Ci = Cs.�1 +� C C s n� 10/3 � −0,3 (N);
Cs: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên trục (N);
Cn: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên đai ốc (N);
CS = fC (cos α) 0,86 zl 2/3 DW 1,8 tan α (cos ϕ) 1.3 ; f c : hệ số về hình học, f c = 9,32 f 1 f 2 � 1− 1 1
1.4.4 Tải dọc trục sửa đổi [22]
Tải tĩnh sửa đổi C0am
C0am = C0a fh0 fac (1.4) Trong đó: f h0 : hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải tĩnh,f h0 = �Độ cứng thực tế
654 � 3 ≤ 1; fac: hệ số phụ thuộc cấp chính xác
Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác
Cấp chính xác 0,1,3 và 5 7 10 fac 1 0,9 0,7
Tải động sửa đổi Cam
Cam = Ca fh fac fm (1.5) Trong đó: f h : hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải động,f h = �Độ cứng thực tế
654 � 2 ≤ 1; fm: hệ số phụ thuộc vào xử lý khí khi luyện thép
Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử lý khí khi nhiệt luyện thép
Nung nóng lại bằng điện 1,44 Nung nóng trong chân không 1,71
1.4.5 Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [22]
Khi vít me – đai ốc bi làm việc một chiều:
Tuổi thọ tính theo số vòng quay:
Tuổi thọ tính theo giờ:
Fm: Tải dọc trục tương đương nm: Tốc độquay tương đương
Khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều:
Tuổi thọđược tính tương tự công thức 1.6 và 1.7 cho từng chiều (tải tương đương tính riêng cho từng chiều) và tuổi thọ tổng hợp được tính theo công thức:
L1; L2: Tuổi thọ tính cho từng chiều, lần lượt là chiều 1 và chiều 2 (ngược lại)
V ậ t li ệ u làm vit me – đai ố c bi
Vật liệu chế tạo vít me, bi, đai ốc cần có khả năng chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, với bề mặt chống mòn tốt và độ cứng đạt HRC từ 58 đến 62 Để tối ưu hóa cơ tính tổng hợp, việc nhiệt luyện chất liệu kết hợp với các phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt là rất quan trọng.
Mỗi hãng chế tạo sử dụng vật liệu và công nghệ luyện kim riêng biệt, đặc biệt cho những sản phẩm yêu cầu kỹ thuật cao và độ chính xác lớn, góp phần tạo nên thương hiệu và bản sắc riêng Độ cứng cùng một số vật liệu được sử dụng trong sản xuất vít me và đai ốc bi thường được các hãng công bố rõ ràng.
Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt
Hãng Chi tiết Vật liệu Phương pháp xử lý bề mặt Độ cứng (HRC) TBI
Vít me SCM450;S55C; CF53 Tôi cảm ứng 58 – 62 Đai ốc SCM415 Thấm Cacbon 58 – 62
Thấm Cacbon hoặc tôi cảm ứng
Thấm Cacbon hoặc tôi cảm ứng
≥58 Đai ốc SUS440C; SUS630 Thấm Cacbon ≥58
Tôi cảm ứng Quá trình hóa học
M ộ t s ố nghiên c ứ u v ề vít me – đai ố c bi trên th ế gi ớ i
Các vấn đề kỹ thuật phổ biến đã được các nhà khoa học độc lập và các nhà sản xuất vít me–đai ốc bi hàng đầu thế giới như Thomson, Kurim, NSK, SKF, Steimeyer và HIWIN nghiên cứu và công bố.
Tổng quan, trong các lĩnh vực nghiên cứu về vít me - đai ốc bi, có thể kể ra một số công trình nghiên cứu sau:
Nghiên cứu về ma sát trong bộ truyền vít me - đai ốc bi cho thấy rằng trong tiếp xúc giữa bi và rãnh bi trên trục vít me, có sự biến dạng đàn hồi Ma sát giữa các bi và rãnh bao gồm cả ma sát trượt và ma sát lăn, thể hiện kiểu tiếp xúc Hertz Khi phân tích ma sát trong bộ truyền này, các nghiên cứu mô tả nó tương tự như những chiếc lông đàn hồi trong bàn chải.
26 độ lệch của lông gây ra bởi hai mặt có chuyển động tương đối làm tăng lên lực ma sát, được thể hiện ở hình 1.21
Hình 1.21 Mô tả kiểu ma sát trong vít me - đai ốc bi [16]
Lực ma sát tạo ra từ việc “uốn – đàn hồi” của lông:
𝜎𝜎 2 : hệ số ma sát nhớt; ν: Vận tốc tương đối giữa hai bề mặt, ν = 𝑑𝑑𝑑𝑑
Bảng 1.11 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính, so sánh [55]
Hệ số ma sát Mô phỏng Ước tính So sánh%
Hệ sốma sát tĩnh (fs)
Vận tốc bôi trơn giới hạn (δ)
Nghiên cứu về vận tốc của bộ truyền vít me - đai ốc bi cho thấy rằng yếu tố vận tốc có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ mòn Cụ thể, với tải đặt trước 1470 N và tải dọc trục 588 N, khi chạy với vận tốc 31,4 rad/s (tương đương 300 vòng/phút) trong 2.000 hành trình, lượng mòn dọc trục đạt khoảng 10^-9 m Mức độ mòn tăng lên khi tốc độ quay tăng, với lượng mòn tương ứng tăng theo tỷ lệ với số lần hành trình Đồng thời, tải đặt trước giảm dần theo số hành trình và tốc độ quay.
Khi trục vít có chiều cao tăng lên, tốc độ giảm của tải đặt trước cũng sẽ tăng theo Hình 1.22 minh họa mối quan hệ giữa lượng mòn, tải, tốc độ và số hành trình.
Nghiên cứu mối quan hệ giữa vận tốc và tải đặt trước cho thấy sự liên quan chặt chẽ giữa hai yếu tố này Khi tốc độ quay của trục vít thay đổi, tải đặt trước tác dụng lên bộ truyền cũng sẽ thay đổi, cụ thể là tải đặt trước tăng khoảng 0,5 N/(vòng/phút) khi tốc độ quay tăng, và giảm tương ứng khi tốc độ quay giảm Hình 1.23 minh họa rõ mối quan hệ giữa tốc độ và tải đặt trước.
Tốc độ quay của trục vít ảnh hưởng đến việc tăng hoặc giảm tải đặt trước Nghiên cứu về biến dạng đàn hồi trong vít me - đai ốc bi cho thấy sai lệch bộ truyền, cụ thể là sai lệch vị trí đai ốc, phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc và kích thước bộ truyền Sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi có mối quan hệ tương đối tuyến tính với tải và vận tốc.
T ải đặt trước ban đầ u: 1470(N)
Lư ợng tă ng tả ∆ F pr (N )
T ốc độ quay tr ụ c vít (vòng/phút)
Hệ thống bao gồm vòng bi chặn, trục vít me, đai ốc và bi được mô hình hóa dưới dạng hệ nối tiếp Độ cứng của toàn bộ hệ thống phụ thuộc vào hệ số độ cứng của từng phần tử, tương tự như cấu trúc của các lò xo nối tiếp.
KΣ: Độ cứng của cơ hệ;
Ki: Độ cứng khâu thứ i của cơ hệ
Hình 1.24thể hiện việc mô hình hóa vít me - đai ốc bi
Hình 1.24 Mô hình hóa hệ Bi chặn - vít me – đai ốc và bi [22]
1: Động cơ; 2: Khớp nối; 3: Ổ bi chặn;
4: Thước quang đo góc 5: Trục vít me 6: Thước quang đo thẳng
7: Bàn máy 8: Đai ốc bi 9: Ổbi đỡ
Khi tải thay đổi, biến dạng của từng phần tử khác nhau nhưng vẫn có mối quan hệ tuyến tính với tải Do đó, biến dạng tổng sẽ là tổng của các biến dạng tuyến tính, giữ nguyên tính tuyến tính với tải Các điểm đầu và điểm cuối của đai ốc trên hành trình là những điểm có lực tác động bằng nhau.
Điểm 0 là giao điểm của hai quá trình giảm lực và tăng lực, đồng thời thay đổi chiều chuyển động Do đó, sai lệch vị trí đai ốc tại hai điểm này bằng 0.
Góc tiếp xúc ảnh hưởng đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền; khi góc tiếp xúc tăng, tải nén tác dụng vào bi giảm, dẫn đến giảm biến dạng đàn hồi và tăng cứng cho bi.
Nghiên cứu về rung động trong bộ truyền cho thấy nguyên nhân gây rung động là do sự thay đổi đột ngột của lực tác dụng lên bi khi bi chuyển tiếp giữa rãnh bi trên trục ren vít và trong ống hồi bi.
Hình 1.25 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi[32]
Đối với một giá trị tốc độ quay và đường kính trục vít me nhất định, tần số lực tác động vào bộ truyền có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi đường kính bi Tuy nhiên, tần số lực này không phải là tần số cộng hưởng của bộ truyền, do một phần của nó gây ra sự sai lệch trong hệ thống Mối quan hệ này được minh họa trong hình 1.26.
Nghiên cứu về biến đổi nhiệt trong bộ truyền vít me - đai ốc bi cho thấy sự gia tăng nhiệt độ và tốc độ thay đổi nhiệt ở các giai đoạn hoạt động của bộ truyền.
T ầ n s ố bi vào t ả i t ốc độ quay (vòng/phút)
Tr ọng lượ ng bà n = 1000kg
30 hay không có chất bôi trơn, làm mát, và với các tải, chiều chịu tải, vận tốc khác nhau
Nhiệt độ trong bộ truyền vít me - đai ốc bi tăng khoảng 10 °C sau 40 phút và sau đó ổn định, với mức tăng nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào vị trí các điểm trên bộ truyền Nghiên cứu này được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS, và kết quả được thể hiện trong Hình 1.27, cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền.
Hình 1.27 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [31]
Sự thay đổi nhiệt độ có thể gây ra sai lệch lớn ở vị trí đai ốc (bàn máy) so với vị trí danh nghĩa, với sai lệch dọc trục có thể lên tới hàng trăm micromet và tăng theo chiều dài đoạn trục vít Hình 1.28 minh họa kết quả của việc tăng nhiệt độ dẫn đến sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc.
Hình 1.28 Biến đổi nhiệt độ dẫn tới sai lệch vịtrí đai ốc [30]
V ị trí trên tr ụ c vít (mm)
Sa i l ệ ch v ị trí đa i ố c Điểm 1 Điể m 2 Điể m 3 Điể m 4 Điểm 1 Điể m 2 Điể m 3 Điểm 4
Không làm mát Đo đượ c
M ật độ nướ c (ph ầ n tri ệ u)
M ộ t s ố nghiên c ứ u t ạ i Vi ệ t Nam
Máy công cụ CNC đã được giới thiệu tại Việt Nam từ những năm 90, tuy nhiên, nghiên cứu về cụm vít me - đai ốc bi vẫn còn hạn chế và chưa phát triển mạnh mẽ trong phạm vi hẹp.
Năm 2006, một nhóm tác giả trong nước đã nghiên cứu về tính toán ứng suất và tuổi thọ trong truyền động vít me-bi, đưa ra công thức tính tải trọng, ứng suất và chu kỳ chịu tải trên bề mặt con lăn Năm 2007, nhóm này tiếp tục nghiên cứu về cơ sở tính toán và chế tạo truyền động vít me ma sát lăn, và từ đó, họ phát triển phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vít me-bi Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên ma sát lăn trong bộ truyền vít me - đai ốc bi, điều này chưa phản ánh đầy đủ theo nhiều nghiên cứu khoa học quốc tế Nội dung chính của các nghiên cứu là các công thức tính toán kích thước và lựa chọn bộ truyền.
Nghiên cứu về ảnh hưởng của mòn do các yếu tố nhiệt ẩm tại Việt Nam cho thấy, mòn đường dẫn hướng ma sát lăn chịu tác động mạnh từ khí hậu nhiệt đới ẩm Thực nghiệm với ba mức tải (2kgf, 4kgf, 6kgf) và ba mức nhiệt độ (5°C, 30°C, 45°C) cùng ba mức độ ẩm (RH51%, RH75%, RH99%) đã chỉ ra rằng, tốc độ mòn có thể tăng lên đến 200%, dẫn đến tuổi thọ giảm đến 50%.
Qua nghiên cứu tổng quan về vít me – đai ốc bi: Vai trò, kết cấu, đặc trưng của vít me – đai ốc bi cho thấy:
Bộ truyền vít me – đai ốc bi là một chi tiết truyền động quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí và nhiều ngành công nghiệp khác Trong máy CNC, độ chính xác của bộ truyền này ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước sản phẩm, do đó, việc đảm bảo độ chính xác của nó là rất cần thiết.
Vít me và đai ốc bi có nhiều ưu điểm nổi bật, không chỉ được sử dụng trong ngành cơ khí mà còn xuất hiện trong nhiều loại máy móc thiết bị yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất truyền động lớn.
Nhiều nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam đã chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác truyền động và tuổi thọ của bộ truyền vít me - đai ốc bi, bao gồm tải, tốc độ, rung động, ma sát và mòn Tuy nhiên, vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào về việc xây dựng một hệ thống cơ điện tử để xác định độ mòn của vít me - đai ốc bi.
CƠ SỞ LÝ THUY Ế T TÍNH TOÁN VÀ NGUYÊN LÝ H Ệ TH Ố NG ĐO MÒN VÍT ME – ĐAI Ố C BI
T ổ ng quan v ề mòn v ậ t li ệ u
2.1.1 Khái niệm về mòn và mòn ma sát
Mài mòn là quá trình thay đổi kích thước của các chi tiết có chuyển động tương đối, trong đó mòn ma sát xảy ra do tác động của vết xước hoặc sự bám dính của các phần tử cứng hơn Đại lượng quan trọng để đánh giá mòn theo thời gian hoặc quãng đường ma sát là lượng mòn U, phản ánh giá trị mòn của cặp ma sát trong một khoảng thời gian nhất định Lượng mòn U có thể được xác định qua chiều cao lớp mòn trên bề mặt hoặc khối lượng mất đi trong quá trình làm việc Mòn được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt, với sự phụ thuộc theo thời gian được thể hiện qua đồ thị.
Giai đoạn mòn chạy rà là một quá trình cơ lý hóa phức tạp, thể hiện qua sự thay đổi hình dáng ở mức vi mô hoặc siêu vi mô Trong giai đoạn này, tốc độ mòn giảm dần do tiếp xúc thực ban đầu nhỏ và áp suất lớn gây ra biến dạng dẻo Các nhấp nho bị phá hủy và nén ép, tạo thành các bề mặt thứ cấp có tiếp xúc thực lớn hơn Khi áp suất riêng trung bình đạt mức cho phép, tốc độ mòn sẽ giảm đến giá trị ổn định theo thời gian, đánh dấu sự chuyển tiếp sang giai đoạn ổn định của quá trình mòn.
Giai đoạn mòn ổn định là giai đoạn mà lượng mòn diễn ra một cách tuyến tính theo thời gian hoặc quãng đường ma sát Việc xác định lượng mòn giới hạn cho phép dự đoán chính xác tuổi thọ của cặp ma sát.
Giai đoạn mòn khốc liệt xảy ra khi lượng mòn U đạt đến giá trị giới hạn, dẫn đến sự thay đổi rõ rệt trong chế độ lắp ghép Sự thay đổi này làm tăng sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc, gây ra va đập giữa các bề mặt ma sát Hệ quả là trạng thái hình học tế vi xấu đi, nhấp nhô tăng lên và tốc độ mòn gia tăng mạnh mẽ.
Trong giai đoạn mòn ổn định, quy luật mòn diễn ra theo dạng tuyến tính Để xác định quy luật mòn trong giai đoạn này, cần ít nhất hai giá trị lượng mòn tại các thời điểm khác nhau, từ đó có thể tính toán tốc độ mòn trong giai đoạn bình thường.
2.1.2 Ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản đến mòn
2.1.2.1 Ảnh hưởng của tải và vận tốc đến mòn a) Sự phụ thuộc của cường độ mòn vào tải (áp lực) [4] Đối với bề mặt không được chạy rà, tải trọng riêng ảnh hưởng phi tuyến đến cường độ mòn: I ≈ P(1,4…3), đặc biệt là với những bề mặt có diện tích tiếp xúc nhỏ Đối với bề mặt đã được chạy rà, độ sóng bề mặt làm việc giảm phi tuyến, cường độ mòn tỷ lệ với tải trọng riêng Trong trường hợp tổng quát, : I ≈ P(1…3) là phù hợp với thực nghiệm. b) Sự phụ thuộccủa cường đọ mòn vào vận tốc [4]
Cường độ và tính chất của quá trình mòn chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc, với mối quan hệ cơ bản I ≈ f(v) liên quan đến các thông số cơ học Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa cường độ mòn I và vận tốc v cho thấy ba giai đoạn điển hình trong trường hợp tổng quát.
Giai đoạn I: Giai đoạn mòn ổn định cùng với mòn oxy hóa trong chế độ ma sát bình thường V th '≤ V≤ V th ''
Giai đoạn II: Mòn không bình thường với tróc loại 1, 0 ≤V≤V th ''
Giai đoạn III: Mòn không bình thường do tróc loại 2 và sự quá tải nhiệt trong vùng tiếp xúc V≥V th ''
Hình 2.2 Đồthịnguyên tắc sựphụthuộc của mòn vào vận tốc [4]
Tùy thuộc vào điều kiện ma sát, vận tốc giới hạn có thể thay đổi, ảnh hưởng đến miền ổn định và cường độ mòn Hai yếu tố chính quyết định sự biến đổi của quá trình ma sát và mòn là áp lực và vận tốc, chúng ảnh hưởng đến mức độ biến dạng dẻo và đàn hồi của nhiệt độ trong vùng ma sát, cũng như mức độ hoạt hóa kim loại Những yếu tố này quyết định quá trình phá hủy hay mòn chiếm ưu thế.
Chấp nhận lý thuyết mỏi cho các dạng mòn khác nhau, cường độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp suất p trong vùng tiếp xúc
Tốc độ mòn theo thời gian ( γ =𝑢𝑢 𝑡𝑡�) và cường độ mòn tuyến tính (I) có mối quan hệ: γ= v.I (2.2) Tổng quát, tốc độ mòn được xác định theohàm số mũ [6]: γ= k p m V n (2.3)
2.1.2.2 Ảnh hưởng của rung động [4]
Khi tải trọng động tác động lên các bề mặt tiếp xúc của chi tiết lắp ghép, nó dẫn đến sự biến dạng của vật liệu và hình thành dòng điện cảm ứng trong lớp biến dạng Sự thay đổi từ thông này tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung lắp ghép Tính chất của lớp oxit và chất bôi trơn cũng ảnh hưởng đến quá trình này.
Điện trở và vùng tiếp xúc ảnh hưởng đến sự hoạt hóa bề mặt và phát triển mòn oxy hóa, dẫn đến việc giảm tuổi thọ của mối ghép Sự xâm thực và các quá trình điện hóa là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng điện động lực học của mòn Để nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy, cần chú ý đến tải trọng động có tần số cao và biên độ nhỏ, đặc biệt khi thành phần cố định của tải trọng bị hạn chế.
- Giảm tải trọng động ở phần tần số cao (20Hz) và tạo ứng suất tiếp xúc cố định (350-400MPa)
-Tạo ra ứng suất dư nến ở bề mặt biến dạng.
-Làm đều áp suất và giảm điện trở trên cơ sở dịch chuyển chọn lọc khi ma sát
-Sử dụng chất bôi trơn dẫn điện.
-Sử dụng các chất bảo vệ (bù cho sự phân cực anot trong vùng tiếp xúc) từ những vật liệu hoạt động hơn trong dãy.
2.1.2.3 Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn [4]
Vật liệu bôi trơn cần được lựa chọn kỹ lưỡng để giảm ma sát và bảo vệ bề mặt kim loại, phù hợp với tải trọng và tốc độ chuyển động giữa các thành phần như trục vít, bi và đai ốc Sử dụng đúng loại vật liệu bôi trơn không chỉ giúp giảm hệ số ma sát mà còn bảo vệ bề mặt, đồng thời giảm thiểu năng lượng sinh ra do tăng nhiệt độ trong hệ thống vít me – đai ốc bi.
Khi tốc độ chuyển động cao và tải trọng nhỏ, nên lựa chọn dầu có độ nhớt thấp Ngược lại, nếu tốc độ chuyển động thấp nhưng tải trọng lớn, cần chọn dầu có độ nhớt cao hơn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dầu có độ nhớt từ 32 đến 68 cSt tại 40 độ C (ISO VG 32 – 68) thường được sử dụng cho bộ truyền vít me – đai ốc bi với tốc độ cao, trong khi dầu có độ nhớt 90 cSt (ISO VG 90) phù hợp cho các bộ truyền với tốc độ thấp.
2.1.2.4 Ảnh hưởng của môi trường [4]
Các yếu tố của môi trường tác động đến mòn gồm có: Nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi nhiệt độ, độ ẩm.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong quá trình ma sát, nhiệt độ bề mặt tăng lên, làm mềm vật liệu và tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán kim loại Sự khuếch tán này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của bề mặt ma sát.
38 kim loại tăng lên khi đó là ma sát giữa kim loại dẻo thuần khiết và tăng lên nhiều khi độ biến dạng vật liệu lớn.
Khi nhiệt độ giảm, vật liệu co lại, đặc biệt là lớp bên ngoài, dẫn đến sự giảm kích thước chi tiết Sự co kéo không đều do hình dáng, kích thước và vật liệu của chi tiết máy có thể gây ra hiện tượng kẹt hoặc tải va đập, làm giảm khoảng trống giữa các bề mặt ma sát Những hiện tượng này làm gia tăng biến dạng bề mặt và giảm chất lượng bề mặt, tạo điều kiện cho việc cào xước trong quá trình chuyển động và gây mòn.
Cơ sở lý thuy ết tính toán lượ ng mòn c ủ a vít me – đai ố c bi [5]
Đai ốc bi và ổ đỡ chặn của nó có thể được mô hình hóa để tính toán và xác định vị trí đai ốc Mô hình này tương tự như hệ đàn hồi bao gồm ba chi tiết, được mô tả như ba lò xo mắc nối tiếp: ổ chặn, trục vít và đai ốc.
Khi trục vít me đứng yên ở một góc quay nhất định, việc đặt tải dọc trục lên đai ốc sẽ tạo ra vị trí của đai ốc, được xác định bởi sự tổng hợp của ba chi tiết: ổ chặn, trục vít và đai ốc Vị trí này bao gồm kích thước ban đầu và lượng biến dạng đàn hồi.
Xét một chi tiết chịu biến dạng đàn hồi và mòn, ảnh hưởng của mòn đến sai lệch vị trí khi chịu tải được phân tích Mô hình hóa chi tiết chịu tải và biến dạng đàn hồi dưới dạng hai chi tiết ghép nối tiếp như hệ hai lò xo nối tiếp, trong đó một lò xo có chiều dài ban đầu bằng lượng mòn (L02) Hệ lực F cân bằng được áp dụng trong các trường hợp chịu tải Hình 2.3 minh họa hệ hai lò xo trong các trạng thái chưa chịu tải, khi chịu tải, và khi từng lò xo chịu tải.
Khi chưa mòn, chưa chịu tải
Khi chưa mòn, chịu tải
Hình 2.3.Hệ hai lò xo chịu tải [5]
F-F: hệ lực cân bằng; ∆: biến dạng đàn hồi khi chưa mòn
L01: kích thước còn lại sau mòn; L02:lượng mòn
∆1: biến dạng đàn hồi của L01; ∆2:biến dạng đàn hồi của L02
Khi chi tiết chưa mòn, lượng biến dạng của hệ (∆t) khi chịu tải:
Khi chi tiết mòn đi lượng L02, lượng biến dạng của hệ (∆s) khi chịu tải:
Sai lệch chiều dài tổng của hệtrước và sau mòn lượng L02:
∆s - ∆t = L02 + ∆1 - ∆ = L02 - ∆2 (2.6) Lượng biến dạng đàn hồi của vật rắn là vô cùng nhỏ so với kích thước ban đầu của nó (∆2 Hệ thống đo cần tích hợp 2 thiết bịđo thẳng và đo góc quay trên cùng một hệ thống
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo.
- Thiết bị đo cần tích hợp được 2 phép đo quay và đo thẳng trên cùng 1 hệ thống máy thí nghiệm, mô phỏng được điều kiện vận hành thực tế.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm đượcthể hiện như hình dưới đây:
Trong chương này, luận văn nghiên cứu lý thuyết về mòn vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mòn Ngoài ra, chương cũng trình bày cơ sở lý thuyết tính toán lượng mòn của vít me và đai ốc bi, đồng thời phân tích các yêu cầu cần thiết đối với thiết bị đo lường.
Căn cứ kết quả nghiên cứu tại chương 2:
Sai số truyền động của trục vít me và đai ốc bi phụ thuộc vào mức độ mòn, đặc biệt là lượng mòn dọc trục Để đảm bảo ổn định về vận tốc và tải tác dụng, việc kiểm soát mòn là rất quan trọng.
- Từ đó, có thểlàm cơ sở tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm đo độ mòn dọc trục của vít me – đai ốc bi