Luận án tập trung nghiên cứu về độ tin cậy và tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn sử dụng trong máy công cụ CNC trên cơ sở mòn với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam. Nhiều công trình trên thế giới đã khẳng định ảnh hưởng rõ ràng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ môi trường tới cơ chế mòn của cặp ma sát. Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hai thông số cơ bản nhiệt độ và độ ẩm tương đối trong vùng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam tới lượng mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm. Thông qua việc nghiên cứu mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn, xác định tuổi thọ dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn phụ thuộc vào biến động của độ ẩm tương đối và nhiệt độ so với giá trị trung bình của điều kiện khí hậu Việt Nam.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN THỊ NGỌC HUYỀN
HƯỚNG MA SÁT LĂN MÁY CÔNG CỤ CNC TRÊN CƠ SỞ
MÒN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật máy công cụ
Trang 2L ỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết
quả trong luận án là trung thực Những kết quả của luận án chưa từng được ai công bố
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Tác giả luận án
Nguy ễn Thị Ngọc Huyền
Trang 3L ỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến cố VS.GS.TSKH Nguyễn Anh
Tu ấn đã định hướng cho em đề tài của luận án!
Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS Phạm Văn Hùng, PGS Nguy ễn Doãn Ý!
Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Máy và Ma sát
học, bạn bè, người thân đã giúp đỡ, ủng hộ, tạo điều kiện trong thời gian nghiên
cứu và hoàn thành luận án!
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Tác giả luận án
Nguy ễn Thị Ngọc Huyền
Trang 5DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
aISONA Hệ số sửa đổi danh định trong điều kiện nhiệt ẩm,
không chất bôi trơn, tải nhỏ
aISO Hệ số sửa đổi danh định
N mm
N mm
Trang 6cậy
lt Chiều dài bề mặt lăn tính toán các tải trọng danh
ls Chiều dài hành trình của đường dẫn hướng ma sát
P(T≥t) Xác suất làm việc không hỏng của chi tiết trong khoảng thời gian 0 ÷ t
P(U(t)≤ [U]) Xác suất để lượng mòn tại thời điểm t không lớn hơn lượng mòn cho phép
r i Tần suất của khoảng chia thứ i
i
Trang 7U ' Tốc độ mòn µm/h
Trang 8DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU
1 1.1 Nhiệt độ trung bình (NĐTB) và chuẩn sai (CS) tại một số
trạm (0
Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 2kgf
87
Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 4kgf
87
Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 6kgf
88
10 4.2 Hệ số nhiễm bẩn, ec, Dpw – Đường kính chia của các dãy
17 4.9 Hệ số tuổi thọ sửa đổi danh định aISONA trong điều kiện
Trang 9DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ
1 1.1 Đường dẫn hướng ma sát trượt trong máy tiện
5 1.5 Đường dẫn hướng ma sát lăn dùng trong các
trung tâm gia công
9 1.9 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín,
10 1.10 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín,
11 1.11 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín,
12 1.12 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín,
17 1.17 Xác suất vượt chuẩn (a) và chuẩn sai (b) của
18 1.18 Xác suất vượt chuẩn (a) và chuẩn sai (b) của độ
Trang 1019 1.19 Bức tranh vẽ về người lao động Ai cập cổ đại 29
20 2.2 Sơ đồ phần tử lăn trên rãnh trượt (a) và trên mặt
32 2.14 Các vết nứt trên bề mặt lăn khi tăng số chu kỳ
33 2.15 Sơ đồ các thông số theo phương pháp tuyến (a),
34 2.16 Các giá trị KI (Đường cong liền), KII (Đường
35 2.17 Quy luật thay đổi quá trình phá hủy trên bề mặt ổ
lăn khi thay đổi áp suất và ứng suất tiếp liên quan 52
36 2.18 Quy luật thay đổi quá trình phá hủy trên bề mặt ổ
lăn khi thay đổi tốc độ dịch chuyển và nhiệt độ trong vùng tiếp xúc do nó gây ra
Trang 1139 2.21 Quan hệ giữa hàm f(t) và R(t) đối với phân phối
48 3.6 Hình dáng và kết cấu cơ bản của đường dẫn
49 3.7 Kích thước cơ bản của mẫu đường hướng thí
50 3.8 Buồng làm việc của máy nhiệt ẩm khi đặt thiết bị
Trang 1260 4.1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO 96
Trang 13M ỤC LỤC
TRANG
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các kí hiệu chính
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Mục lục
MỞ ĐẦU 1
1 Lý do chọn đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu của luận án 3
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4
5 Phương pháp nghiên cứu 5
6 Nội dung luận án 6
7 Kết quả nghiên cứu 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MÁY CÔNG CỤ 8
1.1 Tổng quan về đường dẫn hướng trong máy công cụ 8
1.1.1 Đường dẫn hướng ma sát trượt 9
1.1.2 Đường dẫn hướng ma sát lăn .10
1.1.2.1 Phân loại đường dẫn hướng ma sát lăn ……….11
1.1.2.2 Kết cấu mặt cắt ngang đường dẫn hướng ma sát lăn 15
1.1.2.3 Vật liệu làm đường dẫn hướng ma sát lăn 17
1.1.2.4 Kiểm nghiệm độ bền và độ cứng vững của thanh trượt (sống lăn)
đường dẫn hướng ma sát lăn 18
1.2 Một số đặc điểm khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam 20
1.2.1 Khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam 20
1.2.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến ma sát, mòn của cặp ma sát 24
1.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ .24
1.2.2.2 Ảnh hưởng của độ ẩm 25
Trang 141.3 Tình hình nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn trên
thế giới 26
1.4 Tình hình nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn máy công cụ CNC ở Việt Nam 31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 33
CHƯƠNG 2: TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN TRÊN CƠ SỞ MÒN 34
2.1 Ma sát đường dẫn hướng ma sát lăn 34
2.1.1 Ma sát lăn 34
2.1.2 Hệ số ma sát lăn kL 36
2.1.3 Vòng tròn ma sát lăn 38
2.1.4 Ma sát trong đường dẫn hướng ma sát lăn 39
2.2 Mòn của cặp ma sát lăn tịnh tiến đảo chiều 41
2.2.1.Quy luật mòn của vật liệu 41
2.2.2.Các dạng mòn 44
2.2.2.1 Cơ chế mòn do mỏi 44
2.2.2.2 Đường cong mỏi 45
2.2.3 Hư hỏng do mỏi 46
2.2.4.Quy luật mòn và hư hỏng do ma sát lăn 51
2.3 Độ tin cậy đường dẫn hướng ma sát lăn 53
2.3.1 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy 54
2.3.1.1 Xác suất làm việc không hỏng 54
2.3.1.2 Xác suất hỏng 55
2.3.1.3 Cường độ hỏng 55
2.3.1.4 Thời gian làm việc trung bình đến khi hỏng 55
2.3.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy của chi tiết phục hồi 57
2.3.2.1 Dòng hỏng và các đặc trưng xác suất của dòng hỏng 57
2.3.2.2 Thời gian phục hồi trung bình 58
2.3.2.3 Hệ số sẵn sàng 58
2.3.2.4 Hệ số sử dụng kỹ thuật 58
2.3.2.5.Dự trữ 59
2.3.2.6 Tuổi thọ gamma phần trăm 59
2.3.3 Hàm phân phối trong tính toán độ tin cậy chi tiết lăn 59
2.3.3.1 Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối chuẩn Gauss 60
2.3.3.2.Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối Logarit chuẩn 60
2.3.3.3 Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối chuẩn Weibull (3 tham số)……… 61
Trang 152.4 Tính toán độ tin cậy trên cơ sở mòn 62
2.4.1 Quan điểm xác suất về quá trình mòn 62
2.4.2 Xác định các chỉ tiêu độ tin cậy theo thời gian hỏng do mòn 63
2.4.3 Xác định chỉ tiêu độ tin cậy theo các thể hiện mòn 64
2.4.4 Quan hệ giữa độ tin cậy và tốc độ mòn 65
2.5 Bài toán xác định tuổi thọ 65
2.6 Phương pháp tính tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn 67
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .72
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM MÒN ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ẨM 73
3.1.Mục đích thực nghiệm 73
3.2.Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm mòn 74
3.2.1.Yêu cầu của hệ thống thiết bị 74
3.2.2 Mẫu thí nghiệm đường dẫn hướng ma sát lăn 76
3.3.Thiết bị tạo môi trường nhiệt ẩm BKM – NA2 79
3.3.1 Thông số kỹ thuật của tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 79
3.3.2.Các chế độ điều khiển thiết bị nhiệt ẩm 80
3.3.3 Nguyên lý hoạt động của tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 80
3.4.Thí nghiệm đo mòn đường dẫn hướng ma sát lăn 81
3.4.1.Phương pháp đo mòn 81
3.4.2 Phương pháp đo mòn đường dẫn hướng ma sát lăn 83
3.4.3.Xác định bộ thông số thí nghiệm cơ bản 85
3.4.4.Trình tự thí nghiệm 85
3.4.5 Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu 86
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .92
CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN MÁY CÔNG CỤ CNC TRÊN CƠ SỞ MÒN 93
4.1.Tuổi thọ sửa đổi danh định 93
4.1.1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy, a1 94
4.1.2.Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISOtrên cơ sở tính toán tuổi thọ theo mỏi 95
4.1.3 Hệ số nhiễm bẩn ec và tỷ số độ nhớt κ 98
4.2.Tính toán tuổi thọ sửa đổi danh định đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện nhiệt ẩm 101
4.2.1.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 2kgf 103
4.2.2.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 4kgf 105
4.2.3.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 6kgf 107
Trang 164.3 Xác định hệ số aISONA của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện nhiệt
ẩm 109
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 116
Trang 17cầu của các ngành công nghiệp trên cơ sở nghiên cứu thiết kế, chế tạo các mẫu máy
hiện đại (ứng dụng PLC, CNC) và các thiết bị gia công đặc biệt cùng với việc đẩy mạnh chương trình hiện đại hóa theo hướng điện tử - tin học hóa các máy công cụ
hiện có trong các cơ sở công nghiệp
Máy công cụ có vai trò quyết định đến chất lượng và năng suất gia công chi
tiết máy Để đảm bảo độ chính xác hình học của chi tiết gia công như độ vuông góc,
độ song song, độ côn đòi hỏi các máy công cụ phải có đường dẫn hướng Chức năng cơ bản của đường dẫn hướng là đỡ, xác định vị trí và di chuyển chính xác Ở
Việt Nam hiện nay, chủng loại máy công cụ vạn năng rất phong phú, đa dạng có nguồn gốc nhập khẩu từ Liên Xô cũ và các nước Đông Âu, còn các máy công cụ
hiện đại điều khiển số CNC được nhập khẩu từ nhiều nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Đài Loan và một phần của khối G8 Đường dẫn hướng của máy công cụ CNC
có khả năng chịu tải lớn, dịch chuyển nhỏ, độ chính xác cao, gia tốc cao
Máy công cụ CNC hiện nay được phát triển và ứng dụng rộng rãi, phổ biến ở các nước trên thế giới và Việt Nam Từ những ứng dụng gia công đơn giản như dịch chuyển từ điểm đến điểm của máy khoan đến những quỹ đạo phức tạp của máy công cụ CNC điều khiển 2 trục - Máy tiện CNC, điều khiển 3 trục - Máy phay CNC cho đến nhiệm vụ gia công tự động nhiều trục có độ phức tạp cao như các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tubin và những chi tiết phức tạp của máy bay, tàu thủy trên các trung tâm gia công CNC
Ưu điểm của máy công cụ CNC là có tính kinh tế cao (tốc độ gia công cao, thời gian gia công và thời gian phụ giảm), độ chính xác gia công cao, chất lượng ổn định, thời gian vận hành máy cao, tính linh hoạt trong sản xuất và khả năng tự động hóa cao đáp ứng được chế độ cắt bất kỳ nhờ hệ thống điều phối secvo hiện đại Để
dịch chuyển vị trí cỡ µm, trên máy công cụ CNC phần lớn sử dụng đường dẫn hướng ma sát lăn So với đường dẫn hướng ma sát trượt, đường dẫn hướng ma sát lăn có khả năng thực hiện được dịch chuyển nhỏ, khả năng tăng tốc và giảm tốc cao Tuy nhiên đường dẫn hướng ma sát lăn có những hạn chế nhất định về tính chống rung và khả năng chống quá tải Mặt khác đường dẫn hướng ma sát lăn do
Trang 18đặc điểm cấu tạo và vị trí gá lắp dễ chịu ảnh hưởng của điều kiện làm việc thực tế như bụi bẩn, bôi trơn hạn chế v.v…làm suy giảm nhanh chóng khả năng làm việc
Do có các tính năng ưu việt nên đường dẫn hướng ma sát lăn được sử dụng phổ biến trong các thiết bị tự động cơ điện tử, các bộ phận cơ khí của thiết bị công nghiệp và các sản phẩm cơ khí có chuyển động và đặc biệt trong máy công cụ CNC Đường dẫn hướng ma sát lăn bên cạnh đặc trưng là ma sát nhỏ, êm, chuyển động chính xác, độ nhạy cao, trong các điều kiện tải khác nhau còn yêu cầu phải khử khe
hở và tạo ra độ dôi ban đầu Việc tính toán, lựa chọn chủng loại, kết cấu, chuẩn bị
bề mặt, lắp ráp, tạo độ dôi và bảo trì đường dẫn hướng ma sát lăn cũng như điều
kiện làm việc không đúng có thể dẫn đến độ chính xác của đường dẫn hướng ma sát lăn giảm và tuổi thọ - độ tin cậy của máy công cụ CNC không đạt
Trong những năm gần đây tuổi thọ, độ tin cậy của máy móc thiết bị ngày càng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, xác định và sử dụng để đánh giá chất lượng
của máy Phân tích nguyên nhân hỏng hóc, sự cố của các máy và hệ thống máy đã
chỉ ra rằng 85% trường hợp xảy ra là do nguyên nhân mòn các mối ghép làm việc của cặp ma sát Đường dẫn hướng ma sát lăn là cụm chi tiết ma sát đã được tiêu chuẩn hóa và mô đun hóa theo ISO Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất đường dẫn hướng ma sát lăn với nhiều chủng loại, kết cấu đa dạng đáp ứng các yêu cầu khắt khe về chuyển động, độ chính xác và điều kiện làm việc khác biệt Đường dẫn
hướng ma sát lăn cũng như ổ bi các loại đều được sản xuất hàng loạt nên thiết kế, tính toán và kiểm tra đều dựa trên cơ sở tuổi thọ cơ bản danh định Tuổi thọ cơ bản danh định gắn liền với độ tin cậy 90%, với vật liệu chất lượng cao thông dụng, chất lượng chế tạo tốt và điều kiện làm việc theo qui ước Tuổi thọ thực tế có thể ngắn hơn tuổi thọ danh định trong điều kiện làm việc không thuận lợi như môi trường nhiễm bẩn, khi lắp rắp không sạch, bôi trơn kém không giống như quy ước
Việt Nam có điều kiện môi trường làm việc khác biệt so với các nước công nghiệp tiên tiến, nơi sản xuất và sử dụng máy CNC phổ biến Trong điều kiện khí
hậu Việt Nam với yếu tố độ ẩm tương đối cao và nhiệt độ thay đổi lớn tạo thành
phức hợp nhiệt ẩm có tác động mạnh mẽ tới cơ chế mòn của cặp ma sát, cụ thể ảnh hưởng đến cơ chế mòn của cặp ma sát lăn đường dẫn hướng máy công cụ CNC Đường dẫn hướng ma sát lăn là một trong các cụm chi tiết tiêu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và độ tin cậy của máy công cụ CNC trong điều kiện sử dụng Nghiên cứu về tuổi thọ và độ tin cậy trên cơ sở mòn đường dẫn hướng ma sát lăn là
một trong những vấn đề nghiên cứu được đặt lên hàng đầu, nó đã được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm Chính vì vậy, đề tài của luận án đã
chọn hướng nghiên cứu là “ Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của đường dẫn hướng
ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam”
Trang 192 Mục đích nghiên cứu của luận án
Luận án tập trung nghiên cứu về độ tin cậy và tuổi thọ của đường dẫn hướng
ma sát lăn sử dụng trong máy công cụ CNC trên cơ sở mòn với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam Nhiều công trình trên thế giới đã khẳng định ảnh hưởng
rõ ràng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ môi trường tới cơ chế mòn của cặp ma sát
Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hai thông số cơ bản nhiệt
độ và độ ẩm tương đối trong vùng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam tới lượng mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm Thông qua việc nghiên cứu mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn, xác định tuổi thọ
dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn phụ thuộc vào biến động của độ ẩm tương đối và nhiệt độ so với giá trị trung bình của điều kiện khí hậu Việt Nam
Đề tài cũng hướng tới mục đích là xác định tuổi thọ dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn với các độ tin cậy khác nhau trong điều kiện nhiệt ẩm Từ đó xác định được hệ số tuổi thọ sửa đổi aISONA trong điều kiện phòng thí nghiệm tương ứng
với độ tin cậy là một trong những nguyên nhân suy giảm độ chính xác của máy công cụ CNC theo thời gian làm việc
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đường dẫn hướng ma sát lăn trên thực tế có rất nhiều chủng loại, kết cấu khác nhau đáp ứng yêu cầu đa dạng của các ngành công nghiệp Đối tượng nghiên cứu
của đề tài là mòn cụm chi tiết đường dẫn hướng ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trong điều kiện phòng thí nghiệm Luận án tập trung vào nghiên cứu đường
dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ được dùng trong máy công cụ CNC cỡ nhỏ Loại đường dẫn hướng này gồm các chi tiết tiêu chuẩn như thanh dẫn hướng, má di động, các viên bi Ngoài ra còn có các chi tiết khác như máng hồi bi, hệ thống giữ chất bôi trơn và đường dẫn chất bôi trơn Đường dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ mỗi bên má dẫn hướng chỉ có một rãnh bi và một đường hồi bi
Để đảm bảo đối tượng nghiên cứu có tính phổ thông và đại chúng đề tài đã định hướng đi vào nghiên cứu một chủng loại cụ thể được tiêu chuẩn hóa, có tính thương
mại cao sử dụng khá phổ biến trong việc thiết kế và chế tạo Đối tượng nghiên cứu
cụ thể là đường dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ, có rãnh hồi bi - Sản phẩm đạt chuẩn chất lượng ISO 9001, có má di động ký hiệu EGH15CA và thanh dẫn hướng có ký
hiệu EGR15R500EC
Trang 20Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu về lượng mòn tổng cộng U của đường dẫn hướng
ma sát lăn theo phương vuông góc với mặt phẳng chuyển động trong điều kiện phòng thí nghiệm với tải trọng, nhiệt độ, độ ẩm tương đối thay đổi Nhiệt độ, độ ẩm tương đối được xác định trong phạm vi tương ứng đặc trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam với nhiệt độ trung bình ở miền Bắc là 250C, độ ẩm tương đối trung bình là 81%, có quan tâm đến khoảng dao động khá lớn của nhiệt độ và độ ẩm tương đối Nhiệt độ thấp nhất ở miền Bắc khoảng 00
C, nhiệt độ cao nhất khoảng
400C, độ ẩm tương đối thấp nhất khoảng 30%, độ ẩm tương đối cao nhất có thể lên
tới ∼ 100%
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, đề tài sử dụng đường dẫn hướng ma sát lăn không có chất bôi trơn để nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ, độ ẩm tương đối tới lượng mòn U, đảm bảo đo được lượng mòn trong khoảng thời gian ngắn nhất Tuy nhiên, vẫn phải đảm bảo cho đường dẫn hướng ma sát lăn làm việc
trong điều kiện bình thường và mòn của cặp ma sát nằm trong phạm vi tiếp xúc đàn hồi, với tuổi thọ danh định L 10 theo quy định của nhà sản xuất và tiêu chuẩn ISO
4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận án tập trung nghiên cứu về mòn đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ CNC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm ở Việt Nam Kết quả của đề tài góp phần đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến độ tin cậy
và tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn Từ đó có thể đưa ra tuổi thọ dự kiến trong điều kiện làm việc ở Việt Nam cũng như có thể xác định tuổi thọ của đường
dẫn hướng ma sát lăn tuỳ thuộc vào độ tin cậy Trên thực tế theo các yêu cầu làm việc khác nhau của máy công cụ CNC, đường dẫn hướng ma sát lăn đòi hỏi làm việc với độ tin cậy khác nhau do đó tuổi thọ dự kiến sẽ khác nhau Đây là cơ sở để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của máy công cụ CNC trong khoảng thời gian
phục vụ
Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ CNC trong phòng thí nghiệm hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu mới đây của ISO về các cặp ma sát lăn, đã khuyến cáo cần phải quan tâm đến các độ tin cậy khác nhau trong thực tế sử dụng với các đối tượng ứng dụng khác nhau Tuổi thọ hiện nay theo ISO số 281: 2007 là tuổi thọ L10tương ứng với độ tin cậy 90% Tuy nhiên trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đòi hòi phải đạt độ tin cậy là 95% hoặc độ tin cậy cao hơn như trong lĩnh vực dầu khí, an ninh quốc phòng, hàng
Trang 21không Vì vậy việc luận án xác định tuổi thọ theo độ tin cậy khác nhau với điều kiện
chịu tải tổng quát, làm việc không như qui ước của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm khi điều kiện nhiệt ẩm thay đổi là một yêu cầu
cấp thiết và có tính khoa học
Đề tài có tính thực tiễn và tính thời sự cao do phần lớn các máy công cụ CNC
hiện nay sử dụng ở Việt Nam đều có nguồn gốc nhập khẩu từ các nước và các vùng kinh tế có trình độ công nghệ, độ chính xác và chất lượng khác nhau Khi nhập khẩu
về Việt Nam, sử dụng trong điều kiện môi trường nhiệt đới ẩm gió mùa, đặc biệt có
độ ẩm tương đối cao vào những ngày mùa xuân ở Miền Bắc thì tác động của độ ẩm tương đối và phức hợp nhiệt ẩm tới máy công cụ CNC, cụ thể là đường dẫn hướng
ma sát lăn là rõ ràng Phức hợp nhiệt ẩm ảnh hưởng tới mòn và làm suy giảm độ chính xác của đường dẫn hướng ma sát lăn nhanh chóng, do đó các chi tiết gia công trên máy công cụ CNC sẽ bị giảm độ chính xác, chất lượng gia công không ổn định
Vì vậy việc nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ CNC trong điều kiện khí hậu Việt Nam với quy mô phòng thí nghiệm
sẽ tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo để có thể đánh giá độ chính xác của chi
tiết gia công trên máy công cụ CNC tại Việt Nam Theo thời gian, dựa vào số liệu
thống kê tuổi thọ thực tế của đường dẫn hướng ma sát lăn máy công cụ CNC được thu thập và trên cơ sở hệ số aISONA thực nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể tính toán tuổi thọ dự kiến theo độ tin cậy phù hợp cho những máy nhập khẩu vào Việt Nam đồng thời dự kiến được kế hoạch sửa chữa bảo dưỡng máy tối ưu
5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm
Về lý thuyết, luận án nghiên cứu lý thuyết về đường dẫn hướng ma sát lăn trong máy công cụ CNC; Phân tích cơ chế mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn và các
yếu tố ảnh hưởng của môi trường nhiệt ẩm Việt Nam Nghiên cứu độ tin cậy độ trên
cơ sở mòn từ đó áp dụng cho bài toán nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ của đường
dẫn hướng ma sát lăn - Sử dụng đại lượng xác suất làm việc không hỏng P(t)
Về thực nghiệm, luận án tiến hành thử nghiệm đo mòn tổng cộng U của đường
dẫn hướng ma sát lăn theo chiều cao lớp mòn giữa block chứa phần tử lăn và đường
dẫn hướng lăn theo hướng vuông góc với phương chuyển động trong điều kiện nhiệt
ẩm của phòng thí nghiệm làm cơ sở tính tuổi thọ và độ tin cậy
Trang 226 N ội dung luận án
Nội dung chính của luận án bao gồm:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về đường dẫn hướng máy công cụ
Phân tích tổng quan các dạng đường dẫn hướng máy công cụ, cụ thể là đường dẫn hướng ma sát lăn thông dụng Phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu đã
có của tác giả trong và ngoài nước liên quan đến độ tin cậy và tuổi thọ của đường
dẫn hướng ma sát lăn Đưa ra những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu,
giải quyết
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn và phương
pháp xác định tuổi thọ Ở chương này, luận án trình bày cơ sở lý thuyết về ma sát, mòn đường dẫn hướng ma sát lăn Trên cơ sở mòn, xác định độ tin cậy và tuổi thọ cho cặp ma sát lăn Xác định tuổi thọ cơ bản danh định của đường dẫn hướng ma sát lăn với độ tin cậy 90%
Chương 3: Thực nghiệm mòn đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện khí
hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam Với quy mô phòng thí nghiệm, luận án tập trung thiết
kế, xây dựng mô hình thử nghiệm mòn trong điều kiện thay đổi nhiệt độ, độ ẩm tương đối đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam Tổ chức thực nghiệm theo phương pháp bình phương nhỏ nhất và quy hoạch thực nghiệm trực giao, tiến hành thực nghiệm đo lượng mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn với các yếu tố ảnh hưởng tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm tương đối
C hương 4: Xác định tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn trên cơ sở xác
suất không hỏng do mòn trong điều kiện khí hậu nhiệt ẩm Việt Nam với quy mô phòng thí nghiệm Xác định tuổi thọ danh định của đường dẫn hướng ma sát lăn dựa vào quy luật mòn bình thường của cặp ma sát Trên cơ sở nghiên cứu các số liệu
thống kê về mòn, tác giả sử dụng đại lượng xác suất làm việc không hỏng P(t) để đánh giá độ tin cậy - Đặc trưng cho khả năng làm việc liên tục của thiết bị Xác định
hệ số tuổi thọ sửa đổi aISONA thực nghiệm từ đó đưa ra công thức xác định tuổi thọ sửa đổi danh định của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm khi nhiệt ẩm thay đổi
Kết luận và khuyến cáo
Tài li ệu tham khảo
Trang 237 Kết quả nghiên cứu
Luận án đưa ra số liệu và kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến tuổi thọ và độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều
kiện phòng thí nghiệm bước đầu cho thấy nó có ảnh hưởng đáng kể Luận án đưa ra phương pháp tính tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn trên cơ sở mòn, với độ tin cậy tương ứng đồng thời đưa ra phương hướng có thể bổ sung vào phương pháp tính những yếu tố ảnh hưởng khác như yếu tố bôi trơn, bụi bẩn, điều kiện làm việc khó khăn v.v…
Thông qua thực nghiệm, luận án đã xác định được giới hạn tải trọng đặt lên đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện làm việc nguy hiểm nhất Đó là bôi trơn giới hạn không đầy đủ hoặc bôi trơn kém (do đặc thù sử dụng) hoặc không bôi trơn kể cả trong điều kiện nhiệt ẩm nhưng vẫn thỏa mãn tuổi thọ danh định L10 theo tiêu chuẩn ISO
Kết quả chính của đề tài là phương trình tính tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn trong đó có vai trò ảnh hưởng của độ tin cậy và hệ số aISONA thực nghiệm trong điều kiện nhiệt ẩm không chất bôi trơn với quy mô phòng thí nghiệm Các thử nghiệm cũng đã đưa ra được các giá trị trực quan lượng mòn U trong các điều kiện
tải trọng, nhiệt độ và độ ẩm tương đối khác nhau Dựa vào kết quả nghiên cứu của
đề tài và số liệu thống kê hoạt động thực tế, tuỳ thuộc vào độ tin cậy yêu cầu của người sử dụng máy công cụ CNC sẽ dự kiến mức suy giảm độ chính xác của máy công cụ CNC theo thời gian Từ đó có kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa và thay thế phù hợp
Trang 24Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MÁY CÔNG CỤ
1.1 Tổng quan về đường dẫn hướng trong máy công cụ [5, 8, 34]
Đường dẫn hướng trong máy công cụ có khối lượng không đáng kể so với khối
lượng chung toàn máy nhưng có vai trò quan trọng, quyết định đến độ chính xác gia
công chi tiết của máy Đường dẫn hướng trong máy công cụ gồm hai dạng phổ biến
là đường dẫn hướng ma sát trượt và đường dẫn hướng ma sát lăn [34] Đường dẫn
hướng ma sát trượt sử dụng trong các máy công cụ thông thường có đặc trưng cơ
bản là hành trình dài, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và có yêu cầu độ chính xác vị
trí không cao Trong máy công cụ vạn năng đường dẫn hướng ma sát trượt có khả
năng dẫn hướng và chịu tải lớn trên các trục, trong một số máy có thể chịu được
nhiệt độ cao, tuy nhiên khó đạt được các dịch chuyển nhỏ cỡ 0,01mm (Hình 1.1)
Đường dẫn hướng ma sát lăn trong máy công cụ CNC có khả năng dịch chuyển
nhỏ cỡ µm, tránh được trượt kiểu bước nhảy, đáp ứng yêu cầu gia tốc và vận tốc cao
nhưng chống rungvà quá tải kém (Hình 1.2)
Độ chính xác và tuổi thọ của đường dẫn hướng ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác gia công chi tiết của máy Mỗi loại máy công cụ được chế tạo với dạng
đường dẫn hướng phù hợp với tính năng khác nhau của nó Đường dẫn hướng cơ
bản được phân loại theo các tiêu chí sau:
Đường dẫn hướng
ma sát trượt Đường dẫn hướng ma sát lăn
Hình 1.2 Đường dẫn hướng ma sát lăn
trong máy phay CNC
Trang 25Theo ma sát: Đường dẫn hướng ma sát trượt và đường dẫn hướng ma sát lăn Theo chuyển động: Thực hiện các chuyển động chính; Chuyển động chạy dao; Chuyển động thay dao; Chuyển động phụ
Theo dạng của chuyển động: Chuyển động thẳng; Chuyển động quay; Chuyển động theo chu kì
Theo phương chuyển động trong không gian: Phương thẳng đứng; Phương ngang và phương nghiêng
Theo dạng thiết kế: Đường dẫn hướng liền khối cho các máy công nghiệp; Đường dẫn hướng được thiết kế dạng tấm, dải riêng biệt tách rời để lắp ghép Đối với các máy có mục đích sử dụng khác nhau thì các dạng đường dẫn hướng sẽ được thiết kế phù hợp
Theo khả năng chống bụi bẩn: Đường dẫn hướng kín; Đường dẫn hướng hở
1.1.1 Đường dẫn hướng ma sát trượt
Đường dẫn hướng ma sát trượt được sử dụng trong các máy cắt kim loại truyền thống, có giá thành thấp và có khả năng giảm chấn cao Trên thực tế sử dụng có thể phân loại đường dẫn hướng ma sát trượt theo dạng ma sát, theo hình dạng sống trượt
Trang 26Phân loại đường dẫn hướng ma sát trượt theo dạng ma sát gồm: Ma sát ướt; Ma sát hỗn hợp; Ma sát giới hạn; Trong đó phổ biến là ma sát giới hạn
Phân loại theo hình dạng của sống trượt: Dạng tròn; Dạng trụ; Dạng tam giác; Dạng đa giác; Dạng vuông; Dạng chữ V (Hình 1.3) Trong đó dạng b, c được dùng phổ biến cho chuyển động chạy dao dọc của máy phay; Dạng e dùng phổ biến cho chuyển động chạy dao ngang của máy tiện
Đặc tính làm việc của đường dẫn hướng ma sát trượt gồm áp suất và vận tốc
lớn nhất Áp suất lớn nhất cho phép đối với các cặp vật liệu Gang – Gang là từ 25 ÷
30 kgf/cm2 (2,5 ÷ 3 N/cm2) dùng trong các máy cỡ trung bình, 10 ÷ 15 kgf/cm2
dùng trong các máy cắt gọt cỡ nặng và từ 100 ÷ 130 kgf/cm2 với các máy nặng và
cặp vật liệu là Đồng - Gang
Vận tốc lớn nhất của đường dẫn hướng ma sát trượt có thể đạt tới 1.5m/s trong các chuyển động chính của các máy bào và máy gia công định hình, đạt tới 10m/s với các chuyển động chính của máy khoan đứng và 3 ÷12m/phút trong các chuyển động chạy dao Thông thường các đường dẫn hướng ma sát trượt sử dụng trong vùng vận tốc trung bình từ 0,1÷ 0,3 m/phút
Vật liệu làm đường dẫn hướng ma sát trượt có đặc tính ma sát phù hợp với điều
kiện làm việc và có khả năng chống ăn mòn Cặp vật liệu Gang – Gang được sử dụng rộng rãi trong các máy gia công kim loại, nó có khả năng ngăn cản bụi và khả năng tự bôi trơn Độ cứng đường dẫn hướng được làm bằng gang xám phải lớn hơn 180HB Thép tôi, gang và các vật liệu kim loại cứng khác được xử lý nhiệt để đạt
độ cứng cao, làm tăng tuổi thọ của đường dẫn hướng Đường dẫn hướng có thể được phủ lớp mỏng vật liệu Epoxy Các vật liệu này cho đặc tính ma sát tốt hơn và khả năng chịu mài mòn tốt hơn nhựa Flo-4, thường được sử dụng trong các máy công nghiệp hạng nặng Đường dẫn hướng có sợi cácbon, có đặc tính chống ăn mòn cao hơn so với nhựa textolite, lực ma sát tác dụng lên đường dẫn hướng nhỏ
1.1.2 Đường dẫn hướng ma sát lăn [2],[4], [8], [48], [51]
Đường dẫn hướng ma sát lăn được sử dụng phổ biến trong các máy NC, CNC, các máy công nghiệp hiện đại có khả năng tự động hóa cao, trong lắp ráp ô tô, hàng không vũ trụ và chế biến thực phẩm v.v Đường dẫn hướng ma sát lăn có các đặc tính thể hiện những ưu điểm vượt trội như sau:
- Giá trị lực ma sát tĩnh và lực ma sát động không lớn;
- Lực ma sát nhỏ, không phụ thuộc vào vận tốc
Trang 27- Thực hiện được dịch chuyển nhỏ cỡ µm, không xảy ra trượt kiểu bước
nhảy;
- Độ chính xác cao và dễ thực hiện bôi trơn giới hạn
Nhược điểm lớn nhất đối với đường dẫn hướng hướng ma sát lăn là giá thành cao, chống rung động kém, quá tải không cao, dễ lẫn tạp chất cơ học và dễ chịu tác động của môi trường trong vùng ma sát
Đường dẫn hướng ma sát lăn dùng trong các thiết bị công nghệ cao có hai loại chính: Đường dẫn hướng ma sát lăn có thanh dẫn hướng trụ tròn và thanh dẫn dạng lăng trụ Trong máy công cụ CNC, đường dẫn hướng ma sát lăn được sử dụng thường có dạng thanh dẫn lăng trụ thể hiện trên hình 1.4 và hình 1.5 Khi sử dụng đường dẫn hướng ma sát lăn trong máy công cụ CNC dễ đảm bảo độ chính xác khi gia công chi tiết
Hình 1.4 Đường dẫn hướng ma sát lăn
dùng trong bàn máy dịch chuyển chính lăn dùng trong các trung tâm gia công Hình 1.5 Đường dẫn hướng ma sát
Trang 28Phân loại đường dẫn hường ma sát lăn theo tiêu chuẩn ISO 14728 – 2: 2004 [28] gồm các dạng:
Dạng đường dẫn hướng tuần hoàn khép kín, kiểu ống lót (Hình 1.6) Trên bề
mặt thanh trượt có hoặc không có rãnh Loại này được sử dụng trong các đồ gá, hệ thống dịch chuyển thẳng của Robot, các thiết bị tự động hóa Đặc tính của đường dẫn hướng kiểu ống lót gồm: Chịu tải lớn; Chạy êm, ma sát nhỏ; Có khả năng dịch chuyển với tốc độ cao
Kiểu ống lót trụ có một số vòng bi khép kín, có chuyển động tịnh tiến dọc theo một thanh trụ tròn được tôi cứng được thể hiện trên hình 1.6 Các mặt lăn trong ống lót có thể là hình trụ hoặc các ống lót bằng thép có các rãnh lăn song song với trục
Dạng đường dẫn hướng tuần hoàn khép kín, kiểu thanh dẫn lăng trụ (Hình
1.7) Đường dẫn hướng gồm có các viên bi được sắp xếp đối xứng tuần hoàn kín, chuyển động lăn tịnh tiến dọc theo một đường dẫn hướng, có các mặt lăn phù hợp được tôi cứng
Trang 29Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu rãnh sâu (Hình 1.8) Dạng này có các phần tử lăn là các viên bi, mỗi viên bi có hai điểm tiếp xúc Bán kính mặt cắt ngang của các rãnh trên mặt lăn trong hai đường dẫn hướng bằng nhau và có thể có giá trị nằm giữa 0.52Dw và vô cùng Trong đó Dw là đường kính viên bi
Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu tiếp xúc 4 điểm (Hình 1.9) Đường dẫn hướng loại này có phần tử lăn là các viên bi, mỗi
viên bi có 4 điểm tiếp xúc Các bán kính mặt cắt ngang của các rãnh trên mặt lăn cho 4 điểm tiếp xúc nằm trong hai đường dẫn hướng bằng nhau nằm giữa 0,52Dw và
vô cùng
Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu phẳng
(Hình 1.10) Đường dẫn hướng loại này có đũa kim hoặc đũa trụ làm việc như các phần tử lăn
Trang 30Hình 1.10 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu phẳng
Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu góc chữ V (Hình 1.11) Đường dẫn hướng này được thiết kế dạng khối V có góc 900
Các phần tử lăn là đũa kim hoặc đũa trụ
Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, dẫn hướng thẳng, kiểu đũa cắt ngang (Hình 1.12) Dạng này có các phần tử lăn là các đũa trụ được lắp đặt
trong một cấu trúc đũa cắt ngang
ngang
Trang 31Phân loại đường dẫn hướng ma sát lăn theo phương pháp đặt tải gồm: Đường dẫn hướng ma sát lăn không chịu tải; Đường dẫn hướng ma sát lăn chịu tải một phần; Đường dẫn hướng ma sát lăn chịu tải lớn; Đường dẫn hướng ma sát lăn chịu tải toàn phần Đường dẫn hướng ma sát lăn không chịu tải thường có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, thường được làm bằng vật liệu gang, không yêu cầu
độ chính xác cao Đường dẫn hướng ma sát lăn chịu tải thường làm bằng thép được tôi cứng Giá trị độ võng khi đặt tải trên đường dẫn hướng thông thường khoảng 5 ÷
6 µm; Nhỏ nhất là 2 ÷ 3 µm; Giá trị độ võng lớn nhất cho phép là 10 ÷ 25 µm, độc lập với đường kính của phần tử lăn
Phân loại đường dẫn hướng ma sát lăn theo phần tử lăn gồm: Đường dẫn hướng dạng bi và đường dẫn hướng dạng con lăn (con lăn đũa, con lăn kim) Đường dẫn hướng ma sát lăn dạng bi (hình 1.13b, k, l, n) sử dụng với tải nhỏ, có giới hạn tải và
độ cứng vững thấp nhưng yêu cầu vật liệu có độ cứng cao Đường dẫn hướng ma sát lăn dạng con lăn có khả năng mang tải gấp 20 ÷ 30 lần, độ cứng vững gấp 2,5 ÷ 3,5 lần so với đường dẫn hướng ma sát lăn dạng bi cùng kích cỡ Tỷ lệ chiều dài và đường kính con lăn cho thanh dẫn làm bằng thép được tôi cứng là 1,5 ÷2
Ngoài ra, đường dẫn hướng ma sát lăn có thể được phân loại theo cấu tạo, hình dáng hình học, theo tải trọng tác dụng hoặc theo phương pháp tạo sức căng ban đầu tại các tiếp điểm giữa các vật lăn và bề mặt đường dẫn hướng v.v
Kết cấu mặt cắt ngang đường dẫn hướng ma sát lăn rất đa dạng tùy vào mục đích sử dụng của máy công cụ, được tổng hợp trên hình 1.13 Trên hình thể hiện các dạng kết cấu của đường dẫn hướng ma sát lăn theo phần tử lăn gồm: Dạng con lăn
trụ (a, c, d, f, h , i, j); Dạng con lăn bi (b, k, l,n); Dạng con lăn kim (g)
Các phần tử lăn trên đường dẫn hướng có thể được bố trí theo chiều dài đường
dẫn hướng (hình 1.14) Trong đó hình 1.14a - Dạng có hành trình trung bình; Hình 1.14b - Dạng có hành trình ngắn; Hình 1.14c - Dạng có hành trình dài không giới hạn Cách bố trí con lăn phụ thuộc vào hành trình và chiều dài của má động
Nếu L1 > L2 thì L2 = Lp, lc = Lp + 0.5s Trong đó Lp là chiều dài tác dụng đường
dẫn hướng, lc là chiều dài rãnh chứa bi và s là hành trình dịch chuyển (Hình 1.14a)
Nếu L1 = L2 = Lp + 0.5s Loại đường dẫn hướng này được sử dụng trong các máy có hành trình ngắn(Hình 1.14b)
Nếu L1 >> L2, L2 = Lp thì các phần tử lăn sẽ chuyển động trong đường kín và không có giới hạn (Hình 1.14c)
Trang 32Hình 1.13 Kết cấu đường dẫn hướng sử dụng phần tử lăn
Trang 33Đối với đường dẫn hướng ma sát lăn có các con lăn dạng kim thì đường kính
của các con lăn dạng này thường là 2 ÷ 6 mm
Đối với đường dẫn hướng ma sát lăn có rãnh hồi bi hoặc các con lăn chuyển động trong ống có cấu tạo được trình bày trên hình 1.15 Độ thẳng và độ xoắn của các tấm chịu tải trọng có thể cho phép trong khoảng 8 ÷ 10µm để giảm ma sát Sai
số cho phép của các phần tử lăn có thể đạt 2µm, với đường dẫn hướng có độ chính xác cao dung sai cho phép là 1µm Với con lăn, độ côn của chúng không quá 0,5 ÷ 1µm Sai số hình học và sai số vị trí của các con lăn được tính theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất
- Đường cáp chứa các con lăn; 4, 6, 7 – Vít; 5 - Chốt định vị
Bề mặt xung quanh con lăn có thể ảnh hưởng đến đường dẫn hướng ma sát lăn
Mặt chịu tải tốt nhất là mặt có khả năng làm giảm ma sát và chống mài mòn cao
Với các mặt phẳng hay bị xước, chiều sâu vết xước từ 15 ÷ 20 µm, làm giảm độ
cứng của đường dẫn hướng 2,5 lần và tăng độ mất mát do ma sát lên 2 lần so với vết xước có chiều sâu 10 µm và 3 lần với vết xước có chiều sâu 5µm
Hầu hết các đường dẫn hướng ma sát lăn được làm từ thép ШX15 và ШX15CΓ, có độ cứng HRC = 58 ÷ 62 Các vật liệu này có khả năng chống ăn mòn cao, không bị thay đổi dưới tác dụng của tải trọng và phù hợp với môi trường bụi
bẩn Thông thường tải trọng đặt lên các con lăn làm bằng thép có độ cứng 60 HRC,
có đường kính bi 10mm là 6 kgf cho 1 bi và 200 kgf cho một dãy bi ngắn Với đường dẫn hướng được làm bằng vật liệu gang, tải trọng cho phép trên mỗi bi giảm
30 lần và các phần tử lăn khác giảm 10 lần Tải trọng tĩnh tác dụng lên đường dẫn hướng làm bằng thép có độ cứng 55HRC sẽ nhỏ hơn 1,5 lần đường dẫn hướng được
Trang 34làm từ thép có độ cứng 60 HRC Thông thường thì độ nhám bề mặt của thanh dẫn hướng là 5 ÷ 6µm và giá trị nhỏ nhất là 2 ÷ 3µm Đối với các đường dẫn hướng hiện đại thường được làm bằng thép tôi cứng, chất lượng cao phù hợp với công nghệ sản
xuất các kiểu loại và thiết kế khác nhau
đường dẫn hướng ma sát lăn [7]
Khi lựa chọn, thiết kế đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ cần tiến hành tính toán sống lăn trên cơ sở kiểm nghiệm độ bền theo ứng suất tiếp xúc Đối với sống lăn của máy công cụ chính xác thì tính toán theo độ cứng vững tiếp xúc
a) Kiểm nghiệm theo độ bền
Kiểm nghiệm theo độ bền cần phải xác định tải trọng lớn nhất tác dụng lên bi
hoặc con lăn Trong trường hợp này dùng các công thức tính toán áp suất của sống trượt, tức là lực nén lớn nhất tác dụng lên chi tiết lăn được tính với công thức:
Pmax = pmax.t.b ≤[P] (1.1)Trong đó:
pmax - Áp suất lớn nhất của sống trượt (MPa),
t - Khoảng cách giữa hai viên bi hoặc hai con lăn(mm),
b - Chiều rộng của sống dẫn (mm), [P] - Tải trọng cho phép tác dụng lên con lăn (MPa)
Tải trọng cho phép theo điều kiện độ bền tiếp xúc
+ Đối với sống lăn dùng con lăn: [P] =σ0.d.b0, + Đối với sống lăn dùng bi: [P] =σ0.d2
Ở đây:
+ σ0 - Ứng suất quy ước liên quan đến tiết diện của chi tiết lăn, + d - Đường kính của bi hoặc con lăn,
+ b0 - Chiều dài của con lăn
Ứng suất quy ước có thể lấy như sau:
Trang 35- Với sống lăn bằng thép tôi 60HRC dùng bi cầu: σ0 = 0,6 MPa,
- Với sống lăn bằng gang 200HB dùng bi cầu: σ0 = 0,02 MPa,
- Với sống lăn bằng thép tôi dùng đũa trụ: σ0 =15÷20 MPa,
- Với sống lăn bằng gang dùng đũa trụ: σ0 =1,5÷2 MPa
Các giá trị nói trên của σ0 không tính đến các sai số chế tạo phần tử dẫn hướng
và chênh lệch kích thước của các con lăn Nếu lưu ý đến những sai số trên, trong trường hợp chế tạo chính xác không cao thì trị số σ0 cần lấy giảm đi từ 20% ÷ 30%
b) Kiểm nghiệm theo độ cứng vững
Kiểm nghiệm sống lăn theo độ cứng vững là xác định độ biến dạng của sống lăn dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài
Độ biến dạng của sống lăn dùng đũa trụ: δ = c1.q (µm) (1.2)
Trong đó: q - tải trọng trên một đơn vị chiều dài đũa trụ (N/mm),
P – Tải trọng trên một viên bi (N),
cb – hệ số đàn hồi của sống lăn dùng đũa trụ (
N
mm m.
c1 – hệ số đàn hồi của sống lăn dùng bi (
N
mm m.
Hình 1.16 cho thấy sự thay đổi hệ số đàn hồi của bi đũa trụ phụ thuộc vào q
Trang 36Những số liệu tính toán và thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng vững của sống lăn dùng con lăn gần bằng độ cứng vững của sống trượt Độ cứng vững của sống lăn dùng bi nhỏ hơn khoảng 2÷3 lần độ cứng vững của sống lăn dùng con lăn khi có cùng kích thước đường kính con lăn
Thực nghiệm cho thấy rằng sống lăn có thể thực hiện được lượng dịch chuyển
nhỏ với độ chính xác cao
Với sống lăn có độ cứng vững cao, sai số dịch chuyển có thể đạt 0,1÷ 0,2 µm
1.2 Một số đặc điểm khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam
1.2.1 Khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam nằm trong giới hạn từ 80030’ vĩ tuyến Bắc đến 23022’ vĩ tuyến Bắc, nằm hoàn toàn trong vùng nội chí tuyến còn gọi là vùng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Do đặc điểm về hoàn cảnh địa lý, khí hậu Việt Nam có những sắc thái riêng, không giống như khí hậu các vùng nội chí tuyến khác Đó là loại hình khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa đặc sắc với những thuộc tính cơ bản là nóng, ẩm, có sự phân hoá rõ rệt theo mùa Khí hậu Việt Nam thay đổi theo mùa và theo vùng từ thấp lên cao, từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây Do chịu sự tác động mạnh của gió mùa Đông Bắc nên nhiệt độ trung bình ở Việt Nam thấp hơn nhiệt độ trung bình nhiều nước khác cùng vĩ độ ở Châu Á Các tính chất cơ bản của khí hậu Việt Nam gồm:
Tính chất nội chí tuyến
Việt Nam nằm gọn trong vùng nội chí tuyến, làm cho mặt trời lên thiên đỉnh hai lần trong năm nhưng không đồng nhất về thời gian dẫn tới miền Bắc chỉ có một cực đại và một cực tiểu, còn ở miền Nam là hai cực đại và hai cực tiểu trong nhiệt chế và vũ chế, từ đó ảnh hưởng đến biên độ nhiệt của năm
Tính chất gió mùa
Các yếu tố khí hậu diễn biến theo nhịp điệu mùa rõ rệt Sự thay đổi này diễn ra
theo một nhịp điệu tương đối ổn định và thành qui luật
Tính chất ẩm
Tính chất ẩm là sự tác động tương hỗ giữa gió mùa, tín phong trong điều kiện
cụ thể của địa hình Khí hậu Việt Nam có ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc nhưng
Trang 37chỉ trong thời gian ngắn, do đó đặc trưng của khí hậu Việt Nam vẫn là nội chí tuyến
-1oC đến 0oC trên hầu hết diện tích cả nước (Hình 1.17)
Trang 38Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình (NĐTB) và chuẩn sai (CS) tại một số trạm ( o
II
Tháng
II
3 tháng XII -II
Tháng
II
3 tháng XII -
II
Thán
g II
3 tháng XII -
II
Tháng
II Điện Biên 17,8 19,1 0,8 0,8 Đà Nẵng 21,3 21,5 -0,6 -0,9 Sơn La 15,2 16,7 -0,5 -0,2 Quy Nhơn 23,7 23,8 0,0 -0,3
Sa Pa 8,8 11,1 -0,7 0,6 Nha Trang 24,5 24,7 0,3 0,2
B ắc Quang 15,9 17,4 -0,8 0,2 Phan Thi ết 25,5 25,0 0,2 -0,4 Lạng Sơn 13,0 14,9 -1,1 0,5 Tân Sơn Hoà 27,3 27,6 1,0 0,7 Thái Nguyên 15,9 17,3 -1,1 0,1 Vũng Tàu 26,2 26,0 0,6 0,2 Láng 16,6 17,7 -0,7 0,3 R ạch Giá 26,1 26,2 0,1 -0,4 Bãi Cháy 16,2 16,6 -0,8 -0,2 Cần Thơ 26,1 26,2 0,6 0,3 Phù Liễn 16,0 16,5 -1,1 -0,3 Cà Mau 26,5 26,4 0,7 0,4 Thanh Hoá 17,0 17,2 -0,7 -0,4 Plây cu 19,3 20,1 -0,2 -0,5 Vinh 17,4 17,7 -0,7 -0,3 B M Thu ột 21,1 22,3 -0,6 -0,4 Huế 19,3 19,5 -1,2 -1,3 Đà Lạt 16,4 16,5 0,1 -0,4
2011
Trang 39Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối trung bình năm thay đổi theo địa hình có giá trị trong khoảng 83% đến 87% Biến trình năm về độ ẩm tương đối của không khí ngược với biến trình năm của nhiệt độ không khí, nhưng vẫn phân biệt hai mùa rõ rệt Thời gian độ
ẩm không khí thấp kéo dài 5 tháng (4 - 8) và trùng với thời kỳ hoạt động gió mùa
Tây Nam khô nóng Trong thời kỳ này độ ẩm tương đối không khí hạ thấp từ 73%
÷79% ở đồng bằng và 79% ÷ 87% tại vùng núi, trong đó độ ẩm tương đối thấp nhất
(cực tiểu) rơi vào tháng 7 Khi gió Tây Nam khô nóng hoạt động mạnh độ ẩm tương đối không khí có thể xuống dưới 30% Thời kỳ độ ẩm tương đối không khí tăng cao kéo dài 7 tháng (tháng 9 đến tháng 3 năm sau), đạt cực đại vào tháng 11 với giá trị
89% ÷ 92%
Tổng hợp các dự báo về diễn biến của ENSO, diễn biến khí hậu của các Trung tâm dự báo lớn trên thế giới và phân tích các sản phẩm dự báo khí hậu của Trung tâm Nghiên cứu khí tượng - Khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường, Bộ Tài nguyên và Môi trường, có thể đưa ra một số nhận định:
- Nhiệt độ trên đại bộ phận diện tích cả nước có khả năng thấp hơn so với trung bình, với chuẩn sai chủ yếu dao động từ -1o
C đến 0o
C
- Trên phần lớn diện tích cả nước, lượng mưa có khả năng từ xấp xỉ đến cao hơn trung bình với chuẩn sai dao động từ 0 đến trên 200mm
Hiện nay biến đối khí hậu đang lan rộng trên phạm vi toàn cầu, theo thống kê
và báo cáo tổng hợp của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) đã
khẳng định Việt Nam sẽ là quốc gia bị ảnh hưởng nhiều nhất của biến đổi khí hậu ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương Tình trạng biến đổi khí hậu rõ nét là:
- Tăng nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm (TBN) ở Việt Nam đã tăng lên 0.70C Nhiệt độ trung bình tại Việt Nam dao động từ 210
C đến 270
C và tăng dần từ Bắc vào Nam Nhiệt độ TBN của 4 thập kỷ gần đây (1961 - 2000) cao hơn nhiệt độ TBN của 3 thập kỷ trước đó (1931 - 1960) Năm 2007, nhiệt độ TBN ở cả 3 nơi trên đều cao hơn nhiệt độ trung bình của thập kỷ 1931 – 1940 là 0,8 ÷ 1,30C và cao hơn thập kỷ 1991 – 2000 là 0,4 ÷ 0,50C Trên các khu vực, nhiệt độ TBN có thể tăng lên
20C vào năm 2050 Dự tính đến năm 2100 nhiệt độ sẽ tăng lên 30
C
- Mực nước biển tăng: Trung bình trên toàn dải bờ biển Việt Nam, mực nước biển có thể tăng lên 40cm vào năm 2050 và ước tính có thể tăng lên 100cm vào năm 2100
Trang 40- Lượng mưa: Lượng mưa mùa mưa ở các khu vực, trừ Trung Bộ, đều tăng 0%÷ 5% vào năm 2050, riêng Trung Bộ là 0% ÷ 10% Lượng mưa mùa khô ở các vùng Tây Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ, Đồng bằng Bắc Trung Bộ, Nam Bộ
và cực Nam Trung Bộ có thể tăng hay giảm 5%, riêng ở Bắc và Trung Trung Bộ tăng 0% ÷ 5% Lượng mưa nhiều làm độ ẩm tương đối không khí tăng, có nơi độ
ẩm tương đối lên tới ∼100%
Tổng hợp phân tích về đặc điểm khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam được đặc
trưng bởi hai thông số cơ bản là nhiệt độ và độ ẩm tương đối Theo số liệu mới nhất năm 2011, nhiệt độ trung bình năm là 250C, độ ẩm tương đối trung bình năm là 81% Khoảng dao động nhiệt độ và độ ẩm tương đối khá lớn Nhiệt độ thấp nhất ở
miền Bắc khoảng 00
C, nhiệt độ cao nhất khoảng 400C, độ ẩm tương đối thấp nhất khoảng 30%, độ ẩm tương đối cao nhất có thể lên tới ∼100%
Yếu tố khí hậu có thể giúp nâng cao một vài tính năng của một số vật liệu, thiết
bị kỹ thuật trong thời gian nào đó (mùa khô hanh ở miền Bắc điện trở cách điện của thiết bị được phục hồi, giảm hiện tượng mòn gỉ ở kim loại cũng như thiết bị cơ khí) Nhưng nói chung ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới là có hại Phần lớn các thiết bị,
vật liệu thông dụng (đặc biệt là Polyme) sản xuất trong nước hoặc nhập ngoại chưa được xử lý đặc biệt đều bị suy giảm chất lượng nhanh chóng, thể hiện ở nhiều nghiên cứu của nhà khoa học đã được công bố [9], [12],[21],[46],[47]
Vì vậy, tác động của yếu tố khí hậu Việt Nam (nhiệt độ, độ ẩm tương đối, bức
xạ mặt trời v.v…) đến hoạt động của các thiết bị kỹ thuật trong thực tế sản xuất có ảnh hưởng trực tiếp, gián tiếp đến độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị, máy móc cũng như làm suy giảm các tính năng kỹ thuật của sản phẩm
1.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến ma sát, mòn của cặp ma sát
Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình suy giảm tính năng, chức năng dẫn đến hư hỏng vật liệu, thiết bị cũng như quá trình hoạt động của chi tiết máy, nó có ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị
Tác động do quá nóng
Quá trình suy giảm tính năng, chức năng do quá nóng của thiết bị kỹ thuật xảy
ra trong điều kiện môi trường cộng với nhiệt độ do thiết bị sinh ra khi vận hành đạt
giới hạn trong thời gian ngắn Nếu nhiệt độ do máy sinh ra là ổn định, thì yếu tố quyết định đạt giá trị giới hạn để gây suy giảm tính năng chính là nhiệt độ môi trường xung quanh