(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

Lý do lựa chọn đề tài luận án

Ổ khí (tĩnh, động) và ổ thủy (tĩnh, động) là giải pháp hiệu quả cho các bộ truyền động chính xác, giúp khắc phục nhược điểm của khớp động truyền thống như khe hở động gây sai số ngẫu nhiên Trong ổ khí, khe hở động được kiểm soát nhờ lớp màng khí nén áp suất cao giữa bạc và trục quay, dẫn đến ma sát gần như bằng 0, giảm thiểu mài mòn và sinh nhiệt Nhờ đó, ổ khí đảm bảo chuyển động với độ chính xác cao và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như gia công cơ khí, đo lường và hàng không Đặc biệt, trong gia công cơ khí, ổ khí cao tốc rất phù hợp cho việc gia công lỗ nhỏ do yêu cầu tốc độ quay trục chính lớn, lên đến vài chục nghìn vòng/phút.

Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ bao gồm:

Ổ khí tĩnh trong nghiên cứu này hoạt động dựa trên nguyên tắc bơm khí nén từ máy nén, tạo ra lớp khí nén giữa trục và bạc, giúp tách biệt chúng mà không cần tiếp xúc cơ khí, hoàn toàn dựa vào ma sát khí Độ cứng của lớp khí nén là yếu tố then chốt để đảm bảo hoạt động ổn định của ổ khí và giữ cho tâm trục quay không bị lệch Độ cứng này phụ thuộc vào cấu trúc hình học của ổ khí, cách dẫn khí và cấp khí Do đó, nghiên cứu cấu trúc của ổ khí nhằm đảm bảo áp suất phân bố hợp lý trên bề mặt đệm và tăng cường độ cứng vững của lớp khí nén là một trong những trọng tâm của luận án này.

Ổ khí trong gia công lỗ nhỏ với tốc độ cao bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như khe hở giữa trục và bạc, áp suất khí cấp, độ nhám bề mặt, sai lệch hình học và vị trí của trục và bạc Nghiên cứu này sẽ khảo sát các yếu tố trên nhằm đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ chính xác của ổ khí.

Trong nghiên cứu luận án, tác giả đã lựa chọn ổ khí quay cho máy khoan lỗ nhỏ CNC dạng rãnh, với phương thức dẫn khí từ lỗ đột thắt trung tâm qua các rãnh dẫn hình chữ nhật Phương pháp này nhằm tạo ra vùng áp suất ổn định trong phạm vi rãnh dẫn, phù hợp với năng lực và công nghệ chế tạo cơ khí tại Việt Nam.

Nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ là một chủ đề quan trọng Bài viết này trình bày các bước để làm chủ thiết kế ổ khí, nhằm cải thiện hiệu suất gia công và đảm bảo chất lượng sản phẩm Việc tối ưu hóa các thông số này sẽ góp phần nâng cao độ chính xác và độ bền của ổ trong quá trình gia công.

Đề tài luận án này tập trung vào hai công nghệ chế tạo ổ khí quay dạng rãnh dẫn hình chữ nhật, có lỗ đột thắt trung tâm tại Việt Nam.

Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Luận án nhằm xác định ảnh hưởng của các thông số khí tĩnh đến độ cứng vững và độ ổn định tâm quay của ổ, bao gồm các yếu tố như cấu trúc hình học, phân phối khí và áp suất cấp vào ổ Những yếu tố này tạo ra áp suất phân bố trên ổ trục, ảnh hưởng đến khả năng tải và độ chính xác của ổ khí quay, đặc biệt trong ứng dụng gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu này là làm rõ các tác động của các thông số khí tĩnh đến hiệu suất của ổ khí.

Nghiên cứu thiết kế chế tạo ổ khí tĩnh với cấu trúc rãnh khí chữ nhật và lỗ cấp khí trung tâm, đảm bảo hoạt động ổn định mà không có tiếp xúc cơ khí Ổ có khả năng chịu tải dọc trục và độ cứng vững hướng tâm đạt từ 3 đến 10 N/μm.

Bài viết này tập trung vào việc làm chủ công nghệ thiết kế và gia công chế tạo ổ khí tĩnh, đặc biệt là ổ đệm khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm Đây là loại ổ đệm khí tĩnh được sử dụng làm đầu trục chính cho máy phay cỡ nhỏ, có khả năng chịu lực dọc trục trong quá trình gia công, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

Các yếu tố khí tĩnh có ảnh hưởng lớn đến độ cứng vững của ổ khí tĩnh trong gia công lỗ nhỏ Việc đánh giá các đại lượng chính là cần thiết để xác định độ chính xác của ổ khí quay.

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng các khía cạnh của ổ khí tĩnh trong trục chính máy gia công lỗ nhỏ Bằng cách tham khảo tài liệu trong và ngoài nước, nghiên cứu tập trung vào tính toán lý thuyết về khe hở và bôi trơn trong ổ khí Các yếu tố như độ cứng vững, ổn định tâm và áp suất phân bố của ổ khí tĩnh cũng được phân tích Cuối cùng, mô hình mô phỏng và thực nghiệm được xây dựng để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí tĩnh.

Trong nghiên cứu này, ổ khí quay được thiết kế là ổ khí kết cấu dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm và phân vùng rãnh Kích thước giới hạn của rãnh bao gồm chiều rộng 0,5mm và chiều sâu 0,3mm Ổ đệm khí này có khả năng chịu tải dọc trục nhờ vào nguồn khí có áp suất từ 2bar đến 4bar, với khả năng chịu tải dọc trục đạt từ 50N đến 100N, đồng thời cung cấp độ cứng vững dọc trục và lực hướng tâm cần thiết cho hoạt động hiệu quả.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Mô hình thực nghiệm được thiết lập dựa trên mô phỏng tính toán ổ khí quay, nhằm phục vụ cho quá trình khoan lỗ nhỏ trên trục chính của máy CNC mini, với khả năng đạt tốc độ quay lên đến 20.000 vòng/phút.

Mô phỏng ổ khí quay với thiết kế ổ đệm khí dạng rãnh hình chữ nhật cho phép phân phối khí hiệu quả ở lỗ đột thắt trung tâm Kết quả so sánh với thực nghiệm cho thấy sự thay đổi của áp suất cấp trên bề mặt đệm khí theo các tốc độ quay khác nhau, cùng với cấu trúc đệm khí và áp suất hình thành tải trọng tác động dọc trục Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu này là xác định mức độ ảnh hưởng của áp suất khí và số vòng quay trục chính đến phân bố áp suất trên bề mặt tiếp xúc giữa trục và bạc, từ đó mở ra khả năng chế tạo ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam.

Những kết quả mới

Những kết quả mới của luận án đạt đƣợc nhƣ sau:

Nghiên cứu đã phát triển kết cấu ổ khí tĩnh với nguồn khí cấp vào dạng rãnh hình chữ nhật, kết hợp với lỗ đột thắt trung tâm để phân vùng cấp khí, nhằm nâng cao hiệu quả độ cứng của đệm khí Thông qua mô phỏng, nghiên cứu xác định ảnh hưởng của các yếu tố như áp suất cấp và cấu trúc đệm khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặt trong điều kiện ổ khí quay với nhiều vận tốc khác nhau Đây là hướng nghiên cứu mới, khác biệt so với các công trình đã được công bố trước đây trên toàn cầu.

Đã phát triển thành công mô hình thực nghiệm ổ khí tĩnh với cấu trúc định vị trên 4 bậc tự do dọc trục và 1 bậc tự do cho vai trục, lắp đặt trên trục chính của máy CNC mini Mô hình này cho phép thực hiện khoan lỗ có đường kính ≤ 1mm, với độ cứng hướng tâm đạt 5N/μm và độ cứng dọc trục 4N/μm Hệ thống hoạt động ổn định trong dải tốc độ từ 10.000 đến 20.000 vòng/phút mà không có tiếp xúc cơ khí, đảm bảo hiệu suất cao trong một thiết kế nhỏ gọn.

TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong ngành công nghiệp hiện đại, thiết bị máy móc cần có kết cấu đơn giản và chất lượng gia công cao Một số thiết bị yêu cầu tốc độ vòng quay lên tới 100.000 vòng/phút hoặc hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cực cao hoặc thấp, và áp lực thay đổi lớn Để giảm thiểu tiêu hao công suất do ma sát và ngăn rò rỉ dầu bôi trơn, đặc biệt trong ngành thực phẩm, việc hoàn thiện cấu trúc ổ trục là rất quan trọng Điều này thường được thực hiện thông qua việc cải tiến chất bôi trơn, có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí, mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng, phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

Sử dụng khí để bôi trơn mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với chất rắn và chất lỏng, bao gồm độ nhớt thấp và tính ổn định của khí trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thay đổi Khí không chỉ giảm thiểu tiêu hao dầu mà còn kết hợp chức năng bôi trơn và làm nguội, cải thiện điều kiện làm việc Về mặt cấu trúc, các ổ khí có thể được tích hợp trực tiếp vào thân máy, giúp thiết kế gọn gàng hơn, đồng thời đơn giản hóa việc sử dụng và bảo trì, nâng cao độ bền của thiết bị.

Ổ khí có nhiều ưu điểm nổi bật, cho phép hoạt động hiệu quả trong các môi trường có nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp Nó không tạo ma sát, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao, đồng thời phù hợp với các môi trường ăn mòn hoặc yêu cầu sản phẩm phải sạch.

Nhờ vào những lợi ích nổi bật và sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học kỹ thuật, ổ khí đã được nghiên cứu, phát triển và áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây, đặc biệt trong ngành chế tạo máy công cụ và gia công lỗ nhỏ.

Mặc dù bôi trơn khí có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm cần được nghiên cứu kỹ lưỡng Cụ thể, ổ bôi trơn khí không ổn định bằng các ổ bôi trơn bằng chất lỏng và thường chỉ chịu tải nhỏ, điều này hạn chế khả năng ứng dụng của chúng Hơn nữa, việc nghiên cứu và tính toán ổ khí cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ

Hiện nay, nhiều hãng sản xuất như Westwind và Excellon đã đạt được thành tựu trong nghiên cứu và thương mại hóa ổ khí quay cao tốc Tuy nhiên, công nghệ thiết kế và chế tạo ổ khí vẫn là bí mật của các công ty này Việc nghiên cứu lý thuyết thiết kế chế tạo ổ khí quay cao tốc tại Việt Nam sẽ nâng cao trình độ học thuật, giúp làm chủ công nghệ và tăng khả năng nội địa hóa sản phẩm Trong luận án này, tác giả nghiên cứu và thiết kế kết cấu ổ khí quay cao tốc nhằm ứng dụng lắp trên trục chính của máy khoan, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về thông số khí tĩnh trong gia công lỗ nhỏ.

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo của vòng bi khí tĩnh Ổ khí tĩnh còn đƣợc gọi là vòng bi không khí có áp suất từ bên ngoài, coi rằng áp suất của màng không khí đƣợc tạo ra bởi một hệ thống cung cấp không khí bên ngoài

Không khí được đưa vào khe hở giữa hai bề mặt ổ trục thông qua hệ thống máy nén khí, đi qua các bộ lọc và điều áp, sau đó được thải ra môi trường xung quanh qua các rãnh thoát của khe hở ổ trục.

Màng mỏng hoạt động như chất bôi trơn giữa các bộ phận chuyển động, giúp các bề mặt của ổ trục khí không tiếp xúc, từ đó giảm thiểu mài mòn và ma sát, đồng thời cải thiện độ chính xác trong định vị Để đạt hiệu suất tối ưu cho vòng bi khí tĩnh, khe hở cần đủ nhỏ, thường từ 5–20 μm, và không khí phải được lọc tốt để đảm bảo hoạt động hiệu quả Việc làm kín và làm sạch vòng bi cũng rất quan trọng để ngăn ngừa ô nhiễm Hơn nữa, sai số hình dáng và kích thước của các bề mặt lắp ghép cần phải chính xác hơn một phần mười chiều cao khe hở, tạo ra thách thức lớn trong quy trình sản xuất.

Việc chế tạo và thử nghiệm ổ trục khí đòi hỏi phải có phương pháp thiết kế và gia công lắp ráp chính xác cho các bề mặt phẳng và bề mặt hình trụ Các yêu cầu về môi trường trong quá trình này thường cao hơn so với các loại ổ trục khác.

2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh

Vòng bi khí tĩnh sử dụng màng khí nén mỏng ở cấp độ micromet để hỗ trợ chuyển động và chống lại tải trọng bên ngoài, mang lại hiệu suất vượt trội về độ chính xác, ma sát, ô nhiễm và tốc độ so với vòng bi lăn chính xác Nhờ những ưu điểm này, vòng bi khí tĩnh đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm dệt may, đóng gói, điện tử và chất bán dẫn, đo lường, máy công cụ siêu chính xác, máy tuabin, máy móc cho ngành thực phẩm và y tế.

Sự xuất hiện của công nghệ bôi trơn bằng không khí có thể bắt đầu từ năm

Vào năm 1828, Willis đã thực nghiệm điều tra trạng thái luồng không khí giữa hai mặt phẳng song song Cuối thế kỷ 19, Kingsbury nghiên cứu các đặc điểm của ổ trục khí, chứng minh tính khả thi của chúng Nhiều bằng sáng chế về vòng bi khí đã được cấp trong đầu những năm 1900, như ổ đỡ lực đẩy không khí của Westinghouse vào năm 1904 và ổ trục tạp khí tĩnh của Abbott vào năm 1916 Tuy nhiên, chỉ có một số bài báo liên quan đến bôi trơn bằng khí được xuất bản trong những thập kỷ sau đó Trong Thế chiến thứ hai, công nghệ bôi trơn bằng khí bùng nổ ở các nước phát triển như Hoa Kỳ, nhờ nhu cầu từ năng lượng hạt nhân và ngành công nghiệp quốc phòng Hệ thống ổ trục cần hoạt động liên tục trong điều kiện chính xác cao, nhiệt độ cao và ma sát thấp Đặc biệt, trong thiết bị hạt nhân, ổ trục phải cho phép hệ thống lò phản ứng được niêm phong trong hơn hai thập kỷ mà không cần giám sát Những yêu cầu này không thể được đáp ứng bởi vòng bi lăn thông thường, nhưng vòng bi khí trở thành ứng cử viên tốt Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành, thu thập dữ liệu thiết kế và dẫn đến tiến bộ trong công nghệ bôi trơn bằng khí.

Vòng bi khí tĩnh đã được thiết kế, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm máy khoan nha khoa tốc độ cao, máy mô phỏng không gian, cũng như các máy chính xác và dụng cụ đo lường Từ những năm 1970 đến 1990, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển công nghệ này.

Công nghệ bôi trơn bằng khí đã có 27 nghiên cứu được công bố, đánh dấu sự trưởng thành trong lý thuyết thiết kế của lĩnh vực này.

Sau những năm 1990, nhu cầu từ nghiên cứu khoa học và phát triển công nghiệp đối với tấm bán dẫn chính xác và các linh kiện quang học đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ gia công siêu chính xác, đặc biệt là máy công cụ siêu chính xác Điều này dẫn đến sự gia tăng đáng kể nhu cầu về vòng bi khí tĩnh, một thành phần quan trọng cho gia công siêu chính xác Thiết kế và phát triển vòng bi khí hiệu suất cao ngày càng được chú trọng, với yêu cầu làm việc cao như độ chính xác, độ ổn định và tốc độ vượt quá 10.000 vòng/phút Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc cải thiện hiệu suất của vòng bi khí tĩnh, bao gồm khả năng chịu tải, độ cứng, đặc tính động và tính ổn định ở tốc độ cực cao, cũng như hiệu ứng tương tác khớp nối ảnh hưởng đến mômen truyền đến trục.

Xu hướng ứng dụng của ổ trục khí trong ngành công nghiệp hiện nay tập trung vào ba lĩnh vực chính Đầu tiên, trong ngành máy công cụ, cần cải thiện khả năng chịu tải và độ cứng của ổ trục để đáp ứng yêu cầu gia công Thứ hai, trong kỹ thuật quang khắc, cần hệ thống dẫn khí để điều khiển định vị ở cấp độ nano, yêu cầu triệt tiêu rung động vi mô trong ổ trục không khí Cuối cùng, trong ngành công nghiệp vi mạch, độ chính xác trong quá trình gia công là rất quan trọng Mặc dù công nghệ thiết kế và sản xuất vòng bi tĩnh đã phát triển đáng kể, nguyên tắc thiết kế cơ bản vẫn chưa được hiểu rõ, điều này cản trở việc nâng cao hiệu suất của vòng bi Do đó, việc nghiên cứu và phát triển ổ trục khí hiệu suất cao thế hệ tiếp theo đòi hỏi sự hiểu biết toàn diện về nguyên tắc thiết kế cơ bản của chúng.

Currently, several numerical methods, including the Engineering Simplification Algorithm (ESA), Finite Element Method (FEM), Finite Difference Method (FDM), Computational Fluid Dynamics (CFD), and Multi-Physics Coupling Method (MPCM), along with experimental approaches, have been utilized to investigate the performance of static air bearings.

Luận án này sẽ nghiên cứu các phương pháp thực nghiệm nhằm khảo sát các thông số khí tĩnh, bao gồm độ cứng vững của ổ và áp suất phân bố trên đệm khí.

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA Ổ KHÍ QUAY

Phân tích thiết kế ổ khí quay phân phối khí dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắng trung tâm sẽ được trình bày, cùng với việc xem xét ảnh hưởng của các lực tác động đến độ chính xác định tâm của ổ khí Ổ khí quay, thường được sử dụng làm trục chính trong gia công lỗ nhỏ chính xác đặt đứng, được thiết kế để định vị đủ 5 bậc tự do, như thể hiện trong hình 2.1.

Lớp đệm khí trên mặt trụ dài A định vị 4 bậc tự do, hạn chế di chuyển theo phương vuông góc với trục x, y và quay quanh trục x, y Hai lớp đệm khí chặn mặt đầu ở phía trên C và phía dưới B định vị 3 bậc tự do, cho phép dịch chuyển theo phương z và quay quanh x, y Trục chỉ còn một bậc tự do duy nhất là chuyển động quay quanh trục z Kết cấu này là siêu định vị do các bậc định vị quay quanh x, y trùng nhau, vì vậy để ổ có thể hoạt động hiệu quả trong vùng khe hở đệm khí, cần đảm bảo gia công chính xác độ vuông góc giữa bề mặt trụ A và mặt đầu B, cũng như độ song song của hai mặt đầu B và C ở cả chi tiết bạc đệm khí lẫn chi tiết trục quay.

Mô hình định vị và lắp ráp ổ khí quay được xây dựng dựa trên yêu cầu kỹ thuật của máy khoan lỗ nhỏ và nguyên lý hoạt động của ổ khí quay cao tốc Tác giả đã chọn phương án sử dụng ổ khí tĩnh, trong đó lực nâng hướng kính bao gồm cả lực nâng khí tĩnh và lực nâng khí động Tuy nhiên, tốc độ quay của trục phụ thuộc vào động cơ kết nối với khớp số 3 để truyền mômen xuống trục Do đó, trong thiết kế, tác giả đã ưu tiên lực nâng khí tĩnh là yếu tố chính và tiến hành tính toán thiết kế, đưa ra kết cấu của ổ khí tĩnh như hình 2.1.

Tác giả sẽ nghiên cứu sâu về các tính toán của ổ khí tĩnh trong quá trình hoạt động, nhằm định hướng thiết kế và chế tạo ổ khí quay cao tốc Ổ khí này sẽ được ứng dụng trong gia công các lỗ nhỏ chính xác với đường kính từ ≤ 1mm, phục vụ cho việc đạt độ chính xác cao trong gia công lỗ nhỏ và công nghệ chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam.

2.2.2 Phân tích lực tác động lên ổ khí Đối với ổ khí tĩnh, áp suất đƣợc cấp vào bạc đệm khí qua máy nén khí hình thành lớp khí nén giữa khe hở trục và bạc Nhờ áp suất của lớp màng khí nén mà trục đƣợc giữ cân bằng trong không gian giới hạn giữa bạc và trục, không tiếp xúc cơ khí với bạc

Giả sử bạc đệm khí được thiết kế với ba vùng cấp khí riêng biệt xung quanh chu vi, tạo ra ba khu vực áp suất khí nén trên bề mặt giữa trục và bạc.

Áp lực bên trong bạc đệm khí và trục quay được phân tích thành hai thành phần chính: lực hướng tâm và lực tiếp tuyến Sự không đồng đều về kích thước và hình dạng của rãnh cấp và lỗ đột thắt do công nghệ chế tạo gây ra dẫn đến các lực tổng hợp tại các đệm không hướng chuẩn vào tâm và có độ lớn khác nhau Tuy nhiên, lực hướng tâm vẫn chiếm ưu thế, đẩy trục đệm khí về vị trí cân bằng giữa trục và bạc Khi khe hở đệm khí thay đổi, độ lớn của các lực hướng tâm cũng thay đổi, và khi trục ở vị trí cân bằng, các lực này sẽ triệt tiêu, đạt giá trị bằng không so với tâm quay Ngược lại, lực tiếp tuyến tạo ra mô men quanh tâm quay, khiến trục tự quay.

Hình 2 3 Phân tích lực tạo bởi lớp màng khí nén

2.2.3 Phân tích các phương án phân vùng đệm khí riêng biệt trên bề mặt trục

Trải phẳng bề mặt của bạc đệm khí sáu lỗ cấp cho hai tầng trên và dưới nhƣ hình 2.4

Hình 2 4 Phân vùng cấp khí trên bề mặt bạc đệm khí

Mô hình áp suất theo phương z trên bề mặt đệm khí phân bố đồng đều trong vùng rãnh khí hình chữ nhật với lỗ cấp khí ở trung tâm, và áp suất này sẽ giảm dần khi ra xa môi trường xung quanh, như được thể hiện trong hình 2.5.

Hình 2 5 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí

Tổng hợp áp suất trên bề mặt đệm khí sẽ tạo thành các lực đẩy F 1 , F 2 , F 3 ,

F 4 … nhƣ xét ở trên Giả sử quan hệ giữa lực đẩy và khe hở tại chính tâm đệm khí theo hình 2.6

Độ cứng K của đệm khí được xác định qua sự thay đổi lực đẩy khi khe hở đệm khí thay đổi Cụ thể, công thức K = ΔF/Δz cho thấy mối quan hệ giữa lực đẩy và khe hở, với ΔF là sự thay đổi lực đẩy và Δz là sự thay đổi khe hở.

Giả sử các đệm khí có độ cứng đồng nhất, nếu trục quay được cân bằng ở một vị trí nhất định, ta có thể thiết lập phương trình như hình 2.3.

Khi có một lực ΔQ tác động đẩy trục quay ra khỏi vị trí cân bằng và làm giảm khe hở Δz 1 theo phương của lực hướng tâm F 1ht, lực hướng tâm sẽ tăng dần cho đến khi đạt giá trị tối đa.

(3) Đồng thời khe hở ở hai phía đối diện giảm đi một lƣợng khi đó lực hướng tâm lên các khe hở này tăng đến giá trị:

(5) Ở vị trí cân bằng mới, phương trình đã cho có dạng:

Do đó, nếu chia ổ cấp khí thành ba vùng không khí riêng biệt nhƣ trên hình 2.4, thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần

Quá trình thiết kế đệm khí yêu cầu tạo ra vùng áp suất phân lập nhằm tăng cường độ cứng vững cho đệm khí, đồng thời giữ cho trục quay ổn định ở vị trí cố định.

2.2.4 Phân tích quán tính ly tâm do độ lệch tâm gây ra

Khi thiết kế trục quay, cần chú ý đến việc sử dụng các bậc trục có đường kính khác nhau để phù hợp với nối trục động cơ và bộ phận gá dao Tuy nhiên, nếu máy gia công không đảm bảo độ chính xác hoặc không gia công toàn bộ chiều dài trục trong một lần gá, sẽ dẫn đến sai lệch đồng tâm giữa các trục, gây ra sự lệch trọng tâm so với tâm quay.

Trục có khối lƣợng m, trọng tâm của trục đặt lệch với tâm quay một lƣợng là e, như vậy trong quá trình quay sẽ sinh ra lực hướng tâm quay

Lực hướng tâm quay sẽ quay vòng tròn quét qua các vùng áp suất xung quanh bạc đệm khí làm ảnh hưởng đến khả năng định tâm của trục

Khi tốc độ quay của trục tăng, lực hướng tâm cũng gia tăng, và nếu vượt quá lực tổng hợp của các vùng đệm khí trên bạc, trục sẽ bị đẩy sát vào bề mặt bạc, dẫn đến hiện tượng tiếp xúc cơ khí giữa chúng Để giảm lực hướng tâm, cần giảm khối lượng trục quay hoặc thực hiện gia công chính xác nhằm giảm độ lệch khối tâm.

Với z tới hạn = D bạc - d trục /2

Khi này sẽ xảy ra hiện tƣợng tiếp xúc cơ khí

MỘT SỐ PHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CƠ BẢN CỦA BÔI TRƠN BẰNG KHÍ

2.3.1 Phương trình bôi trơn khí trong trường hợp tổng quát [3]

Phương trình bôi trơn khí tổng quát được xây dựng dựa trên phương trình cơ bản của Navie-Stôc cho dòng chảy tầng của chất lỏng nhớt Việc áp dụng hệ quả của phương trình này giúp khảo sát trực tiếp hiện tượng chảy trong lớp bôi trơn khí.

Phân tích sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở trong lớp bôi trơn cho thấy bề mặt ngõng trục chuyển động với vận tốc không đổi U = r.ω (hình 2.7a) dẫn theo chất bôi trơn trong khe hở.

Hình 2 7 Khảo sát sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở [3]

Khi trục không chịu tải, đường tâm của ngõng và ổ trùng nhau, dẫn đến tiết diện khe hở không thay đổi theo hướng dòng chảy Trong tình huống này, khí không bị nén và không bị đẩy ra hai đầu ổ, do đó không xuất hiện hiện tượng tăng áp lực trong khe hở bôi trơn Thành phần vận tốc theo phương z của dòng chảy bằng không, trong khi thành phần vận tốc u của phần tử bôi trơn dọc theo trục x thay đổi từ u/y=h = U trên bề mặt ngõng trục đến u/y=h = 0 trên bề mặt ổ, theo chiều cao h của khe hở dưới tác động của lực ma sát nhớt.

Phần tử bôi trơn ở thời điểm khảo sát có thể tích x y z chuyển động với vận tốc không đổi theo đường tròn bán kính r = (h-y)

Trong đó: r: Bán kính của ổ

H: Khe hở giữa ngõng và ổ;

Y: Tọa độ trọng tâm của phần tử bôi trơn

2: Bề mặt bạc Điều này là thực tế vì trong chảy tầng không có sự xáo trộn giữa các lớp nhƣ chảy rối, mà thực tế luôn xảy ra chảy tầng

Tài liệu [3] đã tính toán đưa ra được phương trình liên tục của dòng bôi trơn khí đẳng nhiệt có dạng đơn giản:

Lưu lượng thể tích khí q x và q z theo hướng x và z chảy qua một đơn vị chiều rộng của dòng chảy, với chiều cao khe hở giữa ngõng và ổ là h, trong khi p đại diện cho áp lực khí.

2.3.2 Phương trình bôi trơn khí trong trường hợp ổ khí quay

Xây dựng mô hình động lực học cho bài toán:

Mô hình động lực học của trục ổ khí quay cho thấy có 5 bậc tự do bị hạn chế, chỉ còn 1 bậc tự do quay quanh trục z Trong khe hở giữa trục và bạc, không khí tạo ra một màng không khí với độ cứng vững k Để đơn giản hóa tính toán, trục đệm khí được mô hình hóa với 16 hệ số độ cứng, trong đó ma trận độ cứng bao gồm 4 hệ số chỉ hướng và 12 cặp hệ số đối xứng Ma trận hệ số độ cứng được biểu diễn dưới dạng: x y x y x x x x x y y y x y y.

36 k J là độ cứng vùng đệm khí giữa trục và bạc

J k xx , k yy J , x x k   J y y k   J là các hệ số chỉ hướng

Các cặp hệ số đối xứng trong ma trận bao gồm J k, J y, k J x, k J y, và k J y y Đệm khí dưới được mô tả thông qua 9 hệ số độ cứng, trong đó mỗi ma trận chứa 3 hệ số chỉ hướng và 6 cặp hệ số đối xứng Ma trận có thể được biểu diễn như sau: [78]: x y x x x x y y y x y y.

Trong đó: k T là độ cứng phần đệm dưới của ổ khí

T k zz , x x k   T , k   T y y là các hệ số chỉ hướng

Các cặp hệ số đối xứng trong ma trận bao gồm T k  z, k  T y z, và k   T y x Trong đó, z a và z b đại diện cho tọa độ của tâm trục và khối trọng tâm của trục động cơ Chuyển vị của tâm trục được biểu diễn dưới dạng s = [x, y, z]T, và góc nghiêng của trục quanh các trục x, y được xác định bởi  = [  x, y] Phương trình chuyển động của trục liên quan đến chuyển động tịnh tiến trên trục x.

Chuyển động tịnh tiến trên trục y:

Chuyển động tịnh tiến trên trục z:

Trong đó: [f , f , f ,T , T ] x y z x y là ngoại lực tác động lên trục

Hình 2 9 Hệ tọa độ trụ xét mô hình trục bị nghiêng Chuyển động nghiêng quanh trục x:

Chuyển động nghiêng của trục quanh y:

Trong đó: [T , T ] x y là ngoại lực tác động lên trụ

2.3.3 Phương trình bôi trơn cho chi tiết bạc

Phương trình ma trận 16 hệ số có thể được giải bằng nhiều phương pháp, bao gồm việc sử dụng phần mềm tính toán hoặc giải các phương trình Reynolds tĩnh và phương pháp sai phân hữu hạn Để đơn giản hóa quá trình tính toán, hệ tọa độ trụ được áp dụng cho chi tiết bạc, như thể hiện trong Hình 2.9 Trước khi tiến hành tính toán, một số giả định cần được đưa ra để giải phương trình Reynolds cơ bản.

(1) Dòng đẳng nhiệt do màng khí có ma sát thấp

(2) Độ nhớt không đổi không nhạy cảm với nhiệt độ sự biến đổi

(3) Bỏ qua trọng lực và lực quán tính

(4) Sự thay đổi của áp suất dọc theo hướng r bị bỏ qua

Dựa trên các giả định đã nêu, phương trình Reynolds trong tọa độ trụ góc θ theo trục z được suy ra từ phương trình Navier-Stokes và phương trình liên tục của chất lỏng.

Trong nghiên cứu, R đại diện cho bán kính của ổ trục, h là độ dày của màng khí, à là độ nhớt động lực của không khí, và ɷ là vận tốc góc của trục quay Đặc tính tĩnh học và động học được xác định thông qua việc tích phân áp suất trong vùng khí giữa trục và phần bạc.

Trong đó: F x J 0 , F y J 0 , M x J 0 , M y J 0 là lực và mômen của trục theo phương x, y p 0 : Áp suất cấp, p x , p y , p φx , p φy áp suất theo các phương

2.3.4 Phương trình đệm khí dưới

Dựa vào phương trình cơ bản tính toán cho trục, phương trình Reynolds có thể được xác định theo tọa độ đệm khí dưới với góc θ và hệ tọa độ cực r.

Trong đú r là bỏn kớnh tọa độ cực, h là màng khớ độ dày, à là độ nhớt động lực của không khí và θ là góc tọa độ cực

Bỏ qua chuyển động tính tiến theo phương x và phương y, độ dày và áp suất màng khí do chuyển động của từ trường là nhỏ

Các đặc tính tĩnh và động đƣợc xác định bằng cách tích phân áp suất trong khu vực màng khí trên bề mặt đệm khí dưới

Để giải các phương trình, có thể áp dụng các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, và phần tử thể tích Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn thời gian và dễ xảy ra sai sót trong quá trình tính toán Do đó, luận án này sẽ sử dụng phỏng số để khắc phục những khó khăn này bằng cách thiết lập các mô hình tính toán và đưa ra điều kiện biên dựa trên các dữ liệu lý thuyết, từ đó tính toán được lực tác dụng (độ cứng vững) của ổ và phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí cũng như của đệm khí.

TÍNH TOÁN ÁP SUẤT, LỰC NÂNG CỦA ĐỆM KHÍ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN KHÍ TƯƠNG ĐƯƠNG

2.4.1 Các yêu cầu khi tính toán đệm khí

Hình 2 10 Cấu tạo đệm khí loại rãnh

Đệm khí rãnh, như được mô tả trong hình 2.10, có lỗ tiết lưu d1 và đường dẫn khí D kết nối với nguồn áp suất ổn định P0 Do kích thước D lớn hơn nhiều so với d1, nên có thể xem đường dẫn này không gây tiêu hao năng lượng.

Lớp đệm khí nén xuất hiện sau lỗ tiết lưu d1 giữa bề mặt ổ khí và khe hở có độ dày z với áp suất p Áp suất này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ trục và các chi tiết gắn liền.

Khi làm việc, giỏ trị z thường nằm trong khoảng 5 đến 20, với khoảng cách nhất định so với bề mặt bạc đệm khí và đệm khí dưới Đệm khí cần có độ cứng vững cao và phản hồi mạnh, giúp điều chỉnh áp suất bên trái và bên phải khi có lực quán tính hoặc lực đẩy từ trái sang phải Điều này giúp đẩy trục trở lại vị trí cân bằng, giảm thiểu sai lệch vị trí, và độ cứng vững của đệm khí càng cao thì sai lệch càng nhỏ.

Khi tính toán thiết kế đệm khí cần đạt đƣợc các yêu cầu sau:

Để đảm bảo khả năng tải của đệm khí, nó cần phải nâng được một khối lượng nhất định trong giới hạn khe hở làm việc Các yếu tố như áp suất nguồn cấp P0, hình dạng và kích thước của đệm khí, cùng với các rãnh phân phối khí, đường kính lỗ tiết lưu và chất lượng bề mặt đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải của đệm khí.

Để đảm bảo độ cứng vững của đệm khí, khi tải trọng Q biến thiên, khe hở của đệm khí cũng sẽ thay đổi một lượng z Độ cứng vững K được xác định bằng tỉ lệ ΔQ/Δz; nếu K càng lớn, độ chính xác của đệm khí trong quá trình làm việc sẽ cao hơn Điều này có nghĩa là, khi có sự biến thiên lớn về tải trọng, khe hở z chỉ thay đổi một lượng nhỏ, cho thấy đệm khí có độ ổn định cao.

Đệm khí được thiết kế với bi cầu, giúp đảm bảo khả năng tự cân bằng Khi có sự biến động tải trọng tác động lệch sang một phía, đệm sẽ tự sinh ra mô men kháng để trở về vị trí cân bằng Chất lượng hốc đặt bi cầu ảnh hưởng đến khả năng thiết lập vị trí cân bằng của đệm.

2.4.2 Cơ sở phương pháp tính toán đệm khí

Có nhiều phương pháp tính toán đệm khí được sử dụng trong các nghiên cứu quốc tế, như nghiên cứu của Tiến sỹ Guenther về "Cơ sở thiết kế đệm khí", hay tài liệu của giáo sư người Nga с.а.шейнберг và м.д.шишеев về "Ổ trượt bụi trơn bằng khớ." Ngoài ra, giáo sư J.Heinzl đã giới thiệu phương pháp dẫn không khí đặc biệt qua hệ thống vi lỗ trên bề mặt đệm khí Tuy nhiên, những phương pháp này vẫn còn tồn tại những hạn chế và khó khăn khi áp dụng trong bối cảnh nghiên cứu và điều kiện tại Việt Nam.

Luận án này giới thiệu phương pháp điện khí tương đương để tính toán độ cứng vững cho các đệm khí trong ổ khí quay, nhờ vào tính dễ hiểu và khả năng triển khai cao Phương pháp này biến các phần tử khí thành các phần tử điện thông qua việc thiết lập mạch khí tương đương với mạch điện, từ đó cho phép tính toán các thông số mạch một cách hiệu quả.

41 kết quả nghiên cứu tính toán đã có của các định luật về dòng điện giúp cho việc đơn giản hóa trong tính toán của mạch khí

Hình 2 11 Sơ đồ chuyển đổi khí điện

Một đột thắt trong dòng chảy của khí có tác động cản trở tương tự như điện trở trong dòng điện Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng điện trở khí R tỉ lệ nghịch với bình phương tiết diện chảy S.

2.4.3 Xây dựng công thức tính toán cho mô hình đệm khí dưới

Mô hình chuyển đổi điện khí tương đương cho thấy khí nén từ nguồn cấp P0 đi vào hai lỗ d11 và d12, tương ứng với hai trở R11 và R12 Sau đó, khí chảy vào rãnh dẫn, nơi áp suất khí đạt trạng thái cân bằng do rãnh lớn được coi như một dây dẫn có điện trở rất nhỏ.

Dòng khí từ rãnh thoát ra qua khe hở z theo hai hướng, được coi như điện trở R21 (từ rãnh vào phía trong) và R22 (từ rãnh ra phía ngoài) Mạch điện khí được mô tả như hình 2.12.

Có thể tính áp suất ở rãnh nhƣ sau:

Hai điện trở R 11 và R 12 mắc song song chung một đầu cùng chung nguồn vào, một đầu là ra rãnh dẫn

Coi hai lỗ gia công với cùng đường kính d 1 =d 11 =d 12 và chiều dài l như nhau nên R 11 =R 12

 : điện trở suất l: chiều dài chảy của lỗ tiết lưu

S: tiết diện chảy Điện trở R 1td đƣợc tính nhƣ sau:

 (3) Điện trở R 2td đƣợc tính theo công thức:

(Hai điện trở R 21 và R 22 mắc song song chung một đầu là rãnh dẫn và đầu ra môi trường)

Tại bán kính r, phân tố chiều dài chảy dr được xác định trong hình vành khăn có diện tích chảy tương ứng với diện tích xung quanh hình trụ có chiều cao z và bán kính r.

Hình 2 13 Điện trở một phân tố chiều dài

Vi phân sức cản dR22 đƣợc tính theo công thức sau:

Sức cản của dòng khí (điện trở R 22 ) từ rãnh bán kính đến mép ngoài đệm khí bán kính

Tương tự, ta có sức cản của dòng khí (điện trở R 21 ) từ rãnh có bán kính đến mép trong của đệm khí bán kính

: Lực nâng gây ra bởi áp suất dòng khí chảy từ bán kính đến mép trong đệm khí bán kính rãnh

: Lực nâng gây ra bởi không khí có áp suất trong khu vực rãnh từ bán kính r g1 đến bán kính r g2

: Lực nâng gây ra bởi áp suất dòng khí chảy từ bán kính rãnh đến mép ngoài đệm khí bán kính

2 0 2 0 ln ln ln ln ln n n g g t n g n g g g r r r r

Trong đó R 212 là sức cản của dòng khí từ điểm bán kính đang xét vào đến mép trong của đệm khí bán kính r 0

 (17) dS 1 là diện tích hình vành khăn có bán kính r chiều dài dr, dS 1 =2πrdr

2 0 ln ln 1 ln ln 2z ln

2 0 ln ln 1 ln ln 2z ln

Tương tự với cách tính F nâng1 , ta có công thức tính F nâng3 như sau:

Trong đó R222 là sức cản của dòng khí từ điểm bán kính đang xét ra đến mép ngoài của đệm khí bán kính r n

Do đó, tổng lực nâng từ (24) + (27) + (36) của ổ đỡ không khí đƣợc tính nhƣ sau:

2 2 ln ln ln ln ln

Khảo sát lực nâng theo khe hở z

Thông số đầu vào: P o = 0.04 (kG/mm 2 ), r n % , r g1 , r g2 = 20,r 0 , l=2,5(mm), d=0.5(mm)

Hình 2 14 Đồ thị khảo sát lực nâng theo z Nhận xét:

-Từ đồ thị nhận thấy lực nâng F nghịch biến với khe hở z

-Khi lực nâng tăng thì khe hở z giảm và ngƣợc lại

Để tăng lực nâng, cần giảm khe hở z xuống, điều này yêu cầu độ chính xác gia công rất cao Nghiên cứu chỉ ra rằng khe hở z tối ưu nằm trong khoảng từ 5-12 àm.

Khảo sát lực nâng theo r g1

Khảo sát lực nâng khi cho rãnh r g1 thay đổi giá trị từ r 0 đến r n -5, trong đó giữ nguyên khoảng cách rãnh r g2 =r g1 +5 so với r g1

Thông số đầu vào: P o = 0,04 (kG/mm 2 ), r n = 25 , z = 0,01 r 0 = 10, l 2,5(mm), d 1 = 0,5(mm)

Hình 2 15 Đồ thị khảo sát lực nâng theo r d

- Cụm bạc khí đang nghiên cứu có r d mm gần đạt đƣợc lực nâng lớn nhất, cho thấy hướng cải tiến hoàn toàn đúng đắn

Theo đồ thị, lực nâng sẽ giảm dần khi bán kính tiếp xúc r d tiến gần đến bán kính r n của bề mặt trục và tiếp cận bán kính r 0 của trục đi qua.

2.4.4 Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí tương đương Để tạo ra các vùng khí nén riêng biệt giữa chi tiết trục quay và chi tiết bạc, bề mặt chi tiết bạc đƣợc chia thành vùng đệm khí riêng biệt Khí nén từ nguồn đƣợc đƣa vào lỗ thoát khí sau đó chảy vào các rãnh hình chữ nhật để tạo ra một vùng áp suất bằng nhau

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY

ĐẶT VẤN ĐỀ

Gia công lỗ nhỏ với độ chính xác cao đang trở thành xu hướng phổ biến trong ngành công nghiệp Việt Nam, trong đó máy khoan là thiết bị chủ yếu để thực hiện các lỗ có kích thước và độ nông sâu khác nhau Sự phát triển của khoa học kỹ thuật yêu cầu chất lượng mũi khoan phải cao hơn, đồng thời trục chính cần có tốc độ nhanh và ổn định Khi khoan các lỗ có đường kính nhỏ, tốc độ cắt phải được nâng cao Tuy nhiên, việc quay với tốc độ cao dẫn đến ma sát và sinh nhiệt ở ổ bi, làm giảm tuổi thọ của chúng Ngoài ra, sự mài mòn sau thời gian dài hoạt động gây ra khe hở trong ổ trục, dẫn đến sai lệch trong gia công Để khắc phục vấn đề này, cần thiết phải thiết kế một loại ổ trục mới có khả năng quay ở tốc độ cao, và giải pháp tối ưu là thiết kế ổ trục đệm khí cao tốc.

Công nghệ ổ trục đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ ổ lăn đến ổ trượt, và hiện nay, ổ trục đệm khí đang đại diện cho một bước tiến mới trong thiết kế ổ trục Với đặc tính vượt trội về tốc độ và độ chính xác, ổ trục đệm khí mang lại nhiều lợi ích như ma sát và mài mòn gần như bằng không, cùng với việc không cần dầu bôi trơn, tạo ra những lợi thế mạnh mẽ cho thiết kế máy móc hiện đại Tuy nhiên, việc sản xuất chính xác các chi tiết của ổ trục đệm khí vẫn còn gặp khó khăn do lý thuyết về chúng còn mới mẻ Do đó, việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tính toán các đặc trưng khí tĩnh là một giải pháp hiệu quả trước khi gia công chế tạo, giúp kiểm nghiệm các điều kiện ổn định và phân tích các phương án thiết kế, từ đó lựa chọn phương án tối ưu và giảm thời gian thử nghiệm, nâng cao hiệu quả trong quá trình thiết kế và chế tạo ổ trục.

Độ chính xác của ổ khí quay chịu ảnh hưởng bởi kết cấu của ổ khí và áp suất nguồn cấp Hai yếu tố này đóng vai trò quyết định trong việc phân bố áp suất.

Áp suất phân bố trên bề mặt đệm khí giữ cho trục quay ổn định trong không gian của bạc mà không tiếp xúc cơ khí, tạo ra độ cứng vững xác định cho lớp đệm khí Khi trục quay dịch khỏi vị trí cân bằng, áp suất tại những vùng khe hở giữa trục và bạc sẽ thay đổi, dẫn đến lực đẩy từ áp suất lớn giúp trục quay trở về vị trí cân bằng Chương này sẽ khảo sát các dạng kết cấu cấp khí khác nhau của đệm khí dạng rãnh, bao gồm dạng lỗ đột thắt trung tâm, và phân tích ảnh hưởng của áp suất cũng như độ cứng vững đến các cấu trúc của ổ khí, cũng như mối quan hệ giữa áp suất cấp, tốc độ quay và lực đẩy trên bề mặt đệm khí.

Trên cơ sở các kết quả mô phỏng chúng ta sẽ kiểm nghiệm trên mô hình thực nghiệm và so sánh các kết quả trong chương 4.

KHẢO SÁT MÔ HÌNH Ổ KHÍ

3.2.1 Mô hình thiết kế Để làm rõ ảnh hưởng phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí của việc phân tách đệm khí độc lập đến độ cứng vững của ổ khí quay, tác giả đã đƣa ra ba phương án thiết kế kết cấu của ổ khí Việc mô phỏng được thực hiện trên 3 mô hình: mô hình 1: các rãnh trên bề mặt bạc đệm khí đƣợc nối thông nhau, mô hình 2: các rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt đƣợc bố trí xung quanh bề mặt bạc đệm khí, không có đường thoát khí phân tách thành các đệm khí riêng biệt, mô hình 3: các rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm, đƣợc phân tách nhau bởi rãnh thoát khí tạo thành các đệm khí riêng biệt Từ các kết quả mô phỏng sẽ lựa chọn ra phương án tốt nhất để tiến hành gia công chế tạo và thực nghiệm trên mô hình đã mô phỏng Hình 3.1 đến hình 3.7 là các phương án thiết kế cho ổ trục khí tĩnh bao gồm các chi tiết giữa trục, bạc và nắp dưới Trong đó hình 3.7 là kết cấu mô hình lắp ráp cho ổ khi tĩnh

Thiết kế chi tiết bạc cho mô hình 1 với các rãnh khí chiều rộng rãnh 0,5 và chiều sâu 0,3 liên kết với nhau như hình khai triển dưới đây:

Mô hình 2 được thiết kế với bạc chi tiết, bao gồm các rãnh khí có chiều rộng 0,5 và chiều sâu 0,3, kết nối thành sáu vùng đệm khí hình chữ nhật.

Mô hình 3 giới thiệu thiết kế đệm khí dạng rãnh với các rãnh khí có chiều rộng 0,5 và chiều sâu 0,3 Các rãnh này được kết nối thành 6 vùng đệm khí hình chữ nhật, tuy nhiên, mỗi vùng vẫn độc lập, tạo ra những khu vực khí riêng biệt trong ổ khí.

Hình 3 3 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập

Hình 3 4 Bản vẽ chi tiết trục

Hình 3 5 Bản vẽ chi tiếp nắp ổ khí

Hình 4 9 Hình ảnh đo tải dọc trục Bảng dữ liệu thực nghiệm thu đƣợc nhƣ sau:

Bảng 4 1 Kết đo khe hở khí giữa vai trục với đệm khí dưới khi tải trọng dọc trục thay đổi (àm)

0 0,5kg 1kg 1,5kg 2kg 2,5kg 3kg 3,5kg 4kg 4,5kg 5kg

Lần đo 8 (àm) 11 10 8 7 5 4 3 3 2 1 1 Đầu đo laser Ổ khí quay

Bộ hiển thị Điều áp Cảm biến áp suất

Hình 4 10 Đồ thị quan hệ tải trọng F và khe hở Z trên mặt đầu

Nhận xét từ thực nghiệm cho thấy, khi tải trọng lớn, khe hở giữa vai trục phía trên và bạc tăng lên, trong khi khe hở giữa vai dưới và đệm dưới lại giảm xuống Giá trị độ cứng vững trung bình trong phạm vi khe hở từ (1÷11) μm được tính toán như sau:

Nhƣ vậy thông qua khảo sát này có thể thấy độ cứng dọc trục đã thực nghiệm của ổ khí đạt đƣợc là 4N/μm

4.4 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤC THEO PHƯƠNG NGANG

Thiết bị thực nghiệm bao gồm ổ khí quay được chế tạo dựa trên các bản vẽ nghiên cứu tại chương 3, cùng với máy nén khí FuSheng model 03 – E, sản xuất vào tháng 3 năm 2012, có khả năng nén với áp suất tối đa 10 bar.

Kích thước ： 64,5 mm x 14,6 mm x 14,6 mm

Lưu lượng lớn nhất ： 11,5 m³/min Áp lực lớn nhất ： ≤1,0MPa

Bộ lọc khí bao gồm : 1 lọc tinh + 1 lọc thô + 1 siêu tinh

Bộ điều áp chính xác MIDIFIL 15

D ịch chuy ển ( m icr om et )

Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 4 Lần đo 5 Lần đo 6 Lần đo 7 Lần đo 8

01 cảm biến đo áp suất SPSA1

01 Đầu đo Laser ZX-LDA11-N (ZX-LD30V) của hãng OMRON Corporation đƣợc sử dụng để xác định khoảng cách

+ Các quả nặng tải trọng

Hình 4 11 Mô hình kiểm tra tải theo phương ngang

Hình 4 12 Hình ảnh kiểm tra tải theo phương ngang Điều áp Cảm biến áp suất

Bộ hiển thị Đầu đo laser Ổ khí quay Qủa nặng

- Cấp khí nén cho ổ quay

- Điều chỉnh để đầu laser đi qua đỉnh trục, lấy số liệu x 1 khi chƣa cấp khí cho ổ

Cấp khí nén cho ổ khí giúp xác định khe hở hướng kính của bạc đệm khí mặt trụ dưới ổ Giá trị x 2 từ đầu đo laser và hiệu số |x 1 - x 2| sẽ phản ánh chính xác khe hở này khi ổ chưa có tải hướng kính.

Để thực hiện thí nghiệm, đặt tải hướng kính ở hai đầu trục với mỗi đầu có khối lượng 0,5kg Tiếp theo, điều chỉnh đầu laser vào đỉnh trục và tiến hành đo hai giá trị khi chưa cấp khí và khi đã cấp khí Cuối cùng, lấy hiệu số giữa hai giá trị đo được |x1 - x2| để hoàn tất quá trình.

Tiến hành thí nghiệm cho đến khi giá trị x1 = x2, lúc này tải hướng kính của ổ khí không đủ để chống lại tải trọng do các quả nặng đặt trên trục theo phương hướng kính, dẫn đến sự tiếp xúc giữa trục và bạc đệm khí mặt dưới.

- Lặp lại các phép đo đến khi trục và bạc tiếp xúc ta đƣợc bảng sau

Bảng 4 2 Kết quả đo khe hở khí giữa trục và bạc đệm khí khi tải trọng hướng kớnh thay đổi (àm) 0kg 1kg 2kg 3kg 4kg 5kg 6kg 7kg

Hình 4 13 Đồ thị độ dịch chuyển trục theo phương ngang

Khi đặt tải tăng dần từ 1kg đến 7kg thì trục với bạc tiếp xúc

Khi khe hở giảm, tải trọng tác động lên ổ khí tăng, dẫn đến lực theo phương hướng tâm cũng gia tăng Đồ thị thể hiện mối quan hệ này gần như tuyến tính, cho thấy đặc tính của ổ khí tương tự như một lò xo với độ cứng k Độ cứng hướng tâm trung bình của ổ khí có vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của nó.

Trong quá trình hoạt động, nếu trục lệch vị trí 1 μm dưới tác động của lực đẩy hướng tâm 5N, thì để duy trì độ ổn định trong phạm vi nhỏ hơn 1μm, các lực đẩy bất thường phải nhỏ hơn 5N Độ cứng hướng tâm thực tế thấp hơn so với mô phỏng, có thể do quá trình gia công không đồng đều ở các lỗ đột thắt và xung điện cƣc rãnh trên bề mặt trụ Việc gia công bên trong lỗ gặp khó khăn, dẫn đến sai lệch kích thước và hình dạng không đồng nhất, đặc biệt ở hai đầu lỗ bạc, gây tổn thất khí và không duy trì được áp suất Theo công thức tính toán lực nâng, lực này tỷ lệ với bình phương đường kính lỗ đột thắt d1, do đó, sai số nhỏ của d1 có thể gây ra thay đổi lớn về lực nâng và độ cứng.

Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Lần đo 4 Lần đo 5 Lần đo 6 Lần đo 7 Lần đo 8

4.5 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ CỦA Ổ KHÍ

Thực nghiệm được tiến hành để xác định áp suất tại các điểm khác nhau trên bề mặt ổ khí, thông qua việc trích xuất áp suất bề mặt và theo dõi trong các chế độ làm việc khác nhau.

-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm

+ Ổ khí quay đã chế tạo theo các nghiên cứu bản vẽ đưa ra tại chương 3 + Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max

Kích thước ： 64,5 mm x 14,6 mm x 14,6 mm

Lưu lượng lớn nhất ： 11,5 m³/min Áp lực lớn nhất ： ≤1,0MPa

Bộ lọc khí bao gồm : 1 lọc tinh + 1 lọc thô + 1 siêu tinh

+ Bộ điều áp chính xác MIDIFIL 15

+ 01 cảm biến đo áp suất SPSA1

+ 01 đồng hồ đo tốc độ quay

 Sơ đồ và trình tự thực nghiệm:

Bước 1: Ổ khí quay được gá trên máy phay được cấp nguồn khí nén với áp suất 4 bar đã qua điều áp chính xác

Bước 2: Tiến hành trích áp suất tại các điểm cụ thể trên bề mặt ổ khí và lắp đặt cảm biến áp suất tại những vị trí đã trích để theo dõi chỉ số đo.

Bước 3: Cung cấp nguồn áp suất vào ổ khí quay, cấp nguồn điện cho cảm biến đo áp suất

Trong bước 4, tiến hành quay trục chính với các tốc độ 10.000, 15.000 và 20.000 vòng/phút, đồng thời theo dõi sự biến đổi của chỉ số trên cảm biến đo áp suất ở từng tốc độ quay khác nhau.

Hình 4 14 Mô hình đo áp suất Hình ảnh thực nghiệm đo áp suất

Hình 4 15 Hình ảnh hệ thống đo áp suất

Kết quả đo áp suất Ổ khí quay Điều áp Cảm biến áp suất

Bảng 4 3 Bảng kết quả đo áp suất trích xuất trong ổ khí quay

Khi tiến hành thí nghiệm cung cấp khí vào ổ khí với các mức số vòng quay khác nhau, kết quả đo cho thấy áp suất trung bình tại vị trí trụ đạt 0,34MPa Kết quả này được so sánh với mô phỏng trong chương trước.

Áp suất thực nghiệm bị giảm do điều kiện mô phỏng lý tưởng về kích thước, hình dáng và vị trí bề mặt Trong hệ thống ổ khí tĩnh, áp suất tại bề mặt giữa bạc và trục quay được cung cấp từ nguồn khí nén có áp suất xác định Khi tốc độ quay dao động từ 10.000 đến 20.000 vòng/phút, áp suất trên bề mặt gần như không thay đổi đáng kể.

4.6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THÔNG QUA GIA CÔNG KHOAN LỖ

-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm

+ Ổ khí quay có dụng cụ cắt là mũi khoan lắp vào trục chính của máy CNC mini

+ Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max

+ Bộ lọc khí MODEL ： 010 của hãng TPC

Kích thước ： 64,5 mm x 14,6 mm x 14,6 mm

Lưu lượng lớn nhất ： 11,5 m³/min Áp lực lớn nhất ： ≤1.0MPa

Bộ lọc khí bao gồm : 1 lọc tinh + 1 lọc thô + 1 siêu tinh

+ Bộ điều áp chính xác MIDIFIL 15

+ 01 cảm biến đo áp suất SPSA1

+ Tấm thép CT3 kích thước 200x200x2

+ Dụng cụ cắt mũi khoan  1.00 ULL 8730403

+ Máy CNC mini sử dụng phần mềm mach3 điều khiển các trục

+ Máy tính điều khiển CNC

Hình 4 16 Thực nghiệm nguyên công khoan chi tiết trên vật liệu CT3

Bước 1: Mũi khoan  1.00 ULL 8730403 được lắp vào colet và lắp lên trục chính ổ khí quay

L = 30.00, Số lỗ khoan đƣợc 1000 ÷ 1500 lỗ

Bước 2: Bật máy nén khí từ máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất

3/2012 (áp suất nén max = 10bar) qua các bộ điều áp chính xác cung cấp khí vào ổ khí quay

Cảm biến áp suất Chi tiết

Máy CNC mini Ổ khí quay

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ