Liên hệ page để tải tài liệu
https://www.facebook.com/garmentspace
My Blog: http://congnghemayblog.blogspot.com/
http://congnghemay123.blogspot.com/
Từ khóa tìm kiếm tài liệu : Wash jeans garment washing and dyeing, tài liệu ngành may, purpose of washing, definition of garment washing, tài liệu cắt may, sơ mi nam nữ, thiết kế áo sơ mi nam, thiết kế quần âu, thiết kế veston nam nữ, thiết kế áo dài, chân váy đầm liền thân, zipper, dây kéo trong ngành may, tài liệu ngành may, khóa kéo răng cưa, triển khai sản xuất, jacket nam, phân loại khóa kéo, tin học ngành may, bài giảng Accumark, Gerber Accumarkt, cad/cam ngành may, tài liệu ngành may, bộ tài liệu kỹ thuật ngành may dạng đầy đủ, vật liệu may, tài liệu ngành may, tài liệu về sợi, nguyên liệu dệt, kiểu dệt vải dệt thoi, kiểu dệt vải dệt kim, chỉ may, vật liệu dựng, bộ tài liệu kỹ thuật ngành may dạng đầy đủ, tiêu chuẩn kỹ thuật áo sơ mi nam, tài liệu kỹ thuật ngành may, tài liệu ngành may, nguồn gốc vải denim, lịch sử ra đời và phát triển quần jean, Levi's, Jeans, Levi Straus, Jacob Davis và Levis Strauss, CHẤT LIỆU DENIM, cắt may quần tây nam, quy trình may áo sơ mi căn bản, quần nam không ply, thiết kế áo sơ mi nam, thiết kế áo sơ mi nam theo tài liệu kỹ thuật, tài liệu cắt may,lịch sử ra đời và phát triển quần jean, vải denim, Levis strauss cha đẻ của quần jeans. Jeans skinny, street style áo sơ mi nam, tính vải may áo quần, sơ mi nam nữ, cắt may căn bản, thiết kế quần áo, tài liệu ngành may,máy 2 kim, máy may công nghiệp, two needle sewing machine, tài liệu ngành may, thiết bị ngành may, máy móc ngành may,Tiếng anh ngành may, english for gamrment technology, anh văn chuyên ngành may, may mặc thời trang, english, picture, Nhận biết và phân biệt các loại vải, cotton, chiffon, silk, woolCÁCH MAY – QUY CÁCH LẮP RÁP – QUY CÁCH ĐÁNH SỐTÀI LIỆU KỸ THUẬT NGÀNH MAY –TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT – QUY CÁCH ĐÁNH SỐ - QUY CÁCH LẮP RÁP – QUY CÁCH MAY – QUY TRÌNH MAY – GẤP XẾP ĐÓNG GÓI – GIÁC SƠ ĐỒ MÃ HÀNG - Công nghệ may,kỹ thuật may dây kéo đồ án công nghệ may, công nghệ may trang phục, thiết kế trang phục, anh văn chuyên ngành may, thiết bị may công
ĐỀ KIỂM TRA THEO UNIT TIẾNG ANH GLOBAL SUCCESS 11 - HK2 (BẢN HS-GV) (3 TESTS ...
Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy cnc trong điều kiện môi trường việt nam
1. I
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu tuổi thọ và độ
tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam” là công
trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn:
PGS.TS Phạm Văn Hùng và PGS.TS Nguyễn Doãn Ý. Các số liệu, kết quả trong luận án là
trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Tập thể hƣớng dẫn Tác giả luận án
PGS.TS. Phạm Văn Hùng PGS.TS. Nguyễn Doãn Ý Trần Đức Toàn
2. II
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều
sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên, tôi xin chân thành
cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy và ma sát
học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu khoa học.
Tôi đặc biệt trân trọng và biết ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Nguyễn Doãn Ý
đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng bổ ích và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy và ma sát học – Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Lãnh đạo khoa cùng toàn bộ giảng viên
khoa Công nghệ Cơ khí – Trường Đại học Điện lực đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi được đi học và hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người đã chia
sẻ, động viên, giúp đỡ tôi, là nguồn động lực to lớn giúp tôi học tập, nghiên cứu và hoàn
thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2015
Tác giả luận án
Trần Đức Toàn
3. III
MỤC LỤC
MỤC LỤC .....................................................................................................................III
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................... V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH........................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ....................................................................... X
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI ................................................. 5
1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi................................................................. 5
1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi ..................................................................................... 8
1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu.................................................................................. 8
1.2.2. Theo cấp chính xác........................................................................................... 13
1.2.3. Theo công dụng................................................................................................ 18
1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi.......................................................................... 18
1.4. Các đặc trƣng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi...................................... 20
1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [38]............................................................ 21
1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [39]............................................................... 21
1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [39]............................................................... 21
1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [39] .................................................................................. 22
1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [39]........................................................................ 22
1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi............................................................................... 23
1.6. Môi trƣờng làm việc của máy công cụ CNC ....................................................... 24
1.6.1. Môi trường làm việc của máy CNC trên thế giới............................................. 24
1.6.2. Môi trường làm việc máy CNC tại Việt Nam.................................................. 25
1.7. Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi ...................................................... 28
1.7.1. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới:..................................... 28
1.7.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 36
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................. 37
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT ME – ĐAI ỐC BI
TRÊN CƠ SỞ MÒN.......................................................................................................... 38
2.1. Tổng quan về mòn vật liệu:................................................................................... 38
2.1.1. Mòn theo thời gian ........................................................................................... 38
2.1.2. Ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến mòn............................................................ 39
4. IV
2.1.3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trường................. 43
2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi..................................................................................... 46
2.2.1. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi theo lý thuyết ........................................................ 46
2.2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn ...................................................... 48
2.3. Lý thuyết độ tin cậy [6, 7, 11, 12] ......................................................................... 53
2.3.1. Đặc trưng độ tin cậy......................................................................................... 54
2.3.2. Các chỉ tiêu xác định độ tin cậy ....................................................................... 54
2.3.3. Hàm phân phối sử dụng trong tính toán độ tin cậy:......................................... 56
2.3.4. Xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn [7]............................................................ 57
2.4. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB...................................................................... 59
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................. 61
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM NGHIÊN
CỨU MÒN ......................................................................................................................... 62
3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm:....................................................................... 62
3.2. Thiết kế máy thí nghiệm........................................................................................ 62
3.2.1. Đối tượng nghiên cứu của thí nghiệm.............................................................. 62
3.2.2. Thiết kế máy thí nghiệm................................................................................... 62
3.3. Tổ hợp máy thí nghiệm ......................................................................................... 74
3.4. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm...................................................................... 77
3.4.1. Xác định các thông số thực nghiệm ................................................................. 77
3.4.2. Các thông số cơ bản của thực nghiệm.............................................................. 80
3.4.3. Tổ chức thực nghiệm và đo mòn...................................................................... 81
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................................. 83
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 84
4.1. Kết quả thực nghiệm, xây dựng hàm hồi quy ..................................................... 84
4.1.1. Thực nghiệm tạo mòn ...................................................................................... 84
4.1.2. Xây dựng hàm hồi quy..................................................................................... 92
4.2. Tuổi thọ, độ tin cậy của VMĐB khi làm việc trong môi trƣờng Việt Nam. ... 103
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ........................................................................................... 106
KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN.......................................................................................... 107
KHUYẾN NGHỊ.............................................................................................................. 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN......................... 114
5. V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ISO: International Organization for Standardization – Tổ chức tiêu chuẩn thế giới
RE: Rotary Encoder – thước quang đo quay
LS: Liner Scale – thước quang đo thẳng
VMĐB: Ball screw – “Vít me – đai ốc bi”
vg/ph: Vòng/phút
QHTN: Quy hoạch thực nghiệm
6. VI
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
Góc tiếp xúc của bi Độ (0
)
Góc rãnh dẫn hướng bi Độ (0
)
l Sai lệch dọc trục do biến dạng đàn hồi m
Ph Bước vít me danh nghĩa mm
DW Đường kính bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi mm
Dpw
Đường kính đường tròn tạo bởi tâm các bi trong bộ truyền vít
me – đai ốc bi
mm
d1 Đường kính danh nghĩa trục vít me mm
d2 Đường kính chân răng trục vít me mm
D1 Đường kính bích đai ốc mm
D2 Đường kính chân răng đai ốc bi mm
D3 Đường kính đỉnh răng đai ốc bi mm
L Tuổi thọ (theo ISO) Vòng
Lh Tuổi thọ (theo ISO) Giờ
Lr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Vòng
Lhr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Giờ
Lar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Vòng
Lhar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Giờ
n Tốc độ quay của trục vít me Vòng/phút
nm Tốc độ tương đương của trục vít me – đai ốc bi Vòng/phút
F Tải dọc trục N
Fm
Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm
việc một chiều
N
Fma
Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm
việc hai chiều
N
p Áp suất pháp tuyến tại điểm tiếp xúc N/m2
v Vận tốc trượt tương đối của cặp ma sát (m/phút)
7. VII
Ca Tải động dọc trục danh nghĩa N
Coa Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa N
(t) Tốc độ mòn theo thời gian m/giờ
b
Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN
7699-2-30 và có bôi trơn
m/giờ
k
Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN
7699-2-30 và không bôi trơn
m/giờ
m
Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi
trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn
Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi
trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn
C Sai số tích lũy vị trí đai ốc m
ep Chấp nhận sai số trong hành trình quy định m
V300p
Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc dịch chuyển trên
đoạn 300 mm bất kỳ
m
Vup
Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí đai ốc khi trục vít me quay 1
vòng ở trên đoạn bất kỳ
m
Uc Lượng mòn dọc trục m
[U] Lượng mòn dọc trục giới hạn m
Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc m
[] Sai lệch vị trí dọc trục giới hạn m
Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-
30 và không bôi trơn
Giờ
Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-
30 và có bôi trơn
Giờ
Hệ số tuổi thọ giữa bôi trơn và không bôi trơn
8. VIII
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng Nội dung Trang
Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao 14
Bảng 1.2
ep cho phép với bộ truyền không yêu cầu độ chính xác định vị
cao
15
Bảng 1.3 Vup cho phép theo cấp chính xác 15
Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác 16
Bảng 1.5 V2p cho phép theo cấp chính xác 16
Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK 16
Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN 17
Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác 22
Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử lý khí khi nhiệt luyện thép 22
Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt 23
Bảng 1.11 Tiếp xúc giữa hai vật rắn có biến dạng đàn hồi 29
Bảng 1.12
Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính,
so sánh
30
Bảng 2.1 Hệ số độ tin cậy 48
Bảng 2.2 Mô tả sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi 51
Bảng 2.3 Các chỉ tiêu độ tin cậy lý thuyết và thực nghiệm 56
Bảng 2.4 Hệ số tuổi thọ thực nghiệm 60
Bảng 2.5
Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 ứng
với các độ tin cậy
60
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi 63
Bảng 3.2 Các biến của ma trận thí nghiệm 79
Bảng 4.1 Bảng tổng hợp lượng mòn dọc trục đo được trong các thí nghiệm 92
Bảng 4.2
Bảng tính các thông số Lh iso; ; Lh tn; m tại mỗi điểm đo (điểm
đích) của các thí nghiệm
93
Bảng 4.3 Bảng ma trận biến thí nghiệm 96
Bảng 4.4 Các giá trị hệ số tuổi thọ theo môi trường tại tâm quy hoạch 96
9. IX
Bảng 4.5 Các giá trị hàm hồi quy thực nghiệm 97
Bảng 4.6 Bảng số liệu thí nghiệm mòn với hàm hồi quy tốc độ mòn 100
Bảng 4.7 Giá trị các biến vào, ra của hàm hồi quy mới 100
Bảng 4.8 Bảng kê các biến đã chuẩn hóa 101
Bảng 4.9 Các giá trị yi; ̅; ̂ của hàm hồi quy 102
Bảng 4.10 Các giá trị xác định độ lệch chuẩn của mk 104
Bảng 4.11 Khoảng giá trị mk ứng với các độ tin cậy thực tế 105
Bảng 4.12 Khoảng giá trị m ứng với các độ tin cậy thực tế 105
10. X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình Nội dung Trang
Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc 5
Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi 5
Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC 6
Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao 7
Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải 8
Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối 8
Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối 9
Hình 1.8 Đai ốc cho ren nhiều đầu mối 9
Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc 10
Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống 10
Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp 10
Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm 11
Hình 1.13
Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít
khoảng
11
Hình 1.14 Khử khe hở bằng tăng kích thước bi 12
Hình 1.15 Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo 12
Hình 1.16 Thông số độ chính xác bước vít me 13
Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi 19
Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi 19
Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me 19
Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của VMĐB 20
Hình 1.21 Máy CNC làm việc trong môi trường có điều hòa không khí 24
Hình 1.22 Máy CNC làm việc trong điều kiện thông thường 25
Hình 1.23 Sự phân chia vùng khí hậu tại Việt Nam 26
Hình 1.24 Máy CNC làm việc trong một công ty cơ khí tại Việt Nam 27
Hình 1.25
Máy CNC trong sản xuất thường được làm việc trong nhà xưởng
thông thoáng với môi trường tự nhiên
28
11. XI
Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong VMĐB 30
Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình 31
Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tải đặt trước 31
Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn – vít me – đai ốc và bi 32
Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 33
Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW 33
Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 34
Hình 1.33 Biến đổi nhiệt độ dẫn đến sai lệch vị trí đai ốc 34
Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bôi trơn 34
Hình 1.35 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước 35
Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi 35
Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L 38
Hình 2.2 Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc lượng mòn vào vận tốc 39
Hình 2.3 Biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí 42
Hình 2.4 Mô tả chu trình nhiệt ẩm 45
Hình 2.5 Giai đoạn tạo ổn định 45
Hình 2.6 Đồ thị đường cong mỏi 46
Hình 2.7 Hệ hai lò xo chịu tải 49
Hình 2.8 Quan hệ giữa mòn tổng cộng và mòn dọc trục 50
Hình 2.9 Mô hình hóa hệ vít me – đai ốc – bi trước và sau mòn 52
Hình 2.10 Tổng hợp sự phân phối thời gian 56
Hình 2.11 Các thể hiện mòn và mật độ phân phối mòn 57
Hình 2.12 Các thể hiện mòn tuyến tính và các mật độ f(U), f(t) 58
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm 63
Hình 3.2 Một số kích thước cơ bản của bộ truyền vít me – đai ốc bi 64
Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tủ nhiệt ẩm 65
Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi 66
Hình 3.5 Phương án I – Tạo tải nhờ tải trọng 67
Hình 3.6
Phương án II – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh
tách rời sống trượt
67
12. XII
Hình 3.7
Phương án III – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh
tích hợp sống trượt
68
Hình 3.8 Hệ thống tạo tải dọc trục 68
Hình 3.9 Phương án I – Đo dịch chuyển của đai ốc nhờ đồng hồ so 69
Hình 3.10 Phương án II.1 – Thân thước ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70
Hình 3.11 Phương án II.2 – Đầu đọc ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70
Hình 3.12
Hình ảnh hệ thống đo gá lắp với máy thí nghiệm, đặt bên ngoài
tủ nhiệt ẩm
71
Hình 3.13 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má trái ren 72
Hình 3.14 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má phải ren 72
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý máy thí nghiệm 74
Hình 3.16 Hình ảnh mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm 75
Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn đằng trước 76
Hình 3.18 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn bên phải 76
Hình 3.19 Hình ảnh thiết bị đo thẳng LS có độ phân giải 1 xung/m 77
Hình 3.20 Hình ảnh thiết bị đo quay RE có độ phân giải 5000 xung/vòng 77
Hình 3.21 Các điểm quy hoạch thực nghiệm 78
Hình 3.22 Sơ đồ khối xác định hệ số tuổi thọ 81
Hình 4.1 Các vít me – đai ốc bi sau khi thí nghiệm 84
Hình 4.2
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
85
Hình 4.3
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
86
Hình 4.4
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
87
Hình 4.5
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
88
13. XIII
Hình 4.6
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
89
Hình 4.7
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
90
Hình 4.8
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =
3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30,
không bôi trơn
91
Hình 4.9
Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường
TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn
98
Hình 4.10
Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường
TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn
99
Hình 4.11
Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN
7699-2-30, không bôi trơn
102
Hình 4.12
Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN
7699-2-30, có bôi trơn
103
14. 1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng, sản phẩm của cơ khí được ứng dụng rộng rãi
trong hầu hết các các ngành kinh tế xã hội. Từ công nghiệp vũ trụ, công nghiệp khai thác
tài nguyên thiên nhiên, công nghiệp hóa học, đến cả công nghiệp du lịch, đặc biệt là công
nghệ thông tin cũng đều phải sử dụng các sản phẩm, thiết bị, cơ cấu, máy móc cơ khí với
từng mức độ khác nhau.
Mới đây, ngày 11 tháng 4 năm 2014, phát biểu tại Hội nghị tổng kết 10 năm thực hiện
chiến lược phát triển ngành Cơ khí. Thủ Tướng chính phủ nhấn mạnh: “Cơ khí là ngành
công nghiệp nền tảng, có vị trí quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa
đất nước. Chính phủ rất quan tâm tới phát triển ngành Cơ khí, đặc biệt là Cơ khí chế tạo”.
Trong lĩnh vực chế tạo và gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC là lựa chọn ưu
tiên hàng đầu hiện nay. Không chỉ có ưu thế về độ chính xác do máy CNC được trang bị hệ
thống đo kiểm, phản hồi và điều chỉnh tác động ngay trong quá trình gia công sản phẩm,
mà gia công CNC còn đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt do giảm thiểu thời gian gia công nhờ
tự động hóa cao các chuyển động phụ (cấp phôi, thay dao, bù dao,...), hoặc thực hiện đồng
thời nhiều nguyên công khác nhau.
Các chuyển động tịnh tiến dao hoặc phôi trong máy công cụ cần có các cơ cấu truyền
động từ động cơ đến cơ cấu chấp hành như: Vít me – đai ốc, bánh răng – thanh răng hoặc
tay quay – thanh truyền... Do vít me – đai ốc bi (VMĐB) có kết cấu khử khe hở, ma sát
nhỏ nên độ chinh xác truyền động và hiệu suất cao hơn. Vì vậy, VMĐB ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong máy công cụ, đặc biệt là máy công cụ CNC và đem lại hiệu quả kinh tế
rõ rệt
Do độ chính xác VMĐB quyết định độ chính xác chi tiết được gia công nên trên thế
giới đã có nhiều nghiên cứu, khảo sát các vấn đề liên quan tới cụm chi tiết VMĐB. Hiện
nay, tuổi thọ của bộ truyền này được ước lượng qua thời gian làm việc hoặc quãng đường
ma sát với độ tin cậy 90%. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Tải, tốc độ, môi trường,... trong đó yếu tố môi trường nhiệt ẩm chưa được quan tâm nghiên
cứu nhiều. Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB của máy công cụ CNC trên cơ sở mòn
trong điều kiện khí hậu Việt Nam có ý nghĩa khoa học và thực tế rất cao, do xu hướng thiết
kế, sử dụng VMĐB trong các bộ truyền động tịnh tiến chính xác ngày càng tăng và môi
trường làm việc của VMĐB tại Việt Nam là môi trường nhiệt đới ẩm. Mặt khác, bộ truyền
VMĐB hiện nay trong nước chưa sản xuất được và nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau,
15. 2
vì vậy tuổi thọ và độ tin cậy phân tán trong khoảng rộng. Kết quả nghiên cứu về mòn của
VMĐB là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và kế hoạch bảo dưỡng, sửa
chữa, thay thế VMĐB trong điều kiện Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ
mòn của VMĐB trong điều kiện có bổ sung chất bôi trơn và không bổ sung chất bôi trơn.
- Xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi
làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là VMĐB có mã hiệu: ISO 3408 – 16 x 05 x 222 – T7R4,
thường được sử dụng trong máy CNC cỡ nhỏ và trong các thiết bị cơ điện tử công nghiệp.
Phạm vi nghiên cứu:
- Môi trường thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm theo TCVN 7699-2-30
- Tải và tốc độ quay của VMĐB được xác định theo cỡ máy CNC và điều kiện sử dụng,
cụ thể:
Tải “F”: Từ 2500 N đến 3500 N
Tốc độ quay trục vít me “n”: Từ 78 vòng/phút đến 100 vòng/phút
- Các nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện không bổ sung chất bôi trơn, có kiểm
chứng với điều kiện bổ sung bôi trơn theo tiêu chuẩn.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
- Đưa ra phương pháp xác định mòn dọc trục của VMĐB.
- Đưa ra được “hệ số tuổi thọ” bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO
3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30.
- Xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy thực tế.
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể dùng để tham khảo và làm cơ sở khoa học cho việc xác
định tuổi thọ theo độ tin cậy của cụm VMĐB khi làm việc trong điều kiện khí hậu nhiệt
đới ẩm Việt Nam, từ đó có kế hoạch điều chỉnh, bảo dưỡng, thay thế phù hợp cho từng đối
tượng sử dụng có yêu cầu độ tin cậy khác nhau.
- Phần lớn các máy công cụ CNC sử dụng VMĐB tại Việt Nam được nhập khẩu từ
nhiều nguồn khác nhau, có chất lượng khác nhau nên việc nghiên cứu ảnh hưởng khí hậu
16. 3
nhiệt đới ẩm giúp người sử dụng có lựa chọn các thiết bị có tích hợp cụm VMĐB cho phù
hợp với điều kiện nhiệt ẩm ở Việt Nam.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu lý thuyết mòn, các yếu tố ảnh hưởng đến mòn, mối quan hệ giữa mòn và
độ chính xác, tuổi thọ của VMĐB.
Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế hệ thống tạo tải, thiết kế
nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm.
Thực nghiệm:
Xây dựng Quy hoạch thực nghiệm, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm.
Tổ chức thực nghiệm mòn cho VMĐB khi làm việc ở các điều kiện tải, tốc độ trong
điều kiện môi trường TCVN 7699 – 2 – 30.
Xử lý số liệu thực nghiệm, xây dựng và đánh giá hàm hồi quy với các công cụ, phần
mềm chuyên dụng cho tính toán, mô phỏng.
6. Nội dung luận án
Nội dung chính luận án bao gồm
Chƣơng 1: Tổng quan về vít me – đai ốc bi
Phân tích tổng quan về các dạng VMĐB thông dụng, vai trò của VMĐB trong máy
công cụ CNC và một số vấn đề liên quan tới VMĐB. Đánh giá các kết quả nghiên cứu đã
có của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan, đưa ra những vấn đề mà luận án sẽ tập
trung giải quyết.
Chƣơng 2: Lý thuyết tuổi thọ và độ tin cậy vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn
Trình bày các công trình nghiên cứu, tính toán của các nhà khoa học; Tiêu chuẩn có
liên quan và phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 3: Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và đo mòn
Sử dụng phương pháp thiết kế dạng modul để thiết kế nguyên lý và kết cấu máy thí
nghiệm; Quy hoạch thực nghiệm xác định phương pháp đo, sơ đồ đo sai lệch do mòn
Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Tổ chức thực nghiệm; Xử lý số liệu thực nghiệm; Xác định độ tin cậy, tuổi thọ VMĐB
trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam; Xác định hệ số tuổi thọ khi làm việc trong điều kiện
TCVN 7699 – 2 – 30.
17. 4
7. Các điểm mới của luận án
Luận án đã đưa ra được phương pháp xác định mòn dọc trục VMĐB trên thiết bị thử
nghiệm với điều kiện tải và tốc độ quay thay đổi, chịu tác động của môi trường theo TCVN
7699-2-30. Luận án đã đưa ra hệ số tuổi thọ bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB
theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và đồng thời xác định
được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam.
18. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI
1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi
Bộ truyền VMĐB là một trong các loại của bộ truyền vít me – đai ốc, có tác dụng biến
chuyển động quay của trục vít thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và ngược lại, hiện
được sử dụng khá phổ biến trong các máy móc, thiết bị. Hình 1.1 thể hiện hình ảnh một số
vít me – đai ốc:
a) Vít me - đai ốc thông thường (ma sát trượt) b) Vít me – đai ốc bi
Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc [63]
Đặc điểm bộ truyền vít me – đai ốc bi:
Trong các loại vít me – đai ốc, VMĐB có đặc điểm khác biệt bởi ma sát trong các bộ
truyền vít me – đai ốc thông thường là ma sát trượt, còn ma sát trong VMĐB là ma sát tổng
hợp cả lăn và trượt [26]. Đặc điểm này làm cho hiệu suất bộ truyền cao hơn, mất mát do
ma sát ít hơn, đáp ứng rất tốt với yêu cầu khởi động nhanh và dừng chính xác.
Trong VMĐB có rãnh hồi bi, tạo điều kiện để các bi chuyển động tuần hoàn trong đai
ốc bi. Đặc điểm này làm cho tải trung bình đặt lên từng bi là tương đối đều nhau, không có
hiện tượng mòn cục bộ một hoặc một vài viên bi trong bộ truyền.
Bằng các biện pháp khử khe hở trong bộ truyền, đồng thời có kết cấu dạng modul, bao
gồm các chi tiết tiêu chuẩn, thuận lợi cho việc gia công, chế tạo và lắp ráp chính xác
VMĐB. Nhờ đó, VMĐB có độ chính xác truyền động cao hơn, được ứng dụng trong thiết
kế chế tạo máy CNC và mở rộng ra ngày càng nhiều lĩnh vực khác. Hình 1.2 thể hiện hình
ảnh một số VMĐB thông dụng.
Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi [80]
Trục vít
Đai ốc
19. 6
Sử dụng VMĐB có các ưu điểm sau [1, 15]
- Mất mát công suất do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền 0,9;
- Hệ số ma sát lăn phụ thuộc rất nhỏ vào vận tốc lăn của bi trong vùng làm việc. Điều
đó nâng cao khả năng chuyển động ổn định;
- Khử khe hở và tạo sức căng ban đầu sẽ đảm bảo độ chính xác truyền dẫn cao hơn,
nhất là khi đảo chiều chuyển động.
Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo mà VMĐB có những nhược điểm cơ bản:
- Độ cứng chống biến dạng thấp hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc khác cùng kích
cỡ.
- Kích thước đai ốc lớn hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc cùng thông số truyền động.
- Khả năng chống quá tải thấp hơn so với các bộ truyền vít me – đai ốc khác.
Vai trò của vít me – đai ốc bi trong máy công cụ CNC
Các chuyển động phục vụ quá trình gia công cắt gọt trong máy công cụ nói chung,
máy CNC nói riêng đều bắt nguồn từ các động cơ điện quay. Khi cần truyền, biến đổi từ
chuyển động quay của động cơ sang tịnh tiến của bàn máy hoặc đầu trục chính,... để thực
hiện các chuyển động chạy dao (hoặc phôi), các cơ cấu vít me – đai ốc thường được lựa
chọn. Tuy nhiên, trong máy công cụ CNC – thiết bị điển hình về cơ điện tử hiện đại – yêu
cầu chuyển động tịnh tiến chính xác cao hơn, gia công linh hoạt và độ khó cao hơn,... Do
các ưu điểm nổi trội về đặc điểm cấu tạo của VMĐB, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu trên
nên ngày càng được sử dụng rộng rãi, thay thế cho các loại vít me – đai ốc thông thường.
Hình 1.3 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong máy CNC, với chức năng thực hiện chuyển
động chạy dao.
Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC [64, 76]
20. 7
Trong máy công cụ CNC, trục vít me thường được gá lắp cố định dọc trục với thân
máy, đai ốc được lắp cố định với bàn máy. Khi vít me thực hiện chuyển động quay nhờ hệ
thống truyền dẫn, làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc trục vít me và đưa bàn máy
chuyển động theo. Lượng dịch chuyển của đai ốc (cũng như bàn máy) được tính theo góc
quay của trục vít me và có thể thay đổi nhờ động cơ Servo. Độ chính xác dịch chuyển bàn
máy phụ thuộc vào độ chính xác vị trí đai ốc trong VMĐB và độ chính xác của hệ thống
điều khiển, phản hồi.
Để thực hiện các chuyển động phức tạp, có thể lắp trên bàn máy một bàn máy khác,
bàn máy trên có chuyển động tịnh tiến tương đối so với bàn máy dưới nhờ VMĐB và
thường là chuyển động vuông góc. Hình 1.4 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong bàn
máy của một máy phay CNC
Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao [52]
Trên hình:
(1): VMĐB trục Y; (2): Sống trượt bàn Y; (3): VMĐV trục X
(4): Sống trượt bàn X (5): Bàn trục Y; (6): Thân máy.
Nhìn vào hình 1.4 cho thấy: Bàn trục Y (5) có thể chuyển động tương đối với thân
máy (6) theo phương của sống trượt bàn Y (2). Nếu gá lắp bàn máy trục (bàn gá phôi, bàn
gá đài dao, hay bàn trục X,...) với đai ốc của vít me – đai ốc bi trục X (3), lượng dịch
chuyển và độ chính xác dịch chuyển của bàn máy đó hoàn toàn được điều khiển và xác
định bởi (3) và (4).
Bàn máy trong máy công cụ CNC có tác dụng thực hiện những chuyển động chạy dao
(hoặc phôi) trong quá trình gia công. Chất lượng chuyển động của nó liên quan trực tiếp
đến chất lượng và độ chính xác gia công. Do đó, VMĐB chính là cụm chi tiết có ảnh
1
2
6
3
4
5
21. 8
hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình gia công ( lượng dịch chuyển và độ chính xác
dịch chuyển của bàn máy).
VMĐB còn được ứng dụng trong những máy chuyên dụng khác hoặc những máy
không phải CNC. Những máy này cũng đòi hỏi độ chính xác truyền động cao, hiệu suất
làm việc lớn, ma sát nhỏ,... như: Máy đóng gói bao bì sản phẩm, dây chuyền công nghệ sản
xuất tự động, điêu khắc gỗ, …
1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi
1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng nổi tiếng cung cấp các loại VMĐB tiêu chuẩn
như: Thomson; Carry; Steinmeyer; Kurim; NSK; KSK; HIWIN; GTEN; TBI; NIKO,
SKF,… Mỗi hãng có những ký hiệu riêng, có sản phẩm theo tiêu chuẩn riêng, có sản phẩm
theo tiêu chuẩn chung. Tuy nhiên, có thể phân loại VMĐB như sau:
Phân loại theo chiều của ren vít
Theo cách phân loại này, có hai loại ren vít là ren trái và ren phải. Bộ truyền có ren
trái tuy được đề cập đến [33, 35, 60, 69, 70, 71], nhưng ít được sản xuất sẵn, đại trà. Có thể
mặc định VMĐB có ren phải. Hình 1.5 mô tả hai loại VMĐB có ren trái và phải.
Ren trái
Ren phải
Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải.
Phân loại theo số đầu mối ren:
- Loại có ren một đầu mối: Là loại phổ thông và hiện được sử dụng khá rộng rãi. Ren
một đầu mối là loại truyền chuyển động với độ chính xác cao hơn so với ren nhiều đầu mối
bởi chế tạo đơn giản hơn và bước vít thường nhỏ hơn. Hình 1.6 mô tả ren một đầu mối
Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối [60]
22. 9
Với lợi thế về khả năng thay đổi tốc độ nhờ động cơ servo và hệ số ma sát nhỏ hơn rất
nhiều so với các bộ truyền vít me - đai ốc ma sát trượt thông thường nên khi cần truyền
chuyển động với vận tốc lớn thì vẫn có thể dùng loại có ren một đầu mối và thay đổi tốc độ
nhờ động cơ servo mà không bắt buộc cần đến bộ truyền VMĐB loại có ren nhiều đầu
mối.
- Loại có ren nhiều đầu mối: Là loại được chế tạo phức tạp hơn so với loại ren một đầu
mối. Do các mối ren khi được chế tạo đều có sai số bước và sai số tích lũy, nên cần sự
chính xác rất cao giữa khoảng cách các mối ren trên đai ốc và khoảng cách giữa các mối
ren trên trục vít me tại các tiết diện khác nhau. Hình 1.7 thể hiện hình ảnh VMĐB có ren
nhiều đầu mối
Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối [60]
Loại VMĐB có ren nhiều đầu mối thường có góc xoắn vít lớn nên lực dọc trục tác
động lên các bi trong bộ truyền VMĐB có ren nhiều đầu mối nhỏ hơn so với loại một đầu
mối [25, 77], ưu điểm của bộ VMĐB có ren nhiều đầu mối là tỷ số truyền lớn hơn so với
loại một đầu mối.
Việc chế tạo phức tạp hơn so với đai ốc có ren một đầu mối có cùng độ chính xác.
Loại có ren nhiều đầu mối, cụm đai ốc có hai rãnh bi độc lập với nhau, không thay đổi tải
đặt trước. Bộ truyền kiểu này không được sử dụng rộng rãi. Hình 1.8 mô tả đai ốc cho ren
nhiều đầu mối
Đai ốc Rãnh hồi bi
Nắp chuyển hướng bi Nắp chuyển hướng bi
Trục vít me
Hình 1.8 Đai ốc có ren nhiều đầu mối [60]
Phân loại theo kiểu hồi bi trên đai ốc:
- Loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc: Rãnh hồi bi song song với đường tâm đai ốc.
Đường dẫn bi đến rãnh hồi bi được bố trí trên nắp của đai ốc. Kết cấu VMĐB loại có rãnh
23. 10
hồi bi theo lỗ trên đai ốc được chỉ ra trên hình 1.9. Ưu điểm của loại này là rãnh hồi bi nằm
bên trong đai ốc nên gọn và tính công nghệ cao, phân phối tải đều hơn. Tuy nhiên, kích
thước đai ốc to hơn, hạn chế hành trình hơn so với VMĐB cùng cỡ.
Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc [60]
- Loại có rãnh hồi bi kiểu ống: Là loại có phương án hồi bi phổ biến nhất hiện nay do
ưu điểm dễ chế tạo, sửa chữa và căn chỉnh, kích thước đai ốc không lớn. Ống hồi bi được
lắp vào đai ốc nằm trong giới hạn kích thước đường kính ngoài của đai ốc. Nhược điểm
của phương án này là phân phối lực trên đai ốc không đều, độ bền mòn của đầu ống thấp,
kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao. Hình 1.10 thể hiện vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi
bi kiểu ống
Rãnh hồi bi Trục vít me
Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [60]
- Loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: Rãnh hồi bi được bố trí trên một máng
lót đặc biệt. Để đặt máng lót rãnh hồi bi, trên đai ốc có phân bố các hốc cách đều theo chu
vi và được thể hiện như hình 1.11. Kết cấu này khác với các kết cấu khác ở chỗ đường hồi
bi là đường nối hai rãnh kế tiếp nhau và có ưu điểm: Kích thước đường kính đai ốc nhỏ
hơn kích thước của bộ truyền vít me khác có cùng đường kính, không bị mòn nhanh, có độ
tin cậy cao, chiều dài rãnh hồi bi nhỏ.
Đai ốc
Máng đổi hướng bi
Trục vít me
Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp [60]
Máng đổi
hướng bi
Đai ốc
Rãnh hồi bi
Trục vít me
24. 11
Tuy nhiên, nhược điểm của kết cấu hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp là chế tạo phức
tạp, độ khó cao, nhất là khi gia công rãnh hồi bi trên chi tiết đai ốc. Đồng thời, mỗi viên bi
chỉ chuyển động tương đối với đai ốc trên một vòng ren nên tải phân bố trên đai ốc và vít
me sẽ khó đều và phụ thuộc độ chính xác phân bố các hốc bi trên chu vi đai ốc.
Phân loại theo cách đặt tải trước và khử khe hở:
- Loại khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm: Loại này được đặt tải để khử khe hở
bằng cách ghép nối một tấm đệm vào giữa hai đai ốc. Khi muốn tải đặt trước là kéo, chiều
dày tấm đệm là dương; Khi muốn tải đặt trước là nén, chiều dày tấm đệm là âm.
Với chiều dày tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi tải đặt trước làm thay đổi độ
cứng của bộ truyền VMĐB. Phương pháp này có kết cấu đơn giản hơn nhưng có nhược
điểm là điều chỉnh khó khăn. Hình 1.12 mô tả vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở
và đặt tải trước bằng tấm đệm.
Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm [60]
- Loại khử khe hở bằng cách dùng đai ốc có hai hệ thống rãnh bi, với khoảng cách rãnh
lớn (hoặc nhỏ) hơn so với bước vít là α: Kết cấu này đòi hỏi chế tạo phức tạp và chính xác
hơn loại có hai đai ốc. Trong thân đai ốc chế tạo hai hệ thống rãnh bi cách nhau một
khoảng Ph ± α, trong đó α đặc trưng cho tải đặt trước ứng với từng loại VMĐB. Loại này
có nhược điểm là khoảng cách giữa hai hệ thống rãnh bi là cố định nên việc chỉnh sửa, khử
khe hở hoặc thay đổi tải đặt trước là không thực hiện được. Kết cấu loại khử khe hở kiểu
này được thể hiện ở hình 1.13. (Ph là ký hiệu bước vít me).
Hình 1.13 Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít khoảng α [60]
Tấm đệm
Tấm đệm
Tải trước kéo Tải trước kéo Tải trước nén Tải trước nén
Đai ốc bi
Ph Ph± Ph
25. 12
- Loại khử khe hở bằng cách tăng kích thước bi: Là loại cần độ chính xác chế tạo cao
hơn và yêu cầu lắp ráp khắt khe hơn. Kích thước không gian rãnh bi tạo bởi ren trên trục
vít và đai ốc được chế tạo nhỏ hơn hoặc bằng kích thước bi chịu tải làm cho viên bi tiếp
xúc cả hai má của rãnh trên trục vít và cả hai má của rãnh trên đai ốc. Đai ốc của VMĐB
loại này có kích thước nhỏ nhất so với các loại khác nhưng cũng là loại có độ cứng chống
biến dạng đàn hồi nhỏ nhất, thường được dùng trong các máy CNC đòi hỏi độ chính xác,
độ cứng không quá cao hoặc trong các tay máy, robot ... Hình 1.14 thể hiện kết cấu khử
khe hở bằng cách tăng kích thước bi
Hình 1.14 Khử khe hở bằng tăng kích thước bi [60]
- Loại khử khe hở và đặt tải bằng lò xo: Là loại dùng lò xo có tải đặt trước khá ổn định,
khả năng thay đổi tải đặt trước dễ dàng. Tuy nhiên độ đàn hồi của cụm đai ốc cao, sẽ có
chuyển vị lớn hơn khi tải tác động lớn. Bộ truyền này thường được sử dụng trong các máy
có tốc độ cao, tải nhỏ. Hình 1.15 thể hiện kết cấu VMĐB khử khe hở và đặt tải bằng lò xo
Hình 1.15 Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo [60]
Đai ốc
Trục vít
Đai ốc A Đai ốc BLò xo
Tải ngoài
Đai ốc A Đai ốc B
Lò xo
Ph Ph
Bi chịu tải
Bi tạo khoảng cách
Đai ốc
Trục vít
Đai ốc
Trục vít
26. 13
1.2.2. Theo cấp chính xác
Theo cấp chính xác làm việc yêu cầu của máy, thiết bị cơ khí, cùng với tải làm việc và
tuổi thọ dự kiến, bộ truyền VMĐB được lựa chọn sử dụng phải phù hợp. ISO 3408 – 3 quy
định phân loại VMĐB theo cấp chính xác dựa vào lượng sai lệch vị trí đai ốc bi. Trong đó,
VMĐB được phân theo các cấp chính xác khác nhau: C0; C1; ... C10. Chữ số đằng sau
càng lớn thể hiện độ chính xác thấp dần [33, 35, 37, 60, 69-71].
Hình 1.16 thể hiện ý nghĩa các thông số hình học theo cấp chính xác của VMĐB cho
trong bộ tiêu chuẩn ISO 3408
Hình 1.16 Thông số độ chính xác của bước vít me [35]
Trên hình
lu: Chiều dài đoạn ren vít me có ích; l: Chiều dài trục vít me;
C: Giá trị sai số tích lũy bước vít; Vup: Miền giá trị đo thực của mỗi phép đo;
e: Sai lệch vị trí của đai ốc; V2πp: Độ lệch khi đai ốc quay một vòng ren;
V300p: Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc di chuyển trên đoạn 300 mm bất kỳ;
ep: Chấp nhận sai số trong hành trình quy định.
Xét một VMĐB, khi cho vít me quay, đai ốc tịnh tiến từ điểm bắt đầu (điểm O) đến vị
trí A mong muốn, cách O một khoảng OA. Theo danh nghĩa chỉ cần cho vít me quay số
vòng là với Ph là bước vít danh nghĩa. Do sai số chế tạo, giá trị thực của bước
thường không bằng giá trị bước danh nghĩa (Ph) mà là (Ph ± p). Lúc đó đai ốc sẽ đi đến vị
trí cách A một khoảng OA ± p * n. Giá trị p * n = C là giá trị sai số tích lũy do bước vít,
cũng là lượng dịch chuyển cần bù cho bộ truyền VMĐB.
27. 14
Khi thực hiện phép dịch chuyển, không chỉ có sai số tích lũy do bước vít mới ảnh
hưởng đến sai lệch vị trí của đai ốc. Trong quá trình làm việc, do vít me còn chịu tải, ma
sát,... gây bến dạng đàn hồi, làm cho giá trị sai lệch vị trí đai ốc không đúng bằng C mà là
C ± ep . Giá trị ep chủ yếu là phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi và khe hở dọc trục, dấu “+”
hay “-” tùy theo chiều chuyển động của đai ốc.
ISO 3408 - 3 thể hiện các thông số đo và quy định cho giá trị của các thông số liên
quan tới độ chính xác VMĐB tùy theo cấp chính xác. Trong đó có quy định thống nhất về
điều kiện không tải khi đo. Trên hình 1.16 thể hiện ý nghĩa các thông số hình học theo cấp
chính xác quy định trong bộ tiêu chuẩn ISO 3408.
Các thiết bị đo và máy đo dù chính xác cỡ nào thì khi làm việc, bộ phận chuyển động
cũng chịu các lực gây rung động và ảnh hưởng đến tải tác động lên bộ truyền. Thực tế vị trí
thực của đai ốc sẽ không đúng bằng C + ep hay C– ep, giá trị vị trí thực của đai ốc sẽ khác
nhau giữa các lần đo và nằm trong khoảng “ đến ” khi đai ốc đi
theo chiều thuận hoặc “ đến ” khi đai ốc đi theo chiều ngược.
Giá trị Vup là do sai số phép đo, do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên...
Khi chiều dài đoạn ren làm việc Lu càng lớn, đồng nghĩa với bộ truyền VMĐB sẽ có
độ cứng vững kém hơn, mất ổn định hơn, các biến dạng kéo – nén và uốn sẽ lớn hơn làm
cho sai lệch vị trí đai ốc nhiều hơn. Do đó khi chiều dài đoạn ren chịu tải khác nhau, giá trị
của C và ep cho phép ứng với cùng mức cấp chính xác cũng khác đi. Bảng 1.1 quy định
giá trị ep cho phép theo cấp chính xác của VMĐB và chiều dài đoạn vít me làm việc.
Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao [37]
Chiều dài đoạn ren
làm việc Lu (mm)
Mức tối đa Sai lệch cho phép ep (m)
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
> ≤ 0 1 3 5 7 10
0 315 4 6 12 23 - -
315 400 5 7 13 25 - -
400 500 6 8 15 27 - -
500 630 6 9 16 32 - -
630 800 7 10 18 36 - -
800 1000 8 11 21 40 - -
1000 1250 9 13 24 47 - -
1250 1600 11 15 29 55 - -
1600 2000 - 18 35 65 - -
2000 2500 - 22 41 78 - -
2500 3150 - 26 50 96 - -
28. 15
3150 4000 - 32 62 115 - -
4000 5000 - - 76 140 - -
5000 6300 - - - 170 - -
Với những bộ truyền VMĐB làm việc có yêu cầu về độ chính xác vị trí không cao,
mức tối đa sai lệch cho phép được cho ở bảng 1.2
Bảng 1.2 ep cho phép với bộ truyền có không yêu cầu độ chính xác định vị cao [37]
Mức tối đa sai lệch cho phép ep (m)
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
0 1 3 5 7 10
Trong mỗi phép đo, lượng sai lệch giữa các kết quả đo do rung động và các yếu tố
ngẫu nhiên chỉ cho phép trong giới hạn nhất định. Nếu quá giới hạn này cần xem lại máy
và thiết bị đo. Bảng 1.3 cho biết lượng sai lệch do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên giữa
các kết quả đo trong cùng một phép đo
Bảng 1.3 Vup cho phép theo cấp chính xác [37]
Chiều dài đoạn ren
làm việc Lu (mm)
Lượng sai lệch kết quả đo Vup (m)
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
> ≤ 0 1 3 5 7 10
0 315 3,5 6 12 23 - -
315 400 3,5 6 12 25 - -
400 500 4 7 13 26 - -
500 630 4 7 14 29 - -
630 800 5 8 16 31 - -
800 1000 6 9 17 34 - -
1000 1250 6 10 19 39 - -
1250 1600 7 11 22 44 - -
1600 2000 - 13 25 51 - -
2000 2500 - 15 29 59 - -
2500 3150 - 17 34 69 - -
3150 4000 - 21 41 82 - -
4000 5000 - - 49 99 - -
5000 6300 - - - 119 - -
Sai lệch Vup sẽ không có ý nghĩa khi có sự sai lệch cục bộ tại một hoặc một vài điểm
trong bộ truyền, vì vậy cần có sự đánh giá và cho phép đối với bất kỳ đoạn chiều dài đơn vị
nào của bộ truyền, để đảm bảo ý nghĩa cho khái niệm cấp chính xác của vít me – đai ốc bi.
29. 16
Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác [37]
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
0 1 3 5 7 10
Giá trị cho phép V300p (m)
3,5 6 12 23 52a
210a
a: chỉ áp dụng cho bộ truyền vít me – đai ốc bi không yêu cầu độ chính xác vị trí cao
Bảng 1.5 V2p cho phép theo cấp chính xác [37]
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
0 1 3 5 7 10
Giá trị cho phép V2p (m)
3 4 6 8 - -
Dựa vào tiêu chuẩn ISO, mỗi hãng có những quy định riêng về cấp chính xác cần thiết
cho các trục của máy CNC. Sau đây là bảng yêu cầu cấp chính xác cần thiết của vít me –
đai ốc bi sử dụng cho các trục của các máy NC, CNC của một số hãng:
Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK [60]
Cấp ứng dụng Trục
Cấp chính xác
0 1 2 3 5 7 10
MáycôngcụNC
Tiện
X
Z
Phay
X
Y
Z
Trung tâm gia công
X
Y
Z
Doa có bạc dẫn
X
Y
Z
Khoan
X
Y
Z
Mài
X
Y
Gia công tia lửa điện (EDM)
X
Y
30. 17
Z
Máy cắt dây
X
Y
U
V
Máy cắt laser
X
Y
Z
Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN [33]
Cấp ứng dụng Trục
Cấp chính xác
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10
MáycôngcụCNC
Tiện X
Y
Phay
X
Y
Z
Trung tâm gia công
X
Y
Z
Doa có bạc dẫn
X
Y
Z
Khoan
X
Y
Z
Mài
X
Y
Gia công tia lửa điện
(EDM)
X
Y
Z
Máy cắt dây
X
Y
U
V
Máy cắt laser
X
Y
Z
31. 18
1.2.3. Theo công dụng
Vít me – đai ốc bi dùng trong các máy cần chuyển động chính xác vị trí cao [37]
Loại này thường dùng trong các máy gia công CNC, máy và thiết bị đo. Do yêu cầu
độ chính xác cao nên ngoài việc đòi hỏi độ chính xác cao của từng chi tiết trong VMĐB,
kích thước bộ truyền cũng thường phải lớn, để giảm lượng biến dạng đàn hồi làm sai lệch
vị trí hoặc kết quả đo.
Vít me – đai ốc bi dùng trong các máy không yêu cầu độ chính xác vị trí cao [37]
Loại này thường dùng cho các tay máy, rô bốt, thiết bị công nghiệp không quá đòi hỏi
độ chính xác quá cao về vị trí mà công việc chủ yếu là mang tải và truyền chuyển động.
Trường hợp đặc biệt, có thể dùng VMĐB với cấp chính xác 7 cho trục Z máy khoan CNC
[60].
1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi
Truyền động VMĐB khi làm việc, theo lý thuyết có thể gặp một số dạng hỏng sau [6]:
Hỏng do quá tải:
Khi tải trọng tĩnh lớn hơn giá tri tải trọng tĩnh cho phép, VMĐB sẽ bị hỏng dạng: vỡ
bi, biến dạng dẻo bề mặt làm việc, gãy, đứt trục; nứt, vỡ đai ốc,...
Hỏng do mỏi:
Khi chịu tải theo chu kỳ, mặc dù tải nhỏ hơn giá trị cho phép, nhưng do các vết nứt tế
vi xuất hiện kết hợp với sự đổi dấu ứng suất khi làm việc sẽ phát triển dần đến nứt, gãy
hoặc vỡ.
Hỏng do bị ăn mòn:
Dưới tác dụng của hóa học, môi trường
Hỏng do mài mòn:
Do tác dụng của tải (P), vận tốc (V) của chuyển động tương đối lăn và trượt.
Hỏng do mất ổn định:
Mặc dù tải tác động khá nhỏ so với giá trị cho phép cũng sẽ dẫn tới biến dạng, cong
vênh,... Trục vít me mất ổn định khi trục vít quá dài, hoặc có kết cấu không cứng vững (chỉ
hạn chế một đầu trục vít, đầu kia để tự do), ...
Thực tế, máy công cụ CNC là thiết bị gồm các chi tiết, cụm chi tiết có độ chính xác rất
cao, được trang bị các thiết bị tự động hóa hiện đại, tuổi thọ theo thiết kế hằng chục nghìn
giờ, nên máy CNC thường được trang bị các cơ cấu cảnh báo và phòng quá tải ở nhiều cấp
độ, do đó rất hiếm gặp VMĐB trong máy CNC bị hỏng theo trường hợp hỏng do quá tải
làm đứt, gãy, vỡ bi, hoặc do vít me mất ổn định. Dạng hỏng do vít me bị mất ổn định, chỉ
32. 19
xuất hiện với máy CNC có kết cấu VMĐB không cứng vững, một đầu để tự do hoặc do
trong quá trình lắp đặt không đạt gây sai số. Chủ yếu VMĐB bị hỏng là do mỏi, và mòn do
ăn mòn, mài mòn.
Ở các nước công nghiệp phát triển cao như Mỹ, Đức, Nhật,... hỏng máy móc, thiết bị
được hiểu là khi máy không đạt độ chính xác gia công, khi đó máy, thiết bị sẽ bắt buộc
phải loại bỏ khỏi dây truyền sản xuất, hoặc chuyển đổi đối tượng, mục đích sử dụng, hoặc
coi là rác thải công nghiệp. Như vậy, mòn do ăn mòn, mài mòn là dạng hỏng chủ yếu của
các thiết bị, máy móc.
Dưới đây là một số hình ảnh về hỏng VMĐB:
Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi [29, 67]
Hình 1.17 thể hiện hình ảnh VMĐB bị rỉ sét bề mặt làm việc do bảo quản, sử dụng
trong điều kiện môi trường làm việc không tốt.
Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi [48]
Hình 1.18 thể hiện hình ảnh VMĐB bị tróc rỗ bề mặt làm việc do mòn mỏi
Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me [65]
Hình 1.19 thể hiện hình ảnh VMĐB bị biến dạng (cong ) do kết cấu kém cứng vững.
33. 20
Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của VMĐB [61]
Như vậy, khái niệm tuổi thọ, hay hỏng là khi VMĐB không đủ độ chính xác cho phép
ở cấp chính xác ban đầu.
Mòn là nguyên nhân chủ yếu gây sai hỏng VMĐB. Khi lượng mòn đạt tới mức giới
hạn, sai số bộ truyền đạt mức tối đa cho phép là lúc bộ truyền VMĐB hết tuổi thọ của nó
và coi là hỏng.
Trên thực tế , tổng hợp mòn do ăn mòn (hóa học) và kết hợp với mài mòn (cơ học) là
dạng mòn của VMĐB: mòn cơ hóa, trong đó mòn oxy hóa là dạng mòn quan trọng nhất –
“là quá trình phá hủy dần dần bề mặt của chi tiết khi ma sát, do tương tác các lớp bề mặt
hoạt tính bị biến dạng dẻo với oxy không khí hay của dầu bôi trơn hấp thụ trên bề mặt.
Mòn oxy hóa thể hiện ở sự hình thành các lớp màng hấp thụ hóa học, của các hợp chất
hóa học giữa kim loại với oxy và bong tách của lớp màng ấy ra khỏi bề mặt ma sát. Mòn
oxy hóa là quá trình ổn định, cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi các lớp màng oxyt,
đặc trưng cho điều kiện làm việc bình thường của cặp ma sát” [5].
Bộ truyền VMĐB khi chịu ảnh hưởng quá trình mòn sẽ giảm dần kích thước, dẫn đến
độ chính xác bị suy giảm, sai lệch vị trí tương đối của cặp ma sát tăng lên làm tăng va đập,
rung động. Khi áp suất tại điểm va đập lớn gây biến dạng dẻo bề mặt, chất lượng bề mặt
xấu đi dẫn đến ma sát và mòn tăng lên. Quá trình mòn chịu ảnh hưởng rất nhiều của môi
trường bảo quản và sử dụng. Đó cũng chính là cơ sở để triển khai nghiên cứu luận án.
1.4. Các đặc trƣng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi
VMĐB là cụm chi tiết truyền động chính xác được thiết kế chế tạo có tiêu chuẩn hóa
cao, vì vậy dù có rất nhiều chủng loại vít me – đai ốc bi với các ký hiệu và nguồn gốc khác
nhau nhưng vẫn cơ bản giống nhau về các thông số hình học và các đặc trưng. Một số đặc
trưng cơ bản của bộ truyền VMĐB [1, 15]:
- Truyền động chính xác cao;
- Hiệu suất bộ truyền cao (>90%), mất mát do ma sát thấp;
- Lực ma sát phụ thuộc rất ít vào vận tốc;
- Có thể khử và điều chỉnh khe hở giữa vít me và đai ốc bi cả khi đảo chiều...
34. 21
VMĐB theo tiêu chuẩn có các phương pháp tính là tương đối giống nhau. Một số
phương pháp tính cơ bản cho VMĐB:
1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [38]
Độ cứng vững dọc trục cụm VMĐB được tính toán xác định theo từng chủng loại,
kích thước, vật liệu. Nhìn chung có thể xác định dựa trên công thức quy định như sau:
(1.1)
Trong đó:
RS: Độ cứng vững của trục VMĐB đoạn chịu tải;
Rnu,ar: Độ cứng vững của đai ốc bi.
Các giá trị RS; Rnu,ar phụ thuộc vào đặc điểm bộ truyền và được nêu trong [38]
1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [39]
(1.2)
Trong đó:
: Số bi chịu tải trên một vòng ( );
i: Số vòng bi chịu tải;
: Góc tiếp xúc (độ, 0
);
: Đường kính bi (mm);
: Đường kính vòng tròn tạo bởi tâm các viên bi (mm);
: Góc rãnh bi (độ, 0
);
: Số bi không chịu tải;
√
;
; ; ;
: bán kính cong đối ứng (mm-1
).
1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [39]
(1.3)
Trong đó:
Tải động cho một vòng bi chịu tải, [ ( ) ] (N);
Cs: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên trục (N);
Cn: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên đai ốc (N);
CS = fC . (cos )0,86
. zl
2/3
. DW
1,8
. tan . (cos )1.3
;
35. 22
: hệ số về hình học, ( ) ;
( ); ; ( ) ;
; ( ) ;
; .
1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [39]
Tải tĩnh sửa đổi C0am
C0am = C0a . fh0 . fac (1.4)
Trong đó:
: hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải tĩnh, ( ) ;
fac: hệ số phụ thuộc cấp chính xác.
Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác
Cấp chính xác 0, 1, 3 và 5 7 10
fac 1 0,9 0,7
Tải động sửa đổi Cam
Cam = Ca . fh . fac . fm (1.5)
Trong đó:
hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải động, ( ) ;
fm: hệ số phụ thuộc vào xử lý khí khi luyện thép.
Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử ký khí khi nhiệt luyện thép
Thép làm bi fm
Nung nóng 1
Hút chân không 1,25
Nung nóng lại bằng điện 1,44
Nung nóng trong chân không 1,71
1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [39]
Khi vít me – đai ốc bi làm việc một chiều:
Tuổi thọ tính theo số vòng quay:
( ) (vòng) (1.6)
Tuổi thọ tính theo giờ:
36. 23
(h) (1.7)
Trong đó:
Fm: tải dọc trục tương đương
nm: tốc độ quay tương đương
Khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều:
Tuổi thọ được tính tương tự công thức 1.6 và 1.7 cho từng chiều (tải tương đương tính
riêng cho từng chiều) và tuổi thọ tổng hợp được tính theo công thức:
( ) (vòng) (1.8)
Trong đó:
L1; L2: Tuổi thọ tính cho từng chiều, lần lượt là chiều 1 và chiều 2 (ngược lại)
1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi
Vật liệu làm vít me, bi, đai ốc đòi hỏi chịu được tải trọng tĩnh và va đập tương đối cao,
bề mặt chịu mòn cao, độ cứng HRC = 58 – 62. Để đạt được cơ tính tổng hợp cao nhất, vật
liệu làm VMĐB phải được nhiệt luyện tốt kết hợp với các biện pháp nâng cao chất lượng
bề mặt.
Mỗi hãng chế tạo sử dụng vật liệu và công nghệ luyện kim khác nhau, đặc biệt là
những sản phẩm đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật và độ chính xác cao bởi những sản phẩm này làm
nên thương hiệu và mang bản sắc riêng của hãng.
Độ cứng và một số vật liệu làm VMĐB được các hãng công bố [33, 60, 69, 70]:
Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt
Hãng Chi tiết Vật liệu
Phƣơng pháp
xử lý bề mặt
Độ cứng
(HRC)
TBI
Vít me SCM450; S55C; CF53. Tôi cảm ứng 58 – 62
Đai ốc SCM415. Thấm Cacbon 58 – 62
Bi SUJ2. ≥60
HIWIN
Vít me
Thấm Cacbon
hoặc tôi cảm ứng
58 – 62
Đai ốc Thấm Cacbon 58 – 62
Bi 62 – 66
NSK
Vít me SUS440C; SUS630.
Thấm Cacbon
hoặc tôi cảm ứng
≥58
Đai ốc SUS440C; SUS630. Thấm Cacbon ≥58
Bi
37. 24
Steinmeyer
Vít me
Cf53; 100Cr6; X20Cr13;
X90CrMoV18; X30CrMoN15-1
; XD15W; X105CrMo17.
Tôi cảm ứng
Quá trình hóa học
Vi sóng
Xử lý bề mặt
≥ 58
Đai ốc 100Cr6; X30CrMoN15-1. ≥ 58
Bi
102Cr6; X30CrMoN15-1;
X105CrMo17.
≥ 58
1.6. Môi trƣờng làm việc của máy công cụ CNC
1.6.1. Môi trƣờng làm việc của máy CNC trên thế giới
- Một số đặc điểm môi trường tại các nước có nền Công nghiệp phát triển:
Các nước có nền công nghiệp Cơ khí phát triển hầu hết ở Bắc Mỹ và Châu Âu và một
phần ở Châu Á (Nhật Bản, Đài Loan). Bắc Mỹ có khí hậu trải dài từ bắc đến nam: Hàn đới,
ôn đới, núi cao, hoang mạc và nửa hoang mạc, cận nhiệt đới và nhiệt đới; Khí hậu Châu âu
và Nhật Bản chủ yếu là ôn đới và khí hậu Đài loan là cận nhiệt đới [74]. Đặc điểm chung
của đa số khí hậu môi trường tại các nước này là sự biến động nhiệt độ trong ngày không
lớn.
- Một số hình ảnh về môi trường làm việc của các công cụ CNC
Hình 1.21 Máy CNC làm việc trong môi trường có điều hòa không khí [54]
Hình1.21 là hình ảnh các máy CNC đang làm việc trong một nhà xưởng gia công cơ
khí. Có thể dễ dàng nhận thấy nhà xưởng này được trang bị điều hòa không khí để giữ ổn
định nhiệt độ và quạt trần để lưu thông không khí.
38. 25
Hình 1.22 Máy CNC làm việc trong điều kiện thông thường [56]
Hình 1.22 cho thấy các máy CNC làm việc trong môi trường nhà xưởng công nghiệp
với nhiệt độ không có sự biến động lớn.
Rõ ràng VMĐB khi được sử dụng trong các máy, thiết bị hiện đại, có yêu cầu độ
chính xác cao, ở các nước công nghiệp phát triển đều được quan tâm và nghiêm túc chấp
hành các quy định bảo quản, sử dụng và luôn đặt trong môi trường có đối lưu, có điều hòa
không khí hoặc trong môi trường có nhiệt độ, độ ẩm ổn định, biến động thấp.
1.6.2. Môi trƣờng làm việc máy CNC tại Việt Nam
- Một số đặc điểm khí hậu Việt Nam [11, 73, 74]
Lãnh thổ Việt Nam kéo dài theo phương kinh tuyến, giới hạn trong những vĩ độ từ
80
30’ đến 230
22’ và kinh độ từ 1020
10’ đến 1090
21’ nằm hoàn toàn trong vùng khí hậu
nhiệt đới. Do đặc điểm vị trí địa lý mà khí hậu ở Việt Nam phân thành ba vùng khí hậu
riêng biệt, miền Bắc mang khí hậu cận nhiệt đới ẩm, Bắc Trung Bộ mang khí hậu nhiệt đới
gió mùa, miền Nam và Nam Trung Bộ mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới Xavan. Đồng thời,
do lãnh thổ Việt Nam lại nằm ở phía đông nam của lục địa Châu Á, giáp với biển Đông
nên khí hậu Việt Nam chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa mậu dịch thường thổi ở các
vùng có vĩ độ thấp.
39. 26
Hình 1.23 Sự phân chia vùng khí hậu tại Việt Nam [59]
Miền khí hậu phía Bắc:
Miền Bắc Việt Nam là phần lãnh thổ phía Bắc dãy Hoành Sơn với khí hậu cận nhiệt
đới ẩm với bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông rõ rệt. Tuy nhiên miền này có khí hậu mang đặc
điểm nổi bật là rất mất ổn định về thời gian bắt đầu - kết thúc của các mùa và cũng mất ổn
định về nhiệt độ.
Miền khí hậu Bắc Trung Bộ:
Miền Bắc Trung Bộ là lãnh thổ phía đông dãy Trường Sơn, kéo dài từ phía Nam dãy
Hoành Sơn tới Phan Thiết. Đây là miền có khí hậu nhiệt đới gió mùa, đồng thời là vùng
khí hậu chuyển tiếp giữa hai miền bắc và miền Nam với Nam Trung Bộ.
Miền khí hậu phía Nam:
Miền Nam là phần lãnh thổ phía Nam Bộ và Tây nguyên, có khí hậu nhiệt đới Xavan với
hai mùa là mùa mưa và mùa khô. Quanh năm, nhiệt độ của miền này cao nhưng khí hậu ít
biến động.
Do địa hình nên nhiệt độ và biến đổi nhiệt độ của các vùng trong lãnh thổ Việt Nam
được phân hóa rõ rệt và có những đặc điểm rất riêng. Miền Bắc có bốn mùa Xuân, Hạ,
Thu, Đông do thường xuyên có sự thay đổi nhiệt độ giữa các mùa trong năm, giữa các
tháng, các ngày trong tháng và đặc biệt là biến đổi nhiệt độ trong ngày của miền Bắc là khá
40. 27
lớn. Mức biến đổi nhiệt lớn nhất thông thường từ 8-100
C, cá biệt có những ngày chênh lệch
nhiệt độ lên tới 150
C. Độ ẩm tương đối của miền Bắc cũng biến động lớn (50% đến 100%),
trong đó khoảng tháng 3, 4 là thời điểm độ ẩm không khí cao nhất, có nhiều ngày độ ẩm
tương đối lên đến 100%. Miền Nam có khí hậu nhiệt đới Xavan nên nhiệt độ tuy cao
nhưng duy trì khá ổn định trong ngày, giữa các ngày trong tháng và giữa các tháng trong
năm. Miền Bắc Trung Bộ là vùng có khí hậu chuyển tiếp giữa hai vùng trên nên sự biến
đổi nhiệt độ chủ yếu diễn ra giữa các tháng trong năm, sự biến đổi nhiệt trong ngày khá
nhỏ (từ 30
C50
C)
Nhiệt độ trung bình tại các tỉnh ở Việt Nam cũng tăng dần theo vị trí địa lý, càng về
phía gần đường xích đạo, nhiệt độ trung bình càng tăng lên. Vị trí thường có nhiệt độ trung
bình thấp nhất ở Việt Nam là SaPa (khoảng 80
C) đến Cà Mau, Cần Thơ (khoảng 260
C).
Nhiệt độ trung bình ở Hà Nội – miền bắc Việt Nam khoảng (17-20)0
C.
- Các tiêu chuẩn thử nghiệm môi trường tại Việt Nam
Với địa hình phân bố phức tạp, khí hậu Việt Nam phân hóa rất rõ rệt từ bắc tới Nam
và từ Đông sang Tây, được thể hiện qua sự đa dạng về môi trường thử nghiệm cho bởi bộ
tiêu chuẩn quốc gia TCVN – Tuyển tập tiêu chuẩn quốc gia về thử nghiệm môi trường
TCVN 7699 – công bố năm 2007. Ví dụ: TCVN 7699-2-1: 2007 Thử nghiệm A: Lạnh;
TCVN 7699-2-11: 2007 Thử nghiệm Ka: Sương muối; TCVN 7699-2-13: 2007 Thử
nghiệm M: Áp suất không khí thấp; TCVN 7699-2-14: 2007 Thử nghiệm N: Thay đổi
nhiệt độ; TCVN 7699-2-18: 2007 Thử nghiệm R và hướng dẫn: Nước; TCVN 7699-2-30:
2007 Thử nghiệm Db: Nóng ẩm, chu kỳ (chu kỳ 12h + 12h); TCVN 7699-2-33: 2007
Hướng dẫn thử nghiệm thay đổi nhiệt độ,....
Hình 1.24 và 1.25 thể hiện điều kiện môi trường làm việc của máy móc, thiết bị công
nghệ cao, các máy CNC tại Việt Nam.
Hình 1.24 Máy CNC làm việc trong một Công ty cơ khí tại Việt Nam
41. 28
Hình 1.25 Máy CNC trong sản xuất thường được làm việc trong nhà xưởng thông thoáng với môi
trường tự nhiên.
Qua thực tế khảo sát máy CNC cho thấy: Máy gia công CNC được sử dụng ở Việt
Nam hầu hết được đặt trong nhà xưởng có mức độ cách nhiệt, cách ẩm với môi trường
tương đối kém, không được quan tâm đúng mức sự ảnh hưởng môi trường đến độ chính
xác và khả năng làm việc của máy CNC, trừ trường hợp các máy CNC đặt trong các
trường đại học, cao đẳng.
1.7. Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi
1.7.1. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới:
Các vấn đề kỹ thuật mang tính phổ biến hầu như đã được nghiên cứu và công bố bởi
các nhà khoa học nghiên cứu độc lập và các hãng sản xuất vít me – đai ốc bi trên thế giới
như: Thomson, Kurim, NSK, SKF, Steimeyer, HIWIN,...
Theo lịch sử phát triển, VMĐB đã xuất hiện từ trước những năm 1960 nhưng chưa
được nghiên cứu, phát triển và sử dụng rộng rãi. Năm 1963, một trong những nhà khoa học
tiên phong khi nghiên cứu về VMĐB Levit GA với công trình nghiên cứu về sự tuần hoàn
trong bộ truyền VMĐB [49]. Trong nghiên cứu này Levit GA cho rằng chuyển động tương
đối giữa bi – bi; bi – rãnh bi trên trục và bi – rãnh bi trên đai ốc là chuyển động lăn không
trượt (không có sự trượt tương đối giữa bi và trục vít me, bi và đai ốc). Sau đó đã có nhiều
nhà nghiên cứu chỉ ra kết quả nghiên cứu trên là không đúng và không thực tế [26]. Do kết
quả nghiên cứu của Levit GA không ảnh hưởng nhiều đến các ứng dụng của VMĐB thời
đó nên nó vẫn được sử dụng trên thực tế.
42. 29
Sau năm 1960, VMĐB đã được sử dụng nhiều hơn và có nhiều ứng dụng trong thiết bị
công nghiệp, đặc biệt đã được ứng dụng trong các máy công cụ điều khiển chương trình số
đầu tiên tại học viện kỹ thuật Massachusetts (Mỹ). Các nghiên cứu về VMĐB sau này [24,
66], đều khẳng định tiếp xúc giữa bi – rãnh trượt trong bộ truyền VMĐB có bản chất là
tiếp xúc Hertz – nhà khoa học người Đức Hertz đã công bố công trình nghiên cứu về tiếp
xúc của các vật thể rắn biến dạng đàn hồi. Mối quan hệ giữa tải, vật liệu và kích thước biến
dạng cũng như vết tiếp xúc, đồng thời chuyển động giữa bi - rãnh bi, bi – bi không chỉ là
lăn mà còn có cả quá trình trượt tương đối. Đó là một trong những cơ sở khoa học quan
trọng cho các nhà khoa học sau này khi nghiên cứu về tiếp xúc, biến dạng, mòn và các đặc
điểm khác của bộ truyền VMĐB.
Bảng1.11 Tiếp xúc giữa hai vật rắn có biến dạng đàn hồi [31]
ápsuấtvếttiếpxúckhitáilập
√
∑
√
()
√
√()
√
Kíchthƣớcvếttiếp
xúc
√
∑
√
∑
√
()
√
a=l;
√
a=l;
√
MôtảDạngtiếpxúc
Tiếpxúcmặt:
Ápsuấtdanhnghĩa
̅
Tiếpxúcđiểm:
Ápsuấtdanhnghĩa
̅
Tiếpxúcđường:
Ápsuấtdanhnghĩa
̅
43. 30
Khi các cặp ma sát có chuyển động tương đối với nhau, dưới tác dụng của tải, các bề
mặt tiếp xúc giữa hai vật thể sẽ chịu biến dạng đàn hồi làm tăng diện tích tiếp xúc thực so
với danh nghĩa. Áp suất tại vết tiếp xúc giảm đi, tạo nên vết tiếp xúc có kích thước mới.
Bảng 1.11 trình bày sự hình thành vết tiếp xúc giữa một số dạng bề mặt, công thức tính
kích thước và áp suất tại vết tiếp xúc.
Tổng quan, trong các lĩnh vực nghiên cứu về VMĐB, có thể kể ra một số công trình
nghiên cứu sau:
Các nghiên cứu về ma sát trong bộ truyền VMĐB [24, 26, 55, 62, 66, 68], chỉ ra rằng
trong tiếp xúc giữa bi với các rãnh bi trên trục vít me và đai ốc có biến dạng đàn hồi, ma
sát giữa các bi với rãnh là tổng hợp ma sát trượt và ma sát lăn. Đây là dạng tiếp xúc Hertz.
Khi mô tả ma sát trong bộ truyền VMĐB, [24, 26, 66] mô tả ma sát trong bộ truyền như
những chiếc lông đàn hồi trong chiếc bàn chải, độ lệch của lông gây ra bởi hai mặt có
chuyển động tương đối làm tăng lên lực ma sát, được thể hiện ở hình 1.26
Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong VMĐB [24, 66]
Lực ma sát tạo ra từ việc “uốn – đàn hồi” của lông [66]:
(1.9)
Trong đó:
F: lực ma sát;
: độ cứng;
: hệ số giảm chấn;
: hệ số ma sát nhớt;
: Vận tốc tương đối giữa hai bề mặt, .
Bảng1.12 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính, so sánh [55]
Hệ số ma sát Mô phỏng Ước tính So sánh%
Hệ số ma sát tĩnh (fs)
Ma sát khô (fc)
Ma sát nhớt (fv)
Vận tốc bôi trơn giới hạn ()
0,4
0,1
1x10-7
300
0,4937
0,1019
1x10-7
258
23,4
1,9
11,9
14
44. 31
Lượngmòndọctrục(m)
Số hành trình
Tảiđặttrước(N)
Mòn dọc
trục
Tải đặt
trước
Tải đặt trước ban đầu: 1470(N)
Tải dọc trục: 588N
-10%Tải đặt trước
Nghiên cứu về vận tốc bộ truyền VMĐB [19, 20, 28], cho thấy có sự ảnh hưởng từ
yếu tố vận tốc đến mòn. Theo đó, với tải đặt trước ban đầu 1470 (N), đặt tải dọc trục
588(N) chạy với vận tốc 31,4 (rad/s) 300 (vòng/phút) với 2.000 (hành trình) thì lượng
mòn dọc trục khoảng 10-9
(m); lượng mòn lớn hơn khi tốc độ quay lớn hơn, lượng mòn
tương ứng tăng lên xấp xỉ số lần bằng số lần tăng của số hành trình; Tải đặt trước tương
ứng giảm dần tuyến tính theo số hành trình, tốc độ quay của trục vít càng cao thì tốc độ
giảm của tải đặt trước càng tăng. Hình 1.27 thể hiện mối quan hệ lượng mòn, tải, tốc độ và
số hành trình.
Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình [28]
Khi nghiên cứu quan hệ giữa vận tốc và tải đặt trước [20] cho thấy có sự liên quan của
hai yếu tố này. Theo đó, khi tốc độ quay của trục vít thay đổi, ảnh hưởng đến sự tăng, giảm
tải đặt trước tác dụng lên bộ truyền, tải đặt trước sẽ tăng lên với lượng tăng khoảng 0,5
(N/(vòng/phút)) và giảm cũng tương ứng với mức giảm như trên. Hình 1.28 thể hiện quan
hệ tốc độ và tải đặt trước.
Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tăng (giảm) tải đặt trước [20]
LượngtăngtảFpr(N)
Tốc độ quay trục vít (vòng/phút)
45. 32
Mô hình
động lực học
Mô hình độ cứng
Khi nghiên cứu về biến dạng đàn hồi trong VMĐB [22, 25], chỉ ra sai lệch bộ truyền
(sai lệch vị trí đai ốc) ứng với đặc tính tải, vận tốc và kích thước bộ truyền, theo đó sai lệch
vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi sẽ tương đối tuyến tính với tải, vận tốc.
Lý giải cho việc này [22], hệ gồm vòng bi chặn, trục vít me, đai ốc và bi được mô
hình hóa như là hệ nối tiếp. Độ cứng của hệ sẽ phụ thuộc hệ số độ cứng của từng phần tử
và có dạng của hệ các lò xo nối tiếp.
∑ (1.10)
Trong đó:
K : Độ cứng của cơ hệ;
Ki: Độ cứng khâu thứ i của cơ hệ.
Hình 1.29 thể hiện việc mô hình hóa VMĐB.
Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn - vít me – đai ốc và bi [22]
Trên hình:
1: Động cơ; 2: Khớp nối; 3: Ổ bi chặn; 4: Thước quang đo góc
5: Trục vít me 6: Thước quang đo thẳng 7: Bàn máy 8: Đai ốc bi
9: Ổ bi đỡ m: Tổng khối lượng các thành phần chuyển động u: tín hiệu điều khiển
rm: Tỷ lệ phân phối khối lượng cho các thành phần có chuyển động quay và phải thỏa mãn (0 < rm < 1).
Keq: Độ cứng dọc trục tương đương Ceq: Giá trị giảm chấn tương đương
Khi tải thay đổi, biến dạng từng phần tử là khác nhau nhưng tuyến tính với tải, nên
biến dạng tổng là tổng các biến dạng tuyến tính, sẽ vẫn tuyến tính với tải. Các điểm đầu và
điểm cuối của đai ốc trên hành trình là điểm có lực tác động bằng 0, đồng thời là giao điểm
của hai quá trình giảm lực và tăng lực, thay đổi chiều chuyển động, do đó sai lệch vị trí đai
ốc tại hai điểm này là bằng 0.
46. 33
Tảitácđộnglênbi
Thời gian
Góc tiếp xúc cũng ảnh hưởng tới biến dạng đàn hồi của bộ truyền [25, 77], khi góc
tiếp xúc tăng ( tăng) sẽ làm giảm tải nén tác dụng vào bi làm giảm biến dạng đàn hồi của
bi (tăng cứng, giảm biến dạng đàn hồi, sai lệch).
Nghiên cứu về rung động trong bộ truyền [19, 43, 46, 57] cho thấy nguyên nhân gây
rung động trong bộ truyền là quá trình thay đổi lực đột ngột tác dụng lên bi khi bi trong
giai đoạn chuyển tiếp giữa rãnh bi trên trục ren vít và trong ống hồi bi - hình 1.30.
Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [43]
Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW [43]
Ứng với giá trị tốc độ quay và đường kính trục vít me nhất định, có thể điều chỉnh
được tần số lực thực tế tác động vào bộ truyền nhờ chọn lại đường kính bi của bộ truyền.
Tần số lực tác động không phải tần số cộng hưởng của bộ truyền bởi một phần của nó đã
gây ra sự sai lệch của hệ thống [43]. Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 1.31.
Nghiên cứu về biến đổi nhiêt trong bộ truyền VMĐB [21, 44, 72, 79] chỉ ra sự tăng
nhiệt, tốc độ tăng giảm nhiệt ở các giai đoạn khi bộ truyền làm việc, có hay không có chất
bôi trơn, làm mát, và với các tải, chiều chịu tải, vận tốc khác nhau.
Nhiệt độ trong bộ truyền VMĐB sẽ tăng lên xấp xỉ 100
C sau khoảng 40 phút, sau đó
ổn định. Tùy thuộc vào vị trí các điểm trên bộ truyền mà lượng tăng nhiệt độ là khác nhau.
Tầnsốbivàotải
tốc độ quay (vòng/phút)
Trọng lượng bàn = 1000kg
47. 34
Vị trí trên trục vít (mm)
Sailệchvịtríđaiốc
Nghiên cứu được thực hiện dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn trên mô trường ANSYS
[79]. Hình 1.32 thể hiện kết quả nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền VMĐB.
Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [79]
Thay đổi nhiệt độ làm cho vị trí đai ốc (bàn máy) sẽ sai lệch tương đối lớn so với vị trí
danh nghĩa [44]. Theo đó, sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc có thể lên tới hằng trăm
micromet (sai lệch tăng theo chiều dài đoạn trục vít). Hình 1.33 mô tả kết quả của biến đổi
nhiệt độ (tăng) làm sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc.
Hình 1.33 Biến đổi nhiệt độ dẫn tới sai lệch vị trí đai ốc [44].
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tới tuổi thọ vòng bi. Khi xuất hiện nước
trên bề mặt, tuổi thọ tương đối của vòng bi giảm đi rất lớn, được thể hiện ở trên hình 1.34.
Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bôi trơn [41]
Tuổithọtươngđối
Mật độ nước (phần triệu)
Nhiệtđộ(0
C)
Thời gian (giây)
Điểm 1
Điểm 2
Điểm 3
Điểm 4
Điểm 1
Điểm 2
Điểm 3
Điểm 4
Không làm mát
Đo được
Máy tính
48. 35
Theo đó, tuổi thọ tương đối giảm đi xấp xỉ 3 lần khi mật độ nước trong chất bôi trơn
tăng lên 4 lần [41]. Tỷ lệ này tương đối ổn định, tuyến tính.
Khi nghiên cứu sự phân bố tải cho các bi trong bộ truyền VMĐB khi một trong các bi
có lỗi kích thước [77]. Theo đó, tải đặt lên các viên bi có lỗi kích thước có thể tăng lên đến
2 lần nếu viên bi có kích thước lớn hơn và có thể không chịu tải khi viên bi có kích thước
nhỏ hơn. Khi VMĐB khi chịu tải nén, tải phân phối trên bi đầu tiên là lớn nhất, giảm dần
về phía xa ổ đỡ chặn trục vít me, tải đặt lên viên bi đầu tiên có độ lớn gấp 1,4 1,6 lần độ
lớn tải đặt lên viên bi cuối cùng. Khi vít me chịu tải kéo, tải phân phối trên các bi tương
đối đều hơn so với khi VMĐB chịu tải nén. Giá trị tải trên các bi gần nhau được phân phối
dạng chậu, các viên bi ở hai đầu sẽ chịu tải cao hơn so với các viên bi ở giữa, và tỉ lệ này
vào khoảng 1,15 lần. Hình 1.35 thể hiện sự phân phối tải trên VMĐB khi có lỗi kích thước.
Hình 1.35 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước [77]
Khi nghiên cứu VMĐB có tải đặt trước, được bôi trơn và không bôi trơn. Theo đó,
mòn VMĐB khi được bôi trơn sẽ nhỏ hơn so với không bôi trơn, phụ thuộc chủ yếu vào tải
dọc trục và tốc độ quay của vít me – đai ốc bi [23]. Hình 1.36 thể hiện kết quả nghiên cứu.
(a) không dầu bôi trơn (b) có dầu bôi trơn
Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi [23]
không bôi trơn
có bôi trơn
HiệusuấtVMĐB
Lực dọc trục Lực dọc trục
VMĐB thường
Góc Helix=5,44; Số viên bi: 44
1 + Tốc độ quay trục vít: 90 (vg/ph)
2 Tốc độ quay trục vít: 125 (vg/ph)
3 Tốc độ quay trục vít: 200 (vg/ph)
Dữ liệu thực nghiệm (mòn VMĐB)
Dữ liệu lý thuyết (Tải đặt trước 1800N)
Góc Helix=5,44; Số viên bi: 44
1 + Tốc độ quay trục vít: 90 (vg/ph)
2 Tốc độ quay trục vít: 125 (vg/ph)
3 Tốc độ quay trục vít: 200 (vg/ph)
Dữ liệu thực nghiệm (mòn VMĐB)
Dữ liệu lý thuyết (Tải đặt trước 1800N)
49. 36
Nhìn chung việc nghiên cứu, thiết kế những vấn đề kỹ thuật liên quan đến VMĐB đã
được các nước công nghiệp phát triển đặc biệt là Đức, Mỹ, Nhật, ... nghiên cứu và giải
quyết, cho ra các sản phẩm chất lượng cao, ổn định. Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đề
cập đầy đủ vấn đề ảnh hưởng của môi trường, các điều kiện môi trường làm việc đến mòn,
sai lệch, cũng như tuổi thọ của VMĐB – điều này thể hiện ở việc tiêu chuẩn ISO về thử
nghiệm môi trường chưa có bản nào tương đương với môi trường theo TCVN 7699-2-30
hay IEC 60068-2-30.
1.7.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam
Máy công cụ CNC được đưa vào Việt nam từ những năm 90, nhưng những nghiên
cứu về cụm VMĐB còn khá khiêm tốn trong phạm vi hẹp. Năm 2006, một nhóm tác giả
trong nước đã nghiên cứu “Tính toán ứng suất và tuổi thọ trong truyền động vít me-bi”,
đưa ra các công thức tính tải trọng riêng, ứng suất và chu kỳ chịu tải trên bề mặt con lăn,
rãnh lăn theo độ bền mỏi và số chu kỳ cơ sở trong bộ truyền VMĐB [2]. Năm 2007, cũng
nhóm tác giả này đã nghiên cứu “ Xây dựng cơ sở tính toán truyền động vít me ma sát lăn
và chế tạo thử truyền động vít me ma sát lăn” và trên cơ sở kết quả thu nhận của đề tài,
nhóm tác giả trên đã tiếp tục đưa ra nghiên cứu “Phương pháp tính toán thiết kế và lựa
chọn truyền động vít me-bi” [3, 4]. Trong các nghiên cứu trên của cùng nhóm tác giả, các
công bố được đưa ra đều dựa trên cơ sở ma sát trong bộ truyền VMĐB là ma sát lăn – điều
này chưa đầy đủ - theo nhiều khoa học trên thế giới [ 24, 26,...]. Đồng thời, nội dung chủ
yếu mà các nghiên cứu trên đưa ra là các công thức tính toán kích thước và chọn bộ truyền.
Trong lĩnh vực nghiên cứu sự ảnh hưởng của mòn gây bởi các yếu tố nhiệt ẩm (nhiệt
độ, độ ẩm) của môi trường Việt Nam [11], mòn đường dẫn hướng ma sát lăn chịu ảnh
hưởng mạnh của khí hậu nhiệt đới ẩm. Thực nghiệm được thực hiện với ba mức tải 2kgf;
4kgf; 6kgf, ở một trong ba mức nhiệt độ 50
C; 300
C; 450
C và một trong ba mức độ ẩm
RH51%; RH75% và RH99% đã cho thấy: giá trị tốc độ mòn có thể tăng lên đến 200% và
tương ứng tuổi thọ có thể giảm đi đến 50%;
Khí hậu Việt Nam được ghi nhận là khí hậu nhiệt đới ẩm, tuy nhiên lại phân hóa rất
phức tạp theo địa hình và biến đổi từ Bắc tới Nam. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tại các
vùng khí hậu không chỉ đơn thuần là cộng cơ học các tác động riêng lẻ, sự đa dạng trong
bộ các tiêu chuẩn TCVN 7699 (kể trên) cũng đã nói rõ sự khác biệt này. Do đó, hoàn toàn
có thể khẳng định, trong các nghiên trong và ngoài nước hiện nay, chưa có nhà khoa học
nào nghiên cứu thực nghiệm về VMĐB khi làm việc trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn
TCVN 7699 – 2 – 30.
50. 37
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong chương 1, qua nghiên cứu tổng quan về VMĐB: Vai trò, phân loại, các đặc
trưng cơ bản và tình hình nghiên cứu về VMĐB của các tác giả trong nước và trên thế giới
cho thấy:
- Độ chính xác truyền động của cụm VMĐB ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác kích
thước và hình dáng hình học của sản phẩm khi gia công trên máy công cụ CNC cũng như
độ chính xác vị trí của thiết bị công nghiệp, thiết bị đo có sử dụng VMĐB.
- Có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác
truyền động và tuổi thọ của bộ truyền VMĐB như: Tải, tốc độ, rung động, ma sát, mòn, ...
nhưng chưa đề cập nhiều đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm (nhiệt ẩm) đến mòn VMĐB.
Một số công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn của vật liệu nhưng với
điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tương đối ổn định, không có biến động nhiệt ẩm trong khoảng
thời gian tiến hành thực nghiệm. Hiện nay, TCVN 7699-2-30 được sử dụng trong các
nghiên cứu về ảnh hưởng của khí hậu nóng ẩm, chu kỳ - một kiểu môi trường khá đặc
trưng cho khí hậu miền Bắc của Việt Nam.
- Cho đến nay Việt Nam chưa chế tạo được VMĐB thành phẩm. Các VMĐB nói riêng
và máy công cụ CNC nói chung đều được nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau. Môi
trường khí hậu Việt Nam có đặc thù “khí hậu nhiệt đới ẩm”, đồng thời việc sử dụng, bảo
dưỡng hiện nay đều dựa theo tài liệu kỹ thuật về VMĐB được nước ngoài công bố. Tuổi
thọ và độ tin cậy VMĐB trong điều kiện môi trường Việt Nam chưa được quan tâm nghiên
cứu nhiều.
- Từ những vấn đề nêu trên, luận án lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy
của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam”. Đây là vấn đề cần
thiết, mới và phù hợp với chủ trương đổi mới trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa
cũng như hội nhập của nền kinh tế Việt Nam.
51. 38
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT
ME – ĐAI ỐC BI TRÊN CƠ SỞ MÒN
2.1. Tổng quan về mòn vật liệu:
2.1.1. Mòn theo thời gian
Trong điều kiện ma sát mòn bình thường, sự phụ thuộc của mòn theo thời gian hoặc
quãng đường ma sát được chia thành thành ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn chạy rà, giai
đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt [5]. Hình 2.1 biểu diễn sự phụ thuộc của mòn
vào thời gian.
Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L [5]
Giai đoạn chạy rà là giai đoạn có tốc độ mòn giảm dần do ban đầu tiếp xúc thực nhỏ,
áp suất lớn gây biến dạng dẻo, các nhấp nhô bị phá hủy và đồng thời bị nén ép tạo thành
các bề mặt thứ cấp có tiếp xúc thực lớn hơn, khi áp suất riêng trung bình phù hợp với áp
suất riêng cho phép thì tốc độ mòn sẽ giảm đến một giá trị ổn định theo thời gian, quá trình
mòn lúc này chuyển sang giai đoạn mòn ổn định.
Giai đoạn mòn ổn định: giai đoạn này lượng mòn tuyến tính với thời gian hoặc quãng
đường ma sát. Với lượng mòn giới hạn được xác định trước có thể dự báo được tuổi thọ
làm việc của cặp ma sát
Giai đoạn mòn khốc liệt: Khi lượng mòn U đạt giá trị tới hạn, nó làm thay đổi rõ ràng
chế độ lắp ghép, tăng sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc dẫn đến va đập của
các bề mặt ma sát và chuyển sang quá trình mòn khốc liệt, trạng thái hình học tế vi xấu đi,
nhấp nhô tăng lên làm tốc độ mòn ngày càng tăng mạnh.
“Trong giai đoạn mòn ổn định, thừa nhận quy luật mòn là tuyến tính” [5, 7]. Để
xác định được quy luật của giai đoạn này cần ít nhất giá trị của lượng mòn tại hai thời điểm
khác nhau, từ đó xác định được tốc độ mòn của giai đoạn mòn bình thường này.
Quãng đường ma sát (thời gian)
Lượngmòn