ĐÁNH GIÁ sự hòa TRỘN GIỮA KHÍ và dầu TRONG hỗn hợp bôi TRƠN ổ TRỤC CHÍNH máy CÔNG cụ CNC TRONG ỐNG hòa TRỘN EVALUATION OF MIXTURE BETWEEN AIR AND OIL IN OIL – AIR LUBRICATION MIXTURE OF CNC MACHINE TOOL’S SPINDLE BEARING IN MIXTURE PIPE

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐÁNH GIÁ SỰ HÒA TRỘN GIỮA KHÍ VÀ DẦU TRONG HỖN HỢP BÔI TRƠN Ổ TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ CNC TRONG ỐNG HÒA TRỘN EVALUATION OF MIXTURE BETWEEN AIR AND OIL IN OIL – AIR LUBRICATION MIXTURE OF CNC MACHINE TOOL’S SPINDLE BEARING IN MIXTURE PIPE ThS Nguyễn Vĩnh Hải1a; TS Lê Giang Nam2b; TS Trần Thị Thanh Hải2c Viện Cơ khí, ĐH Hàng hải Việt Nam, Hải Phòng, Việt Nam Viện Cơ khí, ĐH Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam a b vinhhaihh@vimaru.edu.vn; nam.legiang@hust.edu.vn; chai.tranthithanh@hust.edu.vn TÓM TẮT Khi trục máy công cụ quay với tốc độ cao, nhiệt sinh ổ bi cổ trục lớn, dẫn đến biến dạng ổ bi, làm giảm độ xác máy Để giải vấn đề đó, trục cần bôi trơn Có nhiều phương pháp bôi trơn, phương pháp bôi trơn hỗn hợp khí - dầu phương pháp hiệu trục hoạt động cao tốc Trong báo tác giả sử dụng phương pháp mô số để đánh giá hòa trộn khí dầu hỗn hợp khí - dầu bôi trơn ổ trục máy công cụ CNC ống hòa trộn, từ tìm quy luật hình thành hỗn hợp Từ khóa: bôi trơn khí - dầu; cao tốc; ổ trục; CNC; Ansys Fluent; mô số ABSTRACT Temprature operation in bearing is very high when spindle of machine tool rotates in high speed; therefore, bearing is deformed There are many lubrication methods in which oil – air lubrication is an effective approach while spindle is running in high speed In this paper numerical simulation method has been used to evaluate mixture of air and oil in oil – air lubrication mixture which is used to lubricate CNC spindle in the mixture tube, based on that principles of mixture formation have been found Keywords: oil – air lubrication; high speed; bearing; CNC; Ansys Fluent; numerical simulation GIỚI THIỆU Máy công cụ CNC sử dụng rộng rãi gia công chế tạo xưởng khí tính kỹ thuật bật như: tính tự động hoá, độ xác, chất lượng bề mặt gia công, suất gia công, tính linh hoạt, tập trung nguyên công cao có giá trị kinh tế lớn Để nâng cao tính kinh tế, độ xác, chất lượng gia công nâng cao suất, máy CNC ngày cải tiến, hướng cải tiến tăng tốc độ trục Để tăng tốc độ trục phải giải đồng thời vấn đề gia tăng nhiệt độ, biến dạng nhiệt chi tiết thay đổi độ cứng Nhiệt độ ổ trục tăng trình gia công yếu tố ảnh hưởng đến gia công xác máy công cụ Những lỗi nhiệt báo cáo đến 70% tổng số lỗi máy công cụ lỗi nhiệt trục cần quan tâm để giảm lỗi phần [1, 2, 3] Các tham số tải trọng bôi trơn phù hợp yếu tố quan trọng để giảm nhiệt độ cho ổ trục hoạt động tốc độ cao [4] Hiện có nhiều phương pháp bôi trơn trục máy công cụ, kể đến phương pháp phương pháp bôi trơn mỡ, ngâm dầu, tuần hoàn, kim phun, hỗn hợp khí dầu [8] Đối với phương pháp bôi trơn mỡ dùng bôi trơn nhiều loại ổ 743 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nhiều cấp tốc độ khác Tuy nhiên, sử dụng mỡ bôi trơn bị giới hạn tốc độ quay 1x106 vòng/ phút [4] Phương pháp bôi trơn ngâm dầu, tuần hoàn có tác dụng bôi trơn làm mát ổ tốt, nhiên cần tăng tốc độ lên cao phương pháp lại không phù hợp ma sát dầu tăng lại nguyên nhân sinh nhiều nhiệt [4] Theo nghiên cứu Cheng-Hsien Wu, Yu-Tai Kung [4]; K Ramesh, S.H Yeo, Z.W Zhong, Akinori Yui [5]; H M Shuyun Jiang [6]; Yeau - Red Jeng, Pay Yau Huang [7], bôi trơn hỗn hợp khí - dầu bôi trơn phù hợp máy CNC cao tốc Nguyên tắc bôi trơn hỗn hợp khí - dầu dầu xé nhỏ nhờ dòng khí có áp suất cao thổi qua, chia tách dầu thành hạt nhỏ, hạt dầu nhỏ dòng khí nén vận chuyển vào vị trí cần bôi trơn Các nghiên cứu bôi trơn cao tốc thực nhiên, hiểu biết hình thành hỗn hợp khí - dầu theo thông số đầu vào đầu hỗn hợp khí nhiều hạn chế, Các nghiên cứu trước chủ yếu thực theo hướng thực nghiệm [4] [5] [6] [7] để đánh giá tác động hỗn hợp khí dầu đến sinh nhiệt ổ trục chính, nghiên cứu hình thành hỗn hợp môi chất bôi trơn ổ trục toán cần thực Về nhân tố ảnh hưởng đến hình thành hỗn hợp khí - dầu, kết cấu, hình dạng phối khí dầu (gic lơ) tiêu chuẩn hóa, lại thông số áp suất khí nén, lượng dầu cấp, thời gian cấp dầu,…là thông số mà nhà sản xuất chưa công bố, dẫn đến nhà nghiên cứu chủ động mặt công nghệ chế tạo hệ thống bôi trơn hỗn hợp khí - dầu Nghiên cứu sử dụng phương pháp số để mô số trình hình thành hỗn hợp khí - dầu bôi trơn, để xác định thông số vận tốc dầu, khí, khuấy trộn khí dầu dòng hỗn hợp khí - dầu, từ tạo tiền đề cho nghiên cứu hỗn hợp khí dầu bôi trơn HỆ THỐNG BÔI TRƠN DẠNG KHÍ DẦU CHO TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ CNC Yêu cầu bôi trơn ổ trục máy công cụ: Với ổ trục hoạt động với tốc độ thấp ta sử dụng phương pháp bôi trơn ngâm dầu, tuần hoàn,…; nhiên, tốc độ tăng cao, sử dụng phương pháp bôi trơn tăng lực cản nhớt dầu dẫn đến giảm mômen quay trục chính, giảm công suất tăng ma sát ổ Để giải vấn đề nêu trên, dầu phải đưa vào ổ trục cách phù hợp Dầu cần đưa vào dạng hạt nhỏ với tốc độ cao để không bị văng đưa vào khu vực quay cao tốc Hình hệ thống bôi trơn hỗn hợp khí dầu bao gồm phần tử: bơm dầu, dùng để bơm dầu từ bình chứa dầu qua ống dẫn dầu vào van hòa trộn, bơm điều chỉnh lượng dầu bơm cho tốc độ chảy dầu từ 0,05 – 10 m/s; hòa trộn, có tác dụng hòa trộn dòng khí với dầu nhỏ giọt để hình thành hỗn hợp khí dầu, mặt nguyên lý van hòa trộn có mô hình vật lý tương tự hình (đối tượng nghiên cứu báo này); ống dẫn hỗn hợp khí dầu, bao gồm đầu gắn với van hòa trộn, đầu khác gắn với kim phun, dùng để vận chuyển hỗn hợp khí dầu từ van hòa trộn đến vị trí cần bôi trơn theo nghiên cứu ChengHsien Wu, Yu-Tai Kung [4], ống dẫn nên có chiều dài m đường kính từ – 16 mm; ống dẫn khí nén, dùng để vận chuyển khí nén với vận tốc 10 m/s Hình Hệ thống tạo hỗn hợp khí dầu bôi trơn 744 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Để hòa trộn tốt khí dầu, thông số kỹ thuật van hòa trộn, thông số đầu vào áp suất không khí (vận tốc không khí), lượng dầu qua (vận tốc dầu) yếu tố ảnh hưởng đến hình thành hỗn hợp khí dầu, để có hòa trộn tốt dầu khí ta phải xác định thông số kể Bằng thực nghiệm với việc xây dựng hệ thống thay đổi chế độ yếu tố xác định hòa trộn tốt [4] [5] [6] [7], nhiên thời gian chi phí thực nghiệm lớn Để giảm thiểu hạn chế đó, báo sử dụng mô số với Ansys Fluent để nghiên cứu hình thành hỗn hợp khí dầu bôi trơn Mô hình số VOF phương pháp mô Ansys Fluent cho phép thay đổi yếu tố đầu vào để từ xác định giá trị đầu vào phù hợp MÔ HÌNH MÔ PHỎNG SỐ Ansys Fluent môđun CFD phần mền thương mại Ansys Nó dùng phổ biến cho mô phỏng, phân tích dòng chảy truyền nhiệt với mô hình thủy động, đặc biệt vùng có kết cấu hình học phức tạp 3.1 Mô hình vật lý toán Van hòa trộn máy CNC thiết bị tiêu chuẩn hóa Phạm vi tốc độ làm việc trục thường lớn, chế độ bôi trơn cần phù hợp với điều kiện tương ứng Do đó, chế độ bôi trơn tương ứng với vùng tốc độ quay trục cần rõ Trước hết, cần đánh giá thay đổi thông số đầu vào áp suất khí nén (tốc độ dòng khí), tốc độ nhỏ giọt (tốc độ dòng dầu) tới hòa trộn khí dầu Để thực mô số dòng hỗn hợp khí dầu ống, báo sử dụng mô hình vật lý sau: Chiều dài ống 500 mm, đường kính ống 10 mm, ống dẫn dầu có đường kính mm ống cách mặt trước ống dẫn khí dầu 20 mm (hình 2) Với mô hình vật lý này, ta thỏa mãn điều kiện toán mô số, vừa đảm bảo tính đơn giản toán, vừa đảm bảo đủ để mô tả nguyên lý trình Hình Mô hình vật lý ống hòa trộn Thuộc tính vật lý dầu bôi trơn dùng cho ổ trục máy công cụ CNC khí nén mô tả bảng Để khảo sát hình thành hỗn hợp khí dầu ta chia thành ba toán có thông số đầu vào Bảng Để đơn giản hóa mô hình, toán tuân theo giả thiết sau: Không có biến đối pha dầu; Sự chuyển đổi nhiệt dầu khí không đáng kể tính chất thể tích, áp suất nhiệt độ cố định dòng làm việc; Áp suất không phục hồi miệng ống pha hòa trộn; Không khí coi dòng nén được, khí đầu vào dòng khí nén coi không nén số Mach nhỏ 0,3 Bảng Tích chất vật lý khí dầu bôi trơn Khí nén Dầu bôi trơn Khối lượng riêng (kg/m3) Độ nhớt (Pa.s) 1,225 827 1,8.10-5 2,6.10-2 745 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Các toán để khảo sát hình thành hỗn hợp khí dầu Vận tốc không khí (m/s) Vận tốc dầu (m/s) Bài toán 10 0,05 Bài toán 10 0,5 Bài toán 10 10 3.2 Giải pháp Bài toán giải dựa tính toán áp suất, lựa chọn phù hợp với dòng có vận tốc thấp dòng không nén Giải pháp tính toán ẩn (implicit) sử dụng thu hội tụ nhanh Thông số dòng chảy động sử dụng lựa chọn thời gian để thu sơ đồ xếp dòng chảy xếp dòng tiến trình động Mô hình sử dụng mô hình hai pha, sử dụng toán VOF xây dựng phần mềm Ansys Fluent để thực tính toán a Thiết lập mô hình Để đánh giá hòa trộn khí dầu hỗn hợp khí dầu ống ta thiết lập mô hình 3D hình Mô hình dựng phần mềm khí Solidworks, Inventor, Catia, … hay mô đun Modeling Ansys Workbend b Chia phần tử Từ mô hình vật lý, mô hình hóa với CAD 3D hình 3, sử dụng Ansys workbend chia lưới phần tử ống hỗn hợp khí dầu hình Hình Mô hình ống khí dầu Hình Chia phần tử c Thiết lập điều kiện biên Vì toán dòng dịch chuyển ống nên chọn hướng xử lý toán áp suất, thời gian động thời gian toán thay đổi (Transient) Mô hình toán lựa chọn mô hình VOF (bài toán nhiều pha) hình 5, Sau lựa chọn thông số đầu vào cho dòng khí dầu giải thiết mục 4.2 Hình Lựa chọn loại toán Hình Lựa chọn mô hình VOF 746 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Với chế độ bôi trơn cụ thể, toán thực ba trường hợp: a - Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 0,05 m/s; b - Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 0,5 m/s; c - Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 10 m/s, kết thu sau: 4.1 Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 0,05 m/s Phân bố pha mặt phẳng đối xứng (Hình 7), ta thấy giai đoạn đầu dầu khí tách biệt, đến giai đoạn sau dầu khí hòa trộn vào chạy dọc theo thành ống Qua biểu đồ phân bố pha (Hình – 10) ta thấy vận tốc dầu 0,05 m/s vận tốc không khí 10 m/s dầu hòa trộn thành lớp, khu vực thành ống, có lượng dầu bám thành ống, lớp khu vực hòa trộn dầu khí, theo phân tích lượng dầu khu vực tương đối nhau, tỷ lệ dầu khí từ 0,45 đến 0,55 Lớp dòng không khí Như vậy, với vận tốc dầu 0,05m/s ta thấy lớp hỗn hợp khí dầu phân bố theo thành ống, điều giúp cung cấp hỗn hợp đặn đảm bảo thành phần dầu khí nhiều Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Hình Sự phân bố pha mặt phẳng đối xứng dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) Hình Sự phân bố pha dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) thành ống Hình Phân bố pha Hình 11 Phân bố pha Hình 10 Phân bố pha mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không khí màu đỏ) khí màu đỏ) khí màu đỏ) 4.2 Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 0,5 m/s Phân bố pha mặt phẳng đối xứng (Hình 12), phân tích biểu đồ cho thấy dòng khí dầu hoàn toàn tách biệt nhau, có hình thành hỗn hợp khí dầu Khi tăng vận tốc dầu lên 0,5 m/s, dầu không phân tán xung quanh thành ống mà chạy ống theo dòng gần thống Sự hình thành lớp hỗn hợp dầu khí tương tự trường hợp trên, nhiên theo phân tích biểu đồ (Hình 13 – 16) phân bố dọc xung quanh thành ống không So sánh hình hình 14 ta thấy hỗn hợp khí dầu vị trí đầu hình 14 không đều, dầu có tốc độ cao hơn, dòng không khí phân tách đặn 747 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV dòng dầu, dẫn đến tình trạng dầu tập trung thành pha riêng biệt chảy phần ống Điều lợi cho bôi trơn ổ bi máy CNC ổ đỡ máy CNC quay với tốc độ cao nên để dầu bôi trơn thâm nhập vào vị trí cần bôi trơn cần có tốc độ lớn Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Hình 12 Sự phân bố pha mặt phẳng đối xứng dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) Hình 13 Sự phân bố pha dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) thành ống Hình 14 Phân bố pha Hình 15 Phân bố pha Hình 16 Phân bố pha mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không khí màu đỏ) khí màu đỏ) khí màu đỏ) 4.3 Vận tốc dòng khí 10 m/s vận tốc dầu 10 m/s Khi vận tốc dầu tăng lên 10 m/s qua phân tích biểu đồ (Hình 17 – 21) pha dầu di chuyển dọc theo nửa ống dẫn, hòa trộn khí dầu gần không có, điều dẫn đến không phù hợp bôi trơn ổ trục không tạo lên hỗn hợp khí dầu Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Mặt cắt ngang Hình 17 Sự phân bố pha mặt phẳng đối xứng dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) Hình 18 Sự phân bố pha dầu (màu đỏ) khí (màu xanh) thành ống 748 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 19 Phân bố pha Hình 20 Phân bố pha Hình 21 Phân bố pha mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không mặt cắt ngang (pha không khí màu đỏ) khí màu đỏ) khí màu đỏ) KẾT LUẬN Bằng phương pháp mô số nghiên cứu hai pha dầu (dầu bôi trơn) pha khí (khí nén), báo rằng: Khi vận tốc pha khí dầu tương đương nhau, hình thành hỗn hợp khí - dầu Khi giảm vận tốc pha dầu so với vận tốc pha khí, hình thành hỗn hợp khí - dầu bắt đầu diễn Sự hòa trộn tốt độ chênh vận tốc hai pha khí pha dầu ngày lớn Để xác định phù hợp hỗn hợp khí - dầu đến chế bôi trơn ổ trục chính, cần đánh giá thêm ảnh hưởng dạng kết cấu hòa trộn tới phân bố pha TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B JB, "International status of thermal error research," Ann CIRP, pp 45-56, 1990 [2] Srinivasa N, Ziegert JC, Mize CD, "Spindle thermal drift measuarement using the laser ball bar," Prec Eng, pp 18-28, 1996 [3] Tseng PC, Ho JL, "A study of high - precision CNC lathe thermal errors and compensation," Int J Adv Manuf Technol, pp 1-8, 2002 [4] Cheng-Hsien Wu, Yu-Tai Kung, "A parametric study on oil/air lubrication of a high speed spindle," Precision Engineering, pp 162-167, 2005 [5] K Ramesh, S.H Yeo, Z.W Zhong, Akinori Yui, "Ultra-high-speed thermal behavior of a rolling element upon using oil–air mist lubrication," Journal of Materials Processing Technology 127 (2002) 191–198, 2002 [6] H M Shuyun Jiang, "Investigation of the High Speed Rolling Bearing Temperature Rise With Oil-Air Lubrication," Journal of Tribology, Vols 133 / 021101-1, 2011 [7] Yeau - Red Jeng, Pay Yau Huang, "Temperature rise of hybrid ceramic and steel ball bearings with oil - mist lubrication," Journal of Tribology, pp Vol 133/021101-1, 2011 [8] Ansys Fluent Help, 2014 749