Cơ sở đảm bảo, nâng cao độ chính xác của phép đo độ tròn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Tạ Thị Thuý Hƣơng CƠ SỞ ĐẢM BẢO, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHÉP ĐO ĐỘ TRỊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Vũ Tồn Thắng TS Nguyễn Cảnh Quang Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với điều kiện Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS TS Vũ Toàn Thắng Nghiên cứu sinh Tạ Thị Thuý Hương TS Nguyễn Cảnh Quang LỜI CÁM ƠN Trong q trình học tập nghiên cứu tơi nhận nhiều giúp đỡ, góp ý chia sẻ người Lời xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Cơ khí Đặc biệt tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể Thầy hướng dẫn PGS.TS Vũ Toàn Thắng, TS Nguyễn Cảnh Quang, Thầy hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc tới Q Thầy Cơ Bộ mơn Cơ khí Chính xác Quang Học bảo cho ý kiến bổ ích, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn anh chị em công tác Bộ mơn Cơ khí xác Quang Học, tập thể NCS Bộ môn chia sẻ tạo điều kiện giúp Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đo Lường Quốc gia, Trung tâm Đo lường Quân đội, Phòng đo lường Mitutoyo Hà Nội giúp đỡ tơi q trình thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Hải Phòng, Ban lãnh đạo Khoa Điện – Cơ tạo điều kiện chế độ, thời gian, công việc giúp hoàn thành nhiệm vụ Cuối xin cảm ơn đến gia đình, người thân bạn bè chia sẻ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, Ngày 20 tháng năm 2016 Tác giả luận án Tạ Thị Thuý Hương MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1.Danh mục chữ viết tắt 2.Danh mục chữ thuật ngữ 3.Danh mục ký hiệu DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU 15 MỞ ĐẦU 17 Lý lựa chọn đề tài luận án 17 Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp phạm vi nghiên cứu 17 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 18 Những kết 18 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN 19 1.1 Đặt vấn đề 19 1.2 Các định nghĩa sai lệch độ tròn 19 1.2.1 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 19 1.2.2 Định nghĩa sai lệch độ tròn theo tiêu chuẩn Việt Nam 20 1.3 Phƣơng pháp đo độ tròn 21 1.3.1 Phương pháp đo dụng cụ cầm tay 21 1.3.2 Phương pháp đo khối V 22 1.3.3 Phương pháp đo máy đo tọa độ 23 1.3.4 Phương pháp đo máy đo độ tròn chuyên dùng 24 1.4 Một số nghiên cứu ngồi nƣớc ổ khí quay phƣơng pháp đo độ tròn kết hợp nhiều đầu đo 28 1.4.1 Các nghiên cứu lý thuyết tính tốn đệm khí 28 1.4.2 Các nghiên cứu kết cấu ổ khí quay 34 1.4.3 Các nghiên cứu kết hợp nhiều đầu đo 38 1.5 Kết luận chƣơng 43 CHƢƠNG 2: ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH TÂM CỦA PHÉP ĐO ĐỘ TRỊN BẰNG Ổ KHÍ QUAY 44 2.1 Đặt vấn đề 44 2.2 Cơ sở tính tốn thiết kế đệm khí: 45 2.2.1 Xác định thông số kết cấu đệm khí 47 2.2.2 Độ cứng đệm khí 57 2.2.3 Xác định áp suất nguồn làm việc cho ổ khí 57 2.2.4 Kích thước kết cấu đệm khí thiết kế 60 2.2.5.Kết cấu ổ khí quay 60 2.3 Phân tích yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng ổ khí quay định hƣớng công nghệ gia công chi tiết ổ khí 61 2.3.1 Xét ảnh hưởng việc bố trí đệm khí mặt trụ đến khả định tâm ổ khí 61 2.3.2 Xét ảnh hưởng bố trí đệm khí tới độ cứng làm việc ổ khí quay 65 2.3.3 Xét ảnh hưởng tải trọng đặt lệch bàn quay đến độ nghiêng đường tâm trụ quay 66 2.3.4 Xét ảnh hưởng sai số hình học tới chức làm việc đệm khí trụ trục quay 67 2.3.5 Xét ảnh hưởng độ nhám bề mặt 70 2.4 Xây dựng thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết 71 2.4.1.Thực nghiệm đo kiểm, đánh giá thơng số hình học nhám bề mặt chi tiết ổ khí 71 2.4.2 Thực nghiệm đánh giá đặc tính làm việc ổ khí quay 75 2.5.Kết luận: 83 CHƢƠNG 3: NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO ĐỘ TRÒN BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP NHIỀU ĐẦU ĐO 82 3.1 Đặt vấn đề: 83 3.2 Phƣơng pháp đo độ tròn sử dụng đầu đo 83 3.2.1 Cơ sở lý thuyết 83 3.2.2 Xác định vị trí đặt đầu đo 90 3.2.3 Đánh giá sai số phương pháp sử dụng đầu đo 91 3.3 Phƣơng pháp đo độ tròn sử dụng đầu đo 93 3.3.1 Cơ sở lý thuyết 93 3.3.2 Xác định vị trí đặt đầu đo 97 3.3.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm đầu đo 99 3.3.4 Đánh giá sai số mơ hình thiết kế 102 3.4 Kết luận 107 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 108 4.1.Mô hình thực nghiệm 1108 4.2.Thực thí nghiệm 110 4.2.1 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 111 4.2.2 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 119 4.2.3 Thí nghiệm với áp suất nguồn cấp bar 119 4.3 Đánh giá kết luận 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƢỚNG NGHIÊN CỨU 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 144 PHỤ LỤC 145 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1.Danh mục chữ viết tắt STT Ký hiệu, chữ viết tắt BTD CMM LSC ISO MCC MIC Tiếng Anh Tiếng Việt Bậc tự Máy đo toạ độ Coordinate Measuring Machine Tâm bình phương nhỏ Least Square Center Tiêu chuẩn quốc tế International Organization for Standardization Tâm đường tròn ngoại tiếp nhỏ Minimum Circumscribed circle Centre Tâm đường tròn nội tiếp lớn Maximum Centre MZC Tâm miền tối thiểu Minimum Zone Center TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Profile Biên dạng Inscribed circle 2.Danh mục thuật ngữ Độ tròn (độ méo): Là khoảng cách lớn từ điểm biên dạng thực tới đường tròn áp Cạnh méo: Là điểm biên dạng chi tiết có sai lệch lớn so với sai lệch trung bình Biên độ méo: độ lớn cạnh méo Tần số méo: số cạnh méo 3.Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Tiếng Việt ai, bi, ci biên độ méo αi Góc lệch pha θ Góc quay ∆m Hệ số tính biên độ méo Sai lệch độ tròn ∆// Dung sai độ song song ex,ey E Môđun đàn hồi vật liệu F Lực nâng đệm khí 10 K Độ cứng 11 Mms Mơmen ma sát 12 O Tâm chi tiết đo 13 O’ Tâm bàn quay 14 P Áp suất 15 P0 Áp suất nguồn 16 Q Tải trọng 17 Rz Độ nhám bề mặt 18 z Khe hở 19 r Chiều rộng rãnh khí 20 s Chiều sâu rãnh khí 21 rn Bán kính ngồi đệm khí 22 r0 Bán kính rãnh dẫn khí 23 d1 Đường kính lỗ tiết lưu 24 L Chiều dài chảy lỗ tiết lưu d1 25 Sn Diện tích ngồi đệm khí Độ lệch tâm theo phương x, y DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các phương pháp xác định đường tròn bao 20 Hình 1.2: Định nghĩa sai lệch độ tròn theo TCVN [8] 20 Hình 1.3: Sơ đồ đo độ tròn dụng cụ cầm tay 21 Hình 1.4: Sơ đồ đo độ tròn khối V [6] 22 Hình 1.5: Chi tiết méo cạnh đo khối V [11] 23 Hình 1.6: Hình ảnh đo độ tròn máy toạ độ [5] 24 Hình 1.7: Sơ đồ đo sai lệch độ tròn hệ tọa độ cực 24 Hình 1.8: Hình ảnh máy đo độ tròn hãng giới [37, 40] 25 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý máy đo độ tròn sử dụng đầu đo [6] 25 Hình 1.10: Sơ đồ biểu diễn chi tiết đặt lên bàn quay 26 Hình 1.11 Hình ảnh khe hở hướng kính ổ bi 27 Hình 1.12.Đệm khí buồng lỗ tiết lưu trung tâm[51] 27 Hình 1.13: Đệm khí dạng buồng dạng rãnh với lỗ tiết lưu trung tâm [51] 30 Hình 1.14: Đệm khí phẳng lỗ tiết lưu với rãnh dẫn [50] 31 Hình 1.15: Đệm khí buồng mạch điện-khí tương đương [11] 33 Hình 1.16: Kết cấu ổ khí dạng buồng dùng cho máy đo độ tròn năm 1960 [22] 34 Hình 1.17: Kết cấu ổ khí quay [50] 35 Hình 1.18: Kết cấu ổ khí máy đo độ tròn hãng Newways [32] 36 Hình 1.19: Một số hình ảnh ổ khí quay [34] 36 Hình 1.20: Kết cấu ổ khí quay có bố trí đệm khí mặt ống trụ [11] 37 Hình 1.21: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo [41] 38 Hình 1.22: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp ba đầu đo dịch chuyển [42] 39 Hình 1.23: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo Muralikrishnan – Mỹ [29] 40 Hình 1.24: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo S.Mekid- Anh [39] 40 Hình 1.25: Sơ đồ đo độ tròn kết hợp đầu đo Zhang – Trung Quốc [19] 41 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý ổ khí 45 Hình 2.2: Nguyên lý làm việc đệm khí [12] 45 Hình 2.3: Phân bố áp suất theo kiểu dẫn khí bề mặt đệm [33] 46 Hình 2.4: Đệm khí phẳng dạng rãnh lỗ tiết lưu mạch điện khí tương đương 47 Hình 2.5: Đồ thị hàm số f=f(y) 49 Hình 2.6: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ f với x chọn 50 khe hở z = 8μm; L= 2,5mm; y = 7,68 50 Hình 2.7 Đệm khí trụ dạng rãnh chữ nhật mạch điện – khí tương đương 51 Hình 2.8: Dạng phân bố áp suất bề mặt đệm khí 52 Hình 2.9: Biểu đồ phân bố áp suất với s = 0,2 mm, r = 0,3 mm z = 0,015 mm 54 Hình 2.10: Biểu đồ phân bố áp suất với s = 0,6 mm, r = 0,3 mm z = 0,015 mm 54 Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ chiều sâu rãnh lực nâng 55 Hình 2.12: Biểu đồ phân bố áp suất với r = 0,2 mm, s = 0,3 mm z = 0,015 mm 55 Hình 2.13: Biểu đồ phân bố áp suất với r = 0,6 mm, s = 0,3 mm z =0,015 mm 56 Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ chiều rộng rãnh lực nâng 56 Hình 2.15: Quan hệ áp suất nguồn P0 khe hở z tải trọng khơng đổi 58 Hình 2.16: Tốc độ thay đổi khe hở z thay đổi áp suất nguồn P0 59 Hình 2.17 Kết cấu đệm khí thiết kế 60 Hình 2.18: Kết cấu ổ khí quay 61 Hình 2.19 Bố trí đệm khí cho ổ quay [11] 61 Hình 2.20: Bố trí ba đệm khí với trục bị méo cạnh 62 Hình 2.21: Sơ đồ bố trí đệm khí quanh trục quay bị méo 62 Hình 2.22: Độ dao động tâm quay trục quay méo 64 Hình 2.23: Sơ đồ bố trí đệm khí trục quay 65 Hình 2.24: Sơ đồ bố trí đệm khí trục quay 65 10 0.2 Biên độ méo (mm) 0.18 Đầu đo C 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 Tần số méo 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Hình 4.22: Kết biên độ méo tần số méo đầu đo C với áp suất nguồn bar (chưa chỉnh tâm) Nhận xét: Hình ảnh đồ thị cho thấy biên độ cạnh méo - độ lệch tâm lớn e = 2c1  0,4 mm (bao gồm độ lệch tâm chi tiết so với bàn đo độ dao động tâm) Các tần số méo cạnh (phản ảnh độ méo trục quay, độ nghiêng độ ô val chi tiết đo), ngồi thấy xuất tần số méo cạnh 3, 4, với biên độ méo trội Tuy nhiên tất biên độ méo cạnh có trị số nhỏ nhiều so với độ lệch tâm e (max 8,5µm