Đánh giá độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh trục chính với các giá trị cực hạn trên cơ sở mô phỏng số

Bài báo này trình bày nghiên cứu, tính toán mô phỏng ảnh hưởng của các giá trị giới hạn thông số thủy tĩnh cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài đến độ cứng vững của ổ. Mời các bạn tham khảo!

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CỨNG VỮNG CỤM Ổ THỦY TĨNH TRỤC CHÍNH VỚI CÁC GIÁ TRỊ CỰC HẠN TRÊN CƠ SỞ MÔ PHỎNG SỐ AN EVALUATION OF THE STIFFNESS OF A HYDROSTATIC SPINDLE UNIT WITH EXTREME VALUES BASED ON NUMERICAL SIMULATION Phạm Văn Hùng, Lý Hải Ly, Nguyễn Thu Hương, Bùi Tuấn Anh* TĨM TẮT Máy mài trịn ngồi máy cơng cụ gia công tinh sử dụng phổ biến công nghiệp chế tạo máy Độ xác chi tiết mài phụ thuộc chủ yếu vào độ xác chất lượng làm việc cụm trục chính, độ cứng vững của cụm ổ trục có vai trị quan trọng Bài báo trình bày nghiên cứu, tính tốn mơ ảnh hưởng giá trị giới hạn thơng số thủy tĩnh cụm trục thủy tĩnh máy mài trịn ngồi đến độ cứng vững ổ Với phương pháp tính thơng thường vùng áp suất lựa chọn khả công nghệ gia công với khe hở giới hạn từ 15 đến 22,5µm độ cứng vững cụm trục thủy tĩnh không đạt yêu cầu với số giá trị áp suất bơm Tuy nhiên, giới hạn áp suất bơm từ - 5MPa, tỉ số β có tính định đến độ cứng vững cụm ổ, ta chọn đường kính ổ phù hợp với yêu cầu thiết kế Từ khóa: Độ cững vững; ổ thủy tĩnh; áp suất bơm; khe hở hướng kính ABSTRACT The external circular grinding machine is a finishing machine tool which is commonly used in the machining industry The precision of the grinding workpiece depends mainly on the accuracy and the working quality of the spindle unit of machine tools, in which the stiffness of the spindle bearing unit plays an important role This writing presents a simulation study on effects of hydrostatic parameters with the extreme values of a hydrostatic spindle unit of an external circular grinding machine on the bearing stiffness With the calculation method, the selected pressureregion, and the machining ability with the litmit clearance changing from 15 to 22.5µm, the stiffness of the hydrostatic spindle unit is unsatisfactory with several pump pressure values However, in the range of pumping pressure from 5MPa, the ratio β is decisive to the stiffness, it is possible to choose a bearing diameter that is most suitable with the design requirements Keywords: Stiffness; hydrostatic bearing; pump pressure; radial clearance Viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: anh.buituan@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 06/3/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 GIỚI THIỆU CHUNG Cụm ổ trục máy cơng cụ phận quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác gia cơng, đặc biệt 48 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) gia công tinh gia công lần cuối máy mài Phần lớn máy mài trịn ngồi cỡ trung sử dụng cụm ổ thủy động ba mưởng tự lựa cho trục So với ổ thủy động có mưởng cố định, ổ có mưởng tự lựa có độ ổn định tâm trục cao tải hướng kính thay đổi (chiều sâu cắt giảm theo thời gian gia công) phù hợp với điều kiện vận hành máy mài trịn ngồi với tốc độ quay đá ổn định Độ cứng vững cụm trục tiêu kỹ thuật quan trọng máy công cụ, xác định tỷ số lực tác động gây chuyển vị giá trị chuyển vị trục J = dP/dy Độ cứng vững lớn cấp xác máy cao, chi tiết gia cơng xác Vì vậy, việc nâng cao độ cứng vững cụm ổ trục máy cơng cụ mục tiêu nhà nghiên cứu Với cụm ổ trục thủy động tự lựa máy công cụ nay, việc tiếp tục nâng cao độ cứng vững có khó khăn định Độ cứng vững màng dầu bôi trơn phụ thuộc vào chiều dày màng dầu, thay đổi theo điều kiện gia cơng cịn phụ thuộc vào kết cấu khí khớp bán cầu tự lựa mưởng Các khớp bị mòn theo thời gian làm việc Ổ thủy tĩnh với đặc điểm kết cấu có buồng dầu áp lực cao cố định, chiều dày màng dầu ổn định, độ cứng vững cao thủy động khơng phụ thuộc kết cấu Vì vậy, việc thay cụm ổ thủy động cụm ổ thủy tĩnh giải pháp phù hợp cho mục tiêu nâng cao độ cứng vững cụm ổ trục máy mài, với trợ giúp hiệu gia cơng buồng dầu xác máy CNC Các cơng trình nghiên cứu ứng dụng ổ thủy tĩnh cho trục máy công cụ nhà khoa học quan tâm, phổ biến việc nghiên cứu nâng cấp chuyển đổi cụm ổ trục sử dụng vịng lăn thành cụm ổ trục thủy tĩnh, kết nghiên cứu cho thấy có đáp ứng động lực học tốt mô thực nghiệm He Qiang sử dụng phương pháp số thực nghiệm để lựa chọn thông số chế tạo cụm ổ thủy tĩnh trục trung tâm gia cơng đứng thay cụm ổ lăn quay, với tốc độ khoảng 800 vòng/phút [2] Năm 2010, S Uberti cộng trình bày nghiên cứu thiết kế chế Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tạo bàn thử nghiệm phục vụ việc kiểm tra, đánh giá cụm ổ thủy tĩnh chuyển động chạy dao tịnh tiến trục Hệ thống cho phép thực phép thử công ty nhằm giảm chấn xác định độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh, nâng cao độ xác gia cơng [3] Trong cơng bố năm 2014, W Chen cộng tính tốn, thiết kế ổ thủy tĩnh trục máy phay theo quan điểm động lực học Đồng thời tiến hành thực nghiệm gia cơng cho thấy có tương ứng kết cấu trục thơng số động lực học, có độ cứng vững [4] Dongju Chen cộng trình bày nghiên cứu đặc tính tĩnh động học cụm trục ổ thủy tĩnh Ảnh hưởng rung động không cân đến độ xác gia cơng nhóm tác giả phân tích Trong đó, lực gây cân theo hai phương suy từ kết phân tích động lực học Nghiên cứu vị trí độ cứng vững ổ trục có ảnh hưởng lớn đến độ xác gia cơng [5] ổ, tâm ngõng trục trùng với tâm ổ Khi kể đến trọng lượng trục, tải (P) diện tích hữu ích buồng dầu F với độ lệch tâm e, có phương trình cân lực: P = (p3 - p1).F Trên thực tế với ổ thủy tĩnh trục giả thiết Reynold e thường nhỏ, bỏ qua Phương trình Reynold cho ổ hướng kính chiều trục sau:   h  p    h p  h      6r x  η  x   z  η  z  x (1) Và phương trình không thứ nguyên:   h p    h p  dh  λ    3μω φ  μ φ  y  μ y  dφ (2) Trong đó, λ = L/D - tỷ số chiều dài đường kính ổ; φ - tọa độ góc; p - áp suất màng dầu; y - tọa độ đường kính; , ̅ , ℎ, μ, w - thông số không thứ nguyên tương ứng Chiều dầy màng dầu xác định theo công thức: h  ho 1  ε.cosφ  (3) Trong đó, h - chiều dày màng dầu; ho - chiều dày màng dầu nhỏ nhất;  = e/ho - hệ số lệch tâm MƠ PHỎNG TÍNH TỐN ĐỘ CỮNG VỮNG Ổ THỦY TĨNH VỚI BỘ GIÁ TRỊ CỰC HẠN THƠNG SỐ CƠ BẢN Trong nghiên cứu mơ lựa chọn cụm ổ thủy tĩnh trục máy cơng cụ với kết cấu ổ thủy tĩnh khơng có rãnh thoát dầu với buồng dầu, nhằm đánh giá xác định thông số thủy tĩnh phù hợp với yêu cầu làm việc Sơ đồ kết cấu ổ với thông số mô tả hình Hình Mặt cắt ổ thủy động tự lựa máy mài trịn ngồi 3K12 [1]: 1- Thân máy; 2- Nắp an toàn; 3- Ổ thủy động; 4- Nút báo dầu; 5- Ngõng trục GIẢI PHÁP BƠI TRƠN THỦY TĨNH CHO TRỤC CHÍNH MÁY MÀI TRỊN NGỒI Hình Sơ đồ kết cấu ổ thủy tĩnh khơng có rãnh dầu Hình Sơ đồ ngun lý bơi trơn thủy tĩnh cụm trục máy công cụ Sơ đồ nguyên lý hoạt động cụm trục thủy tĩnh sử dụng cho máy mài trịn ngồi cỡ trung trình bày hình Bôi trơn ướt thực chất bôi trơn 04 buồng có áp suất cao cấp hệ thống bơm thơng qua restrictor tách ly hồn toàn bề mặt trục Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Đối với ổ thủy tĩnh trục máy mài vớikích thước chiều dài L khoảng cách hai buồng dầu kề b chọn sau: L = 0,8D; b = a = 0,25L Ngoài ra, để đảm bảo khả chịu tải cổ trục nâng cấp sử dụng ổ thủy tĩnh máy máy tròn 3K12, khả công nghệ đá mài phù hợp với kết cấu máy sử dụng, đường kính cổ trục đường kính lắp đá chọn tương đương với thơng số ổ thủy động vốn có máy Trục mang đá mài có D = 70mm, n = 3000vg/ph, tổng chiều dài trục 535mm, đảm bảo bơi trơn ướt hồn tồn, chọn a = 14mm, b = 14mm Hình dạng, kích Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 49 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thước buồng dầu có ảnh hưởng định tần số quay ổ lớn, dầu khỏi buồng dầu tạo hiệu ứng chảy rối hiệu ứng thủy động dẫn tới tổn thất lớn buồng dầu Điều khắc phục cách tăng chiều sâu buồng dầu t ≥ 20.Δ Bố trí buồng cho đường lệch tâm (e), thành phần dịng dầu thủy động không Đối với ổ thủy tĩnh dùng cho trục máy mài trịn ngồi chiều dầy màng dầu nhỏ h0min để đảm bảo điều kiện bôi trơn ướt hồn tồn tính theo cơng thức sau: homin  RzT  RzB  γb  min / (4) Trong đó: RzT - Nhám bề mặt trục; RzB - Nhám bề mặt ổ; γb = - 3µm - Khe hở dự trữ để màng dầu không bị gián đoạn Thông thường, bề mặt trục bạc gia công tinh với cấp độ nhám khoảng từcấp đến cấp 10, tương ứng vớichiều cao nhấp nhô trung bình từ 3,2µm đến 0,8µm Khi đó, chiều dày màng dầu nhỏ đảm bảo bôi trơn ướt phải đạt khoảng 9µm Do đó, tính tốn thơng số bơi trơn thủy tĩnh, ta lấy Δmin ≥ 27µm Ngồi ra, độ lệch tâm tương đối giới hạn ổ thủy tĩnh thông thường  = 0,4, nhiên ổ trục thủy tĩnh máy mài chọn giới hạn độ lệch tâm tương đốinhỏ hơn, khoảng 0,3,  = 2e/Δ độ lệch tâm e xấp xỉ 4,5µm Mặt khác, khe hở giới hạn tương ứng với số áp suất buồng dầu áp suất bơm β = pr/ps = 0,4 ho(L) = Δ/2 = 15µm khe hở giới hạn tương ứng với β = 0,7 ho (U) = 1,5 ho (L) = 22,5µm Trong đó, pr - áp suất buồng dầu, ps - áp suất bơm Áp suất bơm tính biểu thức: W (5) ps  LDWn (a) Trong đó, Wn hệ số tải Theo kinh nghiệm, áp suất buồng dầu prphù hợp với khả công nghệ chế tạo nằm khoảng từ đến 5MPa tốt khoảng - 2Mpa [6] Như vậy, tính tốn cho trục máy mài trịn ngồi thơng dụng, ta chọn pr = 2MPa Với giới hạn khe hở ho(L) = 15µm, β = 0,4 xác định áp suất bơm sau: ps = pr/ β = 5MPa Tương tự, với giới hạn khe hở ho(U) = 22,5µm tương ứng với β = 0,7, áp suất bơm lựa chọn tương ứng 2,85MPa Trong tốn mơ tính tốn giá trị giới hạn thông số ổ đỡ thủy tĩnh, giá trị áp suất bơm dầu đường kính ổ trục thay đổi tương ứng với giá trị β thay đổi khoảng từ 0,4 - 0,7 Khi đó, lựa chọn thông số phù hợp với yêu cầu độ cứng vững cụm ổ trục nằm phạm vi cho phép Thật vậy, độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh xác định biểu thức [6]:  a π β 1 sin2   ps L.D 3N2  L  N J h0 2π π z  1 2γ.sin2   N (6) 50 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) (b) Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị áp suất bơm đường kính trục khác nhau, trường hợp β = 0,4: (a) khe hở giới hạn dưới; (b) khe hở giới hạn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong đó, N số buồng dầu ổ đỡ thủy tĩnh Với thông số thay đổi phạm vi nói trên, thay đổi độ cứng vững ổ thủy tĩnh tương ứng với β thay đổi khoảng từ 0,4 - 0,7 Hình mơ tả ảnh hưởng áp suất bơm đường kính trục tới độ cứng vững trục trường hợp β = 0,4 Có thể thấy rằng, độ cứng vững cụm ổ có xu hướng tăng áp suất bơm tăng lên tương ứng với giá trị đường kính trục Xu hướng thể rõ đường đồng mức hai trường hợp ổ trạng thái khe hở giới hạn Mặt khác, độ cứng vững cụm ổ trục máy cơng cụ thơng thường nằm phạm vi 250 - 500N/µm, trục máy mài cần đạt giá trị khoảng 300 - 500N/µm Như vậy, sở đường đồng mức độ cứng vững, ta thấy giới hạn áp suất bơm 2MPa, đường kính ổ phải đạt từ 70mm trở lên trường hợp khe hở giới hạn nhỏ Trong đó, mức khe hở giới hạn trên, áp suất bơm cần thiết phải đạt từ 2,1MPa tương ứng với đường kính ổ 90mm cần áp suất cao đường kính ổ nhỏ Như vậy, đường kính ổ 70mm áp suất bơm tối thiểu 3,2MPa, độ cứng vững ổ đạt giá trị yêu cầu Tương tự, xét ảnh hưởng thông số với trường hợp β = 0,5 (hình 5), giá trị khe hở giới hạn dưới, áp suất bơm thay đổi từ - 5MPa, đường kính trục cần thiết phải từ 65mm trở lên đáp ứng yêu cầu độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh Với trường hợp khe hở giới hạn trên, áp suất tối thiểu để đảm bảo giá trị độ cứng vững 2,5MPa với đường kính trục 90mm cần đạt giá trị cao tương ứng với đường kính trục nhỏ Với đường kính trục khoảng 70mm, áp suất bơm cần thiết phải đạt giá trị khoảng 2,7MPa, ổ trục đạt giá trị cứng vững cần thiết (b) Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị áp suất bơm đường kính trục khác nhau, trường hợp β = 0,5: (a) khe hở giới hạn dưới; (b) khe hở giới hạn Hình mơ tả ảnh hưởng thơng số áp suất đường kính trục tới độ cứng vững cụm ổ trục β = 0,6 Ta thấy, giá trị giới hạn áp suất bơm (2MPa), độ cứng vững đạt yêu cầu đường kính ổ cỡ 90mm với trường hợp khe hở giới hạn Với trường hợp ổ có đường kính 70mm, áp suất bơm đảm bảo độ cứng vững cụm ổ cần thiết 2,5MPa đạt giá trị 600N/µm áp suất giới hạn 5MPa (hình 6b) Trong đó, khe hở giới hạn dưới, độ cứng vững đạt giá trị yêu cầu đường kính trục từ 60mm trở lên áp suất giới hạn 2MPa, đạt giá trị khoảng 350N/µm đường kính trục 70mm Ở giá trị áp suất giới hạn trên, độ cứng vững đạt giá trị 900N/µm với giá trị đường kính (a) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 51 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 (a) (a) (b) Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị áp suất bơm đường kính trục khác nhau, trường hợp β = 0,6: (a) khe hở giới hạn dưới; (b) khe hở giới hạn (b) Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị áp suất bơm đường kính trục khác nhau, trường hợp β = 0,7: (a) khe hở giới hạn dưới; (b) khe hở giới hạn Trường hợp β = 0,7 mơ tả hình 7, giá trị độ cứng vững đạt khoảng 350N/µm 900N/µm tương ứng với áp suất bơm 5MPa cho trường hợp khe hở giới hạn với đường kính trục 70mm (hình 7a) Giá trị độ cứng tăng lên tương ứng với đường kính trục Tuy nhiên, giới hạn thông số làm việc ổ phù hợp với máy mái 3K12, đường kính trục có giá trị 70mm Với trường hợp khe hở giới hạn trên, áp suất cần thiết 2,5MPa để ổ đạt giá trị cứng vững cần thiết đạt giá trị 600N/µm áp suất bơm giới hạn 5MPa 52 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Như vậy, vào kết mơ cho thấy với phương pháp tính thơng thường vùng áp suất lựa chọn khả công nghệ gia cơng với h0min từ 15 đến 22,5µm độ cứng vững cụm trục thủy tĩnh khơng đạt yêu cầu với số giá trị áp suất bơm Tuy nhiên, giới hạn áp suất bơm từ - 5MPa, tỉ số β có tính định đến độ cứng vững cụm ổ, ta chọn đường kính ổ phù hợp với yêu cầu thiết kế KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu, tính tốn mơ ảnh hưởng giá trị giới hạn thông số thủy tĩnh cụm trục thủy tĩnh máy mài trịn đến độ cững vững ổ Mối quan hệ thể rõ đồ thị đường đồng mức giá trị độ cứng vững hình ÷ Kết mô độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh ứng dụng cho máy mài tròn cỡ trung đưa đến số kết luận sau: - Có mối quan hệ trực tiếp độ cứng vững ổ thủy tĩnh với thơng số ổ: Áp suất bơm dầu, khe hở, dung sai chế tạo, hệ số áp suất, đường kính trục Do cần phải lựa chọn trước số thơng số đặc trưng ổ thủy tĩnh, phù hợp với điều kiện gia cơng thực tế thơng số cịn lại cần tính tốn dựa vào độ cứng vững yêu cầu cụm ổ trục - Để đạt độ cứng vững phù hợp với yêu cầu trục chính, bên cạnh việc xác định thơng số thủy tĩnh đảm bảo bơi trơn ướt hồn tồn cần phải điều chỉnh thơng số áp suất bơm, đường kính trục vùng cho phép để có độ cứng vững tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V E Push, 1977 Design of Machine Tools Moscow: Mashinostroenie [2] He Qiang, li Lili, Fengzhang Ren, 2015 Numerical Simulation and Experimental Study of the Hydrostatic Spindle with Orifice Restrictors The Open Mechanical Engineering Journal, 9: p 1293-1303 [3] S Uberti, G Baronio, D Cambiaghi, 20210 Study & design of a special test bench for hydrostatic spindle housings in Proceedings of DESIGN 2010, the 11th International Design Conference Dubrovnik, Croatia [4] Wanqun Chen, et al., 2014 Hydrostatic spindle dynamic design system and its verification Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 228(1): p 149-155 [5] Dongju Chen, Jinwei Fan, Feihu Zhang, 2012 Dynamic and static characteristics of a hydrostatic spindle for machine tools Journal of Manufacturing Systems, 31(1): p 26-33 [6] Tuan-Anh Bui, Van-Hung Pham, Thuy-Duong Nguyen, 2018 Study to Improve the Spindle Bearing Stiffness of Medium External Cylindrical Grinding Machines Based on Numerical Simulation of Hydrostatic Lubrication Journal of Science & Technology, 130 AUTHORS INFORMATION Pham Van Hung, Ly Hai Ly, Nguyen Thu Huong, Bui Tuan Anh School of Mechanical Engineering, Hanoi University of Science and Technology - Các kết mô tính tốn vùng lựa chọn khả thi, phù hợp thực tế gia công chế tạo cho thơng số thủy tĩnh liên quan để có độ cứng vũng theo yêu cầu trục máy mài trịn ngồi - Trong việc lựa chọn thơng số thỏa mãn độ cứng vững cần ý cân đối việc điều chỉnh tham số liên quan đến độ nhám, khe hở dung sai áp suất bơm dầu cho phù hợp liên quan đến chi phí gia cơng mua sắm điều chỉnh thiết bị Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 53 ... trị giới hạn thông số thủy tĩnh cụm trục thủy tĩnh máy mài trịn đến độ cững vững ổ Mối quan hệ thể rõ đồ thị đường đồng mức giá trị độ cứng vững hình ÷ Kết mô độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh ứng... e/ho - hệ số lệch tâm MƠ PHỎNG TÍNH TỐN ĐỘ CỮNG VỮNG Ổ THỦY TĨNH VỚI BỘ GIÁ TRỊ CỰC HẠN THƠNG SỐ CƠ BẢN Trong nghiên cứu mơ lựa chọn cụm ổ thủy tĩnh trục máy cơng cụ với kết cấu ổ thủy tĩnh khơng... Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị áp suất bơm đường kính trục khác nhau, trường hợp β = 0,6: (a) khe hở giới hạn dưới; (b) khe hở giới hạn (b) Hình Độ cứng vững ổ thủy tĩnh với giá trị