Nghiên cứu chế tạo đường trượt chuẩn ứng dụng trong đo lường chiều dài

Bộ giáo dục đào tạo Trường Đại học Bách khoa Hà nội NGUYỄN VIỆT HÙNG NGUYỄN VIỆT HÙNG NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐƯỜNG TRƯỢT CHUẨN ỨNG DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG CHIỀU DÀI RESEARCH AND MANUFACTURE THE PRECISE SLIDER TO USE IN DIMENSION MEASUREMENT Luận văn thạc sỹ: Ngành cơng nghệ Cơ khí KHỐ 2010 -2012 Hà Nội – Tháng 05 năm 2012 LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ tận tình Thầy, Cơ giáo Viện Cơ khí, Bộ mơn Cơ khí xác Quang học hướng dẫn khoa học tận tình TS.Vũ Tồn Thắng tơi hồn thành khóa học, luận văn Tốt nghiệp Cao học đạt kết mong muốn Nhân dịp hoàn thành luận văn Cao học, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tất Thầy, Cô giáo Bộ môn, Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà nội tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khố học Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS.Vũ Tồn Thắng nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ việc thực luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy giáo phản biện đọc luận văn đóng góp cho tơi ý kiến quý báu bổ ích Tác giả Nguyễn Việt Hùng LỜI NÓI ĐẦU Đo lường chiều dài tiêu quan trọng sai lệch hình dáng hình học ngành chế tạo khí, có ảnh hưởng định đến chất lượng làm việc chi tiết phận máy Trong hầu hết sống dẫn tất máy công cụ, sống dẫn thiết bị đo, mặt chuẩn mặt bàn máp, trục dẫn…yêu cầu độ thẳng cao, đến micromet trực tiếp tác động đến độ xác gia cơng chi tiết, đến độ xác phép đo Thực tế nay, thiết bị để đo lường chiều dài có nhiều giới, nước ta sở có thiết bị cịn hạn chế Với điều kiện hồn cảnh việc tạo dụng cụ để lường chiều dài cần thiết Chính vậy, Với đề tài “ Nghiên cứu chế tạo đường trượt chuẩn ứng dụng đo lường chiều dài ” nhiệm vụ luận văn ứng dụng sống trượt chạy đệm khí để tạo thiết bị đo lường chiều dài Với tính ưu việt đệm khí hệ số ma sát nhỏ, khơng có mài mịn, trung bình hóa nhấp nhơ bề mặt đệm, tạo độ xác dịch chuyển cao nên ứng dụng để tạo đường trượt chuẩn cho thiết bị đo MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ……………………………………………………… Lời cảm ơn…………………………………… Lời nói đầu……………….………………………………………… Mục lục……………………………………………………………… Chương Tổng quan … ……… 1.1 Tại hệ dẫn động sống trượt đệm khí hay sử dụng thiết bị đo lường? 1.1.1.Ma sát………………………… …………………………… 1.1.2 Mài mòn……………………… …………………………… 1.1.3 Độ cứng……………………………… …………………… 1.1.4 Khả tải………………………………………………… 1.2 Tìm hiểu sống trượt, đệm khí….…………………………… 1.2.1 Sống trượt………… ……………………………………… 1.2.2 Đệm khí………… ………………………………………… 1.2.3 Xe trượt…………………… ……………………………… 15 1.3.Một số dạng bố trí điển hình đệm khí phẳng ………………… 17 1.4.Yêu cầu sống dẫn, đệm khí máy đo………………………… 23 1.4.1 Bề mặt dẫn đệm khí ……………………………………… 23 1.4.2 Đường nối hai sống dẫn.……………………………… 24 1.4.3 Gá đặt điều chỉnh cho đệm khí phẳng…………………… 24 1.4.4 Các yêu cầu đặt đệm khí sử dụng cho hệ dẫn trượt 25 Kết luận chương 1… ………………………………………………… 25 Chương 2: Nghiên cứu thiết kế chế tạo đệm khí sống trượt … 26 2.1 Chế tạo sống dẫn, đệm khí mẫu ……………………………… 26 2.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới đệm khí phần mềm Ansys CFX v12.1…………………………………………………………… 27 2.2.1 Mô hình đệm khí mẫu………………………………… 27 2.2.2 Quy trình tính tốn………………………………………… 27 2.2.3 Thiết lập mơ hình tính tốn…………………………… 28 2.2.4 Chia lưới…………………………………………………… 29 2.2.5 Nhập liệu, điều kiện biên……………………………… 31 2.2.6 Tính tốn……………………………………………… 31 2.2.7 Kết tính tốn……………………………………… 31 Kết luận chương 2………………………………………………… 40 Chương 3: Thực nghiệm kết quả……………………………… 41 3.1.Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt sống dẫn đệm khí 41 3.1.1 Đo độ nhám bề mặt sống dẫn 41 3.1.2 Đo độ nhám bề mặt đệm khí 44 3.2 Thực nghiệm xác định đặc tính đệm khí 47 3.2.1.Xác định đặc tính chịu tải F 47 3.2.2 Xác định độ cứng đệm khí thử nghiệm 52 3.2.3 Xác định phân bố áp suất bề mặt đệm khí 53 3.3 Thực nghiệm xác định độ xác dụng cụ đo 56 3.3.1 Thực nghiệm xác định độ ổn định độ thẳng sống dẫn 65 3.3.2 Thực nghiệm đo chi tiết thiết bị đo khác so sánh kết với kết đo dụng cụ tự chế tạo 74 Kết luận chương 79 Kết luận……………………………………………………………… 86 Tài liệu tham khảo………………………………………………… 87 Tóm tắt luận văn …………………………………………………… 89 Lời cam đoan ……………………………………………………… 90 Lý lịch khoa học ………………………………………………… 91 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tại hệ dẫn động sống trượt đệm khí hay sử dụng thiết bị đo lường? Hệ dẫn động sống trượt đệm khí thường sử dụng thiết bị đo lường sử dụng sống trượt đệm khí có ưu điểm: • Ma sát khơng • Mài mịn khơng • Dịch chuyển xác • Hoạt động trơn khơng gây ồn • Khơng cần bơi trơn • Chuyển động tốc độ cao Các ưu điểm giúp thiết bị đo nâng cao độ xác phép đo 1.1.1 Ma sát: Ma sát vấn đề quan trọng dịch chuyển xác Ở đệm trượt ổ lăn, hệ số ma sát tĩnh cao hệ số ma sát động, cần lực phát động lớn hệ chuyển động Khi mô tơ quay truyền chuyển động, hệ thống dẫn trượt tích luỹ lượng, bắt đầu chuyển động ma sát giảm Hiện tượng ta gọi dính trượt Ngày máy công cụ hạng nặng, hệ thống trượt với độ xác 0,001 mm ta sử dụng ổ lăn; nhiên dịch chuyển vào khoảng 0,00001 mm sử dụng ổ lăn khơng phù hợp Trong đệm khí khơng có khác biệt ma sát tĩnh ma sát động nên dính trượt bị loại trừ, ma sát đệm khí tạo dịch chuyển hệ lớp khí, khơng có chuyển động hệ số ma sát Nhiệt nguyên nhân gây sai số máy Trong máy, trục quay, nhiệt tăng, có tượng giãn nở hướng kính, tâm quay trục bị lệch, ảnh hưởng đến độ xác máy Đối với đệm khí vấn đề xảy không đáng ngại 1.1.2 Mài mòn: Mòn học yếu tố cần lưu tâm kỹ sư thiết kế máy Ngày nay, máy đời ln địi hỏi tốc độ nhanh có độ tin cậy cao Trong thực tế, có nhiều máy móc chạy tỷ vịng năm Khi kỹ sư phải tính đến tốc độ, gia tốc, tải trọng để ước tính tuổi thọ ổ Vấn đề tránh sử dụng đệm khí- khơng có tiếp xúc khí, tính tốn tốc độ, gia tốc hay tải trọng khơng có hệ số mài mịn, chúng khơng ảnh hưởng tới tuổi thọ ổ Dạng mòn đệm khí xảy ăn mịn mà độ khí có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ đệm khí Đây đặc điểm quan trọng để tạo nên độ tin cậy máy 1.1.3 Độ cứng: Được tính tỷ lệ biến thiên tải trọng biến thiên khe hở Độ cứng = Trong ∆P ∆Z ∆P : biến thiên tải trọng ; ∆Z : biến thiên khe hở Độ cứng yếu tố quan trọng thiết kế hệ thống dịch chuyển xác, độ cứng cao độ lún Đặt tải đệm khí tuân theo quy luật thuỷ động lực học Khi đệm khí gia tải khe hở giảm, áp suất màng khí tăng lên Vì khí chất có tính nén nên xem có lị xo có độ cứng Các yếu tố định độ cứng đệm khí là: áp suất khe hở, chiều dày khe hở, diện tích bề mặt đệm Trong ổ lăn, vùng tiếp xúc bé nên ứng suất cục cao, để tránh biến dạng phải chế tạo vật liệu cứng Trong đệm khí, tải đặt tồn diện tích bề mặt đệm khí, vùng chịu tải lớn nhiều so với ổ lăn 1.1.4 Khả tải: Đệm khí có khả tải tương đối tốt khả tải đệm khí có hạn so sánh với đệm lăn Tuy nhiên mang vật nặng loại đệm truyền thống máy công cụ Khả tải đệm khí phụ thuộc vào diện tích bề mặt áp suất nguồn theo cơng thức sau: Diện tích bề mặt x áp suất phân bố bề mặt đệm khí = lực nâng Diện tích bề mặt x áp suất phân bố bề mặt đệm khí x hiệu suất = khả tải 1.2 Tìm hiểu sống trượt, đệm khí 1.2.1 Sống trượt Hiện có nhiều dạng sống trượt chạy đệm khí máy đo toạ độ nói chung máy đo độ thẳng nói riêng, chủ yếu sống trượt dạng tam giác sống trượt dạng hộp chữ nhật ™ Sống trượt dạng tam giác: Được sử dụng cho trục X máy MITUTOYOQM – MEASURE 333, hãng DEA Sống trượt loại có ưu điểm so với sống trượt hình chữ nhật là: giảm bớt mặt phải gia công, giảm bớt số đệm khí mà đảm bảo định vị ổn định cho xe trượt gắn nó, giảm khối lượng máy từ giảm qn tính máy, giảm vật liệu chế tạo máy Tuy nhiên nhược điểm khó gia cơng, gia cơng cần độ xác cao vị trí tương quan mặt sống trượt, khó khăn q trình gá đặt, thực nguyên công ™ Sống trượt dạng chữ nhật: Được sử dụng phổ biến máy đo độ thẳng máy đo tọa độ Mặc dù khối lượng lớn, so với sống trượt tam giác nhiều mặt, dẫn đến cần nhiều đệm khí Tuy nhiên, so với sống trượt tam giác có tính ổn định cao hơn, dễ gia cơng 1.2.2 Đệm khí 1.2.2.1 Đặc điểm: Khác với đệm lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng lớp khí nén mỏng để tạo không ma sát hai bề mặt phân cách Lớp khí đệm tạo cách cung cấp lưu lượng khí vào đệm, khí qua lỗ tiết lưu chảy vào buồng phân phối theo dạng rãnh, hình thành phân bố áp bề mặt đệm bề mặt dẫn, tạo lực nâng đệm khí lên khỏi bề mặt dẫn, khe hở hai bề mặt gọi khe hở khí Một điều quan trọng cơng nghệ chế tạo đệm khí phải đảm bảo đệm khơng kẹt khả tự lựa tốt Để đệm khí làm việc tốt khớp quay phải đạt độ cầu định, hệ số ma sát thấp, không bị bụi bẩn suốt 10 trình làm việc Chất lượng khớp quay phụ thuộc vào vật liệu (thường dùng bi thép) q trình mài nghiền 1.2.2.2 Phân loại • Xét theo đặc điểm trình làm việc đệm người ta chia thành hai loại: - Đệm khí động lực học: Đệm khí động lực học phụ thuộc vào chuyển động tương đối bề mặt đệm thường số loại có rãnh xoắn ốc Điều kiện hoạt động đệm phải có góc nêm, vận tốc tương đối hai bề mặt phải đủ lớn để tạo hiệu ứng nâng, bề mặt tách rời qua lớp khí Nếu khơng có chuyển động chuyển động không đủ nhanh để tạo lớp màng khí bề mặt đệm tiếp xúc với Ví dụ loại đệm có chuyển động đầu đọc ghi đĩa, ổ chặn, trục cam - Đệm khí tĩnh học: Đệm khí tĩnh yêu cầu tạo áp suất tồn bên nó, áp suất khí đưa vào bề mặt đệm cơng nghệ lỗ xác, rãnh bề mặt xốp Vì có áp suất cung cấp trước nên tồn khe hở bề mặt đệm khơng chuyển động • Xét theo đặc trưng phân phối khí bề mặt đệm người ta chia thành loại sau: - Đệm khí dạng buồng (hình 1.2): Người ta khoét bề mặt đệm thành buồng tích định để dẫn khí vào buồng tạo lực nâng cho đệm - Đệm khí dạng rãnh (hình 1.2): Trên bề mặt đệm người ta tạo rãnh dẫn khí theo hình dạng khác dựa tính tốn thiết kế để tạo lực nâng cho đệm 74 3.3.2 Thực nghiệm đo chi tiết thiết bị đo khác so sánh với kết đo dụng cụ tự chế tạo 3.3.2.1 Đo chi tiết dụng cụ đo - Điều kiện thực nghiệm: Dụng cụ: + Đồng hồ so hiển thị số Mitutoyo + Chi tiết đo (thân thước thẳng) + Đồ gá kẹp cố định chi tiết đo + Dụng cụ đo độ thẳng tự chế tạo + Máy nén khí Điều kiện đầu vào: sử dụng khí nén có p = 4bar - Mô tả thực nghiệm: Chi tiết gá lên đồ gá đo có đầu cố định, đầu điều chỉnh Sau đo dùng đồng hồ so- gắn xe trượt dụng cụ đo- để rà điều chỉnh cấu điều chỉnh cho giá trị đầu chi tiết đo (dung sai điều chỉnh 1-2µm) Tiến hành: Ta di chuyển xe trượt dọc theo sống trượt để đo lần điểm chi tiết đánh dấu ta có bảng số liệu ( Bảng 3.9): 75 - Mơ hình thực nghiệm: Hình 3.34 Sơ đồ đo chi tiết dụng cụ đo - Kết đo kiểm nghiệm ( Bảng 3.9) Bảng 3.9: Số liệu đo chi tiết dụng cụ chế tạo Vị trí đo Lần đo (µm) Trung bình 0 0 0 4 3,8 10 9 9 14 13 13 13 13 13,2 18 17 17 17 17 17,2 20 19 18 19 18 18,8 21 20 19 21 19 19,8 21 20 19 20 20 20 21 20 19 20 20 20 76 10 22 21 19 21 21 21,8 11 25 23 22 22 22 22,8 12 25 24 23 24 24 24 13 25 24 23 24 24 24 14 21 20 19 20 20 20 15 17 16 15 16 16 16 16 14 13 11 13 13 12,8 17 10 10 10 9,6 18 7 7,6 19 5 5,2 20 3 3,2 21 2 1,6 22 -1 -2 -1 -0,6 3.3.2.2 Đo chi tiết trục máy đo tọa độ DEA Đức - Điều kiện thực nghiệm: Dụng cụ: + Đồng hồ so hiển thị số Mitutoyo + Chi tiết đo (thân thước thẳng) + Đồ gá kẹp cố định chi tiết đo + Máy đo tọa độ DEA Đức + Máy nén khí Điều kiện đầu vào: sử dụng khí nén có p = 4bar - Mơ tả thực nghiệm: - Làm thực nghiệm giống đo dụng cụ đo Lúc đồng hồ so gá lên trục Z máy đo tọa độ DEA Đức Trục Z di chuyển dọc theo sống dẫn trục Y máy đo Tiến hành: Ta di chuyển xe trượt dọc theo sống trượt để đo lần điểm chi tiết đánh dấu ta có bảng số liệu ( Bảng 3.10) 77 - Mơ hình thực nghiệm: Hình 3.35 Sơ đồ đo chi tiết máy đo tọa độ DEA Đức - Kết đo kiểm nghiệm ( Bảng 3.10) Bảng 3.10: Số liệu đo chi tiết máy đo tọa độ DEA Đức Vị trí đo Lần đo (µm) Trung bình 0 0 0 -1 -1 -1 -3 -2 -1,4 0 -2 4 3,2 78 5 5 5,2 6 6 6 6,2 5 6 5,8 5 10 5,8 11 11 8,6 12 12 11 15 12 13 12,6 13 12 13 17 14 14 14 14 11 10 14 11 11 11,4 15 12 9 9,6 16 6 11 7,2 17 3 4,4 18 2 2,8 19 1 2 20 1,2 21 -1 0 0,4 22 -1 -1 -1 0 Từ bảng số liệu 3.9 3.10 ta xây dựng đồ thi sau 79 30 Giá trị đo (Micromet) 25 20 15 10 0 10 15 20 25 -5 Vị trí đo (mm) Đo dụng cụ chế tạo Đo máy đo tọa độ DEA Hình 3.36 Đồ thị đo chi tiết dụng cụ chế tạo máy đo tọa độ DEA Đức Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy kết đo thiết bị sai khác phạm vi 20µm Dạng đồ thị tương đối giống Phát vùng có sai số lớn cụ thể vùng từ 7mm đến 10mm 11 đến 16mm có sai số lớn vùng khác Kết luận chương 3: - Qua phần thực nghiệm đệm khí, sống trượt dụng cụ đo ta đánh giá độ xác chế tạo, lắp ráp hệ dẫn động - Đã biết mối quan hệ tải, áp suất khe hở đệm khí - Biết vùng có độ xác thấp từ tạo điều kiện cho việc sửa chữa nâng cao độ xác dụng cụ 80 81 82 83 84 85 86 KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng thực nghiệm, luận văn đạt kết sau: 1- Đã tính tốn thiết kế chế tạo đệm khí + Tìm mối quan hệ tải với khe hở mối quan hệ khe hở với lực nâng mối quan hệ tỷ lệ nghịch + Tìm phân bố áp suất bề mặt đệm khí giảm dần từ 2- Chế tạo đường trượt chuẩn dụng cụ đo lường chiều dài 3- Tính tốn thiết kế hệ dẫn động dụng cụ đo lường chiều dài 4- Thực nghiệm kiểm chứng để xác định sai số hệ dẫn động Xác định vùng sai số nhiều để khắc phục 5- Với kết đạt mặt lý thuyết công nghệ chế tạo cho phép mở khả chế tạo mặt dụng cụ đo đo lường chiều dài ứng dụng đệm khí Việt nam 86 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Chí – NXB trung học chuyên nghiệp.“Cơ học chất lỏng ứng dụng” [2] Nguyễn Hữu Hồ – Lê Băng Dương dịch Tập thể tác giả Pháp – NXB Giáo Dục 2003 “Cơ học chất lỏng” [3] Vũ Toàn Thắng - ĐH Bách khoa Hà Nội 2005 “Chuyên đề luận án tiến sỹ kỹ thuật” [4] Hãng Mitutoyo “ Catalog – Hướng dẫn sử dụng đồng hồ so” [5] Guenther – NXB Exper GmBH 1993 “Cơ sở thiết kế đệm khí” [6] Phạm Văn Vĩnh Nhà xuất giáo dục.2001“ Cơ học chất lỏng ứng dụng” [7] Nguyễn Thị Xuân Bảy & Nguyễn Tiến Thọ - ĐH Bách Khoa Hà Nội 1992 “ Cơ sở kỹ thuật đo chế tạo máy” [8] Ninh Đức Tốn Nhà xuất giáo dục 2004 “Dung sai lắp ghép” [9] Unterberger – NXB Expert 1990 “ Đệm Khí – Tính tốn ứng dụng” [10] Vũ Toàn Thắng – Luận án Tiến sỹ khoa học kỹ thuật 2005 “Nghiên cứu phương pháp thiết bị đo toạ độ cực ứng dụng ngành chế tạo khí” [11] Vũ Toàn Thắng Luận văn cao học 1999 “ Nghiên cứu phương pháp đo tọa độ cực để đo thông số hình học chi tiết ngành Cơ khí” [12] Giáo sư с.а.шейнберг м.д.шишеев – NXB chế tạo máy, Maxcowva, 1969 “ Ổ trượt bơi trơn khí” [13] NXB Khoa học Kỹ thuật Tài liệu dịch 1976 “ Sổ tay vật liệu chế tạo máy - Thép gang” [14] Nguyễn Nhật Thăng – Nhữ Phương Mai NXB Khoa học Kỹ thuật 1999 “Sức bền vật liệu” 87 88 [15] Hoàng Bá Chư – NXB Khoa học kỹ thuật 2003.”Thuỷ khí động lực ứng dụng” [16] GS.TS Nguyễn Đắc Lộc - NXB khoa học kỹ thuật “ Sổ tay công nghệ chế tạo máy - Tập 1,2,3” [17] GS TS Trần Văn Địch – NXB Khoa học kỹ thuật “Sổ tay gia công cơ” Tiếng Anh [18] New Way company Air bearing application guide.2003 Website: www.newwayprecision.com “ Air bearing – Application and design guide” [19] Fuzhang Zhao and Clarence A Anderssen Advanced Materials Division, M Cubed Technologies, Inc.Newark, DE 19711 – Jai R.Singh and Craig Emmons – M Cubed Technologies, Inc., Monroe, CT 06468 “ Air bearing design optimization ” 88 ... hạn chế Với điều kiện hồn cảnh việc tạo dụng cụ để lường chiều dài cần thiết Chính vậy, Với đề tài “ Nghiên cứu chế tạo đường trượt chuẩn ứng dụng đo lường chiều dài ” nhiệm vụ luận văn ứng dụng. .. độ xác dẫn trượt cao, nhiệm vụ luận văn tạo hệ dẫn động ứng dụng đệm khí 26 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỆM KHÍ VÀ SỐNG TRƯỢT 2.1 Chế tạo sống dẫn đệm khí mẫu Để nghiên cứu tính sống... thẳng sống trượt làm việc - Thực nghiệm đo chi tiết thẳng máy đo tọa độ DEA so sánh với kết đo dụng cụ đo độ thẳng chế tạo 3.1 Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt sống trượt đệm khí 3.1.1 Đo độ nhám