Công nghệ gia công trục vít me bi

3. Đối tƣợng, mục đích, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu

1.2. Công nghệ gia công trục vít me bi

Để gia công trục vít me bi, có thể sử dụng phƣơng pháp định hình hoặc phƣơng pháp SSM (Sculptured Surface Machining).

- Phƣơng pháp gia công định hình: Theo phƣơng pháp này dụng cụ cắt có profin giống nhƣ profin của bề mặt rãnh ren cần gia công. Với phƣơng pháp này có thể thực hiện trên máy tiện, máy phay hay mài định hình.

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 29

Hình 1.19. Máy tiện 1A675 gia công trục vít me

Một số thông số k thuật chính của máy tiện 1A675: Chiều cao tâm: 1320 mm.

Khoảng cách 2 tấm: 12,5 m.

Đƣờng kính gia công lớn nhất: 2000 mm.

- Phƣơng pháp SSM (Sculptured Surface Machining): Theo nguyên lý này dụng cụ cắt không cần có profin giống nhƣ profin của bề mặt cần gia công. Phƣơng pháp này có thể thực hiện trên máy tiện hoặc máy phay CNC. Quá trình cắt diễn ra liên tục, dụng cụ cắt sẽ chuyển động tƣơng đối so với chi tiết ở từng điểm khác nhau trên bề mặt profin gia công.

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 30

Hình 1.20. Phương pháp gia công SSM

Hình 1.21. Gia công trục vít me bi trên máy phay CNC 4 trục có gắn đầu quay

1.3. Kết luận chƣơng 1

Qua nghiên cứu tổng quan về vít me – đai ốc bi: Vai trò, kết cấu, đặc trƣng của vít me – đai ốc bi cho thấy:

- Đây là cụm chi tiết truyền động quan trọng, đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí và một số ngành công nghiệp khác. Trong máy CNC, độ chính xác

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 31 truyền động của bộ truyền vít me – đai ốc bi ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác kích thƣớc sản phẩm.

- Với những ƣu điểm nổi bật, phạm vi ứng dụng của vít me – đai ốc bi không chỉ áp dụng trong lĩnh vực cơ khí mà còn có mặt trong rất nhiều các máy móc thiết bị có yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất truyền động lớn, đặc biệt là trong một số hệ thống nâng thẳng đứng có tải trọng lớn, yêu cầu độ chính xác cao.

- Hiện nay Việt Nam chƣa chế tạo đƣợc vít me – đai ốc bi thành phẩm. Các máy công cụ chủ yếu đƣợc nhập từ các nƣớc có nền công nghiệp phát triển với nhiều vùng miền khác nhau. Việc sử dụng, bảo quản mới chủ yếu dựa theo tài liệu k thuật về vít me – đai ốc b đƣợc công bố. Với những điều kiện sử dụng, bảo quản trong môi trƣờng nhiệt độ, độ ẩm Việt Nam mà chƣa có công bố thì chƣa đƣợc nghiên cứu.

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 32

Chƣơng 2

LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT ME – ĐAI ỐC BI

2.1. Tổng quan về mòn vật liệu 2.1.1. Mòn theo thời gian 2.1.1. Mòn theo thời gian

Đại lƣợng quan trọng để đánh giá mòn theo thời gian hoặc quãng đƣờng ma sát là lƣợng mòn U, nó là giá trị mòn của cặp ma sát trong một khoảng thời gian hay một quãng đƣờng ma sát nào đó. Lƣợng mòn U có thể đƣợc đánh giá theo chiều cao của lớp mòn trên bề mặt ma sát hay theo khối lƣợng mất đi của cặp ma sát trong quá trình làm việc. Đối với điều kiện mòn bình thƣờng, lƣợng mòn phụ thuộc vào thời gian hoặc quãng đƣờng ma sát và đƣợc chia thành ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt. Sự phụ thuộc của mòn theo thời gian đƣợc biểu thị theo đồ thị dƣới đây:

Hình 2.1. Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hoặc quãng đường ma sát L (Nguồn: [7])

Giai đoạn mòn chạy rà: Là một quá trình cơ lý hóa rất phức tạp với dấu hiệu bên ngoài là sự thay đổi hình dáng hình học ở mức vi mô hoặc siêu vi mô. Giai đoạn này, tốc độ mòn giảm dần do ban đầu tiếp xúc thực nhỏ, áp suất lớn gây ra biến dạng dẻo, các nhấp nho 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

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 33 riêng cho phép thì tốc độ mòn giảm đến một giá trị ổn định theo thời gian, quá trình mòn lúc này sẽ chuyển sang giai đoạn ổn định.

Giai đoạn mòn ổn định, lƣợng mòn tuyến tính với thời gian hoặc quãng đƣờng ma sát. Có thể dự báo đƣợc tuổi thọ của cặp ma sát khi xác định trƣớc đƣợc lƣợng mòn giới hạn.

Giai đoạn mòn khốc liệt: Khi lƣợng mòn U đạt tới giá tị giới hạn, nó làm thay đổi rõ ràng chế dộ 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 giai đoạn 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, quy luật mòn là tuyến tính [7]. Để xác định quy luật mòn của giai đoạn này cần ít nhất giá trị lƣợng mòn tại hai thời điểm khác nhau, từ đó xác định đƣợc tốc độ mòn của giai đoạn mòn bình thƣờng này.

2.1.2. Ảnh hƣởng của các yếu tố cơ bản đến mòn

2.1.2.1. Ảnh hƣởng của tải và vận tốc đến mòn

a) Sự phụ thuộc của cƣờng độ mòn vào tải (áp lực) [7]

Đối với bề mặt không đƣợc chạy ra, tải trọng riêng ảnh hƣởng phi tuyến đến cƣờng độ mòn: I  P(1,4…3), đặc biệt là với những bề mặt có diện tích tiếp xúc nhỏ. Đối với bề mặt đã đƣợc chạy rà, độ sóng bề mặt làm việc giảm phi tuyến, cƣờng độ mòn tỷ lệ với tải trọng riêng. Trong trƣờng hợp tổng quát, : I  P(1…3) là phù hợp với thực nghiệm.

b) Sự phụ thuộc của cƣờng đọ mòn vào vận tốc [7]

Tính chất và cƣờng độ của quá trình mòn đƣợc quyết định trƣớc hết do giá trị vận tốc, quan hệ : I  f(v) là quan hệ cơ bản trong mối quan hệ với các thông số cơ học. Mối quan hệ có tính nguyên tắc giữa cƣờng độ mòn I và vận tốc v trên đồ thị cho thấy trƣờng hợp tổng quát có ba giai đoạn điển hình:

Giai đoạn I: Giai đoạn mòn ổn định cùng với mòn ooxxy hóa trong chế độ ma sát bình thƣờng ' ''

th th V V V   .

Giai đoạn II: Mòn không bình thƣờng với tróc loại 1, ''

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 34 Giai đoạn III: Mòn không bình thƣờng do tróc loại 2 và sự quá tải nhiệt trong vùng tiếp xúc ''

th V V  .

Hình 2.2. Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc của mòn vào vận tốc (Nguồn: [7])

Tùy thuộc vào điều kiện ma sát, các trị số vận tốc giới hạn '

th V , ''

th

V có thể thay đổi, làm cho giới hạn của miền ổn định và cƣờng độ mòn bị thay đổi đi.

Hai yếu tố chính quyết định sự biến đổi quá trình ma sát và mòn của tác dụng cơ học bên ngoài đó là áp lực và vận tốc. Chúng xác định mức độ và Gradian của biến dạng dẻo, đàn hồi của nhiệt độ trong vùng ma sát, mức độ hoạt hóa kim loại và hiện tƣợng dẫn xuất khác. Nói cách khác là chúng quyết định dạng quá trình phá hủy hay mòn chiếm ƣu thế.

Chấp nhận lý thuyết mỏi cho các dạng mòn khác nhau, cƣờng độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp suất p trong vùng tiếp xúc.

I=k.pm (2.1)

Tốc độ mòn theo thời gian (

t u



 ) và cƣờng độ mòn tuyến tính (I) có mối

quan hệ: I v.   (2.2) Tổng quát, tốc độ mòn đƣợc xác định theo hàm số mũ [7]: n m V p k. .   (2.2)

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 35 2.1.2.2. Ảnh hƣởng của rung động [7]

Khi tạo nên các biến dạng thay đổi của vật liệu ở vùng tiếp xúc các bề mặt chi tiết lắp ghép, tải trọng động đã làm xuất hiện dòng điện cảm ứng thay đổi trong lớp biến dạng. Sự thay đổi của từ thông tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung (hình thành bởi các chi tiết lắp ghép). Tính chất của lớp ooxxyt và chất bôi trơn ảnh hƣởng đến điện trở và thể hiện trong vùng tiếp xúc là nguyên nhân của sự hoạt hóa bề mặt và phát triển mòn oxy hóa. Sự xâm thực và các quá trình điện hóa làm giảm tuổi thọ của mối ghép rất nhiều. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng điện động lực học của mòn. Theo quan điểm động lực, tải trọng động có tần số cao và biên độ nhỏ sẽ có lợi nhất (đặc biệt là khi thành phần cố định của tải trọng bị hạn chế) nên để nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy cần bảo đảm:

- Giảm tải trọng động ở phần tần số cao (20Hz) và tạo ứng suất tiếp xúc cố định (350-400MPa).

- Tạo ra ứng suất dƣ nến ở bề mặt biến dạng.

- Làm đều áp suất và giảm điện trở trên cơ sở dịch chuyển chọn lọc khi ma sát. - Sử dụng chất bôi trơn dẫn điện.

- Sử dụng các chất bảo vệ (bù cho sự phân cực anot trong vùng tiếp xúc) từ những vật liệu hoạt động hơn trong dãy.

2.1.2.3. Ảnh hƣởng của vật liệu bôi trơn [7]

Vật liệu bôi trơn đƣợc chọn phải đảm bảo giảm ma sát, bảo vệ lớp bề mặt kim loại. Vật liệu bôi trơn đƣợc lựa chọn theo tải và tốc độ chuyển động tƣơng đối giữa trục vít, bi, đai ốc. Nếu dùng đúng, ngoài việc giảm hệ số ma sát và bảo vệ bề mặt, nó còn giảm bớt năng lƣợng tăng nhiệt độ trong vít me – đai ốc bi.

Khi tốc độ chuyển động lớn và tải nhỏ, nên chọn dầu có độ nhớt nhỏ, khi tốc độ chuyển động thấp mà tải lớn thì nên chọn dầu có độ nhớt cao hơn.

Thông thƣờng, sử dụng dầu có độ nhớt 32-68 cSt tạo 400

C (ISO VG 32 – 68) đƣợc dùng cho bộ truyền vít me – đai ốc bi có tốc độ cao, dầu có độ nhớt 90 cSt (ISO VG 90) đƣợc dùng cho các bộ truyền tốc độ thấp [11].

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 36 2.1.2.4. Ảnh hƣởng của môi trƣờng [7]

Các yếu tố của môi trƣờng tác động đến mòn gồm có: Nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi nhiệt độ, độ ẩm.

- Ảnh hƣởng của nhiệt độ

Trong quá trình ma sát, nhiệt độ các lớp bề mặt tăng lên dẫn đến hóa mềm bề mặt ma sát, tạo điều kiện thuận lợp cho việc khuếch tán kim loại. Sự khuếch tán kim loại tăng lên khi đó là ma sát giữa kim loại dẻo thuần khiết và tăng lên nhiều khi độ biến dạng vật liệu lớn.

Khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu có xu hƣớng co lại, lớp vật liệu bên ngoài sẽ co nhiều hơn do không chịu cản trở của các lớp vật liệu liền kề với nó, làm cho kích thƣớc chi tiết có xu hƣớng giảm về phía có vật liệu. Sự co kéo do hình dáng không đều, kích thƣớc và vật liệu của chi tiết máy cũng giống nhƣ sự giãn nở không đều khi tăng nhiệt độ làm xuất hiện hiện tƣợng kẹt (tăng tải) hoặc tải va đập, do khoảng trống giữa các bề mặt ma sát tƣơng ứng là nhỏ đi hoặc tăng lên. Cả hai hiện tƣợng này đều dẫn đến biến dạng bề mặt nhiều hơn, chất lƣợng bề mặt kém đi, thuận lợi cho việc cào xƣớc bề mặt trong quá trình chuyển động gây mòn.

- Ảnh hƣởng của độ ẩm:

Độ ẩm đƣợc biểu thị bằng hai đại lƣợng. Độ ẩm tuyệt đối đƣợc tính theo lƣợng hơi nƣớc có trong một đơn vị thể tích không khí (kg/cm3); độ ẩm tƣơng đối (RH %) là tỷ số tính phần trăm giữa lƣợng hơi có thực trong không khí so với lƣợng hơi có trong không khí bão hòa với cùng nhiệt độ.

Độ ẩm tƣơng đối là đại lƣợng thể hiện lƣợng hơi nƣớc có trong một đơn vị thể tích không khí và nói lên khả năng hòa tan thêm hơi nƣớc trong không khí so với mức tối đa. Bởi vậy trong thực tế thƣờng sử dụng khái niệm độ ẩm tƣơng đối thay vì sử dụng khái niệm độ ẩm tuyệt đối.

Khi lƣợng hơi nƣớc trong không khí tăng lên, tiếp xúc với chất bôi trơn làm suy giảm tính năng bôi trơn. Lƣợng oxy trong không khí có cơ hội tiếp xúc với bề mặt ma sát nhiều hơn tạo điều kiện cho việc hình thành lớp oxyt trên bề mặt. Lớp oxyt này có cơ tính khác hẳn với cơ tính của lớp kim loại nền. Khi hai bề mặt ma

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 37 sát tƣơng tác với nhau tại vị trí có lớp oxyt, ứng suất giữa lớp bề mặt và lớp kim loại nền có sự chênh lệch lớn làm màng oxyt dễ bị bong tróc, gây mòn vật liệu [5].

- Ảnh hƣởng của biến đổi nhiệt độ và độ ẩm

Do các chi tiết trong máy, thiết bị có kích thƣớc, yêu cầu k thuật khác nhau nên chúng thƣờng đƣợc làm bằng vật liệu khác nhau. Khi biến đổi nhiệt độ xảy ra, các chi tiết có vật liệu và kích thƣớc khác nhau sẽ có hệ số giãn nở (co) nhiệt khác nhau dẫn tƣớng hiện tƣợng biến đổi, làm suy giảm tính năng ký thuật của máy.

Độ ẩm tƣơng đối không khí cao có ảnh hƣởng lớn đến sự mài mòn chi tiết máy. Khi độ ẩm không khí có giá trị từ 80% đến 100% sẽ ảnh hƣởng đáng kể đến sự tạo thành lớp oxyt trên bề mặt và ăn mòn các chi tiết máy. Khi ở vùng có độ ẩm tƣơng đối cao, sự chênh lệch nhiệt độ không khí với bề mặt tiếp xúc lên tới trên 50

C sẽ dẫn tới hiện tƣợng đọng sƣơng trên bề mặt, làm suy giảm tính năng bôi trơn, thẩm thấu và oxy hóa bề mặt kim loại, gây bong, tróc, mòn khi có tải.

Nhiệt độ biến đổi với biên độ lớn, tốc độ cao, kết hợp với độ ẩm tƣơng đối của không khí ở mức cao (trên 80%) dẫn đến hiện tƣợng: Tăng tải hoặc tải thông thƣờng trở thành tải động, xuất hiện đọng sƣơng trên bề mặt ma sát. Đây là môi trƣờng khá khắc nghiệt nếu cặp ma sát làm việc ở điều kiện này. Đặc biết với những chi tiết làm bằng vật liệu dễ oxy hóa bề mặt khi không đƣợc bảo vệ, nguyên tử oxy trong nƣớc tự phân tách sẽ oxy hóa bề mặt, đồng thời tạp chất do bụi bẩn trong không khí ngƣng tụ trong các hạt sƣơng chui vào giữa bề mặt tiếp xúc có tác dụng nhƣ những hạt mài li ty làm trầy xƣớc, bong tróc và mòn cặp ma sát nhanh chóng.

2.2. Tuổi thọ của vít me – đai ốc bi

2.2.1. Tuổi thọ của vít me – đai ốc bi theo lý thuyết

Thông thƣờng tuổi thọ của các chi tiết , kết cấu máy đƣợc xác định phụ thuộc vào yêu cầu và điều kiện làm việc của chi tiết, kết cấu. Tuổi thọ đƣợc xác định theo độ bền: Khả năng tải tĩnh; khả năng tải động; mòn; mỏi (khi làm việc nhiều chu trình) hoặc tuổi thọ theo độ chính xác làm việc.

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 38 Đa phần chi tiết, kết cấu máy đều đƣợc thiết kế, chế tạo để làm việc với độ chính xác làm việc nhất định trong điều kiện tải động và phải làm việc nhiều chu trình, do đó bài toán xác định tuổi thọ thƣờng là bài toán tổng hợp xác định số chu trình làm việc khi chịu tải mà độ chính xác làm việc vẫn ở trong một mức nhất định, gồm bài toán xác định độ bền mỏi và bài toán xác định số chu trình làm việc ứng với mức tải, vận tốc để độ chính xác làm việc của vít me – đai ốc bi ở từng cấp chính xác.

Trên cơ sở nghiên cứu, thống kê các thi nghiệm do mỏi, lập đƣợc đồ thì quan hệ ứng suất với số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết, cụm chi tiết chịu đƣợc đến khi hỏng [9]. Phƣơng trình đƣờng cong mỏi đƣợc viết dƣới dạng:

m

N = C (2.3)

Trong đó: C: Hằng số;

M: Bậc của đƣờng cong mỏi; N: Số chu kỳ thay đổi ứng suất;

: Ứng suất.

Đặng Đình Nghĩa – CH2012B 39 Với những cặp ma sát có tiếp xúc đàn hồi. Trong quá trình ma sát, thể tích lớp vật liệu bề mặt chịu ứng suất biến thiên theo chu kỳ. Tác động của mỗi chu kỳ không mất đi mà tích lũy lại các hƣ hỏng, dẫn đến phá hủy. Tuy nhiên “số chu kỳ ma sát dẫn đến phá hủy vật liệu hay bậc của đƣờng cong mỏi phải xác định bằng