1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG
GIA CÔNG LỖ NHỎ
1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ và đã có nhiều thành tựu nhất định. Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào giải quyết vấn đề phân bố áp suất, lực tải và ổn định của ổ khí.
Không khí áp suất cao được cung cấp vào khe hở ổ trục bằng các dạng khác nhau trong ổ khí tĩnh đó là:
+ Áp suất cung cấp vào có lỗ dạng hình khuyên và lỗ đơn giản [28], dạng này dễ chế tạo cả hai đều là thiết bị dòng chảy rối. Người ta nhận thấy rằng hiệu suất của ổ trục kiểu lỗ đơn giản cao hơn khoảng ba mươi phần trăm so với ổ trục có bộ hạn chế lỗ hình khuyên [29]. Tuy nhiên, do phần lõm của kiểu lỗ đơn giản, có một lượng lớn không khí lưu trữ trong vòng bi, điều này ảnh hưởng đến độ ổn định của vòng bi. Do đó, các vòng bi có áp suất cấp vào lỗ đơn giản dễ bị mất ổn định hơn, trong khi vòng bi có lỗ hình khuyên không bị mất ổn định.
+ Áp suất cấp vào có thể là một khe hẹp liên tục hoặc rời rạc với một chiều rộng vài micromet [30] thể tạo ra dòng chảy tầng bên trong màng không khí [31].
Hình 1. 15 Sơ đồ bộ hạn chế khe hẹp [30]
Bộ hạn chế khe hẹp tương tự như bộ hạn chế lỗ bằng cách thay thế một lỗ nhỏ thành khe hình chữ nhật. Nhiều tài liệu hiện có có thể cung cấp các hướng dẫn về thiết kế vòng bi khí tĩnh với bộ hạn chế rãnh [32], [33]. Vẫn còn khá khó khăn để chế tạo khe hẹp với chiều rộng vài micromet. Do đó, việc áp dụng vòng bi khí tĩnh với bộ hạn chế rãnh ít được ứng dụng.
+ Áp suất cấp vào dạng rãnh [34]. Đầu vào không khí cũng có thể được bố trí các rãnh đặc biệt xung quanh lỗ thoát khí được gia công ở một trong các bề mặt chịu lực. Nhưng chi phí sản xuất của nó thường cao hơn so với các vòng bi cấp khí đơn giản.
Hình 1. 16 Áp suất cấp dạng rãnh
+ Áp suất cấp vào dạng xốp: Vòng bi xốp khí tĩnh sử dụng vật liệu xốp như một chất hạn chế để cung cấp không khí có áp suất vào khe hở ổ trục [35]
+ Áp suất cấp khí qua bề mặt bạc đệm khí dạng rãnh dẫn, qua đột thắt sau đó chảy theo rãnh dẫn tạo thành các vùng đồng áp trên bề mặt bạc đệm khí. Kết hợp với các phương án trên tác giả thấy đây là phương án có thể thiết kế và gia công phù hợp với điều kiện công nghệ của Việt Nam. Mỗi dạng cấp khí đều có những ưu nhược điểm nhất định, tuy nhiên các loại ổ khí được biết đến là loại ổ hiệu quả nhất với nhiều điểm mạnh đã được chứng minh qua thực nghiệm và nghiên cứu và tác giả sẽ phân tích để thấy được những tồn tại mà các phương án còn lại chưa thể đáp ứng với điều kiện nghiên cứu ở thời điểm hiện tại. Có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm khảo sát và cải tiến khả năng làm việc của ổ khí về các yếu tố: khả năng cân bằng, dự đoán các hoạt động động lực của ổ khí [36], [37]. G. Bang et. al. chế tạo, mô phỏng trục quay của ổ khí bằng vật liệu các-bon composite trong điều kiện làm việc ở tốc độ cao và kết quả cho thấy độ cứng được cải thiện [38]. Tương tự, có nghiên cứu với mục đích cải thiện tải trọng và độ cứng được thực hiện bằng cách thay đổi vật liệu trong ổ khí bằng vật liệu composite [38]. Ảnh hưởng của số lượng và hình dáng của các lỗ cấp khí đến độ ổn định của ổ khí, đường kính của rãnh khí và hình dáng của chúng được nghiên cứu và cải thiện [39], [40]. L. Lu et. al. khảo sát biến dạng cấu trúc gây ra bởi không khí có áp và nhiệt nhớt được nghiên cứu dựa trên phương pháp tương tác chất lỏng - cấu trúc - nhiệt (fluid structure heat interaction - FSI), và các thí nghiệm được thực hiện để xác nhận kết quả mô phỏng đã đưa ra: Sự biến dạng cấu trúc của tấm đẩy ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng chịu tải của ổ đỡ không khí. Biến dạng của nó nên được xem xét ở giai đoạn thiết kế của trục chính khí [41]. Cùng thời gian, một nghiên cứu về phương pháp Bù chủ động (Active compensation) là một phương pháp hiệu quả để tăng hiệu suất tĩnh và động của ổ trục không khí mô tả thiết kế, mô hình hóa và xác nhận thực nghiệm của một ổ trục khí có áp suất bên ngoài được bù tích cực. Sự đền bù tích cực thu được thông qua chiến lược đền bù hỗ trợ. Với chiến lược này, vị trí làm việc ban đầu của hệ thống được phục hồi bằng cách bù đắp cho các thay đổi khe hở không khí thông qua các điều chỉnh đối với kích thước thẳng đứng của ổ trục. Vòng bi được mô tả bao gồm một ổ đỡ lực đẩy thông thường được tích hợp với bộ truyền động áp điện nhiều lớp, một cơ chế tuân thủ và một bộ điều khiển kỹ thuật số [42]. Một nghiên sự cải tiến khác về mặt kết cấu được thực hiện, bằng cách Thiết kế và thử nghiệm mô-đun giảm chấn dòng điện xoáy không tiếp xúc trong hệ thống chuyển động thẳng có ổ trục không khí [43]. Phương pháp này đã tối ưu hiệu quả làm việc về mặt thời gian và phân giải. Số lượng và vị trí của lỗ cấp khí ở stator đồng thời ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc ở tốc độ cao W. Purwanto et. al. [44]. Thêm vào đó, ứng dụng mô phỏng vào khảo sát, kiểm chứng và kiểm tra các giả thuyết, phương pháp cũng được thực hiện [45]. Những kết quả mô phỏng này đã
chứng minh mối liên hệ giữa lực hướng tâm mà đệm khí cung cấp có liên quan đến bề rộng và tốc độ quay của trục chính liên quan với áp suất trung bình phân bố. Ổ khí hiện tại nắm giữ một vai trò đặc biệt trong gia công chính xác với tốc độ quay lớn, lên đến 500000 vòng/phút. Liên quan đến gia công ở tốc độ cao, tồn tại nhiều yếu tố về sai số, lỗi và nhiều yếu tố khác. Một số yếu tố này có thể lợi dụng vào mục đích có lợi nhưng nhìn chung đều ảnh hưởng không tốt đến khả năng làm việc của ổ khí [46]. Trong đó, rung động không cân bằng là yếu tố trọng điểm, gây ra nhiều vấn đề như chuyển động sai số nền tảng. Từ những vấn đề trên, cân bằng thụ động và chủ động là 2 giải pháp được đưa ra để khử đi sự mất cân bằng từ rung động. Cân bằng thụ động là giải pháp phổ thông hơn mà ở đó yêu cầu có nguồn năng lượng cung cấp phức tạp, thiết bị phụ trợ nhưng lại cung cấp khả năng cân bằng giới hạn. Tuy nhiên, giải pháp cân bằng chủ động của trục quay mặc dù đã được đưa ra từ 50 năm trước nhưng thành tựu đạt được cũng khiêm tốn. Có nhiều nghiên cứu được thực hiện từ đo đạc, dự đoán biểu hiện về sai lệch chuyện động của ổ [47], [48], [49]. Nghiên cứu về phương pháp cân bằng chủ động để vượt qua những điểm yếu của ổ khí tốc độ cao [50], [51], [52]. Sử dụng phương pháp ở trên, Zhou S et. al. khảo sát và tối ưu quy trình gia tốc cho rotor [53]. Bằng phương thức tương tự, độ chính xác trong dự đoán khối lượng mất cân bằng của trục quay ổ khí được cải thiện [54]. Mặc dù vậy, mảng tự cân bằng trong ổ khí quay ở tốc độ cao vẫn được cho là chưa khai phá. Dù có nhiều kết quả nghiên cứu về cải thiện ổ khí, nhưng có rất ít nghiên cứu chi tiết về việc tối ưu độ cứng của ổ bằng cách tách biệt các đệm khí trong mô hình.
Ngày nay, ổ khí tốc độ cao thường được gia công bằng cách đưa các “piecies” để tạo ra một lỗ cấp với “pocket” nhỏ và rãnh chảy. Tuy nhiên cách làm này tạo nên các rãnh con kết nối các đệm khí lại với nhau, điều này cho thấy độ cứng so sánh với mô hình đệm khí tách biệt là kém hiệu quả. Có nhiều nghiên cứu thành công trong việc cải thiện ổ khí tĩnh về khả năng làm việc và thông số, nhưng rất ít trong số chúng khảo sát hiệu quả của việc tách biệt các đệm khí của ổ khí trong gia tăng tính ổn định làm việc.
Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới về ổ khí quay ứng dụng làm trục chính trong các thiết bị gia công lỗ nhỏ đều là ổ khí gồm nhiều buồng nhỏ có lỗ tiết lưu tại trung tâm bố trí xung quanh ổ khí hoặc dạng rãnh khí là dạng xoắn. Như thế sẽ tạo ra vùng áp suất khí thông nhau trong khe hở đệm khí giữa trục và bạc. Như vậy sẽ không thể giữ được trục quay ở vị trí cân bằng nếu có lực tác động theo phương hướng kính trong quá trình cắt gọt và độ cứng của lớp màng khí sẽ không được đảm bảo. Các khuyến cáo cho kỹ sư thiết kế ổ khí cần chú ý đến: Kết cấu ổ phần bạc cấp khí gồm lỗ đột thắt, rãnh cấp và rãnh thoát phải được bố trí hợp lý, trục của ổ khí quay đáp ứng các yếu tố nhẹ, gia công chính
xác để không xuất hiện lực ly tâm trong quá trình quay. Các rãnh cấp khí phải có kích thước phù hợp để giảm thiểu thể tích chết tránh hiện tượng mất ổn định “búa khí”. Giảm thiểu các nguyên nhân gây ra hiện tượng xoáy bán tốc. Khi tốc độ cao và khe hở khí không đều sẽ xảy ra hiện tượng thủy động đẩy trục quay sang 1 vị trí cân bằng mới, do đó để trục làm việc ổn định thì phải hạn chế hiện tượng này.
2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Ở Việt Nam, đệm khí còn là một thứ khá mới mẻ trong nền công nghiệp. Hầu hết các ổ đệm khí quay đều được nhập khẩu từ nước ngoài về của các hãng trên thế giới nổi tiếng hiện nay như WestWind (UK, China), ABL (UK), Aero Las (Germany), NewWay (America), NelSo Air (UK)…
Những trục chính này thường có tốc độ rất cao từ 10000 vòng/phút, thậm chí lên đến 285000 vòng/phút, điều mà không một loại ổ bi nào trong các trục chính có thể làm được.
Năm 1976 PGS. TS Nguyễn Tiến Thọ đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu về đệm khí với các nghiên cứu đề tài cấp nhà nước và cấp bộ và nhiều các nghiên cứu ứng dụng khác có sử dụng đệm khí, Trong đó đề tài cấp nhà nước N03-76 [55]: “Nghiên cứu chế tạo bộ đôi siêu chính xác” là cơ sở để chế tạo bộ đôi trục và bạc đệm khí sau này.
Năm 2016 PGS.TS Vũ Toàn Thắng cũng đã công bố công trình nghiên cứu sử dụng đệm khí trong máy đo ba tọa độ với đề tài: “Xây dựng phương pháp đo sai lệch độ tròn của các chi tiết cơ khí trong hệ tọa độ cực” [56]
Ngoài ra các nghiên cứu trong nước từ trước đến nay về đệm khí hiện cũng chỉ có ở phần ứng dụng của ổ khí quay với độ chính xác định tâm cao được ứng dụng trong các thiết bị đo như là máy đo độ tròn, thiết bị chuẩn mômen nơi mà tốc độ quay chỉ yêu cầu rất thấp nhưng cần độ ổn định tâm quay rất cao và hệ số ma sát cực nhỏ. Các sai số kích thước và hình học ảnh hưởng đến độ chính xác định tâm của ổ khí quay như độ trụ của chi tiết trục, độ cong của bề mặt đệm khí và trụ dẫn được đề cập trong công trình luận án tiến sĩ Tạ Thị Thúy Hương [57] đã cải tiến nâng cấp bàn đo của máy đo độ tròn và đã thiết kế chế tạo thành công ổ khí quay đạt độ chính xác định tâm 1µm, khả năng tải 650N, độ cứng 26N/µm, đáp ứng được yêu cầu cho các máy đo độ tròn công nghiệp hiện nay.
Hình 1. 18 Ổ khí quay ứng dụng trong thiết bị đo độ tròn
Một ứng dụng khác của đệm khí trong thiết bị chuẩn mômen nơi mà tốc độ quay chỉ yêu cầu rất thấp nhưng cần độ ổn định tâm quay rất cao và hệ số ma sát cực nhỏ được đề cập trong luận án tiến sỹ Vũ Văn Duy [58] đã thiết kế, chế tạo được máy đo mômen chuẩn (hình 1.16) có các thông số như sau: khả năng tải mỗi ổ ở đầu trục chịu tải 500 N, độ cứng trung bình của một ổ đạt được Ktb = 159 N/µm, mômen ma sát 53,8.10-6 N.m, ổ quay đệm khí chịu lực hướng tâm là 1.10- 6, khe hở khí (khoảng cách giữa đệm khí và trục quay) thay đổi từ 3 ÷ 10 µm phụ thuộc vào áp suất nguồn.
Hình 1. 19 Ổ khí quay dùng trong máy chuẩn mô men
Các nghiên cứu trong nước về ổ khí phần lớn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng ổ khí trong đo lường có tốc độ quay thấp nhằm giảm thiểu tối đa ma sát trong quá trình chuyển động đảm bảo độ chính xác đo, chưa có nghiên cứu ổ khí ứng dụng trong gia công.
Từ những phân tích tổng hợp trên thế giới và trong nước, luận án này tập trung đi nghiên cứu ổ khí quay dạng rãnh có lỗ đột thắt trung tâm để gia công các lỗ nhỏ dưới 1mm. Những lỗ này đáp ứng được các yêu cầu của với ổ khí chế tạo như: đảm bảo độ định tâm cao, độ chính xác lỗ gia công và tải trọng hay mômen cắt nhỏ, gia tăng độ cứng của rãnh khí bằng cách phân lập chúng thành các vùng riêng biệt về áp suất từ đó cải thiện độ cứng của ổ, tăng khả năng tự cân bằng của ổ.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Với đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí
tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” với các nội dung nghiên
cứu:
1. Qua nghiên cứu tổng quan các công trình về ổ khí quay ứng dụng trong gia công trên thế giới, và các nghiên cứu tại Việt Nam có thể thấy rằng kết cấu của ổ khí có các dạng cấp khí:
Cấp khí dạng lỗ hình khuyên và lỗ đơn giản, cấp khí dạng khe hẹp, cấp khí dạng rãnh, cấp khí dạng xốp. Tác giả đã kế thừa các nghiên cứu trước đó và đưa ra dạng cấp khí với lỗ cấp khí trung tâm liên kết hình chữ nhật tạo ra vùng đồng áp.
2. Nghiên cứu lý thuyết hoạt động của ổ khí tác giả nhận định: Áp suất cấp vào ổ khí sẽ ảnh hưởng đến phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí và độ cứng của đệm khí, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tải và khả năng định tâm của ổ, chính là ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ chính xác khi gia công chi tiết của ổ khí tĩnh.
3. Nghiên cứu các ưu nhược điểm của các ổ khí và những khó khăn khi gia công chế tạo ổ khí gia công lỗ nhỏ.
Trong các chương tiếp theo của luận án sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết với các phương án:
+ Phân tích kết cấu của ổ khí với bạc đệm khí dạng rãnh và lỗ đột đột thắt trung tâm với vùng cấp áp suất riêng biệt.
+ Nghiên cứu tính toán đưa ra các phương trình động lực học phương trình về phương trình dòng khí, phân bố áp suất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác gia công.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ
Mục tiêu nghiên cứu phân tích và tính toán về cơ sở lý thuyết theo các phương pháp khác nhau của phương trình Reynolds và phương trình Navier – Stokes, phương pháp điện khí tương đương để từ đó có thế mô phỏng khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trong ổ khí tĩnh.