1. ĐẶT VẤN ĐỀ
4.6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THÔNG QUA GIA
CÔNG KHOAN LỖ
* Điều kiện thực nghiệm
-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
+ Ổ khí quay có dụng cụ cắt là mũi khoan lắp vào trục chính của máy CNC mini
+ Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max = 10bar)
+ Bộ lọc khí MODEL ： 010 của hãng TPC
Kích thƣớc ： 64,5 mm x 14,6 mm x 14,6 mm
Lƣu lƣợng lớn nhất ： 11,5 m³/min
Áp lực lớn nhất ： ≤1.0MPa
Bộ lọc khí bao gồm : 1 lọc tinh + 1 lọc thô + 1 siêu tinh + Bộ điều áp chính xác MIDIFIL 15
+ 01 cảm biến đo áp suất SPSA1
+ Tấm thép CT3 kích thƣớc 200x200x2 + Dụng cụ cắt mũi khoan φ1.00 ULL 8730403
+ Nhiệt độ thực nghiệm: 250C * Hình ảnh gia công
Máy CNC mini Ổ khí quay
Chi tiết Cảm biến áp suất Máy tính
Bộ điều áp
Hình 4. 16 Thực nghiệm nguyên công khoan chi tiết trên vật liệu CT3 * Tiến hành thực nghiệm
Bƣớc 1: Mũi khoan φ1.00 ULL 8730403 đƣợc lắp vào colet và lắp lên trục chính ổ khí quay.
Thông số kỹ thuật: Dc = ϕ1.00, Ds = ϕ3.00, l =
6,00, L = 30.00, Số lỗ khoan đƣợc 1000 ÷ 1500 lỗ
Hình 4. 17 Mũi khoan φ1.00 ULL 8730403
Bƣớc 2: Bật máy nén khí từ máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max = 10bar) qua các bộ điều áp chính xác cung cấp khí vào
Hình 4. 18 Máy nén khí FuSheng model 03 – E
Bƣớc 3: Bật máy tính và mở phần mềm Mach3 CNC để điều khiển gia công các lỗ theo bản vẽ để gia công lỗ với các tốc độ quay của ổ khí quay là 10000 vòng/phút, 15000 vòng/phút và 20000 vòng/phút.
Bƣớc 4: Kiểm tra đánh giá kích thƣớc lỗ đã khoan
Hình 4. 19 Chi tiết thép CT3 sau khi khoan
* Đánh giá kích thƣớc đƣờng kính trung bình của bề mặt lỗ đã khoan trên máy hiển vi đo lƣờng d ng M của hãng Mitutoyo
Hình 4. 20 Hình ảnh đo đƣờng kính lỗ trên kính hiển vi
Thông số kỹ thuật cơ bản của kính hiển vi đo lƣờng dòng MF (Code No. 176- 686-11) của Trung tâm Đo lƣờng/ Viện Công nghệ:
- Vật kính có độ phóng đại 3x - Thị kính có độ phóng đại 10x
- Sử dụng đèn chiếu sáng Halogen 12V-50W
- Trục Z: dải đo (0-150) mm; độ phân giải đến 0,1 µm; độ chính xác ở 200C bằng (5+0,04L) µm (Với L là chiều dài đo tính bằng mm).
- Trục X: dải đo (0-400) mm; độ phân giải đến 0,1 µm; độ chính xác ở 200C bằng (2,2+0,02L) µm.
- Trục Y: dải đo (0-300) mm; độ phân giải đến 0,1 µm; độ chính xác ở 200C bằng (2,2+0,02L) µm.
* Tiến hành đo
Bƣớc 1: Đo đƣờng kính mũi khoan φ1.00 ULL 8730403 trên máy đo cho giá trị 1,01
Bƣớc 2: Đo đƣờng kính trung bình bề mặt trên miệng các lỗ đã gia công trên kính hiển vi đo lƣờng dòng MF (Code No. 176-686-11)
Bảng 4. 4 Bảng kết quả đo lỗ sau khi khoan
STT 1 2 3 4 5 6 7
STT 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Trung bình
Để đánh giá độ ổn định của ổ khí khi quay với các tốc độ quay khác nhau tác giả đã đi đánh giá độ định tâm của trục chính mũi khoan gián tiếp thông qua các lỗ gia công. Trong chƣơng 1 phần 1.3 đã tính toán lực dọc trục và mômen cắt đối với mũi khoan hợp kim đƣờng kính 1mm. Do đó bỏ qua các ảnh hƣởng của độ mòn dao vì số lỗ khoan 60 lỗ là rất nhỏ so với tuổi bền của mũi khoan là 1000 ÷1500, độ cong vênh của mũi khoan coi nhƣ không ảnh hƣởng và không cần phải dẫn hƣớng khi khoan vì cấu tạo dao gồm hai phần đƣờng kính ϕ1 phần mũi khoan và ϕ3 phần cán dao (hình 4.17) và bỏ qua các yếu tố ảnh hƣởng khác trong quá trình gia công, có thể thấy rằng, khi khoan lỗ sử dụng mũi khoan có đƣờng kính là 1,01mm, với tốc độ quay của ổ giảm dần trong khoảng từ 20000 vòng/phút xuống 10000vòng/phút thì kích thƣớc trung bình của các lỗ đo đƣợc càng lớn. Điều này có nghĩa là với tốc độ quay của ổ càng cao độ chính xác gia công càng cao, ổn định.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4
Qua các thực nghiệm đánh giá ổ khí quay đƣợc chế tạo cho thấy với trình độ chế tạo cơ khí tại Việt Nam, hoàn toàn có thể làm chủ đƣợc công nghệ chế tạo ổ khí quay ứng dụng làm trục chính cho các thiết gia công lỗ nhỏ.
1. Thực nghiệm kiểm tra ổ khí có thể hoạt động ở tốc độ đến 20.000 vòng/phút, tại áp cấp từ 3÷4 bar mà không có tiếp xúc cơ khí;
2. Thực nghiệm để xác định tải tác dụng lên ổ khí theo phƣơng dọc trục và theo phƣơng hƣớng kính đã xác định đƣợc độ cứng vững dọc trục 4N/μm và độ
cứng vững hƣớng tâm 5 N/μm đảm bảo cho ổ có khả năng định tâm tốt trong quá trình gia công.
3. Áp suất trích trong bề mặt ổ cho thấy quá trình quay với các tốc độ khác nhau hầu nhƣ biến động về áp suất không đáng kể giúp cho trục quay ổn định. Khi tốc độ quay càng cao, độ chính xác gia công càng cao. Lý do là khi vị trí cân bằng đã đƣợc xác lập, trục càng quay nhanh thì mô men quán tính tăng khả năng duy trì quá trình cân bằng càng tốt, áp suất tại một điểm xác định trên bề mặt bạc đệm khí đƣợc trung bình hóa do sự thay đổi tức thời về áp suất quá chậm so với tốc độ quay của trục. Khi xét một điểm trên bề mặt bạc đệm khí, nếu trục quay không tròn thì trong 1 vòng quay, khe hở giữa trục và bạc tại vị trí điểm xét sẽ thay đổi dẫn đến áp suất thay đổi, nhƣng do trục quay quá nhanh dẫn đến quá trình thay đổi áp suất không kịp đáp ứng so với tốc độ quay của trục, nó sẽ duy trì một giá trị áp suất trung bình giữ cho trục có khả năng cân bằng tốt hơn. Kết quả là khi gia công lỗ với đƣờng kính mũi khoan φ1.01 cho thấy tốc độ trục chính quay càng cao thì kích đƣờng kính trung bình của lỗ gia công đo đƣợc càng nhỏ, từ đó có thể đánh giá độ dao động tâm quay của ổ khí giảm.
KẾT LUẬN
Với đề tài: “Nghiên cứu một số thông số ổ khí tĩnh ảnh hƣởng đến độ chính xác của ổ ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ”, luận án đã đạt đƣợc những kết quả sau:
1. Đã xây dựng đƣợc cơ sở thiết kế, tính toán ổ khí tĩnh ứng dụng làm đầu trục chính gia công lỗ nhỏ với khả năng định tâm bằng bạc đệm khí mặt trụ và tạo lực dọc trục bằng các đệm khí mặt phẳng chặn trên và dƣới vai trục. Qua phân tích các công trình đã công bố và nghiên cứu trên thế giới, tác giả đã chọn đối tƣợng nghiên cứu là ổ với bạc đệm khí kết cấu dạng rãnh nhằm hạn chế tối đa hiện tƣợng rung động, búa khí gây ra do giảm đƣợc thể tích chết dƣới bề mặt đệm. Việc lựa chọn này cũng phù hợp với trình độ công nghệ gia công cơ khí tại Việt Nam..
2. Luận án đã nghiên cứu đƣợc kết cấu ổ khí quay dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm phân vùng cấp khí để tạo hiệu quả độ cứng vững của đệm khí. Dùng phƣơng pháp đệm khí tƣơng đƣơng để tính toán sơ bộ quan hệ giữa các thông số kế cấu của đệm khí, áp suất cấp với áp suất trên bề mặt đệm khí, lực nâng, độ cứng vững ổ khí. Đã mô phỏng xác định ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ áp suất cấp, kết cấu đệm khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặt trong điều kiện ổ khí quay với các tốc độ trục chính khác nhau. Đây là điểm mới của luận án mà chƣa đƣợc thể hiện trong các công trình đã công bố trƣớc đó.
3. Đối với kết cấu ổ khí tĩnh đã đƣợc chế tạo, với áp suất cấp là 4bar, khi thay đổi tốc độ của trục quay từ 10.000 đến 20.000 vòng/phút, áp suất phân bố trên bề mặt đệm khí gần nhƣ không thay đổi, điều đó cho thấy tốc độ quay ít ảnh hƣởng đến áp suất lớp màng khí giữa trục và bạc, điều này giúp cho ổ khí hoạt động ổn định ở các dải tốc độ khảo sát
4. Luận án đã xây dựng thành công thiết bị thực nghiệm ổ khí quay dạng rãnh với độ cứng vững hƣớng tâm 5N/μm, độ cứng vững dọc trục 4N/μm hoạt động ổn định ở vùng tốc độ từ 10000 vòng/phút đến 20000 vòng/phút hoàn toàn không tiếp xúc cơ khí.
5. Thực nghiệm đánh giá độ ổn định tâm quay của ổ khí thông qua việc gia công khoan lỗ với đƣờng kính mũi dao khoan là φ1,01mm trên vật liệu thép CT3 chiều dày 2mm ở các tốc độ quay 20000 vòng/phút, 15000 vòng/phút, 10000 vòng/phút trên mô hình thực nghiệm ổ khí quay đƣợc lắp trên máy phay CNC cho thấy với tốc độ quay càng giảm thì độ ổn định tâm quay của ổ càng giảm và ngƣợc lại.
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Nghiên cứu nâng cao tốc độ quay của ổ khí tĩnh dạng rãnh với lỗ đột thắt trung tâm trên 20.000 vòng/phút, phân tích động lực học và các yếu tố ảnh hƣởng trong vùng tốc độ cao.
2. Nghiên cứu khả năng định tâm và độ cứng vững của ổ khí, các hiện tƣợng khí động học xảy ra khi tốc thay đổi tốc độ từ 20.000 vòng/phút đến 100.000 vòng phút
3. Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bề mặt, các sai lệch hình dáng và vị trí bề mặt của các chi tiết bộ phận trong ổ khí quay cũng nhƣ chất lƣợng lắp ghép bộ đôi, nhằm nâng cao độ chính xác của ổ khí.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Шейнберг, С.А, Жедь, В.П, Шишеев, М.Д, Баласаньян, В.С, Заблоцкий e Заблоцкий, Н.Д (1979), "Опоры скольжения с газовой смазкой," МАШИНОСТРОЕНИЕ, МОСКВА. [2] C.a.шeнбepг (1969), ''м.Д.Шишeeв, Опоры скольжения с газовой смазкой,'' Издательство Maxcowva.
[3] Nguyễn Doãn Ý (2005), "Giáo trình Ma sát mòn bôi trơn," NXB Xây Dựng. [4] https://www.celeramotion.com/westwind/support/technical-papers/air-
bearing-benefits/, [Online].
[5] SchSchiffm (2008), "Integrated design, Optimization and Experimental Investigation of a Direct Driven Turbocompressor for Domestic Heat Pumps,'' PhD Thesis, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne. SwiSwitzerl.
[6] Lili Gu; Eliott Guenat, Jürg Schiffmann. e (2020), ''A review of grooved dynamic gas bearings,'' Appl. Mech. Rev. Jan 2020, 72(1), 0003-6900.
[7] Mohammad Akhondzadeh e (2014), ''Mehrdad VahdVah. Air pocket effects on air spindle vibrations in nanomachining,'' Proc IMechE Part B: J Eng.Man, 228(3), 328–336.
[8] Siyu Gao, Kai Cheng, Shijin Chen, Hui Ding, Hongya e (2015), ''CFD based investigation on influence of orifice chamber shapes for the design of aerostatic thrust bearings at ultra-high-speed spindles,'' Tribology International. 301-679X.
[9] Jiasheng Li, Ming Huang, Pinkuan Liu e (2019), ''Analysis and experimental verification of dynamic characteristics of air spindle considering varying stiffness and damping of radial bearings,'' The International Journal of Advanced Manufacturing Technology volume 104, pages2939–2950.
[10] Qiang Gao, Lihua Lu, Wanqun Chen, Guoda Chen, Guan e (2017), ''A novel modeling method to investigate the performance of aerostatic spindle considering the fluid- structure interaction,'' Tribology International Volume 115, November 2017, Pages 461-469.
[11] Mohammad Akhondzadeh, Mehrdad Vahdati e (2013), "Experimental investigation on effect of number and size of rectangular air pockets on air
spindle vibrations in nanomachining,'' Proc IMechE Part B: J Eng. Man Volume: 227 issue: 2, page(s): 281-285.
[12] Qiang Gao, Lihua Lu, Wanqun Chen, Guanglin Wang e (2017), ''Optimal design of an annular thrust air bearing using parametric computational fluid dynamics model and genetic algorithms,'' . Proc IMechE Part J: J Eng.Tri. Volume: 232 issue: 10, page(s): 1203-1214.
[13] http://www.ads-technology.com/airbearingspindles.html, [Online].
[14] R.Tanase , K Ohtsubo, F.Sugimoto e (2010), ''Development of high precision air bearing spindle,'' 2010 ：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：： N08, page 987-988.
[15] http://www.colibri.com/, [Online].
[16] https://colibrispindles.com/air-bearing-dicing-spindles-full-product-line/, [Online].
[17] Nguyễn Đắc Lộc e (2007), ''Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2,'' NXB KHKT. [18] Nguyễn Ngọc Đào, Hồ Viết Bình, Trần Thế San e 2000, ''Chế độ cắt gia công cơ khí,''
NXB Đà Nẵng.
[19] Joong Bae Kim, Sang Jo Lee, Young Pil Park e 1994, ''Development of a drilling process with torque stabilization,'' Journal of Manufacturing Systems, Volume 13, Pages 435-441.
[20] C. Dandekar, E. Orady, P. K. Mallick e 2007, ''Drilling Characteristics of an E-Glass Fabric-Reinforced Polypropylene Composite and an Aluminum Alloy: A Comparative Study,'' Journal of manufacturing science andengineering, vol. 129, pp. 1080-1087. [21] Joong-Bae Kim, Sang-Jo Lee, Young-Pil Park e 1994, ''Development of a Drilling
Process with torque stabilization,'' Journal of Manufacturing Systems, vol. 13, no. 6, pp.435-441.
[22] O. B. Ozdoganlar, R. E. DeVor, S. G. Kapoor e 2002, ''Modeling Chip-Evacuation Forces and Prediction of Chip-Clogging in Drilling,'' Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 124, no. 3, p. 605.
[23] Jeffrey C. Mellinger, O. Burak Ozdoganlar, Richard E. DeVor, Shiv G. Kapoor e 2003, ''Modeling Chip-Evacuation Forces in Drilling for Various
Flute Geometries,'' Journal of Manufacturing Science and Engineering, vol. 125, no. 3, p. 405.
[24] Sushanta K.Sahu, O.Burak Ozdoganlar, Richard E.DeVor, Shiv G.Kapoor e 2003, ''Effect of groove-type chip breakers on twist drill performance,'' International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 43, no. 6, pp. 617-627.
[25] Jeff A. Degenhardt, Richard E. DeVor, Shiv G. Kapoor e 2005, ''Generalized groove- type chip breaker effects on drilling for different drill diameters and flute shapes,'' International Journal of Machine Tools &Manufacture, vol. 45, pp. 1588–1597. [26] U.A.Khashaba, M.A.Seif, M.A.Elhamid e 2007, ''Drilling analysis of chopped
composites,'' Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 38, Issue 1, January 2007, Pages 61-70.
[27] Duck WhanKim, Young SooLee, Min SooPark, Chong NamChu e 2009, ''Tool life improvement by peck drilling and thrust force monitoring during deep-micro-hole drilling of steel,'' International Journal of Machine Toolsand Manufacture Volume 49, Issues 3–4, March 2009, Pages 246-255.
[28] Z. Kazimierski, J. Trojnarski e (1980), ''Investigations of Externally Pressurized Gas Bearings With Different Feeding Systems,'' Journal ofTribology Volume 102, Issue 1 J. of Lubrication Tech. Jan 1980, 102(1): 59-64 (6 pages).
[29] John Wesley Powell (1970), ''The design of aerostatic bearings,'' The Machinery Publishing Co.Ltd.
[30] S. Yoshimoto, Y. Nakano, T. Kakubari e (1984), ''Static characteristics of externally pressurized gas journal bearings with circular slot restrictors,''Tribology International Vol. 17; Iss. 4.
[31] C. W. Dee, G. L. Shires e (1971), ''The Current State of the Art of Fluid Bearings With Discrete Slot Inlets,'' Journal of Tribology Volume 93, Issue 4 Oct 1971, 93(4): 441- 450.
[32] W.B.Rowe, K.J.Stout e (1973), ''Design of externally pressurized gas-fed journal bearings employing slot restrictors,'' Tribology Volume 6, Issue 4,August 1973, Pages 140-144.
[33] K.J.Stout, W.B.Rowe e (1972), ''Analysis of externally-pressurized spherical
gas bearings employing slot restrictors,'' Tribology Volume 5, Issue 3, June 1972, Pages 121-127.
[34] T.Nakamura, S.Yoshimoto e (1996), ''Static tilt characteristics of aerostatic rectangular double-pad thrust bearings with compound restrictors,'' Tribology International Volume 29, Issue 2, February 1996, Pages 145-152.
[35] H. Mori, H. Yabe, T. Ono e (1965), ''Theory of Externally Pressurized Circular Thrust Porous Gas Bearing,'' Juornal of Fluids Enginneering J. Basic Eng. Sep 1965, 87(3): 613-620.
[36] R.Bassani, E.Ciulli, P.Forte e (1989), ''Static behaviour of an integral externally pressurized gas bearing. Comparison with other types of bearing,'' Tribology International Volume 22, Issue 3, June 1989, Pages 177-188.
[37] R.Bassani, E.Ciulli, P.Forte e (1989), ''Pneumatic stability of the integral aerostatic bearing: comparison with other types of bearing,'' Tribology International Volume 22, Issue 6, December 1989, Pages 363-374.
[38] Kyung GeunBang, Dai GilLee e (2002), ''Design of carbon fiber composite shafts for high speed air spindles,'' Composite Structures Volume 55, Issue 2, February 2002, Pages 247-259.
[39] TomokoHirayama, NaomiYamaguchi, ShingoSakai, NoriakiHishida, TakashiMatsuoka, HiroshiYabe e (2009), ''Optimization of groove dimensions in herringbone-grooved journal bearings for improved repeatable run-out characteristics,'' Tribology International Volume 42, Issue 5, May 2009, Pages 675- 681.
[40] Masayuki Ochiai, Naoya Kato, Hiromu Hashimoto e (2018), ''Groove Shape Optimization of Thrust Air Bearing for Small Size Spindle Considering the Processing Errors,'' ASME-JSME 2018 Joint International Conference on Information Storage and Processing Systems and Micromechatronics for
Information and Precision Equipment ISPS-MIPE2018-8549, V001T02A002; 3 pages.
[41] Lihua Lu, Qiang Gao, Wanqun Chen, Guanglin Wang e (2017), ''Multi-physics coupling analysis of an aerostatic spindle,'' Advances in Mechanical Engineering, Mec. Eng. 2017, Vol. 9(6) 1–8.
[42] Federico Colombo, Luigi Lentini, Terenziano Rapare e (2017), ''Actively compensated aerostatic thrust bearing: design, modelling and experimental
validation,'' Mec. Vol. 52. 3645-3660 2017 ISSN 1572-9648.
[43] Eunho Sung, Chang hoon Seo, Hyunmin Song, Byungjoo e (2019), ''Design and experiment of noncontact eddy current damping module in air bearing– guided linear motion system,'' Advances in Mechanical Engineering, Mec. Eng. 2019, Vol. 11(8) 1– 11.
[44] Wawan Purwanto, Risfendra, Dwi Sudarno Purra e (2018), ''Effect of stator slot geometry on high speed spindle motor performance,'' 2018 International Conference on Information and Communications Technology. 978-1-5386-0954-5.
[45] Seyed Ali Seyedi Seadati, Seyed Ali Seyedi Seadati e (2018), ''Optimal design and finite element analysis of a high speed, axial-flux permanent magnet synchronous motor,'' 2018 9th Annual Power Electronics, Drives
Systems and Technologies Conference (PEDSTC) DOI: 10.1109/PEDSTC.2018.8343785.
[46] Jun Wen, Tom Reddyhoff, Songtao Hu, Debashis Puhan e (2019), ''Exploiting air cushion effects to optimise a superhydrophobic/hydrophilic patterned liquid ring sealed air bearing,'' Tribology International Volume144, April 2020, 106129.
[47] Donaldson, R R e (1972), ''A simple method for separating the spindle error from test ballroundness error,'' CIRP Annals - Manufacturing Technology.Pub date 1972 1.1, 125-126 California Univ., Livermore. Lawrence Livermore Lab.
[48] Chris J.Evans, Robert J.Hocken, W. TylerEstler e (1996), ''Self-Calibration:
Reversal, Redundancy, Error Separation, and ‘Absolute Testing’,'' CIRP Annals Volume 45, Issue 2, Pages 617-634.
[49] K.PrashanthAnandan, Abhinandan S.Tulsian, AlkanDonmez, O.BurakOzdoganlar e