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 đƣợc 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. Ngƣời ta nhận thấy rằng hiệu suất của ổ trục kiểu lỗ đơn giản cao hơn khoảng ba mƣơi 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 lƣợng lớn không khí lƣu trữ trong vòng bi, điều này ảnh hƣởng 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 tƣơng tự nhƣ 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 hƣớng 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 đƣợc ứng dụng.
+ Áp suất cấp vào dạng rãnh [34]. Đầu vào không khí cũng có thể đƣợc bố trí các rãnh đặc biệt xung quanh lỗ thoát khí đƣợc gia công ở một trong các bề mặt chịu lực. Nhƣng chi phí sản xuất của nó thƣờng 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 nhƣ 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 phƣơng án trên tác giả thấy đây là phƣơng 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 ƣu nhƣợc điểm nhất định, tuy nhiên các loại ổ khí đƣợc biết đến là loại ổ hiệu quả nhất với nhiều điểm mạnh đã đƣợc chứng minh qua thực nghiệm và nghiên cứu và tác giả sẽ phân tích để thấy đƣợc những tồn tại mà các phƣơng án còn lại chƣa thể đáp ứng với điều kiện nghiên cứu ở thời điểm hiện tại. Có nhiều nghiên cứu đã đƣợc 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 đƣợc cải thiện [38]. Tƣơng tự, có nghiên cứu với mục đích cải thiện tải trọng và độ cứng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi vật liệu trong ổ khí bằng vật liệu composite [38]. Ảnh hƣởng của số lƣợng và hình dáng của các lỗ cấp khí đến độ ổn định của ổ khí, đƣờng kính của rãnh khí và hình dáng của chúng đƣợc 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 đƣợc nghiên cứu dựa trên phƣơng pháp tƣơng tác chất lỏng - cấu trúc - nhiệt (fluid structure heat interaction - FSI), và các thí nghiệm đƣợc thực hiện để xác nhận kết quả mô phỏng đã đƣa ra: Sự biến dạng cấu trúc của tấm đẩy ảnh hƣởng rất nhiều đến khả năng chịu tải của ổ đỡ không khí. Biến dạng của nó nên đƣợc xem xét ở giai đoạn thiết kế của trục chính khí [41]. Cùng thời gian, một nghiên cứu về phƣơng pháp Bù chủ động (Active compensation) là một phƣơng 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 đƣợc bù tích cực. Sự đền bù tích cực thu đƣợc thông qua chiến lƣợc đền bù hỗ trợ. Với chiến lƣợc này, vị trí làm việc ban đầu của hệ thống đƣợc phục hồi bằng cách bù đắp cho các thay đổi khe hở không khí thông qua các điều chỉnh đối với kích thƣớc thẳng đứng của ổ trục. Vòng bi đƣợc mô tả bao gồm một ổ đỡ lực đẩy thông thƣờng đƣợc 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 đƣợc 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]. Phƣơng pháp này đã tối ƣu hiệu quả làm việc về mặt thời gian và phân giải. Số lƣợng và vị trí của lỗ cấp khí ở stator đồng thời ảnh hƣởng 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, phƣơng pháp cũng đƣợc thực hiện [45]. Những kết quả mô phỏng này đã
chứng minh mối liên hệ giữa lực hƣớng 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 nhƣng nhìn chung đều ảnh hƣởng 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 nhƣ chuyển động sai số nền tảng. Từ những vấn đề trên, cân bằng thụ động và chủ động là 2 giải pháp đƣợc đƣa 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 lƣợng cung cấp phức tạp, thiết bị phụ trợ nhƣng lại cung cấp khả năng cân bằng giới hạn. Tuy nhiên, giải pháp cân bằng chủ động của trục quay mặc dù đã đƣợc đƣa ra từ 50 năm trƣớc nhƣng thành tựu đạt đƣợc cũng khiêm tốn. Có nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện từ đo đạc, dự đoán biểu hiện về sai lệch chuyện động của ổ [47], [48], [49]. Nghiên cứu về phƣơng pháp cân bằng chủ động để vƣợt qua những điểm yếu của ổ khí tốc độ cao [50], [51], [52]. Sử dụng phƣơng pháp ở trên, Zhou S et. al. khảo sát và tối ƣu quy trình gia tốc cho rotor [53]. Bằng phƣơng thức tƣơng tự, độ chính xác trong dự đoán khối lƣợng mất cân bằng của trục quay ổ khí đƣợc cải thiện [54]. Mặc dù vậy, mảng tự cân bằng trong ổ khí quay ở tốc độ cao vẫn đƣợc cho là chƣa khai phá. Dù có nhiều kết quả nghiên cứu về cải thiện ổ khí, nhƣng có rất ít nghiên cứu chi tiết về việc tối ƣu độ cứng của ổ bằng cách tách biệt các đệm khí trong mô hình.
Ngày nay, ổ khí tốc độ cao thƣờng đƣợc gia công bằng cách đƣa 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, nhƣng 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 lƣu tại trung tâm bố trí xung quanh ổ khí hoặc dạng rãnh khí là dạng xoắn. Nhƣ thế sẽ tạo ra vùng áp suất khí thông nhau trong khe hở đệm khí giữa trục và bạc. Nhƣ vậy sẽ không thể giữ đƣợc trục quay ở vị trí cân bằng nếu có lực tác động theo phƣơng hƣớng kính trong quá trình cắt gọt và độ cứng của lớp màng khí sẽ không đƣợc đảm bảo. Các khuyến cáo cho kỹ sƣ 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 đƣợc 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 thƣớc phù hợp để giảm thiểu thể tích chết tránh hiện tƣợng mất ổn định “búa khí”. Giảm thiểu các nguyên nhân gây ra hiện tƣợng xoáy bán tốc. Khi tốc độ cao và khe hở khí không đều sẽ xảy ra hiện tƣợng 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 tƣợng này.
2. Tình hình nghiên cứu ở trong nƣớc
Ở Việt Nam, đệm khí còn là một thứ khá mới mẻ trong nền công nghiệp. Hầu hết các ổ đệm khí quay đều đƣợc nhập khẩu từ nƣớc ngoài về của các hãng trên thế giới nổi tiếng hiện nay nhƣ WestWind (UK, China), ABL (UK), Aero Las (Germany), NewWay (America), NelSo Air (UK)…
Những trục chính này thƣờng 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 đƣợc.
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 nƣớc và cấp bộ và nhiều các nghiên cứu ứng dụng khác có sử dụng đệm khí, Trong đó đề tài cấp nhà nƣớc 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 nƣớc từ trƣớc đến nay về đệm khí hiện cũng chỉ có ở phần ứng dụng của ổ khí quay với độ chính xác định tâm cao đƣợc ứng dụng trong các thiết bị đo nhƣ là máy đo độ tròn, thiết bị chuẩn mômen nơi mà tốc độ quay chỉ yêu cầu rất thấp nhƣng cần độ ổn định tâm quay rất cao và hệ số ma sát cực nhỏ. Các sai số kích thƣớc và hình học ảnh hƣởng đến độ chính xác định tâm của ổ khí quay nhƣ độ trụ của chi tiết trục, độ cong của bề mặt đệm khí và trụ dẫn đƣợc đề cập trong công trình luận án tiến sĩ Tạ Thị Thúy Hƣơng [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 đƣợc 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 nhƣng cần độ ổn định tâm quay rất cao và hệ số ma sát cực nhỏ đƣợc đề cập trong luận án tiến sỹ Vũ Văn Duy [58] đã thiết kế, chế tạo đƣợc máy đo mômen chuẩn (hình 1.16) có các thông số nhƣ sau: khả năng tải mỗi ổ ở đầu trục chịu tải 500 N, độ cứng trung bình của một ổ đạt đƣợc Ktb = 159 N/µm, mômen ma sát 53,8.10-6 N.m, ổ quay đệm khí chịu lực hƣớng 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 nƣớc về ổ khí phần lớn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng ổ khí trong đo lƣờng có tốc độ quay thấp nhằm giảm thiểu tối đa ma sát trong quá trình chuyển động đảm bảo độ chính xác đo, chƣa có nghiên cứu ổ khí ứng dụng trong gia công.
Từ những phân tích tổng hợp trên thế giới và trong nƣớc, 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 dƣới 1mm. Những lỗ này đáp ứng đƣợc các yêu cầu của với ổ khí chế tạo nhƣ: 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 CHƢƠNG 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 trƣớc đó và đƣa 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 hƣởng đến phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí và độ cứng của đệm khí, từ đó ảnh hƣởng đến khả năng tải và khả năng định tâm của ổ, chính là ảnh hƣởng đến chất lƣợng cũng nhƣ độ chính xác khi gia công chi tiết của ổ khí tĩnh.
3. Nghiên cứu các ƣu nhƣợc điểm của các ổ khí và những khó khăn khi gia công chế tạo ổ khí gia công lỗ nhỏ.
Trong các chƣơng tiếp theo của luận án sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết với các phƣơng 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 đƣa ra các phƣơng trình động lực học phƣơng trình về phƣơng trình dòng khí, phân bố áp suất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hƣởng đến chất lƣợng và độ chính xác gia công.
CHƢƠNG 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 phƣơng pháp khác nhau của phƣơng trình Reynolds và phƣơng trình Navier – Stokes, phƣơng pháp điện khí tƣơng đƣơng để từ đó có thế mô phỏng khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng trong ổ khí tĩnh.