Đặc điểm cấu tạo của vòng bi khí tĩnh

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo của vòng bi khí tĩnh

Ổ khí tĩnh còn đƣợc gọi là vòng bi không khí có áp suất từ bên ngoài, coi rằng áp suất của màng không khí đƣợc tạo ra bởi một hệ thống cung cấp không khí bên ngoài.

Không khí đƣa vào khe hở giữa hai bề mặt ổ trục thông qua một hệ thống máy nén khí qua các bộ lọc và các điều áp và sau đó đƣợc thải ra môi trƣờng xung quanh từ các rãnh thoát ra của khe hở ổ trục.

Màng mỏng hoạt động nhƣ chất bôi trơn trong khoảng trống giữa các bộ phận và bộ phận chuyển động. Trong trạng thái làm việc, các bề mặt chuyển động và đứng yên của ổ trục khí không tiếp xúc, không chỉ tránh đƣợc nhiều vấn đề của ổ trục thông thƣờng, chẳng hạn nhƣ mài mòn và ma sát mà còn mang lại lợi ích khác biệt cho việc định vị chính xác. Để có đƣợc hiệu suất tối ƣu của vòng bi khí tĩnh, khe hở là yêu cầu đủ nhỏ để đảm bảo áp suất. Nói chung, độ hở 5–20 μm đƣợc chấp nhận đƣợc, không khí cần đƣợc lọc tốt để đảm bảo ổ trục hoạt động tốt. Hơn nữa, việc làm kín và làm sạch vòng bi là rất quan trọng để ngăn ngừa ô nhiễm. Ngoài ra, sai số hình dáng, kích thƣớc chế tạo của các bề mặt lắp ghép thƣờng đƣợc yêu cầu phải tốt hơn một phần mƣời chiều cao khe hở, điều này tạo ra một thách thức đối với khả năng sản xuất. Để đạt đƣợc yêu cầu về dung sai nghiêm ngặt này đối với các bề mặt chịu lực có các hình dạng khác

26

nhau, bao gồm bề mặt phẳng, bề mặt hình trụ, cần có phƣơng pháp gia thiết kế đến gia công lắp ráp phải chính xác. Nhìn chung, việc chế tạo và thử nghiệm ổ trục khí có các yêu cầu về môi trƣờng cao hơn.

2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh

Vòng bi khí tĩnh, sử dụng màng khí nén có độ dày ở cấp độ micromet để hỗ trợ các bộ phận chuyển động và chống lại tải trọng bên ngoài, đã đạt đƣợc sự cải thiện hiệu suất đáng kể từ các khía cạnh của độ chính xác chuyển động, ma sát, ô nhiễm và tốc độ, so với vòng bi lăn chính xác. Do đó, vòng bi khí tĩnh đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn nhƣ ngành dệt may [59], đóng gói và đóng gói [60], điện tử và chất bán dẫn [61], đo lƣờng và máy công cụ siêu chính xác [62], máy tuabin [63], máy móc cho ngành công nghiệp thực phẩm [64], và ngành y tế [65]

Sự xuất hiện của công nghệ bôi trơn bằng không khí có thể bắt đầu từ năm 1828 khi Willis [66] thực nghiệm điều tra trạng thái luồng không khí giữa hai mặt phẳng song song. Vào cuối thế kỷ 19, Kingsbury [67] đã nghiên cứu các đặc điểm hỗ trợ của ổ trục khí bằng thực nghiệm, điều này đã chứng minh tính khả thi của ổ trục khí. Sau đó, nhiều bằng sáng chế về vòng bi khí đã đƣợc cấp trong đầu những năm 1900 [68] chẳng hạn nhƣ ổ đỡ lực đẩy không khí đƣợc thiết kế bởi Westinghouse [69] vào năm 1904 và ổ trục tạp khí tĩnh đƣợc thiết kế bởi Abbott [70] vào năm 1916. Tuy nhiên, trong những thập kỷ sau đó, chỉ có một số bài báo liên quan đến nguyên lý cơ bản của bôi trơn bằng khí đƣợc xuất bản [71]. Trong Thế chiến thứ hai, công nghệ bôi trơn bằng khí lần đầu tiên bùng nổ ở các nƣớc phát triển nhƣ Hoa Kỳ, do nhu cầu từ năng lƣợng hạt nhân và các ngành công nghiệp quốc phòng [72]. Hệ thống ổ trục đƣợc yêu cầu phải hoạt động tốt và liên tục trong các điều kiện hoạt động có độ chính xác cao, nhiệt độ cao, ma sát thấp và tốc độ cao. Cụ thể, trong thiết bị hạt nhân, ổ trục đƣợc yêu cầu cho phép hệ thống lò phản ứng đƣợc niêm phong và không đƣợc giám sát trong hơn hai thập kỷ. Hơn nữa, nhiệt độ cao và chiếu xạ sẽ không có tác động trên chất bôi trơn của ổ trục [29]. Những nhu cầu này không thể đƣợc đáp ứng bởi vòng bi lăn thông thƣờng hoặc vòng bi thủy tĩnh, nhƣng vòng bi khí đƣợc coi là một ứng cử viên tốt để đáp ứng những nhu cầu này. Do đó, nhiều thí nghiệm đã đƣợc tiến hành và nhiều dữ liệu về thiết kế thí nghiệm đã đƣợc thu thập trong giai đoạn này, dẫn đến tiến bộ đáng kể trong việc phát triển công nghệ bôi trơn bằng khí. Từ những sự khởi đầu chuyên biệt này, vòng bi khí tĩnh đã đƣợc đƣợc thiết kế, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn nhƣ máy khoan nha khoa tốc độ cao [73], máy mô phỏng không gian [74], máy chính xác công cụ và dụng cụ đo lƣờng [75]. Từ những năm 1970 đến 1990, một số nghiên

27

cứu về công nghệ bôi trơn bằng khí đã đƣợc xuất bản, đánh dấu một thời kỳ trƣởng thành về lý thuyết thiết kế của công nghệ bôi trơn bằng khí [71], [29], [76], [77].

Sau những năm 1990, nhu cầu ngày càng tăng từ cả hai lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phát triển công nghiệp đối với tấm bán dẫn có độ chính xác cao, linh kiện quang học chính xác, khuôn mẫu chính xác, các bộ phận vi mô và cấu trúc vi mô, v.v. Điều này đã kích thích sự tiến bộ của công nghệ gia công siêu chính xác, đặc biệt là máy công cụ siêu chính xác. Nhu cầu về vòng bi khí tĩnh, một trong những thành phần quan trọng để cho phép gia công siêu chính xác, cũng tăng lên đáng kể do đó thiết kế và phát triển vòng bi khí hiệu suất cao ngày càng thu hút đƣợc sự chú ý. Khảo sát các yêu cầu làm việc cực kỳ cao của nó, bao gồm độ chính xác cao, độ ổn định cao và tốc độ cao hơn (thƣờng hơn 10.000 vòng / phút), v.v. Vẫn còn nhiều thách thức để phát triển hiệu suất cao vòng bi khí tĩnh. Tất cả các hiệu suất tĩnh bao gồm khả năng chịu tải và độ cứng, đặc tính động, tính ổn định ở tốc độ cực cao và hiệu ứng tƣơng tác khớp nối để truyền mômen đến trục, đều có tác động đáng kể đến hiệu suất tổng thể của vòng bi khí tĩnh.

Có thể tóm tắt các xu hƣớng ứng dụng của ổ trục khí trong ngành công nghiệp nhƣ sau, trƣớc hết là trong ngành máy công cụ, hy vọng rằng khả năng chịu tải và độ cứng của ổ trục có thể đƣợc cải thiện hơn nữa để đáp ứng các yêu cầu của gia công thông thƣờng; sau đó, trong kỹ thuật quang khắc và các ngành liên quan, cần có hệ thống dẫn khí để thực hiện điều khiển định vị ở cấp độ nano, do đó, rung động vi mô trong ổ trục không khí cần phải đƣợc triệt tiêu; cuối cùng, trong ngành công nghiệp vi mạch cần đảm bảo độ chính xác của quá trình gia công. Tuy nhiên, mặc dù sự phát triển đáng kể của công nghệ tiên tiến trong thiết kế và sản xuất vòng bi tĩnh, nguyên tắc thiết kế cơ bản vẫn chƣa đƣợc hiểu đầy đủ, điều này hạn chế đáng kể việc cải thiện hiệu suất hơn nữa của vòng bi tĩnh. Do đó, để có thể nghiên cứu, phát triển và đổi mới ổ trục khí hiệu suất cao thế hệ tiếp theo, cần phải hiểu một cách toàn diện nguyên tắc thiết kế cơ bản của ổ trục khí.

Hiện tại, một số phƣơng pháp số (bao gồm thuật toán đơn giản hóa kỹ thuật (Engineering Simplification Algorithm ESA), phƣơng pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method FEM) và phƣơng pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method FDM), Mô phỏng động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics CFD) và phƣơng pháp ghép nối đa vật lý (Multi-Physics Coupling Method MPCM)) và phƣơng pháp thực nghiệm đã đƣợc áp dụng để khảo sát tính năng của ổ trục khí tĩnh.

28

Trong khuôn khổ của luận án này sẽ nghiên cứu một số phƣơng pháp đã nêu để thực nghiệm và khảo sát một số thông số của khí tĩnh nhƣ độ cứng vững của ổ và áp suất phân bố trên đệm khí…

2.2 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA Ổ KHÍ QUAY

2.2.1 Phân tích định vị

Phần này sẽ trình bày phân tích cơ sở thiết kế ổ khí quay phân phối khí dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắng trung tâm, phân tích ảnh hƣởng của các lực tác động đến độ chính xác định tâm của ổ khí.

Ổ khí quay sử dụng làm trục chính trong gia công lỗ nhỏ chính xác đặt đứng thƣờng đƣợc thiết kế để định vị đủ 5 bậc tự do nhƣ hình 2.1

Lớp đệm khí trên mặt trụ dài A định vị 4 bậc tự do hạn chế di chuyển theo phƣơng vuông góc với trục x, y và quay quanh trục x, y. Hai lớp đệm khí chặn mặt đầu ở phía trên C và phía dƣới B định vị 3 bậc tự do là dịch chuyển theo phƣơng z, quay quanh x, y. Trục chỉ còn một bậc tự do duy nhất là chuyển động quay quanh trục z.

Đây là một kết cấu siêu định vị do các bậc định vị quay quanh x, y trùng nhau, do đó để ổ có thể hoạt động đƣợc trong vùng khe hở đệm khí xác định thì cần đảm bảo gia công chính xác về độ vuông góc giữa bề mặt trụ A và mặt đầu B cũng nhƣ độ song song của hai mặt đầu B và C (ở cả chi tiết bạc đệm khí lẫn chi tiết trục quay)

29

Hình 2. 1 Mô hình định vị và lắp ráp ổ khí quay

Xuất phát từ mô hình khảo sát này trên cơ sở yêu cầu kỹ thuật thực tế của máy khoan lỗ nhỏ và nguyên lý làm việc của ổ khí quay cao tốc, tác giả lựa chọn phƣơng án sử dụng ổ khí tĩnh. Trong đó, lực nâng hƣớng kính của ổ khí bao gồm cả lực nâng khí tĩnh và lực nâng khí động. Tuy nhiên do tốc độ quay của trục sẽ phụ thuộc vào động cơ nối với khớp số 3 truyền mômen xuống trục. Vì vậy, khi thiết kế tác giả lựa chọn giải pháp lực nâng khí tĩnh đóng vai trò chính ở đây. Từ đó, tác giả đã tiến hành tính toán thiết kế và đƣa ra kết cấu của ổ khí tĩnh nhƣ trên hình 2.1

Trên cơ sở này, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu nhằm đƣa ra các tính toán của ổ khí tĩnh trong quá trình làm việc. Đây sẽ là cơ sở để định hƣớng cho việc thiết kế, chế tạo ổ khí quay cao tốc ứng dụng trong gia công các lỗ nhỏ chính xác có đƣờng kính từ ≤ 1mm phục vụ cho gia công lỗ nhỏ đạt độ chính xác và cho công nghệ chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam.

2.2.2 Phân tích lực tác động lên ổ khí

Đối với ổ khí tĩnh, áp suất đƣợc cấp vào bạc đệm khí qua máy nén khí hình thành lớp khí nén giữa khe hở trục và bạc. Nhờ áp suất của lớp màng khí nén mà trục đƣợc giữ cân bằng trong không gian giới hạn giữa bạc và trục, không tiếp xúc cơ khí với bạc.

30

Giả sử bạc đệm khí đƣợc thiết kế thành ba vùng cấp khí riêng biệt xung quanh chu vi của bạc, hình thành ba khu vực áp suất khí nén trên bề mặt giữa trục và bạc nhƣ hình 2.2

Hình 2. 2 Áp lực bên trong bạc đệm khí và trục quay

Lực tổng hợp của tại mỗi vùng đệm khí có thể phân tích thành 2 thành phần hƣớng tâm và tiếp tuyến trục quay. Công nghệ chế tạo gây ra sự không đồng đều về kích thƣớc và hình dạng của rãnh cấp, lỗ đột thắt nên các lực tổng hợp tại các đệm không hƣớng chuẩn vào tâm và độ lớn không bằng nhau. Tuy nhiên, thành phần lực hƣớng tâm vẫn là chủ yếu, các lực hƣớng tâm sẽ đẩy trục đệm khí đến vị trí cân bằng trong không gian giữa trục và bạc (các thành phần lực này thay đổi về độ lớn khi khe hở đệm khí thay đổi, khi trục ở vị trí cân bằng thì các lực hƣớng tâm sẽ triệt tiêu, so với tâm quay sẽ bằng không). Thành phần lực tiếp tuyến sẽ tạo ra mô men so với tâm quay làm trục tự quay nhƣ hình 2.3

31

2.2.3 Phân tích các phương án phân vùng đệm khí riêng biệt trên bề mặt trục

Trải phẳng bề mặt của bạc đệm khí sáu lỗ cấp cho hai tầng trên và dƣới nhƣ hình 2.4

Mô hình 1 _{Mô hình 2}

Hình 2. 4 Phân vùng cấp khí trên bề mặt bạc đệm khí

Mô hình áp suất theo phƣơng z trên bề mặt đệm khí phân bố đều trong vùng rãnh khí hình chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm và sẽ giảm dần khi ra ngoài môi trƣờng đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.5

32

Tổng hợp áp suất trên bề mặt đệm khí sẽ tạo thành các lực đẩy F₁, F₂, F₃, F₄… nhƣ xét ở trên. Giả sử quan hệ giữa lực đẩy và khe hở tại chính tâm đệm khí theo hình 2.6

Hình 2. 6 Quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí

Độ cứng K của đệm khí đƣợc xác định bằng sự thay đổi của tăng/giảm lực đẩy khi có sự thay đổi giảm/tăng của khe hở đệm khí K=F/z

(1)

Giả sử rằng các đệm khí có độ cứng bằng nhau. Nếu trục quay đƣợc cân bằng tại một vị trí nào đó nhƣ hình 2.3 thì ta có phƣơng trình:

( ) (2) Nếu có một lực ΔQ đẩy trục quay ra khỏi vị trí cân bằng theo chiều khe hở giảm 1 lƣợng Δz₁ theo phƣơng của lực hƣớng tâm F_1ht thì lực hƣớng tâm tăng dần đến giá trị:

(3) Đồng thời khe hở ở hai phía đối diện giảm đi một lƣợng

khi đó lực hƣớng tâm lên các khe hở này tăng đến giá trị:

(4)

(5) Ở vị trí cân bằng mới, phƣơng trình đã cho có dạng:

L

ực đ

ẩy (N)

Khe hở khí (µm) F (N)

33 ( ) (6) ( ) ( ) (7) ( ) (8)

Do đó, nếu chia ổ cấp khí thành ba vùng không khí riêng biệt nhƣ trên hình 2.4, thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần.

(9)

Quá trình thiết kế đệm khí, phải luôn tạo ra vùng áp suất phân lập để có thể tăng độ cứng vững cho đệm khí, giữ cân bằng cho trục quay ở một vị trí cố định.

2.2.4 Phân tích quán tính ly tâm do độ lệch tâm gây ra

Khi thiết kế trục quay, cần có các bậc trục với đƣờng kính khác nhau để lắp với nối trục động cơ cũng nhƣ lắp với bộ phận gá dao. Tuy nhiên khi gia công, nếu độ chính xác máy gia công không đảm bảo hoặc không thể gia công toàn bộ chiều dài trục trên cùng 1 lần gá, dẫn đến sai lệch về độ đồng tâm giữa các trục, điều này gây ra sự lệch trọng tâm so với tâm quay.

Trục có khối lƣợng m, trọng tâm của trục đặt lệch với tâm quay một lƣợng là e, nhƣ vậy trong quá trình quay sẽ sinh ra lực hƣớng tâm quay

F_ht=m2e. (10)

Lực hƣớng tâm quay sẽ quay vòng tròn quét qua các vùng áp suất xung quanh bạc đệm khí làm ảnh hƣởng đến khả năng định tâm của trục.

Khi tốc độ quay  càng lớn thì lực hƣớng tâm quay càng lớn, nếu lớn đến mức thắng lực tổng hợp của mỗi vùng đệm khí trên bạc thì lực hƣớng tâm sẽ đẩy trục sát vào phía bề mặt bạc, lúc này sẽ xảy ra hiện tƣợng tiếp xúc cơ khí giữa bạc và trục. Để giảm lực hƣớng tâm quay thì phải giảm khối lƣợng trục quay hoặc gia công chính xác để giảm độ lệch khối tâm e.

F_ht > 2Kz_{tới hạn} (11)

Với z_{tới hạn} = D_bạc - d_trục/2

34

2.3 MỘT SỐ PHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CƠ BẢN CỦA BÔI TRƠN BẰNG KHÍ BẰNG KHÍ

2.3.1 Phương trình bôi trơn khí trong trường hợp tổng quát [3]

Phƣơng trình bôi trơn khí tổng quát có thể nhận đƣợc từ phƣơng trình cơ bản của Navie-Stôc đối với dòng chảy tầng của chất lỏng nhớt. Sử dụng hệ quả của phƣơng trình khi khảo sát trực tiếp hiện tƣợng chảy trong lớp bôi trơn khí.

Xét sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở trong lớp bôi trơn. Bề mặt ngõng trục chuyển động với vận tốc không đổi U = r.ω (hình 2.7a) mang