Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
4.5. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ CỦA Ổ
KHÍ
Thực nghiệm nhằm xác định áp suất tại một số điểm trên bề mặt của ổ khí nhờ trích áp suất trên bề mặt và theo dõi tại các chế độ làm việc khác nhau
Điều kiện thực nghiệm
-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
+ Ổ khí quay đã chế tạo theo các nghiên cứu bản vẽ đƣa ra tại chƣơng 3 + Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max = 10bar)
+ Bộ lọc khí MODEL ： 010
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 + 01 đồng hồ đo tốc độ quay - Nhiệt độ thực nghiệm: 250C
Sơ đồ và trình tự thực nghiệm:
Bƣớc 1: Ổ khí quay đƣợc gá trên máy phay đƣợc cấp nguồn khí nén với áp suất 4 bar đã qua điều áp chính xác.
Bƣớc 2: Trích áp suất tại một số điểm trên bề mặt ổ khí và lắp cảm biến áp suất tại các vị trí đã trích áp suất theo dõi chỉ số đo.
Bƣớc 3: Cung cấp nguồn áp suất vào ổ khí quay, cấp nguồn điện cho cảm biến đo áp suất.
Bƣớc 4: Cho trục chính quay ở các tốc độ 10000 vòng/phút, 15000 vòng/phút, 20000 vòng/phút và theo dõi chỉ số thay đổi trên cảm biến đo áp suất ở các tốc độ vòng quay khác nhau.
Hình 4. 14 Mơ hình đo áp suất Hình ảnh thực nghiệm đo áp suất Hình ảnh thực nghiệm đo áp suất
Hình 4. 15 Hình ảnh hệ thống đo áp suất
Kết quả đo áp suất
Ổ khí quay
Điều áp Cảm biến áp
Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo áp suất trích xuất trong ổ khí quay (V/p)/lần đo (MPa) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10.000v/p 0,34 0,34 0,33 0,34 0,35 0,34 0,33 0,34 0,34 0,35 15.000v/p 0,33 0,35 0,34 0,33 0,35 0,33 0,34 0,34 0,35 0,34 20.000v/p 0,34 0,34 0,33 0,33 0,34 0,34 0,33 0,33 0,34 0,34
Nhận xét thực nghiệm: Khi cung cấp khí vào ổ khí, thay đổi số vịng
quay khác nhau và theo dõi kết quả đo ta nhận thấy áp suất đo đƣợc ở vị trí trụ nhận đƣợc giá trị trung bình là 0,34MPa. So với kết quả mơ phỏng trong chƣơng 3 áp suất thực nghiệm bị giảm do các điều kiện mô phỏng là lý tƣởng về kích thƣớc hình dáng hình học và vị trí bề mặt. Đối với dạng ổ khí tĩnh, áp suất đƣợc tạo ra trên bề giữa bạc và trục quay ln đƣợc cấp từ nguồn khí nén có áp suất xác định, với dải tốc độ quay từ 10.000÷20.000 vịng/phút, áp suất trên bề mặt gần nhƣ thay đổi không đáng kể
4.6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THƠNG 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 thơ + 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 1.00 ULL 8730403
+ Máy CNC mini sử dụng phần mềm mach3 điều khiển các trục + Máy tính điều khiển CNC
+ Nhiệt độ thực nghiệm: 250C * Hình ảnh gia cơng
Hình 4. 16 Thực nghiệm nguyên công khoan chi tiết trên vật liệu CT3 * Tiến hành thực nghiệm * Tiến hành thực nghiệm
Bƣớc 1: Mũi khoan 1.00 ULL 8730403 đƣợc lắp vào colet và lắp lên trục chính ổ khí quay.
Thơng 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 1.00 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 ổ khí quay.
Bộ điều áp
Cảm biến áp suất Chi tiết
Máy tính
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 vịng/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
Hình 4. 20 Hình ảnh đo đƣờng kính lỗ trên kính hiển vi
Thơng số kỹ thuật cơ bản của kính hiển vi đo lƣờng dịng MF (Code No. 176- 686-11) của Trung tâm Đo lƣờng/ Viện Cơng 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 1.00 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 cơng 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 Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 20000 Vịng/phút Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 15000 Vịng/phút Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 10000 Vòng/phút 1 1.023 1.033 1.047 2 1.026 1.036 1.046 3 1.027 1.037 1.048 4 1.021 1.031 1.042 5 1.025 1.035 1.046 6 1.022 1.032 1.042 7 1.018 1.038 1.048 8 1.025 1.035 1.046
STT Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 20000 Vòng/phút Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 15000 Vịng/phút Kết quả đo đƣờng kính lỗ (mm) ở tốc độ khoan 10000 Vòng/phút 9 1.027 1.037 1.048 10 1.024 1.034 1.044 11 1.016 1.036 1.046 12 1.021 1.031 1.045 13 1.025 1.039 1.048 14 1.024 1.033 1.047 15 1.022 1.03 1.045 16 1.024 1.034 1.044 17 1.022 1.032 1.045 18 1.024 1.035 1.046 19 1.018 1.039 1.048 20 1.024 1.034 1.047 Trung bình 1.023 1.035 1.046
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 thơng qua các lỗ gia cơng. Trong chƣơng 1 phần 1.3 đã tính tốn lực dọc trục và mơmen cắt đối với mũi khoan hợp kim đƣờng kính 1mm. Do đó bỏ qua các ảnh hƣởng của độ mịn 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 khơng 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 q trình gia cơng, 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 10000vịng/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, hồn tồn có thể làm chủ đƣợc cơng nghệ chế tạo ổ khí quay ứng dụng làm trục chính cho các thiết gia cơng lỗ nhỏ.
1. Thực nghiệm kiểm tra ổ khí có thể hoạt động ở tốc độ đến 20.000 vịng/phút, tại áp cấp từ 3÷4 bar mà khơng 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 q trình gia cơng.
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 cơng càng cao. Lý do là khi vị trí cân bằng đã đƣợc xác lập, trục càng quay nhanh thì mơ men qn tính tăng khả năng duy trì q 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 khơng trịn thì trong 1 vịng 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 q trình thay đổi áp suất khơng 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 1.01 cho thấy tốc độ trục
chính quay càng cao thì kích đƣờng kính trung bình của lỗ gia cơng 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 thơng 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 tốn ổ khí tĩnh ứng dụng làm đầu trục chính gia cơng 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 cơng trình đã cơng 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 cơng nghệ gia cơng 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 tốn 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 mơ 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 cơng trình đã cơng 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 khơng 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 cơng 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 vịng/phút đến 20000 vịng/phút hồn tồn khơng tiếp xúc cơ khí.
5. Thực nghiệm đánh giá độ ổn định tâm quay của ổ khí thơng qua việc gia cơng khoan lỗ với đƣờng kính mũi dao khoan là 1,01mm trên vật liệu thép CT3 chiều dày 2mm ở các tốc độ quay 20000 vòng/phút, 15000 vịng/phút, 10000 vịng/phút trên mơ 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 vịng/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 mịn bơi 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
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年度精密工学会春季大会学術講演会 講演論文集 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
cơng 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 and
engineering, 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.