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 mơmen chuẩn (hình 1.16) có các thơng 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, mơmen 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 trc quay) thay i t 3 ữ 10 àm ph thuộc vào áp suất nguồn.
Hình 1. 19 Ổ khí quay dùng trong máy chuẩn mơ 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 cơng.
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 cơng 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 cơng 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 thơng 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 cơng 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 cơng chi tiết của ổ khí tĩnh.
3. Nghiên cứu các ƣu nhƣợc điểm của các ổ khí và những khó khăn khi gia cơng chế tạo ổ khí gia cơng 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 tốn đƣa ra các phƣơng trình động lực học phƣơng trình về phƣơng trình dịng khí, phân bố áp suất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hƣởng đến chất lƣợng và độ chính xác gia cơng.
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ
Mục tiêu nghiên cứu phân tích và tính tốn 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 mơ phỏng khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng trong ổ khí tĩnh.
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ
2.1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều thành tựu nghiên cứu về ổ khí quay cao tốc và đã trở thành thƣơng phẩm của một số hãng sản xuất nhƣ Westwind, Excellon, ... Tuy nhiên, việc tính tốn thiết kế và đặc biệt là cơng nghệ chế tạo ổ khí cao tốc vẫn là bí mật của các hãng sản xuất. Do đó việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết kế chế tạo ổ khí quay cao tốc ở Việt Nam sẽ góp phần nâng cao về mặt học thuật tiến tới làm chủ thiết kế, làm chủ công nghệ chế tạo, tăng khả năng nội địa hóa sản phẩm. Vì vậy, trong luận án này xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với thơng số khí tĩnh của ổ khí ứng dụng trong gia cơng lỗ nhỏ, tác giả thực hiện nghiên cứu, tính tốn và thiết kế kết cấu của ổ khí quay cao tốc để ứng dụng lắp trên trục chính của máy khoan.
2.1.2 Đặc điểm cấu tạo của vịng bi khí tĩnh
Ổ khí tĩnh cịn đƣợc gọi là vịng bi khơng khí có áp suất từ bên ngồi, coi rằng áp suất của màng khơng khí đƣợc tạo ra bởi một hệ thống cung cấp khơng khí bên ngồi.
Khơng 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 mơi 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 n của ổ trục khí khơng tiếp xúc, khơng chỉ tránh đƣợc nhiều vấn đề của ổ trục thông thƣờng, chẳng hạn nhƣ mài mịn và ma sát mà cịn mang lại lợi ích khác biệt cho việc định vị chính xác. Để có đƣợc hiệu suất tối ƣu của vịng 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, khơng 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 ơ nhiễm. Ngồi 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
nhau, bao gồm bề mặt phẳng, bề mặt hình trụ, cần có phƣơng pháp gia thiết kế đến gia cơng lắp ráp phải chính xác. Nhìn chung, việc chế tạo và thử nghiệm ổ trục khí có các u cầu về mơi 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
Vịng 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 vịng bi lăn chính xác. Do đó, vịng 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 cơng cụ siêu chính xác [62], máy tuabin [63], máy móc cho ngành cơng nghiệp thực phẩm [64], và ngành y tế [65]
Sự xuất hiện của công nghệ bôi trơn bằng khơng khí có thể bắt đầu từ năm 1828 khi Willis [66] thực nghiệm điều tra trạng thái luồng khơng 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 vịng bi khí đã đƣợc cấp trong đầu những năm 1900 [68] chẳng hạn nhƣ ổ đỡ lực đẩy khơng 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 ngun lý cơ bản của bơi trơn bằng khí đƣợc xuất bản [71]. Trong Thế chiến thứ hai, cơng nghệ bơi 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 cơng nghiệp quốc phịng [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 khơng có tác động trên chất bơi trơn của ổ trục [29]. Những nhu cầu này khơng thể đƣợc đáp ứng bởi vịng bi lăn thơng thƣờng hoặc vịng bi thủy tĩnh, nhƣng vịng 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 cơng nghệ bơi trơn bằng khí. Từ những sự khởi đầu chuyên biệt này, vịng 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 mơ phỏng khơng gian [74], máy chính xác cơng cụ và dụng cụ đo lƣờng [75]. Từ những năm 1970 đến 1990, một số nghiên
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 cơng nghiệp đối với tấm bán dẫn có độ chính xác cao, linh kiện quang học chính xác, khn mẫu chính xác, các bộ phận vi mô và cấu trúc vi mơ, v.v. Điều này đã kích thích sự tiến bộ của cơng nghệ gia cơng siêu chính xác, đặc biệt là máy cơng cụ siêu chính xác. Nhu cầu về vịng bi khí tĩnh, một trong những thành phần quan trọng để cho phép gia cơng siêu chính xác, cũng tăng lên đáng kể do đó thiết kế và phát triển vịng 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 vịng 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 mơmen đến trục, đều có tác động đáng kể đến hiệu suất tổng thể của vịng 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 cơng thơng 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 khơng khí cần phải đƣợc triệt tiêu; cuối cùng, trong ngành công nghiệp vi mạch cần đảm bảo độ chính xác của q 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 vịng 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 tốn 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.
Trong khn 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 cơng 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 vng 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 cơng chính xác về độ vng 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)
Hình 2. 1 Mơ hình định vị và lắp ráp ổ khí quay
Xuất phát từ mơ 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 mơmen xuống trục. Vì vậy, khi thiết kế tác giả lựa chọn giải pháp lực nâng khí tĩnh đóng vai trị chính ở đây. Từ đó, tác giả đã tiến hành tính tốn 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 tốn của ổ khí tĩnh trong q 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 cơng các lỗ nhỏ chính xác có đƣờng kính từ ≤ 1mm phục vụ cho gia cơng lỗ nhỏ đạt độ chính xác và cho cơng nghệ chế tạo khn 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, khơng tiếp xúc cơ khí với bạc.
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