Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 43
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ mòn của VMĐB trong điều kiện có bổ sung chất bôi trơn và không bổ sung chất bôi trơn; xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng và PGS.TS Nguyễn Doãn Ý. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tập thể hƣớng dẫn Tác giả luận án PGS.TS. Phạm Văn Hùng PGS.TS. Nguyễn Doãn Ý Trần Đức Toàn I
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy và ma sát học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu khoa học. Tôi đặc biệt trân trọng và biết ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Nguyễn Doãn Ý đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng bổ ích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy và ma sát học – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Lãnh đạo khoa cùng toàn bộ giảng viên khoa Công nghệ Cơ khí – Trường Đại học Điện lực đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được đi học và hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi, là nguồn động lực to lớn giúp tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận án Trần Đức Toàn II
MỤC LỤC MỤC LỤC .....................................................................................................................III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................... V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH........................................................................ VI DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... X MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI ................................................. 5 1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi ................................................................. 5 1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi ..................................................................................... 8 1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu.................................................................................. 8 1.2.2. Theo cấp chính xác........................................................................................... 13 1.2.3. Theo công dụng ................................................................................................ 18 1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi .......................................................................... 18 1.4. Các đặc trƣng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi ...................................... 20 1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [38] ............................................................ 21 1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [39] ............................................................... 21 1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [39] ............................................................... 21 1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [39] .................................................................................. 22 1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [39]........................................................................ 22 1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi............................................................................... 23 1.6. Môi trƣờng làm việc của máy công cụ CNC ....................................................... 24 1.6.1. Môi trường làm việc của máy CNC trên thế giới ............................................. 24 1.6.2. Môi trường làm việc máy CNC tại Việt Nam .................................................. 25 1.7. Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi ...................................................... 28 1.7.1. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới:..................................... 28 1.7.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................. 37 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT ME – ĐAI ỐC BI TRÊN CƠ SỞ MÒN .......................................................................................................... 38 2.1. Tổng quan về mòn vật liệu:................................................................................... 38 2.1.1. Mòn theo thời gian ........................................................................................... 38 2.1.2. Ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến mòn ............................................................ 39 III
2.1.3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trường ................. 43 2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi ..................................................................................... 46 2.2.1. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi theo lý thuyết ........................................................ 46 2.2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn ...................................................... 48 2.3. Lý thuyết độ tin cậy [6, 7, 11, 12] ......................................................................... 53 2.3.1. Đặc trưng độ tin cậy ......................................................................................... 54 2.3.2. Các chỉ tiêu xác định độ tin cậy ....................................................................... 54 2.3.3. Hàm phân phối sử dụng trong tính toán độ tin cậy: ......................................... 56 2.3.4. Xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn [7] ............................................................ 57 2.4. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB ...................................................................... 59 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................. 61 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU MÒN ......................................................................................................................... 62 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm:....................................................................... 62 3.2. Thiết kế máy thí nghiệm........................................................................................ 62 3.2.1. Đối tượng nghiên cứu của thí nghiệm .............................................................. 62 3.2.2. Thiết kế máy thí nghiệm................................................................................... 62 3.3. Tổ hợp máy thí nghiệm ......................................................................................... 74 3.4. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm ...................................................................... 77 3.4.1. Xác định các thông số thực nghiệm ................................................................. 77 3.4.2. Các thông số cơ bản của thực nghiệm .............................................................. 80 3.4.3. Tổ chức thực nghiệm và đo mòn ...................................................................... 81 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................................. 83 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 84 4.1. Kết quả thực nghiệm, xây dựng hàm hồi quy ..................................................... 84 4.1.1. Thực nghiệm tạo mòn ...................................................................................... 84 4.1.2. Xây dựng hàm hồi quy ..................................................................................... 92 4.2. Tuổi thọ, độ tin cậy của VMĐB khi làm việc trong môi trƣờng Việt Nam. ... 103 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ........................................................................................... 106 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN.......................................................................................... 107 KHUYẾN NGHỊ .............................................................................................................. 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 114 IV
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ISO: International Organization for Standardization – Tổ chức tiêu chuẩn thế giới RE: Rotary Encoder – thước quang đo quay LS: Liner Scale – thước quang đo thẳng VMĐB: Ball screw – “Vít me – đai ốc bi” vg/ph: Vòng/phút QHTN: Quy hoạch thực nghiệm V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị  Góc tiếp xúc của bi Độ (0)  Góc rãnh dẫn hướng bi Độ (0) l Sai lệch dọc trục do biến dạng đàn hồi m Ph Bước vít me danh nghĩa mm DW Đường kính bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi mm Đường kính đường tròn tạo bởi tâm các bi trong bộ truyền vít Dpw mm me – đai ốc bi d1 Đường kính danh nghĩa trục vít me mm d2 Đường kính chân răng trục vít me mm D1 Đường kính bích đai ốc mm D2 Đường kính chân răng đai ốc bi mm D3 Đường kính đỉnh răng đai ốc bi mm L Tuổi thọ (theo ISO) Vòng Lh Tuổi thọ (theo ISO) Giờ Lr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Vòng Lhr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Giờ Lar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Vòng Lhar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Giờ n Tốc độ quay của trục vít me Vòng/phút nm Tốc độ tương đương của trục vít me – đai ốc bi Vòng/phút F Tải dọc trục N Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm Fm N việc một chiều Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm Fma N việc hai chiều p Áp suất pháp tuyến tại điểm tiếp xúc N/m2 v Vận tốc trượt tương đối của cặp ma sát (m/phút) VI
Ca Tải động dọc trục danh nghĩa N Coa Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa N (t) Tốc độ mòn theo thời gian m/giờ Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN b m/giờ 7699-2-30 và có bôi trơn Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN k m/giờ 7699-2-30 và không bôi trơn Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi m trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn C Sai số tích lũy vị trí đai ốc m ep Chấp nhận sai số trong hành trình quy định m Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc dịch chuyển trên V300p m đoạn 300 mm bất kỳ Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí đai ốc khi trục vít me quay 1 Vup m vòng ở trên đoạn bất kỳ Uc Lượng mòn dọc trục m [U] Lượng mòn dọc trục giới hạn m  Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc m [] Sai lệch vị trí dọc trục giới hạn m Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2- Giờ 30 và không bôi trơn Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2- Giờ 30 và có bôi trơn  Hệ số tuổi thọ giữa bôi trơn và không bôi trơn VII
DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Nội dung Trang Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao 14 ep cho phép với bộ truyền không yêu cầu độ chính xác định vị Bảng 1.2 15 cao Bảng 1.3 Vup cho phép theo cấp chính xác 15 Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác 16 Bảng 1.5 V2p cho phép theo cấp chính xác 16 Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK 16 Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN 17 Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác 22 Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử lý khí khi nhiệt luyện thép 22 Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt 23 Bảng 1.11 Tiếp xúc giữa hai vật rắn có biến dạng đàn hồi 29 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính, Bảng 1.12 30 so sánh Bảng 2.1 Hệ số độ tin cậy 48 Bảng 2.2 Mô tả sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi 51 Bảng 2.3 Các chỉ tiêu độ tin cậy lý thuyết và thực nghiệm 56 Bảng 2.4 Hệ số tuổi thọ thực nghiệm 60 Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 ứng Bảng 2.5 60 với các độ tin cậy Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi 63 Bảng 3.2 Các biến của ma trận thí nghiệm 79 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp lượng mòn dọc trục đo được trong các thí nghiệm 92 Bảng tính các thông số Lh iso; ; Lh tn; m tại mỗi điểm đo (điểm Bảng 4.2 93 đích) của các thí nghiệm Bảng 4.3 Bảng ma trận biến thí nghiệm 96 Bảng 4.4 Các giá trị hệ số tuổi thọ theo môi trường tại tâm quy hoạch 96 VIII
Bảng 4.5 Các giá trị hàm hồi quy thực nghiệm 97 Bảng 4.6 Bảng số liệu thí nghiệm mòn với hàm hồi quy tốc độ mòn 100 Bảng 4.7 Giá trị các biến vào, ra của hàm hồi quy mới 100 Bảng 4.8 Bảng kê các biến đã chuẩn hóa 101 Bảng 4.9 Các giá trị yi; ̅; ̂ của hàm hồi quy 102 Bảng 4.10 Các giá trị xác định độ lệch chuẩn của mk 104 Bảng 4.11 Khoảng giá trị mk ứng với các độ tin cậy thực tế 105 Bảng 4.12 Khoảng giá trị m ứng với các độ tin cậy thực tế 105 IX
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Nội dung Trang Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc 5 Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi 5 Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC 6 Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao 7 Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải 8 Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối 8 Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối 9 Hình 1.8 Đai ốc cho ren nhiều đầu mối 9 Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc 10 Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống 10 Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp 10 Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm 11 Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít Hình 1.13 11 khoảng  Hình 1.14 Khử khe hở bằng tăng kích thước bi 12 Hình 1.15 Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo 12 Hình 1.16 Thông số độ chính xác bước vít me 13 Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi 19 Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi 19 Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me 19 Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của VMĐB 20 Hình 1.21 Máy CNC làm việc trong môi trường có điều hòa không khí 24 Hình 1.22 Máy CNC làm việc trong điều kiện thông thường 25 Hình 1.23 Sự phân chia vùng khí hậu tại Việt Nam 26 Hình 1.24 Máy CNC làm việc trong một công ty cơ khí tại Việt Nam 27 Máy CNC trong sản xuất thường được làm việc trong nhà xưởng Hình 1.25 28 thông thoáng với môi trường tự nhiên X
Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong VMĐB 30 Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình 31 Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tải đặt trước 31 Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn – vít me – đai ốc và bi 32 Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 33 Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW 33 Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 34 Hình 1.33 Biến đổi nhiệt độ dẫn đến sai lệch vị trí đai ốc 34 Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bôi trơn 34 Hình 1.35 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước 35 Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi 35 Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L 38 Hình 2.2 Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc lượng mòn vào vận tốc 39 Hình 2.3 Biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí 42 Hình 2.4 Mô tả chu trình nhiệt ẩm 45 Hình 2.5 Giai đoạn tạo ổn định 45 Hình 2.6 Đồ thị đường cong mỏi 46 Hình 2.7 Hệ hai lò xo chịu tải 49 Hình 2.8 Quan hệ giữa mòn tổng cộng và mòn dọc trục 50 Hình 2.9 Mô hình hóa hệ vít me – đai ốc – bi trước và sau mòn 52 Hình 2.10 Tổng hợp sự phân phối thời gian 56 Hình 2.11 Các thể hiện mòn và mật độ phân phối mòn 57 Hình 2.12 Các thể hiện mòn tuyến tính và các mật độ f(U), f(t) 58 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm 63 Hình 3.2 Một số kích thước cơ bản của bộ truyền vít me – đai ốc bi 64 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tủ nhiệt ẩm 65 Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi 66 Hình 3.5 Phương án I – Tạo tải nhờ tải trọng 67 Phương án II – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh Hình 3.6 67 tách rời sống trượt XI
Phương án III – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh Hình 3.7 68 tích hợp sống trượt Hình 3.8 Hệ thống tạo tải dọc trục 68 Hình 3.9 Phương án I – Đo dịch chuyển của đai ốc nhờ đồng hồ so 69 Hình 3.10 Phương án II.1 – Thân thước ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70 Hình 3.11 Phương án II.2 – Đầu đọc ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70 Hình ảnh hệ thống đo gá lắp với máy thí nghiệm, đặt bên ngoài Hình 3.12 71 tủ nhiệt ẩm Hình 3.13 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má trái ren 72 Hình 3.14 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má phải ren 72 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý máy thí nghiệm 74 Hình 3.16 Hình ảnh mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm 75 Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn đằng trước 76 Hình 3.18 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn bên phải 76 Hình 3.19 Hình ảnh thiết bị đo thẳng LS có độ phân giải 1 xung/m 77 Hình 3.20 Hình ảnh thiết bị đo quay RE có độ phân giải 5000 xung/vòng 77 Hình 3.21 Các điểm quy hoạch thực nghiệm 78 Hình 3.22 Sơ đồ khối xác định hệ số tuổi thọ 81 Hình 4.1 Các vít me – đai ốc bi sau khi thí nghiệm 84 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.2 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 85 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.3 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 86 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.4 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 87 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.5 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 88 không bôi trơn XII
Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.6 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 89 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.7 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 90 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.8 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 91 không bôi trơn Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường Hình 4.9 98 TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường Hình 4.10 99 TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN Hình 4.11 102 7699-2-30, không bôi trơn Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN Hình 4.12 103 7699-2-30, có bôi trơn XIII
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng, sản phẩm của cơ khí được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các các ngành kinh tế xã hội. Từ công nghiệp vũ trụ, công nghiệp khai thác tài nguyên thiên nhiên, công nghiệp hóa học, đến cả công nghiệp du lịch, đặc biệt là công nghệ thông tin cũng đều phải sử dụng các sản phẩm, thiết bị, cơ cấu, máy móc cơ khí với từng mức độ khác nhau. Mới đây, ngày 11 tháng 4 năm 2014, phát biểu tại Hội nghị tổng kết 10 năm thực hiện chiến lược phát triển ngành Cơ khí. Thủ Tướng chính phủ nhấn mạnh: “Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng, có vị trí quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính phủ rất quan tâm tới phát triển ngành Cơ khí, đặc biệt là Cơ khí chế tạo”. Trong lĩnh vực chế tạo và gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC là lựa chọn ưu tiên hàng đầu hiện nay. Không chỉ có ưu thế về độ chính xác do máy CNC được trang bị hệ thống đo kiểm, phản hồi và điều chỉnh tác động ngay trong quá trình gia công sản phẩm, mà gia công CNC còn đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt do giảm thiểu thời gian gia công nhờ tự động hóa cao các chuyển động phụ (cấp phôi, thay dao, bù dao,...), hoặc thực hiện đồng thời nhiều nguyên công khác nhau. Các chuyển động tịnh tiến dao hoặc phôi trong máy công cụ cần có các cơ cấu truyền động từ động cơ đến cơ cấu chấp hành như: Vít me – đai ốc, bánh răng – thanh răng hoặc tay quay – thanh truyền... Do vít me – đai ốc bi (VMĐB) có kết cấu khử khe hở, ma sát nhỏ nên độ chinh xác truyền động và hiệu suất cao hơn. Vì vậy, VMĐB ngày càng được sử dụng rộng rãi trong máy công cụ, đặc biệt là máy công cụ CNC và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt Do độ chính xác VMĐB quyết định độ chính xác chi tiết được gia công nên trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, khảo sát các vấn đề liên quan tới cụm chi tiết VMĐB. Hiện nay, tuổi thọ của bộ truyền này được ước lượng qua thời gian làm việc hoặc quãng đường ma sát với độ tin cậy 90%. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tải, tốc độ, môi trường,... trong đó yếu tố môi trường nhiệt ẩm chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB của máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam có ý nghĩa khoa học và thực tế rất cao, do xu hướng thiết kế, sử dụng VMĐB trong các bộ truyền động tịnh tiến chính xác ngày càng tăng và môi trường làm việc của VMĐB tại Việt Nam là môi trường nhiệt đới ẩm. Mặt khác, bộ truyền VMĐB hiện nay trong nước chưa sản xuất được và nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau, 1
vì vậy tuổi thọ và độ tin cậy phân tán trong khoảng rộng. Kết quả nghiên cứu về mòn của VMĐB là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế VMĐB trong điều kiện Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ mòn của VMĐB trong điều kiện có bổ sung chất bôi trơn và không bổ sung chất bôi trơn. - Xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là VMĐB có mã hiệu: ISO 3408 – 16 x 05 x 222 – T7R4, thường được sử dụng trong máy CNC cỡ nhỏ và trong các thiết bị cơ điện tử công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu: - Môi trường thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm theo TCVN 7699-2-30 - Tải và tốc độ quay của VMĐB được xác định theo cỡ máy CNC và điều kiện sử dụng, cụ thể:  Tải “F”: Từ 2500 N đến 3500 N  Tốc độ quay trục vít me “n”: Từ 78 vòng/phút đến 100 vòng/phút - Các nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện không bổ sung chất bôi trơn, có kiểm chứng với điều kiện bổ sung bôi trơn theo tiêu chuẩn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học - Đưa ra phương pháp xác định mòn dọc trục của VMĐB. - Đưa ra được “hệ số tuổi thọ” bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30. - Xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy thực tế. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể dùng để tham khảo và làm cơ sở khoa học cho việc xác định tuổi thọ theo độ tin cậy của cụm VMĐB khi làm việc trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam, từ đó có kế hoạch điều chỉnh, bảo dưỡng, thay thế phù hợp cho từng đối tượng sử dụng có yêu cầu độ tin cậy khác nhau. - Phần lớn các máy công cụ CNC sử dụng VMĐB tại Việt Nam được nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau, có chất lượng khác nhau nên việc nghiên cứu ảnh hưởng khí hậu 2
nhiệt đới ẩm giúp người sử dụng có lựa chọn các thiết bị có tích hợp cụm VMĐB cho phù hợp với điều kiện nhiệt ẩm ở Việt Nam. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết mòn, các yếu tố ảnh hưởng đến mòn, mối quan hệ giữa mòn và độ chính xác, tuổi thọ của VMĐB. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế hệ thống tạo tải, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm. Thực nghiệm: Xây dựng Quy hoạch thực nghiệm, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm. Tổ chức thực nghiệm mòn cho VMĐB khi làm việc ở các điều kiện tải, tốc độ trong điều kiện môi trường TCVN 7699 – 2 – 30. Xử lý số liệu thực nghiệm, xây dựng và đánh giá hàm hồi quy với các công cụ, phần mềm chuyên dụng cho tính toán, mô phỏng. 6. Nội dung luận án Nội dung chính luận án bao gồm Chƣơng 1: Tổng quan về vít me – đai ốc bi Phân tích tổng quan về các dạng VMĐB thông dụng, vai trò của VMĐB trong máy công cụ CNC và một số vấn đề liên quan tới VMĐB. Đánh giá các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan, đưa ra những vấn đề mà luận án sẽ tập trung giải quyết. Chƣơng 2: Lý thuyết tuổi thọ và độ tin cậy vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn Trình bày các công trình nghiên cứu, tính toán của các nhà khoa học; Tiêu chuẩn có liên quan và phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài. Chƣơng 3: Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và đo mòn Sử dụng phương pháp thiết kế dạng modul để thiết kế nguyên lý và kết cấu máy thí nghiệm; Quy hoạch thực nghiệm xác định phương pháp đo, sơ đồ đo sai lệch do mòn Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Tổ chức thực nghiệm; Xử lý số liệu thực nghiệm; Xác định độ tin cậy, tuổi thọ VMĐB trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam; Xác định hệ số tuổi thọ khi làm việc trong điều kiện TCVN 7699 – 2 – 30. 3
7. Các điểm mới của luận án Luận án đã đưa ra được phương pháp xác định mòn dọc trục VMĐB trên thiết bị thử nghiệm với điều kiện tải và tốc độ quay thay đổi, chịu tác động của môi trường theo TCVN 7699-2-30. Luận án đã đưa ra hệ số tuổi thọ bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và đồng thời xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI 1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi Bộ truyền VMĐB là một trong các loại của bộ truyền vít me – đai ốc, có tác dụng biến chuyển động quay của trục vít thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và ngược lại, hiện được sử dụng khá phổ biến trong các máy móc, thiết bị. Hình 1.1 thể hiện hình ảnh một số vít me – đai ốc: Đai ốc Trục vít a) Vít me - đai ốc thông thường (ma sát trượt) b) Vít me – đai ốc bi Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc [63] Đặc điểm bộ truyền vít me – đai ốc bi: Trong các loại vít me – đai ốc, VMĐB có đặc điểm khác biệt bởi ma sát trong các bộ truyền vít me – đai ốc thông thường là ma sát trượt, còn ma sát trong VMĐB là ma sát tổng hợp cả lăn và trượt [26]. Đặc điểm này làm cho hiệu suất bộ truyền cao hơn, mất mát do ma sát ít hơn, đáp ứng rất tốt với yêu cầu khởi động nhanh và dừng chính xác. Trong VMĐB có rãnh hồi bi, tạo điều kiện để các bi chuyển động tuần hoàn trong đai ốc bi. Đặc điểm này làm cho tải trung bình đặt lên từng bi là tương đối đều nhau, không có hiện tượng mòn cục bộ một hoặc một vài viên bi trong bộ truyền. Bằng các biện pháp khử khe hở trong bộ truyền, đồng thời có kết cấu dạng modul, bao gồm các chi tiết tiêu chuẩn, thuận lợi cho việc gia công, chế tạo và lắp ráp chính xác VMĐB. Nhờ đó, VMĐB có độ chính xác truyền động cao hơn, được ứng dụng trong thiết kế chế tạo máy CNC và mở rộng ra ngày càng nhiều lĩnh vực khác. Hình 1.2 thể hiện hình ảnh một số VMĐB thông dụng. Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi [80] 5
Sử dụng VMĐB có các ưu điểm sau [1, 15] - Mất mát công suất do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền   0,9; - Hệ số ma sát lăn phụ thuộc rất nhỏ vào vận tốc lăn của bi trong vùng làm việc. Điều đó nâng cao khả năng chuyển động ổn định; - Khử khe hở và tạo sức căng ban đầu sẽ đảm bảo độ chính xác truyền dẫn cao hơn, nhất là khi đảo chiều chuyển động. Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo mà VMĐB có những nhược điểm cơ bản: - Độ cứng chống biến dạng thấp hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc khác cùng kích cỡ. - Kích thước đai ốc lớn hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc cùng thông số truyền động. - Khả năng chống quá tải thấp hơn so với các bộ truyền vít me – đai ốc khác. Vai trò của vít me – đai ốc bi trong máy công cụ CNC Các chuyển động phục vụ quá trình gia công cắt gọt trong máy công cụ nói chung, máy CNC nói riêng đều bắt nguồn từ các động cơ điện quay. Khi cần truyền, biến đổi từ chuyển động quay của động cơ sang tịnh tiến của bàn máy hoặc đầu trục chính,... để thực hiện các chuyển động chạy dao (hoặc phôi), các cơ cấu vít me – đai ốc thường được lựa chọn. Tuy nhiên, trong máy công cụ CNC – thiết bị điển hình về cơ điện tử hiện đại – yêu cầu chuyển động tịnh tiến chính xác cao hơn, gia công linh hoạt và độ khó cao hơn,... Do các ưu điểm nổi trội về đặc điểm cấu tạo của VMĐB, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu trên nên ngày càng được sử dụng rộng rãi, thay thế cho các loại vít me – đai ốc thông thường. Hình 1.3 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong máy CNC, với chức năng thực hiện chuyển động chạy dao. Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC [64, 76] 6
Trong máy công cụ CNC, trục vít me thường được gá lắp cố định dọc trục với thân máy, đai ốc được lắp cố định với bàn máy. Khi vít me thực hiện chuyển động quay nhờ hệ thống truyền dẫn, làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc trục vít me và đưa bàn máy chuyển động theo. Lượng dịch chuyển của đai ốc (cũng như bàn máy) được tính theo góc quay của trục vít me và có thể thay đổi nhờ động cơ Servo. Độ chính xác dịch chuyển bàn máy phụ thuộc vào độ chính xác vị trí đai ốc trong VMĐB và độ chính xác của hệ thống điều khiển, phản hồi. Để thực hiện các chuyển động phức tạp, có thể lắp trên bàn máy một bàn máy khác, bàn máy trên có chuyển động tịnh tiến tương đối so với bàn máy dưới nhờ VMĐB và thường là chuyển động vuông góc. Hình 1.4 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong bàn máy của một máy phay CNC 1 2 3 4 5 6 Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao [52] Trên hình: (1): VMĐB trục Y; (2): Sống trượt bàn Y; (3): VMĐV trục X (4): Sống trượt bàn X (5): Bàn trục Y; (6): Thân máy. Nhìn vào hình 1.4 cho thấy: Bàn trục Y (5) có thể chuyển động tương đối với thân máy (6) theo phương của sống trượt bàn Y (2). Nếu gá lắp bàn máy trục (bàn gá phôi, bàn gá đài dao, hay bàn trục X,...) với đai ốc của vít me – đai ốc bi trục X (3), lượng dịch chuyển và độ chính xác dịch chuyển của bàn máy đó hoàn toàn được điều khiển và xác định bởi (3) và (4). Bàn máy trong máy công cụ CNC có tác dụng thực hiện những chuyển động chạy dao (hoặc phôi) trong quá trình gia công. Chất lượng chuyển động của nó liên quan trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác gia công. Do đó, VMĐB chính là cụm chi tiết có ảnh 7