Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một số thông số khí tĩnh đến độ cứng vững, độ ổn định tâm quay của ổ, kết cấu hình học, phân phối khí, áp suất cấp vào ổ. Các yếu tố này tạo ra áp suất phân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ được chế tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trƣơng Minh Đức NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trƣơng Minh Đức NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Vũ Toàn Thắng Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chƣa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 04 tháng 03 năm 2022 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Vũ Toàn Thắng Trƣơng Minh Đức I
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của tập thể hƣớng dẫn khoa học, đƣợc tạo điều kiện của Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, các Giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tôi đƣợc: Phòng Đo lƣờng Độ dài – Viện Đo lƣờng Việt Nam và Trung tâm đo lƣờng – Viện Công nghệ – Bộ Quốc Phòng đã tạo điều kiện cho tôi đo đạc, thử nghiệm về ổ khí quay. Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Trƣờng Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty TNHH cơ khí Thành Nam đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học, giúp đỡ tôi gia công một số chi tiết, thiết bị phục vụ cho thực nghiệm liên quan đến nội dung trong đề tài. Tôi đƣợc các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tƣ vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài, đặc biệt là PGS.TS. Nguyễn Tiến Thọ, ngƣời thầy đã giúp tôi lĩnh hội đƣợc nhiều kiến thức chuyên sâu bổ ích trong lĩnh vực đệm khí. Đồng thời, tôi cũng đƣợc các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng nhƣ của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án. Tôi xin đƣợc chân thành cám ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin đƣợc bày tỏ sự biết ơn đến thầy giáo hƣớng dẫn: PGS. Vũ Toàn Thắng. Tôi xin đƣợc cám ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! ii
MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. ix LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án .......................................................................... 1 2. Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu ........................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ..................................... 3 4. Những kết quả mới ......................................................................................... 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ .... 4 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................ 4 1.2 PHÂN TÍCH ƢU, NHƢỢC ĐIỂM CỦA Ổ KHÍ TĨNH .............................. 5 1.2.1. Ƣu điểm của ổ bôi trơn khí ................................................................... 6 1.2.2. Nhƣợc điểm của ổ khí ........................................................................... 7 1.3. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ................................. 7 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ ....................................................................................... 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ................................................................................. 24 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ............................................................................ 25 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ ..................................... 25 2.1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 25 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo của vòng bi khí tĩnh ................................................. 25 2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hƣớng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh ....................................................................................................... 26 2.2 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA Ổ KHÍ QUAY .......... 28 2.2.1 Phân tích định vị ................................................................................... 28 2.2.2 Phân tích lực tác động lên ổ khí ........................................................... 29 2.2.3 Phân tích các phƣơng án phân vùng đệm khí riêng biệt trên bề mặt trục31 2.2.4 Phân tích quán tính ly tâm do độ lệch tâm gây ra ................................ 33 2.3 MỘT SỐ PHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CƠ BẢN CỦA BÔI TRƠN BẰNG KHÍ ....................................................................................................... 34 iii
2.3.1 Phƣơng trình bôi trơn khí trong trƣờng hợp tổng quát [3] ................... 34 2.3.2 Phƣơng trình bôi trơn khí trong trƣờng hợp ổ khí quay ....................... 35 2.3.3 Phƣơng trình bôi trơn cho chi tiết bạc .................................................. 37 2.3.4 Phƣơng trình đệm khí dƣới .................................................................. 38 2.4 TÍNH TOÁN ÁP SUẤT, LỰC NÂNG CỦA ĐỆM KHÍ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN KHÍ TƢƠNG ĐƢƠNG............................................................... 39 2.4.1 Các yêu cầu khi tính toán đệm khí ....................................................... 39 2.4.2 Cơ sở phƣơng pháp tính toán đệm khí ................................................. 40 2.4.3 Xây dựng công thức tính toán cho mô hình đệm khí dƣới.................. 41 2.4.4 Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí tƣơng đƣơng .................................................................................................. 48 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ................................................................................. 51 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY...................................................... 52 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................... 52 3.2. KHẢO SÁT MÔ HÌNH Ổ KHÍ ................................................................. 53 3.2.1 Mô hình thiết kế ................................................................................... 53 3.2.2 Mô phỏng hóa các mô hình đã phân tích ............................................. 57 3.2.2. Khảo sát ảnh hƣởng của khe hở đến lực đẩy của đệm khí mặt đầu .... 65 3.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề mặt bạc66 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ................................................................................. 66 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ ......... 68 4.1. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƢỚC, SAI SỐ HÌNH DÁNG HÌNH HỌC VÀ SAI SỐ VỊ TRÍ BỀ MẶT CỦA Ổ KHÍ ................................ 68 4.2. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIẾP XÚC CƠ KHÍ CỦA Ổ KHÍ ................................................................................................................... 72 4.3. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẢI VÀ ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ KHÍ ...................................................................................................... 74 4.4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤC THEO PHƢƠNG NGANG .............................................................................. 77 4.5. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ CỦA Ổ KHÍ ................................................................................................................... 81 4.6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THÔNG QUA GIA CÔNG KHOAN LỖ ......................................................................................... 83 iv
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ................................................................................. 87 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 89 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................................ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 91 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 100 v
DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 N Newton Đơn vị đo lực 2 μm, mm Micromet, milimet Đơn vị đo chiều dài 3 v/ph Revolutions per minute Đơn vị đo vòng/phút 4 kG/cm kilogram per square Đơn vị độ cứng centimetre 5 Kw Kilowatt hour Đơn vị đo công suất 6 Hz Hertz Đơn vị đo tần số 7 l/ph Litre/minute Đơn vị đo lƣu lƣợng khí 8 Sr Độ cứng hƣớng kính 9 Ps Áp nguồn cấp 10 Nm Đơn vị momen 11 ζ Độ lệch tâm 12 φ Góc lệch tâm 13 U = r.ω Vận tốc chuyển động ngõng trục 14 ω Vận tốc góc 15 r Bán kính của ổ 16 h Khe hở giữa ngõng và ổ 17 y Tọa độ trọng tâm của phần tử bôi trơn 18 μ Độ nhớt động lực học của khí 19 τ Ứng suất trƣợt 20 ρ Khối lƣợng riêng 21 p Áp suất tuyệt đối 22 K Độ cứng 23 S Tiết diện chảy 24 R Điện trở khí 25 Bar, MPa, Đơn vị đo áp suất Pa, kG/cm2 26 P0 Áp suất đầu vào 27 TCVN Viet Nam Standards Tiêu chuẩn Việt Nam 28 FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 29 CFD Computational Fluid Mô phỏng động lực học dòng Dynamics chảy 30 ESA Engineering Simplification Thuật toán đơn giản hóa kỹ Algorithm thuật 31 MPCM Multi-Physics Coupling Phƣơng pháp ghép nối đa vật Method lý 32 FDM Finite Difference Method Phƣơng pháp sai phân hữu hạn vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Đồ thị nhiệt độ của ổ bi theo thời gian và vận tốc quay [4]. ............................. 9 Hình 1. 2 Hình ảnh tƣơng quan về giá thành của các loại ổ trục [4]. ............................. 10 Hình 1. 3 Độ chính xác thay đổi theo tốc độ quay trục chính máy tiện D1733 [4] ........ 11 Hình 1. 4 Các loại máy sử dụng trục chính sử dụng ổ khí của hãng WestWind [4] .................. 11 Hình 1. 5 Tuổi thọ của dao tiện trên máy PCB của hãng WestWind [4] ........................ 12 Hình 1. 6 So sánh độ cứng biến thiên giữa hai loại đệm trong trục chính [4] ................ 12 Hình 1. 7 So sánh tuổi thọ giữa hai loại ổ [4] ................................................................. 13 Hình 1. 8 Nhiệt sinh ra khi trục chính máy khoan PCB quay ở tốc độ 200.000 vòng/phút [4] .................................................................................................................................... 13 Hình 1. 9 Trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng động cơ [13] ............. 14 Hình 1. 10 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng động cơ [4] ............................................................................................................................... 15 Hình 1. 11 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng cánh tuốc bin [4] ...................................................................................................................... 15 Hình 1. 12 Cấu tạo ổ khí quay dùng trong máy khoan hãng Westwind – UK [4].......... 16 Hình 1. 13 Cấu tạo ổ khí quay dùng trong máy khoan của hãng EXCELLON AUTOMATION [4] ........................................................................................................ 16 Hình 1. 14 Ổ khí quay cao tốc cho máy phay lỗ nhỏ [14]. ............................................. 16 Hình 1. 15 Sơ đồ bộ hạn chế khe hẹp [30]...................................................................... 19 Hình 1. 16 Áp suất cấp dạng rãnh ................................................................................... 19 Hình 1. 17 Cấu tạo ổ khí sử dụng áp suất cấp dạng xốp [35] ......................................... 19 Hình 1. 18 Ổ khí quay ứng dụng trong thiết bị đo độ tròn ............................................. 23 Hình 1. 19 Ổ khí quay dùng trong máy chuẩn mô men .................................................. 23 Hình 2. 1 Mô hình định vị và lắp ráp ổ khí quay ............................................................ 29 Hình 2. 2 Áp lực bên trong bạc đệm khí và trục quay .................................................... 30 Hình 2. 3 Phân tích lực tạo bởi lớp màng khí nén .......................................................... 30 Hình 2. 4 Phân vùng cấp khí trên bề mặt bạc đệm khí ................................................... 31 Hình 2. 5 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí .............................................................. 31 Hình 2. 6 Quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí ....................................................... 32 Hình 2. 7 Khảo sát sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở [3] ........................... 34 Hình 2. 8 Mô hình động lực học của trục ổ khí quay ..................................................... 35 Hình 2. 9 Hệ tọa độ trụ xét mô hình trục bị nghiêng ...................................................... 37 Hình 2. 10 Cấu tạo đệm khí loại rãnh ............................................................................. 39 Hình 2. 11 Sơ đồ chuyển đổi khí điện ............................................................................ 41 Hình 2. 12 Mô hình chuyển đổi điện khí tƣơng đƣơng .................................................. 41 Hình 2. 13 Điện trở một phân tố chiều dài ..................................................................... 43 Hình 2. 14 Đồ thị khảo sát lực nâng theo z ..................................................................... 47 Hình 2. 15 Đồ thị khảo sát lực nâng theo rd .................................................................... 48 Hình 2. 16 Mô hình điện khí tƣơng đƣơng của bạc khí .................................................. 48 Hình 2. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mô hình điện khí tƣơng đƣơng ................................. 49 Hình 2. 18 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí chữ nhật ............................................. 49 Hình 2. 19 Đồ thị quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí ........................................... 50 Hình 3. 1 Đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau ......................................................... 54 vii
Hình 3. 2 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật ............................................... 54 Hình 3. 3 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập ................................ 54 Hình 3. 4 Bản vẽ chi tiết trục .......................................................................................... 55 Hình 3. 5 Bản vẽ chi tiếp nắp ổ khí ................................................................................ 55 Hình 3. 6 Bản vẽ chi tiết bạc ........................................................................................... 56 Hình 3. 7 Mô hình bản vẽ lắp ráp ................................................................................... 56 Hình 3. 8 Mô hình sau khi đặt điều kiện biên. ................................................................ 59 Hình 3. 9 Quá trình tính toán trên phần mềm ................................................................. 60 Hình 3. 10 Mô hình trục lệch theo phƣơng z .................................................................. 61 Hình 3. 11 Sự phân bố áp suất trong ba mô hình riêng biệt ........................................... 61 Hình 3. 12 Sự phân bố áp suất trong bề mặt của ba mô hình ......................................... 62 Hình 3. 13 Sự phân bố vận tốc không khí trong bề mặt đẩy của ba mô hình ................. 62 Hình 3. 14 Mô tả giả thuyết mô phỏng ........................................................................... 63 Hình 3. 15 Mô hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay đƣợc đặt lệch tâm theo ba mô hình .......................................................................................... 63 Hình 3. 16 Khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục chính trong ba mô hình riêng biệt .................................................................................................................................. 64 Hình 3. 17 Quan hệ giữa lực đẩy mặt đầu và khe hở ..................................................... 65 Hình 3. 18 Quan hệ giữa vận tốc quay và áp suất trung bình trên bề mặt bạc ............... 66 Hình 3. 19 Trích áp suất trên bề mặt ổ tại các điểm A và B ........................................... 66 Hình 4. 1 Gá các chi tiết của ổ khí trên máy đo 3 tọa độ ................................................ 69 Hình 4. 2 Gá đặt chi tiết đo độ thẳng .............................................................................. 69 Hình 4. 3 Sơ đồ gá đặt đo độ đồng tâm chi tiết trục ....................................................... 70 Hình 4. 4 Hình ảnh đo độ nhám chi tiết trục................................................................... 71 Hình 4. 5 Hình ảnh độ nhám chi tiết bạc ........................................................................ 71 Hình 4. 6 Mô hình đo tiếp xúc ........................................................................................ 72 Hình 4. 7 Thực nghiệm đo tiếp xúc ................................................................................ 73 Hình 4. 8 Mô hình đo tải dọc trục ................................................................................... 75 Hình 4. 9 Hình ảnh đo tải dọc trục .................................................................................. 76 Hình 4. 10 Đồ thị quan hệ tải trọng F và khe hở Z trên mặt đầu .................................... 77 Hình 4. 11 Mô hình kiểm tra tải theo phƣơng ngang...................................................... 78 Hình 4. 12 Hình ảnh kiểm tra tải theo phƣơng ngang .................................................... 78 Hình 4. 13 Đồ thị độ dịch chuyển trục theo phƣơng ngang ............................................ 80 Hình 4. 14 Mô hình đo áp suất........................................................................................ 82 Hình 4. 15 Hình ảnh hệ thống đo áp suất........................................................................ 82 Hình 4. 16 Thực nghiệm nguyên công khoan chi tiết trên vật liệu CT3 ........................ 84 Hình 4. 17 Mũi khoan 1.00 ULL 8730403................................................................. 84 Hình 4. 18 Máy nén khí FuSheng model 03 – E........................................................... 85 Hình 4. 19 Chi tiết thép CT3 sau khi khoan ................................................................... 85 Hình 4. 20 Hình ảnh đo đƣờng kính lỗ trên kính hiển vi ................................................ 86 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4. 1 Kết đo khe hở khí giữa vai trục với đệm khí dƣới khi tải trọng dọc trục thay đổi (µm) .......................................................................................................................... 76 Bảng 4. 2 Kết quả đo khe hở khí giữa trục và bạc đệm khí khi tải trọng hƣớng kính thay đổi (µm) .......................................................................................................................... 79 Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo áp suất trích xuất trong ổ khí quay ...................................... 83 Bảng 4. 4 Bảng kết quả đo lỗ sau khi khoan................................................................... 86 ix
LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Ổ khí (tĩnh, động) cũng nhƣ ổ thủy (tĩnh, động) là giải pháp rất hiệu quả thƣờng đƣợc áp dụng cho những bộ truyền động chính xác. Khi sử dụng ổ khí sẽ khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm cơ bản của hầu hết các khớp động truyền thống nhƣ xuất hiện khe hở động gây sai số ngẫu nhiên. Trong ổ khí, khe hở động luôn luôn đƣợc kiểm soát và không xuất hiện ngẫu nhiên trong quá trình làm việc của ổ do lớp màng khí nén áp suất cao đƣợc hình thành giữa bạc và trục quay. Đặc biệt, ma sát rất nhỏ (gần nhƣ bằng 0) dẫn đến giảm thiểu mài mòn, giảm thiểu sinh nhiệt do ma sát. Vì vậy ổ khí sẽ đảm bảo đƣợc chuyển động tƣơng đối với độ chính xác rất cao. Nhờ những ƣu điểm nổi bật mà ổ khí ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ gia công cơ khí, đo lƣờng, hàng không… Đặc biệt, trong lĩnh vực gia công cơ khí, việc ứng dụng ổ khí cao tốc trên các máy công cụ để gia công các lỗ nhỏ là rất phù hợp. Vì trong trƣờng hợp này, do kích thƣớc dụng cụ cắt, mômen cắt nhỏ nên đòi hỏi tốc độ quay trục chính của máy là rất lớn, cỡ vài chục nghìn vòng/phút [1]. Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ bao gồm: + Ổ khí tĩnh trong nghiên cứu này hoạt động trên nguyên tắc bơm khí nén có áp suất từ máy nén nhằm tạo ra lớp khí nén giữa trục và bạc, tách rời bạc đệm khí và trục quay không tiếp xúc cơ khí với nhau, hoạt động hoàn toàn dựa trên ma sát khí. Độ cứng của lớp khí nén là yếu tố rất quan trọng đảm bảo ổ khí có hoạt động ổn định hay không, có giữ cho tâm trục quay ổn định hay không? Độ cứng vững này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào kết cấu hình học của ổ khí, cách dẫn khí và cấp khí. Do đó việc nghiên cứu kết cấu của ổ khí để đảm bảo áp suất đƣợc phân bố hợp lý trên bề mặt đệm, tăng độ cứng vững lớp khí nén giữa trục và bạc của ổ khí trong quá trình hoạt động là một trong những điểm trọng tâm của luận án này. + Ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ có tốc độ cao thì các yếu tố nhƣ khe hở bộ đôi trục và bạc, áp suất khí cấp, độ nhám bề mặt, sai lệch hình học và vị trí của trục và bạc đều ít nhiều ảnh hƣởng tới độ chính xác của ổ khí, do đó trong nghiên cứu này tác giả cũng sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng nói trên. Chính vì vậy, trong nghiên cứu của luận án tác giả đã lựa chọn ổ khí quay sử dụng trên máy khoan lỗ nhỏ CNC dạng rãnh với phƣơng thức dẫn khí từ lỗ đột thắt trung tâm qua các rãnh dẫn hình chữ nhật để tạo vùng áp suất ổn định trong phạm vi rãnh dẫn hình chữ nhật đó. Việc chọn dạng dẫn khí này phù hợp với năng lực và khả năng công nghệ chế tạo cơ khí tại Việt Nam. Với đề tài, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” từng bƣớc làm chủ đƣợc thiết kế, 1
công nghệ chế tạo ra ổ khí quay dạng rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm tại Việt Nam là phạm vi quan tâm của đề tài luận án này. 2. Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục đích Mục đích của luận án xác định đƣợc ảnh hƣởng của một số thông số khí tĩnh đến độ cứng vững, độ ổn định tâm quay của ổ, kết cấu hình học, phân phối khí, áp suất cấp vào ổ. Các yếu tố này tạo ra áp suất phân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hƣởng đến độ chính xác của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ đƣợc chế tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam. Mục đích cụ thể bao gồm: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo ra đƣợc ổ khí tĩnh có kết cấu dạng rãnh khí chữ nhật lỗ cấp khí trung tâm đảm bảo ổ hoạt động ổn định, không có tiếp xúc cơ khí và khả năng chịu tải dọc trục và độ cứng vững hƣớng tâm đạt trong khoảng 3 ÷ 10N/μm. - Bƣớc đầu làm chủ đƣợc công nghệ thiết kế và gia công chế tạo ổ khí tĩnh gia công lỗ nhỏ phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Đối tƣợng nghiên cứu Ổ đệm khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm. Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ chặn, dùng làm đầu trục chính máy phay cỡ nhỏ, chịu lực dọc trục trong quá trình gia công. Các đại lƣợng, yếu tố khí tĩnh ảnh hƣởng đến độ cứng vững của ổ khí tĩnh ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ. Đánh giá những đại lƣợng ảnh hƣởng chính, quyết định độ chính xác ổ khí quay. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, công trình đã nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc về ổ khí tĩnh ứng dụng trong trục chính của các máy gia công lỗ nhỏ. Từ tính toán lý thuyết về khe hở ổ trục và bôi trơn trong ổ khí, nghiên cứu lý thuyết tính toán ổ khí tĩnh. Nghiên cứu tính toán độ cứng vững, độ ổn định tâm và áp suất phân bố của ổ khí tĩnh. Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm để phân tích, đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác ổ khí tĩnh. Phạm vi nghiên cứu Giới hạn của ổ khí quay đƣợc tạo ra trong nghiên cứu là ổ khí kết cấu dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm, phân vùng rãnh, có kích thƣớc giới hạn chiều rộng rãnh là 0,5mm và chiều sâu rãnh là 0,3mm. Ổ đệm khí chịu tải dọc trục đƣợc cung cấp nguồn khí có áp suất từ 2bar 4bar, khả năng chịu tải dọc trục của ổ đệm khí là 50N÷100N; độ cứng vững dọc trục và lực hƣớng tâm là 3 ÷ 10N/μm. 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Thiết lập đƣợc mô hình thực nghiệm trên cơ sở mô phỏng tính toán ổ khí quay để phục vụ cho nguyên công khoan lỗ nhỏ trên trục chính máy CNC mini với tốc độ quay đến 20.000 vòng/phút. Mô phỏng ổ khí quay với kết cấu thiết kế ổ đệm khí dạng rãnh hình chữ nhật phân phối khí ở lỗ đột thắt trung tâm. So sánh với kết quả thực nghiệm đối với các thông số: Áp suất cấp phân bố trên bề mặt đệm khí theo các tốc độ quay khác nhau, kết cấu đệm khí và áp suất hình thành tải trọng tác động dọc trục. Ý nghĩa thực tiễn: Mô phỏng và thực nghiệm giúp xác định mức độ ảnh hƣởng của áp suất khí, ảnh hƣởng của số vòng quay trục chính đến phân bố áp suất trên bề mặt tiếp xúc giữa trục và bạc. Từ đó tiếp cận khả năng chế tạo ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam. 4. Những kết quả mới Những kết quả mới của luận án đạt đƣợc nhƣ sau: 1. Nghiên cứu đƣa ra đƣợc kết cấu ổ khí tĩnh có nguồn khí cấp vào dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm phân vùng cấp khí trong ổ, tăng hiệu quả độ cứng của đệm khí. Ứng dụng mô 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 vận tốc khác nhau. Đây cũng là hƣớng nghiên cứu khác biệt so với các công trình đã công bố trƣớc đó trên thế giới. 2. Đã nghiên cứu chế tạo đƣợc mô hình thực nghiệm ổ khí tĩnh với kết cấu định vị trên 4 bậc tự do dọc trục và vai trục định vị 1 bậc tự do, lắp trên trục chính máy CNC mini để thực hiện các nguyên công khoan lỗ ≤ 1mm. Độ cứng hƣớng tâm 5N/μm, độ cứng dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong dải tốc độ từ 1000020000vòng/phút hoàn toàn không có tiếp xúc cơ khí với kết cấu nhỏ gọn. 3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Mục tiêu của chƣơng sẽ trình bày định hƣớng nội dung sẽ nghiên cứu, từ đó tìm hiểu và nghiên cứu các công trình đã nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực đệm khí và các dạng ổ khí trong đó có ổ khí tĩnh. Các kết quả có đƣợc từ các công trình trên thế giới và kế thừa các công trình đã nghiên cứu trong nƣớc. Tác giả đi nghiên cứu ảnh hƣởng của độ cứng vững và độ định tâm ổ khí tĩnh ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công nghiệp hiện nay, các thiết bị máy móc hiện tại cần phải đảm bảo đơn giản về kết cấu công nghiệp. Với xu hƣớng không ngừng nâng cao chất lƣợng gia công và ổn định các đặc tính khác của chi tiết: Trong một số thiết bị đòi hỏi thực hiện tốc độ vòng quay rất cao từ 10 vạn vòng/phút trở lên, hoặc các yêu cầu phải làm việc trong các điều kiện đặc biệt nhƣ: nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp; áp lực thay đổi trong phạm vi rộng giảm tiêu hao công suất do ma sát đến mức tối thiểu hoặc với yêu cầu không đƣợc rò rỉ dầu bôi trơn vào sản phẩm nhƣ trong lĩnh vực lƣơng thực, thực phẩm v.v. Đa số các yêu cầu này đƣợc thoả mãn nhờ hoàn thiện các kết cấu cơ bản của ổ trục, thông thƣờng là nghiên cứu cải tiến chất bôi trơn. Các chất bôi trơn có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Mỗi dạng có những ƣu nhƣợc điểm riêng và đƣợc sử dụng tuỳ theo yêu cầu cụ thể. Dùng khí để bôi trơn có những ƣu điểm nổi bật mà chất rắn hay chất lỏng không thể có đƣợc nhƣ: độ nhớt nhỏ, sự ổn định các tính chất của khí trong phạm vi thay đổi nhiệt độ và áp lực tƣơng đối rộng, giảm đƣợc tiêu hao dầu do chảy ra ngoài, khí dùng để vừa bôi trơn và làm nguội, điều kiện làm việc đƣợc cải thiện v.v. Về mặt kết cấu, các ổ khí có thể làm liền trong thân máy khiến cho kết cấu máy có thể gọn hơn, trong điều kiện sử dụng, bảo dƣỡng đơn giản, độ bền cao. Do có các ƣu điểm đó mà ổ khí đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu về: làm việc trong môi trƣờng có nhiệt độ rất cao hoặc rất nhỏ, không ma sát, tính ổn định và chính xác cao; trong môi trƣờng hoạt tính ăn mòn hay trong trƣờng hợp đòi hỏi sản phẩm phải sạch. Chính vì những ƣu điểm trên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật, trong những năm gần đây ổ khí đƣợc nghiên cứu chế tạo và sử dụng rộng rãi, nhất là trong các lĩnh vực chế tạo máy công cụ, ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ. Tuy nhiên, vấn đề bôi trơn khí cũng có những nhƣợc điểm tồn tại tác giả sẽ nghiên cứu kỹ hơn trong các chƣơng tiếp theo. Thí dụ: không ổn định bằng các ổ tƣơng tự bôi trơn bằng chất lỏng; các ổ khí thƣờng chịu tải nhỏ v.v điều đó hạn chế phạm vi sử dụng của ổ khí. Ngoài ra việc nghiên cứu tính toán ổ khí 4
cũng đang trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, cũng có những khó khăn nhất định. Khó khăn lớn nhất vẫn là vấn đề khắc phục những dạng mất ổn định [2] do hiện tƣợng chuyển động vị xoáy của chất khí trong ổ biểu hiện ở xoáy bán vận tốc, xoáy đồng bộ v.v . Mặc dù việc nghiên cứu sử dụng bôi trơn ổ khí đã đƣợc tiến hành từ cách đây nhiều năm với sự tham gia của hàng trăm nhà bác học nổi tiếng thế giới và phạm vi sử dụng ổ khí đã đạt đƣợc những thành tựu trong một số lĩnh vực. Tuy nhiên kết cấu và dạng ổ khí cũng khác nhau và gần nhƣ là bản quyền của các hãng. Trên thực tế việc sử dụng ổ bôi trơn khí tại Việt Nam hiện nay vẫn chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi mà mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu thử nghiệm. Hơn nữa, đối với các ổ khí quay sử dụng trong trục chính của các máy mài, máy phay để gia công lỗ nhỏ thì hoàn toàn chƣa đƣợc nghiên cứu tại Việt Nam. Do đó để đáp ứng yêu cầu phát triển rộng rãi trong công nghiệp hiện đại, hiện nay lĩnh vực sử dụng bôi trơn khí ngày càng phải đƣợc phát triển và hoàn thiện. Trong luận án sẽ nghiên cứu thiết kế chế tạo về ổ đệm khí dạng rãnh với lỗ cấp khí trung tâm, đƣợc phân vùng cấp khí độc lập, ứng dụng để khoan những lỗ có đƣờng kính ≤ 1mm. 1.2 PHÂN TÍCH ƢU, NHƢỢC ĐIỂM CỦA Ổ KHÍ TĨNH Ổ khí tĩnh: Để làm việc đƣợc đòi hỏi một nguồn khí nén. Còn ổ khí động, trong đó hiệu áp tự xuất hiện nhờ sự trƣợt tƣơng đối của các bề mặt cuốn theo chất bôi trơn trong khe hẹp của bề mặt quay của trục. Trong ổ khí tĩnh, áp lực đƣợc tạo lên nhờ bơm khí. Cả hai dạng ổ này đều có thể chịu tác dụng của tải trọng dọc trục hay hƣớng kính hoặc đồng thời cả hai dạng tải trọng tác dụng trong hệ thống rô to quay. Trong phạm vi làm việc của tốc độ, ổ trục có thể làm việc nhƣ ổ khí tĩnh hay động đơn thuần, bắt đầu làm việc ở một chế độ và theo mức độ phát triển sẽ chuyển sang chế độ khác hoặc ở chế độ hỗn hợp; trong đó áp lực đƣợc tạo nên đồng thời bởi hiệu ứng khí tĩnh hay khí động. Trong cả hai dạng ổ này dòng chảy của khí thƣờng là chảy tầng, nhƣng có thể xuất hiện trạng thái chảy rối. Đối với ổ bôi trơn bằng khí từ ngoài vào (ổ khí tĩnh) có nhƣợc điểm nổi bật là cần thiết bị bơm khí và kết cấu đƣờng nạp, đƣờng thải do đó phạm vi sử dụng của nó bị hạn chế. Khả năng tải của loại ổ này không phụ thuộc vào tốc độ, trừ một số trƣờng hợp đặc biệt xảy ra khi tốc độ lớn vì khi ấy xuất hiện hiệu ứng khí động. Ổ dạng này có thể sử dụng ngay cả khi tốc độ bằng không. Tải trọng của ổ khí tĩnh phụ thuộc vào độ nhớt của khí bôi trơn, không phụ thuộc vào áp suất khí bơm vào và môi trƣờng xung quanh. Tải trọng riêng của ổ khí tĩnh bị hạn chế bởi áp lực cung cấp và có thể áp lực lớn chừng nào thì tải lớn chừng ấy. Đối với loại ổ này không đòi hỏi chế tạo chính xác cao 5
Ƣu điểm đặc biệt mà các loại ổ khác không thể có đƣợc, từ phân tích hai đặc điểm khác nhau cơ bản của chất khí và chất lỏng đó là: - Các chất khí có tính chất hóa học ổn định hơn so với chất lỏng ở trong phạm vi thay đổi nhiệt độ rộng. - Các chất khí có độ nhớt nhỏ hơn so với chất lỏng. Vì vậy, cũng chính do các tính chất này mà ổ khí cũng còn tồn tại một số nhƣợc điểm nhất định. 1.2.1. Ưu điểm của ổ bôi trơn khí Khi cần cần gia công các lỗ nhỏ đòi hỏi độ chính xác và độ định tâm cao thì phải cần tốc độ quay lớn. Do đó giải pháp ổ khí quay là bài toán có thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó [3]. + Khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng Đây là ƣu điểm nổi bật nhất của khí dùng để bôi trơn. Ở nhiệt độ cao, không làm biến dạng các chi tiết máy và không phải thay chất bôi trơn mới, kết cấu hệ thống bôi trơn rất đơn giản. Nhiệt độ cao không ảnh hƣởng đến sự làm việc của ổ trục trong khoảng thời gian dài. + Ma sát trong ổ rất nhỏ Ƣu điểm này có đƣợc là do chất khí có độ nhớt nhỏ, ma sát nhỏ dẫn đến khả năng làm việc liên tục của máy tăng lên, tuổi thọ của ổ cao. Nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc rất nhỏ, do đó việc làm nguội ổ cũng đơn giản. Cũng chính vì vậy, mà độ bền của các chi tiết trong ổ khí tăng lên. + Khả năng làm việc với tốc độ rất cao Do ít bị mòn, ít sinh ra nhiệt và cho phép thay đổi nhiệt độ trong phạm vi rộng nên ổ khí đƣợc sử dụng trong nhiều trƣờng hợp tốc độ rất cao. Thí dụ đầu khoan cao tốc dùng ổ khí do Viện Ê. Nhim chế tạo đạt tới vận tốc 500.000 v/ph. + Ổ khí có rung động nhỏ Ổ khí có tính chất chống rung tốt nếu chọn vật liệu bọc lót phù hợp. Sự dụng động trong quá trình làm việc của ổ khí ít hơn so với ổ lăn do vậy mà trong thiết kế để khắc phục rung động thì ổ khí đơn giản hơn nhiều so với ổ lăn. + Kết cấu hệ thống phụ đơn giản Các hệ thống bôi trơn trên máy, làm nguội, các bộ điều chỉnh, bộ lọc v.v đơn giản hơn nhiều so với bôi trơn bằng dầu. Bôi trơn có ý nghĩa quan trọng trong trƣờng hợp khi cần ngăn ngừa chất bẩn quanh ổ trục của môi trƣờng xung quanh, do các sản phẩm bốc hơi của chất bôi trơn thông thƣờng. Trong nhiều thiết bị với độ kín khít thông thƣờng có thể không đảm bảo, không kinh tế và sự 6
thoát ra ngoài của chất bôi trơn và phát sinh bẩn, do đó dùng ổ bôi trơn khí khiến cho thiết bị bớt cồng kềnh và đảm bảo kinh tế. + Kích thước và trọng lượng nhỏ gọn Các ổ khí có kích thƣớc nhỏ, các ổ khí lại có thể tạo ra ngay trong thân máy khiến cho máy nhỏ gọn, đỡ cồng kềnh. Hơn nữa nhƣ phần trên đã phân tích kết cấu hệ thống phụ đơn giản. + Độ tin cậy và hiệu suất của máy cao Do các ƣu điểm đã nêu ở trên mà ổ khí trong các thiết bị và máy móc sẽ cải thiện đƣợc chất lƣợng gia công khiến cho đạt đƣợc độ chính xác khá cao, đảm bảo kinh tế, tăng tuổi thọ v.v, dẫn đến độ tin cậy và hiệu suất máy cao. 1.2.2. Nhược điểm của ổ khí Nhƣợc điểm tổng quát, nổi bật của ổ khí nhƣ đã biết là khả năng tải nhỏ. Nhƣợc điểm này là chủ yếu do độ nhớt của khí nhỏ so với dầu. Trong ổ khí tĩnh khả năng tải bị hạn chế bởi hệ thống bơm khí, trong ổ khí động là do việc hạn chế khe hở làm việc nhỏ nhất (hay độ lệch tâm cho phép lớn nhất). Do nhƣợc điểm này mà dẫn đến sự hạn chế sử dụng ổ khí trong những trƣờng hợp mà tải trọng của ổ đòi hỏi lớn. Ổ khí là không ổn định với các ổ tự bôi trơn. Các chế độ không ổn định đặc biệt xảy ra trong các ổ khí tĩnh. Để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta đã nghiên cứu nguồn gốc mất ổn định và loại trừ chúng bằng các dạng kết cấu mới. Các ổ tăng áp từ ngoài đòi hỏi phải cung cấp nguồn khí nén khô và sạch, điều này dẫn đến đòi hỏi thiết bị lọc khí cẩn thận và đặc biệt, nhƣ vậy các thiết bị lọc khí đơn giản sẽ không thể đảm bảo đƣợc. Các ổ khí động còn có những nhƣợc điểm khác đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi sử dụng chúng là độ nhạy với tác dụng của tải trọng động lên chúng. Ngƣời ta có thể thay đổi dạng kết cấu ổ và sử dụng hệ thống nén hợp lí để tăng độ cứng tĩnh của nó đến giá trị cho phép, song độ cứng động học của ổ rất khó thay đổi. Do không khí có độ nén cao và khả năng chống rung rất nhỏ nên ổ khí có các đặc tính chống rung không cao. Việc hạn chế các dao động tái sinh trong các thiết bị bôi trơn khí đòi hỏi cần sử dụng hệ thống chống rung tốt, có độ cộng hƣởng nhỏ, gây trở ngại nghiêm trọng đối với việc sử dụng ổ khí trong các điều kiện của chế độ khác có thể. [3] 1.3. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Lĩnh vực sử dụng triển vọng nhất cụm trục chính cao tốc trong chế tạo máy công cụ là đầu mài trong để gia công lỗ đƣờng khí nhỏ. Các ổ khí dùng trong cụm trục chính máy mài điều kiện của chúng khác với điều kiện làm việc 7
của gối tựa của thiết bị dẫn hƣớng cho máy. Trong quá trình mài, tải trọng nói chung nhỏ và lại không phải là tải trọng có chu kì; do đó tác dụng của đá mài lên chi tiết cơ bản có đặc tính ngẫu nhiên. Cả hai nhân tố này chứng tỏ là có thể áp dụng ổ khí. Thật vậy, những năm đầu của thập kỉ 60, ở Mỹ đã chế tạo máy mài trong tốc độ không lớn có ổ khí dùng cho trục chính; Trục chính turbin khí quay với tốc độ 100.000v/ph [3]. Các đặc trƣng chất lƣợng của ổ này đảm bảo, tuy nhiên dùng turbin khí với lƣu lƣợng lớn không kinh tế. Đầu mài hoàn chỉnh là đầu mài có động cơ công suất là 1,12 kW, quay với tốc độ 15.000v/ph, ổ hƣớng kính có đƣờng kính 127mm, chiều dài ổ 100mm; đƣờng kính bánh mài 63,5mm, rộng 38mm; có những ổ chặn. Độ cứng hƣớng kính và dọc trục của gối tựa trục chính máy mài này cho trị số 23.400 và 43.200 kG/cm, tần số cộng hƣởng tƣơng ứng bằng 200 và 250 Hz, lƣu lƣợng khí đƣợc đo dƣới áp lực cung cấp bình thƣờng 4,2 at là 70 l/ph. Không khí này đƣợc sử dụng để làm lạnh vỏ rôto động cơ. Nhờ việc làm lạnh này và không có cách nhiệt trong ổ, sự quá nhiệt lớn nhất tạo thành ở vỏ là xấp xi bằng 8°C . Khác với sự quá nhiệt trong phƣơng án của đầu mài có ổ bôi trơn dầu. Độ bóng chi tiết gia công đạt đƣợc bằng mài trên máy này cao hơn với các máy có đầu mài dùng ổ bôi trơn ƣớt. Hơn nữa sự quá nhiệt nhỏ cho phép loại trừ hao phí thời gian điều chỉnh đầu mài cho nên năng suất cao; và vì không có mài mòn thì ở mức độ lớn nên giảm thấp yêu cầu việc chăm sóc, bảo dƣỡng máy. Việc sử dụng ổ bôi trơn khí cho trục mài trong cao tốc cho phép tăng độ cứng và khối lƣợng chính bằng cách tăng đƣờng kính ngõng trục, điều đó cho phép mài với lƣợng chạy dao lớn, tốc độ vòng quay của trục đá lớn (> 30m/s) do đó năng suất cao. Chất lƣợng mài mòn đạt đƣợc độ chính xác gia công lỗ đến cấp chính xác 1 và độ bóng bề mặt . Việc không tiếp xúc giữa các ngõng trục và ổ đƣợc ngăn cách bằng các lớp không khí, thực tế loại bỏ sự mài mòn của chúng. Viện En.Nhim đã nghiên cứu và đƣa vào áp dụng trong công nghiệp ụ mài trong dùng ổ bôi trơn khí đƣợc phân biệt bởi đặc tính kĩ thuật của nó và dạng truyền dẫn là động cơ điện cao tần hay turbin khí nén. Trục trong dùng để mài tinh bằng hạt mài và bằng dụng cụ kim cƣơng, trong điều kiện sản xuất hàng khối. Trục chính khí nén dùng trong sản xuất loạt nhỏ, khi đó cùng một ụ phải mài các lỗ có chất lƣợng, đƣờng kính và hình dạng bên ngoài khác nhau. Cả hai loại này, trục chính đƣợc tựa trên 2 ổ hƣớng kính lai cấp khí vi sai, dùng vật liệu bạc lót là graphit và ổ chặn phẳng xốp. Nếu kết cấu cụm trục chính ổ khí có thể đạt tốc độ vòng quay trục chính từ 150 đến 300. v/ph, ổ khí có thể 8
sử dụng cho trục chính nặng hơn: Thí dụ nhƣ kết cấu của đầu phay có công suất 7 kW, vận tốc đồng bộ là 12000v/ph, dùng ổ bôi trơn khí. Toàn bộ trục chính khoảng 25 kG đƣợc đỡ bởi ổ chặn xốp vòng (đầu phay làm việc ở vị trí thẳng đứng). Việc thử nghiệm đầu phay này ở trƣờng Đại học Bách khoa Gorki đã chỉ ra rằng công suất của hành trình không vƣợt quá 0,65kW. Trong khi đó đầu phay đồng nhất về khuôn khổ và công suất nhƣ trên nhƣng đặt trên ổ bôi trơn ƣớt, công suất chạy tăng không quá 6kW. [3] Các thí dụ trên chứng tỏ rằng: áp dụng ổ khí trong các cụm trục chính đã bảo đảm đƣợc năng suất, chất lƣợng gia công cũng nhƣ không ảnh hƣởng của nhiệt, mài mòn ít và hạ thấp dao động. Nhƣng do trở ngại cơ bản của việc áp dụng ổ khí là tải trọng thấp, và khả năng tải nhỏ do vậy lĩnh vực sử dụng cụm trục chính dùng ổ khí là đầu mài, máy doa tọa độ và các máy phay, máy khoan công suất nhỏ. Trên cơ sở các số liệu thống kê ta có thể thấy rõ sự so sánh giữa ổ khí quay cao tốc với các loại ổ lăn hay ổ trƣợt thông thƣờng: Hình 1. 1 Đồ thị nhiệt độ của ổ bi theo thời gian và vận tốc quay [4]. Từ đồ thị trên hình có thể thấy đối với ổ bi số vòng quay trục chính càng cao thì nhiệt độ càng tăng. Trong khi đó đối với ổ khí thì nhiệt độ gần nhƣ không ảnh hƣởng đến số vòng quay trục chính 9