Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án tập trung nghiên cứu về độ tin cậy và tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn sử dụng trong máy công cụ CNC trên cơ sở mòn với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam. Nhiều công trình trên thế giới đã khẳng định ảnh hưởng rõ ràng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ môi trường tới cơ chế mòn của cặp ma sát. Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hai thông số cơ bản nhiệt độ và độ ẩm tương đối trong vùng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam tới lượng mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm. Thông qua việc nghiên cứu mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn, xác định tuổi thọ dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn phụ thuộc vào biến động của độ ẩm tương đối và nhiệt độ so với giá trị trung bình của điều kiện khí hậu Việt Nam.

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, độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU SINH: NGUYỄN THỊ NGỌC HUYỀN NGHIÊN CỨU TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỦA ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN MÁY CÔNG CỤ CNC TRÊN CƠ SỞ MÒN TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật máy công cụ Mã số: 62.52.04.15 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS.Phạm Văn Hùng 2. PGS.TS. Nguyễn Doãn LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – Năm 2012
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực. Những kết quả của luận án chưa từng được ai công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Huyền i
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến cố VS.GS.TSKH Nguyễn Anh Tuấn đã định hướng cho em đề tài của luận án! Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS. Phạm Văn Hùng, PGS. Nguyễn Doãn Ý! Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Máy và Ma sát học, bạn bè, người thân đã giúp đỡ, ủng hộ, tạo điều kiện trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án! Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Huyền ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer numerical control VN: Việt nam TPHCM: Thành phố Hồ Chí Minh NĐTB: Nhiệt độ trung bình CS: Chuẩn sai ENSO: là hiện tượng El – Nino dao động Nam bán cầu TBN: Trung bình năm IPCC: Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu TB: Trung bình ISO: International organization for standardization – Tổ chức tiêu chuẩn thế giới iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH Kí hiệu Ý nghĩa Đơn vị Hệ số sửa đổi danh định trong điều kiện nhiệt ẩm, aISONA không chất bôi trơn, tải nhỏ aISO Hệ số sửa đổi danh định a1 Hệ số độ tin cậy b Chiều rộng của sống dẫn mm b0 Chiều dài của con lăn mm C Tải trọng cơ bản danh định N C0 Tải trọng động cơ bản danh định N mm cb Hệ số đàn hồi của sống lăn dùng đũa trụ µm. N mm c1 Hệ số đàn hồi của sống lăn dùng bi µm. N d Đường kính của bi hoặc con lăn mm ec Hệ số nhiễm bẩn f(t) Hàm mật độ phân phối tuổi thọ của chi tiết f Hệ số cản lăn Fin Lực ma sát nghỉ trên mặt đường hướng N fr Hệ số ma sát lăn cm I Cường độ mòn ks Hệ số sẵn sàng kL Hệ số ma sát lăn κ Tỷ số độ nhớt L Quãng đường ma sát mm Lh Tuổi thọ danh định km L10 Tuổi thọ cơ bản danh định kết hợp với 90% độ tin km iv
cậy Lmn Tuổi thọ sửa đổi danh định km Chiều dài bề mặt lăn tính toán các tải trọng danh lt mm định Chiều dài hành trình của đường dẫn hướng ma sát ls mm lăn N Tải trọng pháp tuyến N N1 Lực tác dụng lên mặt đường dẫn hướng kgf Nin Tổng lực tác dụng lên các mặt đường dẫn hướng kgf n Số vòng quay của trục vít me bi v/ph q Tải trọng trên một đơn vị chiều dài đũa trụ N/mm Xác suất làm việc không hỏng của chi tiết trong P(T≥t) khoảng thời gian 0 ÷ t Xác suất để lượng mòn tại thời điểm t không lớn P(U(t)≤ [U]) hơn lượng mòn cho phép [P] Tải trọng cho phép tác dụng lên con lăn MPa P Tải trọng động tương đương N pmax Áp suất lớn nhất của sống trượt MPa R(t) Hàm tin cậy ri Tần suất của khoảng chia thứ i r Bán kính của phần tử lăn cm ref Bán kính tương đương của các phần tử lăn cm T1 Lực ma sát nghỉ trên đường dẫn hướng kgf T Tuổi thọ dự kiến danh định h Ti thời gian tiêu hao để phục hồi lần hỏng i h Ttb Thời gian làm việc trung bình đến khi hỏng h tγ Tuổi thọ gamma phần trăm t Thời gian hỏng h tp Bước của trục vít me mm U Lượng mòn tổng cộng µm Ur Lượng mòn sau thời gian chạy rà µm v
U' Tốc độ mòn µm/h [U] Lượng mòn lớn nhất cho phép µm γ (t) Tốc độ mòn theo thời gian µm/h δ Độ biến dạng của sống lăn µm σ Độ lệch tiêu chuẩn Ứng suất quy ước liên quan đến tiết diện của chi σ0 MN/m2 tiết lăn Φ Hàm Laplace ∧ ω(t ) Cường độ dòng hỏng Ω(t ) Kỳ vọng số lần hỏng vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT Bảng số Nội dung Trang Nhiệt độ trung bình (NĐTB) và chuẩn sai (CS) tại một số 1 1.1 22 trạm (0C) 2 2.1 Biểu thức quan hệ giữa các hàm f(t), Q(t), R(t) và λ(t) 56 3 2.2 Giá trị của số mũ p 70 4 3.1 Thông số và bảng biến thiên 73 5 3.2 Kích thước mẫu EGH 15CA 79 Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm 6 3.3 tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 87 2kgf Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm 7 3.4 tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 87 4kgf Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm 8 3.5 tương đối đến lượng mòn tổng cộng U sau 20h tại tải P = 88 6kgf 9 4.1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy a1 94 Hệ số nhiễm bẩn, ec, Dpw – Đường kính chia của các dãy 10 4.2 99 bi Bảng thống kê lượng mòn tổng cộng đường dẫn hướng 11 4.3 103 ma sát lăn khi P = 2kgf Kết quả tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát 12 4.4 105 lăn ở tải P=2kgf Bảng thống kê lượng mòn tổng cộng đường dẫn hướng 13 4.5 106 ma sát lăn khi P = 4kgf Kết quả tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát 14 4.6 107 lăn ở tải P=4kgf Bảng thống kê lượng mòn tổng cộng đường dẫn hướng 15 4.7 108 ma sát lăn khi P = 6kgf Kết quả tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát 16 4.8 109 lăn ở tải P=6kgf Hệ số tuổi thọ sửa đổi danh định aISONA trong điều kiện 17 4.9 111 nhiệt ẩm, ma sát không chất bôi trơn vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Hình số Nội dung Trang 1 1.1 Đường dẫn hướng ma sát trượt trong máy tiện 8 1K62 2 1.2 Đường dẫn hướng ma sát lăn trong máy phay 8 CNC 3 1.3 Các dạng chính của đường dẫn hướng ma sát 9 trượt 4 1.4 Đường dẫn hướng ma sát lăn dùng trong bàn máy 11 dịch chuyển chính xác 5 1.5 Đường dẫn hướng ma sát lăn dùng trong các 11 trung tâm gia công 6 1.6 Đường dẫn hướng tuần hoàn khép kín kiểu ống 12 lót 7 1.7 Đường dẫn hướng tuần hoàn kín, kiểu thanh dẫn 12 lăng trụ 8 1.8 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, 13 dẫn hướng thẳng, kiểu rãnh sâu 9 1.9 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, 13 kiểu tiếp xúc 4 điểm 10 1.10 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, 14 dẫn hướng thẳng, kiểu phẳng 11 1.11 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, 14 dẫn hướng thẳng, kiểu góc chữ V 12 1.12 Đường dẫn hướng không tuần hoàn khép kín, 14 dẫn hướng thẳng, kiểu đũa cắt ngang 13 1.13 Kết cấu đường dẫn hướng sử dụng phần tử lăn 16 14 1.14 Bố trí các phần tử lăn 16 15 1.15 Đường hướng lăn có đường hồi bi 17 16 1.16 Hệ số đàn hồi của sống lăn đũa trụ 19 17 1.17 Xác suất vượt chuẩn (a) và chuẩn sai (b) của 21 nhiệt độ Việt Nam 2011 18 1.18 Xác suất vượt chuẩn (a) và chuẩn sai (b) của độ 22 ẩm Việt Nam 2011 viii
19 1.19 Bức tranh vẽ về người lao động Ai cập cổ đại 29 20 1.20 Kết cấu đường hướng lăn đầu tiên 30 21 2.1 Ma sát trượt – Ma sát lăn 34 20 2.2 Sơ đồ phần tử lăn trên rãnh trượt (a) và trên mặt 35 phẳng (b) 21 2.3 Biến dạng khi lăn 35 22 2.4 Mặt cắt ngang của hình trụ A và mặt phẳng lăn B 36 23 2.5 Đường cong biến dạng 38 24 2.6 Vòng tròn ma sát lăn 39 25 2.7 Lực ma sát T phụ thuộc tải Nin (a) và tốc độ dịch 40 chuyển (b) 26 2.8 Lượng mòn phụ thuộc vào quãng đường ma sát 42 L, t 27 2.9 Sơ đồ các dạng mòn của cặp vật liệu 44 28 2.10 Đồ thị đường cong mỏi của vật liệu 45 29 2.11 Đồ thị đường cong mỏi chu kỳ lặp lại 46 30 2.12 Ứng suất bề mặt lăn khi chịu tải F = 600N 47 31 2.13 Đường cong mỏi khi ma sát lăn 48 32 2.14 Các vết nứt trên bề mặt lăn khi tăng số chu kỳ 49 mang tải 33 2.15 Sơ đồ các thông số theo phương pháp tuyến (a), 50 phương tiếp tuyến (b) khi tiếp xúc lăn 34 2.16 Các giá trị KI (Đường cong liền), KII (Đường 51 cong chấm) theo thực nghiệm 35 2.17 Quy luật thay đổi quá trình phá hủy trên bề mặt ổ 52 lăn khi thay đổi áp suất và ứng suất tiếp liên quan 36 2.18 Quy luật thay đổi quá trình phá hủy trên bề mặt ổ 52 lăn khi thay đổi tốc độ dịch chuyển và nhiệt độ trong vùng tiếp xúc do nó gây ra 37 2.19 Quan hệ giữa hàm f(t) và R(t) đối với phân phối 60 chuẩn 38 2.20 Quan hệ giữa hàm f(t) và R(t) đối với phân phối 61 Logarit chuẩn ix
39 2.21 Quan hệ giữa hàm f(t) và R(t) đối với phân phối 62 Weibull 40 2.22 Các thể hiện mòn và các mật độ f(U), f(t) 63 41 2.23 Các thể hiện mòn tuyến tính và các mật độ f(U), 64 f(t) 42 2.24 Đồ thị xác định độ tin cậy cho đường dẫn hướng 66 ma sát lăn 43 2.25 Chiều của tải trọng 69 44 2.26 Góc tiếp xúc danh nghĩa 70 45 3.1 Phương án thiết kế 1 74 46 3.2 Phương án thiết kế 2 75 47 3.3 Phương án thiết kế 3 76 48 3.4 Thiết bị thử mòn BKML-2010 76 47 3.5 Block chứa bi dạng vuông (a), lỗ bắt bulông của 77 đường dẫn hướng (b) 48 3.6 Hình dáng và kết cấu cơ bản của đường dẫn 78 hướng ma sát lăn kiểu EG 49 3.7 Kích thước cơ bản của mẫu đường hướng thí 78 nghiệm EGH 50 3.8 Buồng làm việc của máy nhiệt ẩm khi đặt thiết bị 79 thí nghiệm mòn 51 3.9 Sơ đồ nguyên lý máy tủ nhiệt ẩm BKM – NA2 81 52 3.10 Đo mòn bằng phương pháp khoét vết lõm 82 53 3.11 Sơ đồ xác định lượng mòn tổng U 83 54 3.12 Sơ đồ bố trí điểm đo trên thanh dẫn hướng 84 55 3.13 Sơ đồ đo mòn 84 56 3.14 Sơ đồ thí nghiệm 86 57 3.15 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn U vào nhiệt 89 độ, độ ẩm tương đối với P = 2kgf 58 3.16 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn U vào nhiệt 90 độ, độ ẩm tương đối với P = 4kgf 59 3.17 Đồ thị sự phụ thuộc của lượng mòn U vào nhiệt 91 độ, độ ẩm tương đối với P = 6kgf x
60 4.1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO 96 61 4.2 Hệ số tuổi thọ sửa đổiaISO đối với ổ bi đỡ 97 62 4.3 Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO đối với ổ đỡ chặn 98 63 4.4 Độ nhớt động chuẩn ν1 101 xi
MỤC LỤC TRANG Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các kí hiệu chính Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Mục lục MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 5 6. Nội dung luận án ............................................................................................ 6 7. Kết quả nghiên cứu ......................................................................................... 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MÁY CÔNG CỤ.......8 1.1. Tổng quan về đường dẫn hướng trong máy công cụ .................................. 8 1.1.1. Đường dẫn hướng ma sát trượt ............................................................. 9 1.1.2. Đường dẫn hướng ma sát lăn ...................................................... .... .10 1.1.2.1. Phân loại đường dẫn hướng ma sát lăn ……………………………….11 1.1.2.2. Kết cấu mặt cắt ngang đường dẫn hướng ma sát lăn .............. 15 1.1.2.3. Vật liệu làm đường dẫn hướng ma sát lăn .............................. 17 1.1.2.4. Kiểm nghiệm độ bền và độ cứng vững của thanh trượt (sống lăn) đường dẫn hướng ma sát lăn ........................................................................... 18 1.2. Một số đặc điểm khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam ..................................... 20 1.2.1. Khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam .......................................................... 20 1.2.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến ma sát, mòn của cặp ma sát........................................................................................................................24 1.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ...........................................................24 1.2.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm ............................................................ 25 xii
1.3. Tình hình nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn trên thế giới .................................................................................................................. 26 1.4. Tình hình nghiên cứu độ tin cậy và tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn máy công cụ CNC ở Việt Nam ................................................................................... ..31 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1..................................................................... .....................33 CHƯƠNG 2: TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN TRÊN CƠ SỞ MÒN................................................................................................34 2.1. Ma sát đường dẫn hướng ma sát lăn .......................................................... 34 2.1.1. Ma sát lăn ............................................................................................ 34 2.1.2. Hệ số ma sát lăn kL ............................................................................ 36 2.1.3. Vòng tròn ma sát lăn ........................................................................... 38 2.1.4. Ma sát trong đường dẫn hướng ma sát lăn ......................................... 39 2.2. Mòn của cặp ma sát lăn tịnh tiến đảo chiều ............................................. 41 2.2.1.Quy luật mòn của vật liệu .................................................................... 41 2.2.2.Các dạng mòn ..................................................................................... 44 2.2.2.1. Cơ chế mòn do mỏi ................................................................ 44 2.2.2.2. Đường cong mỏi .................................................................... 45 2.2.3. Hư hỏng do mỏi ................................................................................. 46 2.2.4.Quy luật mòn và hư hỏng do ma sát lăn .............................................. 51 2.3. Độ tin cậy đường dẫn hướng ma sát lăn ................................................... 53 2.3.1. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy .......................................................... 54 2.3.1.1. Xác suất làm việc không hỏng ............................................... 54 2.3.1.2. Xác suất hỏng ......................................................................... 55 2.3.1.3. Cường độ hỏng ....................................................................... 55 2.3.1.4 .Thời gian làm việc trung bình đến khi hỏng .......................... 55 2.3.2. Các chỉ tiêu độ tin cậy của chi tiết phục hồi ...................................... 57 2.3.2.1. Dòng hỏng và các đặc trưng xác suất của dòng hỏng ............ 57 2.3.2.2. Thời gian phục hồi trung bình................................................ 58 2.3.2.3. Hệ số sẵn sàng ........................................................................ 58 2.3.2.4. Hệ số sử dụng kỹ thuật........................................................... 58 2.3.2.5.Dự trữ ..................................................................................... 59 2.3.2.6. Tuổi thọ gamma phần trăm ................................................... 59 2.3.3. Hàm phân phối trong tính toán độ tin cậy chi tiết lăn ....................... 59 2.3.3.1. Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối chuẩn Gauss ..... 60 2.3.3.2.Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối Logarit chuẩn... .60 2.3.3.3. Tập số liệu lượng mòn tuân theo phân phối chuẩn Weibull (3 tham số)……………………………………………………………………...61 xiii
2.4. Tính toán độ tin cậy trên cơ sở mòn .......................................................... 62 2.4.1. Quan điểm xác suất về quá trình mòn ............................................... 62 2.4.2. Xác định các chỉ tiêu độ tin cậy theo thời gian hỏng do mòn ............ 63 2.4.3. Xác định chỉ tiêu độ tin cậy theo các thể hiện mòn ............................ 64 2.4.4. Quan hệ giữa độ tin cậy và tốc độ mòn .............................................. 65 2.5. Bài toán xác định tuổi thọ ......................................................................... 65 2.6. Phương pháp tính tuổi thọ đường dẫn hướng ma sát lăn ......................... 67 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................72 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM MÒN ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ẨM .................................................................73 3.1.Mục đích thực nghiệm ................................................................................ 73 3.2.Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm mòn ............................................... 74 3.2.1.Yêu cầu của hệ thống thiết bị .............................................................. 74 3.2.2. Mẫu thí nghiệm đường dẫn hướng ma sát lăn .................................... 76 3.3.Thiết bị tạo môi trường nhiệt ẩm BKM – NA2 .......................................... 79 3.3.1. Thông số kỹ thuật của tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 .................................. 79 3.3.2.Các chế độ điều khiển thiết bị nhiệt ẩm............................................... 80 3.3.3. Nguyên lý hoạt động của tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 .............................. 80 3.4.Thí nghiệm đo mòn đường dẫn hướng ma sát lăn ...................................... 81 3.4.1.Phương pháp đo mòn ........................................................................... 81 3.4.2. Phương pháp đo mòn đường dẫn hướng ma sát lăn ........................... 83 3.4.3.Xác định bộ thông số thí nghiệm cơ bản ............................................. 85 3.4.4.Trình tự thí nghiệm .............................................................................. 85 3.4.5. Kết quả thí nghiệm và xử lý số liệu .................................................... 86 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................92 CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG MA SÁT LĂN MÁY CÔNG CỤ CNC TRÊN CƠ SỞ MÒN .....................93 4.1.Tuổi thọ sửa đổi danh định ......................................................................... 93 4.1.1. Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy, a1 ....................................... 94 4.1.2.Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO trên cơ sở tính toán tuổi thọ theo mỏi ...... 95 4.1.3. Hệ số nhiễm bẩn ec và tỷ số độ nhớt κ..................................................98 4.2.Tính toán tuổi thọ sửa đổi danh định đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện nhiệt ẩm ....................................................................................................... 101 4.2.1.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 2kgf................ .103 4.2.2.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 4kgf................. 105 4.2.3.Tính toán tuổi thọ của đường dẫn hướng khi tải P = 6kgf................. 107 xiv
4.3. Xác định hệ số aISONA của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện nhiệt ẩm.............................................................................................................. ..........109 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .......................................................................... ... ....113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………...114 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..116 xv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngành Cơ khí Việt Nam là một trong những ngành công nghiệp nền tảng, có vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa – Hiện đại hóa và phát triển kinh tế của đất nước. Ngày 26/12/2002 Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định số 186/2002/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển ngành cơ khí Việt Nam đến năm 2010, chỉ rõ phát triển tám nhóm ngành chủ lực và sản phẩm cơ khí trọng điểm để đáp ứng cơ bản nhu cầu của nền kinh tế quốc dân. Máy công cụ là một trong tám ngành trọng điểm được ưu tiên phát triển. Chế tạo máy công cụ nhằm đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp trên cơ sở nghiên cứu thiết kế, chế tạo các mẫu máy hiện đại (ứng dụng PLC, CNC) và các thiết bị gia công đặc biệt cùng với việc đẩy mạnh chương trình hiện đại hóa theo hướng điện tử - tin học hóa các máy công cụ hiện có trong các cơ sở công nghiệp. Máy công cụ có vai trò quyết định đến chất lượng và năng suất gia công chi tiết máy. Để đảm bảo độ chính xác hình học của chi tiết gia công như độ vuông góc, độ song song, độ côn đòi hỏi các máy công cụ phải có đường dẫn hướng. Chức năng cơ bản của đường dẫn hướng là đỡ, xác định vị trí và di chuyển chính xác. Ở Việt Nam hiện nay, chủng loại máy công cụ vạn năng rất phong phú, đa dạng có nguồn gốc nhập khẩu từ Liên Xô cũ và các nước Đông Âu, còn các máy công cụ hiện đại điều khiển số CNC được nhập khẩu từ nhiều nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Đài Loan và một phần của khối G8. Đường dẫn hướng của máy công cụ CNC có khả năng chịu tải lớn, dịch chuyển nhỏ, độ chính xác cao, gia tốc cao. Máy công cụ CNC hiện nay được phát triển và ứng dụng rộng rãi, phổ biến ở các nước trên thế giới và Việt Nam. Từ những ứng dụng gia công đơn giản như dịch chuyển từ điểm đến điểm của máy khoan đến những quỹ đạo phức tạp của máy công cụ CNC điều khiển 2 trục - Máy tiện CNC, điều khiển 3 trục - Máy phay CNC cho đến nhiệm vụ gia công tự động nhiều trục có độ phức tạp cao như các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tubin và những chi tiết phức tạp của máy bay, tàu thủy trên các trung tâm gia công CNC. Ưu điểm của máy công cụ CNC là có tính kinh tế cao (tốc độ gia công cao, thời gian gia công và thời gian phụ giảm), độ chính xác gia công cao, chất lượng ổn định, thời gian vận hành máy cao, tính linh hoạt trong sản xuất và khả năng tự động hóa cao đáp ứng được chế độ cắt bất kỳ nhờ hệ thống điều phối secvo hiện đại. Để dịch chuyển vị trí cỡ µm, trên máy công cụ CNC phần lớn sử dụng đường dẫn hướng ma sát lăn. So với đường dẫn hướng ma sát trượt, đường dẫn hướng ma sát lăn có khả năng thực hiện được dịch chuyển nhỏ, khả năng tăng tốc và giảm tốc cao. Tuy nhiên đường dẫn hướng ma sát lăn có những hạn chế nhất định về tính chống rung và khả năng chống quá tải. Mặt khác đường dẫn hướng ma sát lăn do 1
đặc điểm cấu tạo và vị trí gá lắp dễ chịu ảnh hưởng của điều kiện làm việc thực tế như bụi bẩn, bôi trơn hạn chế v.v…làm suy giảm nhanh chóng khả năng làm việc. Do có các tính năng ưu việt nên đường dẫn hướng ma sát lăn được sử dụng phổ biến trong các thiết bị tự động cơ điện tử, các bộ phận cơ khí của thiết bị công nghiệp và các sản phẩm cơ khí có chuyển động và đặc biệt trong máy công cụ CNC. Đường dẫn hướng ma sát lăn bên cạnh đặc trưng là ma sát nhỏ, êm, chuyển động chính xác, độ nhạy cao, trong các điều kiện tải khác nhau còn yêu cầu phải khử khe hở và tạo ra độ dôi ban đầu. Việc tính toán, lựa chọn chủng loại, kết cấu, chuẩn bị bề mặt, lắp ráp, tạo độ dôi và bảo trì đường dẫn hướng ma sát lăn cũng như điều kiện làm việc không đúng có thể dẫn đến độ chính xác của đường dẫn hướng ma sát lăn giảm và tuổi thọ - độ tin cậy của máy công cụ CNC không đạt. Trong những năm gần đây tuổi thọ, độ tin cậy của máy móc thiết bị ngày càng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, xác định và sử dụng để đánh giá chất lượng của máy. Phân tích nguyên nhân hỏng hóc, sự cố của các máy và hệ thống máy đã chỉ ra rằng 85% trường hợp xảy ra là do nguyên nhân mòn các mối ghép làm việc của cặp ma sát. Đường dẫn hướng ma sát lăn là cụm chi tiết ma sát đã được tiêu chuẩn hóa và mô đun hóa theo ISO. Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất đường dẫn hướng ma sát lăn với nhiều chủng loại, kết cấu đa dạng đáp ứng các yêu cầu khắt khe về chuyển động, độ chính xác và điều kiện làm việc khác biệt. Đường dẫn hướng ma sát lăn cũng như ổ bi các loại đều được sản xuất hàng loạt nên thiết kế, tính toán và kiểm tra đều dựa trên cơ sở tuổi thọ cơ bản danh định. Tuổi thọ cơ bản danh định gắn liền với độ tin cậy 90%, với vật liệu chất lượng cao thông dụng, chất lượng chế tạo tốt và điều kiện làm việc theo qui ước. Tuổi thọ thực tế có thể ngắn hơn tuổi thọ danh định trong điều kiện làm việc không thuận lợi như môi trường nhiễm bẩn, khi lắp rắp không sạch, bôi trơn kém không giống như quy ước. Việt Nam có điều kiện môi trường làm việc khác biệt so với các nước công nghiệp tiên tiến, nơi sản xuất và sử dụng máy CNC phổ biến. Trong điều kiện khí hậu Việt Nam với yếu tố độ ẩm tương đối cao và nhiệt độ thay đổi lớn tạo thành phức hợp nhiệt ẩm có tác động mạnh mẽ tới cơ chế mòn của cặp ma sát, cụ thể ảnh hưởng đến cơ chế mòn của cặp ma sát lăn đường dẫn hướng máy công cụ CNC. Đường dẫn hướng ma sát lăn là một trong các cụm chi tiết tiêu chuẩn ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và độ tin cậy của máy công cụ CNC trong điều kiện sử dụng. Nghiên cứu về tuổi thọ và độ tin cậy trên cơ sở mòn đường dẫn hướng ma sát lăn là một trong những vấn đề nghiên cứu được đặt lên hàng đầu, nó đã được nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm. Chính vì vậy, đề tài của luận án đã chọn hướng nghiên cứu là “ Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam”. 2
2. Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án tập trung nghiên cứu về độ tin cậy và tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn sử dụng trong máy công cụ CNC trên cơ sở mòn với điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam. Nhiều công trình trên thế giới đã khẳng định ảnh hưởng rõ ràng của độ ẩm tương đối và nhiệt độ môi trường tới cơ chế mòn của cặp ma sát. Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài là ảnh hưởng của hai thông số cơ bản nhiệt độ và độ ẩm tương đối trong vùng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam tới lượng mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn trong điều kiện phòng thí nghiệm. Thông qua việc nghiên cứu mòn của đường dẫn hướng ma sát lăn, xác định tuổi thọ dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn phụ thuộc vào biến động của độ ẩm tương đối và nhiệt độ so với giá trị trung bình của điều kiện khí hậu Việt Nam. Đề tài cũng hướng tới mục đích là xác định tuổi thọ dự kiến của đường dẫn hướng ma sát lăn với các độ tin cậy khác nhau trong điều kiện nhiệt ẩm. Từ đó xác định được hệ số tuổi thọ sửa đổi aISONA trong điều kiện phòng thí nghiệm tương ứng với độ tin cậy là một trong những nguyên nhân suy giảm độ chính xác của máy công cụ CNC theo thời gian làm việc. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đường dẫn hướng ma sát lăn trên thực tế có rất nhiều chủng loại, kết cấu khác nhau đáp ứng yêu cầu đa dạng của các ngành công nghiệp. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mòn cụm chi tiết đường dẫn hướng ma sát lăn dùng cho máy công cụ CNC trong điều kiện phòng thí nghiệm. Luận án tập trung vào nghiên cứu đường dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ được dùng trong máy công cụ CNC cỡ nhỏ. Loại đường dẫn hướng này gồm các chi tiết tiêu chuẩn như thanh dẫn hướng, má di động, các viên bi. Ngoài ra còn có các chi tiết khác như máng hồi bi, hệ thống giữ chất bôi trơn và đường dẫn chất bôi trơn. Đường dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ mỗi bên má dẫn hướng chỉ có một rãnh bi và một đường hồi bi. Để đảm bảo đối tượng nghiên cứu có tính phổ thông và đại chúng đề tài đã định hướng đi vào nghiên cứu một chủng loại cụ thể được tiêu chuẩn hóa, có tính thương mại cao sử dụng khá phổ biến trong việc thiết kế và chế tạo. Đối tượng nghiên cứu cụ thể là đường dẫn hướng ma sát lăn cỡ nhẹ, có rãnh hồi bi - Sản phẩm đạt chuẩn chất lượng ISO 9001, có má di động ký hiệu EGH15CA và thanh dẫn hướng có ký hiệu EGR15R500EC. 3
Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về lượng mòn tổng cộng U của đường dẫn hướng ma sát lăn theo phương vuông góc với mặt phẳng chuyển động trong điều kiện phòng thí nghiệm với tải trọng, nhiệt độ, độ ẩm tương đối thay đổi. Nhiệt độ, độ ẩm tương đối được xác định trong phạm vi tương ứng đặc trưng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam với nhiệt độ trung bình ở miền Bắc là 250C, độ ẩm tương đối trung bình là 81%, có quan tâm đến khoảng dao động khá lớn của nhiệt độ và độ ẩm tương đối. Nhiệt độ thấp nhất ở miền Bắc khoảng 00C, nhiệt độ cao nhất khoảng 400C, độ ẩm tương đối thấp nhất khoảng 30%, độ ẩm tương đối cao nhất có thể lên tới ∼ 100%. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, đề tài sử dụng đường dẫn hướng ma sát lăn không có chất bôi trơn để nghiên cứu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ, độ ẩm tương đối tới lượng mòn U, đảm bảo đo được lượng mòn trong khoảng thời gian ngắn nhất. Tuy nhiên, vẫn phải đảm bảo cho đường dẫn hướng ma sát lăn làm việc trong điều kiện bình thường và mòn của cặp ma sát nằm trong phạm vi tiếp xúc đàn hồi, với tuổi thọ danh định L10 theo quy định của nhà sản xuất và tiêu chuẩn ISO. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án tập trung nghiên cứu về mòn đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ CNC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm ở Việt Nam. Kết quả của đề tài góp phần đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tương đối đến độ tin cậy và tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn. Từ đó có thể đưa ra tuổi thọ dự kiến trong điều kiện làm việc ở Việt Nam cũng như có thể xác định tuổi thọ của đường dẫn hướng ma sát lăn tuỳ thuộc vào độ tin cậy. Trên thực tế theo các yêu cầu làm việc khác nhau của máy công cụ CNC, đường dẫn hướng ma sát lăn đòi hỏi làm việc với độ tin cậy khác nhau do đó tuổi thọ dự kiến sẽ khác nhau. Đây là cơ sở để đánh giá độ chính xác, độ tin cậy của máy công cụ CNC trong khoảng thời gian phục vụ. Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy đường dẫn hướng ma sát lăn cho máy công cụ CNC trong phòng thí nghiệm hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu mới đây của ISO về các cặp ma sát lăn, đã khuyến cáo cần phải quan tâm đến các độ tin cậy khác nhau trong thực tế sử dụng với các đối tượng ứng dụng khác nhau. Tuổi thọ hiện nay theo ISO số 281: 2007 là tuổi thọ L10 tương ứng với độ tin cậy 90%. Tuy nhiên trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đòi hòi phải đạt độ tin cậy là 95% hoặc độ tin cậy cao hơn như trong lĩnh vực dầu khí, an ninh quốc phòng, hàng 4