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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trương Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ
Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG
GIA CƠNG 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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trương Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THƠNG SỐ
Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG
GIA CƠNG LỖ NHỎ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Vũ Toàn Thắng

Hà Nội - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 chưa có tác giả nào cơng bố trong bất kỳ nghiên
cứu nào khác.

Hà Nội, ngày 16 tháng 05 năm 2022
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Vũ Toàn Thắng

Trương Minh Đức

I


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện luận án, tơi đã được sự hướng dẫn tận tình của
tập thể hướng dẫn khoa học, được tạo điều kiện của Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí,
các Giảng viên thuộc Bộ mơn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tơi được: Phịng Đo lường Độ dài –

Viện Đo lường Việt Nam và Trung tâm đo lường – Viện Công nghệ – Bộ Quốc
Phịng đã tạo điều kiện cho tơi đo đạc, thử nghiệm về ổ khí tĩnh.
Hội đồng trường, Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Bộ mơn Cơng nghệ chế
tạo máy, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, Cơng 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
luận án.
Tôi được các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn
nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của luận án, đặc
biệt là PGS.TS. Nguyễn Tiến Thọ, người thầy đã giúp tôi lĩnh hội được nhiều
kiến thức chuyên sâu bổ ích trong lĩnh vực đệm khí. Đồng thời, tơi cũng được
các Nghiên cứu sinh của Bộ mơn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng như của
Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong q trình hồn thành các thủ tục, nội
dung của luận án.
Tôi xin được chân thành cám ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hướng
dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin được bày tỏ sự
biết ơn đến thầy giáo hướng dẫn: PGS. Vũ Tồn Thắng.
Tơi xin được 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 tượng, phương 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
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG
LỖ NHỎ ................................................................................................................ 4
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................ 4
1.2 PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA Ổ KHÍ TĨNH .......................... 5
1.2.1. Ưu điểm của ổ bơi trơn khí ................................................................... 6
1.2.2. Nhược điểm của ổ khí ........................................................................... 7
1.3. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ ............................ 8
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG TRONG
GIA CƠNG LỖ NHỎ ..................................................................................... 18
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................... 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ TĨNH 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 ổ khí tĩnh ........................................................... 25
2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực ổ khí
tĩnh ................................................................................................................. 26
2.2 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA Ổ KHÍ TĨNH ....... 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 phương án phân vùng đệm khí riêng biệt trên bề mặt trục30
2.2.4 Phân tích quán tính ly tâm do độ lệch tâm gây ra ................................ 32
2.3 MỘT SỐ PHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CƠ BẢN CỦA BƠI TRƠN
BẰNG KHÍ ...................................................................................................... 33
2.3.1 Phương trình bơi trơn khí trong trường hợp tổng quát [4] ................... 33
iii

2.3.2 Phương trình bơi trơn khí trong trường hợp ổ khí tĩnh ........................ 34
2.3.3 Phương trình bơi trơn cho chi tiết bạc .................................................. 36
2.3.4 Phương trình bơi trơn cho đệm khí dưới .............................................. 37
2.4 TÍNH TỐN ÁP SUẤT, LỰC NÂNG CỦA ĐỆM KHÍ THEO
PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN KHÍ TƯƠNG ĐƯƠNG......................................... 39
2.4.1 Các u cầu khi tính tốn đệm khí ....................................................... 39
2.4.2 Cơ sở phương pháp tính tốn đệm khí ................................................. 40
2.4.3 Xây dựng cơng thức tính tốn cho mơ hình đệm khí dưới.................. 41
2.4.4 Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mơ hình điện khí
tương đương .................................................................................................. 47
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................... 50
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THƠNG SỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ TĨNH .................................................... 51
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................... 51
3.2. KHẢO SÁT MƠ HÌNH Ổ KHÍ .............................................................. 52
3.2.1 Mơ hình thiết kế ................................................................................... 52
3.2.2 Mơ phỏng hóa các mơ hình đã phân tích ............................................. 56
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến lực đẩy của đệm khí mặt đầu .... 64
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề mặt bạc65
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................... 65
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC
TÍNH KỸ THUẬT Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ
NHỎ ..................................................................................................................... 67
4.1. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC, SAI SỐ HÌNH DÁNG
HÌNH HỌC VÀ SAI SỐ VỊ TRÍ BỀ MẶT CỦA Ổ KHÍ ............................ 67
4.2. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIẾP XÚC CƠ KHÍ CỦA
Ổ KHÍ............................................................................................................... 71
4.3. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẢI VÀ ĐỘ CỨNG
VỮNG CỦA Ổ KHÍ ........................................................................................ 73

4.4. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤC
THEO PHƯƠNG NGANG ............................................................................ 76
4.5. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ CỦA
Ổ KHÍ............................................................................................................... 80
4.6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THƠNG QUA GIA
CƠNG KHOAN LỖ ....................................................................................... 82
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................... 86
iv


KẾT LUẬN ......................................................................................................... 88
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 90
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................... 99

v


DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Stt
1
2
3
4

Ký hiệu
N
μm, mm
v/ph
kG/cm

5
6
7
8
9
10
11
12
13

Kw
Hz
l/ph
Sr
Ps
Nm
ζ
φ
U = r.ω

Tiếng Anh
Newton
Micromet, milimet
Revolutions per minute
kilogram per square
centimetre
Kilowatt hour
Hertz
Litre/minute

Radial stiffness
Supplying presure
Unit of torque
Eccentricity
Eccentric angle
Journal movement speed

14
15
16
17

ω
r
h
y

Angular velocity
Radius
Slit
Center coordinates

18
19
20
21
22
23
24
25

Viscosity
Sliding stress
Density
Absolute pressure
Hardness
Flow cross section
Gas resistance
Pressure unit

26
27
28
29

μ
τ
ρ
p
K
S
R
Bar, MPa,
Pa, kG/cm2
P0
TCVN
FEM
CFD

30

ESA

31

MPCM

32

FDM

Supplying presure
Viet Nam Standards
Finite Element Method
Computational Fluid
Dynamics
Engineering Simplification
Algorithm
Multi-Physics Coupling
Method
Finite Difference Method

Tiếng Việt
Đơn vị đo lực
Đơn vị đo chiều dài
Đơn vị đo vòng/phút
Đơn vị độ cứng
Đơn vị đo công suất
Đơn vị đo tần số
Đơn vị đo lưu lượng khí

Độ cứng hướng kính
Áp nguồn cấp
Đơn vị momen
Độ lệch tâm
Góc lệch tâm
Vận tốc chuyển động ngõng
trục
Vận tốc góc
Bán kính của ổ
Khe hở giữa ngõng và ổ
Tọa độ trọng tâm của phần tử
bôi trơn
Độ nhớt động lực học của khí
Ứng suất trượt
Khối lượng riêng
Áp suất tuyệt đối
Độ cứng
Tiết diện chảy
Điện trở khí
Đơn vị đo áp suất
Áp suất đầu vào
Tiêu chuẩn Việt Nam
Phương pháp phần tử hữu hạn
Mô phỏng động lực học dịng
chảy
Thuật tốn đơn giản hóa kỹ
thuật
Phương pháp ghép nối đa vật
lý
Phương 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 [5]. ................ 10
Hình 1. 2 Hình ảnh tương quan về giá thành của các loại ổ trục [5]. .................. 10
Hình 1. 3 Độ chính xác thay đổi theo tốc độ quay trục chính máy tiện D1733 [5]
.............................................................................................................................. 11
Hình 1. 4 Các loại máy sử dụng trục chính sử dụng ổ khí của hãng WestWind [5] ....... 12
Hình 1. 5 Tuổi thọ của dao tiện trên máy PCB của hãng WestWind [5] ............. 12
Hình 1. 6 So sánh độ cứng vững biến thiên giữa hai loại đệm trong trục chính [5]
.............................................................................................................................. 13
Hình 1. 7 So sánh tuổi thọ giữa hai loại ổ [5] ...................................................... 13
Hình 1. 8 Nhiệt sinh ra khi trục chính máy khoan PCB quay ở tốc độ 200.000
vịng/phút [5] ........................................................................................................ 14
Hình 1. 9 Trục chính sử dụng ổ khí tĩnh cao tốc dẫn động bằng động cơ [14] ... 15
Hình 1. 10 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí tĩnh cao tốc dẫn động bằng
động cơ [5] ........................................................................................................... 15
Hình 1. 11 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí tĩnh cao tốc dẫn động bằng
cánh tuốc bin [5]................................................................................................... 16
Hình 1. 12 Cấu tạo ổ khí tĩnh dùng trong máy khoan hãng Westwind – UK [5] 16
Hình 1. 13 Cấu tạo ổ khí tĩnh dùng trong máy khoan của hãng EXCELLON
AUTOMATION [5] ............................................................................................. 16
Hình 1. 14 Ổ khí tĩnh cao tốc cho máy phay lỗ nhỏ [15]. .................................... 17
Hình 1. 15 Sơ đồ bộ hạn chế khe hẹp [31] ........................................................... 19
Hình 1. 16 Áp suất cấp dạng rãnh ........................................................................ 19
Hình 1. 17 Cấu tạo ổ khí sử dụng áp suất cấp dạng xốp [36] .............................. 20
Hình 1. 18 Ổ khí tĩnh ứng dụng trong thiết bị đo độ trịn .................................... 23
Hình 1. 19 Ổ khí tĩnh dùng trong máy chuẩn mơ men......................................... 24

Hình 2. 1 Mơ hình định vị và lắp ráp ổ khí tĩnh ................................................... 28
Hình 2. 2 Áp lực bên trong bạc đệm khí và trục quay ......................................... 29
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 ........................................ 30
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............................................. 31
Hình 2. 7 Khảo sát sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở [4] ................ 33
Hình 2. 8 Mơ hình động lực học của trục ổ khí tĩnh ............................................ 34
vii


Hình 2. 9 Hệ tọa độ trụ xét mơ hình trục bị nghiêng ........................................... 36
Hình 2. 10 Cấu tạo đệm khí loại rãnh .................................................................. 39
Hình 2. 11 Sơ đồ chuyển đổi khí điện .................................................................. 40
Hình 2. 12 Mơ hình chuyển đổi điện khí tương đương........................................ 41
Hình 2. 13 Điện trở một phân tố chiều dài ........................................................... 42
Hình 2. 14 Đồ thị khảo sát lực nâng theo z .......................................................... 46
Hình 2. 15 Đồ thị khảo sát lực nâng theo rd ......................................................... 47
Hình 2. 16 Mơ hình điện khí tương đương của bạc khí ....................................... 48
Hình 2. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mơ hình điện khí tương đương ...................... 48
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 ................................ 49
Hình 3. 1 Đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau ............................................... 53
Hình 3. 2 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật .................................... 53
Hình 3. 3 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập...................... 53
Hình 3. 4 Bản vẽ chi tiết trục ............................................................................... 54
Hình 3. 5 Bản vẽ chi tiếp nắp ổ khí ...................................................................... 54
Hình 3. 6 Bản vẽ chi tiết bạc ................................................................................ 55
Hình 3. 7 Mơ hình bản vẽ lắp ráp......................................................................... 55
Hình 3. 8 Mơ hình sau khi đặt điều kiện biên. ..................................................... 58

Hình 3. 9 Q trình tính tốn trên phần mềm ...................................................... 59
Hình 3. 10 Mơ hình trục lệch theo phương z ....................................................... 60
Hình 3. 11 Sự phân bố áp suất trong ba mơ hình riêng biệt................................. 60
Hình 3. 12 Sự phân bố áp suất trong bề mặt của ba mơ hình .............................. 61
Hình 3. 13 Sự phân bố vận tốc khơng khí trong bề mặt đẩy của ba mơ hình ...... 62
Hình 3. 14 Mơ tả giả thuyết mơ phỏng ................................................................ 62
Hình 3. 15 Mơ hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay
được đặt lệch tâm theo ba mơ hình ...................................................................... 62
Hình 3. 16 Khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục chính trong ba mơ hình
riêng biệt ............................................................................................................... 63
Hình 3. 17 Quan hệ giữa lực đẩy mặt đầu và khe hở .......................................... 64
Hình 3. 18 Quan hệ giữa vận tốc quay và áp suất trung bình trên bề mặt bạc .... 65
Hình 3. 19 Trích áp suất trên bề mặt ổ tại các điểm A và B ................................ 65

viii


Hình 4. 1 Gá các chi tiết của ổ khí trên máy đo 3 tọa độ ..................................... 68
Hình 4. 2 Gá đặt chi tiết đo độ thẳng ................................................................... 68
Hình 4. 3 Sơ đồ gá đặt đo độ đồng tâm chi tiết trục ............................................ 69
Hình 4. 4 Hình ảnh đo độ nhám chi tiết trục ........................................................ 70
Hình 4. 5 Hình ảnh độ nhám chi tiết bạc ............................................................. 70
Hình 4. 6 Mơ hình đo tiếp xúc ............................................................................. 71
Hình 4. 7 Thực nghiệm đo tiếp xúc...................................................................... 72
Hình 4. 8 Mơ hình đo tải dọc trục ........................................................................ 74
Hình 4. 9 Hình ảnh đo tải dọc trục ....................................................................... 75
Hình 4. 10 Đồ thị quan hệ tải trọng F và khe hở Z trên mặt đầu ......................... 76
Hình 4. 11 Mơ hình kiểm tra tải theo phương ngang ........................................... 77
Hình 4. 12 Hình ảnh kiểm tra tải theo phương ngang .......................................... 77
Hình 4. 13 Đồ thị độ dịch chuyển trục theo phương ngang ................................. 79

Hình 4. 14 Mơ hình đo áp suất ............................................................................. 81
Hình 4. 15 Hình ảnh hệ thống đo áp suất ............................................................. 81
Hình 4. 16 Thực nghiệm nguyên công khoan chi tiết trên vật liệu CT3.............. 83
Hình 4. 17 Mũi khoan φ1.00 ULL 8730403 ........................................................ 83
Hình 4. 18 Máy nén khí FuSheng model 03 – E ................................................ 84
Hình 4. 19 Chi tiết thép CT3 sau khi khoan......................................................... 84
Hình 4. 20 Hình ảnh đo đường kính lỗ trên kính hiển vi ..................................... 85

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4. 1 Kết đo khe hở khí giữa vai trục với đệm khí dưới khi tải trọng dọc trục
thay đổi (µm) ........................................................................................................ 75
Bảng 4. 2 Kết quả đo khe hở khí giữa trục và bạc đệm khí khi tải trọng hướng
kính thay đổi (µm)................................................................................................ 78
Bảng 4. 3 Bảng kết quả đo áp suất trích xuất trong ổ khí tĩnh ............................. 82
Bảng 4. 4 Bảng kết quả đo lỗ sau khi khoan ........................................................ 85

ix


LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Ổ khí (tĩnh, động) là giải pháp rất hiệu quả thường được áp dụng cho
những bộ truyền động chính xác. Khi sử dụng ổ khí sẽ khắc phục được những
nhược điểm cơ bản của hầu hết các khớp động truyền thống như xuất hiện khe hở
động gây sai số ngẫu nhiên. Trong ổ khí, khe hở động ln ln được kiểm sốt
và khơng xuất hiện ngẫu nhiên trong q trình làm việc của ổ do lớp màng khí
nén áp suất cao được hình thành giữa bạc và trục quay. Đặc biệt, ma sát rất nhỏ
(gần như bằng 0) dẫn đến giảm thiểu mài mòn, giảm thiểu sinh nhiệt do ma sát.
Vì vậy ổ khí sẽ đảm bảo được chuyển động tương đối với độ chính xác rất cao.
Nhờ những ưu điểm nổi bật mà ổ khí ngày càng được sử dụng rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực như gia công cơ khí, đo lường, hàng khơng… Đặc biệt, trong lĩnh
vực gia cơng cơ khí, việc ứng dụng ổ khí cao tốc trên các máy công cụ để gia
công các lỗ nhỏ là rất phù hợp. Do kích thước dụng cụ cắt, mơmen cắt nhỏ nên
địi hỏi tốc độ quay trục chính của máy là rất lớn, cỡ vài chục nghìn vịng/phút
[1].
Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số ổ khí tĩnh đến
độ cứng vững của ổ trong gia cơng 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 chi tiết
bạc và trục quay khơng tiếp xúc cơ khí với nhau, hoạt động hồn tồn dựa trên
ma sát khí. Độ cứng vững của lớp khí nén là yếu tố rất quan trọng đảm bảo ổ khí
có hoạt động ổn định hay khơng, có giữ cho tâm trục quay ổn định hay khơng?
Độ cứng vững này sẽ phụ thuộc hồn tồn 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
được 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 tĩnh ứng dụng trong gia cơng lỗ nhỏ có tốc độ cao thì các yếu tố
như 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 hưởng tới độ chính xác của ổ khí, do đó
trong nghiên cứu này của luận án cũng sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng nói trên.
Trong nghiên cứu của luận án đã lựa chọn ổ khí tĩnh sử dụng trên máy
khoan lỗ nhỏ CNC dạng rãnh với phương 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 cơng nghệ chế tạo cơ khí tại Việt Nam.
Với đề tài, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số ổ khí tĩnh đến
độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” từng bước làm chủ được thiết kế,
1

cơng nghệ chế tạo ra ổ khí tĩnh 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 tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục đích
Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một số thơng 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 tĩnh ứng dụng trong gia công lỗ
nhỏ được chế tạo trong điều kiện cơng nghệ tại Việt Nam. Mục đích cụ thể bao
gồm:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo ra được ổ khí tĩnh có kết cấu dạng rãnh khí
chữ nhật lỗ cấp khí trung tâm đảm bảo ổ hoạt động ổn định, khơng có tiếp xúc cơ
khí và khả năng chịu tải dọc trục và độ cứng vững hướng tâm đạt trong khoảng 3
÷ 10N/μm.
- Bước đầu làm chủ được cơng nghệ thiết kế và gia cơng chế tạo ổ khí tĩnh
gia công lỗ nhỏ phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.
Đối tượng nghiên cứu
Ổ khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm. Đây là ổ khí tĩnh, dạng
ổ chặn, dùng làm đầu trục chính máy phay, khoan cỡ nhỏ, chịu lực dọc trục trong
quá trình gia cơng.
Các đại lượng, yếu tố khí tĩnh ảnh hưởng đến độ cứng vững của ổ khí tĩnh
ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ. Đánh giá những đại lượng ảnh hưởng chính,
quyết định độ chính xác ổ khí tĩnh.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở
nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, cơng trình đã nghiên cứu trong nước và ngồi
nước về ổ khí tĩnh ứng dụng trong trục chính của các máy gia cơng lỗ nhỏ. Từ
tính tốn lý thuyết về khe hở ổ trục và bôi trơn trong ổ khí, nghiên cứu lý thuyết
tính tốn ổ khí tĩnh. Nghiên cứu tính tốn độ cứng vững, độ ổn định tâm và áp

suất phân bố của ổ khí tĩnh. Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng và thực
nghiệm để phân tích, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác ổ khí tĩnh.
Phạm vi nghiên cứu
Giới hạn của ổ khí tĩnh được tạo ra trong nghiên cứu là ổ khí tĩnh kết cấu
dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ cấp khí trung tâm, phân vùng rãnh, có kích thước
giới hạn chiều rộng rãnh là 0,5mm và chiều sâu rãnh là 0,3mm. Ổ khí chịu tải
dọc trục được cung cấp nguồn khí có áp suất từ 2bar÷ 4bar, khả năng chịu tải dọc
trục của ổ khí là 50N÷100N; độ cứng vững dọc trục và lực hướng 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 được mô hình thực nghiệm trên cơ sở mơ
phỏng tính tốn ổ khí tĩnh để phục vụ cho ngun cơng khoan lỗ nhỏ trên trục
chính máy CNC mini với tốc độ quay đến 20.000 vịng/phút.
Mơ phỏng ổ khí tĩnh với kết cấu thiết kế ổ 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 ổ khí theo các tốc độ quay khác
nhau, kết cấu ổ 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
hưởng của áp suất khí, ảnh hưởng của số vịng 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
tĩnh ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam.
4. Những kết quả mới
Những kết quả mới của luận án đạt được như sau:
1. Nghiên cứu đưa ra được 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 vững của ổ khí. Ứng dụng mơ phỏng xác định ảnh hưởng của các

yếu tố như áp suất cấp, kết cấu ổ khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặt trong
điều kiện ổ khí tĩnh với các vận tốc khác nhau. Đây cũng là hướng nghiên cứu
khác biệt so với các cơng trình đã cơng bố trước đó trên thế giới.
2. Đã nghiên cứu chế tạo được mơ 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
vững hướng tâm 5N/μm, độ cứng vững dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong
dải tốc độ từ 10000÷20000 vịng/phút hồn tồn khơng có tiếp xúc cơ khí với kết
cấu nhỏ gọn.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ỨNG DỤNG TRONG
GIA CƠNG LỖ NHỎ
Mục tiêu của chương sẽ trình tổng quan nội dung sẽ nghiên cứu, từ đó tìm
hiểu và nghiên cứu các cơng trình đã nghiên cứu trên thế giới về lĩnh vực ổ khí
và các dạng ổ khí trong đó có ổ khí tĩnh. Các kết quả có được từ các cơng trình
trên thế giới và kế thừa các cơng trình đã nghiên cứu trong nước. Luận án đi
nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất đến 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 hướng không ngừng nâng cao chất
lượng 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 như: 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 được rị rỉ dầu bơi trơn vào sản phẩm như
trong lĩnh vực lương thực, thực phẩm v.v. Đa số các yêu cầu này được thoả mãn

nhờ hoàn thiện các kết cấu cơ bản của ổ trục, thông thường là nghiên cứu cải tiến
chất bơi trơn. Các chất bơi trơn có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Mỗi dạng có
những ưu nhược điểm riêng và được sử dụng tuỳ theo u cầu cụ thể.
Dùng khí để bơi trơn có những ưu điểm nổi bật mà chất rắn hay chất lỏng
không thể có được như: độ nhớt nhỏ, sự ổn định các tính chất của khí trong phạm
vi thay đổi nhiệt độ và áp lực tương đối rộng, giảm được tiêu hao dầu do chảy ra
ngồi, khí dùng để vừa bơi trơn và làm nguội, điều kiện làm việc được 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 dưỡng đơn giản, độ bền cao.
Do có các ưu điểm đó mà ổ khí đã đáp ứng được các yêu cầu về: làm việc trong
mơi trường có nhiệt độ rất cao hoặc rất nhỏ, khơng ma sát, tính ổn định và chính
xác cao; trong mơi trường hoạt tính ăn mịn hay trong trường hợp địi hỏi sản
phẩm phải sạch.
Chính vì những ưu điểm trên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa
học và kỹ thuật, trong những năm gần đây ổ khí được 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 bơi trơn khí cũng có những nhược điểm tồn tại tác giả
sẽ nghiên cứu kỹ hơn trong các chương tiếp theo. Thí dụ: khơng ổn định bằng
các ổ tương tự bơi trơn bằng chất lỏng; các ổ khí thường chịu tải nhỏ v.v điều đó
4


hạn chế phạm vi sử dụng của ổ khí. Ngồi ra việc nghiên cứu tính tốn ổ khí
cũng đang trong q 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 tượng chuyển động vị xốy 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 được 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 được những thành tựu trong một số lĩnh vực. Tuy
nhiên kết cấu và dạng ổ khí cũng khác nhau và gần như là bản quyền của các
hãng. Trên thực tế việc sử dụng ổ bơi trơn khí tại Việt Nam hiện nay vẫn chưa
được ứng dụng rộng rãi mà mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu thử nghiệm.
Hơn nữa, đối với các ổ khí tĩnh sử dụng trong trục chính của các máy mài, máy
phay để gia cơng lỗ nhỏ thì hồn tồn chưa được 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 bơi trơn khí ngày càng phải được phát triển và hoàn thiện. Trong
luận án sẽ nghiên cứu thiết kế chế tạo về ổ khí tĩnh dạng rãnh với lỗ cấp khí trung
tâm, được phân vùng cấp khí độc lập, ứng dụng để khoan những lỗ có đường
kính ≤ 1mm.
1.2 PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA Ổ KHÍ TĨNH
Ổ khí tĩnh: Để làm việc được địi hỏi một nguồn khí nén. Cịn ổ khí động,
trong đó hiệu áp tự xuất hiện nhờ sự trượt tương 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
được tạo lên nhờ bơm khí. Cả hai dạng ổ này đều có thể chịu tác dụng của tải
trọng dọc trục hay hướng 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 như 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 được tạo nên
đồng thời bởi hiệu ứng khí tĩnh hay khí động. Trong cả hai dạng ổ này dịng chảy
của khí thường là chảy tầng, nhưng có thể xuất hiện trạng thái chảy rối.
Đối với ổ bơi trơn bằng khí từ ngồi vào (ổ khí tĩnh) có nhược điểm nổi
bật là cần thiết bị bơm khí và kết cấu đường nạp, đường 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 trường 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 bơi trơn, khơng phụ thuộc vào áp
suất khí bơm vào và môi trường xung quanh. Tải trọng riêng của ổ khí tĩnh bị hạn

5


chế bởi áp lực cung cấp và có thể áp lực lớn chừng nào thì tải lớn chừng ấy. Đối
với loại ổ này khơng địi hỏi chế tạo chính xác cao
Ưu điểm đặc biệt mà các loại ổ khác không thể có được, 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 cịn tồn tại một số
nhược điểm nhất định.
Độ cứng vững của ổ khí theo phương hướng kính (sau đây gọi tắt là độ
cứng vững) là dịch chuyển tâm trục khi chịu tải theo phương hướng kính. Độ
cứng vững của ổ khí quyết định đến chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi
tiết gia công.
Gia công các lỗ nhỏ: Các đầu phun mạch in, khuôn mẫu... là những lỗ
được định nghĩa là khoan những lỗ có đường kính từ 1µm đến 1mm. Phù hợp với
xu hướng thu nhỏ, khoan vi mô hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực kỹ thuật chính xác, hệ thống cơ điện tử vi mô, kỹ thuật y sinh, màn hình
quang học, sản phẩm tiêu dùng,,, [3]
1.2.1. Ưu điểm của ổ bơi trơn khí
Khi cần gia cơng các lỗ nhỏ địi hỏi độ chính xác và độ định tâm cao thì
phải cần tốc độ quay lớn. Do đó giải pháp sử dụng ổ khí tĩnh là bài tốn có thể
đáp ứng được những u cầu đó [4].
+ Khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng
Đây là ưu điểm nổi bật nhất của khí dùng để bơi 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 hưởng đến sự làm
việc của ổ trục trong khoảng thời gian dài.
+ Ma sát trong ổ rất nhỏ
Ưu điểm này có được 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 mịn, ít sinh ra nhiệt và cho phép thay đổi nhiệt độ trong phạm vi
rộng nên ổ khí được sử dụng trong nhiều trường 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.
6


+ Ổ khí có rung động nhỏ
Ổ khí có tính chất chống rung tốt nếu chọn vật liệu bọc lót phù hợp. Sự
rung 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. Bơi trơn có ý nghĩa quan trọng
trong trường hợp khi cần ngăn ngừa chất bẩn quanh ổ trục của môi trường xung
quanh, do các sản phẩm bốc hơi của chất bơi trơn thơng thường. Trong nhiều
thiết bị với độ kín khít thơng thường có thể khơng đảm bảo, khơng kinh tế và sự
thốt ra ngồi của chất bơi trơn và phát sinh bẩn, do đó dùng ổ bơi 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 thước nhỏ, các ổ khí lại có thể tạo ra ngay trong thân
máy khiến cho máy nhỏ gọn, đỡ cồng kềnh. Hơn nữa như phần trên đã phân tích

kết cấu hệ thống phụ đơn giản.
+ Độ tin cậy và hiệu suất của máy cao
Do các ưu điểm đã nêu ở trên mà ổ khí trong các thiết bị và máy móc sẽ
cải thiện được chất lượng gia cơng khiến cho đạt được 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
Nhược điểm tổng quát, nổi bật của ổ khí như đã biết là khả năng tải nhỏ.
Nhược 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 nhược điểm này mà dẫn đến sự hạn chế sử dụng ổ khí trong những
trường hợp mà tải trọng của ổ đòi hỏi lớn.
Một nhược điểm nữa của ổ khí là có khuynh hướng không ổn định so với
các ổ tương tự bôi trơn bằng dầu. Các chế độ không ổn định đặc biệt xảy ra trong
các ổ khí tĩnh. Để khắc phục người ta phải nghiên cứu loại trừ chúng bằng các
kết cấu mới. Phương án rất được ưa chuộng hiện nay là sử dụng phương pháp
dẫn khí qua mao quản của vật liệu xốp (thiêu kết). Tuy nhiên phương pháp này
đòi hỏi nguồn khí nén cấp phải rất khơ và sạch, dẫn đến phải có các thiết bị lọc
khí cẩn thận và đặc biệt mà nguồn khí cấp thơng thường khơng đảm bảo được.
Các ổ khí động cịn có những nhược điểm khác đóng vai trị đặc biệt quan
trọng khi sử dụng chúng là độ nhạy với tác dụng của tải trọng động lên chúng.
7


Người ta có thể thay đổi dạng kết cấu ổ và sử dụng hệ thống nén hợp lí để tăng
độ cứng vững tĩnh của nó đến giá trị cho phép, song độ cứng vững động học của
ổ rất khó thay đổi. Do khơng khí có độ nén cao và khả năng chống rung rất nhỏ
nên ổ khí có các đặc tính chống rung khơng cao. Việc hạn chế các dao động tái
sinh trong các thiết bị bơi trơn khí địi hỏi cần sử dụng hệ thống chống rung tốt,
có độ cộng hưởng nhỏ, gây trở ngại nghiêm trọng đối với việc sử dụng ổ khí

trong các điều kiện và chế độ khác có thể. [4]
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 cơng cụ là đầu mài trong để gia cơng lỗ đường khí nhỏ. Các ổ khí dùng
trong cụm trục chính máy mài điều kiện của chúng khác với điều kiện làm việc
của gối tựa của thiết bị dẫn hướng cho máy. Trong q trình mài, tải trọng nói
chung nhỏ và lại khơng 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 khơng lớn có ổ khí dùng cho trục chính; Trục chính turbin khí quay
với tốc độ 100.000v/ph [4]. Các đặc trưng chất lượng của ổ này đảm bảo, tuy
nhiên dùng turbin khí với lưu lượng lớn khơng kinh tế.
Đầu mài hồn chỉnh là đầu mài có động cơ công suất là 1,12 kW, quay với
tốc độ 15.000v/ph, ổ hướng kính có đường kính 127mm, chiều dài ổ 100mm;
đường kính bánh mài 63,5mm, rộng 38mm; có những ổ chặn. Độ cứng vững
hướng 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 hưởng tương ứng bằng 200 và 250 Hz, lưu lượng khí
được đo dưới áp lực cung cấp bình thường 4,2 at là 70 l/ph. Khơng khí này được
sử dụng để làm lạnh vỏ rơto động cơ. Nhờ việc làm lạnh này và khơng 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 phương án của đầu mài có ổ bơi trơn dầu.
Độ bóng chi tiết gia cơng đạt được bằng mài trên máy này cao hơn với các
máy có đầu mài dùng ổ bôi trơn ướt. 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 khơng có mài
mịn thì ở mức độ lớn nên giảm thấp yêu cầu việc chăm sóc, bảo dưỡng máy.
Việc sử dụng ổ bơi trơn khí cho trục chính máy mài trong gia công cao tốc
cho phép tăng độ cứng vững và khối lượng chính bằng cách tăng đường kính
ngõng trục, điều đó cho phép mài với lượng chạy dao lớn, tốc độ vòng quay của
trục đá lớn (> 30m/s) do đó năng suất cao. Chất lượng mài mịn đạt được độ
chính xác gia cơng lỗ đến cấp chính xác 1 và độ bóng bề mặt ∇10 ÷ ∇13. Việc

8


không tiếp xúc giữa các ngõng trục và ổ được ngăn cách bằng các lớp khơng khí,
thực tế loại bỏ sự mài mòn của chúng.
Viện En.Nhim đã nghiên cứu và đưa vào áp dụng trong công nghiệp ụ mài
trong dùng ổ bơi trơn khí được 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 cương,
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 lượng, đường kính và hình dạng
bên ngồi khác nhau.
Cả hai loại này, trục chính được tựa trên 2 ổ hướng 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 vịng quay trục chính từ 150 đến 300.103 v/ph, ổ khí có thể
sử dụng cho trục chính nặng hơn: Thí dụ như kết cấu của đầu phay có cơng suất
7 kW, vận tốc đồng bộ là 12000v/ph, dùng ổ bơi trơn khí. Tồn bộ trục chính
khoảng 25 kG được đỡ bởi ổ chặn xốp vịng (đầu phay làm việc ở vị trí thẳng
đứng). Việc thử nghiệm đầu phay này ở trường Đại học Bách khoa Gorki đã chỉ
ra rằng cơng suất của hành trình khơng vượt q 0,65kW.
Trong khi đó đầu phay đồng nhất về khuôn khổ và công suất như trên
nhưng đặt trên ổ bôi trơn ướt, công suất chạy tăng không quá 6kW. [4]
Các thí dụ trên chứng tỏ rằng: áp dụng ổ khí trong các cụm trục chính đã
bảo đảm được năng suất, chất lượng gia công cũng như không ảnh hưởng của
nhiệt, mài mịn ít và hạ thấp dao động. Nhưng 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 tĩnh
cao tốc với các loại ổ lăn hay ổ trượt thông thường:

9


Hình 1. 1 Đồ thị nhiệt độ của ổ bi theo thời gian và vận tốc quay [5].
Từ đồ thị trên hình có thể thấy đối với ổ bi số vịng quay trục chính càng
cao thì nhiệt độ càng tăng. Trong khi đó đối với ổ khí thì nhiệt độ gần như khơng
ảnh hưởng đến số vịng quay trục chính

Hình 1. 2 Hình ảnh tương quan về giá thành của các loại ổ trục [5].
Hình 1.2 đánh giá một cách thống kê so sánh giữa các loại ổ: ổ trượt, ổ lăn
và ổ khí. Tốc độ của trục khí là cao nhất, vượt trội hơn hẳn so với ổ lăn. Ổ trượt
có hiệu suất thấp nhất vì loại ma sát tồn tại trong ổ trục là ma sát trượt. Với ổ khí
thì ma sát gần như bằng khơng. Hiệu suất của ổ khí là cao nhất kéo theo giá
thành của ổ khí cũng là cao nhất. Đây cũng là một trong những yếu tố làm giảm
sự phát triển của nó do cơng tác nghiên cứu chế tạo với kinh phí cao. Cần phải
cân nhắc lựa chọn loại ổ cho phù hợp với yêu cầu sử dụng để đảm bảo yêu cầu
đặt ra mà vẫn tối ưu về mặt kinh tế.
10


Những lợi ích cơ bản của việc sử dụng ổ khí trong các máy cơng cụ tốc độ
cao
Lợi ích cơ bản của việc sử dụng ổ khí trong các máy cơng cụ tốc độ cao có
thể kể đến là:
- Nâng cao độ chính xác
- Tốc độ cao với lượng nhiệt sinh ra thấp vì độ nhớt của khơng khí thấp [6],
[7]
- Nâng cao tuổi thọ của dao cắt
- Nâng cao chất lượng bề mặt gia công tinh

- Tuổi thọ cao
- Ngồi ra, ổ khí khơng làm gia tăng tiếng ồn và rung động khi chạy ở tốc
độ cao như ổ bi [8], [9] . Hơn nữa, ổ khí là một hệ bơi trơn trong q trình hoạt
động được cấp khí liên tục khơng cần các vịng đệm phức tạp để ngăn chặn rị rỉ.
Một ưu điểm khác của chất bơi trơn khí là có tính chất vật lý và hóa học tương
đối ổn định vì khơng có hiện tượng hóa hơi, tạo bọt, phân hủy hoặc đóng rắn
trong một phạm vi nhiệt độ rộng, điều này mang lại cho ổ
- khí khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài [10].
• Nâng cao độ chính xác
Ổ khí tăng khả năng chính xác hướng tâm và độ chính xác hướng trục. Bởi vì
khơng có tiếp xúc cơ khí, độ mịn là tối thiểu, đảm bảo độ chính xác và tin cậy theo
thời gian.

Hình 1. 3 Độ chính xác thay đổi theo tốc độ quay trục chính máy tiện D1733 [5]
• Tốc độ cao
Lực biến dạng trong ổ khí cực kỳ bé cho phép tốc độ cực kỳ lớn trong trục
chính, với nguồn tổn hao năng lượng phát động bé, nhiệt sinh ra rất nhỏ, gần như
không đáng kể. Tốc độ của trục chính sử dụng ổ khí có thể đạt 500.000
vòng/phút [4].

11


Hình 1. 4 Các loại máy sử dụng trục chính sử dụng ổ khí của hãng WestWind [5]
• Nâng cao tuổi thọ của dao
Sử dụng ổ khí trong trục chính làm cho tuổi thọ của dao có thể được kéo dài hơn.
Với độ rung động thấp và độ chính xác quay cao điều đó làm cho tuổi thọ của dao cắt
dài hơn- giảm thiểu việc bảo dưỡng và thay thế. Tuổi thọ của dao cắt lắp trên máy
tiện có sử dụng ổ khí PCB của hãng WestWind gấp 4 lần so với máy tiện khơng sử
dụng ổ khí.

Hình 1. 5 Tuổi thọ của dao tiện trên máy PCB của hãng WestWind [5]

12


• Nâng cao độ chính xác của bề mặt gia cơng tinh

Hình 1. 6 So sánh độ cứng vững biến thiên giữa hai loại đệm trong trục chính [5]
Độ chính xác chuyển động lặp lại của trục chính sử dụng ổ khí đem lại một
bề mặt tinh có độ chính xác cao. Máy tiện có thể tạo ra bề mặt có độ chính xác
0,05 μm, thậm chí khi sử dụng con dao có đầu là kim cương và vật liệu mềm độ
chính xác của nó có thể đạt được là 0,012 μm. Nhiều chi tiết quang học (độ chính
xác cỡ vân giao thoa và độ nhám bề mặt yêu cầu cấp 14) có thể gia cơng chính
xác chỉ bằng tiện trên các máy tiện sử dụng ổ khí.
• Tuổi thọ cao
Khơng có tiếp xúc cơ khí và sử dụng nguồn khí sạch nên tuổi thọ của ổ khí
được tăng lên đáng kể. Hơn nữa, bởi vì hoạt động của hệ thống, ổ khí được cung
cấp nguồn khơng khí được lọc ở cuối ổ khí, tạo nên một rào chắn tự nhiên ngăn
chặn sự đi vào của những chất ô nhiễm bên ngồi ví dụ như bụi hay phơi bụi.
Tăng thời gian sử dụng, và giảm thời gian hỏng của ổ khí dẫn đến nâng cao hiệu
suất cho tồn bộ hệ thống.

Hình 1. 7 So sánh tuổi thọ giữa hai loại ổ [5]
13


• Giảm thiểu nhiệt sinh ra
Bởi vì ma sát khơng đáng kể, dịng khí ổn định làm giảm thiểu nhiệt sinh ra
cho cả hệ thống. Thêm vào đó, với sự lựa chọn chất liệu và phương pháp chế tạo,

cũng như hệ thống làm mát, gần như nhiệt sinh ra bằng khơng.

Hình 1. 8 Nhiệt sinh ra khi trục chính máy khoan PCB quay ở tốc độ 200.000
vòng/phút [5]
Tuy vậy nhưng ổ khí cũng có những nhược điểm nhất định. Nhược điểm
tổng quát, nổi bật là khả năng tải nhỏ, điều này là do khí có độ nhớt nhỏ so với
dầu. Trong ổ khí tĩnh, khả năng tải bị hạn chế bởi hệ thống bơm khí.
Vì một số yếu tố như độ nhớt của khơng khí thấp, hiện tượng búa khí, lệch
tâm nên ổ khí bị giới hạn ở tải trọng và độ cứng vững [11]. Tải trọng và độ cứng
vững thấp làm giảm chất lượng gia cơng, từ đó giảm phạm vi ứng dụng của ổ khí
–Q. Gao et. al. [12].
Trong ổ động là do việc hạn chế khe hở làm việc nhỏ nhất (hay độ lệch
tâm cho phép lớn nhất). Do nhược điểm này mà dẫn đến sự hạn chế sử dụng ổ
khí trong những trường hợp mà địi hỏi tải trọng của ổ lớn.
Mặc dù vậy, để đáp ứng nhu cầu phát triển trên thế giới cần có một loại ổ
khí tĩnh quay chạy trơn nhẹ hơn, kinh tế hơn và đồng thời thân thiện với môi
trường, nhất là trong gia cơng kích thước nhỏ cỡ nano mét, ổ khí tĩnh giữ một vai
trị quan trọng. Khác với ổ lăn, ổ khí tĩnh hiện tại vẫn chưa được tiêu chuẩn hóa
[13].
Các bộ phận chính trong trục chính ổ khí tĩnh cao tốc
Trục chính sử dụng ổ khí tĩnh cao tốc được chia làm 2 loại chính: dẫn
động bằng động cơ và dẫn động bằng khí động học
- Trục chính sử dụng ổ khí tĩnh cao tốc sử dụng dẫn động bằng động cơ:

14