(LUẬN án TIẾN sĩ) 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 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trƣơng Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Vũ Toàn Thắng

Hà Nội - 2022

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 chƣa có tác giả nào cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện luận án, tơi 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 mơn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội.
Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tơi đƣợc: Phịng Đo lƣờng Độ dài –
Viện Đo lƣờng Việt Nam và Trung tâm đo lƣờng – Viện Công nghệ – Bộ Quốc
Phịng đã tạo điều kiện cho tơi đo đạc, thử nghiệm về ổ khí quay.
Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Bộ mơn Cơng 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 tơi 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 tơi lĩnh hội đƣợc nhiều
kiến thức chun sâu bổ ích trong lĩnh vực đệm khí. Đồng thời, tơi cũng đƣợc
các Nghiên cứu sinh của Bộ mơn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng nhƣ của
Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong q trình hồn 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 Tồn Thắng.
Tơi 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

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 CƠNG 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 bơi trơn khí ................................................................... 6
1.2.2. Nhƣợc điểm của ổ khí ........................................................................... 7
1.3. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ................................. 7
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG
GIA CƠNG 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 vịng bi khí tĩnh ................................................. 25
2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hƣớng phát triển về lĩnh vực vịng
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 TỐN CƠ BẢN CỦA BƠI TRƠN
BẰNG KHÍ ....................................................................................................... 34
iii

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


2.3.1 Phƣơng trình bơi trơn khí trong trƣờng hợp tổng qt [3] ................... 34
2.3.2 Phƣơng trình bơi trơn khí trong trƣờng hợp ổ khí quay ....................... 35
2.3.3 Phƣơng trình bơi trơn cho chi tiết bạc .................................................. 37
2.3.4 Phƣơng trình đệm khí dƣới .................................................................. 38
2.4 TÍNH TỐN ÁP SUẤT, LỰC NÂNG CỦA ĐỆM KHÍ THEO PHƢƠNG
PHÁP ĐIỆN KHÍ TƢƠNG ĐƢƠNG............................................................... 39
2.4.1 Các u cầu khi tính tốn đệm khí ....................................................... 39
2.4.2 Cơ sở phƣơng pháp tính tốn đệm khí ................................................. 40
2.4.3 Xây dựng cơng thức tính tốn cho mơ hình đệm khí dƣới.................. 41
2.4.4 Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mơ hình điện khí
tƣơng đƣơng .................................................................................................. 48
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ................................................................................. 51
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THƠNG SỐ ẢNH HƢỞNG
ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY...................................................... 52
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................... 52
3.2. KHẢO SÁT MƠ HÌNH Ổ KHÍ ................................................................. 53
3.2.1 Mơ hình thiết kế ................................................................................... 53
3.2.2 Mơ phỏng hóa các mơ 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 THƠNG QUA GIA
CƠNG KHOAN LỖ ......................................................................................... 83
iv

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ................................................................................. 87
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 89
HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 91
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 100

v

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

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

14
15
16
17

ω
r
h
y

18
19
20
21
22
23
24
25

μ
τ
ρ
p
K
S
R
Bar, MPa,

Pa, kG/cm2
P0
TCVN
Viet Nam Standards
FEM
Finite Element Method
CFD
Computational Fluid
Dynamics
ESA
Engineering Simplification
Algorithm
MPCM
Multi-Physics Coupling
Method
FDM
Finite Difference Method

26
27
28
29
30
31
32

Tiếng Anh
Newton
Micromet, milimet
Revolutions per minute

kilogram per square
centimetre
Kilowatt hour
Hertz
Litre/minute

Tiếng Việt
Đơn vị đo lực
Đơn vị đo chiều dài
Đơn vị đo vịng/phút
Đơn vị độ cứng
Đơn vị đo cơng suất
Đơn vị đo tần số
Đơn vị đo lƣu lƣợng khí
Độ cứng hƣớng 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 trƣợt
Khối lƣợng 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
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Mơ phỏng động lực học dịng
chảy
Thuật tốn đơn giản hóa kỹ
thuật
Phƣơng pháp ghép nối đa vật
lý
Phƣơng pháp sai phân hữu
hạn

vi

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 vịng/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 trịn ............................................. 23
Hình 1. 19 Ổ khí quay dùng trong máy chuẩn mơ men .................................................. 23
Hình 2. 1 Mơ 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 Mơ hình động lực học của trục ổ khí quay ..................................................... 35
Hình 2. 9 Hệ tọa độ trụ xét mơ 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 Mơ 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 Mơ hình điện khí tƣơng đƣơng của bạc khí .................................................. 48
Hình 2. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mơ 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 Mơ hình bản vẽ lắp ráp ................................................................................... 56
Hình 3. 8 Mơ hình sau khi đặt điều kiện biên. ................................................................ 59
Hình 3. 9 Q trình tính tốn trên phần mềm ................................................................. 60
Hình 3. 10 Mơ hình trục lệch theo phƣơng z .................................................................. 61
Hình 3. 11 Sự phân bố áp suất trong ba mơ hình riêng biệt ........................................... 61
Hình 3. 12 Sự phân bố áp suất trong bề mặt của ba mơ hình ......................................... 62
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 ........................................................................... 63
Hình 3. 15 Mơ hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay đƣợc
đặt lệch tâm theo ba mơ hình .......................................................................................... 63
Hình 3. 16 Khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục chính trong ba mơ 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 Mơ hình đo tiếp xúc ........................................................................................ 72
Hình 4. 7 Thực nghiệm đo tiếp xúc ................................................................................ 73
Hình 4. 8 Mơ 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 Mơ 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 Mơ hình đo áp suất........................................................................................ 82
Hình 4. 15 Hình ảnh hệ thống đo áp suất........................................................................ 82
Hình 4. 16 Thực nghiệm nguyên cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 ln ln đƣợc kiểm sốt và khơng 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 cơng cơ khí, đo lƣờng,
hàng khơng… Đặc biệt, trong lĩnh vực gia cơng cơ khí, việc ứng dụng ổ khí cao
tốc trên các máy cơng cụ để gia công các lỗ nhỏ là rất phù hợp. Vì trong trƣờng
hợp này, do kích thƣớc 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 hƣởng của một số thơng 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 khơng tiếp xúc cơ khí với nhau, hoạt động hồn tồn 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 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 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 cơng 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 thơng số ổ khí tĩnh đến
độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” từng bƣớc làm chủ đƣợc thiết kế,
1

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


cơng 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 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 hƣởng đến độ chính xác của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ
nhỏ đƣợc chế tạo trong điều kiện cơng 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, khơng 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 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 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 cơng.
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, cơng trình đã nghiên cứu trong nƣớc và ngồi
nƣớc 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 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 mơ
phỏng tính tốn ổ khí quay 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 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 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
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 mơ 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 cơng trình đã cơng bố trƣớc đó trên thế giới.
2. Đã nghiên cứu chế tạo đƣợc 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

hƣớng tâm 5N/μm, độ cứng dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong dải tốc độ
từ 1000020000vịng/phút hồn tồn khơng có tiếp xúc cơ khí với kết cấu nhỏ
gọn.

3

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA
CƠNG LỖ NHỎ
Mục tiêu của chƣơng sẽ trình bày định hƣớng nội dung sẽ nghiên cứu, từ
đó tìm hiểu và nghiên cứu các cơng 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
cơng trình trên thế giới và kế thừa các cơng 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 cơng 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 cơng 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 u cầu khơng đƣợc rị 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 bơi trơn. Các chất bơi 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 bơi trơn có những ƣu điểm nổi bật mà chất rắn hay chất lỏng

khơng 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
ngồi, khí dùng để vừa bơi 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
mơi trƣờng có nhiệt độ rất cao hoặc rất nhỏ, khơng ma sát, tính ổn định và chính
xác cao; trong mơi trƣờng hoạt tính ăn mịn hay trong trƣờng hợp địi 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. Ngồi ra việc nghiên cứu tính tốn ổ khí
4

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 xốy bán
vận tốc, xốy đồng bộ v.v .
Mặc dù việc nghiên cứu sử dụng bơi 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 cơng lỗ nhỏ thì hồn tồn 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 bơi 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 địi hỏi một nguồn khí nén. Cịn 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 dịng chảy
của khí thƣờng là chảy tầng, nhƣng có thể xuất hiện trạng thái chảy rối.
Đối với ổ bôi trơn bằng khí từ ngồi 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 khơng. 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 mơi 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 khơng địi hỏi chế tạo chính xác cao

5

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 cịn tồn tại một số
nhƣợc điểm nhất định.
1.2.1. Ưu điểm của ổ bơi trơn khí
Khi cần 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 ổ khí quay là bài tốn có thể đáp
ứng đƣợc những u 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 mịn, 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 q 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 bơi trơn bằng dầu. Bơi 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 thơng thƣờng có thể không đảm bảo, không kinh tế và sự

6

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 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 cơng 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 địi 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 ngồi địi hỏi phải cung cấp nguồn khí nén khơ và sạch, điều
này dẫn đến địi hỏi thiết bị lọc khí cẩn thận và đặc biệt, nhƣ vậy các thiết bị lọc
khí đơn giản sẽ khơng thể đảm bảo đƣợc.
Các ổ khí động cịn có những nhƣợc 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.
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 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 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 cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

của gối tựa của thiết bị dẫn hƣớng 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 [3]. Các đặc trƣng chất lƣợng của ổ này đảm bảo, tuy
nhiên dùng turbin khí với lƣu lƣợng lớn khơng kinh tế.
Đầu mài hồn chỉnh là đầu mài có động cơ cơng 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. Khơng khí này đƣợc 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 phƣơng án của đầu mài có ổ bơi trơn dầu.
Độ bóng chi tiết gia cơng 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 khơng có mài
mịn thì ở mức độ lớn nên giảm thấp yêu cầu việc chăm sóc, bảo dƣỡng máy.
Việc sử dụng ổ bơi 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 mịn đạt đƣợc độ chính xác gia cơng 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 khơng 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 bơi 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 ngồi 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 vịng quay trục chính từ 150 đến 300.
v/ph, ổ khí có thể
8

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


sử dụng cho trục chính nặng hơn: Thí dụ nhƣ 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 đƣợc đỡ bởi ổ chặn xốp vịng (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 khơng vƣợt q 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 khơng q 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 khơng ảnh hƣởng của
nhiệt, mài mịn 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 thơng 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 khơng
ảnh hƣởng đến số vịng quay trục chính

9

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 1. 2 Hình ảnh tƣơng quan về giá thành của các loại ổ trục [4].
Hình 1.2 đánh giá một cách thống kê so sánh giữa các loại ổ: ổ trƣợt, ổ lăn
và ổ khí. Tốc độ của trục khí là cao nhất, vƣợt trội hơn hẳn so với ổ lăn. Ổ trƣợt
có hiệu suất thấp nhất vì loại ma sát tồn tại trong ổ trục là ma sát trƣợt. Với ổ khí
thì ma sát gần nhƣ 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 ƣu về mặt kinh tế.
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 lƣợng nhiệt sinh ra thấp vì độ nhớt của khơng khí thấp [5],
[6]
- Nâng cao tuổi thọ của dao cắt
- Nâng cao chất lƣợng 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 nhƣ ổ bi [7], [8] . Hơn nữa, ổ khí là một hệ bơi trơn trong q trình hoạt
động đƣợc cấp khí liên tục khơng cần các vịng đệm phức tạp để ngăn chặn rị rỉ.
Một ƣu điểm khác của chất bơi trơn khí là có tính chất vật lý và hóa học tƣơng
đối ổn định vì khơng có hiện tƣợng hóa hơi, tạo bọt, phân hủy hoặc đóng rắn

10

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


trong một phạm vi nhiệt độ rộng, điều này mang lại cho ổ trục khí khả năng làm
việc liên tục trong thời gian dài [9].
 Nâng cao độ chính xác
Ổ khí tăng khả năng chính xác hƣớng tâm và độ chính xác hƣớng 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 [4]
 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 lƣợng phát động bé, nhiệt sinh ra rất nhỏ, gần nhƣ
không đáng kể. Tốc độ của trục chính sử dụng ổ khí có thể đạt 500.000
vịng/phút [3].

Hình 1. 4 Các loại máy sử dụng trục chính sử dụng ổ khí của hãng WestWind [4]
 Nâng cao tuổi thọ của dao
Sử dụng ổ khí trong trục chính làm cho tuổi thọ của dao có thể đƣợc kéo dài hơn.
Với độ rung động thấp và độ chính xác quay cao điều đó làm cho tuổi thọ của dao cắt
11

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


dài hơn- giảm thiểu việc bảo dƣỡng 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 [4]
 Nâng cao độ chính xác của bề mặt gia cơng tinh

Hình 1. 6 So sánh độ cứng biến thiên giữa hai loại đệm trong trục chính [4]
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 cƣơng và vật liệu mềm độ
chính xác của nó có thể đạt đƣợc 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
đƣợc tăng lên đáng kể. Hơn nữa, bởi vì hoạt động của hệ thống, ổ khí đƣợc cung
12

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


cấp nguồn khơng khí đƣợc lọc ở cuối ổ khí, tạo nên một rào chắn tự nhiên ngăn
chặn sự đi vào của những chất ơ nhiễm bên ngồi ví dụ nhƣ bụi hay phôi 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 [4]
 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 phƣơng pháp chế tạo,
cũng nhƣ hệ thống làm mát, gần nhƣ nhiệt sinh ra bằng khơng.

Hình 1. 8 Nhiệt sinh ra khi trục chính máy khoan PCB quay ở tốc độ 200.000
vịng/phút [4]
Tuy vậy nhƣng ổ khí cũng có những nhƣợc điểm nhất định. Nhƣợc 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 nhƣ độ nhớt của khơng khí thấp, hiện tƣợng búa khí, lệch
tâm nên ổ khí bị giới hạn ở tải trọng và độ cứng [10]. Tải trọng và độ cứng thấp
13

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


làm giảm chất lƣợng gia cơng, từ đó giảm phạm vi ứng dụng của ổ khí –Q. Gao
et. al. [11].
Trong ổ 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 địi hỏi tải trọng của ổ lớn.
Một nhƣợc điểm nữa của ổ khí là có khuynh hƣớng khơng ổn định so với
các ổ tƣơng tự bôi trơn bằng dầu. Các chế độ khơng ổn định đặc biệt xảy ra trong
các ổ khí tĩnh. Để khắc phục ngƣời ta phải nghiên cứu loại trừ chúng bằng các
kết cấu mới. Phƣơng án rất đƣợc ƣa chuộng hiện nay là sử dụng phƣơng pháp
dẫn khí qua mao quản của vật liệu xốp (thiêu kết). Tuy nhiên phƣơng pháp này
địi 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 thƣờng khơng đảm bảo đƣợc.

Các ổ khí cịn có nhƣợc điểm quan trọng khác khi sử dụng chúng là độ
cứng. Đối với ổ khí tĩnh ngƣời ta có thể tối ƣu thiết kế đến độ cứng tĩnh cho
phép, song độ cứng 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 có
hệ thống chống rung tốt, có độ cộng hƣởng nhỏ cũng là những trở ngại lớn đối
với việc sử dụng ổ khí.
Mặc dù vậy, để đáp ứng nhu cầu phát triển trên thế giới cần có một loại ổ
quay chạy trơn nhẹ hơn, kinh tế hơn và đồng thời thân thiện với môi trƣờng, nhất
là trong gia công kích thƣớc nhỏ cỡ nano mét, ổ bơi trơn khí giữ một vai trò quan
trọng. Khác với ổ lăn, ổ khí hiện tại vẫn chƣa đƣợc tiêu chuẩn hóa [12].
Các bộ phận chính trong trục chính ổ khí quay cao tốc
Trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc đƣợc chia làm 2 loại chính: dẫn
động bằng động cơ và dẫn động bằng khí động học
- Trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc sử dụng dẫn động bằng động cơ:

Hình 1. 9 Trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng động cơ [13]

14

LUAN VAN CHAT LUONG download : add