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

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