TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
KIỂM SỐT DẦU BƠI TRƠN TRONG
MÁY CNC
VŨ QUANG TÚ


Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Bùi Tuấn Anh
Chữ ký của GVHD

Viện:

Cơ Khí

HÀ NỘI, 04/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
KIỂM SỐT DẦU BƠI TRƠN TRONG
MÁY CNC
VŨ QUANG TÚ

Ngành Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Bùi Tuấn Anh
Chữ ký của GVHD

Viện:

Cơ Khí

HÀ NỘI, 04/2021


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Nghiên cứu thiết kế hệ thống kiểm sốt dầu bơi trơn trong máy CNC.

Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên


Lời cảm ơn
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài này, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ của q thầy cơ, gia đình và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất
đến thầy cô Bộ môn Máy và Ma sát học – Viện Cơ Khí – Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội. Đặc biệt hơn hết là sự quan tâm tận tình của PGS.TS Bùi Tuấn Anh,
người đã trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian làm luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn

Trong luận văn này, việc thiết kế hệ thống thực nghiệm bôi trơn ổ trục chính quay
cao tốc được chia thành 3 chương bao gồm:
Chương 1: Tổng quan hệ thống kiểm sốt bơi trơn
Trong chương này, luận văn thể hiện tình hình thực tiễn của máy gia cơng phay
CNC, của trục chính với các vấn đề gặp phải trong gia công bao gồm sự tăng nhiệt
độ, sự biến dạng nhiệt ảnh hưởng tới quá trình gia công cắt gọt. Để giảm thiểu sự
ảnh hưởng này thì việc kiểm sốt nhiệt độ tăng lên và bơi trơn trong trục chính là
cần thiết, nhưng giải pháp thực hiện trên trục máy cơng cụ thực tế rất khó khăn vì
thế em đề ra ý tưởng thiết kế một hệ thống thực nghiệm ổ trục chính để có thể
nghiên cứu độc lập.
Chương 2: Thiết kế và chế tạo hệ thống thực nghiệm nhiệt ổ trục chính mơ
hình máy phay CNC
Trong chương này, nội dung tập trung xây dựng phương pháp thiết kế tích hợp hệ
thống thực nghiệm bơi trơn ổ trục chính quay cao tốc và kết quả của luận văn.
Chương 2 gồm các nội dung cơ bản như sau:
- Phân tích cơ chế sinh nhiệt trên cụm trục chính, nhằm đưa ra được cái nhìn
tồn diện về sinh nhiệt và truyền nhiệt trong cụm trục chính. Điều này làm cơ sở
để bố trí các thiết bị đo nhiệt và thiết bị bôi trơn.
- Thiết kế hệ thống bôi trơn và làm mát cho hệ thống thực nghiệm.
- Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát
Chương 3: Xây dựng mơ hình hệ thống và kết quả thực nghiệm
Kết quả thiết kế và dữ liệu thực nghiệm. Một mô hình thực nghiệm đã được thiết
kế và lắp ráp hồn thiện, thực hiện lấy số liệu ở tốc độ 7000 vòng/phút.

Học viên
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ BÔI TRƠN TRONG
MÁY PHAY ĐỨNG ............................................................................................. 1
1.1

Tổng quan chế độ làm việc và bôi trơn trong máy phay đứng .................. 1
1.1.1

Cơng dụng và tầm quan trọng của trục chính ............................. 1

1.1.2

Hệ thống bôi trơn trong máy phay đứng ..................................... 2

1.1.3

Chế độ bơi trơn ổ trục chính máy phay đứng ............................. 2

1.2

Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 7

1.3

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................ 8
1.3.1
Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát các đặc tính áp suất và
nhiệt độ của ổ đỡ thủy động ........................................................................... 8
1.3.2

Sự phát triển của hệ thống bôi trơn trong máy mài cao tốc ...... 10


1.3.3
Phân tích thực nghiệm và mơ hình sự ảnh hưởng các thơng số
bơi trơn khí dầu đến ma sát ổ bi của trục chính cao tốc ............................... 14
1.3.4
Phân tích nhiệt và thực nghiệm trục chính của trung tâm gia
cơng cao tốc.................................................................................................. 18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
NHIỆT Ổ TRỤC CHÍNH MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC .............................. 25
2.1

2.2

2.3

Phân tích cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt trên cụm trục chính ............. 25
2.1.1

Tính tốn nhiệt sinh ra trong trục chính .................................... 25

2.1.2

Tính tốn truyền nhiệt trong ổ bi .............................................. 28

2.1.3

Mô phỏng truyền nhiệt trong cụm trục chính ........................... 30

Tính tốn lựa chọn các phần tử trong hệ thống bơi trơn .......................... 33
2.2.1


Thiết kế kênh dẫn khí dầu ......................................................... 34

2.2.2

Đầu phun khí dầu ...................................................................... 35

2.2.3

Van hịa trộn .............................................................................. 36

2.2.4

Bơm dầu và bể dầu .................................................................... 38

2.2.5

Van điều áp và bộ lọc ................................................................ 40

2.2.6

Van điện từ khí nén ................................................................... 41

2.2.7

Máy nén khí .............................................................................. 42

Tính tốn lựa chọn các phần tử hệ thống điều khiển giám sát ................. 43
2.3.1


Biến tần ..................................................................................... 43

2.3.2

Cảm biến mức dầu .................................................................... 44

2.3.3

Cảm biến nhiệt độ ổ bi .............................................................. 45


2.4

2.3.4

Arduino Uno ............................................................................. 46

2.3.5

Bộ relay ..................................................................................... 47

2.3.6

Bộ kết nối internet ESP8266 ..................................................... 48

2.3.7

Giao diện thu thập dữ liệu ......................................................... 49

2.3.8


Điều khiển giám sát bằng ứng dụng Blynk ............................... 50

2.3.9

Sơ đồ điện của hệ thống ............................................................ 51

Tính tốn lựa chọn kết cấu cơ khi ............................................................ 52
2.4.1

Khung máy và hệ thống dẫn hướng .......................................... 52

2.4.2

Cơ cấu gia lực ........................................................................... 53

2.4.3

Bản vẽ lắp tồn hệ thống ........................................................... 55

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC
NGHIỆM ............................................................................................................. 56
3.1

3.2

Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống............................................ 56
3.1.1

Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................ 56


3.1.2

Sơ đồ thuật toán hoạt động của hệ thống .................................. 57

Xây dựng giao diện điều khiển giám sát .................................................. 58
3.2.1

Giao diện giám sát trên máy tính .............................................. 58

3.2.2

Giao diện điều khiển qua điện thoại ......................................... 58

3.3

Xác định chế độ bôi trơn – làm mát ......................................................... 59

3.4

Lắp ráp hệ thống....................................................................................... 59
3.4.1

Lắp ráp cụm khung mơ hình và hệ thống dẫn hướng ............... 60

3.4.2

Lắp ráp cụm điện điều khiển giám sát ...................................... 61

3.4.3


Lắp ráp cụm bôi trơn làm mát ................................................... 63

3.5

Quy trình vận hành hệ thống bơi trơn làm mát ........................................ 65

3.6

Kết quả thực nghiệm và đánh giá ............................................................. 67

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 73


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cụm trục chính máy phay [1] ................................................................. 2
Hình 1.2 Bơi trơn bằng mỡ [3] ............................................................................... 4
Hình 1.3 Bơi trơn bằng phương pháp ngâm dầu [3] .............................................. 4
Hình 1.4 Phương pháp bơi trơn nhỏ giọt [3] .......................................................... 5
Hình 1.5 Phương pháp bơi trơn bằng vịng văng dầu [3] ....................................... 5
Hình 1.6 Phương pháp bơi trơn dầu tuần hồn [3]................................................. 6
Hình 1.7 Bơi trơn bằng hỗn hợp khí – dầu [6] ....................................................... 7
Hình 1.8 Trục chính 1.5KW ER16 ........................................................................ 8
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý và thiết bị thực nghiệm ................................................ 8
Hình 1.10 Ổ đỡ thủy động và hệ thống thủy lực cấp dầu bôi trơn ......................... 9
Hình 1.11 Hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động .................. 9
Hình 1.12 Biểu đồ nhiệt độ ở tải trọng 30 N tốc độ quay 200 vịng/phút .............. 9
Hình 1.13 Nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 400 vịng/phút ........................................ 10
Hình 1.14 Mặt cắt dọc trục của cụm trục chính máy mài siêu cao tốc[8] ........... 11

Hình 1.15 Thực nghiệm thiết lập hệ thống bơi trơn cho cụm trục chính máy mài
siêu tốc[8] ............................................................................................................. 11
Hình 1.16 Bơi trơn bằng sương với hệ thơng bi[8] .............................................. 12
Hình 1.17 Sự tăng nhiệt độ của cụm trục chính với sự áp dụng hệ thống bơi trơn
khí dầu[8] ............................................................................................................. 13
Hình 1.18 Sự thay đổi chiều dày lớp dầu theo tốc độ trục chính[8] .................... 13
Hình 1.19 Các thành phần trao đổi nhiệt trong trục chính[8] .............................. 14
Hình 1.20 Các thành phần hệ thống [9] ............................................................... 15
Hình 1.21 Mơ hình thực tế [9] ............................................................................. 16
Hình 1.22 Hình ảnh tủ điều khiển[9] ................................................................... 16
Hình 1.23 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng dầu và tổn hao do ma sát[9] .... 17
Hình 1.24 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng dầu và độ tăng nhiệt độ. [9]..... 17
Hình 1.25 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng khí và độ tăng nhiệt độ. [9] ..... 17
Hình 1.26 Mơ hình cụm trục chính [10] .............................................................. 18
Hình 1.27 Mơ hình phần tử hữu hạn của cụm trục chính[10] .............................. 19
Hình 1.28 Phân bố nhiệt độ cụm trục chính khơng bao gồm điều kiện làm
mát[10] ................................................................................................................. 21
Hình 1.29 Phân bố nhiệt độ cụm trục chính bao gồm điều kiện làm mát[10] ..... 21
Hình 1.30 Biến dạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi khơng làm mát[10]....... 21
Hình 1.31 Biến dạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi có làm mát 6] ............... 22
Hình 1.32 Bố trí cảm biến nhiệt độ trên cụm trục chính[10] ............................... 22
Hình 1.33 Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu[10] .......................................... 23
Hình 1.34 Nhiệt độ của cụm trục chính[10] ......................................................... 23
Hình 1.35 Biến dạng dọc trục của cụm trục chính [10] ....................................... 23
Hình 2.1 Bơi trơn ổ lăn bằng khí dầu [8] ............................................................. 25
Hình 2.2 Vết tiếp xúc của bi và ca bi [8] ............................................................. 26
Hình 2.3 Chia lưới trên mơ hình mơ phỏng ......................................................... 31


Hình 2.4 Sự truyền nhiệt trên tồn bộ cụm trục chính bơi trơn làm mát khí dầu

sau 3600 s ở tốc độ 11000 vịng /phút.................................................................. 31
Hình 2.5 Sự truyền nhiệt trong các ổ bi của cụm trục chính bơi trơn làm mát khí
dầu sau 3600 s ở tốc độ 11000 vịng /phút ........................................................... 32
Hình 2.6 Đồ thị thể hiện sự thay đổi nhiệt độ tại 4 ổ bi theo 2 phương pháp bơi
trơn làm mát ......................................................................................................... 33
Hình 2.7 Đồ thị tăng nhiệt ở ổ bi số 4 trong 3600 s ở các tốc độ khác nhau của
phương pháp bôi trơn làm mát khí dầu ................................................................ 33
Hình 2.8 Bố trí ổ bi trong trục chính .................................................................... 34
Hình 2.9 Bố trí vịi phun vào ổ bi......................................................................... 34
Hình 2.10 Bố trí cụm trục chính nhìn từ bên ngồi ............................................. 35
Hình 2.11 Hướng bố trí đầu phun khí dầu bơi trơn làm mát ổ bi 7002 ............... 35
Hình 2.12 Hình chiếu thể hiện kích thước đầu phun khí dầu .............................. 35
Hình 2.13 Hình chiếu 3D đầu phun khí dầu ........................................................ 36
Hình 2.14 Van hịa trộn khí dầu OriGlam 130103020Q ...................................... 36
Hình 2.15 Cấu tạo của van hịa trộn khí dầu ........................................................ 37
Hình 2.16 Bơm dầu HTS005................................................................................ 39
Hình 2.17 Van điều áp và bộ lọc AIRTAC-2000 ................................................ 41
Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động van điện từ khí nén ........................................... 41
Hình 2.19 Van điện từ khí nén AIRTAC 2V025-08 ............................................ 42
Hình 2.20 Máy nén khí Fusheng D-4 ................................................................... 43
Hình 2.21 Biến tần Toshiba VF-S11-2015PM..................................................... 44
Hình 2.22 Cảm biến siêu âm HC-SR04 ............................................................... 44
Hình 2.23 Nguyên lý phát sóng của cảm biến siêu âm ........................................ 45
Hình 2.24 Mặt cắt dọc trục thể hiện vị trí lắp cảm biến nhiệt độ......................... 45
Hình 2.25 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 .............................................................. 46
Hình 2.26 Mạch Arduino Uno R3 ........................................................................ 47
Hình 2.27 Bộ relay 4 kênh ................................................................................... 48
Hình 2.28 Module ESP8266 ................................................................................ 49
Hình 2.29 Ngun lý truyền dữ liệu thơng qua ESP8266 .................................... 49
Hình 2.30 Nguyên lý hoạt động của Data Streamer ............................................ 50

Hình 2.31 Hoạt động cơ bản của Blynk ............................................................... 51
Hình 2.32 Sơ đồ đấu nối tủ điều khiển................................................................. 51
Hình 2.33 Khung máy .......................................................................................... 53
Hình 2.34 Module điều khiển động cơ bước TB6600 ......................................... 53
Hình 2.35 Cơ cấu gia lực ..................................................................................... 54
Hình 2.36 Cơ cấu gia lực khi lắp trên máy .......................................................... 54
Hình 2.37 Bản vẽ lắp tồn hệ thống ..................................................................... 55
Hình 3.1 Sơ đồ khối lập trình hệ thống ................................................................ 56
Hình 3.2 Sơ đồ thuận tốn của hệ thống .............................................................. 57
Hình 3.3 Giao diện phần mềm giám sát vào thu thập dữ liệu hệ thống ............... 58
Hình 3.4 Giám sát và điều khiển hệ thống trên điện thoại thông minh ............... 59


Hình 3.5 Kết cấu khung máy sau khi lắp ráp ....................................................... 60
Hình 3.6 Tủ điện 1 ............................................................................................... 61
Hình 3.7 Núm điều khiển trục máy CNC bằng tay .............................................. 62
Hình 3.8 Vị trí lắp ráp cảm biến nhiệt độ ổ bi (1) ................................................ 62
Hình 3.9 Tủ điện 2. 1-Biến tần, 2- Lọc nhiễu ..................................................... 63
Hình 3.10 Hệ thống bơi trơn làm mát khí dầu 1- Van hịa trộn, 2-Van điện từ khí
nén, 3-Van điều áp và bộ lọc, 4-Bơm dầu và bể dầu ........................................... 64
Hình 3.11 Bố trí cấp khí dầu trên trục chính 1- Vịi phun khí dầu, 2- Lỗ thốt hơi
khí dầu .................................................................................................................. 64
Hình 3.12 Biến tần VF-S11 .................................................................................. 65
Hình 3.13 Quy trình vận hành hệ thống ............................................................... 66
Hình 3.14 Nhiệt độ các ổ bi khi bôi trơn bằng mỡ............................................... 68
Hình 3.15 Nhiệt độ các ổ bi khi bơi trơn làm mát khí dầu ở ổ bi 1 ..................... 68
Hình 3.16 So sánh 2 phương pháp tại ổ bi 1 ........................................................ 69
Hình 3.17 Sự thay đổi nhiệt độ ở các áp lực khí khác nhau ................................ 70



DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cụm trục chính [8]................................................... 12
Bảng 1.2 Kết quả tính tốn [10] ........................................................................... 20
Bảng 2.1 Nhiệt lượng tính tốn theo phương pháp bôi trơn làm mát .................. 30
Bảng 2.2 Thông số đầu vào của van hòa trộn ...................................................... 36
Bảng 2.3 Bảng hướng dẫn điều chỉnh lưu lượng khí ........................................... 37
Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật Arduino Uno ................................................... 47
Bảng 3.1 Bảng thơng số thí nghiệm ..................................................................... 67


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
CNC: Computer Numerical Control: máy công cụ điều khiển bằng chương trình
số
CAD: Computer Aided Design: thiết kế có trợ giúp của máy tính
CAE: Computer Aided Engineering: mơ phỏng số có trợ giúp của máy tính


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ BÔI TRƠN TRONG
MÁY PHAY ĐỨNG
1.1 Tổng quan chế độ làm việc và bôi trơn trong máy phay đứng
Máy công cụ cắt gọt kim loại là trang thiết bị chủ yếu được sử dụng trong các nhà
máy, phân xưởng cơ khí để chế tạo ra các chi tiết của máy móc, khí cụ, dụng cụ và
các sản phẩm dùng trong sản xuất và đời sống. Máy cơng cụ có lịch sử phát triển
lâu dài gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Với trình độ cơ khí hóa,
tự động hóa ngày càng cao, chủng loại và mức độ hiện đại của máy ngày càng
tăng, đặc biệt là máy phay.
Các máy phay CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính
xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể đáp ứng được.
Một trong những yếu tố vượt trội của máy CNC so với máy công cụ truyền thống
là tốc độ làm việc cao hơn. Vì thế, các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết máy như

bạc đỡ trục, ổ lăn, bánh răng,… phải chịu ma sát và mài mòn lớn hơn. Do vậy, việc
bôi trơn các bề mặt làm việc là một yêu cầu tất yếu đối với máy công cụ.
1.1.1 Công dụng và tầm quan trọng của trục chính
Cụm trục chính để thực hiện chuyển động quay trịn chính xác của dụng cụ trong
máy phay đứng. Độ chính xác gia cơng trên máy cơng cụ nói chung và máy CNC
nói riêng phần lớn phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động, độ ổn định, cứng
vững và chống rung của trục chính. Trục chính máy cơng cụ cung cấp chuyển động
cắt cho dao và là một phần của chuỗi truyền lực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc
chi tiết. Tùy theo loại máy mà trục chính có những đặc tính khác nhau.
Trục chính có nhiệm vụ cung cấp chuyển động cắt để thực hiện các chương
trình gia cơng trên máy CNC như phay, khoan, taro. Do đó nó có tầm trọng đặc
biệt, quyết định đến năng suất, độ chính xác, chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng.
Muốn nâng cao năng suất gia cơng, độ chính xác, chất lượng bề mặt chi tiết ta cần
tăng tác động vào các thông số chế độ cắt (v, t, s) trong đó vận tốc cắt đóng vai trị
quyết định. Khi tăng tốc độ cắt đồng nghĩa với việc tăng tốc độ vịng quay trục
chính của máy từ đó xuất hiện các máy gia công cao tốc và trung tâm gia công cao
tốc.
Việc nâng cao tốc độ vòng quay sẽ phát sinh nhiều vấn đề liên quan nhưng
nhiệt sinh ra là vấn đề đáng lưu tâm nhất. Khi bị tác động nhiệt do ma sát trong
quá trình làm việc, sẽ gây ra cho trục chính các hiện tượng cong vênh, biến dạng
khơng đều,… dẫn đến trục mất cân bằng và hiện tượng rung động, kém cứng vững
từ đó xuất hiện các sai số, chất lượng bề mặt chi tiết bị ảnh hưởng… Đề khắc phục
hiện tượng trên cần phải bôi trơn, làm mát tốt cho cụm trục chính, đặc biệt là các
ổ bi.

1


Hình 1.1 Cụm trục chính máy phay [1]


1.1.2 Hệ thống bôi trơn trong máy phay đứng
Công dụng cơ bản của hệ thống bơi trơn là giảm sự tổn hao vì ma sát, tăng độ bền
mịn của các bề mặt cơng tác, đảm bảo nhiệt độ làm việc bình thường cho phép.
Thiết kế hệ thống bôi trơn đúng sẽ bảo vệ được lâu dài độ chính xác ban đầu của
máy trong tồn bộ thời gian sử dụng máy. Bơi trơn là một trong những phương
pháp bảo vệ các bề mặt ma sát hiệu quả nhất hiện này.
Mục đích của bơi trơn là tạo một lớp dầu có chiều dày đủ lớn trên các bề
mặt ma sát, tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa chúng, do đó giảm được sự mài mịn
bề mặt các chi tiết và tăng được tuổi thọ của máy và thiết bị. Do vậy, những cơ cấu
có chuyển động tương đối cần được bôi trơn. Những nơi cần thiết có bơi trơn trong
máy phay đứng là:
- Trục chính và các ổ của trục chính máy.
- Dẫn hướng theo 3 trục X, Y, Z
- Các vít me đai ốc bi và các ổ đỡ chặn
- Cơ cấu thay dao
Trong đó, trục chính là cụm chi tiết có ý nghĩa rất quan trọng, quyết định lớn
đến độ chính xác và tính ổn định của hệ thống.
1.1.3 Chế độ bơi trơn ổ trục chính máy phay đứng
Bơi trơn là phương pháp đưa vật liệu bôi trơn vào vùng ma sát, làm giảm ma sát
và mài mịn. Có dạng bơi trơn chính là bôi trơn thủy tĩnh và bôi trơn thủy động.
Vùng bơi trơn mà trong đó lớp màng bơi trơn dày hơn chiều cao nhấp nhô giữa hai
bề mặt, được duy trì nhờ bơm ở bên ngồi mà khơng cần sự chuyển động tương
đối giữa hai bề mặt hoặc có chuyển động tương đối nhỏ gọi là bôi trơn thủy tĩnh[2].
Ngược lại là bơi trơn thủy động cịn được gọi là bôi trơn màng chất lỏng.
Bôi trơn thủy động thường được thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bôi trơn có
độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao của ổ trục. Cơ chế chịu tải này dựa
vào hiện tượng chất lỏng nhớ không thể trào ra ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt
tiến lại gần nhau. Chất lỏng này cần một thời gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc
với nhau, tuy nhiên do sức cản nén của chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất
lỏng sẽ đủ để đỡ tải trọng. Đây là phương pháp được sử dụng chủ yếu để bôi trơn

cho trục chính máy phay.

2


Các chất được dùng để bơi trơn giảm mịn có thể là khơng khí, chất lỏng
(dầu, nước,…), mỡ, chất rắn (bột graphit). Việc chọn đúng vật liệu bôi trơn là rất
quan trọng, vật liệu bôi trơn được đưa vào vùng ma sát. Một số chức năng chủ yêu
của chất bôi trơn trong máy công cụ:
- Giảm lực ma sát, tăng hiệu suất của máy và chi tiết máy.
- Giảm độ hao mòn của chi tiết máy.
- Làm mát các chi tiết máy bị nóng khi ma sát.
- Bảo vệ chi tiết khỏi han gỉ.
- Bảo đảm tính kín khít của bộ phận ma sát.
- Liên tục làm sạch chi tiết (do bụi bặm và các hạt mài mòn)
- Bảo đảm khả năng làm việc trong một khoảng nhiệt độ, áp suất và vận
tốc trượt lớn.
- Điền đấy các lõm nhấp nhô bề mặt.
Việc lựa chọn chất bôi trơn để đạt hiệu quả cao nhất cần phải kết hợp chặt
chẽ giữa vật liệu bôi trơn, vật liệu được bôi trơn, chế độ và phương pháp bôi trơn.
Một số phương pháp bôi trơn phổ biến hiện nay gồm có:
- Bơi trơn bằng mỡ
- Bơi trơn ngâm dầu
- Bơi trơn bằng vịng văng dầu
- Bơi trơn dầu tuần hồn
- Bơi trơn hỗn hợp khí dầu
1.1.3.1. Bơi trơn bằng mỡ
Mỡ được sử dụng để bơi trơn ổ lăn của cụm trục chính ở điều kiện làm việc thông
thường trong hầu hết các ứng dụng. Mỡ có ưu điểm hơn dầu vì dễ dàng giữ được
mỡ trong ổ lăn, cả trong trường hợp trục nghiêng hay thẳng đứng. Mỡ cịn tham

gia vào việc làm kín cụm ổ lăn, ngăn cản bụi bẩn, hơi ẩm, nước và chống rỉ sét tốt.
Sử dụng mỡ bôi trơn cũng rất sạch sẽ khơng bị rị rỉ, vung tóe ra mơi trường bên
ngồi.
Tuy nhiên, mỡ bơi trơn có nhược điểm là khả năng làm mát thấp, dễ nhiễm
bẩn và khó loại bỏ. Lượng mỡ quá nhiều sẽ làm tăng nhiệt độ trong ổ lăn lên nhanh
chóng, đặc biệt khi quay ở vận tốc cao. Chính vì những nhược điểm này, phương
pháp bơi trơn trục chính bằng mỡ khơng phù hợp với các máy phay CNC tốc độ
cao.

3


Hình 1.2 Bơi trơn bằng mỡ [3]

1.1.3.2. Bơi trơn bằng phương pháp ngâm dầu.
Phương pháp bôi trơn bằng ngâm dầu là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất,
phương pháp này chủ yếu dùng cho các trục quay tốc độ thấp/trung bình. Với các
trục được đặt nằm ngang, mức dầu bôi trơn xấp xỉ của viên bi khi ổ lăn ở trạng thái
làm việc. Với các trục đứng, thường áp dụng ổ lăn quay ở tốc độ thấp, mức dầu
phải duy trì tại 50-80% chiều cao viên bi.

Hình 1.3 Bơi trơn bằng phương pháp ngâm dầu [3]

1.1.3.3. Bôi trơn bằng phương pháp nhỏ giọt dầu
Dầu được nhỏ vào ổ lăn bằng một thiết bị chuyên biệt gắn trên ổ lăn. Bên trong ổ
lăn được bao lấp đầy bằng hơi dầu bởi chuyển động quay của trục, làm mát khá
hiệu quả cho chi tiết quay. Phương pháp này có thể áp dụng cho ổ trục tốc độ từ
trung bình đến cao. Khi ổ trục quay ở tốc độ cao sẽ làm tăng tốc độ nhỏ giọt dầu,
có thể dẫn đến việc tưới vào quá nhiều dầu vào chi tiết. Vì thế cần có thiết bị thu
hồi bớt dầu ở đáy của ổ lăn.


4


Hình 1.4 Phương pháp bơi trơn nhỏ giọt [3]

1.1.3.4. Bơi trơn bằng vòng văng dầu
Phương pháp này sử dụng một bánh răng hoặc một vòng đơn giản gắn trực tiếp
vào trục làm nhiệm vụ văng tóe dầu. Vịng văng được nhúng vào dầu ở phần thấp
hơn ổ trục, dầu văng vào ổ lăn và chảy trở về buồng dầu bên dưới. Cách này có thể
cấp dầu bơi trơn cho ổ trục cách xa bình dầu, ổ trục hoạt động ở tốc độ khá cao
Cần thiết phải giữ mức dầu ở một dải nhất định, đảm bảo độ sạch của dầu khỏi bụi
bẩn và mạt kim loại sinh ra do vung tóe.

Hình 1.5 Phương pháp bơi trơn bằng vịng văng dầu [3]

5


1.1.3.5. Bơi trơn dầu tuần hồn
Khi ổ lăn làm việc ở vận tốc cao sẽ làm tăng nhiệt độ và gia tăng q trình lão hóa,
giảm khả năng bơi trơn của dầu. Để tránh việc phải thay dầu thường xuyên và đạt
được điều kiện đủ dầu chảy qua ổ lăn, người ta sử dụng phương pháp bôi trơn bằng
dầu tuần hòa. Một bơm dầu được sử dụng để làm dầu luân chuyển. Dầu sau khi đi
qua ổ lăn, chảy về bình chứa có bộ lọc cặn dầu hoặc thơng qua một dàn giải nhiệt
dầu trước khi nó lại được đưa trở lại ổ lăn. Phương pháp này sử dụng được cho ổ
lăn quay ở tốc độ cao trong điều kiện nhiệt độ cao.

Hình 1.6 Phương pháp bơi trơn dầu tuần hồn [3]


1.1.3.6. Bơi trơn bằng hỗn hợp khí – dầu
Phương pháp này phun trực tiếp một lượng nhỏ dầu áp lực cao vào từng ổ lăn. Để
thực hiện điều này, dầu được bơm từ bể chứa vào bộ hòa trộn. Tại đây, dịng dầu
gặp dịng khí nén áp lực cao khiến dầu bị xé thành những hạt nhỏ, hòa trộn vào
dịng khí. Hỗn hợp khí – dầu này được đẩy đi trong dẫn và thơng qua vịi phun
xâm nhập vào ổ lăn. Những hạt dầu nhỏ được phun với áp lực cao sẽ dễ dàng đi
sâu vào các khu vực ổ lăn để bôi trơn và giải nhiệt.
Trong phương pháp này, với một lượng nhỏ dầu cho phép ổ lăn có thể làm
việc ở nhiệt độ thấp hơn và vận tốc cao hơn bất cứ phương pháp bôi trơn khác.
Những nghiên cứu được công bố chỉ ra rằng giọt chất lỏng có hiệu quả trong đối
lưu và chuyển hóa nhiệt[4]. Khi chất lỏng vỡ ra thành những phần nhỏ, nó dễ dàng
đi sâu vào khu vực sinh nhiệt, vì thế tăng khả năng bôi trơn và làm mát. Một bằng
sáng chế của Mỹ được công bố đã sử dụng phương pháp bơi trơn làm mát bằng khí
dầu và cho hiệu quả cao trong gia cơng tốc độ cao [5]. Chính vì những ưu điểm
đáng kể đó, sau đây đề tài sẽ đi sâu vào phương pháp này.

6


Hình 1.7 Bơi trơn bằng hỗn hợp khí – dầu [6]

1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Trục chính là một trong những phần quan trọng nhất của máy phay CNC, là bộ
phận trực tiếp tạo ra biên dạng chi tiết, quyết định đến chất lượng bề mặt chi tiết.
Ngày nay với yêu cầu tốc độ cắt càng cao dẫn đến ma sát bên trong ổ bị sẽ nhiều
nhiệt hơn. Nhiệt lượng này nếu không được kịp thời lấy đi sẽ làm nhiệt độ trục
chính tăng lên gây ra biến dạng cho cụm trục chính. Để giảm thiểu sự ảnh hưởng
do nhiệt độ gây ra tại trục chính thì việc kiểm sốt nhiệt độ này là rất cần thiết. Bên
cạnh đó, việc sử dụng hiệu quả chất bôi trơn, giảm thiểu sự ảnh hưởng đến môi
trường đã và đang là xu hướng phát triển bền vững của thế giới. Giải pháp là cần

một chế độ bôi trơn và làm mát phù hợp cho ổ trục chính, đó chính là phương pháp
bơi trơn khí – dầu.
Để kiếm chứng được phương pháp bơi trơn này, cần có thử nghiệm trên
cụm trục chính được tích hợp trên máy phay thực tế. Tuy nhiên, điều này sẽ ảnh
hưởng đến q trình gia cơng của máy cơng cụ đó nên tác giả đề xuất xây dựng
một mơ hình giám sát hệ thống bơi trơn khí dầu cho ổ lăn nhằm nghiên cứu độc
lập, mô phỏng lại q trình hoạt động của trục chính trong thực tế.
Để thực nghiệm kết quả nghiên cứu, em xin lựa chọn một cụm trục chính với các
thơng số kỹ thuật như sau:
- Mã số sản phẩm thương mại: 1.5KW ER16
- Ổ bi: 2 ổ bi trước 7002, 2 ổ bi sau 6004
- Chế độ bôi trơn ổ bi ban đầu: mỡ
- Chế độ làm mát ban đầu: nước
7


-

Tốc độ tối đa ban đầu: 24000 vịng/phút
Đường kính trục: D =15 mm
Đường kính gá dao: 0,5 – 10 mm

Hình 1.8 Trục chính 1.5KW ER16

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong phần này, các nghiên cứu tương đồng đã được công bố sẽ được đề cập, cung
cấp thông tin về tình hình nghiên cứu hệ thống tự động bôi trơn tự động trong máy
công cụ, làm cơ sở cho việc tính tốn thiết kế mơ hình của tác giả. Ở Việt Nam,
các nghiên cứu liên quan đến hệ thống bơi trơn trục chính máy CNC cịn ít, chỉ
mới đề cập đến việc đo đạc, giám sát thông số của hệ thống khi hoạt động mà chưa

đưa ra phương pháp điều khiển kiểm soát chúng.
1.3.1 Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát các đặc tính áp suất và
nhiệt độ của ổ đỡ thủy động
Tác giả Trần Thị Thanh Hải và cộng sự (2015) [7] đã nghiên cứu xây dựng hệ
thống giám sát các đặc tính áp suất và nhiệt độ của ổ đỡ thủy động.
Các tác giả xây dựng mơ hình thực nghiệm với động cơ điện (0,55 kW, tốc
độ 1390 vòng/phút) truyền chuyển động cho trục qua dây đai. Khi trục quay, ổ đỡ
làm việc tạo ra màng dầu giữa trục và bạc, màng dầu tồn tại áp suất thủy động cân
bằng với tải trọng tác dụng lên ổ. Đồng thời nhiệt độ của màng dầu, bề mặt trục và
bạc cũng tăng lên do ma sát.

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý và thiết bị thực nghiệm

8


Hình 1.10 Ổ đỡ thủy động và hệ thống thủy lực cấp dầu bơi trơn

Các tác giả đã bố trí 5 vị trí đo áp suất và 5 vị trí đo nhiệt độ màng dầu được
bố trí trên tiết diện giữa ổ và theo phương chu vi của bạc trong vùng chịu tải của
màng dầu. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến và hiển thị lên màn hình LCD
hoặc máy tính.

Hình 1.11 Hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động

Hình 1.12 Biểu đồ nhiệt độ ở tải trọng 30 N tốc độ quay 200 vịng/phút

Nhiệt độ màng dầu tại các vị trí T1, T2, T3, T4, T5 (ứng với các vị trí 1, 2,
3, 4, 5). Giá trị đo tại vị trí T3 cao nhất đạt 19,825oC và giảm dần về hai phía T2,
T1 và T4, T3. Tại vị trí T3 chiều dày màng dầu lớn nhất và giảm dần về hai phía

9


thì nhiệt độ cũng giảm theo. Các giá trị nhiệt độ cho thấy đường đặc tính nhiệt độ
trong ổ phù hợp với lý thuyết bôi trơn thủy động. Nhiệt độ màng dầu tại các vị trí
đo chênh lệch khơng lớn là do nhiệt đã phân tán vào trục và bạc, hơn nữa dầu bơi
trơn cấp cho ổ được tuần hồn nên nhiệt độ tăng khơng nhiều và đồng đều hơn

Hình 1.13 Nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 400 vịng/phút

Hình 1.13 cho thấy nhiệt độ màng dầu bôi trơn tăng theo tải tác dụng 30N,
50N, 70N khi tốc độ quay 400vịng/ph, điều này cũng hồn tồn phù hợp với lý
thuyết bơi trơn.
Kết luận
Bài viết này trình bày xây dựng hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ
thủy động. Các kết quả đo kiểm nghiệm cho thấy, các giá trị đo áp suất và nhiệt độ
màng dầu đúng với sự phân bố áp suất và nhiệt độ của ổ thủy động khi chịu tải.
Nhiệt độ màng dầu đạt giá trị lớn nhất tại vị trí chiều dày màng dầu nhỏ
nhất (19,8250C ở tải trọng 30N, tốc độ 200vg/ph), nhiệt độ màng dầu giảm nhẹ khi
chiều dày màng dầu tăng (19,53750C, 19,650C ở trước vị trí chiều dày màng dầu
nhỏ nhất là 19,6800C và 19,6250C ở sau vị trí chiều dày màng dầu nhỏ nhất).
Sự chênh lệch khơng lớn của nhiệt độ màng dầu tại các vị trí khác nhau là
do nhiệt được hấp thụ vào trục, bạc và dầu được tuần hoàn. Điều này phù hợp với
lý thuyết bôi trơn thủy động. Bài viết cho em thêm kinh nghiệm về việc bố trí cảm
biến và phương pháp thu thập số liệu thực nghiệm.
1.3.2 Sự phát triển của hệ thống bôi trơn trong máy mài cao tốc
K. Ramesh và các cộng sự (2002) đã đề cập đến hệ thống bơi trơn cho ổ bi của
cụm trục chính máy mài cao tốc như trong Hình 1.14

10



Hình 1.14 Mặt cắt dọc trục của cụm trục chính máy mài siêu cao tốc[8]

Hình 1.14 mơ tả mặt cắt dọc trục của cụm trục chính nghiên cứu trong bài
viết. Trục chính được đỡ trên các ổ bi trước và sau làm bằng vật liệu gốm Si3N4.
Phần trước và sau của cụm cấu thành từ những ổ bi gắn nối tiếp đảm bảo độ cứng
lớn. Các tác giả tiến hành xây dựng mơ hình thực nghiệm của hệ thống bơi trơn
cho ổ bi bằng phương pháp khí – dầu như hình bên dưới.

Hình 1.15 Thực nghiệm thiết lập hệ thống bơi trơn cho cụm trục chính máy mài siêu
tốc[8]

Hình 1.15 mơ tả mơ hình thực nghiệm. Cặp nhiệt trở được sử dụng để đo
nhiệt độ vịng ngồi ổ bi. Cơng suất trục chính được đo bằng một am pe kế. Cảm
biến loại điện dung để đo sự dịch chuyển. Độ rung được kiểm tra bằng màn hình
cân bằng SB-7001.
Kích cỡ của lớp dầu bôi trơn được đo bằng phương pháp điện dung. Vịng
trong và ngồi của ổ bi được sử dụng như 2 cực của 1 tụ điện và lớp dầu là nơi tích
trữ điện. Sự thay đổi của lớp dầu ảnh hưởng tới điện dung tụ, số liệu này sẽ được
thu thập và chuyển đổi thành dạng điện áp.
Thiết kế đặc biệt của van trộn tối ưu việc bôi trơn và làm mát thông qua
việc cung cấp 0,03 cc dùng cao áp trong mỗi 8 phút vào dòng khi nén. Một buồng
nhỏ trong vỏ cụm trục chính sẽ giữ lại khí ngưng tụ.
11


Thơng số kỹ thuật của cụm trục chính được mơ tả trong Bảng 1.1
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cụm trục chính [8]


Khả
năng

Kết
cấu

Cơng suất (kW)
Tốc độ bánh mài (m/s)
Kích thước bánh mài
(đường kính x bề rộng) (mm)
Vật liệu ổ bi
Cách bố trí ổ bi

Độ
cứng

Bơi trơn
Dung tích khí-dầu
Bộ thu hồi dầu ngưng tụ
Vỏ bảo vệ nhiệt
Độ cứng ở mặt đĩa mài (N/µm)
Độ cứng trục (N/µm)

10
210
200 x 20
Si3N4
Nối tiếp và nén trước
nhẹ
Loại sương khí – dầu

0,08 cc/ 8 phút
có
Cả 2 đầu
84 đến 101
84 đến 87

Thêm vào đó, để đảm bảo tính liên tục cho hoạt động, cụm trục chính được
dẫn động bởi một động cơ xoay chiều lồng sóc cơng suất 10 kW, làm mát bằng hệ
thống chất lỏng bao bọc kín xung quanh. Động cơ điều khiển bằng biến tần.
1.3.2.1. Xây dựng cơng thức

Hình 1.16 Bơi trơn bằng sương với hệ thơng bi[8]

Xét ổ bi có đường kính bi là “d”, quay với tốc độ V trong đường kính quay
là “D”. Bi quay quanh nó với vận tốc là “v”. Hỗn hợp khí – dầu được phun qua
một vịi phun có đường kính là “a” từ một khoảng cách “l” tới ổ bi.
12


Sự trao đổi nhiệt trong hệ thống bơi trơn khí dầu được giải thích theo Hình
1.16.

Dựa vào các thơng số thực tế của ổ bi loại 7010A, các tác giả thu được cơng
thức tính tổng nhiệt sinh ra tỉ lệ với tốc độ quay của trục theo hàm bậc 2:
PT 1.1
H f = b (0,0016 f .P + 0,00044b ) (J)
Trong đó:

b : tốc độ quay của trục chính (rad/s)


f: hệ số ma sát của bi và ca
P: Lực cắt (N)
Tổng nhiệt trao đổi do dẫn nhiệt, đối lưu và bay hơi xảy ra trong trục chính là:
PT 1.2
Q = 12,67 + (Tb − Tm )(0,0003.h + 0,004445) (J)
Trong đó: Tb: Nhiệt độ của bi (oC)
Tm: Nhiệt độ của hơi dầu (oC)
h: hệ số đối lưu (W/m2.oC)
Từ công thức trên ta nhận thấy nhiệt trao đổi phụ thuộc vào 2 biến số là hệ
số trao đổi nhiệt và chênh lệch nhiệt độ của ổ bi và hỗn hợp dầu – khí.
1.3.2.2. Kết quả thực nghiệm

Hình 1.17 Sự tăng nhiệt độ của cụm trục chính với sự áp dụng hệ thống bơi trơn khí
dầu[8]

Hình 1.18 Sự thay đổi chiều dày lớp dầu theo tốc độ trục chính[8]
13


Hình 1.19 Các thành phần trao đổi nhiệt trong trục chính[8]

1.3.2.3. Kết luận:
Hệ thống bơi trơn sương khí dầu đảm bảo 1 lớp dầu mỏng tại mọi tốc độ trong dải
thực nghiệm. Nhiệt do ma sát sinh ra tăng lên khi tốc độ tăng và sự đối lưu là yếu
tố chính của sự truyền nhiệt. Hệ thống đã có tác dụng giải nhiệt cho cụm trục chính.
Bên cạnh đó, hệ thống với hệ số DN – hệ số nhớt của chất bôi trơn phù hợp với ổ
bi cao hơn các phương pháp khác( 1,4.106 ) đã được kiểm chứng đạt hiệu quả cao.
Từ bài báo này, em có thể tham khảo phương pháp tính tốn nhiệt lượng tỏa ra và
nhiệt trao đổi của khí và dầu của các tác giả. Bên cạnh đó, mơ hình thực nghiệm
của các tác giả giúp em có tư liệu tham khảo để lựa chọn loại trục chính khảo sát,

phương pháp lựa chọn các thiết bị giám sát đo lường, cách bố trí thiết bị cho hệ
thống.
1.3.3 Phân tích thực nghiệm và mơ hình sự ảnh hưởng các thơng số
bơi trơn khí dầu đến ma sát ổ bi của trục chính cao tốc
Shengli Tian và các cộng sự (2019) [9] đề cập đến nghiên cứu ảnh hưởng của ma
sát trượt ổ bi đến hoạt động của cụm trục chính cao tốc. Các tác giả nhận thấy rằng,
các thông số bôi trơn sẽ ảnh hưởng đến tổn hao cản nhớt (VRL) bằng việc thay đổi
lượng chất bôi trơn vào ổ bi (XCAV). Mục tiêu của bài báo là xây dựng công thức
liên hệ giữa XCAV và các thông số lưu lượng chất bôi trơn, tốc độ trục và đường
kính bi. Để phù hợp với ứng dụng tốc độ cao, các tác giả sử dụng phương pháp bơi
trơn khí – dầu, phương pháp này vừa đem lại hiệu quả bôi trơn và làm mát. Các
tác giả sử dụng cả phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để tìm ra cơng thức. Mơ
hình thực nghiệm cũng kiểm nghiệm tác dụng của lưu lượng chất bơi trơn, áp lực
khí và tốc độ quay dựa trên sự tăng nhiệt ổ bi, lưu lượng khí và độ ồn.

14