Vấn đề mà các công ty chế tạo máy công cụ phải đối mặt khi thiết kế trục chính, là việc lựa chọn vòng bi có sự cân bằng tối ưu giữa tốc độ, khả năng chịu lực, độ cứng và độ chính xác – bốn yếu tố hiệu suất ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian chu kỳ và chất lượng của bộ phận.

Các vòng bi có thể giảm thiểu thời gian chu kỳ và tối đa hóa chất lượng thiết bị, sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lợi nhuận ròng của doanh nghiệp.

Thời gian chu kỳ được quyết định bởi tỷ lệ loại bỏ vật liệu (MRR – material removal rate) hoặc lượng vật liệu có thể loại bỏ trên một đơn vị thời gian. Tỷ lệ MRR bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ cấp liệu của dao phay, hoặc tốc độ bề mặt của mảnh dao tiện, cả hai đều xác định tốc độ tuyến tính mà dụng cụ di chuyển qua vật liệu.

Tốc độ bề mặt nhân với chiều rộng và chiều sâu của vết cắt xác định tốc độ loại bỏ vật liệu theo thể tích. Giả sử dao cắt/ mảnh dao hoặc vật liệu phôi không phải là các yếu tố hạn chế, tốc độ, khả năng chịu lực và độ cứng của trục chính đều ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ.

Chất lượng chi tiết được xác định bởi độ chính xác (dung sai hình học) và độ hoàn thiện bề mặt hoặc độ nhám. Độ chính xác tuyến tính và độ chính xác quay của vị trí phôi và dao cắt đóng vai trò quyết định các đặc điểm này, tuy nhiên, trục chính là yếu tố lớn nhất khi xem xét chất lượng của chi tiết. Độ chính xác của vòng bi chính quyết định dung sai của phôi trong khi độ cứng ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện.

Bề mặt hoàn thiện có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng rung, đó là sự cộng hưởng giữa tần số tự nhiên của trục chính và sự kích thích hình sin của quá trình cắt/ tiện. Độ cứng tăng làm tăng tần số tự nhiên và giảm biên độ dao động của cộng hưởng.

Vòng bi tiếp xúc góc chính xác (ACBB – angular contact ball bearings) là loại vòng bi phổ biến nhất được sử dụng trong trục chính máy công cụ do chi phí, tính khả dụng và khả năng tốc độ của chúng. Tuy nhiên, lợi ích của xếp hạng tốc độ cao của chúng bị bù đắp bởi công suất và độ cứng thấp hơn khi so sánh với vòng bi lăn. Vòng bi ACBB thường được sử dụng theo bộ đôi ở phía trước và phía sau của trục chính. Các bộ gồm ba, bốn vòng bi ACBB hoặc nhiều hơn khi tải cắt và/ hoặc truyền động được áp dụng vượt quá công suất của một bộ đôi.

Vòng bi đũa (CRB – cylindrical roller bearings) NN30 hai dãy chính xác, thường gặp ở các trục chính nơi tải trọng hướng tâm khá lớn so với ACBB nhưng yêu cầu tốc độ thấp. Có thể thêm vòng bi ACBB để chịu lực đẩy. Tốc độ sẽ bị ảnh hưởng do sự tỏa nhiệt của bốn dãy vòng bi ở phía trước trục chính.

Vòng bi côn (TRB – tapered roller bearings) chính xác, cung cấp cho nhà thiết kế trục chính một tùy chọn vòng bi chính có yêu cầu tải nằm giữa vòng bi ACBB và vòng bi CRB. Giống như vòng bi ACBB, vòng bi TRB có thể xử lý tải trọng hướng tâm và lực đẩy kết hợp, chỉ nặng hơn. Vì vòng bi CRB chuyên xử lý tải trọng hướng tâm nặng hơn, nên có những ứng dụng mà đây là giải pháp tối ưu mặc dù cấu trúc phức tạp.

Trục chính vòng bi TRB thường chỉ bao gồm hai hàng vòng bi, trong khi vòng bi ACBB và vòng bi CRB thường có hai hoặc nhiều hàng ở mỗi đầu. Thiết kế vòng bi TRB giúp giảm 50% số lượng vòng bi được sử dụng khi so sánh với vòng bi ACBB và vòng bi CRB. Tuy nhiên, ngay cả khi giảm số lượng hàng vòng bi được sử dụng trong trục chính, vẫn phải cân nhắc đến tính tỏa nhiệt khi thiết kế vòng bi TRB.

Chuỗi bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn lựa chọn, cấu hình và bôi trơn vòng bi côn cấp độ chính xác (TRB Precision Class), là loại vòng bi chính dành cho các loại máy công cụ tốc độ cao. Quá trình lựa chọn vòng bi TRB phù hợp dựa trên các đặc điểm vòng bi chính liên quan đến tải trọng và tốc độ của ứng dụng sẽ được trình bày trước, sau đó là đánh giá cấu hình vòng bi, trục và khớp nối vỏ, dạng hình học và lắp đặt phù hợp. Cuối cùng, hướng dẫn lựa chọn chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn phù hợp.

Cần lưu ý rằng thông tin được trình bày ở đây nhằm mục đích cung cấp hiểu biết về cách lựa chọn, lắp đặt và bôi trơn vòng bi. Cần tham khảo ý kiến ​​của nhà cung cấp vòng bi để xác thực và hoàn thiện các thông số này.

Hiểu về thiết kế vòng bi côn (TRB)
Thiết kế cơ bản của vòng bi TRB là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng máy công cụ khi tải trọng cắt hoặc tiện nặng. Hiểu một số nguyên tắc cơ bản về cách vòng bi TRB hoạt động là chìa khóa để lựa chọn thiết kế tối ưu cho ứng dụng. Khi lựa chọn vòng bi TRB chính xác dành cho máy công cụ, có một số tính năng chính cần được hiểu bao gồm thiết kế và hoạt động cơ bản của chúng, hệ số K, các cấp độ chính xác và số hiệu bộ phận bao gồm cả chuỗi vòng bi.

Thiết kế và hoạt động cơ bản của vòng bi côn (TRB)
Vòng bi TRB chuyển động lăn từ các con lăn do thiết kế ở vị trí đỉnh. Điều này cho phép vòng bi hoạt động ít tỏa nhiệt hơn với độ cứng và độ chính xác được cải thiện, như thể hiện trong Hình 1A.

Hình 1A: Thiết kế con lăn trên đỉnh tạo ra chuyển động lăn tại mọi điểm dọc theo thân con lăn

Chuyển động lăn là kết quả của hai đặc điểm thiết kế, độ côn của con lăn và sự tiếp xúc giữa bề mặt hình cầu được mài trên đầu lớn của con lăn và gờ rãnh. Khi hai vòng bi TRB trên một hàng được lắp gián tiếp như thể hiện trong hình 1B, độ phân tán tối ưu là khi đỉnh của chúng giao với đường tâm trục tại cùng một vị trí.

Hình 1B: Độ lan truyền tối ưu cho cấu trúc 2TS-IM

Kết quả là không có sự trượt tương đối giữa các con lăn và rãnh lăn đảm bảo tốc độ bề mặt của con lăn và rãnh lăn là như nhau tại mọi điểm dọc theo thân con lăn. Dạng thân côn của con lăn tạo ra lực giữa đầu hình cầu và gờ rãnh lăn ngăn không cho các con lăn bị lệch, như thể hiện trong hình 2.

Hình 2: Lực phản ứng của vòng bi chịu lực kết hợp giữa vòng bi và hướng tâm

Hệ số K
Các rãnh lăn góc cạnh cho phép vòng bi côn chịu lực hướng tâm và lực đẩy kết hợp. Góc trong của vòng ngoài côn “anpha” xác định khả năng chịu lực hướng tâm và lực đẩy của vòng bi và tương tự trực tiếp với góc tiếp xúc của vòng bi ACBB. Hệ số K dùng để định lượng góc trong của vòng ngoài côn “anpha” theo khả năng chịu lực hướng tâm so với trục. Hệ số K được định nghĩa đơn giản là tỷ lệ giữa lực hướng tâm động cơ bản C90 chia cho lực đẩy động cơ bản Ca90 của vòng bi một dãy, hoặc có thể tính trực tiếp từ góc trong của vòng ngoài côn như minh họa trong hình 3.

Hình 3: Hệ số K

Hệ số K càng nhỏ, góc vòng bi càng dốc và vòng bi càng nghiêng về lực đẩy so với khả năng xuyên tâm. Ví dụ, vòng bi có hệ số K nhỏ hơn 1.0 sẽ có lực đẩy so với định mức xuyên tâm cao hơn, trong khi vòng bi có hệ số K lớn hơn 1.0 sẽ có định mức xuyên tâm so với định mức lực đẩy cao hơn. Định mức tải, định mức tốc độ và phạm vi đường bao của vòng bi là ba đặc điểm thiết kế quan trọng nhất khi lựa chọn vòng bi. Hệ số K từ 1.00 đến 1.80 được ưu tiên cho các máy công cụ, trong đó tốc độ là mối quan tâm chính.

Hiểu về các cấp độ chính xác của vòng bi côn (TRB)
Các hiệp hội quản lý kỹ thuật kiểm soát các tiêu chuẩn xác định các lớp dung sai vòng bi là Hiệp hội các Nhà sản xuất Vòng bi Mỹ (ABMA – American Bearing Manufactures Association) và Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO – International Organization for Standardization). Tiêu chuẩn ABMA 19.2 kiểm soát các cấp độ chính xác cho vòng bi TRB theo hệ inch trong khi ISO 492 kiểm soát chúng trong hệ mét. Lớp dung sai càng cao thì độ lệch cho phép so với danh nghĩa đối với hình dạng vòng và rãnh cụ thể càng nhỏ.

Có ba lớp dung sai độ chính xác được xác định theo tiêu chuẩn cho cả vòng bi hệ mét (P5/C, P4/B & P2/A) và vòng bi hệ inch (3, 0 và 00). Ngoài ra còn có một tiêu chuẩn riêng của công ty Timken vượt xa dung sai ISO/ ABMA đối với vòng bi TRB được chỉ định là Precision PlusTM cho cả hệ inch (000) và hệ mét (AA), như thể hiện trong bảng 1.

Bảng 1: Hiểu về cấp độ chính xác

Việc chọn cấp độ chính xác, hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng và các yêu cầu cụ thể của ứng dụng đó. Bảng 2 cung cấp một số hướng dẫn chung để lựa chọn loại độ chính xác so với loại máy.

Bảng 2: Ứng dụng máy công cụ so với cấp độ chính xác.

Sự khác biệt giữa độ chính xác và tiêu chuẩn cho bất kỳ loại vòng bi nào là dung sai vỏ vòng bi (đường kính trong, đường kính ngoài và chiều rộng) cùng với độ lệch lắp ráp của vòng bi. Tuy nhiên, có một số thông số thiết kế vòng bi chính không được ABMA 19.2 và ISO 492 kiểm soát có tác động đáng kể đến hiệu suất của vòng bi – đặc biệt là trong các máy công cụ.

Những khác biệt này bao gồm bề mặt hoàn thiện, hình dạng con lăn và các kích thước con lăn (RSV – roller-size variation) đều có tác động đáng kể đến hiệu suất.

Các vòng bi TRB cấp độ chính xác có bề mặt rãnh và con lăn tốt hơn so với các sản phẩm loại tiêu chuẩn. Các vòng bi TRB cấp độ chính xác thường được lắp đặt ở chế độ tải trước và chạy ở tốc độ cao. Độ nhám bề mặt thấp của các vòng bi TRB cấp độ chính xác, dẫn đến tiếng ồn và độ rung thấp hơn so với các sản phẩm loại tiêu chuẩn.

Con lăn trong vòng bi TRB cấp độ chính xác được thiết kế nhằm tạo ra độ cứng của vòng bi cao hơn từ 15 đến 25% khi so với các sản phẩm tiêu chuẩn. Độ cứng cao hơn mang lại chất lượng cắt tốt hơn và cho phép trục chính cắt sâu hơn và tốc độ nạp cao hơn, dẫn đến độ hoàn thiện chi tiết tốt hơn và tốc độ sản xuất cao hơn. Vòng bi TRB có các kích thước con lăn RSV được kiểm soát chặt chẽ hơn, dẫn đến độ lệch không đồng bộ hoặc không lặp lại thấp hơn nhiều, dẫn đến dung sai chi tiết và độ hoàn thiện bề mặt tốt hơn.

Số hiệu và số sê-ri của vòng bi TRB
Hệ thống số hiệu của vòng bi TRB hướng tâm một dãy (loại TS) được phân loại theo hệ mét hoặc hệ inch, cả hai đều được công nhận trên khắp thế giới. Vòng bi hệ inch thường được gán số hiệu riêng cho vòng trong và vòng ngoài, trong khi vòng bi ISO (hệ mét) được gán số hiệu duy nhất cho cụm vòng bi, bao gồm cả vòng trong và vòng ngoài.

Trong mỗi hệ thống số hiệu này, đều tồn tại hệ thống đánh số năm phần, như thể hiện trong hình 4. Vì vòng bi trong bất kỳ hệ thống nào trong số này đều có thể được cung cấp theo một cấp độ chính xác nào đó, nên việc hiểu được sự khác biệt giữa chúng là rất hữu ích.

Hình 4: Tiêu chuẩn đánh số hiệu

Trước khi đi sâu vào hệ thống đánh số, điều quan trọng là phải hiểu ý nghĩa của chuỗi vòng bi. Trong tất cả các hệ thống đánh số hiệu, thuật ngữ chuỗi vòng bi được sử dụng để mô tả các vòng bi có cùng dạng hình học bên trong cơ bản (ví dụ: kích thước con lăn, góc vòng trong và vòng ngoài). Bất kỳ vòng trong nào (bao gồm cả bộ con lăn) đều có thể khớp với bất kỳ vòng ngoài nào trong cùng một chuỗi miễn là sử dụng cùng loại vòng bi.

Hệ thống ban đầu do công ty Timken phát triển dựa trên một dòng sản phẩm vòng bi được thiết kế xung quanh một con lăn chung. Việc thay đổi số lượng con lăn và góc của rãnh lăn cho phép thiết kế các vòng bi khác nhau cho tải trọng hướng tâm chính (góc nông) hoặc tải trọng đẩy (góc dốc). Ví dụ, tất cả các vòng bi côn trong dòng sản phẩm (sê-ri) 500 đều sử dụng cùng một con lăn. Tuy nhiên, sê-ri 595 có góc dốc và 24 con lăn, trong khi sê-ri 525 có góc nông và 15 con lăn. Không thể xác định bất kỳ thông tin nào trong số này, nếu không có tài liệu hoặc danh mục sản phẩm (catalog) vòng bi.

Hệ thống số hiệu hệ inch, hiện tại được hiệp hội ABMA phát triển để giải quyết tình trạng mở rộng về số lượng ứng dụng mới và thiết kế vòng bi côn. Hệ thống đánh số hiệu này đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế cho vòng bi hệ inch và chỉ được áp dụng cho các dòng vòng bi mới được thiết kế sau khi giới thiệu.

Các hệ thống đánh số hiệu khác cũng đang được sử dụng bao gồm các hệ thống dựa trên hệ thống đánh số ban đầu và các số hiệu độc quyền cho các vòng bi đặc biệt. Số hiệu của hiệp hội ABMA được chia thành năm phần chữ số và chữ cái, được mô tả trong hình 5.

Hình 5: Hệ thống số hiệu hệ inch của hiệp hội ABMA.

Mục 1 và 2 của bảng hệ thống số hiệu này có tầm quan trọng nhất khi lựa chọn vòng bi theo hệ thống đánh số hệ inch của hiệp hội ABMA. Tiền tố của chuỗi mục 1 bao gồm một hoặc hai chữ cái chỉ định lớp chức năng mà vòng bi được thiết kế, xem hình 6 (bên trái). Vòng bi loại L & LL có tiết diện mỏng nên được xem xét trước tiên khi tốc độ là mối quan tâm do tiết diện nhỏ hơn và tỏa nhiệt ít hơn. Mục 2 là mã hóa góc (1 – 9) được xác định theo góc trong của vòng ngoài. Ký hiệu góc càng nhỏ thì hệ số K càng cao, xem hình 6.

Hình 6: Phần 1 – Lớp chức năng

Hình 6: Phần 2 – Chỉ định góc

Một số mã hiệu của hiệp hội ABMA (hệ inch) được thiết kế với kích thước đường bao theo hệ mét. Tiền tố J được sử dụng kết hợp với hệ thống mã số hiệu ABMA để xác định vòng trong và vòng ngoài có kích thước theo hệ mét và dung sai.

Tiền tố J được hiển thị trước các chữ cái tiền tố ABMA. Vòng bi J-Line được gọi là vòng bi hệ inch với đường kính trong, đường kính ngoài và chiều rộng theo hệ mét. Các phần từ 1 đến 5 giống với bảng hệ thống đánh số hiệu hệ inch của hiệp hội ABMA.

Hình 7: Bảng hệ thống đánh số hiệu dòng J.

Một loạt các vòng bi hệ mét ban đầu được công ty Timken thiết kế cũng được đưa vào ISO 355 và được xác định bằng tiền tố J, biểu thị vòng bi có kích thước và dung sai hệ mét, như thể hiện trong hình 8. Phần 1 là ký hiệu chức năng, phần 2 là đường kính vòng trong tính bằng milimét và phần 3 là ký hiệu thành phần (hình nón, hình côn, hình côn có bích,…)

Hình 8: Bảng hệ thống đánh số hiệu tiền tố J

Các vòng bi này được thiết kế chuyên biệt cho từng ứng dụng và có hiệu suất tối ưu, như được chỉ định bởi ký hiệu “Duty” trong hình 9.

Hình 9: Chỉ định chức năng

Tùy thuộc vào ứng dụng và loại tải, lực đẩy và/ hoặc hướng tâm, có thể chọn vòng bi có góc và tiết diện tối ưu. Ví dụ, vòng bi bánh răng có góc dốc (loại S và T chịu lực hệ mét) trong khi vòng bi dành cho máy công cụ thường được thiết kế với góc nông và tiết diện nhẹ (loại P chịu lực hệ mét), xem hình 10.

Hình 10: Chức năng hệ mét J-type P (trái), so với S và T (giữa và phải)

Hệ thống đánh số hiệu theo hệ mét ban đầu cho vòng bi côn dựa trên ISO “15 dimensional” cho vòng bi hướng tâm. Một số hiệu có năm chữ số bắt đầu bằng số “3” mô tả cụm vòng bi côn (vòng trong và vòng ngoài), xem hình 11.

Hình 11: Mã số có năm chữ số, bắt đầu bằng “3” mô tả cụm vòng bi côn (vòng trong và vòng ngoài)

Hình 11: Hệ thống đánh số hiệu theo hệ mét ban đầu cho vòng bi TRB dựa trên ISO “15 dimensional” dành cho vòng bi hướng tâm

Hình 11: Bảng hệ thống đánh số hiệu ISO ban đầu

Vì các kích thước do tiêu chuẩn quốc tế ISO 15 đưa ra không được coi là tối ưu cho vòng bi côn, ISO đã giới thiệu một hệ thống đánh số mới cho vòng bi côn trong ISO 355, xem hình 12. Hệ thống đánh số của ISO 355 sử dụng ba trường chữ số chữ cái để xác định một dãy kích thước. Sau đó, số hiệu vòng bi được xác định bằng cách thêm đường kính vòng trong tính bằng mm sau dãy kích thước. Mặc dù các số hiệu hệ mét ban đầu đã được chỉ định một ký hiệu mới trong ISO 355, nhưng số hiệu ban đầu vẫn được sử dụng.

Hình 12: Hệ thống đánh số hiệu theo ISO 355

Hiểu được hệ thống đánh số hiệu là điều quan trọng khi tìm kiếm vòng bi TRB tối ưu cho các máy công cụ, vì nó xác định được loại vòng bi phù hợp nhất. Điều này đặc biệt có lợi, vì tính khả dụng trong lớp chính xác mong muốn có thể bị hạn chế, do đó, việc có nhiều lựa chọn sẽ làm tăng khả năng tìm được vòng bi đáp ứng cả yêu cầu về ứng dụng và thời gian giao hàng.

Để xem các tin bài khác về “Vòng bi”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: American Machinist