VITME bi công nghiệp (Kỹ thuật cần phải biết)

Trong tất cả các loại vít me sử dụng trong công nghiệp, vít me bi là loại luôn dẫn đầu, nó có nhiều lợi ích hơn là những lựa chọn: vít me con lăn và vít me thông thường. Đạt hiệu quả ít nhất 90%, vít me bi là một phương pháp hiệu quả về mặt kinh tế trong việc chuyển đổi từ chuyển động quay sang chuyên động tịnh tiến. Nó có thể được sử dụng để di chuyển những tải lớn với tốc độ cao nhưng vẫn đảm bảo được độ chĩnh xác. Hơn thế nữa, vít me bi có thể hiệu quả về kinh tế hơn so với các hệ thống thay thế khác như: thủy lực và khí nén.

Trục vít me bi được chú ý bởi khả năng di chuyển tải trọng lớn kèm độ chính xác vượt trội. Trong trường hợp này, chúng được dùng trong các hệ thống pin năng lượng hướng theo chuyển động của mặt trời với trọng lượng rất lớn

 

1/ Vít me vi là gì?

Vít me bi là một cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng, chức năng chính là chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với lực ma sát rất thấp gữa các bộ phận trượt tương đối lên nhau: vít me, bi, con trượt (đai ốc trượt). Các viên bi di chuyển tuần hoàn bên trong trục và đai ốc trượt có rãnh dạng xoắn ốc, hoạt động với độ chính xác cao.

Cơ cấu vít me có thể sử dụng trong trường hợp tải lớn. Việc chế tạo đảm bảo dụng sai rất thấp để có thể sử dụng cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Các viên bi hoạt động khớp với đai đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên cây vít

1.1/ Cấu tạo của vít me bi

Một trục vít me bi bao gồm một trục xoắn và một con trượt khớp với nó, một trong hai có thể đóng vai trò là chi tiết di chuyển tịnh tiến. Vít me bi có cơ chế hoạt động tương tự với vòng bi, trong đó các hạt bi thép cứng di chuyển dọc theo một rãnh bi thông bên trong và ngoài.

2/ Phân loại

Thông thường các loại vít me bi bên ngoài thì trường thường được đặt tên theo các thông số: Đường kính trục ví, bước vít và hành trình

Ví dụ: 1204 – 100: 12 là đường kính trục vít (mm), 04 là bước (mm) và 100 là hành trình làm việc (mm)

2.1/ Phân loại vít

• Rãnh biên dạng chữ V: Sử dụng để định vị 2 bộ phận
• Rãnh vuông: Biên dạng chữ V được thay thế bằng rãnh vuông để tăng khả năng chịu tải. Được sử dụng trong vít kích nâng, vít trên máy tiện (Tiện ren),..
• Ren vít chặn: Đây là loại được sử dụng để giới hạn, chỉ cho phép di chuyển theo một hướng

2.2/ Phân loại ví me

• Vít me bi
• Vi me con lăn

3/ Nguyên lý hoạt động

Nhìn chung vít me bi hoạt động khá giống với ổ bi (bạc đạn), bi được làm bằng thép có độ cứng cao di chuyển trên rãnh bên trong hoặc bên ngoài.

Quá trình hoạt động bi sẽ quay liên tục trong rãnh đai ốc trượt và trục vít. Đây là một cơ cấu lặp lại tuần hoàn của các viên bi nên giúp các viên bi này luôn nằm bên trong.

Khi trục vít me bi quay, các viên bi thép sẽ di chuyển bên trong trục vít và đai ốc trượt ở các vị trị rãnh nhất định và sau đó di chuyển vào bên trong một ống để quay lại vị trí ban đầu, đây là cách mà bi bên trong vít me tuần hoàn.

4/ Một số thuật ngữ quan trọng trên vít me bi

Đường kính vòng bi: Đây là đường kính của đường tròn được tạo ra bởi tâm của các viên bi khi đã lắp ráp vào vít me và đai ốc trượt

Đường kính chân: Đây là đường kính tối thiểu của vít me được tính từ điểm dưới cùng của các rãnh ren.

Lưu ý: Cả loại 2 loại đường kính vòng bi và đường kính vòng chân đều quan trong khi tính toán thông số về đặc điểm và kích thước cho tải và tốc độ cực đại

Bước vít me: Đây là khoảng cách đai ốc trượt di chuyển được khi vít me quay một vòng. Ví dụ: Vít me bước 5mm quay 1000 vòng sẽ đi được một khoảng cách: 5mm/vòng x 1000 vòng/phút = 5000 mm/phút.

Độ lỏng: Đây là khoảng di chuyển trục giữ đai ốc trượt và vít me khí nó không xoay. Độ lỏng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của vít me bi.

Khử hành trình chết: Hành trình chết là độ lỏng trục hay nói cách là có tồn tại khe hở bên trong vít me. Tải trước là cách để khử hành trình chết và lực ma sát nhỏ nhất giúp tăng tuổi thọ cho vít me bi. Đây cũng là cách giúp đảm bảo độ chính xác bước vít me bi

Đầu mối ren là số lượng ren độc lập trên cùng một trục vít me. Các trục thường có 1, 2 hoặc 4 đầu mối ren, hình thành dạng xoắn bao quanh trục. Bước ren nhân với số đầu mối ren sẽ bằng với bước tiến.

Khả năng tải và tuổi thọ: Cần phải có một số xem xét về tải trọng khi sử dụng vít me bi. Ví dụ: Tải trong tĩnh là loại đơn giản và phải không vượt quá giới hạn khiến cho vít me và đai ốc trượt bị hư hỏng. Tải trọng động được sử dụng là loại lực dọc trục khi được sử dụng trên vít me bi

Lưu ý thử tải trước (preloading)

5/ Các tố cần quan tâm khi lựa chọn vít me bi

Để lựa chọn loại trục và con trượt bi phù hợp với ứng dụng cụ thể, các kỹ sư cần cần nhắc đến các yếu tố như tải trọng, tuổi thọ làm việc, tốc độ, kích thước và phần gá đặt. Ngoài ra vấn đề bôi trơn và môi trường làm việc cũng cần được chú ý. Sau đây sẽ mô tả rõ hơn về các yếu tố:

5.1/ Tải trọng và tuổi thọ

Các tải trọng khác nhau đều có ảnh hưởng nhất định đến trục và con trượt vít me bi. Ví dụ, tải trọng tĩnh đơn giản nhất, hệ thống vít me bi có thể hoạt động trơn tru miễn trong giới hạn tải của chúng.

Tải trọng động biến thiên khi tác động lên hệ thống chuyển động này, đều dẫn đến sự thay đổi về tuổi thọ làm việc. Đối với trục vít me hệ mét, tải trọng tính theo Newton, tuổi thọ có thể đạt 1 triệu vòng quay. Đối với trục vít me hệ inch, con số này là khoảng 1 triệu inch khoảng cách tịnh tiến.

Bởi thiết kế full thép, các nhà sản xuất đã phát triển các kỹ thuật giúp tính toán tuổi thọ của các trục vít me bi. Tuy nhiên, môi trường làm việc bụi bẩn, vấn đề bôi trơn, kỹ thuật lắp đặt đều có thể rút ngắn tuổi thọ của chúng. Nếu mục tiêu là tăng tuổi thọ của cơ cấu vít me, phương án hợp lý sẽ là lựa chọn loại có kích thước lớn hơn, chịu tải lớn hơn.

Kỳ vọng tuổi thọ, L, có thể được tính từ công thức sau:

Trong đó: L = tuổi thọ tính theo số vòng quay, C_a = hệ số tải trọng cơ bản, F_m = tải dọc trục tương đương (N), và f_w = hệ số bền mỏi

Để tính tải dọc trục tương đương, F_m,, sử dụng công thức:

Trong đó F_i = tải dọc trục (N); q_i = phần trăm hành trình khi chịu tải F_i; and n_i = Tốc độ quay khi chịu tải F_i (rpm).

n_m = Tốc độ quay tương đương (rpm) được tính bởi:

Lưu ý: Ngoài việc tính toán thủ công, các biểu đồ cho sẵn cũng giúp xác định tuổi thọ dễ dàng hơn.

Các loại trục vít me đều chịu được tải trọng nén và kéo. Tải nén có xu hướng nén lại hoặc ép trục vít, có thể khiến trục vít chạy sai lệch. Mặt khác, tải trọng kéo sẽ kéo dãn theo hướng dọc trục. Thường thì tải trọng nén sẽ là vấn đề gây khó dễ nhiều hơn, còn tải trọng kéo có thể kéo dãn trục và làm vỡ nó.

Có 3 loại con trượt bi thường dùng (từ trái qua phải) gồm loại thân trụ tròn có chốt, loại có mặt gá và loại ren chữ V. Loại có mặt gá là phổ biến nhất, đối với các nhà sản xuất OEM sẽ thường dùng loại thân trụ tròn có chốt. Loại ren chữ V được sản xuất tùy chỉnh để ăn khớp hoặc gắn liền với mặt gá.

Một điều quan trọng nữa cần lưu ý đó là trục vít me chỉ được thiết kế để chịu tải đẩy hoặc chuyển động dọc trục. Bất kỳ loại lực lật ngược hoặc tải ngang đều có thể rút ngắn tuổi thọ làm việc tới 90%.

5.2/ Vấn đề gá đặt

Việc xác định hướng tải trọng cũng như loại gá đặt sẽ giúp việc lựa trọn loại trục vít me chính xác hơn, người kỹ sư cần tính toán đến tốc độ đỉnh và độ đảo. Gối đỡ cố định hai đầu trục vít sẽ hỗ trợ quá trình chuyển động. Việc cố định đầu cuối chia làm 3 loại: tự do (không có gì đỡ); đơn (đỡ tại 1 điểm); và cố định (đảm bảo chắc chắn). Các gối đỡ đầu cuối giúp chuyển động ổn định và chắc chắn, nó cũng ảnh hưởng đến tốc độ đỉnh, tải dọc trục và hoạt động tổng thể.

Vòng bi nhiều cặp hoặc các cặp cách nhau sẽ giúp cứng vững nhiều hơn vòng bi đơn. Tuy nhiên, chúng cũng không hoàn toàn chắc chắn bởi đặc tính của chúng. Một trục vít me có thể được đỡ phần đầu bằng nhiều cách, ví dụ như:

• 1 đầu được đỡ bởi vòng bi 2 dãy, đầu còn lại tự do. Kiểu thiết kế này không được khuyến khích, ngoại trừ trường hợp di chuyển ngắn và tốc độ chậm
• 1 đầu được đỡ bởi vòng bi 2 dãy, đầu còn lại dùng vòng bi đơn
• Cả hai đầu đều dùng vòng bi 2 dãy
• Cả hai đầu đều dùng vòng bi 4 dãy. Lưu ý trong trường hợp này, trục vít hoàn toàn cứng vững và các phương án bảo dưỡng cần được thực hiện để đảm bảo độ ổn định.

5.3/ Tốc độ đỉnh

Là tốc độ mà có sự kích thích tần số quay tự nhiên của trục. Trục vít me sẽ cộng hưởng bất kể hướng vít hay con trượt trên trục vít.

Tốc độ đỉnh thay đổi theo đường kính, chiều dài không đỡ, cố định đầu cuối và tốc độ quay (rpm). Độ thẳng của trục và việc lắp ráp cũng đóng một vai trò, vì thế nhà sản xuất đề nghị tốc độ thực tối đa nên giới hạn bằng 80% tốc độ tối đa trên lý thuyết.

Tốc độ đỉnh, là tốc độ mà trục vít cộng hưởng, thay đổi theo chiều dài không đỡ, đường kính, cố định đầu cuối và tốc độ quay của trục.

Tính toán tốc độ đỉnh, n_cr, dưới dạng rpm theo công thức:

Trong đó L = khoảng cách giữa hai vị trí đỡ trục (mm); E = mô đun đàn hồi (2.05 × 10⁶ N/mm²; I = mô men diện tích bậc hai tối thiểu của mặt cắt trục (mm⁴), trong đó I = (πd_r⁴)/64; d_r = đường kính chân ren (mm); g = gia tốc trọng trường (9.81 × 10³ mm/sec²); γ = trọng lượng riêng (7.71 × 10^-5 N/mm³); and A = diện tích mặt cắt nhỏ nhất của tục vít (mm²), A = π d_r²/4.

Thêm vào đó, λ = một yếu tố xác định bởi phương pháp đỡ trục, trong đó:

• Một đầu đỡ bằng vòng bi đơn và đầu còn lại tự do, λ = 0.59π.
• Cả hai đầu đều được đỡ bằng vòng bi đơn, λ = π.
• Một đầu dùng vòng bi 2 dãy, 1 đầu dùng vòng bi đơn, λ = 1.25π.
• Hai đầu dùng vòng bi 2 dãy, λ = 1.49π.

Khi sử dụng các gối đỡ cố định ở hai đầu, các chuyên gia khuyến cáo nên tham khảo với kỹ sư của hãng sản xuất để xác định dung sai khoảng cách lắp ráp cuối cùng.

Lưu ý thử tải trước (preloading)

Preloading là kết quả của lực nội bộ giữa con trượt và trục vít, loại bỏ các lực dọc trục hay lash xuyên trục. Có 3 cách thức preloading:

• Phương pháp dùng con trượt đôi theo hai hướng ngược nhau bởi một miếng đệm, để không lắc lư khi đứng yên.
• Lead shifting – các nhà sản xuất dịch bước ren. Ví dụ, bước ren sẽ dịch từ 5.00mm đến 5.05mm để dịch các vòng bi bên trong con trượt. Phương pháp này thường được ưu tiên bởi tính đơn giản, nhưng lại làm giảm khả năng tải.
• Ball selection là phương án rẻ nhất bao gồm việc lựa chọn kích thước lớn hơn của ổ bi để tạo 4 điểm tiếp xúc giữa trục và con trượt. Điều này cho phép tải lớn hơn, nhưng ma sát sẽ làm giảm tuổi thọ nói chung.

5.4/ Tải trọng cột

Khi một trục vít me chịu tải đạt tới giới hạn đàn hồi, trục sẽ bị bẻ cong hoặc oằn lại. Để tính toán tải trọng cột, ta dùng:

F_c = (C × π² × E × I)/L²

Trong đó F_c = tải dọc trục bẻ cong (N); and C là yếu tố được xác định bởi cách đỡ trục:

• Một đầu đỡ bằng vòng bi đơn và đầu còn lại tự do, C = 0.25.
• Cả hai đầu đều được đỡ bằng vòng bi đơn, C = 1.
• Một đầu dùng vòng bi 2 dãy, 1 đầu dùng vòng bi đơn, C = 2.
• Hai đầu dùng vòng bi 2 dãy, C = 4.

Nếu việc lựa chọn vít me không đáp ứng yêu cầu về lực-tải, cần xem xét các phương án sau:

• Thay đổi cách đỡ trục, ví dụ từ vòng bi đơn sang vòng bi 2 dãy.
• Thiết kế cách thức dùng trục khi chịu lực căng.
• Tăng đường kính trục.

Lưu ý: Cũng có thể các dạng biểu đồ để tính toán

6/ Yếu tố cần xem xét khi sử dụng vít me bi

Để lựa chọn đúng loại vít me bi đúng vào các mục đích, những người kỹ sư thiết kế cần phải xem xét các yếu tố trong thiết kế như: tải, tốc độ, chiều dài, tuổi thọ, số lượng. Ngoài ra còn phải xét đến các yếu tố như bôi trơn và môi trường.

Độ chính xác: Bởi vì nhà sản xuất sử dụng nhiều quá trình khác nhau để sản xuất vít me vi nên người kỹ sư có nhiêu lựa chọn về độ chính xác tương thích với giá thành.

• Trục vít ren cán được sản xuất theo quy trình sử dụng rotating dies để làm biến dạng các thanh kim loại dạng trong và tạo ra các đường ren xoắn. Đây là phương thức sản xuất hiệu quả về kinh tế, nhưng thường thì các sản phẩm này đều có độ chính xác thấp hơn so với loại trục vít tiện tròn.
• Trục vít tiện tròn được sản xuất từ quá trình đĩa mài cắt tạo ren trên vật liệu đã tôi cứng. Kết quả là, độ chính xác bước ren tốt hơn nhiều so với loại trục vít ren cán. Trục vít tròn thường được tin dùng hơn trong ngành hàng không, bởi các đường nét gần với đường kính chính của trục được cho là có khả năng phân tán các vết nứt.

Ví dụ: Vít me cuộn được sản xuất trong một quy trình sử dụng khuôn xoay để tạo hình những cuộn kim loại trọn (dạng trục) và tạo các ren xoắn ốc. Đây là phương pháp gia công hiệu quả về mặt kinh tế, nhưng nó lại có độ chính xác thấp

Khả năng tự giữ (Backdriving): Khi tải trên vit me, một điều quan trọng cần phải nhớ đến là khả năng tự giữ. Vít me mất khả năng tự giữ xảy ra khi động cơ bị tắt và tải trọng lớn. Để tránh hiện tượng này, người sử dụng có thể sử dụng loại động cơ có phanh (thường là phanh từ) hoặc có thể thiết kế những vị trí an toàn. Với một số loại ren đặc thù có thể đảm bảo khả năng tự giữ.

Môi trường làm việc: Bởi vì vít me vi thường xuyên hoạt động trong môi trường bụi bẩn và có nhiều mãnh vụn nên nhà sản xuất đã thiết kế vít me tránh những hạt nhỏ rơi vào bên trong. Bên ngoài vít me thường được bao bọc bởi một lớp crom hoặc mạ niken như một lớp bảo vệ đầu tiên.

• Một lựa chọn khác là trang bị cho vít me bi các ống bọc bao phủ toàn bộ trục và ngăn hoàn toàn bụi bặm. Khi con trượt đi qua, ống bọc sẽ mở rộng và co lại. Ống bọc có nhiều chất liệu khác nhau phù hợp với mọi yêu cầu từ tải nhẹ đến tải cực nặng.
• Cần gạt cho một cách bảo vệ khác. Cần gạt con trượt làm bằng nỉ hoặc nhựa sẽ lau chùi tất cả bụi bẩn và các mảnh nhỏ khác bám trên trục.

Bôi trơn: Vít me bi được sử dụng rất rộng rãi và độ tùy biến rất cao, vì vậy không có một lợi khuyên cụ thể nào cho việc sử dụng chất bôi trơn. Tuy nhiên, các yếu tố như: Tần suất sử dụng, nhiệt độ, tốc độ là những xem xét cơ bản đối với việc lựa chọn chất bôi trơn. Trong khi dầu hoặc mỡ phù hợp với hầu hết các ứng dụng nhưng đối với vít me bi cần phải tránh những loại bôi trơn có chứa molydisulfide (Đây là hợp chất của Molypden và lưu huỳnh) và than chì. Một điều quan trọng luôn phải nhớ là phải đảm bảo vít me được bôi trơn giữa các bộ phận: trục vít me, bi và đai ốc trượt