Máy công cụ giữ một vai trò không thể thiếu trong quá trình sản xuất các sản phẩm công nghiệp. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp và tiến bộ công nghệ, yêu cầu về hiệu năng của máy công cụ ngày càng được nâng cao.

Xu hướng phát triển của máy công cụ

Trong những năm gần đây, lĩnh vực máy công cụ đã có nhiều bước tiến rõ rệt, đặc biệt là sự phát triển của các dòng máy gia công đa nhiệm với số trục ngày càng tăng. Trước đây, máy công cụ chủ yếu chỉ có ba trục tịnh tiến (X, Y, Z). Hiện nay, trên thị trường đã xuất hiện các máy 5 trục, được bổ sung thêm hai trục gồm trục quay của phôi và trục nghiêng, cũng như các máy gia công đa nhiệm tích hợp thêm chức năng tiện.

Trước đây nhiều công đoạn vốn phải thực hiện trên nhiều máy khác nhau nay có thể được tích hợp vào một máy gia công duy nhất, đó chính là máy gia công đa trục, đa nhiệm, không chỉ nâng cao độ chính xác gia công và năng suất, còn giúp tiết kiệm diện tích nhà xưởng, chi phí quản lý.

Yêu cầu về hiệu năng đối với các bộ phận quay

Độ cứng vững và độ chính xác là những yêu cầu quan trọng hàng đầu đối với các bộ phận quay trong máy gia công, bởi chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công của chi tiết. Với các máy công cụ đa trục như máy gia công 5 trục, số lượng trục tăng lên đồng nghĩa với việc sai lệch và dịch chuyển của các bộ phận quay có xu hướng cộng dồn, khiến yêu cầu về độ cứng và độ chính xác của từng bộ phận trở nên khắt khe hơn.

Vì lý do đó, mỗi bộ phận quay đều phải đạt độ cứng vững cao và độ chính xác vượt trội. Hơn nữa với các máy gia công tích hợp chức năng tiện, trục quay phải làm việc ở tốc độ cao trong khi vẫn mang theo phôi, nên các bộ phận quay trên những trục này còn cần có khả năng vận hành ổn định ở tốc độ cao.

Trong bài viết này, Temas sẽ giới thiệu các giải pháp của THK gồm Vòng bi con lăn chéo và hai dòng Vòng bi đôi tiếp xúc góc, cụ thể là Vòng bi đôi tiếp xúc góc Model RW và Vòng bi đôi tiếp xúc góc tốc độ cao Model BWH, những sản phẩm này được thiết kế tối ưu để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của máy công cụ hiện đại.

Cấu tạo và đặc điểm của vòng bi con lăn chéo

Vòng bi con lăn chéo là loại vòng bi quay có độ cứng vững rất cao, có khả năng chịu tải hướng kính (hướng vuông góc với trục quay), tải dọc trục và mô men từ mọi hướng chỉ với một vòng bi duy nhất. Các con lăn được bố trí vuông góc với nhau, làm việc theo cấu trúc tiếp xúc 45°, nhờ đó vừa đảm bảo chuyển động quay mượt, vừa đạt độ cứng cao.

Giữa các con lăn có vòng cách (spacer retainer), giúp giảm ma sát giữa các bi và duy trì độ ổn định chuyển động trong thời gian dài.

Với các loại vòng bi như vòng bi tiếp xúc góc hoặc vòng bi côn, để chịu được mô men thường phải kết hợp từ hai vòng bi trở lên. Điểm nổi bật của vòng bi con lăn chéo là chỉ cần một vòng bi duy nhất vẫn có thể đạt được khả năng chịu tải tương đương, dạng này thường có kết cấu mỏng và nhẹ hơn đáng kể.

Nhờ những ưu điểm đó vòng bi con lăn chéo được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống cần độ cứng cao và không gian lắp đặt hạn chế, như trục quay và khớp nối của robot, cũng như trục quay và trục nghiêng trong các máy gia công.

Cấu tạo và đặc điểm của vòng bi đôi tiếp xúc góc Model RW

Vòng bi đôi tiếp xúc góc Model RW được phát triển với mục tiêu tạo ra một vòng bi quay có kích thước nhỏ gọn tương đương vòng bi con lăn chéo, nhưng cũng đồng thời đạt độ cứng vững và độ chính xác cao.

So sánh độ cứng vòng bi con lăn chéo và vòng bi đôi tiếp xúc góc

So với vòng bi con lăn chéo chỉ có một rãnh lăn, Model RW được thiết kế với hai rãnh lăn và sử dụng cấu trúc DB (Double Back-to-Back). Cấu trúc này có hai rãnh lăn (raceway grooves) và góc tiếp xúc (contact angle) là 45 độ, giúp vòng bi chịu được tải trọng hướng tâm, tải trọng dọc trục và mô-men từ mọi hướng.

Bên cạnh đó, vòng bi dùng con lăn có đường kính nhỏ hơn, bố trí số lượng con lăn nhiều hơn, giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa con lăn và rãnh lăn. Nhờ vậy, độ dịch chuyển khi chịu tải được giảm đáng kể, đồng thời áp lực tiếp xúc trên bề mặt rãnh lăn và con lăn cũng thấp hơn.

Một khác biệt quan trọng nữa so với vòng bi con lăn chéo là: ở vòng bi con lăn chéo, vòng trong hoặc vòng ngoài thường được tách rời theo phương dọc trục, trong khi Vòng bi đôi tiếp xúc góc Model RW có cả vòng trong và vòng ngoài đều là kết cấu nguyên khối, không chia tách. Thiết kế liền khối này giúp gia tăng độ cứng tổng thể, giảm biến dạng ngay cả khi chịu tải lớn. Chính nhờ cấu trúc này mà Model RW đạt độ cứng gấp đôi so với vòng bi con lăn chéo có cùng kích thước.

Ngoài độ quay chính xác, vòng bi đôi tiếp xúc góc Model RW còn được quy định thêm một chỉ tiêu quan trọng là “độ chính xác lắc” (wobbling accuracy). Đây là chỉ tiêu thể hiện độ đảo tại vị trí gần với điểm gia công thực tế của phôi, được xác định dựa trên vị trí gia công dự kiến phía trên trục quay và vị trí đo.

Vị trí đo độ đảo (A) được xác định tại độ cao bằng đường kính vòng chia của con lăn (B). Có thể hình dung rằng, khi vòng trong của vòng bi quay trong trạng thái nghiêng, giống như chuyển động chao đảo của con quay, thì các vị trí thấp gần vòng bi sẽ ít bị ảnh hưởng, trong khi sai lệch sẽ tăng lên rõ rệt ở các vị trí cao hơn.

Do Model RW có số lượng con lăn nhiều hơn, nên ảnh hưởng của sai lệch giữa các con lăn giảm đi đáng kể, cải thiện độ chính xác quay và giảm độ chính xác lắc dưới 2 μm, đây là minh chứng cho một vòng bi quay có độ chính xác rất cao.

Cấu tạo và đặc điểm của vòng bi đôi tiếp xúc góc tốc độ cao Model BWH

Khả năng vận hành ở tốc độ cao

Vòng bi đôi tiếp xúc góc tốc độ cao Model BWH sử dụng bi tròn làm phần tử lăn, nên diện tích tiếp xúc với rãnh lăn nhỏ hơn nhiều so với việc sử dụng con lăn trụ như trong vòng bi con lăn chéo. Điều đó làm cho chênh lệch chu vi giữa rãnh lăn và bi giảm xuống, làm hạn chế hiện tượng trượt quay (spin slip) và giảm ma sát, giúp kiểm soát sự gia tăng nhiệt độ khi quay ở tốc độ cao.

Việc lồng bi liền khối được sử dụng làm hạn chế nhiệt sinh ra do ma sát giữa các bi. Ngoài ra, việc kết hợp mỡ bôi trơn chuyên dụng cho các ứng dụng ở tốc độ cao cũng góp phần làm giảm nhiệt phát sinh nhờ sự trơn tru trong quá trình quay.

Ngoài ra, Model BWH còn có thể sử dụng hệ thống bôi trơn dầu – khí (oil air) hoặc dầu sương (oil mist), những phương pháp đặc biệt hiệu quả trong việc kiểm soát nhiệt độ ở tốc độ quay cao. Khi lựa chọn phương án bôi trơn phù hợp, vòng bi có thể vận hành liên tục ở giá trị Dpw·N lên tới 800.000.

Độ cứng vững

Độ cứng của Vòng bi đôi tiếp xúc góc tốc độ cao Model BWH được thiết kế tương tự Model RW với hai rãnh lăn, sử dụng cấu trúc DB (Double Back-to-Back) và góc tiếp xúc 45°, với vòng trong và vòng ngoài dạng liền khối, giúp tăng độ cứng tổng thể và cho phép áp dụng lực tiền tải (Preload) lớn.

Trong vòng bi quay, tiền tải được tạo ra thông qua việc lắp bi có kích thước lớn hơn tiêu chuẩn. Nếu độ cứng của vòng rãnh lăn không đủ cao, lực đàn hồi của bi (tải nội) sẽ làm biến dạng vòng rãnh, khiến không thể đạt được mức tiền tải mong muốn. Nhờ kết cấu có độ cứng cao và khả năng áp dụng tiền tải hiệu quả, Model BWH có thể đạt độ cứng tương đương với vòng bi con lăn chéo.

Trong bài viết này, chúng tôi đã giới thiệu những đổi mới công nghệ trong các sản phẩm vòng bi xoay của THK, gắn liền với sự phát triển của máy công cụ đa trục, gia công đa nhiệm, cũng như các yêu cầu ngày càng khắt khe mà những dòng máy này đặt ra đối với vòng bi quay.

Đặc biệt, Vòng bi đôi tiếp xúc góc tốc độ cao Model BWH là một sản phẩm mang lại giá trị khác biệt cho thị trường khi đáp ứng được vận hành tốc độ cao mà vòng bi con lăn chéo trước đây chưa thể đảm nhiệm. Không chỉ trong lĩnh vực máy công cụ, sản phẩm này còn có tiềm năng nâng cao tốc độ, độ cứng và độ chính xác của thiết bị trong nhiều ngành công nghiệp khác.

Chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn cân nhắc và lựa chọn vòng bi con lăn chéo cũng như toàn bộ các giải pháp vòng bi quay của THK. Temas hiện là nhà phân phối chính hãng các sản phẩm của THK tại thị trường Việt Nam. Quý khách vui lòng liên hệ Temas để nhận được tư vấn chi tiết về sản phẩm.