Kỹ thuật đảo ngược chuyên sâu: Toàn bộ quá trình tái tạo và tối ưu sản xuất vít me bi độ chính xác siêu cao cho dòng máy tiện CNC Mori Seiki SL Series

Tóm tắt

1. Phân tích chế độ hỏng và đo đạc giá trị gốc (Baseline)

Sau 15–20 năm vận hành, vít me bi OEM (thường là THK BNFN hoặc NSK W series) trên máy Mori Seiki SL xuất hiện các dạng hỏng chủ đạo sau:

• Bong tróc/vảy nến trên rãnh bi: Hiện tượng fatigue spalling do tải trọng luân phiên lặp lại.
• Mòn ăn mòn: Nước làm mát thâm nhập và dầu bôi trơn bị suy giảm gây rỗ và rỉ sét trên rãnh bi — nguyên nhân chính khiến sai lệch bước ren và backlash tăng nhanh.
• Kẹt nắp vít (nut seizure): Mất dầu bôi trơn hoặc preload bị suy giảm/quá tải gây ma sát nặng giữa bi và rãnh.

1.1 Thiết lập giá trị hiệu suất gốc kỹ thuật số

Trước khi tháo rời, phải ghi lại đầy đủ dữ liệu động học gốc — đây chính là mục tiêu cần phục hồi:

• Kiểm tra độ chính xác: Dùng Renishaw QC20-W wireless ballbar để đo độ chính xác hình học và định vị. Dữ liệu điển hình trên máy SL tuổi 15–20 năm, hành trình 800 mm: sai lệch bước ren tích lũy 0.038–0.085 mm; backlash trục 0.045–0.120 mm.
• Ghi chép lắp ráp: Ghi lại mã phụ tùng THK/NSK gốc, mô-men preload của cặp bạc đạn đẩy chặn góc (angular-contact thrust bearings), và quan hệ hình học giữa vỏ nắp vít với gối đỡ bạc đạn.

2. Đo đạc hình học độ chính xác cao và mô hình hóa

Thách thức cốt lõi khi gia công vít me bi đặt hàng đặc biệt là tái tạo chính xác hình học rãnh Gothic arch và dung sai trục gối bạc đạn.

2.1 Quét 3D ánh sáng cấu trúc và xử lý đám mây điểm

• Thiết bị chính: Máy quét ánh sáng xanh cấu trúc Zeiss ATOS Triple Scan III (độ chính xác thể tích ±0.008 mm) để quét toàn trường không tiếp xúc.
• Đo bổ sung: Cánh tay đo laser Hexagon Absolute Arm RS6 cho các trục gối và chi tiết khó tiếp cận.

2.2 Trích xuất các thông số hình học quan trọng

Mô hình hóa khối rắn tham số trong Geomagic Design X. Phần khó nhất của kỹ thuật đảo ngược là suy ra các thông số then chốt không nhìn thấy:

• Hình học rãnh Gothic arch: Dòng SL thường dùng rãnh Gothic arch thật hoặc dạng ogival. Bán kính cong rãnh và góc tiếp xúc (thường 45° hoặc 50°) quyết định độ cứng preload và khả năng chịu tải — phải fitting chính xác từ mặt cắt đám mây điểm.
• Bước ren và cấp chính xác: Bước ren phổ biến 10 mm hoặc 12 mm. Đặt mục tiêu chính xác tương đương C3 (sai lệch bước E ≤ 0.006 mm/300 mm) để phục hồi độ lặp lại hai chiều mức micron.
• Dung sai trục gối bạc đạn: Đường kính trục và độ đảo vai phải giữ trong ±0.002 mm để đảm bảo lắp ép đúng với vòng trong bạc đạn và duy trì độ đồng tâm quay.

3. Tối ưu vật liệu, xử lý nhiệt và thiết kế preload

3.1 Nâng cấp vật liệu và xử lý nhiệt

Vít me OEM THK/NSK thường dùng thép hợp kim SCM415 hoặc tương đương đã tôi cảm ứng.

• Vật liệu: 60CrMoV14-6 (DIN 1.7931) hoặc 9Cr18MoV nội địa.
• Xử lý nhiệt: Tôi cảm ứng tần số kép đạt độ cứng bề mặt 60–63 HRC, chiều sâu lớp tôi hiệu quả ≥ 1.2 mm.
• Xử lý đông lạnh (Cryogenic): Làm lạnh sâu –120 °C sau tôi để đảm bảo ổn định kích thước dài hạn dưới tải và chu kỳ nhiệt.

3.2 Tính toán lại preload và độ cứng

Preload là cơ chế cơ bản để triệt tiêu backlash và tối đa hóa độ cứng hệ thống.

• Cấu hình: Trục X thường dùng lắp đặt cố định hai đầu (fixed-fixed) với nắp vít đôi.
• Tính toán: Dùng script Python + ANSYS Mechanical nội bộ để xác định preload tối ưu dựa trên lực cắt cực đại (SL-250 tải trục điển hình ~8.500 N) và độ cứng mục tiêu (≥ 450 N/µm).
• Thực hiện: Phương pháp preload lệch tấm đệm (shim-offset) dùng tấm shim chính xác 0.03–0.05 mm để tạo độ lệch trục có kiểm soát giữa hai nắp vít, đạt backlash = 0 và độ cứng 420–480 N/µm.

3.3 Kiểm chứng bằng phần tử hữu hạn (FEA)

Mô phỏng toàn bộ tổ hợp trong ANSYS Mechanical:

• Phân tích tĩnh: Tải dừng khẩn cấp/crash 12 kN → ứng suất von Mises cực đại < 680 MPa (hệ số an toàn > 2.1).
• Phân tích modal: Tần số dao động riêng bậc 1 > 165 Hz (cao hơn nhiều băng thông servo).

4. Quy trình gia công và đường công nghệ siêu chính xác

Gia công vít me bi độ chính xác cao phải tuân thủ trình tự cực kỳ nghiêm ngặt:

1. Chuẩn bị phôi: Tiện thô → ủ giảm ứng suất.
2. Tạo ren bán tinh: Phay ren tốc độ cao whirlwind trên máy Leistritz Polymat 100.
3. Các công đoạn chính xác cốt lõi:
   • Tôi cảm ứng + xử lý đông lạnh để đạt độ cứng và ổn định.
   • Mài ren trên máy mài ren CNC Matrix 70 với đá mài kim cương dạng cuộn liên tục.
   • Mài không tâm hoặc tiện cứng trục gối bạc đạn đạt độ đảo ≤ 0.002 mm so với rãnh bi.
4. Siêu hoàn thiện (Superfinishing): Rãnh bi được siêu đánh bóng đạt Ra 0.08–0.12 µm.

5. Kiểm chứng hiệu suất cuối cùng và lợi ích kỹ thuật

5.1 Kiểm soát chất lượng và đo lường

Mọi vít me đặt làm đều được kiểm tra 100 %:

• CMM đo toàn diện: Zeiss PRISMO đo hơn 500 điểm trên mỗi vòng bước ren.
• Chứng nhận độ chính xác: Sai lệch bước ren ≤ 0.006 mm/300 mm (tương đương C3).
• Dung sai biên dạng: Sai lệch hình dạng rãnh ≤ ±0.002 mm.
• Kiểm tra động: Cân bằng động 100 % + kiểm tra rung động và tiếng ồn.

5.2 Kết quả thực tế (SL-250MC năm 2002, trục X 40 mm × 12 mm × 1050 mm)

Kết luận: Nhờ kỹ thuật đảo ngược có hệ thống kết hợp với công nghệ sản xuất tiên tiến nhất, chúng tôi không chỉ đơn thuần “thay thế” linh kiện đã ngừng sản xuất — mà tái tạo và nâng cấp toàn bộ hệ truyền động. Vít me bi đặt làm của chúng tôi liên tục vượt trội hơn thông số OEM cuối thập niên 1990/đầu 2000 về độ cứng, độ chính xác và tuổi thọ.