Sản xuất sản phẩm #H008 – Vòng bi

Lịch sử

Từ khi loài người bắt đầu cần di chuyển đồ vật, họ đã dùng những con lăn tròn để giúp công việc được dễ dàng hơn. Có lẽ các con lăn đầu tiên là các cây gỗ hoặc khúc gỗ, đó là một cải tiến lớn so với việc kéo đồ vật trên mặt đất, nhưng đó vẫn là một công việc khá nặng nhọc. Người Ai Cập đã dùng những khúc gỗ để lăn các khối đá lớn để xây dựng kim tự tháp. Cuối cùng, một ai đó đã đưa ra ý tưởng cố định con lăn này vào bất cứ cái gì di chuyển, và tạo ra phương tiện đầu tiên có bánh xe. Tuy nhiên, những thứ này vẫn có vòng đỡ được làm từ vật liệu cọ xát lên nhau thay vì lăn lên nhau. Mãi đến cuối thế kỷ 18 thì thiết kế cơ bản của vòng đỡ mới được phát triển. Trong năm 1794, một thợ rèn xứ Wales tên là Philip Vaughan đã phát minh ra thiết kế của vòng bi để đỡ cho trục của xe hàng. Quá trình phát triển tiếp tục cho đến thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, đã thúc đẩy sự tiến bộ của xe đạp và xe hơi.

Có hàng ngàn loại vòng bi có kích thước, hình dạng khác nhau; vòng bi, vòng lăn, vòng đỡ kim, và vòng đỡ lăn là những loại chủ yếu. Kích thước của nó từ cỡ nhỏ đủ để chạy các động cơ rất nhỏ cho đến những vòng bi khổng lồ dùng để đỡ các bộ phận quay trong các nhà máy thủy điện; những vòng bi lớn có thể tới 10 feet (3.04 m) đường kính và cần có cẩu để lắp đặt. Những kích thước phổ biến có thể dễ dàng lắp bằng tay và được dùng trong những thứ như động cơ điện.

Bài viết này sẽ chỉ mô tả các vòng bi (ball bearing). Trong loại vòng đỡ này, phần lăn là các viên bi, lăn giữa các vòng trong và ngoài được gọi là vòng ổ bi. Các viên bi được giữ bởi một lồng, nó có tác dụng giữ bi ở những khoảng cách đều nhau quanh các vòng ổ bi. Ngoài những bộ phận này, có rất nhiều những chi tiết thêm cho những loại vòng bi đặc biệt, như nút bịt để giữ dầu hoặc mỡ bên trong và bụi bẩn ở bên ngoài, hoặc các bu-lông để giữ vòng bi cố định. Chúng ta sẽ không bàn tới ở đấy những chi tiết thêm này.

Các vật liệu thô

Hầu như tất cả các chi tiết của các loại vòng bi là được làm từ thép. Do vòng bi phải chịu rất nhiều sức nén, nên nó cần phải được làm từ loại thép rất khỏe. Phân loại tiêu chuẩn công nghiệp cho loại thép này trong những vòng bi là 52100, loại này nghĩa là nó có 1% chrom và 1% các-bon (được gọi là hợp kim khi thêm vào loại thép cơ bản). Loại thép này có thể được làm rất cứng và bền bằng quá trình xử lý nhiệt. Tại những vị trí có thể có vấn đề về gỉ sét, vòng bi được làm bằng thép không gỉ 440C.

Lồng bi truyền thống được làm từ thép mỏng, nhưng một vài loại vòng bi bây giờ dùng các lòng bàng nhựa đúc, do chúng có chi phi sản xuất ít hơn để sản xuất và tạo ra ít ma sát hơn.

Quy trình sản xuất

Có bốn bộ phận chính của một vòng bi tiêu chuẩn: vòng ổ bi ngoài, các bi lăn, vòng ổ bi trong, và lồng.

Vòng ổ bi

  • 1 Cả hai loại vòng ổ bi được làm hầu như giống nhau. Do chúng đều là những vòng thép, quy trình bắt đầu với một ống thép có một kích thước phù hợp. Các máy tự động tiện dùng các công cụ cắt để cắt ra hình dạng cơ bản của vòng ổ bi, để cho tất cả các kích thước hơi lớn hơn một chút. Nguy nhân để chúng hơi lớn là do các vòng ổ bi phải được đi xử lý nhiệt trước khi hoàn thiện và thép thường bị cong vênh trong suốt quá trình này. Chúng có thể được gia công lại về kích thước hoàn thiện sau quá trình xử lý nhiệt.
  • 2 Các vòng ổ bi cắt thô được đặt vào trong một buồng xử lý nhiệt ở khoảng 1550 độ Fahrenheit (843 độ C) trong khoảng vài giờ (tùy theo kích thước của chi tiết), sau đó chúng được nhúng vào trong một bể dầu để làm mát và làm chúng rất cứng. Quá trình làm cứng này cũng làm chúng trở nên giòn hơn vì vậy bước tiếp theo là cần ram (temper) chúng. Quá trình này được thực hiện bằng cách nung nóng hợp kim trong một lò nhiệt thứ hai ở khoảng 300 độ Fahrenheit (148.8 độ C), và sau đó để chúng làm mát trong không khí. Toàn bộ quá trình xử lý nhiệt này làm cho các chi tiết vừa cứng và vừa bền.
  • 3 Sau quá trình xử lý nhiệt, các vòng ổ bi đã sẵn sàng để hoàn thiện. Tuy nhiên, các vòng ổ bi lúc này quá cứng để có thể cắt bằng các công cụ cắt, vì vậy toàn bộ quá trình gia công còn lại phải được thực hiện bằng đá mài. Nhiều khả năng các bạn sẽ tìm ở bất cứ cửa hàng dụng cụ và mũi khoan nào, trừ một vài loại và hình dạng đặc biệt cần để hoàn thiện các vòng ổ bi. Hầu như tất cả mọi vị trí trên vòng ổ bi được hoàn thiện bằng quá trình mài, tạo ra một bề mặt rất nhẵn và chính xác. Các bề mặt tại đó các vòng bi ăn khớp với máy phải rất nhẵn, và các cạnh phải phẳng. Bề mặt mà các bi lăn lên đó đầu tiên được mài và sau đó cà bóng. Điều này có nghĩa là một loại chất ăn mòn rất tinh được dùng để đánh bóng các vòng ổ bi trong vài giờ để đạt được bề mặt hoàn thiện gần như gương. Tại thời điểm này, các vòng ổ bi đã được hoàn thiện, và sẵn sàng để lắp chúng với các bi.

Bi

  • 4 Bi khó để làm hơn một chút, mặc dù hình dạng của chúng rất đơn giản. Điều ngạc nhiên là các viên bi được bắt đầu ở dạng dây dày. Dây kim loại này được cấp tư một cuộn đi vào trong một máy để cắt thành những đoạn ngắn, và sau đó nó bị ép mạnh ở cả hai đầu để phình ra ở giữa. Quá trình này được gọi là dập đầu lạnh (cold heading). Cái tên này xuất phát từ thực tế là sợi dây kim loại không cần nung nóng trước khi bị nghiền. Dù ở tốc độ nghiền nào thì các viên bi lúc này cũng giống như sao Thổ, với một vòng bao quanh ở giữa được gọi là bavia (flash).
Điều ngạc nhiên là các viên bi lăn được bắt đầu làm từ sợi dây thép dày. Sau đó, trong quá trình dập đầu lạnh, sợi dây này được cắt thành những mảnh nhỏ và được ép ở hai đầu giữa hai khuôn thép. Kết quả là viên bi có dạng như sao Thổ, với một vòng ở giữa được gọi là “bavia”
  • 5 Quy trình gia công đầu tiên loại bỏ bavia này. Các vòng bi được đặt giữa các bề mặt của hai đĩa bằng gang, tại đây chúng được dẫn vào các rãnh. Bên trong các rãnh này nhám và làm rách bavia của các viên bi. Một bánh xe quay tròn, trong khi cái còn lại đứng im. Bánh xe tĩnh có các lỗ xuyên để các viên bi có thể được dẫn vào trong và đưa ra ngoài các rãnh. Một băng chuyền đặc biệt dẫn các viên bi vào trong một lỗ, các viên bi lắc quanh cái rãnh này, và sau đó đi ra khỏi một lỗ khác. Chúng sau đó được dẫn trở lại băng chuyền này nhiều lần qua các rãnh bánh xe, cho đến khi chúng được cắt khá tòn, hầu như là kích thước chính xác và bavia lúc này hoàn toàn biến mất. Một lần nữa, các viên bi được để quá kích thước để chúng có thể được mài về kích thước hoàn thiện sau khi xử lý nhiệt. Lượng thép còn lại đẻ hoàn thiện không nhiều; chỉ khoảng 8/1000 inch (0.2 mm), tương đương với độ dày của hai tờ giấy.
Bavia xung quanh viên bi được loại bỏ trong một quy trình gia công. Các viên bi được đặt vào trong các rãnh nhám giữa hai đĩa gang. Một đĩa quay trong khi đĩa còn lại thì đứng yên, ma sát giúp loại bỏ bavia. Tại đây, các viên bi được xử lý nhiệt, mài, và cà bóng, cuối cùng các viên bi có bề mặt rất nhẵn bóng.
  • 6 Quá trình xử lý nhiệt cho các viên bi này tương tự như với vòng ổ bi, do loại thép là như nhau và tốt nhất là để cho các chi tiết mòn với cùng một tốc độ. Cũng giống như các vòng ổ bi, các viên bi trở nên cứng và bền sau quá trình xử lý nhiệt và ram. Sau khi xử lý nhiệt, các viên bi được đặt lại vào trong một máy hoạt động tương tự như máy loại bỏ bavia, ngoại trừ các bánh xe là các bánh đá mài thay vì các bánh cắt. Các bánh này mài viên bi sao cho chúng trở nên tròn và trong vài chục phần nghìn inch của kích thước hoàn thiện của chúng.
  • 7 Sau đó, các viên bi này di chuyển tới một máy cà bóng, máy này có các bánh xe bằng gang và dùng loại chất cà bóng ăn mòn tương tự như dùng trên các vòng ổ bi. Ở đây, chúng sẽ được cà bóng trong khoảng từ 8 – 10 giờ, tùy theo độ chính xác của vòng bi mà chúng sẽ được lắp như thế nào. Một lần nữa, kết quả có được là thép cực kỳ bóng.

Lồng bi

  • 8 Các lồng thép được đột dập từ tấm kim loại khá mỏng, giống như cắt một cái bánh quy, và sau đó gấp thành hình dạng cuối cùng trong một khuôn. Một bộ khuôn được làm từ hai tấm thép ghép vừa với nhau, có một cái lỗ có hình dạng của chi tiết hoàn thiện bên trong. Khi lồng được đặt vào giữa và khuôn đóng lại thì lồng này bị uốn theo hình dạng của lỗ bên trong. Khuôn dập sau đó mở ra và chi tiết hoàn thiện được lấy ra ngoài, và sẵn sàng để lắp ráp.
  • 9 Các lồng nhựa thường được làm bởi một quy trình được gọi là ép nhựa. Trong quy trình này, một khuôn kim loại được điền đầy bởi nhựa nóng chảy chảy vào bên trong và để nguội cho đến khi nhựa đông đặc lại. Khuôn này sau đó mở ra và lồng hoàn thiện được lấy ra, sẵn sàng để lắp ráp.

Lắp ráp

  • 10 Lúc này tất cả các chi tiết đã được sản xuất, vòng bi cần được ghép lại với nhau. Đầu tiên, vòng ổ bi trong được đặt trong vòng ổ bi ngoài, một phía cách càng xa càng tốt. Điều này tạo ra khoảng trống giữa chúng ở phía đối diện đủ lớn để lắp các viên bi giữa chúng. Số lượng bi cần thiết được đặt vào trong, sau đó các vòng ổ bi di chuyển để chúng cân chính giữa, và các viên bi được phân bố đều quanh vòng bi. Tại thời điểm này, lồng bi đã được lắp đặt để giữ các viên bi tách biệt khỏi nhau. Các lồng bi nhựa thường chỉ cần bám vào, trong khi đó các lồng bi nhựa thường phải đặt vào trong và tán lại với nhau. Bây giờ các vòng bi đã được lắp ráp, và nó được phủ lên một lớp chống bụi bẩn và đóng gói để vận chuyển.
Bốn bộ phận của một vòng bi hoàn chỉnh: vòng trong, vòng ngoài, lồng, và bi.

Quản lý chất lượng

Sản xuất vòng bi là một ngành kinh doanh rất chính xác. Các bài kiểm tra được thực hiện trên các mẫu thép nguyên liệu tới nhà máy để đảm bảo nó có đúng thành phần hợp kim bên trong. Các bài kiểm tra độ cứng và độ bền cũng được thực hiện ở một vài khâu của quá trình xử lý nhiệt. Ngoài ra cũng có nhiều bài kiểm tra trong quá trình sản xuất để đảm bảo các kích thước và hình dạng chính xác. Bề mặt của các viên bi và bề mặt chúng lăn trên vòng ổ bi phải cực kỳ nhẵn. Dung sai lệch tròn của các viên bi là 25 / triệu inch, ngay cả đối với các vòng bi rẻ tiền. Các vòng vi tốc độ cao hoặc chính xác thì chỉ cho phép dung sai lệch tròn là 5 / triệu inch.

Tương lai

Các vòng bi sẽ được sử dụng trong nhiều năm tới, bởi vì chúng rất đơn giản và việc sản xuất không tốn kém. Một vài công ty đã thí nghiệm việc tạo các viên bi trong không gian trên tàu vũ trũ. Trong không gian, các khối kim loại nóng chảy có thể đổ ra trên không khí và trọng lực bằng 0 cho phép chúng có thể nổi trong không khí. Các khối này tự động tạo thành các khối cầu hoàn hảo khi chúng được làm mát và rắn lại. Tuy nhiên, việc du hành vũ trụ vẫn rất đắt, vì vậy chi phí của một “viên bi không gian” có thể thực hiện được rất nhiều việc đánh bóng trên mặt đất.

Một dạng vòng đỡ khác, vòng đỡ mà hai vật thể không bao giờ chạm vào nhau, rất hiệu quả để chạy nhưng khó để chế tạo. Một loại dùng từ trường để đẩy cái còn lại và có thể được sử dụng để giữ các vật thể tách khỏi nhau. Đây là cách mà loại tàu “mag-lev” (magnetic levitation – nâng từ trường) được chế tạo. Một loại dùng khí trong khoảng không giữa các bề mặt khép kín, làm cho chúng nổi lên nhau trên một tấm đệm khí nén. Tuy nhiên, cả hai loại ổ đỡ này đều đắt hơn nhiều để chế tạo và vận hành so với loại vòng bi tin cậy và đơn giản này.

Đọc thêm

Deere & Company Staff, eds. Bearings & Seals, 5th ed. R. R. Bowker, 1992.

Eschmann, Paul. Ball & Roller Bearings: Theory, Design & Application, 2nd ed.

Harris, Tedric A. Rolling Bearing Analysis, 3rd ed. John Wiley & Sons, Inc., 1991.

Houghton, P. S. Ball & Roller Bearings. Elsevier Science Publishing Company, Inc., 1976.

Nisbet, T. S. Rolling Bearings. Oxford University Press, 1974.

Shigley, J. E. Bearings & Lubrication: A Mechanical Designer’s Workbook. McGraw-Hill, Inc., 1990.

Gardner, Dana. “Ceramics Adds Life to Drives,” Design News. March 23,1992, p. 63.

Hannoosh, J. G. “Ceramic Bearings Enter the Mainstream,” Design News. November 21, 1988, p. 224.

McCarty, Lyle H. “New Alloy Produces Quieter Ball Bearings,” Design News. May 20, 1991, p. 99.

(dịch từ madehow)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.