Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống cơ khí truyền động, bánh răng liền trục là chi tiết giữ vai trò truyền mô-men xoắn và chuyển động giữa các trục trong các bộ phận như hộp giảm tốc, hộp tốc độ, hộp chạy dao của máy cắt gọt kim loại hoặc động cơ ô tô. Kết cấu tích hợp giữa bánh răng và trục đòi hỏi độ chính xác gia công cao, khả năng chịu tải trọng lớn và tính đồng trục nghiêm ngặt giữa các cổ trục lắp ổ lăn và phần vành răng.

Đồ án môn học "Công nghệ và Thiết bị tạo phôi" do sinh viên Lâm Anh Kiệt (MSSV: B2108985, lớp Cơ khí Chế tạo máy Khóa 47, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Bách khoa – Trường Đại học Cần Thơ) thực hiện dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Mai Vĩnh Phúc vào tháng 11/2024. Đề tài tập trung giải quyết trọn vẹn quy trình công nghệ thiết kế chế tạo chi tiết bánh răng liền trục, từ việc chọn phôi, lập tiến trình công nghệ, thiết kế chi tiết 14 nguyên công gia công, tính toán lượng dư giải tích đến xác định chế độ cắt và thời gian gia công.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Phân tích kết cấu, chức năng làm việc, tính công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết bánh răng liền trục; xác định dạng sản xuất dựa trên sản lượng hàng năm.
  2. Lựa chọn dạng phôi, phương pháp chế tạo phôi tối ưu và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi.
  3. Thiết lập quy trình công nghệ gia công cơ khí tổng thể và lập tiến trình thứ tự các nguyên công.
  4. Thiết kế chi tiết từng nguyên công từ khỏa mặt đầu, khoan tâm, tiện thô, tiện tinh, phay then, phay răng, nhiệt luyện tôi cao tần, mài thô, mài tinh đến nguyên công kiểm tra; lựa chọn máy móc, đồ gá, dao cụ và dụng cụ đo kiểm.
  5. Tính toán lượng dư gia công trung gian bằng phương pháp phân tích giải tích cho các bề mặt lắp ghép quan trọng và tra bảng lượng dư cho các bề mặt còn lại.
  6. Xác định chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc cắt, số vòng quay) và tính thời gian gia công định mức.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết bánh răng liền trục chế tạo từ thép C45. Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho điều kiện sản xuất cơ khí quy mô hàng loạt lớn với sản lượng $10.006$ chi tiết/năm tại môi trường công nghiệp thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết chuẩn mực của chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, kết hợp tra cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp:

  • Khung lý thuyết và công thức tính toán:

    • Xác định sản lượng chi tiết hàng năm theo công thức: $$N = N_1 \cdot \left(1 + \frac{\beta}{100}\right)$$ Trong đó $N_1 = 10.000$ sản phẩm/năm, số chi tiết trong một sản phẩm $m = 1$, hệ số phế phẩm dự trữ chọn $\beta = 6%$, đưa ra sản lượng $N = 10.006$ chi tiết/năm.
    • Xác định khối lượng chi tiết: $Q = V \cdot \gamma$, với khối lượng riêng của thép $\gamma = 7{,}852\text{ kg/dm}^3$, tính ra khối lượng chi tiết đạt $Q = 0{,}77\text{ kg}$.
    • Sai số không gian tổng cộng của phôi: $$\rho = \sqrt{\rho_{\text{ct}}^2 + \rho_{\text{cv}}^2}$$ Trong đó sai số do độ không đồng tâm $\rho_{\text{ct}} = 0{,}25 \cdot \sqrt{\delta^2 + 1} \approx 250\ \mu\text{m}$ (với dung sai phôi $\delta = 1000\ \mu\text{m}$), sai số cong vênh $\rho_{\text{cv}} = \Delta_{\text{cv}} \cdot l = 136{,}8\ \mu\text{m}$ (với chiều dài $l = 171\text{ mm}$), xác định được sai số không gian $\rho = 284{,}98\ \mu\text{m}$.
    • Sai số không gian còn lại qua các bước công nghệ xác định theo hệ số chính xác hóa: $\rho_{\text{cl}} = K_y \cdot \rho_{\text{ph}}$ (với $K_y$ tiện thô = 0,06; tiện tinh = 0,04; mài thô = 0,03; mài tinh = 0,02).
    • Lượng dư trung gian nhỏ nhất cho mặt trụ tròn xoay ngoài: $$2Z_{b\min} = 2 \cdot (R_{z(i-1)} + T_{i-1} + \rho_{i-1})$$
    • Phương trình kiểm tra tính chính xác của phép tính lượng dư: $$Z_{0\max} - Z_{0\min} = \delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}}$$

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp phân tích kết cấu và cơ tính vật liệu: Đánh giá khả năng chịu lực, điều kiện tôi bề mặt và độ cứng làm việc của vật liệu thép cacbon trung bình C45.
    • Phương pháp giải tích kết hợp tra bảng: Tính toán chi tiết lượng dư phân tích cho các bề mặt trụ cổ trục $\varnothing 17\text{ mm}$ và $\varnothing 25\text{ mm}$; tra cứu sổ tay chế tạo máy để xác định thông số kết cấu phôi cán nóng, thông số máy công cụ, mã hiệu dao cụ và chế độ cắt.
    • Phương pháp thiết kế công nghệ và kiểm soát dung sai hình học: Thiết lập sơ đồ định vị chuẩn công nghệ, nguyên lý hạn chế bậc tự do trên khối V và hai mũi tâm, quy trình đo độ trụ, độ đồng trục và độ song song rãnh then bằng đồng hồ so.

  • Nguồn dữ liệu: Các bảng tra thông số từ Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, tài liệu hướng dẫn thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, catalog thiết bị của hãng SECOTOOLS (cán dao DDJNR2020X11JETI, mảnh dao hợp kim DNMU110404-MF1 CP500), thông số máy tiện Đài Loan Basic 180 Super, máy phay FM-16S, máy phay răng CNC KN152, máy nung cao tần 60kVA, máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M, đá mài Bosch GSM200 và đá mài Makita.

Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ

Tiến trình công nghệ gia công chi tiết bánh răng liền trục được thiết kế thành một hệ thống 14 nguyên công liên hoàn, đảm bảo chuẩn công nghệ thống nhất từ gia công thô, gia công tinh, nhiệt luyện đến hoàn thiện tinh xác và kiểm tra:

Nguyên công Nội dung nguyên công Bề mặt gia công Chuẩn định vị Thiết bị / Máy công cụ Dụng cụ cắt / Dụng cụ đo
NC 1 Khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm Mặt 2, 15 (mặt đầu); Mặt 1, 14 (lỗ tâm) Hai khối V kẹp thân trục (hạn chế 5 bậc tự do) Máy phay khỏa mặt đầu khoan tâm 2 trục chính LC-500HS Dao phay mặt đầu gắp mảnh hợp kim T15K6 ($D=63\text{ mm}$); mũi khoan tâm kiểu III số 3b
NC 2 Tiện thô các bậc trục bên phải Mặt 12, 11, 9, 7 Hai lỗ tâm (1, 14) + Tốc kẹp Máy tiện vạn năng Đài Loan Basic 180 Super Cán dao DDJNR2020X11JETI; mảnh tiện SECO DNMU110404-MF1 CP500
NC 3 Tiện thô các bậc trục bên trái Mặt 4, 6 Hai lỗ tâm (1, 14) + Tốc kẹp Máy tiện vạn năng Basic 180 Super Cán dao DDJNR2020X11JETI; mảnh tiện SECO DNMU110404-MF1 CP500
NC 4 Tiện tinh và vát mép đầu trục phải Mặt 12, 9; Vát mép 16, 10, 8 Hai lỗ tâm (1, 14) + Tốc kẹp Máy tiện vạn năng Basic 180 Super Cán dao DDJNR2020X11JETI; mảnh tiện SECO DNMU110404-MF1 CP500
NC 5 Tiện tinh và vát mép đầu trục trái Mặt 4; Vát mép 3, 5 Hai lỗ tâm (1, 14) + Tốc kẹp Máy tiện vạn năng Basic 180 Super Cán dao DDJNR2020X11JETI; mảnh tiện SECO DNMU110404-MF1 CP500
NC 6 Khoan mồi và phay rãnh then Mặt 17 Khối V gá trên mặt trụ 4, 12 Máy phay đứng vạn năng FM-16S Mũi khoan ruột gà đuôi trụ ngắn; dao phay ngón đuôi trụ loại A răng bình thường
NC 7 Phay bánh răng Mặt 18 (hoặc mặt 19) Mâm cặp 3 chấu + Mũi chống tâm (mặt 4, 12) Máy phay lăn răng CNC KN152 Dao phay lăn răng trục vít loại II
NC 8 Tôi nung cao tần cổ trục Cổ trục mặt 4 Mâm cặp 3 chấu Máy nung cao tần công suất 60 kVA Vòng cảm ứng nhiệt
NC 9 Tôi nung cao tần cổ trục Cổ trục mặt 12 Mâm cặp 3 chấu Máy nung cao tần công suất 60 kVA Vòng cảm ứng nhiệt
NC 10 Mài thô các cổ trục Mặt 9, 12 Hai lỗ tâm (1, 14) Máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M Đá mài Bosch GSM200 2608600112 ($200 \times 32 \times 25\text{ mm}$)
NC 11 Mài tinh cổ trục Mặt 12 Hai lỗ tâm (1, 14) Máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M Đá mài Makita ($150 \times 16 \times 12\text{ mm}$)
NC 12 Mài thô cổ trục Mặt 4 Hai lỗ tâm (1, 14) Máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M Đá mài Bosch GSM200 2608600112 ($200 \times 32 \times 25\text{ mm}$)
NC 13 Mài tinh cổ trục Mặt 4 Hai lỗ tâm (1, 14) Máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M Đá mài Makita ($150 \times 16 \times 12\text{ mm}$)
NC 14 Kiểm tra tổng thể Mặt 4, 9, 12 và rãnh then Hai đầu chống tâm Bàn máng đo kiểm Đồng hồ so (đo độ trụ, độ đồng trục, độ song song rãnh then), panme, thước cặp

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Phân tích chi tiết gia công và dạng sản xuất

Chương I phân tích kết cấu hình học và điều kiện làm việc của chi tiết bánh răng liền trục:

  • Đặc điểm kết cấu: Chi tiết có đường kính lớn nhất $D_{\max} = 42\text{ mm}$ (dùng phay vành răng) và giảm bậc dần về hai phía đầu trục, đường kính nhỏ nhất $D_{\min} = 18\text{ mm}$, tổng chiều dài chi tiết là $L = 210\text{ mm}$. Tỷ lệ độ mảnh giữa chiều dài và đường kính nhỏ: $$\frac{L}{d} = \frac{210}{18} \ge 12$$ Tỷ lệ này khiến chi tiết kém cứng vững trong quá trình cắt gọt, do đó khi gá trên hai lỗ tâm bắt buộc phải sử dụng thêm luy-net để chống biến dạng uốn. Kết cấu vát mép một đầu $2 \times 45^\circ$, rãnh then bằng lắp bánh đai truyền động.
  • Yêu cầu kỹ thuật: Cấp chính xác kích thước đường kính lắp ghép đạt từ cấp 6 đến 9; tôi cải thiện độ cứng HB 200; sai lệch giới hạn kích thước không chỉ dẫn: mặt bao là H14, mặt bị bao là h14, còn lại IT $\pm 12/2$; dung sai độ song song rãnh then $\le 0{,}008\text{ mm}$; dung sai độ đối xứng rãnh then $\le 0{,}03\text{ mm}$; dung sai độ trụ và độ tròn $\le 0{,}016\text{ mm}$; độ nhám cổ trục lắp ghép $Ra = 1{,}25\ \mu\text{m}$ và $Ra = 2{,}5\ \mu\text{m}$, mặt đầu và bề mặt không lắp ghép $Rz = 40\ \mu\text{m}$.
  • Vật liệu chế tạo: Thép cacbon trung bình C45 với các thông số thành phần hóa học và cơ tính tiêu chuẩn:
C (%) Si (%) Mn (%) S (%) P (%) Ni (%) Cr (%)
0,4 ÷ 0,5 0,17 ÷ 0,37 0,5 ÷ 0,8 0,045 0,045 0,3 0,3
Chỉ tiêu cơ tính thép C45 Giới hạn chảy $\sigma_c$ ($\text{kg/mm}^2$) Độ bền kéo $\sigma_b$ ($\text{kg/mm}^2$) Độ giãn dài $\delta_5$ (%) Độ thắt $\psi$ (%) Độ dai va đập $a_k$ ($\text{kg}\cdot\text{m/cm}^2$) Độ cứng sau thường hóa (HB) Độ cứng sau ủ & ram cao (HB)
Giá trị tiêu chuẩn $\ge 36$ $\ge 61$ $\ge 16$ $\ge 40$ $\ge 5$ $\le 229$ $\le 197$
  • Xác định dạng sản xuất: Với sản lượng hàng năm $N = 10.006$ chi tiết và khối lượng chi tiết $Q = 0{,}77\text{ kg}$, tra bảng phân loại quy mô sản xuất xác định dạng sản xuất là Hàng loạt lớn.

Chương II: Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi

  • Lựa chọn phương pháp tạo phôi: Phân tích các phương pháp đúc, hàn, gia công áp lực (rèn, dập nóng, cán). Phương pháp cán nóng tiết diện tròn được lựa chọn là tối ưu vì kết cấu trục đơn giản, tạo phôi nhanh, năng suất cao, hệ số sử dụng kim loại cao, đảm bảo cơ tính và tiết kiệm chi phí trong sản xuất hàng loạt lớn.
  • Kích thước và thông số phôi cán:
    • Chọn phôi cán tròn đường kính $\varnothing 50\text{ mm}$, chiều dài phôi $L = 171\text{ mm}$.
    • Lượng dư tổng cộng cho các bề mặt gia công: Lượng dư phía trên $4\text{ mm}$, lượng dư phía dưới và mặt bên $4\text{ mm}$.
    • Dung sai kích thước phôi: Sai lệch giới hạn trên $+0{,}2\text{ mm}$, sai lệch giới hạn dưới $-0{,}8\text{ mm}$ (dung sai tổng cộng $\delta = 1{,}0\text{ mm} = 1000\ \mu\text{m}$).
    • Góc nghiêng thoát phôi: $5^\circ$.
    • Bán kính góc lượn: Đoạn $\varnothing 30$ là R2,5; đoạn $\varnothing 25$ là R1,5; đoạn $\varnothing 17$ là R1.
    • Độ nhám bề mặt phôi: $200\ \mu\text{m}$.

Chương III: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết

Chương III thiết lập các phương pháp công nghệ cho từng bề mặt nhằm đạt cấp chính xác và độ nhám yêu cầu:

  • Mặt đầu: Phay và khoan tâm (Cấp chính xác 4, cấp độ bóng 4–7).
  • Đoạn đường kính $\varnothing 17\text{ mm}$: Tiện thô, tiện tinh, mài thô, mài tinh (Cấp chính xác 3, cấp độ bóng 7).
  • Đoạn đường kính $\varnothing 42\text{ mm}$: Tiện thô, phay bánh răng (Cấp chính xác 4, cấp độ bóng 5–6).
  • Đoạn đường kính $\varnothing 30\text{ mm}$: Tiện thô (Cấp chính xác 5, cấp độ bóng 4).
  • Đoạn đường kính $\varnothing 25\text{ mm}$: Tiện thô, tiện tinh, phay rãnh then, mài thô (Cấp chính xác 3, cấp độ bóng 5).
  • Đoạn đường kính $\varnothing 21\text{ mm}$: Tiện thô, tiện tinh (Cấp chính xác 3, cấp độ bóng 6).

Chương IV: Thiết kế nguyên công

Tác giả mô tả chi tiết thông số thiết bị công nghệ, số lần gá đặt, số bước thực hiện và đồ gá cho 14 nguyên công:

  • Nguyên công 1 (Khỏa mặt đầu, khoan tâm): Máy phay khỏa mặt đầu khoan tâm 2 trục chính LC-500HS (tốc độ trục chính 800–900 rpm, tốc độ khoan 1400–1500 rpm, động cơ 2HPx4). Dao phay mặt đầu $D=63\text{ mm}$, $L=197\text{ mm}$, 6 răng hợp kim T15K6, chuôi côn Moóc 4; mũi khoan tâm kiểu III số 3b ($D=5\text{ mm}, D_0=7\text{ mm}, L=40\text{ mm}$). Gá trên hai khối V khống chế 5 bậc tự do.
  • Nguyên công 2, 3, 4, 5 (Tiện thô, tiện tinh, vát mép): Sử dụng máy tiện vạn năng Basic 180 Super Đài Loan (khoảng tâm 1000 mm, 16 cấp tốc độ 45–1800 rpm, công suất động cơ 1,5/2,4 kW). Cán dao SECO DDJNR2020X11JETI (cán vuông $20 \times 20\text{ mm}$, góc nghiêng tối đa $31{,}5^\circ$), mảnh dao tiện hợp kim phủ CP500 DNMU110404-MF1 (bán kính đỉnh $RE=0{,}4\text{ mm}$, chiều sâu cắt $4{,}1\text{ mm}$, bước tiến 0,095 mm/vòng, tốc độ cắt $235\text{ m/phút}$). Định vị hai mũi tâm kết hợp tốc kẹp.
  • Nguyên công 6 (Phay rãnh then): Máy phay đứng vạn năng FM-16S (bàn $1270 \times 254\text{ mm}$, công suất 3HP, 8 cấp tốc độ 54–2260 rpm). Bước 1 dùng mũi khoan ruột gà thép gió đuôi trụ ngắn khoan mồi; Bước 2 dùng dao phay ngón đuôi trụ loại A răng bình thường phay rãnh then. Kẹp chặt bằng khối V.
  • Nguyên công 7 (Phay bánh răng): Máy phay lăn răng CNC KN152 (đường kính phôi max 150 mm, mô-đun max 4, số răng gia công 1–3000, tốc độ dao phay 100–1330 rpm). Dao phay lăn răng trục vít loại II. Gá đặt mâm cặp 3 chấu và mũi chống tâm.
  • Nguyên công 8 & 9 (Tôi cao tần): Máy nung cao tần 60 kVA (điện áp 380V, tần số dao động 25–35 kHz, nước làm mát $\le 40^\circ\text{C}$, thời gian nung 1–99 giây). Tôi bề mặt cổ trục mặt 4 và mặt 12.
  • Nguyên công 10, 11, 12, 13 (Mài thô và mài tinh cổ trục): Máy mài tròn ngoài vạn năng G27-55M (đường kính quay 270 mm, chiều dài chống tâm 550 mm, công suất đầu đá 3,75 kW, tốc độ quay đá 1650/1850/2100 rpm). Đá mài thô Bosch GSM200 2608600112 ($200 \times 32 \times 25\text{ mm}$); đá mài tinh Makita ($150 \times 16 \times 12\text{ mm}$).
  • Nguyên công 14 (Kiểm tra): Quy trình kiểm tra chi tiết trên hai mũi chống tâm:
    • Kiểm tra độ trụ: Gá đồng hồ so trên giá đỡ, trượt dọc trục ghi nhận sai lệch lớn nhất và nhỏ nhất.
    • Kiểm tra độ đồng trục: Quay trục một vòng tại hai đầu cổ trục, ghi nhận độ đảo kim đồng hồ so.
    • Kiểm tra độ song song rãnh then: Dùng đồng hồ so trượt dọc mặt bên rãnh then và so sánh với đường sinh mặt trụ chuẩn.
    • Dùng thước cặp đo chiều dài và panme đo các kích thước đường kính lắp ghép quan trọng.

Chương V: Tính lượng dư trung gian

Chương V thực hiện tính toán lượng dư trung gian bằng phương pháp phân tích giải tích cho hai bề mặt trụ ngoài quan trọng:

  • Tính toán cho mặt trụ $\varnothing 17\text{ mm}$:
    • Cấp chính xác và độ nhám qua các bước: Phôi ($Rz=150\ \mu\text{m}, T=250\ \mu\text{m}$); Tiện thô ($Rz=120\ \mu\text{m}, T=120\ \mu\text{m}$); Tiện tinh ($Rz=30\ \mu\text{m}, T=30\ \mu\text{m}$); Mài thô ($Rz=10\ \mu\text{m}, T=20\ \mu\text{m}$); Mài tinh ($Rz=5\ \mu\text{m}, T=5\ \mu\text{m}$).
Bước công nghệ $R_{z(i-1)}$ ($\mu\text{m}$) $T_{i-1}$ ($\mu\text{m}$) $\rho_{i-1}$ ($\mu\text{m}$) $\varepsilon_i$ ($\mu\text{m}$) $2Z_{b\min}$ tính toán ($\text{mm}$) Kích thước tính toán $d$ ($\text{mm}$) Dung sai $\delta$ ($\mu\text{m}$) Kích thước giới hạn $d_{\max}$ ($\text{mm}$) Kích thước giới hạn $d_{\min}$ ($\text{mm}$) $2Z_{b\max}$ giới hạn ($\text{mm}$) $2Z_{b\min}$ giới hạn ($\text{mm}$)
Phôi 150 250 284,98 0 — 19,104 1000 20,104 19,104 — —
Tiện thô 120 120 17,099 0 1,369 17,734 620 18,354 17,734 1,749 1,369
Tiện tinh 30 30 11,399 0 0,514 17,219 100 17,319 17,219 1,034 0,514
Mài thô 10 20 8,549 0 0,142 17,077 62 17,139 17,077 0,180 0,142
Mài tinh 5 5 5,700 0 0,077 17,000 16 17,016 17,000 0,123 0,077

  • Tổng lượng dư lớn nhất: $Z_{0\max} = 3{,}088054\text{ mm}$.

  • Tổng lượng dư nhỏ nhất: $Z_{0\min} = 2{,}104054\text{ mm}$.

  • Kiểm tra điều kiện cân bằng dung sai: $$Z_{0\max} - Z_{0\min} = 3{,}088054 - 2{,}104054 = 0{,}984\text{ mm} = 984\ \mu\text{m}$$ $$\delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}} = 1000 - 16 = 984\ \mu\text{m} \rightarrow \text{Thỏa mãn điều kiện.}$$

  • Tính toán cho mặt trụ $\varnothing 25\text{ mm}$:

    • Quy trình qua các bước: Phôi $\rightarrow$ Tiện thô $\rightarrow$ Tiện tinh $\rightarrow$ Mài thô.
    • Tổng lượng dư lớn nhất: $Z_{0\max} = 2{,}964956\text{ mm}$.
    • Tổng lượng dư nhỏ nhất: $Z_{0\min} = 2{,}026956\text{ mm}$.
    • Kiểm tra điều kiện cân bằng dung sai: $$Z_{0\max} - Z_{0\min} = 2{,}964956 - 2{,}026956 = 0{,}938\text{ mm} = 938\ \mu\text{m}$$ $$\delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}} = 1000 - 62 = 938\ \mu\text{m} \rightarrow \text{Thỏa mãn điều kiện.}$$

  • Lượng dư tra bảng cho các bề mặt còn lại:

    • Đoạn trục $\varnothing 21\text{ mm}$ ($l=20\text{ mm}$): Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 0{,}9\text{ mm}$.
    • Đoạn trục $\varnothing 30\text{ mm}$ ($l=19\text{ mm}$): Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 0{,}9\text{ mm}$.
    • Đoạn trục $\varnothing 42\text{ mm}$ ($l=35\text{ mm}$): Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 1{,}0\text{ mm}$.
    • Phay vành răng (mô-đun 4): Lượng dư gia công $2a = 0{,}75\text{ mm}$.

Chương VI: Xác định chế độ cắt và thời gian gia công

Chương VI thiết lập các thông số chế độ cắt cho từng bước công nghệ bao gồm: chiều sâu cắt ($t$), lượng chạy dao ($s$), số lần cắt, tốc độ cắt ($v$) và số vòng quay trục chính ($n$), từ đó tính toán thời gian gia công cơ bản ($T_0$) và thời gian nguyên công nhằm xác định định mức năng suất cho dây chuyền sản xuất hàng loạt lớn.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật cụ thể:
    • Hoàn thiện bản vẽ lồng phôi cán nóng tròn $\varnothing 50\text{ mm}$, chiều dài $171\text{ mm}$ với lượng dư phân bố $4\text{ mm}$ mỗi phía, góc nghiêng thoát phôi $5^\circ$ và độ nhám phôi $200\ \mu\text{m}$.
    • Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình công nghệ 14 nguyên công với sơ đồ định vị, kẹp chặt và phân chia bước gia công khoa học.
    • Thiết lập các bảng tính giải tích lượng dư trung gian cho mặt trụ $\varnothing 17\text{ mm}$ và $\varnothing 25\text{ mm}$, đạt độ chính xác cân bằng dung sai tuyệt đối ($984\ \mu\text{m}$ và $938\ \mu\text{m}$).
    • Lựa chọn đồng bộ hệ thống trang thiết bị công nghệ hiện đại: máy gia công chuyên dùng (LC-500HS), máy tiện vạn năng (Basic 180 Super), máy phay vạn năng (FM-16S), máy phay răng CNC (KN152), máy tôi cao tần 60 kVA, máy mài tròn ngoài vạn năng (G27-55M) cùng hệ dao cụ hợp kim SECOTOOLS.
  • Giải pháp công nghệ đề xuất:
    • Nhận diện nguy cơ biến dạng do độ mảnh của trục ($L/d = 210/18 \ge 12$) và đề xuất giải pháp công nghệ bắt buộc sử dụng luy-net đỡ trục khi gia công giữa hai mũi tâm.
    • Sử dụng hai lỗ tâm làm chuẩn tinh thống nhất xuyên suốt các nguyên công tiện, mài và đo kiểm nhằm loại bỏ sai số tích lũy gá đặt.
    • Tích hợp nguyên công tôi nung cao tần cục bộ tại các cổ trục chịu mài mòn (mặt 4 và mặt 12) trước khi mài thô và mài tinh, đảm bảo đạt độ cứng làm việc HB 200 mà không gây nứt biến dạng vành răng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đồ án chủ yếu tập trung tính toán giải tích lượng dư chi tiết cho hai cổ trục chuẩn ($\varnothing 17\text{ mm}$ và $\varnothing 25\text{ mm}$), trong khi các bề mặt khác chủ yếu sử dụng phương pháp tra bảng kinh nghiệm.
    • Các thông số chế độ cắt và dung sai được tính toán dựa trên điều kiện lý thuyết của thiết bị gia công vạn năng kết hợp bán tự động, chưa mô phỏng biến dạng nhiệt khi tôi cao tần thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng lập trình gia công tự động trên máy tiện phay CNC tích hợp (tiện - phay đa trục) để rút ngắn số lần gá đặt từ 14 nguyên công rời rạc xuống các trung tâm gia công.
    • Thực hiện kiểm nghiệm đo ứng suất dư và biến dạng nhiệt sau nguyên công nung cao tần trên thiết bị đo thực nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy: Cung cấp phương pháp mẫu về trình tự làm đồ án công nghệ chế tạo máy, từ phân tích chi tiết, tính kích thước phôi, thiết kế 14 nguyên công đến tính toán lượng dư giải tích và chế độ cắt.
  • Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Tham khảo hệ thống bảng tra mã dao SECOTOOLS, quy trình định vị gá đặt và sơ đồ kiểm tra độ trụ, độ đồng trục, độ song song rãnh then bằng đồng hồ so trên đồ gá hai mũi tâm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án xác định dạng sản xuất của chi tiết là hàng loạt lớn?
Dựa trên sản lượng hàng năm thiết kế là $N_1 = 10.000$ sản phẩm/năm, tính thêm $6%$ phế phẩm dự trữ ($\beta = 6%$) cho ra tổng sản lượng $N = 10.006$ chi tiết/năm. Kết hợp với khối lượng chi tiết tính được là $Q = 0{,}77\text{ kg}$, tra bảng tiêu chuẩn dạng sản xuất trong công nghệ chế tạo máy xác định chi tiết thuộc dạng sản xuất hàng loạt lớn.

2. Vì sao trục cần sử dụng luy-net trong quá trình gia công cắt gọt?
Chi tiết có tổng chiều dài $L = 210\text{ mm}$ trong khi đường kính nhỏ nhất là $d = 18\text{ mm}$. Tỷ lệ độ mảnh $L/d = 210/18 \ge 12$, kết cấu này khiến chi tiết dễ bị rung động và biến dạng uốn dưới tác dụng của lực cắt khi chống tâm, do đó bắt buộc dùng luy-net để tăng độ cứng vững.

3. Phôi chi tiết được chọn theo phương pháp nào và kích thước phôi ban đầu là bao nhiêu?
Phôi được chế tạo bằng phương pháp cán nóng tiết diện tròn từ thép C45, kích thước phôi lựa chọn là đường kính $\varnothing 50\text{ mm}$ và chiều dài $L = 171\text{ mm}$, lượng dư phân bố đều $4\text{ mm}$ mỗi phía, góc nghiêng thoát phôi $5^\circ$ và dung sai kích thước phôi là $+0{,}2 / -0{,}8\text{ mm}$.

4. Thiết bị và dao cụ được lựa chọn cho nguyên công phay bánh răng là gì?
Nguyên công 7 (phay bánh răng) sử dụng máy phay lăn răng CNC KN152 (gia công mô-đun tối đa 4, đường kính phôi tối đa 150 mm) kết hợp với dao phay lăn răng trục vít loại II, gá đặt trên mâm cặp 3 chấu kết hợp mũi chống tâm.

5. Kết quả kiểm tra tính toán lượng dư mặt trụ ngoài $\varnothing 17\text{ mm}$ có thỏa mãn điều kiện lý thuyết không?
Có. Hiệu lượng dư tổng cộng lớn nhất và nhỏ nhất tính được là $Z_{0\max} - Z_{0\min} = 3{,}088054 - 2{,}104054 = 0{,}984\text{ mm} = 984\ \mu\text{m}$. Giá trị này bằng chính xác hiệu số dung sai phôi và dung sai chi tiết ($\delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}} = 1000 - 16 = 984\ \mu\text{m}$), khẳng định việc tính toán lượng dư giải tích hoàn toàn chính xác.

Kết luận

Đồ án "Công nghệ và Thiết bị tạo phôi" của tác giả Lâm Anh Kiệt đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế quy trình công nghệ chế tạo chi tiết bánh răng liền trục từ thép C45 trong quy mô sản xuất hàng loạt lớn. Nghiên cứu đã xây dựng thành công tiến trình 14 nguyên công gia công cơ khí - nhiệt luyện - đo kiểm, tính toán giải tích chuẩn xác lượng dư và dung sai các bề mặt lắp ghép quan trọng. Báo cáo cung cấp đầy đủ thông số máy móc, dao cụ SECOTOOLS và phương pháp gá đặt, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành cơ khí chế tạo máy.