Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế quy trình gia công khớp nối cầu trục 32T

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và tính toán khớp nối 3 chấu chi tiết. Tổng hợp cơ sở lý thuyết, bản vẽ kỹ thuật, quy trình gia công và kiểm nghiệm độ bền.

• Tác giả: Trịnh Hoàng Long
• Người hướng dẫn: ThS. Hoàng Văn Quyết
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết khớp nối cầu trục 32T
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài DATN khớp nối 3 chấu cơ khí

Đồ án tốt nghiệp thiết kế khớp nối 3 chấu là nội dung nghiên cứu trọng tâm của sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy. Chi tiết khớp nối 3 vấu thuộc nhóm chi tiết dạng đĩa hoặc trục truyền động. Bộ phận này giữ vai trò truyền mô-men xoắn giữa các trục máy trong hệ thống nâng tải nặng như cầu trục 32 tấn. Khớp nối phải đảm bảo độ bền cơ học cao, chịu tải trọng va đập lớn và hạn chế rung động trong suốt chu kỳ làm việc. Quá trình hoàn thành đồ án đòi hỏi sự kết hợp toàn diện giữa lý thuyết gia công và ứng dụng công nghệ thực tế. Người thực hiện phải tiến hành phân tích kết cấu hình học, vật liệu chế tạo và điều kiện làm việc khắc nghiệt của chi tiết. Đồ án giúp hệ thống hóa kiến thức thiết kế bản vẽ kỹ thuật, tính toán lượng dư gia công và lựa chọn phôi đúc chuẩn xác. Đây là bước đệm then chốt giúp sinh viên làm quen với công tác lập kế hoạch sản xuất công nghiệp thực tế.

1.1. Chức năng và kết cấu của khớp nối 3 chấu

Khớp nối 3 chấu đảm nhận chức năng liên kết trục động cơ với trục hộp giảm tốc hoặc tang cuốn cáp. Cơ cấu ba vấu phân bố đối xứng cách đều nhau góc 120 độ trên bề mặt làm việc. Thiết kế này giúp tự định tâm tốt và phân bố đều ứng suất khi truyền chuyển động quay. Bề mặt các vấu chịu lực ma sát và ứng suất uốn rất cao trong quá trình máy khởi động hoặc dừng khẩn cấp. Lỗ then hoa bên trong đóng vai trò truyền tải mô-men chính xác tới trục dẫn hướng. Độ nhám bề mặt gia công các vấu yêu cầu đạt cấp chính xác cao để tránh hiện tượng mòn vẹt cục bộ.

1.2. Yêu cầu kỹ thuật trong đồ án khớp nối 3 chấu

Chi tiết khớp nối cầu trục đòi hỏi tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe về độ chính xác kích thước và dung sai hình học. Độ không đồng tâm giữa mặt trụ ngoài và lỗ then hoa phải được khống chế nghiêm ngặt trong phạm vi cho phép. Mặt đầu và bề mặt làm việc của 3 chấu cần đạt độ phẳng, độ vuông góc cao nhằm tránh rung lắc khi quay ở tốc độ lớn. Vật liệu chế tạo thường chọn thép hợp kim hoặc gang có cơ tính cao, chống chịu mài mòn tốt. Quá trình nhiệt luyện phải đạt độ cứng bề mặt quy chuẩn sau khi gia công thô và bán tinh.

II. Phân tích công nghệ gia công chi tiết khớp nối 3 chấu

Phân tích tính công nghệ là giai đoạn quan trọng trong quá trình thực hiện đồ án chế tạo khớp nối. Chi tiết sở hữu kết cấu phức tạp với 3 vấu lồi phân bố theo chu vi đĩa và lỗ then hoa trung tâm. Khối lượng chi tiết sau tính toán đạt xấp xỉ 12,8 kg, phù hợp với dạng sản xuất đơn chiếc trong công nghiệp nặng. Dạng sản xuất đơn chiếc đòi hỏi sử dụng máy vạn năng kết hợp máy điều khiển số CNC để tối ưu chi phí đầu tư. Khó khăn lớn nhất khi gia công nằm ở việc định vị và kẹp chặt 3 vấu đối xứng mà không làm biến dạng thân đĩa. Bề mặt vấu cong và góc nghiêng đòi hỏi dao cụ chuyên dụng cùng chế độ cắt gọt nghiêm ngặt. Nếu chế độ cắt không phù hợp, dao phay dễ bị rung, gây sai số bước vấu và suy giảm độ bóng bề mặt. Ngoài ra, việc chọn chuẩn định vị phụ khi gia công lỗ then hoa đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng để tránh tích lũy sai số gá đặt qua nhiều bước công nghệ.

2.1. Lựa chọn dạng sản xuất và phôi khớp nối 3 chấu

Dựa trên sản lượng cơ khí hàng năm và khối lượng 12,819 kg, dạng sản xuất được xác định là sản xuất đơn chiếc. Phương pháp tạo phôi đóng vai trò then chốt quyết định lượng dư gia công và lượng tiêu hao vật liệu. Đối với khớp nối chịu tải trọng va đập lớn, phôi rèn tự do hoặc phôi đúc trong khuôn cát kim loại là lựa chọn tối ưu. Phôi đúc đảm bảo hình dáng thô sát với bản vẽ thiết kế, giúp giảm bớt thời gian cắt gọt cơ khí. Cơ tính phôi cần được kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm trước khi đưa vào dây chuyền gia công nguyên công thô.

2.2. Vấn đề chọn chuẩn định vị khi gia công khớp nối

Chọn chuẩn công nghệ quyết định trực tiếp đến độ đồng tâm và độ vuông góc của khớp nối 3 vấu. Chuẩn thô đầu tiên được chọn là bề mặt trụ ngoài chưa gia công để tiến hành tiện khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm. Sau đó, mặt đầu và lỗ khoan được sử dụng làm chuẩn tinh thống nhất cho các nguyên công tiện tinh tiếp theo. Nguyên tắc thống nhất chuẩn giúp hạn chế sai số tích lũy giữa các bề mặt làm việc quan trọng. Đồ gá mâm cặp ba chấu tự định tâm hoặc đồ gá chuyên dùng đảm bảo độ cứng vững cao trong suốt quá trình tiện phay.

III. Quy trình công nghệ gia công chi tiết khớp nối 3 chấu

Quy trình công nghệ chế tạo khớp nối 3 chấu được chia thành 12 nguyên công nối tiếp nhau. Tiến trình bắt đầu bằng các nguyên công tiện thô và tiện tinh trên máy tiện vạn năng TAC 560. Các bề mặt trụ ngoài, mặt đầu và lỗ dẫn hướng được gia công bằng mảnh dao hợp kim CNMG và dao tiện C09. Quá trình tiện phân chia rõ ràng giữa bước phá thô và bước tinh nhằm triệt tiêu ứng suất dư trong phôi. Sau khi hoàn thiện các bề mặt tròn xoay, chi tiết được chuyển sang máy trung tâm phay PCV60 để gia công 3 vấu đối xứng. Chương trình phay CNC sử dụng dao phay ngón hợp kim chạy theo tọa độ nội suy tròn G02/G03, đảm bảo độ chính xác góc 120 độ. Tiếp theo, nguyên công gia công lỗ then hoa được thực hiện trên máy cắt dây tia lửa điện GS4555SP sử dụng dây molypden 0,18 mm. Phương pháp cắt dây giúp biên dạng rãnh then đạt độ bóng cao mà không gây biến dạng phôi mỏng. Cuối cùng, chi tiết trải qua nguyên công tiện rãnh chặn và tổng kiểm tra kích thước toàn diện.

3.1. Lập trình phay CNC 3 vấu trên máy PCV60

Gia công 3 vấu lồi là nguyên công then chốt quyết định tính năng truyền động của khớp nối. Bàn máy phay CNC PCV60 được thiết lập hệ tọa độ phôi G54 tại tâm chi tiết. Quá trình phay sử dụng dao phay ngón hợp kim chuôi trụ đường kính tiêu chuẩn với tốc độ trục chính S450-S500 vòng/phút. Đường dẫn dao được tối ưu hóa theo phương pháp phay thuận để giảm rung động và nâng cao độ nhẵn bề mặt tiếp xúc. Các lệnh G01 và nội suy cung tròn phân chia đều lượng bóc tách kim loại trên từng vấu, đảm bảo sai số góc giữa các vấu không vượt quá giới hạn dung sai cho phép.

3.2. Ứng dụng cắt dây tia lửa điện gia công then hoa

Lỗ then hoa trung tâm chịu tải trọng xoắn trực tiếp từ trục dẫn động nên yêu cầu độ chính xác biên dạng rất khắt khe. Phương pháp gia công xọc truyền thống thường khó đạt độ đồng đều và dễ gây sai số hình học. Đề tài ứng dụng máy cắt dây CNC GS4555SP sử dụng dây cắt molypden đường kính 0,18 mm mang lại hiệu quả vượt trội. Công nghệ xung điện ăn mòn kim loại tạo ra các rãnh then sắc nét, vuông góc và đạt độ nhám bề mặt tiêu chuẩn Ra 1.25. Thời gian gia công được rút ngắn đáng kể đồng thời loại bỏ nhu cầu chế tạo dao xọc định hình đắt tiền.

IV. Đánh giá kết quả và ứng dụng khớp nối 3 chấu cầu trục

Đồ án tốt nghiệp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết khớp nối 3 chấu mang lại giải pháp cơ khí hoàn chỉnh và có tính thực tiễn cao. Việc lập tiến trình 12 nguyên công hợp lý giúp tối ưu hóa thời gian chạy máy và nâng cao độ chính xác chi tiết. Ứng dụng máy tiện CNC, phay CNC và máy cắt dây giải quyết triệt để các bài toán khó về hình học phức tạp. Kết quả của đồ án chứng minh tính khả thi khi triển khai chế tạo phụ tùng thay thế cho hệ thống cầu trục công nghiệp 32 tấn. Khớp nối 3 vấu sau khi gia công đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn về khả năng truyền lực, bù sai lệch trục và chống mài mòn cao. Ngoài ra, quy trình công nghệ đề xuất có thể áp dụng linh hoạt cho các cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên chuyên ngành chế tạo máy trong việc xây dựng đồ án và làm việc thực tế tại nhà máy.

4.1. Khả năng làm việc trong cơ cấu cầu trục 32T

Khớp nối 3 chấu sau chế tạo được tích hợp vào cụm truyền động nâng hạ của cầu trục trọng tải 32 tấn. Thiết bị hoạt động ổn định dưới điều kiện tải trọng biến đổi liên tục và mô-men khởi động lớn. Nhờ độ chính xác tiếp xúc giữa các vấu đạt chuẩn, hiện tượng va đập cục bộ và tiếng ồn được giảm thiểu rõ rệt. Khớp nối cho phép bù sai lệch góc và sai lệch trục nhỏ giữa trục động cơ và trục sơ cấp hộp giảm tốc. Điều này giúp nâng cao tuổi thọ vận hành của toàn bộ hệ thống cơ khí cầu trục.

4.2. Bài học kinh nghiệm thực hiện đồ án cơ khí

Thực hiện đồ án quy trình công nghệ khớp nối 3 chấu đem lại nhiều bài học giá trị về tư duy thiết kế cơ khí. Việc tra cứu sổ tay công nghệ, tính toán chế độ cắt và thiết kế đồ gá đòi hỏi tính cẩn trọng cao độ. Kỹ năng sử dụng phần mềm CAD/CAM 3D hỗ trợ đắc lực cho việc mô phỏng gia công và lập trình mã G-code chính xác. Ngoài ra, việc kết hợp linh hoạt giữa máy công cụ vạn năng và máy CNC hiện đại là chìa khóa then chốt để hạ giá thành sản phẩm trong sản xuất đơn chiếc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I PHÂN TÍCH CHI TIẾT GIA CÔNG 1. Phân tích chi tiết gia công 1. Phân tích đặc điểm, điều kiện làm việc và phân loại chi tiết gia công  Đặc điểm: - Chi tiết gia công có tỉ lệ L/D = 0,786 nằm trong khoảng 0,5 ÷ 3,0. Theo Giáo trình công nghệ chế tạo máy 2, chi tiết gia công thuộc chi tiết dạng bạc.

- Cấu tạo chỉ bao gồm 3 phần: một cao su đệm và hai hub của khớp nối. Chính vì sự đơn giản của nó nên rất dễ mua và thay thế các phần bị hỏng. Thông thường thì phần cao su đệm thường được thay thế nhiều nhất vì là thành phần chính chịu lực.  Chức năng: - Chi tiết là khớp nối vấu (Jaw couplings) là loại khớp nối có phần khớp nối cứng dạng vấu liên kết với nhau nhờ cao su giảm chấn ở giữa nhầm mục đích giảm rung động, có khả năng lựa theo sai lệch vị trí của các trục để truyền chuyển động giúp bù sai lệch của trục.Đệm đàn hồi có tác dụng bù sai lệch của trục.

Trong kết cấu này, khâu liên kết có khả năng biến dạng đàn hồi lớn, dẫn đến năng lượng va đập, rung động được tích lũy vào khâu đàn hồi, sau đó giải phòng dần ra, dẫn đến hạn chế được các chấn động đột ngột truyền từ trục này sang trục kia. Do vậy khớp nối mềm vừa có khả năng bù sai lệch trục còn có khả năng giảm chấn. Dễ lắp ráp tháo rời và cố định rất chắc chắc.  Điều kiện làm việc: - Lỗ then hoa và 3 vấu của khớp nối chịu tải trọng khi làm việc.

- Trong quá trình làm việc khớp nối luôn chịu tải trọng va đập và dao động. Mặt làm việc chịu tải trọng chu kỳ, nhiệt độ làm việc tương đối cao.Tuy nhiên nó không đến mức quá khắc nghiệt bởi nó được bôi trơn trong quá trình làm việc. - Lỗ then hoa dùng để lắp với trục then hoa  Chi tiết gia công được chế tạo bằng vật liệu thép C45 có thành phần hóa học như sau: Thành phần C Si Mn S P Cr hóa học ≤ ≤ Tỉ lệ (%) 0,42  0,50 0,150,35 0,500,80 0,025 0,025 0,200,40 10 1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật, chọn ra phương pháp gia công tinh lần cuối và biện pháp công nghệ gia công chi tiết.

- Bề mặt lỗ then hoa sẽ được lắp ghép với chi tiết trục then hoa có nhiệm vụ truyền chuyển động quay và momen xoắn giữa chi tiết khớp nối được lắp ghép. + 0,1 Cấp chính xác đạt cấp 10 ( ∅ 36 0 ). Độ nhám đạt Ra = 3,2(µm). Ta chọn phương pháp gia công tinh lần cuối là cắt dây.

- Các bề mặt còn lại không tham gia vào quá trình lắp ghép ta chọn phương pháp gia công tinh lần cuối là tiện bán tinh. Độ nhám đạt Rz = 40(µm).  Biện pháp công nghệ để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật quan trọng. - Cần đảm bảo độ đồng tâm giữa về mặt then hoa và bề mặt trụ ngoài.

Với chi tiết gia công thuộc họ chi tiết dạng bạc ta chọn biện pháp công nghệ là chọn chuẩn tinh là chuẩn tinh thống nhất. - Chi tiết gia công thuộc dạng sản xuất hàng loạt nên biện pháp công nghệ ta sẽ chọn là phân tán nguyên công với biện pháp đạt độ chính xác gia công là tự động đạt kích thước (chỉnh sẵn dao). - Để đảm bảo giảm năng suất gia công cho chi tiết cũng như đảm bảo độ chính xác về vị trí tương quan giữa các bề mặt gia công ta chọn biện pháp công nghệ là gia công các bề mặt quan trọng trên máy công cụ CNC. Phân tích tính công nghệ trong kết cấu.

 Trong thiết kế: - Chi tiết có kết cấu tương đối đơn giản. Có thể sử dụng các phương pháp gia công thông thường và máy công cụ vạn năng trong quá trình gia công từ đó giảm chi phí đầu tư trang thiết bị máy móc. - Vật liệu chế tạo chi tiết khá phổ biến và có thể sử dụng các dụng cụ cắt thông thường trong quá trình gia công. Tiết kiệm chi phí chế tạo dụng cụ cắt - Dung sai của các bề mặt gia công đều có thể gia công bằng các phương pháp gia công thông thường từ đó giảm chi phí chế tạo chi tiết.

 Trong quá trình gia công: - Kết cấu của chi tiết tương đối đơn giản, có thể sử dụng đồ gá vạn năng trong quá trình gia công giúp giảm chi phí chế tạo đồ gá. - Độ cứng và kết cấu của chi tiết gia công có thể sử dụng dụng cụ cắt thông thường để gia công từ đó giảm chi phí chế tạo dụng cụ cắt và giảm chi phí chế tạo chi tiết.  Trong quá trình lắp ghép: - Các bề mặt lắp ghép quan trọng đều có không gian trống tạo điều kiện thuận tiện cho quá trình lắp ghép cũng như thao tác trong quá trình sửa chữa, thay thế.  Kết luận: Tính công nghệ trong kết cấu đã phù hợp không phải sửa đổi gì thêm.

Dạng sản xuất. Khái niệm và ý nghĩa của dạng sản xuất.  Khái niệm dạng sản xuất : - Dạng sản xuất là một khái niệm kinh tế, kĩ thuật tổng hợp phản ánh mối quan hệ qua lại giữa các đặc trưng về kĩ thuật, về công nghệ của nhà máy với các hình thức tổ chức sản xuất, hạch toán kinh tế được sử dụng trong quá trình đó nhằm taọ ra các sản phẩm đảm bảo chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật. Đặc trưng của dạng sản xuất là sản lượng hàng năm, tính ổn định của sản phẩm, tính lặp lại của quá trình sản xuất và mức độ chuyên môn hóa của quá trình sản xuất.

- Có nhiều quan điểm xác định dạng sản xuất. Trong thực tế người ta chia dạng sản xuất ra 3 loại chính: + Dạng sản xuất đơn chiếc. + Dạng sản xuất hàng loạt. + Dạng sản xuất hàng khối.

 Ý nghĩa của dạng sản xuất: - Dạng sản xuất là một yếu tố quan trọng trong việc thiết kế quy trình công nghệ, vì nếu biết dạng sản xuất sẽ biết được các điều kiện cho phép về vốn đầu tư, trang thiết bị, nhân lực, … để sản xuất có hiệu quả cao. - Có nhiều cách để xác định dạng sản xuất như: + Xác định theo hệ số chuyên môn hóa. + Xác định theo khối lượng sản phẩm. + Xác định theo sản lượng hàng năm và khối lượng sản phẩm.

 Ở đây sẽ sử dụng cách xác định dạng sản xuất theo sản lượng hàng năm và trọng lượng sản phẩm. Xác định dạng sản xuất. Xác định dạng sản xuất theo sản lượng hàng năm Sản lượng hàng năm của chi tiết gia công được xác định theo công thức: α+β N = Ni. (1 + ) 100 Trong đó: N: số lượng chi tiết cần phải gia công.

Ni: Số lượng chi tiết cần chế tạo trong một năm theo kế hoạch ( chi tiết/năm). m: Số lượng chi tiết có trong 1 sản phẩm. 12 ⍺: Hệ số dự phòng do sai hỏng trong quá trình chế tạo, ⍺ = 2  5 %. β : Hệ số dự phòng do quá trình vận chuyển lưu kho bị mất mát, β = 3  6 %.

Xác định trọng lượng chi tiết. Trọng lượng của chi tiết được xác định theo công thức: Q = V. V: Thể tích của chi tiết (dm3). : Trọng lượng riêng của vật liệu ( kg/dm3).

Dựa vào bản vẽ 3D trong phần mềm Inventor ta tính toán được khối lượng của chi tiết là: Q = 4,737 + 8,082 = 12,819 (kg) 13  Kết luận: Ta xác định được dạng sản xuất cho chi tiết gia công là: đơn chiếc. Đặc điểm của dạng sản xuất  Dạng sản xuất đơn chiếc : Là dạng sản xuất mà sản lượng gia công của mỗi mặt hàng rất nhỏ, thường chỉ một đến vài chục chiếc. Số chủng loại mặt hàng nhiều, các mặt hàng không lặp lại hoặc lặp lại theo một chu kỳ.  Đặc điểm: - Sử dụng máy: chủ yếu là máy vạn năng.

- Bố trí máy: thường bố trí máy theo nhóm máy. - Đồ gá và các trang bị công nghệ: chủ yếu là vạn năng. - Phương pháp gá đặt: chủ yếu sử dụng phương pháp rà gá. - Phương pháp đảm bảo độ chính xác gia công: chủ yếu sử dụng phương pháp đo dò cắt thử.

- Định mức kĩ thuật: rất đơn giản, thường định mức theo kinh nghiệm. - Bậc thợ: thợ đứng máy đòi hỏi tay nghề cao, không cần thợ điều chỉnh. - Văn kiện công nghệ: được lập rất đơn giản thường chỉ sử dụng phiếu tiến trình công nghệ. Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi.

Phân tích cơ sở chọn phôi và chọn phôi. - Phôi được xác định theo kết cấu của chi tiết, vật liệu, điều kiện, dạng sản xuất cụ thể của từng nhà máy, xí nghiệp. Chọn phôi tức là chọn phương pháp chế tạo, xác định lượng dư, kích thước và dung sai của phôi. - Việc xác định phương pháp chế tạo phôi hợp lí sẽ đảm bảo đủ lượng dư cho quá trình gia công.

Hình dáng của phôi càng giống hình dáng của chi tiết bao nhiêu thì càng giảm được lượng dư gia công, yêu cầu này cho phép giảm số lần chạy dao, giảm thời gian gia công, tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm. - Việc tạo phôi phù hợp với việc chế tạo chi tiết trước hết phải căn cứ vào các yêu cầu sau: + Vật liệu và cơ tính mà chi tiết gia công đòi hỏi + Hình dáng kết cấu và kich thước của chi tiết gia công + Dạng sản xuất cụ thể + Khả năng đạt độ chính xác gia công, chọn phôi hợp lí + Điều kiện cụ thể của cơ sở sản xuất. Các phương pháp chế tạo phôi cho chi tiết gia công: - Chi tiết gia công được chế tạo bằng vật liệu là thép hợp kim C45. - Các phương pháp chế tạo phôi có thể sử dụng để tạo phôi cho chi tiết gia công.

+ Đúc: Phương pháp đúc phù hợp khi chế tạo những chi tiết có hình dạng và biên dạng phức tạp. Đúc trong khuôn cát phù hợp với dạng sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ. Đúc trong khuôn kim loại phù hợp cho dạng sản xuất hàng khối, loạt lớn. + Cán: Phương pháp cán phù hợp với những chi tiết có biên dạng và kết cấu đơn giản.

Các kích thước chênh lệch nhỏ. + Rèn: Phù hợp khi gia công những chi tiết có biên dạng và kết cấu đơn giản, dạng sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ. Thiết bị đơn giản, vốn ít. + Gia công áp lực (dập): Phù hợp khi gia công những chi tiết có biên dạng từ đơn giản đến phức tạp.

phù hợp cho dạng sản xuất hàng khối loạt lớn.  Kết luận: Chọn phôi để chế tạo chi tiết là phôi cán.