Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành cơ khí chế tạo máy giữ vai trò nền tảng trong nền kinh tế quốc dân, đòi hỏi đội ngũ kỹ sư và cán bộ kỹ thuật phải nắm vững kiến thức chuyên môn sâu rộng cùng năng lực vận dụng vào thực tiễn sản xuất, sửa chữa và vận hành thiết bị. Môn học và đồ án Công nghệ Chế tạo máy được xây dựng nhằm trang bị cho người học phương pháp thiết kế, xây dựng và quản lý quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí, hướng tới việc đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật theo yêu cầu cụ thể của quy mô sản xuất. Trong khuôn khổ đào tạo ngành Chế tạo máy thuộc Khoa Cơ khí, đồ án môn học đặt trọng tâm vào việc giải quyết bài toán thiết kế quy trình sản xuất một chi tiết cơ khí hoàn chỉnh từ khâu phân tích kỹ thuật đến định mức thời gian gia công. Đề tài do sinh viên Nguyễn Văn Bé và Lê Hửu Đăng thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Trí, hoàn thành ngày 30 tháng 10 năm 2015 tại Cần Thơ.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu trong đồ án được xác định tuần tự theo văn bản thiết kế kỹ thuật:
- Phân tích chức năng, điều kiện làm việc và tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết gia công dạng trục.
- Xác định dạng sản xuất dựa trên sản lượng hàng năm và khối lượng chi tiết; lựa chọn dạng phôi, phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ lồng phôi.
- Xác định đường lối công nghệ, chọn phương pháp gia công, lập tiến trình công nghệ và thiết kế chi tiết 8 nguyên công gia công cơ khí.
- Xác định lượng dư gia công bằng phương pháp tính toán giải tích cho bề mặt lắp ghép quan trọng và tra bảng cho các bề mặt còn lại.
- Tính toán chế độ cắt giải tích cho nguyên công phay rãnh then và tra bảng chế độ cắt cho các nguyên công còn lại.
- Xác định thời gian gia công cơ bản và tính toán thời gian từng phần cho các nguyên công trong quy trình công nghệ.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là chi tiết dạng trục bậc truyền chuyển động quay và mômen xoắn, chế tạo từ thép cacbon kết cấu 45. Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật tập trung vào quy trình gia công cắt gọt cơ khí trên các máy công cụ vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng, ứng với quy mô sản xuất hàng loạt vừa (sản lượng thiết kế 3.000 sản phẩm/năm), không gian thực hiện tại xưởng cơ khí thực nghiệm thuộc môi trường đào tạo kỹ thuật tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cơ bản của công nghệ chế tạo máy, phương pháp định vị và kẹp chặt chi tiết theo nguyên lý 6 điểm, lý thuyết tính toán lượng dư gia công theo phương pháp giải tích của Giáo sư V.M. Kovan, và lý thuyết tính toán chế độ cắt gọt kim loại. Hệ thống công thức và bảng tra định mức kỹ thuật được kế thừa từ các tài liệu chuẩn mực chuyên ngành gồm: Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy tập 1, tập 2, tập 3 (GS.TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS.TS Lê Trung Thực, PGS.TS Trần Văn Địch...) và Hướng dẫn thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng bao gồm:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp kỹ thuật: Đánh giá kết cấu hình học, tỷ số độ cứng vững $l/d$, khả năng gia công của các bề mặt tròn xoay ngoài, bề mặt đầu và rãnh then.
- Phương pháp tính toán hình học và khối lượng: Xác định thể tích từng đoạn trục phân đoạn $V_1$ đến $V_{11}$ để tính tổng thể tích ($V = 541.638,\text{mm}^3$) và khối lượng chi tiết ($m = 4,25,\text{kg}$), từ đó đối chiếu bảng tiêu chuẩn để phân loại dạng sản xuất.
- Phương pháp so sánh - lựa chọn phương án công nghệ: Phân tích ưu nhược điểm giữa phương pháp tạo phôi dập thể tích so với phôi đúc (khuôn cát, khuôn kim loại) và phôi cán; so sánh tiến trình phân tán nguyên công giữa hai phương án bố trí thứ tự tiện thô, tiện tinh và phay rãnh.
- Phương pháp giải tích kết hợp tra cứu định mức: Tính toán lượng dư giới hạn, sai số không gian của phôi dập ($\rho_{\text{phôi}}$), hệ số chính xác ($k$), tính vận tốc cắt, lực cắt, công suất cắt và thời gian gia công định mức ($T_{tc}$).
Nguồn dữ liệu sử dụng hoàn toàn xuất phát từ bản vẽ kỹ thuật của chi tiết dạng trục, các bảng tra cứu thông số máy công cụ (máy tiện 1K62, máy phay đứng 6H13Ƃ, máy mài 3M153A), bảng thành phần hóa học vật liệu thép 45, bảng tiêu chuẩn dung sai - độ nhám bề mặt và sổ tay chế độ cắt gọt.
Thiết kế và quy trình công nghệ
Hệ thống công nghệ gia công chi tiết dạng trục được xây dựng theo đường lối công nghệ phân tán nguyên công, thực hiện trên các máy vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dụng nhằm nâng cao năng suất và phù hợp với điều kiện sản xuất cơ khí trong nước:
| Hạng mục thiết bị | Tên máy và thông số kỹ thuật | Dụng cụ cắt sử dụng | Đồ gá và phương pháp định vị |
|---|---|---|---|
| Máy tiện | Máy tiện ren vít vạn năng 1K62; Công suất động cơ $P = 7,5,\text{kW}$; Khối lượng máy $2.290,\text{kg}$ | Dao tiện hợp kim T5K10, T15K6; Dao tiện tinh T30K4, T30K10; Mũi khoan tâm T5K10, T15K6 | Mâm cặp 3 chấu tự định tâm (NC1); Hai mũi chống tâm (cố định và di động) kết hợp cặp tốc truyền mômen xoắn (NC2 đến NC5) |
| Máy phay | Máy phay đứng vạn năng 6H13Ƃ; Kích thước bàn máy $400 \times 1.600,\text{mm}$; 18 cấp tốc độ ($50 \div 3.000,\text{vg/phút}$); Hiệu suất $\eta = 0,8$; Khối lượng máy $4.250,\text{kg}$ | Dao phay ngón chuôi côn $D = 14,\text{mm}$; Mũi khoan mồi đuôi côn $D = 14,\text{mm}$ | Hai khối V ngắn (hoặc 1 khối V cố định, 1 khối V di động) kết hợp chốt tỳ/mũi tâm khống chế 5 bậc tự do; Kẹp chặt bằng cơ cấu ren vít |
| Máy mài | Máy mài tròn ngoài 3M153A; Công suất động cơ $P = 5,5,\text{kW}$; Khối lượng máy $4.200,\text{kg}$ | Đá mài kim cương hạt AC2 125/100; Đá mài loại $\text{ПB}$ có vành lõm ($D = 300,\text{mm}, d = 50,\text{mm}, H = 80,\text{mm}$) | Hai mũi chống tâm (mũi cố định gắn trên mâm cặp, mũi di động) kết hợp cặp tốc truyền động |
Quy trình kiểm thử và kiểm tra chất lượng (Nguyên công 8) được tổ chức chuyên biệt nhằm kiểm soát dung sai hình học và vị trí tương quan:
- Kiểm tra độ tròn cổ trục $\varnothing 35$ lắp ổ lăn: Trục được gá lên đồ gá chuyên dùng, kim đồng hồ so tiếp xúc với mặt trụ; quay trục và theo dõi độ dịch chuyển của kim đo trong phạm vi dung sai cho phép.
- Kiểm tra độ đảo hướng tâm tại mặt trụ $\varnothing 45$ lắp bánh răng: Trục được gá trên hai mũi chống tâm, đồng hồ so tiếp xúc bề mặt cần đo; quay chi tiết để xác định sai lệch đảo hướng tâm.
- Kiểm tra độ song song của rãnh then đối với tâm trục: Gá trục lên đồ gá chuyên dụng, sử dụng đầu dò trượt dọc theo chiều dài rãnh then và mặt ngoài của trục để đánh giá độ song song giữa đáy then, cạnh then và đường tâm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Phân tích chi tiết gia công
Chương 1 trình bày chi tiết về kết cấu, chức năng, điều kiện làm việc và các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm. Chi tiết thuộc dạng trục bậc, có nhiệm vụ truyền chuyển động quay và mômen xoắn. Bề mặt gia công cơ bản là các mặt tròn xoay ngoài dùng để lắp ghép với các chi tiết khác như bánh răng và ổ lăn:
- Hai vị trí làm việc trọng yếu gồm: mặt trụ $\varnothing 35$ dùng để lắp ổ lăn, yêu cầu độ bóng bề mặt đạt cấp 8 ($Ra = 0,63,\mu\text{m}$); mặt trụ $\varnothing 45$ dùng để lắp bánh răng, yêu cầu độ bóng đạt cấp 7 ($Ra = 1,25,\mu\text{m}$). Để đạt được các thông số này, bề mặt bắt buộc phải qua nguyên công mài tinh sau khi nhiệt luyện.
- Chi tiết được chế tạo bằng thép cacbon kết cấu 45 có độ cứng $HB = 197$, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 610,\text{kG/mm}^2$.
Thành phần hóa học của thép 45 được tác giả tổng hợp tại Bảng 1.1 trong văn bản:
| Nguyên tố hóa học | C | Si | Mn | S | P | Ni | Cr |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hàm lượng (%) | 0,4 ÷ 0,5 | 0,17 ÷ 0,37 | 0,5 ÷ 0,8 | 0,045 | 0,045 | 0,30 | 0,30 |
Về tính công nghệ kết cấu, trục có chiều dài tổng thể sau phay hai mặt đầu là $374 \pm 0,2,\text{mm}$, kích thước đường kính giảm dần về hai đầu thuận lợi cho việc gia công và tháo lắp. Tỷ số giữa chiều dài và đường kính lớn nhất là $l/d = 374/55 = 6,8$, chứng minh trục có độ cứng vững tốt, không bị cong võng khi cắt và không yêu cầu máy tiện chép hình thủy lực phức tạp. Chi tiết gia công cần khoan hai lỗ tâm ở hai mặt đầu làm chuẩn định vị phụ xuyên suốt tiến trình công nghệ.
Yêu cầu kỹ thuật đối với chi tiết dạng trục được quy định cụ thể:
- Kích thước đường kính các cổ lắp ghép đạt cấp chính xác từ 7 đến 10 (một số vị trí đạt cấp 5).
- Độ côn, độ ôvan của các cổ trục nằm trong giới hạn $0,25 \div 0,5$ dung sai đường kính cổ trục.
- Dung sai chiều dài mỗi bậc trục nằm trong khoảng $0,05 \div 0,2,\text{mm}$.
- Độ lệch tâm giữa các cổ trục lắp ghép không vượt quá $0,01 \div 0,03,\text{mm}$.
- Độ không song song của các rãnh then đối với đường tâm trục không quá $0,01,\text{mm}$ trên $100,\text{mm}$ chiều dài.
- Độ nhám bề mặt: các cổ trục lắp ghép đạt $Ra = 1,25 \div 0,63,\mu\text{m}$; các mặt đầu đạt $Rz = 40 \div 20,\mu\text{m}$; các bề mặt không lắp ghép đạt $Rz = 80 \div 40,\mu\text{m}$.
Chương 2: Xác định dạng sản xuất, chọn phôi và phương pháp chế tạo
Tác giả xác định dạng sản xuất căn cứ trên sản lượng hàng năm theo thiết kế ($N_1 = 3.000$ sản phẩm/năm) và khối lượng chi tiết. Thể tích chi tiết được tính bằng tổng thể tích 11 phần tử hình trụ và trừ đi các phần khuyết tật rãnh: $V = V_1 + V_2 - V_3 - V_4 + V_5 + V_6 - V_7 - V_8 + V_9 + V_{10} + V_{11} = 541.638,\text{mm}^3$. Với khối lượng riêng của thép là $7,852,\text{g/cm}^3$, khối lượng chi tiết đạt: $m = 541.638 \times 10^{-6} \times 7,852 = 4,25,\text{kg}$. Căn cứ bảng tra tiêu chuẩn, dạng sản xuất được kết luận là sản xuất hàng loạt vừa.
Về phương pháp tạo phôi, văn bản so sánh ba giải pháp:
- Phôi thép thanh (cán nóng): Tiết diện đồng đều, dễ mua nhưng lượng kim loại phải hớt bỏ lớn, tốn công cắt gọt đối với trục có bậc chênh lệch đường kính từ $\varnothing 35$ đến $\varnothing 55$.
- Phôi đúc (đúc trong khuôn cát và khuôn kim loại): Cho phép đúc hình dạng phức tạp nhưng độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt thấp, tổ chức kim loại xốp, cơ tính chịu xoắn kém.
- Phôi dập thể tích: Kim loại biến dạng dẻo dưới tác dụng của ngoại lực làm định hướng tổ chức thớ sợi theo chiều dọc trục, làm tăng cơ tính chịu uốn và chịu xoắn của trục. Phôi dập có độ chính xác kích thước cao, chất lượng bề mặt đạt $Rz = 40,\mu\text{m}$, lượng dư gia công nhỏ giúp rút ngắn thời gian cắt gọt, tiết kiệm vật liệu và hạ giá thành.
Do đó, phôi dập nóng được lựa chọn. Tác giả thiết kế bản vẽ lồng phôi dập với các kích thước danh nghĩa có dung sai: chiều dài tổng thể phôi $378 \pm 0,2,\text{mm}$ (lượng dư mặt đầu $1,8 \pm 0,2,\text{mm}$ mỗi bên), các đường kính phôi tương ứng $\varnothing 37 \pm 0,2,\text{mm}$, $\varnothing 46 \pm 0,2,\text{mm}$, bậc dài $20 \pm 0,2,\text{mm}$, $138 \pm 0,2,\text{mm}$.
Chương 3: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết
Đường lối công nghệ được lựa chọn là phân tán nguyên công, gia công tuần tự bằng phương pháp một vị trí, một dao trên máy vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng. Tác giả xây dựng hai phương án tiến trình công nghệ để so sánh và lựa chọn:
- Phương án 1 được chọn lựa gồm 8 nguyên công:
- Nguyên công 1: Khỏa 2 mặt đầu và khoan lỗ tâm hai đầu (máy tiện 1K62, mâm cặp 3 chấu).
- Nguyên công 2: Tiện thô các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45$ (gá hai mũi chống tâm + cặp tốc).
- Nguyên công 3: Trở đầu, tiện thô các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45, \varnothing 55$ (gá hai mũi chống tâm + cặp tốc).
- Nguyên công 4: Tiện tinh các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45$ và vát mép $2 \times 45^\circ$.
- Nguyên công 5: Trở đầu, tiện tinh các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45, \varnothing 55$ và vát mép $2 \times 45^\circ$.
- Nguyên công 6: Phay 2 rãnh then kích thước bề rộng $14,\text{mm}$, chiều dài $74,\text{mm}$, chiều sâu $5,5,\text{mm}$ trên máy phay 6H13Ƃ.
- Nguyên công 7: Mài 2 cổ trục $\varnothing 35$ đạt độ nhám $Ra = 0,63,\mu\text{m}$ trên máy mài 3M153A.
- Nguyên công 8: Kiểm tra độ tròn, độ đảo hướng tâm và độ song song rãnh then.
Văn bản mô tả chi tiết phương pháp gá đặt, chọn máy, chọn dao và các bước công nghệ cho từng nguyên công từ 1 đến 8 kèm sơ đồ nguyên công tương ứng.
Chương 4: Xác định lượng dư gia công
Chương 4 thực hiện tính toán lượng dư gia công bằng phương pháp giải tích cho bề mặt trụ ngoài $\varnothing 35$ (cổ trục lắp ổ lăn) qua 4 bước công nghệ: tiện thô, tiện tinh, mài thô và mài tinh.
Công thức tính lượng dư nhỏ nhất đối với mặt ngoài đối xứng (gia công chống tâm hai đầu, sai số gá đặt $\varepsilon = 0$): $2Z_{\min} = 2(R_{za} + T_a + \rho_a)$. Sai số không gian tổng cộng của phôi dập được tính từ độ lệch khuôn dập ($\Delta_k = 0,03,\text{mm}$), độ cong đơn vị ($\Delta_c = 1,\mu\text{m/mm}$, chiều dài $L_c = 20,\text{mm}$), dung sai phôi dập ($\delta_d = 0,25,\text{mm}$) và độ võng tâm phôi ($0,25,\text{mm}$), xác định được sai số không gian phôi là $\rho_{\text{phôi}} = 1.030,\mu\text{m}$.
Sai số không gian còn lại sau các bước gia công:
- Sau tiện thô: $\rho_1 = k \cdot \rho_{\text{phôi}} = 0,06 \times 1.030 = 61,8,\mu\text{m}$.
- Sau tiện tinh: $\rho_2 = 0,4 \times 61,8 = 24,72,\mu\text{m}$.
- Sau mài thô: $\rho_3 = 0,2 \times 24,72 = 4,94,\mu\text{m}$.
Tổng hợp số liệu tính toán lượng dư bề mặt trụ ngoài $\varnothing 35$ (Bảng 4 trong văn bản):
| Bước công nghệ | $Rz_i$ ($\mu\text{m}$) | $T_i$ ($\mu\text{m}$) | $\rho_i$ ($\mu\text{m}$) | $2Z_{\min}$ tính toán ($\mu\text{m}$) | Kích thước tính toán ($d$, mm) | Dung sai $\delta$ ($\mu\text{m}$) | $d_{\max}$ (mm) | $d_{\min}$ (mm) | $2Z_{b\min}$ ($\mu\text{m}$) | $2Z_{b\max}$ ($\mu\text{m}$) | | :--- | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | | Phôi dập | 150 | 250 | 1.030 | - | 38,412 | 250 | 38,66 | 38,41 | - | - | | Tiện thô | 50 | 50 | 61,8 | 2.860 | 35,552 | 50 | 35,61 | 35,55 | 2.850 | 3.050 | | Tiện tinh | 20 | 30 | 24,72 | 323,6 | 35,228 | 30 | 35,26 | 35,23 | 330 | 350 | | Mài thô | 10 | 20 | 4,94 | 149,44 | 35,079 | 20 | 35,10 | 35,08 | 150 | 160 | | Mài tinh | 5 | 15 | - | 69,88 | 35,010 | 15 | 35,03 | 35,01 | 70 | 75 |
Tổng lượng dư gia công lớn nhất và nhỏ nhất: $Z_{b\max} = 75 + 160 + 350 + 3.050 = 3.635,\mu\text{m}$. $Z_{b\min} = 70 + 150 + 330 + 2.850 = 3.400,\mu\text{m}$. Kiểm tra tính chính xác của phép tính: $Z_{b\max} - Z_{b\min} = \delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}} \Leftrightarrow 3.635 - 3.400 = 250 - 15 = 235,\mu\text{m}$ (đẳng thức thỏa mãn hoàn toàn).
Đối với các bề mặt còn lại, tác giả tra cứu lượng dư từ sổ tay công nghệ:
- Mặt trụ $\varnothing 40$: Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 1,1,\text{mm}$.
- Mặt trụ $\varnothing 45$: Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 1,1,\text{mm}$.
- Mặt trụ $\varnothing 55$: Lượng dư tiện tinh sau tiện thô $2a = 1,2,\text{mm}$.
- Tiện mặt đầu: Lượng dư một phía $a = 1,0,\text{mm}$ (hoặc $1,8,\text{mm}$ trên phôi).
Chương 5: Tính toán chế độ cắt
Tác giả thực hiện tính toán chế độ cắt giải tích cho Nguyên công 6 (Phay 2 rãnh then kích thước $14 \times 74 \times 5,5,\text{mm}$) và tra bảng định mức cho các nguyên công còn lại.
Tính toán cho Nguyên công 6:
- Dao phay ngón chuôi côn $D = 14,\text{mm}$, số răng $Z = 4$, chiều dài dao $L = 96,\text{mm}$, phần làm việc $l = 26,\text{mm}$. Chiều sâu cắt $t = 7,\text{mm}$, bề rộng phay $B = 5,5,\text{mm}$.
- Lượng chạy dao: $S = 0,04,\text{mm/vòng}$, $S_z = 0,01,\text{mm/răng}$. Chu kỳ bền của dao $T = 80,\text{phút}$.
- Vận tốc cắt tính toán theo công thức giải tích đạt $V = 115,5,\text{m/phút}$, tương ứng số vòng quay lý thuyết $n_1 = 2.627,3,\text{vg/phút}$.
- Quy chuẩn số vòng quay theo cấp số nhân của máy phay 6H13Ƃ (công bội $\varphi = 1,26$): chọn số vòng quay thực tế $n_m = 2.532,5,\text{vg/phút}$.
- Vận tốc cắt thực tế của máy đạt $V_{tt} = 111,32,\text{m/phút}$.
- Công suất cắt tính toán: $N_e = 3,26,\text{kW}$. So sánh với công suất máy: $N_{\text{máy}} \cdot \eta = 7,5 \times 0,8 = 6,0,\text{kW}$. Kết luận $N_e < N_{\text{máy}}$ nên máy làm việc an toàn, đạt yêu cầu kỹ thuật.
Thông số chế độ cắt tra bảng cho các nguyên công còn lại:
- Nguyên công 1 (Tiện mặt đầu, khoan tâm): Tiện mặt đầu dùng dao T15K6 có $t = 1,4,\text{mm}$, $S = 0,38,\text{mm/vòng}$, $V_b = 323,\text{m/phút}$; Khoan tâm có $t = 1,\text{mm}$, $S = 0,05,\text{mm/vòng}$, $V_b = 40,\text{m/phút}$.
- Nguyên công 2, 3 (Tiện thô các mặt trụ): $t = 0,8,\text{mm}$, $S = 0,4 \div 0,5,\text{mm/vòng}$, $V_b = 260,\text{m/phút}$, vận tốc tính đổi hiệu chỉnh đạt $225,\text{m/phút}$.
- Nguyên công 4, 5 (Tiện tinh các mặt trụ): $t = 0,2,\text{mm}$, lượng chạy dao tinh hiệu chỉnh $S = 0,09 \div 0,45,\text{mm/vòng}$, vận tốc cắt bảng tra $V_b = 110,\text{m/phút}$.
- Nguyên công 7 (Mài 2 cổ trục $\varnothing 35$): Chiều sâu cắt mài $t = 0,1,\text{mm}$, lượng chạy dao ngang $S = 0,74,\text{mm/vòng}$, số vòng quay trục chính $n = 165,\text{vg/phút}$.
Chương 6: Tính thời gian gia công cơ bản
Thời gian gia công từng phần cho một nguyên công được xác định theo công thức định mức kỹ thuật trong sản xuất hàng loạt: $T_{tc} = T_0 + T_p + T_{pv} + T_{tn}$ Trong đó:
- $T_0$: Thời gian cơ bản (thời gian trực tiếp cắt gọt), tính bằng $T_0 = \frac{L + L_1 + L_2}{S \cdot n}$.
- $T_p$: Thời gian phụ, lấy $T_p = 10% T_0$.
- $T_{pv}$: Thời gian phục vụ chỗ làm việc (gồm phục vụ kỹ thuật $8% T_0$ và tổ chức $2% T_0$), lấy $T_{pv} = 10% T_0$.
- $T_{tn}$: Thời gian nghỉ ngơi tự nhiên của công nhân, lấy $T_{tn} = 5% T_0$. Suy ra thời gian từng phần nguyên công: $T_{tc} = 1,25 \cdot T_0$.
Các kết quả tính toán định mức thời gian trong văn bản:
- Nguyên công 1: Tiện thô mặt đầu thứ nhất và thứ hai đều có $T_{tc} = 0,03,\text{phút}$; Khoan hai lỗ tâm có $T_{tc} = 0,7,\text{phút}$ cho mỗi đầu.
- Nguyên công 2 (Tiện thô 3 mặt trụ):
- Bước 1 (mặt trụ $\varnothing 45$, $L = 96,\text{mm}$, $L_1 = 1,8,\text{mm}$, $L_2 = 0$, $n_1 = 1.592,\text{vg/phút}$): $T_{tc} = 0,3125,\text{phút}$.
- Bước 2 (mặt trụ $\varnothing 40$, $L = 26,\text{mm}$, $L_1 = 1,8,\text{mm}$, $L_2 = 0$, $n_1 = 1.791,\text{vg/phút}$): $T_{tc} = 0,0775,\text{phút}$.
- Bước 3 (mặt trụ $\varnothing 35$, $L = 20,\text{mm}$, $L_1 = 1,8,\text{mm}$, $L_2 = 0$, $n_1 = 2.047,\text{vg/phút}$).
- Nguyên công 3: Bước tiện thô mặt trụ $\varnothing 55$ ($L = 94,\text{mm}$, $L_1 = 1,8,\text{mm}$, $L_2 = 2,\text{mm}$, $n_1 = 1.302,\text{vg/phút}$).
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung kỹ thuật đặt ra trong nhiệm vụ thiết kế công nghệ chế tạo máy:
- Xác định chính xác dạng sản xuất hàng loạt vừa với quy mô $3.000$ chi tiết/năm dựa trên tính toán thể tích ($V = 541.638,\text{mm}^3$) và khối lượng thực tế của chi tiết trục ($m = 4,25,\text{kg}$).
- Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi dập nóng thể tích có độ chính xác cao ($Rz = 40,\mu\text{m}$, dung sai phôi $0,25,\text{mm}$), giúp định hướng tổ chức thớ kim loại của thép 45, nâng cao khả năng chịu tải kéo và xoắn.
- Thiết lập quy trình công nghệ 8 nguyên công tối ưu trên các thiết bị gia công cơ bản (máy tiện 1K62, máy phay đứng 6H13Ƃ, máy mài 3M153A), phân chia rõ ràng các giai đoạn gia công thô, gia công tinh và gia công lần cuối.
- Xác định chính xác lượng dư gia công mặt trụ ngoài $\varnothing 35$ qua 4 bước công nghệ bằng phương pháp giải tích với $Z_{b\max} = 3.635,\mu\text{m}$ và $Z_{b\min} = 3.400,\mu\text{m}$, kiểm tra cân bằng sai số hoàn toàn khớp đúng với dung sai phôi và chi tiết ($235,\mu\text{m}$).
- Tính toán kiểm nghiệm chế độ cắt và công suất cắt cho nguyên công phay rãnh then ($N_e = 3,26,\text{kW} < 6,0,\text{kW}$), chứng minh tính khả thi về mặt động lực học của hệ thống công nghệ.
- Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc xây dựng một bộ hồ sơ công nghệ hoàn chỉnh, có tính hệ thống cao, làm mẫu chuẩn cho quy trình gia công các chi tiết trục bậc truyền động cơ khí điển hình.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ trên phạm vi nội dung được trình bày trong tài liệu, đồ án còn một số điểm chưa mở rộng:
- Tính toán lượng dư và chế độ cắt bằng phương pháp giải tích mới chỉ thực hiện cho hai nguyên công đại diện (lượng dư mặt trụ $\varnothing 35$ ở Chương 4 và chế độ cắt phay rãnh then ở Chương 5); các bề mặt và nguyên công còn lại chủ yếu áp dụng phương pháp tra bảng định mức.
- Đồ án chưa đi sâu vào phần thiết kế chi tiết kết cấu đồ gá chuyên dùng (như cơ cấu kẹp chặt liên động hoặc cơ cấu phân độ rãnh then trên máy phay).
- Các dữ liệu tính toán thời gian gia công định mức kỹ thuật ở Chương 6 mới chỉ triển khai cụ thể cho một số bước công nghệ ban đầu của nguyên công 1, 2 và 3, chưa tổng hợp thành bảng tổng thời gian gia công cho toàn bộ 8 nguyên công của chi tiết.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm việc thiết kế chi tiết đồ gá phay rãnh then và đồ gá kiểm tra chuyên dùng; ứng dụng máy công cụ điều khiển số (tiện và phay CNC) để tích hợp các bước công nghệ nhằm giảm thời gian phụ và tăng độ chính xác lặp lại trong sản xuất hàng loạt.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Công nghệ kỹ thuật cơ khí khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy, đồ án tốt nghiệp hoặc các bài tập lớn về thiết kế quy trình công nghệ.
Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:
- Phương pháp tính toán giải tích lượng dư gia công chi tiết theo sai số không gian của phôi dập tại Chương 4, với các bước kiểm tra đẳng thức sai số rõ ràng.
- Trình tự tính toán giải tích chế độ cắt và kiểm nghiệm công suất máy phay ngón tại Chương 5.
- Cách thức phân tích tính công nghệ trong kết cấu chi tiết dạng trục bậc và lựa chọn chuẩn công nghệ thống nhất (sử dụng hai lỗ tâm xuyên suốt các nguyên công tiện và mài).
Câu hỏi thường gặp
1. Chi tiết dạng trục trong đồ án làm bằng vật liệu gì và có các chỉ tiêu cơ tính như thế nào? Chi tiết được chế tạo từ thép cacbon kết cấu 45, có độ cứng $HB = 197$, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 610,\text{kG/mm}^2$. Thành phần hóa học gồm: $0,4 \div 0,5%,\text{C}$; $0,17 \div 0,37%,\text{Si}$; $0,5 \div 0,8%,\text{Mn}$; $\text{S} \le 0,045%$; $\text{P} \le 0,045%$; $\text{Ni} \le 0,30%$; $\text{Cr} \le 0,30%$.
2. Dạng sản xuất của chi tiết được xác định trên cơ sở nào và thuộc loại nào? Dạng sản xuất được xác định dựa trên sản lượng hàng năm thiết kế là $3.000$ sản phẩm và khối lượng chi tiết tính toán là $m = 4,25,\text{kg}$ (ứng với thể tích $V = 541.638,\text{mm}^3$). Căn cứ vào bảng phân loại trong Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, quy mô sản xuất thuộc dạng hàng loạt vừa.
3. Tại sao tác giả lựa chọn phôi dập thể tích thay vì phôi đúc hay phôi cán thanh? Phôi dập thể tích tạo ra tổ chức kim loại có thớ sợi liên tục dọc theo chiều dài trục, giúp tăng khả năng chịu tải trọng xoắn và uốn so với phôi đúc. Đồng thời, phôi dập có độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt cao hơn đúc khuôn cát ($Rz = 40,\mu\text{m}$), lượng dư gia công phân bố đều và nhỏ hơn nhiều so với phôi thép thanh, giúp giảm thời gian cắt gọt, tiết kiệm vật liệu và phù hợp với quy mô hàng loạt vừa.
4. Tiến trình công nghệ gia công chi tiết gồm những nguyên công nào? Tiến trình gồm 8 nguyên công:
- Nguyên công 1: Tiện mặt đầu và khoan lỗ tâm.
- Nguyên công 2: Tiện thô các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45$.
- Nguyên công 3: Trở đầu, tiện thô các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45, \varnothing 55$.
- Nguyên công 4: Tiện tinh các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45$, vát mép $2 \times 45^\circ$.
- Nguyên công 5: Trở đầu, tiện tinh các mặt trụ $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 45, \varnothing 55$, vát mép $2 \times 45^\circ$.
- Nguyên công 6: Phay 2 rãnh then.
- Nguyên công 7: Mài 2 cổ trục $\varnothing 35$.
- Nguyên công 8: Kiểm tra độ tròn, độ đảo hướng tâm và độ song song rãnh then.
5. Kết quả tính toán giải tích lượng dư cho cổ trục $\varnothing 35$ đạt các giá trị cụ thể nào? Bề mặt $\varnothing 35$ được tính toán qua 4 bước: tiện thô, tiện tinh, mài thô và mài tinh với sai số không gian phôi dập $\rho_{\text{phôi}} = 1.030,\mu\text{m}$. Tổng lượng dư gia công giới hạn lớn nhất là $Z_{b\max} = 3.635,\mu\text{m}$, nhỏ nhất là $Z_{b\min} = 3.400,\mu\text{m}$. Phép tính thỏa mãn đẳng thức kiểm tra $Z_{b\max} - Z_{b\min} = \delta_{\text{phôi}} - \delta_{\text{chi tiết}} = 250 - 15 = 235,\mu\text{m}$.
Kết luận
Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy của sinh viên Nguyễn Văn Bé và Lê Hửu Đăng đã hoàn thành thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục truyền động bằng thép 45 phục vụ quy mô sản xuất hàng loạt vừa với sản lượng 3.000 chi tiết/năm. Đề tài đã xây dựng thành công tiến trình 8 nguyên công gia công hợp lý trên các máy công cụ vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng, bảo đảm các chỉ tiêu nghiêm ngặt về độ nhám bề mặt và dung sai vị trí tương quan. Các kết quả tính toán giải tích về lượng dư cổ trục $\varnothing 35$, chế độ cắt nguyên công phay rãnh then và thời gian gia công cơ bản cung cấp cơ sở kỹ thuật chính xác, khẳng định tính khả thi cao của phương án công nghệ trong thực tế sản xuất cơ khí.