Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết kế quy trình công nghệ gia công trục" do sinh viên Nguyễn Thanh Tùng (MSSV: 61131464, Lớp 61.KTCK) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Tường tại Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang (thời gian thực hiện từ ngày 04/09/2023 đến ngày 13/01/2024).

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, chi tiết dạng trục là một trong những chi tiết máy phổ biến nhất, đảm nhận chức năng truyền mô men xoắn, đỡ các chi tiết quay (bánh răng, bánh đai, ổ lăn) và định vị các cụm chi tiết trong hệ thống truyền động. Việc thiết kế một quy trình công nghệ gia công trục hoàn chỉnh đòi hỏi phải giải quyết đồng thời các yêu cầu về độ chính xác kích thước (dung sai cấp IT6), hình dáng hình học, độ nhẵn bóng bề mặt ($Ra = 0,25\ \mu\text{m}$) và tính kinh tế trong sản xuất. Đồ án được xây dựng dựa trên nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cụ thể với các thông số ban đầu:

  • Bản vẽ chi tiết: Trục bậc nhiều đoạn có rãnh then và lỗ hướng tâm.
  • Sản lượng kế hoạch: $N_0 = 2000$ sản phẩm/năm (sản lượng chế tạo thực tế tính toán là 2394 chi tiết/năm).

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm 8 nội dung chính được đánh số theo văn bản thuyết minh:

  1. Xác định dạng sản xuất dựa trên sản lượng và khối lượng chi tiết.
  2. Phân tích chi tiết gia công (yêu cầu kỹ thuật, vật liệu chế tạo, tính công nghệ trong kết cấu).
  3. Chọn dạng phôi và phương pháp chế tạo phôi.
  4. Xây dựng tiến trình gia công các bề mặt.
  5. Thiết kế nguyên công (chọn sơ đồ định vị, máy công cụ, đồ gá, dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn và dụng cụ đo kiểm).
  6. Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian cho các bề mặt quan trọng.
  7. Xác định chế độ cắt và thời gian cơ bản.
  8. Lập phiếu tổng hợp nguyên công và hoàn thiện hệ thống bản vẽ (01 bản vẽ chi tiết A3, 01 bản vẽ phôi A3, 03 bản vẽ nguyên công A3).

Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ gia công cơ khí chi tiết trục bậc bằng thép C35XM. Phạm vi thiết kế giới hạn trong không gian xưởng gia công cơ khí với các thiết bị công nghệ vạn năng thông dụng (máy tiện, phay, khoan, mài) phục vụ quy mô sản xuất hàng loạt vừa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết công nghệ chế tạo máy, sổ tay thiết kế công nghệ và các tiêu chuẩn kỹ thuật ngành cơ khí chế tạo.

Các phương pháp và công cụ kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Phương pháp mô hình hóa 3D và tính toán khối lượng: Ứng dụng phần mềm CAD Creo Parametric để thiết kế hình học 3D của trục thông qua các lệnh dựng hình (Revolve, Plan, Extrude, Hole). Thông qua mô hình 3D và gán thuộc tính vật liệu (Model Properties), tác giả trích xuất chính xác thể tích hình học và khối lượng của chi tiết.
  • Phương pháp tính toán định lượng quy mô sản xuất: Áp dụng công thức tính toán sản lượng cơ sở hàng năm có tính đến hệ số dự trữ làm phụ tùng ($\alpha = 14%$) và hệ số phế phẩm trong chế tạo ($\beta = 5%$). Kết hợp khối lượng chi tiết và bảng tra tiêu chuẩn để phân loại dạng sản xuất.
  • Phương pháp phân tích tính công nghệ trong kết cấu: Đánh giá khả năng tiếp cận dao, định vị, kẹp chặt và phân chia bề mặt gia công trên 16 vị trí kết cấu của trục.
  • Phương pháp phân tích giải tích xác định lượng dư: Tính toán lượng dư gia công trung gian và kích thước trung gian cho các bề mặt lắp ghép chính xác cao ($\varnothing 35k6$) dựa trên phân tích độ nhám bề mặt ($Rz$) và chiều sâu lớp biến cứng bề mặt ($T$) qua từng bước công nghệ (tiện thô, tiện bán tinh, tiện tinh, mài tinh, mài láng).

Nguồn số liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ bản vẽ kỹ thuật chi tiết trục, các bảng tra cứu thông số máy công cụ, tiêu chuẩn vật liệu kim loại và sổ tay công nghệ chế tạo máy chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định dạng sản xuất

Chương này tập trung vào việc mô hình hóa hình học, xác định khối lượng chi tiết và tính toán sản lượng hàng năm để xác định hình thức tổ chức sản xuất.

Tác giả thực hiện mô hình hóa chi tiết trục trên phần mềm Creo Parametric qua 6 bước:

  1. Dùng lệnh Revolve để xoay biên dạng trục tạo mô hình 3D tổng thể.
  2. Dùng lệnh Plan tạo mặt phẳng phụ trợ phục vụ gia công rãnh.
  3. Dùng lệnh Extrude cắt rãnh then thứ nhất.
  4. Lặp lại lệnh Extrude để cắt rãnh then thứ hai.
  5. Dùng lệnh Hole để tạo lỗ hướng tâm trên trục.
  6. Khoan lỗ đối diện để hoàn thiện hình dáng chi tiết.

Sau khi mô hình hóa, tác giả gán vật liệu mác thép Steel_medium_STAINLESS_STEEL_MARITENSITIC (tạm thời) với hệ đơn vị mm-kg-s. Dữ liệu trích xuất từ hộp thoại Mass properties cho kết quả:

  • Thể tích chi tiết: $V = 1792 \cdot 10^{-5}\text{ mm}^3$
  • Khối lượng chi tiết: $m = 1,39\text{ kg}$

Sản lượng chi tiết cần chế tạo hàng năm ($N$) được tính theo công thức: $$N = N_0 \cdot m \cdot \left(1 + \frac{\alpha}{100}\right) \cdot \left(1 + \frac{\beta}{100}\right)$$

Trong đó:

  • $N_0 = 2000$ chiếc/năm (kế hoạch ban đầu).
  • $m = 1$ (số chi tiết trong một sản phẩm).
  • $\alpha = 14%$ (số phần trăm dự trữ phụ tùng, chọn trong khoảng 10 - 20%).
  • $\beta = 5%$ (số phần trăm phế phẩm cho phép, chọn trong khoảng 3 - 5%).

Thay số vào công thức: $$N = 2000 \cdot 1 \cdot \left(1 + \frac{14}{100}\right) \cdot \left(1 + \frac{5}{100}\right) = 2394\text{ chiếc/năm}$$

Căn cứ vào khối lượng chi tiết $m = 1,39\text{ kg}$ ($< 4\text{ kg}$) và sản lượng $N = 2394$ chiếc/năm (nằm trong khoảng 500 - 5000 chiếc/năm), đối chiếu tài liệu chuyên ngành, dạng sản xuất của chi tiết được kết luận là hàng loạt vừa.

Chương 2: Phân tích chi tiết gia công

Chương 2 trình bày các yêu cầu kỹ thuật, đặc tính vật liệu và đánh giá tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết trục.

Yêu cầu kỹ thuật các bề mặt gia công:

  • Bề mặt trụ ngoài $\varnothing 45\text{ mm}$: Cấp chính xác IT14, độ nhám $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt trụ ngoài $\varnothing 35k6\text{ mm}$: Cấp chính xác IT6, độ nhám $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt lỗ $\varnothing 5\text{ mm}$: Cấp chính xác IT14, độ nhám $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt trụ ngoài $\varnothing 40k6\text{ mm}$: Cấp chính xác IT6, độ nhám $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt trụ ngoài $\varnothing 26k6\text{ mm}$: Cấp chính xác IT6, độ nhám $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt lỗ $\varnothing 4H8\text{ mm}$: Cấp chính xác IT8, độ nhám $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt rãnh then kích thước $12\text{ mm}$: Cấp chính xác IT14, độ nhám $Ra = 3,2\ \mu\text{m}$ (kích thước rãnh $b \times h \times l = 12 \times 5 \times 45\text{ mm}$).
  • Bề mặt rãnh then kích thước $8\text{ mm}$: Cấp chính xác IT14, độ nhám $Ra = 3,2\ \mu\text{m}$ (kích thước rãnh $b \times h \times l = 8 \times 4 \times 32\text{ mm}$).

Đặc tính vật liệu chế tạo: Chi tiết được chế tạo từ thép hợp kim kết cấu C35XM. Thành phần hóa học và cơ tính của vật liệu được tổng hợp trong các bảng dưới đây:

Nguyên tố hóa học Tỷ lệ phần trăm (%)
Fe (Sắt) 98,63 - 99,09
Mn (Mangan) 0,60 - 0,90
C (Cacbon) 0,310 - 0,380
S (Lưu huỳnh) $\le 0,050$
P (Photpho) $\le 0,040$
Đặc tính cơ lý Giá trị Đơn vị
Khối lượng riêng 7,85 $\text{g/cm}^3$
Mô đun đàn hồi 190 - 210 $\text{GPa}$
Mô đun cắt 80 $\text{GPa}$
Độ cứng 183 HB
Độ bền kéo 585 $\text{MPa}$

Phân tích tính công nghệ trong kết cấu: Tác giả phân tích chi tiết 16 bề mặt hình học:

  • Bề mặt 1, 13: Khoan 2 lỗ chống tâm tiêu chuẩn ở hai đầu trục, thuận lợi cho việc chọn chuẩn tinh thống nhất.
  • Bề mặt 2, 14: Mặt đầu được làm phẳng bằng nguyên công khỏa mặt đầu.
  • Bề mặt 3, 11: Vát mép $1 \times 45^\circ$, gia công dễ dàng bằng dao tiện vát mép.
  • Bề mặt 4, 6, 8, 10: Tiện dọc trục với đường kính giảm dần, thuận lợi cho việc chạy dao liên tục. Bề mặt 6 có đường kính lớn nhất ($\varnothing 45\text{ mm}$), bề mặt 10 yêu cầu mài tinh và mài láng để đạt độ nhám $Ra = 0,08\ \mu\text{m} - 0,25\ \mu\text{m}$.
  • Bề mặt 5, 9: Rãnh thoát dao tiện/mài rộng $3\text{ mm}$, kết cấu phù hợp với bề rộng mũi dao tiện rãnh tiêu chuẩn.
  • Bề mặt 7: Tiện và mài đạt dung sai IT6.
  • Bề mặt 12: Lỗ hướng tâm $\varnothing 4\text{ mm}$, chiều sâu ngắn, gia công thuận tiện trong 1 lần khoan.
  • Bề mặt 15, 16: Hai rãnh then bằng ($12 \times 5 \times 45\text{ mm}$ và $8 \times 4 \times 32\text{ mm}$) bố trí dọc trục, thuận lợi gá đặt và phay bằng dao phay ngón hoặc dao phay đĩa.

Kết luận: Kết cấu chi tiết bảo đảm tính công nghệ, đủ độ cứng vững trong quá trình cắt gọt.

Chương 3: Chọn dạng phôi và phương pháp chế tạo phôi

Tác giả so sánh 3 phương án tạo phôi:

  • Phôi đúc: Dễ tạo hình chi tiết phức tạp, trang thiết bị đơn giản nhưng cơ tính không cao, dễ xuất hiện rỗ khí, rỗ xỉ, lượng dư gia công lớn, không phù hợp cho chi tiết trục chịu tải.
  • Phôi rèn: Độ bền cơ tính cao, hạt kim loại mịn và đồng đều, khử được khuyết tật đúc nhưng phụ thuộc tay nghề công nhân, khó đạt độ chính xác kích thước khi sản xuất hàng loạt vừa.
  • Phôi cán: Thích hợp cho chi tiết dạng trục trơn và trục bậc có độ chênh lệch đường kính nhỏ, chi phí thấp, năng suất cao, lượng dư gia công đồng đều.

Đối chiếu với kích thước trục ($L = 182 - 189\text{ mm}$, $\varnothing_{\max} = 45\text{ mm}$), tác giả chọn phôi cán.

Khi lựa chọn phương pháp cán, tác giả so sánh giữa cán nóng và cán nguội:

  • Phôi cán nóng có giá thành thấp, dễ gia công định hình, phù hợp với chi tiết có độ chênh lệch bậc trục nhỏ và sản lượng 2394 chi tiết/năm.

Tác giả chọn phương pháp cán nóng. Kích thước phôi danh định được chọn là $\varnothing 48\text{ mm}$ (dựa trên $\varnothing_{\max} = 45\text{ mm}$ của chi tiết). Dung sai kích thước phôi theo tiêu chuẩn:

Đường kính phôi (mm) Sai lệch cho phép trên (+) Sai lệch cho phép dưới (-)
$\varnothing 48$ $+0,4\text{ mm}$ (hoặc $+0,3\text{ mm}$) $-0,75\text{ mm}$ (hoặc $-1,1\text{ mm}$)

Yêu cầu kỹ thuật của phôi: Độ nhám đạt $Rz = 6,3\ \mu\text{m}$ (hoặc $Rz = 150\ \mu\text{m}$ đối với phôi thô cán nóng), cấp chính xác đạt IT15 $\div$ IT16.

Chương 4: Xây dựng tiến trình gia công

Tiến trình gia công được thiết lập theo nguyên tắc: đi từ gia công thô, gia công bán tinh đến gia công tinh; nguyên công có yêu cầu cấp chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất được bố trí ở các bước cuối cùng.

STT Tên nguyên công Bề mặt gia công Bề mặt định vị Loại máy
1 Chuẩn bị phôi Toàn bộ phôi Mặt ngoài Máy cắt phôi
2 Khỏa mặt đầu, khoan tâm 19, 15, 20, 16 Mặt trụ ngoài Máy phay - khoan tâm
3 Tiện thô nửa trục thứ nhất 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
4 Tiện thô nửa trục thứ hai 1, 2, 3, 4, 5 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
5 Tiện bán tinh nửa trục thứ nhất 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
6 Tiện bán tinh nửa trục thứ hai 1, 2, 3, 4, 5 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
7 Tiện tinh các cổ trục chính 7, 9, 12, 13 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
8 Tiện tinh các đoạn trục còn lại 2, 1, 5 2 lỗ tâm (20, 16) Máy tiện
9 Khoan lỗ hướng tâm 14 7, 9, 20 Máy khoan đứng
10 Phay rãnh then thứ nhất 18 2, 9, 4 Máy phay đứng
11 Phay rãnh then thứ hai 17 2, 9, 4 Máy phay đứng
12 Mài tinh các cổ trục 7, 9, 12 2 lỗ tâm (20, 16) Máy mài tròn
13 Mài tinh cổ trục 2 2 lỗ tâm (20, 16) Máy mài tròn
14 Mài láng các cổ trục 7, 9, 12 2 lỗ tâm (20, 16) Máy mài tròn
15 Mài láng cổ trục 2 2 lỗ tâm (20, 16) Máy mài tròn
16 Kiểm tra tổng thể Toàn bộ chi tiết 2 lỗ tâm / Khối V Bàn máp, đồng hồ so

Chương 5: Thiết kế nguyên công

Chương này xác định chi tiết trang thiết bị công nghệ, dao cụ, đồ gá, dung dịch bôi trơn làm nguội và dụng cụ đo kiểm cho 16 nguyên công:

  • Nguyên công 1: Chuẩn bị phôi

  • Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu, khoan tâm

    • Nội dung: Phay thô hai mặt đầu (15, 19) đạt IT14, $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$; khoan 2 lỗ tâm (16, 20) đạt IT14, $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy khỏa mặt đầu khoan tâm chuyên dùng LC-1380LS (Tốc độ trục chính phay: 800 - 900 v/ph; tốc độ khoan: 1200 - 1600 v/ph; công suất bàn tải: 500 kg; trọng lượng máy: 4500 kg).
    • Đồ gá: Hai khối V kẹp chặt liên động.
    • Dụng cụ cắt: Dao phay mặt đầu thép gió P18 ($D = 63\text{ mm}, d = 20\text{ mm}, L = 40\text{ mm}, Z = 12\text{ răng}$, góc $\gamma = 20^\circ, \alpha = 15^\circ$, chu kỳ bền $T = 130\text{ phút}$); mũi khoan tâm loại II đường kính $d = 5\text{ mm}, D = 12\text{ mm}$.
    • Dung dịch tưới nguội: Êmunxi.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 300 \times 0,02\text{ mm}$.

  • Nguyên công 3 & 4: Tiện thô

    • Nội dung: Tiện thô các bậc trục đạt cấp chính xác IT14, độ nhám $Ra = 25\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy tiện ren vít vạn năng 1A62 (Công suất động cơ $7,8\text{ kW}$; 21 cấp tốc độ trục chính: 11,5 đến 1200 v/ph; lượng tiến dao dọc $0,082 - 1,59\text{ mm/vòng}$; lượng tiến dao ngang $0,027 - 0,52\text{ mm/vòng}$).
    • Đồ gá: Mũi tâm quay và mũi tâm cố định, tốc kẹp.
    • Dụng cụ cắt: Dao tiện ngoài gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 ($B \times H = 16 \times 25\text{ mm}, L = 150\text{ mm}, l = 12\text{ mm}$, góc trước $\gamma = 16^\circ$, góc sau $\alpha = \alpha_1 = 10^\circ$, góc nghiêng chính $\varphi = 45^\circ$, góc nâng lưỡi cắt $\lambda = 0^\circ$, chu kỳ bền $T = 40\text{ phút}$).
    • Dung dịch tưới nguội: Êmunxi.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 200 \times 0,05\text{ mm}$.

  • Nguyên công 5 & 6: Tiện bán tinh

    • Nội dung: Tiện bán tinh các bậc trục đạt IT12, $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$; tiện rãnh thoát dao rộng $3\text{ mm}$ và vát mép.
    • Máy: Máy tiện 1A62.
    • Đồ gá: 2 mũi tâm.
    • Dụng cụ cắt: Dao tiện ngoài T15K6 ($16 \times 25\text{ mm}$); dao tiện vát mép T15K6 ($10 \times 16\text{ mm}, L = 100\text{ mm}$); dao tiện rãnh hợp kim T15K6 ($B \times H = 10 \times 16\text{ mm}, L = 100\text{ mm}$, bề rộng lưỡi cắt $a = 3\text{ mm}$).
    • Dung dịch tưới nguội: Êmunxi.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 200 \times 0,05\text{ mm}$.

  • Nguyên công 7 & 8: Tiện tinh

    • Nội dung: Tiện tinh các đoạn trục đạt cấp chính xác IT10, $Ra = 3,2\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy tiện 1A62.
    • Đồ gá: Mũi tâm xoay và mũi tâm cố định.
    • Dụng cụ cắt: Dao tiện ngoài gắn mảnh hợp kim T30K4 ($B \times H = 20 \times 16\text{ mm}, L = 125\text{ mm}$); dao tiện vát mép gắn mảnh T30K4 ($B \times H = 12 \times 20\text{ mm}, L = 125\text{ mm}, \varphi = 30^\circ$).
    • Dung dịch tưới nguội: Êmunxi loãng.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 500 \times 0,01\text{ mm}$.

  • Nguyên công 9: Khoan lỗ hướng tâm $\varnothing 4\text{ mm}$ (mặt 14)

    • Nội dung: Khoan lỗ đạt cấp chính xác IT14 (hoặc IT8), độ nhám $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy khoan đứng 2A135 (Đường kính khoan lớn nhất $35\text{ mm}$; công suất động cơ $6\text{ kW}$; 9 cấp tốc độ: 68 đến 1100 v/ph).
    • Đồ gá: 2 khối V ngắn và chốt tỳ cố định.
    • Dụng cụ cắt: Mũi khoan ruột gà thép gió P18 ($d = 4\text{ mm}, L = 80\text{ mm}$, chiều dài phần làm việc $l_0 = 48\text{ mm}$, góc nghiêng lưỡi cắt ngang $\psi = 55^\circ$, góc nghiêng chính $2\varphi = 120^\circ$).
    • Dung dịch tưới nguội: Dung dịch nước xôđa.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 200 \times 0,02\text{ mm}$.

  • Nguyên công 10 & 11: Phay rãnh then (mặt 18 và 17)

    • Nội dung: Phay thô/tinh rãnh then đạt cấp chính xác IT14, $Ra = 6,3\ \mu\text{m}$ (hoặc $Ra = 3,2\ \mu\text{m}$).
    • Máy: Máy phay đứng 6H13 (Diện tích bàn máy $400 \times 1600\text{ mm}^2$; công suất $10\text{ kW}$; 18 cấp tốc độ trục chính: 30 đến 1500 v/ph; bước tiến bàn $23 - 1200\text{ mm/ph}$; lực tiến dao lớn nhất 2000 kG).
    • Đồ gá: Khối V có mỏ kẹp kẹp chặt thân trục.
    • Dụng cụ cắt: Dao phay ngón thép gió P18$\Phi 2$ ($D = 11\text{ mm}, d = 12\text{ mm}, L = 70\text{ mm}, l = 25\text{ mm}, l_1 = 9\text{ mm}$, góc trước $\gamma = 30^\circ$, chu kỳ bền $T = 60\text{ phút}$).
    • Dung dịch tưới nguội: Êmunxi.
    • Dụng cụ kiểm tra: Thước cặp $0 - 200 \times 0,02\text{ mm}$.

  • Nguyên công 12 & 13: Mài tinh

    • Nội dung: Mài tinh các cổ trục $\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 26$ đạt cấp chính xác IT7, độ nhám $Ra = 1,25\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy mài tròn ngoài 3151 (Kích thước mài lớn nhất $200 \times 750\text{ mm}$; công suất ụ mài $7\text{ kW}, \eta = 0,8$; tốc độ phôi: 75, 150, 300 v/ph; tốc độ đá: 1080, 1240 v/ph; bước tiến dọc $0,1 - 10\text{ mm/ph}$; bước tiến ngang $0,005 - 0,03\text{ mm/hành trình}$).
    • Đồ gá: Hai mũi tâm cố định.
    • Dụng cụ cắt: Đá mài Prôphin hình trụ có phần lõm bằng vật liệu Corun điện thường 15A ($D = 50\text{ mm}, d = 15\text{ mm}, H = 10\text{ mm}$; độ hạt M6; độ cứng M2 - mềm vừa).
    • Dung dịch tưới nguội: Nước xôđa.
    • Dụng cụ kiểm tra: Panme đo ngoài $50 - 75\text{ mm}$ và $75 - 100\text{ mm}$ (vạch chia $0,01\text{ mm}$).

  • Nguyên công 14 & 15: Mài láng

    • Nội dung: Mài láng các bề mặt lắp ghép quan trọng đạt cấp chính xác IT6, độ nhám bề mặt $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.
    • Máy: Máy mài tròn ngoài 3151.
    • Đồ gá: Mũi tâm cố định kết hợp mũi tâm xoay.
    • Dụng cụ cắt: Đá mài kim cương chất kết dính hữu cơ ($D = 250\text{ mm}, H = 25\text{ mm}, d = 100\text{ mm}$, chiều dày lớp kim cương $S = 3\text{ mm}$, độ hạt 125/100).
    • Dung dịch tưới nguội: Nước xôđa.
    • Dụng cụ kiểm tra: Panme đo ngoài $25 - 50\text{ mm}$ (độ chính xác $0,001\text{ mm}$).

  • Nguyên công 16: Kiểm tra

    • Kiểm tra độ đảo, độ đồng tâm giữa các cổ trục, sai số kích thước đường kính, chiều dài và độ nhám bề mặt toàn bộ chi tiết.

Chương 6: Xác định lượng dư và kích thước trung gian

Chương 6 trình bày phương pháp phân tích giải tích để xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian cho bề mặt cổ trục $\varnothing 35k6$ (bề mặt số 2 và số 9):

  • Kích thước danh nghĩa: $\varnothing 35k6 = \varnothing 35^{+0,018}_{+0,002}\text{ mm}$.
  • Tỷ số hình học: $L/D = 24/50 = 0,48$.
  • Phôi ban đầu: Phôi thanh cán nóng đường kính $d = 48^{+0,3}_{-1,1}\text{ mm}$.
  • Thông số phôi cán: Độ nhám ban đầu $Rz = 150\ \mu\text{m}$, chiều sâu lớp hư hỏng bề mặt $T = 250\ \mu\text{m}$.

Thứ tự công nghệ và các thông số chất lượng bề mặt qua từng bước công nghệ được xác định như sau:

Bước công nghệ Cấp chính xác Độ nhám bề mặt ($Rz$) Chiều sâu lớp biến cứng ($T$)
Phôi cán nóng IT15 - IT16 $150\ \mu\text{m}$ $250\ \mu\text{m}$
1. Tiện thô IT14 $120\ \mu\text{m}$ $120\ \mu\text{m}$
2. Tiện bán tinh IT14 $60\ \mu\text{m}$ $60\ \mu\text{m}$
3. Tiện tinh IT13 $30\ \mu\text{m}$ $30\ \mu\text{m}$
4. Mài tinh IT7 $6,3\ \mu\text{m}$ $5\ \mu\text{m}$
5. Mài láng IT6 $0,25\ \mu\text{m}$ $5\ \mu\text{m}$

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc thiết lập một hồ sơ công nghệ hoàn chỉnh cho chi tiết trục bậc bằng thép C35XM với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập quy mô sản xuất: Tính toán chính xác sản lượng chế tạo thực tế của phân xưởng đạt 2394 chi tiết/năm từ mức kế hoạch 2000 sản phẩm/năm, làm cơ sở định hình dạng sản xuất hàng loạt vừa.
  • Tối ưu hóa phương án tạo phôi: Lựa chọn phôi cán nóng đường kính $\varnothing 48\text{ mm}$ (dung sai $+0,4 / -0,75\text{ mm}$ hoặc $+0,3 / -1,1\text{ mm}$), tiết kiệm chi phí vật tư và giảm khối lượng phoi cắt gọt so với phương án rèn tự do hoặc phôi đúc.
  • Quy trình công nghệ 16 nguyên công hợp lý: Phân bổ đồng bộ các bước từ khỏa mặt đầu, khoan tâm, tiện thô, tiện bán tinh, tiện tinh, khoan lỗ hướng tâm, phay 2 rãnh then đến mài tinh và mài láng; bảo đảm độ chính xác vị trí tương quan thông qua việc sử dụng hai lỗ tâm làm chuẩn tinh thống nhất.
  • Trang thiết bị và dụng cụ công nghệ đồng bộ:
    • Máy móc: Máy phay khoan tâm LC-1380LS, máy tiện 1A62 ($7,8\text{ kW}$), máy khoan đứng 2A135 ($6\text{ kW}$), máy phay đứng 6H13 ($10\text{ kW}$), máy mài tròn ngoài 3151 ($7\text{ kW}$).
    • Dao cụ: Mảnh hợp kim T15K6, T30K4, thép gió P18, P18$\Phi 2$, đá mài Corun 15A và đá mài kim cương hữu cơ.
  • Xác định lượng dư khoa học: Thiết lập chuỗi lượng dư và lớp biến cứng qua 5 bước công nghệ trên bề mặt $\varnothing 35k6$, bảo đảm đạt độ chính xác IT6 và độ nhẵn $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.
  • Hồ sơ bản vẽ hoàn chỉnh: Cung cấp 01 bản vẽ chi tiết A3, 01 bản vẽ phôi A3 và 03 bản vẽ nguyên công A3.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thể hiện trong văn bản thuyết minh, đồ án còn một số điểm hạn chế:

  • Phần tính toán lượng dư bằng phương pháp giải tích mới chỉ thực hiện chi tiết cho bề mặt cổ trục $\varnothing 35k6$, chưa mở rộng tính toán phân tích cho các bậc trục $\varnothing 40k6$, $\varnothing 26k6$ và các rãnh then.
  • Thuyết minh chưa trình bày chi tiết công thức tính toán lực kẹp của cơ cấu đồ gá và bảng tính chế độ cắt định lượng (vận tốc cắt $v$, chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, công suất cắt $N_c$, thời gian cơ bản $T_0$) cho đầy đủ 16 nguyên công.
  • Trong khâu mô hình hóa 3D trên phần mềm Creo Parametric, tác giả gán tạm thời mác thép tương đương Steel_medium_STAINLESS_STEEL_MARITENSITIC thay vì thiết lập thư viện vật liệu chuyên biệt đúng chuẩn thành phần C35XM.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Lập bảng tính toán chi tiết chế độ cắt và thời gian gia công cơ bản cho toàn bộ các bước của 16 nguyên công.
  • Thiết kế kết cấu chi tiết đồ gá chuyên dùng cho nguyên công phay rãnh then và khoan lỗ hướng tâm (tính lực kẹp, sai số gá đặt, chọn cơ cấu kẹp khí nén/thủy lực liên động).
  • Ứng dụng mô phỏng gia công CAM trên phần mềm Creo Parametric để xuất mã G-code cho máy tiện/phay CNC.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu mẫu khi làm đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy, đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần về thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá gia công cơ khí.
  • Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy cơ khí: Tham khảo quy trình lựa chọn thiết bị công nghệ vạn năng, kết cấu dụng cụ cắt tiêu chuẩn (thép gió P18, hợp kim T15K6, T30K4, đá mài kim cương) và chuỗi công nghệ gia công chi tiết trục bậc có độ chính xác cao.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Trình tự 6 bước mô hình hóa 3D và xác định khối lượng chi tiết trên phần mềm Creo Parametric.
    • Tiến trình công nghệ 16 nguyên công phân định chuẩn định vị logic.
    • Bảng tra thông số kỹ thuật chi tiết của các dòng máy công cụ phổ biến (1A62, 2A135, 6H13, 3151).
    • Phương pháp phân tích bước công nghệ và lượng dư gia công trên bề mặt trục đạt cấp chính xác IT6.

Câu hỏi thường gặp

1. Dạng sản xuất của chi tiết trục trong đồ án được xác định như thế nào?
Dạng sản xuất được xác định dựa trên hai thông số: khối lượng chi tiết ($m = 1,39\text{ kg}$, trích xuất từ phần mềm Creo Parametric) và sản lượng thực tế hàng năm ($N = 2394\text{ chiếc/năm}$, tính từ sản lượng kế hoạch $N_0 = 2000$ chiếc/năm với hệ số phụ tùng $\alpha = 14%$ và hệ số phế phẩm $\beta = 5%$). Tra bảng phân loại tiêu chuẩn công nghệ chế tạo máy, chi tiết thuộc dạng sản xuất hàng loạt vừa.

2. Chi tiết trục được làm từ vật liệu gì và có các yêu cầu kỹ thuật bề mặt nào quan trọng nhất?
Chi tiết làm bằng thép hợp kim C35XM (thành phần: Fe 98,63 - 99,09%, Mn 0,60 - 0,90%, C 0,310 - 0,380%, S $\le 0,050%$, P $\le 0,040%$; độ cứng 183 HB, độ bền kéo 585 MPa). Các bề mặt quan trọng nhất là các cổ trục lắp ghép $\varnothing 35k6, \varnothing 40k6, \varnothing 26k6$ yêu cầu đạt cấp chính xác IT6 và độ nhám bề mặt $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$.

3. Tại sao tác giả chọn phương pháp tạo phôi cán nóng?
Phôi cán nóng được lựa chọn vì chi tiết có kết cấu trục bậc đơn giản, kích thước nhỏ ($L_{\max} = 182 - 189\text{ mm}$, $\varnothing_{\max} = 45\text{ mm}$), độ chênh lệch đường kính giữa các bậc không lớn. Phôi cán nóng có giá thành thấp hơn phôi cán nguội, dễ biến dạng cắt gọt, ít tốn công tạo khuôn so với phôi đúc/phôi rèn và hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật lẫn tính kinh tế của quy mô sản xuất hàng loạt vừa (2394 chi tiết/năm).

4. Để đạt cấp chính xác IT6 và độ nhám $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$ cho cổ trục $\varnothing 35k6$, quy trình công nghệ gồm các bước nào?
Bề mặt $\varnothing 35k6$ trải qua 5 bước công nghệ liên tiếp: (1) Tiện thô (đạt IT14, $Rz = 120\ \mu\text{m}$), (2) Tiện bán tinh (đạt IT14, $Rz = 60\ \mu\text{m}$), (3) Tiện tinh (đạt IT13, $Rz = 30\ \mu\text{m}$), (4) Mài tinh (đạt IT7, $Rz = 6,3\ \mu\text{m}$ bằng đá Corun 15A) và (5) Mài láng (đạt IT6, $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$ bằng đá mài kim cương).

5. Đồ án sử dụng những loại máy công cụ và vật liệu dụng cụ cắt chính nào?
Quy trình sử dụng các máy công cụ: máy phay - khoan tâm LC-1380LS, máy tiện 1A62, máy khoan đứng 2A135, máy phay đứng 6H13 và máy mài tròn ngoài 3151. Vật liệu dụng cụ cắt gồm: thép gió P18 (dao phay mặt đầu, mũi khoan), thép gió P18$\Phi 2$ (dao phay ngón), hợp kim cứng T15K6 (dao tiện thô, bán tinh), hợp kim cứng T30K4 (dao tiện tinh), đá mài Corun điện thường 15A và đá mài kim cương liên kết hữu cơ.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế quy trình công nghệ gia công trục" của sinh viên Nguyễn Thanh Tùng đã xây dựng thành công tiến trình công nghệ gồm 16 nguyên công logic, đáp ứng yêu cầu chế tạo 2394 chi tiết/năm ở quy mô sản xuất hàng loạt vừa. Nghiên cứu đã giải quyết toàn diện từ khâu mô hình hóa 3D trên Creo Parametric, phân tích tính công nghệ 16 bề mặt, lựa chọn phôi cán nóng $\varnothing 48\text{ mm}$ từ thép C35XM đến việc xác định đồng bộ hệ thống máy móc, đồ gá và dao cụ chuyên dụng. Kết quả tính toán lượng dư giải tích qua 5 bước công nghệ bảo đảm các bề mặt cổ trục đạt độ chính xác làm việc khắt khe với dung sai cấp IT6 và độ nhám $Ra = 0,25\ \mu\text{m}$. Tập thuyết minh cùng hệ thống bản vẽ đi kèm là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành Công nghệ Chế tạo máy.