Đồ án Công nghệ Chế tạo Máy: Thiết kế Quy trình Gia công Chi tiết Càng Gạt

Tài liệu đồ án công nghệ chế tạo máy chi tiết càng gạt. Nội dung gồm thuyết minh, bản vẽ, quy trình công nghệ gia công và tính toán thiết kế đồ gá.

• Tác giả: Nguyễn Đình Tuận
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Mùi
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chi Tiết Càng Gạt
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Chi tiết Càng Gạt

Đồ án chi tiết càng gạt là một phần quan trọng trong công nghệ chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế cơ khí. Càng gạt được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động, cơ cấu cam và các thiết bị công nghiệp hiện đại. Hiểu rõ về thiết kế và chế tạo chi tiết này giúp kỹ sư nâng cao hiệu suất máy móc, giảm chi phí sản xuất và tối ưu hóa tuổi thọ thiết bị. Bài viết này sẽ cung cấp hướng dẫn toàn diện về quy trình thiết kế và chế tạo càng gạt theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của càng gạt

Càng gạt là chi tiết cơ khí dùng để chuyển đổi chuyển động hoặc lực trong các cơ cấu máy. Nó được ứng dụng trong các máy công nghiệp như máy dệt, máy ép, động cơ phun và hệ thống tự động hóa. Các tính chất như độ cứng, độ bền uốn và khả năng chịu lực là yếu tố quyết định trong thiết kế hiệu quả.

II. Quy trình Thiết kế Chi tiết Càng Gạt

Quy trình thiết kế càng gạt tuân theo các bước khoa học và kỹ thuật chặt chẽ. Đầu tiên, phải xác định yêu cầu kỹ thuật như lực tác động, tốc độ quay, môi trường làm việc và tuổi thọ mong muốn. Tiếp theo, tính toán kích thước, hình dạng và vật liệu phù hợp. Sử dụng phần mềm CAD để mô phỏng 3D, kiểm tra ứng suất bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Cuối cùng, vẽ bản vẽ kỹ thuật chi tiết theo tiêu chuẩn ISO và kiểu chỉ dẫn công nghệ gia công.

2.1. Tính toán kích thước và ứng suất

Bước tính toán là nền tảng của thiết kế an toàn. Cần xác định các ứng suất bending, shear và contact stress tác động lên chi tiết. Sử dụng công thức Hertz để tính ứng suất tiếp xúc, công thức Euler cho độ uốn, và tính toán hệ số an toàn tối thiểu là 1.5-2.0 tùy loại vật liệu.

2.2. Lựa chọn vật liệu phù hợp

Vật liệu phổ biến cho càng gạt gồm thép carbon, thép hợp kim, gang và nhôm. Thép C45, 40Cr, 35CrMo được sử dụng nhiều nhất do khả năng chịu lực tốt và giá thành hợp lý. Cần xét đến các tính chất như độ bền kéo, độ cứng sau tôi luyện và khả năng chống mệt lực.

III. Công nghệ Chế tạo và Gia công

Chế tạo càng gạt bao gồm nhiều công đoạn gia công phức tạp. Bắt đầu từ cắt vật liệu thô bằng cưa hoặc hệ thống CNC. Sau đó tiến hành gia công chi tiết bằng máy tiện CNC, máy phay CNC để đạt kích thước và hình dạng chính xác. Các bề mặt tiếp xúc phải được gia công mịn với độ nhám Ra ≤ 0.8μm. Công đoạn tôi luyện (quenching, tempering) để tăng độ cứng và độ bền uốn. Cuối cùng là kiểm tra chất lượng bằng các phương pháp đo đạc chính xác, kiểm tra ứng suất dư và kiểm tra khuyết tật bề mặt.

3.1. Các phương pháp gia công chính

Máy CNC là lựa chọn hiện đại cho gia công càng gạt với độ chính xác cao. Máy tiện CNC dùng để tạo hình tròn, lỗ và rãnh. Máy phay CNC gia công các mặt phẳng, rãnh phức tạp. Máy mài CNC tinh chỉnh kích thước cuối cùng. Mỗi công đoạn cần kiểm soát tốc độ, feed rate để đạt chất lượng tối ưu và kéo dài tuổi thọ công cụ.

3.2. Xử lý nhiệt và kiểm tra chất lượng

Xử lý nhiệt gồm quenching (2-5 phút ở 850-900°C) và tempering (2-3 giờ ở 150-300°C) để đạt độ cứng HRC 45-55. Kiểm tra chất lượng bao gồm đo kích thước bằng calipper số hoặc máy đo tọa độ, kiểm tra ứng suất dư bằng tia X, kiểm tra khuyết tật bề mặt bằng dịch thâm thấu hoặc từ tính.

IV. Tiêu chuẩn Kỹ thuật và Nâng cao Hiệu suất

Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO, GOST, JIS cần được tuân thủ để đảm bảo chất lượng và tính tương thích. Bản vẽ kỹ thuật phải ghi rõ độ chính xác hình học (GD&T), độ nhám bề mặt, công sai kích thước, yêu cầu vật liệu và xử lý nhiệt. Để nâng cao hiệu suất, cần tối ưu hóa hình dạng để giảm trọng lượng, cải thiện khả năng tản nhiệt, sử dụng vật liệu mới như composite hoặc thép siêu cứng. Thực hiện kiểm nghiệm độ bền bằng máy thử uốn hoặc máy thử mệt lực để xác nhận tuổi thọ thiết bị.

4.1. Tiêu chuẩn ISO và các yêu cầu kỹ thuật

ISO 286 quy định công sai kích thước, ISO 1101 quy định độ chính xác hình học. Bản vẽ phải ghi rõ độ chính xế cạnh sạch (±0.1mm đối với kích thước chính), độ nhám Ra, độ song song, độ vuông góc. Yêu cầu vật liệu phải theo tiêu chuẩn ASTM hoặc EN, xử lý nhiệt theo quy định để đảm bảo tính đồng nhất giữa các sản phẩm.

4.2. Các biện pháp nâng cao hiệu suất

Tối ưu hóa thiết kế bằng phần mềm CAE để giảm trọng lượng 10-20%. Áp dụng công nghệ phủ (PVD, TiN) để tăng độ bền mặt. Sử dụng vật liệu tiên tiến như thép lò xo, nhôm hợp kim giúp giảm trọng lượng. Kiểm nghiệm độ bền bằng máy thử uốn quay Woehler để xác định giới hạn mệt lực, từ đó tối ưu thiết kế để kéo dài tuổi thọ lên 2-3 lần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : PHÂN TÍCH CHI TIẾT GIA CÔNG 1.1 Chức năng làm việc.  Càng gạt là chi tiết dạng càng.  Chi tiết dạng càng thường có chức năng biến đổi chuyển động thẳng của chi tiết này thành chuyển động quay của chi tiết khác.  Là bộ phận nối giữa trục điều khiển và các bánh răng di trượt nhằm điều chỉnh sự ăn khớp của các cặp bánh răng.

 Trên chi tiết dạng càng ngoài những lỗ cơ bản cần được gia công chính xác còn có những lỗ dùng để kẹp chặt, các mặt đầu của lỗ và những yếu tố khác cần được gia công.1 Ví dụ chức năng của càng gạt 1.2 Điều kiện làm việc.  Điều kiện làm việc không khắc nghiệt, được ngâm dầu hoặc bôi trơn bằng mỡ, chỉ chịu mô men xoắn nhỏ khi làm việc, gạt cho các bánh răng ăn khớp với nhau và chi tiết thường xuyên không chịu tải, không mài mòn nhiều, có va đập khi làm việc, nhiệt độ làm việc không cao. STT Mặt Chức năng Gia công 1 A Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 2 A1 Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 3 Hình 1.2 Các mặt của chi tiết 3 B Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 4 F Không tiếp xúc bề mặt Cần gia công 5 D Không tiếp xúc bề mặt Không cần gia công 6 C Không tiếp xúc bề mặt Không cần gia công 7 E Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 8 G Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 9 I Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 10 J Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 11 L Không tiếp xúc bề mặt khác Không cần gia công 12 K Không tiếp xúc bề mặt khác Không cần gia công 13 M Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công 14 H Tiếp xúc bề mặt khác Cần gia công Bảng 1.1 Các bề mặt tiếp xúc cần yêu cầu gia công 1.3 Phân tích vật liệu chế tạo chi tiết gia công  CTGC có vât liệu là gang xám (GX-15-32).  Gang xám GX 15-32 là loại gang được sử dụng nhiều trong thực tế vì độ bền không cao nên chúng thương được sử dụng để chế tạo các chi tiết như vỏ hộp, nắp che ít chịu lực.

 Thành phần hóa học của gang xám được cho trong bảng 1.3 cơ tính và độ cứng được cho trong bảng 1.  Gang xám GX 15–32 có thành phần hóa học: C% Si% Mn% P% Cr% Ni% 3,2 – 3,8 2,4 – 2,7 0,5 – 0,7 ≤ 0,65 ≤ 0,15 ≤ 0,5 Bảng 1.2 Thành phần hóa học của thép (GX-15-32) Giới hạn bền kéo Độ giãn dài Giới hạn bền Giới hạn bền Độ rắn N N N ( mm2 ) (%) uốn ( mm2 ) nén ( mm2 ) (HB) 150 0.3 Tính chất cơ tính của gang xám (GX-15-32)  Chi tiết là gang xám, kí hiệu GX 15- 32, theo đó có các thông số sau: 4  Giới hạn bền kéo 150 N/mm2  Độ dẻo dai (dãn dài tương đối)   0,5% - Giới hạn bền uốn 320 N/mm2  Gới hạn bền nén 600 N/mm2  Độ cứng HB = 170 ÷ 229 , chọn HB = 190.  Dạng grafit : Tấm nhỏ mịn.  Tính chất lý, hóa đủ đáp ứng chức năng phục vụ vào công nghệ chế tạo.

 Chi tiết là gang xám kí hiệu: GX 15-32 nên ta chế tạo bằng phương pháp đúc.4 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết.3 Thông số kỹ thuật của chi tiết. STT Mặt gia công Yêu cầu tính công nghệ 1 Mặt Phẳng A Phay tinh mặt A độ nhám Rz = 40 Bán Tinh 2 Mặt phẳng Phay tinh mặt A độ nhám Rz = 40 Bán Tinh A1 5 3 Mặt phẳng B Phay tinh mặt phẳng B 4 Mặt phẳng E Vát 1 góc ở đỉnh lỗ ∅ 25 1 góc 45o và khoảng cách là 1 5 Mặt phẳng F Phay tinh mặt F có độ nhám bằng Rz = 40 6 Mặt phẳng G Vát 1 góc ở đáy lỗ ∅ 25 1 góc 45o và khoảng cách là 1 7 Mặt phẳng H Khoan một lỗ ∅ 3 8 Mặt phẳng I Khoan lỗ ∅ 25 có dung sai ±0.021 9 Mặt phẳng J Khoan lỗ ∅ 60 có dung sai ±0.5 10 Mặt phẳng M Khoan lỗ phi 3 Bảng 1.4 Các dạng bề mặt. 6 CHƯƠNG II : XÁC ĐỊNH ĐỊNH DẠNG SẢN XUẤT 2.1 Sản lượng hàng năm được xác định bằng công thức sau đây.  Theo trang 31 sách HDCTM Nguyễn Đắc Lộc [6] : β+ α 5+ 3 N= N1.( 1+ 100 ) = 10800 ( sản phẩm )  Trong đó :  N là số lượng sản phẩm tổng cộng cần sản xuất trong một năm.

m=1  N1 Số sản phẩm ( Số máy ) cần được sản xuất trong một năm theo kế hoạch ( chiếc)  β Số lượng chi tiết được chế tạo thêm để dự trữ cho hỏng hóc và phế phẩm trong quá trình gia công cơ .2 Từ tính toán trên phần mềm Inventor, ta có :  Khối lượng của chi tiết : Q1 = 1.768 (kg)  Thể Tích của chi tiết : V = 247279.1 Tính toán khối lượng trên inventor  Với Q1 = 1.6 Trang 31 [6] Sách HDCTM - Nguyễn Đắc Lộc ta chọn dạng sản xuất hàng loạt lớn. 7 CHƯƠNG III : CHỌN PHÔI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PHÔI I.  Trong cơ khí có nhiều dạng phôi: Cán, rèn, đúc, dập, hàn,. Dựa vào vật liệu gang xám GX-15-32 và hình dạng của chi tiết ta có thể chọn phôi đúc, cán hoặc phôi dập.

 Phôi cán thường có lượng dư gia công nhiều với những chi tiết phức tạp, có tiết diện thay đổi lớn, phải qua nhiều bước gia công và cần loại bỏ nhiều vật liệu, hệ số sử dụng phôi thấp. Thành phần hóa học của kim loại chính xác nên dễ chọn chế độ nhiệt luyện. Dạng phôi nay thường dùng trong sản xuất đơn chiếc. Tuy nhiên, với một số trường hợp chi tiết gia công đơn giản như: Trục trơn, chốt,.Thì việc sử dụng phôi cán trong sản xuất hàng loạt khối loạt lớn cho phép giảm đáng kể lượng dư và khối lượng gia công, góp phần làm giảm giá thành sản phẩm.

 Phôi dập thường được sử dụng cho các loại chi tiết sau đây: Trục răng côn, trục răng thẳng, các loại bánh răng, các chi tiết dạng càng, trục chữ thập, trục khuỷu ,… có các đặc điểm:  Sử dụng bộ khuôn có kích thước lòng khuôn gần giống vật gia công.  Độ chính xác của vật liệu dập cao đặc biệt là các kích thước tăng theo chiều cao và sai lệch giữa hai nửa khuôn, thông thường độ bóng của dập thể tích là ∆ 2 ÷ ∆ 4 và độ chính xác đạt được là ± 0,1 ÷ ± 0,05.  Trạng thái ứng suất vật gia công nói chung là nền khối, do đó kim loại có tính dẻo và biến dạng triệt để hơn, cơ tính sản phẩm cao hơn và có thể gia công được mẫu phức tạp.  Dễ cơ khí hóa nên năng suất cao.

 Hệ số sử dụng vật liệu cao.  Sử dụng bộ khuôn có kích thước lòng khuôn gần giống vật gia công.  Thiết bị sử dụng có công suất lớn như các loại máy dập máy búa , yêu cầu chuyển động có độ chính xác cao, khuôn chế tạo đắt tiền.  Phôi dập thường được sử dụng khi thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy trong điều kiện sản xuất hàng loạt và hàng khối  Phôi rèn có cơ tính bền chăt phù hợp với những chi tiết như: Bánh răng, then hoa,.

Hình dạng phôi gần giống với chi tiết gia công, lượng dư gia công không nhiều nên phù hợp với sản xuất hàng loạt vừa trở lên. Thành phần hóa học chính xác, dễ chọn chế độ nhiệt luyện do phôi rèn cũng được lấy từ phôi cán.  Đúc có thể cho ra phôi gần giống với hình dạng của CTGC, khi gia công không cần loại bỏ nhiều phoi. Dạng phôi này thích hợp với sản xuất hàng loạt vừa trở lên.

Tuy nhiên, thành phần hóa học của thép đúc khó khống chế chính xác, cơ tính phôi trung bình.  Ưu điểm là có thể đúc được các loại vật liệu khác nhau, thường là gang, thép, kim loại màu và hợp kim của chúng với khối lượng từ vài gam đến hàng trăm tấn. 8  Chế tạo được những vật đúc có hình dạng, kết cấu rất phức tạp như thân máy công cụ, vỏ động cơ mà các phương pháp chế tạo khác gặp khó khăn hoặc không thể chế tạo được.  Độ chính xác về hình dạng, kích thước và độ bóng không cao.

Tuy nhiên với các phương pháp đúc đặc biệt thì độ chính có thể đạt khỏang 0,001mm và độ nhẵn 1,25mm.  Có thể đúc nhiều kim loại khác nhau trong một vật đúc.  Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa.  Giá thành chế tạo vật đúc rẻ, tính chất sản xuất linh họat, năng suất cao.

 Nhược điểm :  Tốn kim loại cho hệ thống rót.  Có nhiều khuyết tật (thiếu hụt, rỗ khí) làm tỷ lệ phế phẩm khá cao.  Muốn kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc đòi hỏi thiết bị hiện đại. Dựa vào đặc điểm của các phương pháp chế tạo phôi trên ta chọn phương pháp đúc.

Phương pháp chế tạo phôi Trong đúc phôi có những phương pháp sau: 3.1 Đúc trong khuôn cát – mẫu gỗ :  Chế tạo khuôn mất nhiều thời gian , chất lượng bề mặt đúc không cao, giá thành thấp, trang thiết bị đơn giản, phù hợp cho sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ.  Loại phôi này có cấp chính xác IT16  IT17.  Độ nhám bề mặt: Rz=160 m. Phương pháp này cho năng suất trung bình, chất lượng bề mặt không cao, gây khó khăn cho những bề mặt không gia công cơ.2 Đúc trong khuôn cát mẫu kim loại :  Nếu công việc làm khuôn được thực hiện bằng máy thì có cấp chính xác khá cao, giá thành cao hơn so với đúc trong khuôn cát mẫu gỗ.

 Cấp chính xác của phôi : IT15  IT16.  Độ nhám bề mặt : Rz=80m. Chất lượng bề mặt của chi tiết tốt hơn phương pháp đúc với mẫu gỗ, đúc được những chi tiết hình dạng lớn và phức tạp, nên phù hợp cho sản xuất hàng loạt vừa và lớn.