Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy với đề tài "Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết chốt lỗ thông" được thực hiện bởi sinh viên Lương Công Quốc An (lớp 61.KTCK, MSSV: 61133343), dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Tường và Trưởng bộ môn TS. Nguyễn Hữu Thật tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang trong thời gian từ ngày 12/09/2022 đến ngày 19/12/2022.
Trong ngành chế tạo máy, việc thiết kế một quy trình công nghệ hợp lý cho từng chi tiết cơ khí đóng vai trò quyết định đến việc đảm bảo độ chính xác kích thước, độ nhám bề mặt, độ bền cơ học và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Đề tài tập trung giải quyết bài toán công nghệ cho chi tiết chốt lỗ thông dựa trên các thông số sản xuất ban đầu:
- Bản vẽ chi tiết: Chốt lỗ thông.
- Sản lượng kế hoạch: $N_0 = 2500$ sản phẩm/năm.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm 8 nội dung chính được đánh số theo văn bản giao nhiệm vụ:
- Xác định dạng sản xuất.
- Phân tích chi tiết gia công.
- Chọn dạng phôi và phương pháp chế tạo phôi.
- Xây dựng tiến trình gia công.
- Thiết kế nguyên công.
- Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian.
- Xác định chế độ cắt và thời gian cơ bản.
- Lập phiếu tổng hợp nguyên công.
Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật đi kèm thuyết minh gồm: 01 bản vẽ chi tiết gia công khổ A3, 01 bản vẽ phôi khổ A3 và 03 bản vẽ nguyên công khổ A3.
Đối tượng nghiên cứu là chi tiết cơ khí dạng chốt trụ ngắn đặc thù có lỗ thông suốt dọc trục đường kính Ø5 mm, rãnh phay hai phía kích thước $10 \times 16\text{ mm}$ và các bậc trục có yêu cầu kỹ thuật khắt khe như Ø20f9 và Ø10d7. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc tính toán thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ trên các máy cắt gọt kim loại truyền thống (máy tiện, máy phay, máy mài), tính toán phân tích lượng dư và chế độ cắt cho các bề mặt điển hình theo điều kiện sản xuất cơ khí tại Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý nền tảng của ngành Công nghệ Chế tạo máy, Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy và Sổ tay Dung sai và Lắp ghép:
- Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng: Lý thuyết định vị và kẹp chặt trong gia công cơ khí (nguyên tắc chọn chuẩn thô, chuẩn tinh thống nhất); lý thuyết truyền sai số, biến cứng bề mặt và cân bằng dung sai trong tính toán lượng dư gia công; tiêu chuẩn vật liệu thép kết cấu cacbon C45 theo TCVN 1766-75 (tương đương mác thép AISI 1045 theo tiêu chuẩn Mỹ); hệ thống tiêu chuẩn dung sai cấp chính xác từ IT7 đến IT14 và độ nhám bề mặt ($Ra, Rz$).
- Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng hình học không gian 3D của chi tiết qua các lệnh thiết kế Revolve, Hole, Chamfer, Cut-Extrude, Mirror và sử dụng công cụ Mass Properties để xác định chính xác thể tích, khối lượng của chi tiết.
- Phương pháp giải tích tính toán công nghệ: Tính toán sản lượng cơ khí hàng năm có xét đến hệ số phụ tùng dự phòng và phế phẩm; áp dụng phương pháp giải tích để xác định sai số không gian, sai số gá đặt, lượng dư nhỏ nhất, kích thước giới hạn qua từng bước công nghệ cho bề mặt trụ Ø10d7; tính toán giải tích chế độ cắt ($t, S, v, n$) và thời gian gia công cơ bản $T_0$ dựa trên sức bền cán dao, công suất máy và tuổi bền dụng cụ.
- Phương pháp tra cứu sổ tay công nghệ: Tra bảng chọn dung sai phôi cán, thông số kỹ thuật động học của máy cắt gọt kim loại (TA616, 6H12, 3I12), hình học dao tiện hợp kim cứng T15K6, dao thép gió P18, mũi khoan HSS, đá mài Corun 15A và đá mài kim cương AC2.
- Nguồn dữ liệu: Các công thức, bảng tra cứu định mức và đồ thị trong hệ thống giáo trình Công nghệ Chế tạo máy, Sổ tay Dung sai và Lắp ghép, Sổ tay Thiết kế Đồ án Công nghệ Chế tạo máy.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Xác định dạng sản xuất
Mục tiêu của chương là xác định hình thức tổ chức sản xuất nhằm làm cơ sở lựa chọn phương án tạo phôi và thiết bị công nghệ gia công phù hợp.
Quá trình mô hình hóa 3D chi tiết chốt lỗ thông trên phần mềm SolidWorks được tiến hành qua 6 bước:
- Vẽ biên dạng 2D của chi tiết.
- Sử dụng lệnh Revolve để tạo khối tròn xoay 3D.
- Dùng lệnh Hole tạo lỗ suốt đường kính Ø5 mm.
- Dùng lệnh Chamfer vát mép đuôi chi tiết kích thước $0,5\text{ mm} \times 45^\circ$.
- Dùng lệnh Cut-Extrude tạo rãnh kích thước $10 \times 16 \times 4\text{ mm}$.
- Dùng lệnh Mirror để sao chép đối xứng rãnh sang mặt phẳng đối diện.
Sau khi hoàn thiện mô hình 3D, tác giả gán vật liệu AISI 1045 Steel (thép C45) và sử dụng công cụ Mass Properties. Kết quả xác định khối lượng chi tiết là $Q = 69,86\text{ g} \approx 70\text{ g} = 0,07\text{ kg}$.
Sản lượng chi tiết hàng năm được tính toán theo công thức:
$$N = N_0 \cdot m \cdot \left(1 + \frac{\alpha}{100}\right) \cdot \left(1 + \frac{\beta}{100}\right)$$
Trong đó: $N_0 = 2500$ chiếc/năm; số lượng chi tiết trong một sản phẩm $m = 1$; số phần trăm dự trữ làm phụ tùng $\alpha = 15%$ (chọn trong khoảng $10 \div 20%$); số phần trăm phế phẩm $\beta = 4%$ (chọn trong khoảng $3 \div 5%$).
Thay số: $N = 2500 \cdot 1 \cdot (1 + 0,15) \cdot (1 + 0,04) = 2990$ chiếc/năm.
Dựa vào sản lượng $N = 2990$ chiếc/năm và khối lượng chi tiết $Q \approx 0,07\text{ kg}$, đối chiếu bảng phân loại dạng sản xuất, tác giả xác định dạng sản xuất của chi tiết là hàng loạt vừa.
Chương 2. Phân tích chi tiết gia công
Chương này đi sâu vào phân tích yêu cầu kỹ thuật, thành phần cơ lý tính của vật liệu và tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết.
Yêu cầu kỹ thuật theo bản vẽ chi tiết:
- Bề mặt trụ Ø25: Độ nhám $Rz = 25\text{ µm}$, cấp chính xác IT14.
- Bề mặt côn Ø22: Độ nhám $Rz = 25\text{ µm}$, cấp chính xác IT14.
- Bề mặt trụ Ø20f9: Độ nhám $Rz = 25\text{ µm}$ ($Ra = 6,3\text{ µm}$ ở bước gia công), cấp chính xác IT9.
- Bề mặt trụ Ø10d7: Độ nhám $Ra = 0,63\text{ µm}$, cấp chính xác IT7.
- Hai rãnh cắt kích thước $10 \times 16\text{ mm}$: Độ nhám $Ra = 6,3\text{ µm}$, cấp chính xác IT14.
- Các bề mặt còn lại: Độ nhám $Rz = 25\text{ µm}$, cấp chính xác IT14.
Vật liệu chế tạo chi tiết là thép C45 với các thông số thành phần hóa học và cơ tính được tổng hợp trong các bảng sau:
| Mác thép |
C (%) |
Si (%) |
Mn (%) |
P (%) Max |
S (%) Max |
Cr (%) |
| Thép C45 |
0,42 – 0,50 |
0,17 – 0,37 |
0,50 – 0,80 |
0,040 |
0,040 |
0,02 – 0,04 |
| Tiêu chuẩn |
Giới hạn bền $\sigma_b$ (MPa) |
Giới hạn chảy $\sigma_c$ (MPa) |
Độ giãn dài tương đối $\delta$ (%) |
Độ cứng (HRC) |
| TCVN 1766-75 |
610 |
360 |
16 |
23 |
Đánh giá tính công nghệ trong kết cấu: Chi tiết có tỉ lệ chiều dài trên đường kính lớn nhất $L/D = 69/25 = 2,76$ (nằm trong dải hợp lý $0,5 \div 3,5$), đảm bảo đủ độ cứng vững trong quá trình gá đặt và cắt gọt. Kết cấu chi tiết đối xứng, dạng trụ bậc đơn giản, phần lớn các mặt ngoài gia công được bằng phương pháp tiện. Lỗ suốt Ø5 mm dễ thoát phoi khi khoan. Bề mặt Ø10d7 là bề mặt làm việc quan trọng nhất, đòi hỏi phải trải qua nhiều bước công nghệ từ tiện thô đến mài láng. Tác giả kết luận kết cấu chi tiết hoàn toàn thỏa mãn tính công nghệ gia công cơ, không cần phải sửa đổi kết cấu.
Chương 3. Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi
Tác giả tiến hành so sánh ưu nhược điểm của 4 phương pháp tạo phôi phổ biến đối với thép C45 trong dạng sản xuất hàng loạt vừa:
- Phôi đúc: Dễ cơ khí hóa nhưng lượng dư lớn, dễ xuất hiện khuyết tật rỗ xỉ, rỗ khí và tốn kém chi phí làm khuôn đối với chi tiết nhỏ gọn.
- Phôi cán (phôi thanh): Tiết diện profin tròn đồng đều, cơ tính tốt, ít khuyết tật, giá thành thấp, rất phù hợp với chi tiết dạng chốt ngắn khối lượng nhỏ trong sản xuất hàng loạt vừa.
- Phôi rèn: Lượng dư nhỏ, cơ tính dẻo tốt nhưng năng suất thấp, phụ thuộc tay nghề, phù hợp hơn với sản xuất đơn chiếc.
- Phôi dập: Cơ tính cao, phôi sát hình dáng chi tiết nhưng giá chế tạo khuôn thép hợp kim rất cao và phải rèn sơ bộ cắt phôi, không kinh tế cho chi tiết chỉ nặng khoảng 70 g.
Từ phân tích trên, tác giả chọn dạng phôi là phôi cán (phôi thanh tròn). So sánh giữa hai phương pháp cán nóng và cán nguội: Cán nguội cho độ bóng cao nhưng giá thành đắt và bề mặt biến cứng làm giảm tuổi thọ dao; cán nóng giá thành rẻ, thép C45 có độ dẻo cao dễ tạo hình, cơ tính ổn định, độ nhám ban đầu thấp sẽ được khắc phục hoàn toàn qua các bước gia công cắt gọt. Do đó, phương pháp được lựa chọn là phôi thanh tròn cán nóng.
Kích thước và dung sai phôi:
- Đường kính lớn nhất của chi tiết là Ø25 mm $\rightarrow$ chọn đường kính phôi cán là Ø28 mm với sai lệch cho phép: $\text{Ø}28_{-0,75}^{+0,4}\text{ mm}$.
- Chiều dài phôi sau khi cắt đứt trên máy tiện: $72 \pm 0,35\text{ mm}$ (chiều dài chi tiết hoàn thiện là 69 mm).
- Chất lượng bề mặt phôi cán: $Rz = 125\text{ µm}$; mặt đầu cắt đứt đạt cấp chính xác IT13, $Rz = 200\text{ µm}$; độ cong profin phôi cán là $0,5\text{ mm}$.
Chương 4. Xây dựng tiến trình gia công
Tác giả xác định phương pháp gia công cho từng bề mặt dựa trên yêu cầu về cấp chính xác và độ nhám:
- Các bề mặt 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10: Cấp chính xác IT14, độ nhám $Rz = 25\text{ µm} \rightarrow$ Gia công bằng phương pháp tiện thô.
- Bề mặt 6 (Ø20f9): Cấp IT9 $\rightarrow$ Trình tự gia công: Tiện thô ($Rz = 25\text{ µm}$) $\rightarrow$ Tiện bán tinh ($Ra = 6,3\text{ µm}$) $\rightarrow$ Tiện tinh ($Ra = 3,2\text{ µm}$).
- Bề mặt 8 (Ø10d7): Cấp IT7 $\rightarrow$ Trình tự gia công: Tiện thô ($Rz = 25\text{ µm}$) $\rightarrow$ Tiện bán tinh ($Ra = 6,3\text{ µm}$) $\rightarrow$ Tiện tinh ($Ra = 3,2\text{ µm}$) $\rightarrow$ Mài tinh ($Ra = 1,6\text{ µm}$) $\rightarrow$ Mài láng ($Ra = 0,63\text{ µm}$).
- Bề mặt 11 (lỗ suốt Ø5 mm): Cấp IT14, $Rz = 25\text{ µm} \rightarrow$ Khoan.
- Bề mặt 12 (hai rãnh $10 \times 16\text{ mm}$): Cấp IT14, $Ra = 6,3\text{ µm} \rightarrow$ Phay thô bằng dao phay ngón.
Tiến trình công nghệ gia công chi tiết được thiết lập qua 11 nguyên công hợp lý:
| STT |
Tên nguyên công |
Bề mặt gia công |
Bề mặt định vị |
Dạng máy |
| 1 |
Chuẩn bị phôi |
Toàn bộ phôi |
— |
Thiết bị làm sạch phôi |
| 2 |
Tiện thô |
Mặt 1, 3, 4 |
Mặt 6, 10 |
Máy tiện TA616 |
| 3 |
Tiện thô |
Mặt 5, 6, 7, 8, 9, 10 |
Mặt 1, 4 |
Máy tiện TA616 |
| 4 |
Tiện thô |
Mặt côn 2 |
Mặt 8, 10 |
Máy tiện TA616 |
| 5 |
Khoan |
Lỗ 11 (Ø5 mm) |
Mặt 8, 10 |
Máy tiện TA616 |
| 6 |
Tiện bán tinh |
Mặt 6, 8 |
Mặt 1, 4 |
Máy tiện TA616 |
| 7 |
Tiện tinh |
Mặt 6, 8 |
Mặt 1, 4 |
Máy tiện TA616 |
| 8 |
Phay thô |
Rãnh 12 |
Mặt 1, 4 |
Máy phay đứng 6H12 |
| 9 |
Mài tinh |
Mặt 8 |
Mặt 1, 4 |
Máy mài tròn ngoài 3I12 |
| 10 |
Mài láng |
Mặt 8 |
Mặt 1, 4 |
Máy mài tròn ngoài 3I12 |
| 11 |
Kiểm tra |
Toàn bộ các bề mặt |
Chuẩn kiểm tra |
Bàn kiểm tra |
Chương 5. Thiết kế nguyên công
Chương 5 xác định chi tiết trang thiết bị công nghệ, đồ gá, dụng cụ cắt, chế độ bôi trơn nguội và dụng cụ đo kiểm cho toàn bộ 11 nguyên công:
- Thiết bị máy công cụ:
- Máy tiện vạn năng TA616: Chiều cao tâm $165\text{ mm}$, khoảng cách giữa hai tâm $710 \div 1000\text{ mm}$, đường kính lỗ trục chính $35\text{ mm}$, côn Mooc số 5, công suất động cơ $4,5\text{ kW}$, dải số vòng quay trục chính gồm 21 cấp từ $11,2$ đến $2240\text{ vòng/phút}$, dải lượng tiến dao dọc và ngang từ $0,08$ đến $1,36\text{ mm/vòng}$. Máy được sử dụng cho các nguyên công 2, 3, 4, 5, 6, 7.
- Máy phay đứng 6H12: Bề mặt làm việc của bàn máy $320 \times 1250\text{ mm}$, công suất động cơ $7\text{ kW}$, dải tốc độ trục chính gồm 18 cấp từ $30$ đến $1500\text{ vòng/phút}$, bước tiến bàn từ $30$ đến $1500\text{ mm/phút}$, lực tiến dao lớn nhất cho phép $1500\text{ kG}$. Sử dụng cho nguyên công 8.
- Máy mài tròn 3I12: Kích thước mài lớn nhất $150 \times 750\text{ mm}$, công suất động cơ ụ mài $3,7\text{ kW}$, hiệu suất $\eta = 0,8$, số vòng quay phôi $45 - 70 - 115 - 275 - 450\text{ vòng/phút}$, số vòng quay đá mài $2200\text{ vòng/phút}$, bước tiến dọc bàn điều chỉnh vô cấp $0,5 \div 5\text{ m/phút}$, đường kính đá mài $300\text{ mm}$. Sử dụng cho các nguyên công 9, 10.
- Đồ gá: Mâm cặp 3 chấu tự định tâm được sử dụng cho toàn bộ các nguyên công tiện và mài; đồ gá phân độ chuyên dùng được sử dụng cho nguyên công phay rãnh để định vị và kẹp chặt chi tiết.
- Dụng cụ cắt gọt:
- Dao tiện mặt đầu và tiện ngoài thô: Gắn mảnh hợp kim cứng T15K6, kích thước thân dao $B \times H = 12 \times 20\text{ mm}$, chiều dài $L = 125\text{ mm}$, góc trước chính $\gamma = 16^\circ$, góc sau chính $\alpha = 10^\circ$, góc nghiêng chính $\varphi = 45^\circ$, chu kỳ bền $T = 40\text{ phút}$.
- Dao tiện vát mép: Hợp kim cứng T15K6, cán dao $12 \times 20\text{ mm}$, $\gamma = 16^\circ, \alpha = 10^\circ, \varphi = 45^\circ, T = 40\text{ phút}$.
- Mũi khoan ruột gà: Thép gió HSS đuôi trụ loại dài, đường kính $d = 5\text{ mm}$, chiều dài $L = 140\text{ mm}$, chiều dài phần cắt $l_0 = 90\text{ mm}$, góc sau $\alpha = 10^\circ$, góc nghiêng chính $2\varphi = 118^\circ$, góc nghiêng lưỡi cắt ngang $\Psi = 50^\circ$, chu kỳ bền $T = 5\text{ phút}$.
- Dao tiện bán tinh: Thép gió P18, cán dao $16 \times 17\text{ mm}$, $\gamma = 16^\circ, \alpha = 10^\circ, \varphi = 45^\circ, T = 50\text{ phút}$.
- Dao tiện tinh mũi nhọn: Thép gió P18, cán dao $10 \times 16\text{ mm}$, $\gamma = 10^\circ, \alpha = 10^\circ, \varphi = 45^\circ$, bán kính đỉnh dao $r = 0,4\text{ mm}$, chu kỳ bền $T = 45\text{ phút}$.
- Dao phay ngón: Thép gió P18 $\Phi 2$, đường kính cắt $D = 10\text{ mm}$, chiều dài tổng $L = 60\text{ mm}$, chiều dài lưỡi cắt $l = 20\text{ mm}$, đường kính cán $d = 10\text{ mm}$, $\gamma = 15^\circ, \alpha = 12^\circ, T = 60\text{ phút}$.
- Đá mài mài tinh (NC9): Đá mài profin hình trụ có phần lõm làm bằng Corun điện thường 15A, kích thước $D \times d \times H = 160 \times 30 \times 20\text{ mm}$, độ hạt M12 $\div$ M10.
- Đá mài mài láng (NC10): Đá mài kim cương AC2 profin hình trụ có thân ở giữa, kích thước $160 \times 30 \times 20\text{ mm}$, chiều sâu rãnh $S = 5\text{ mm}$, độ hạt M8 $\div$ M6, độ cứng CM2.
- Dung dịch trơn nguội và kiểm tra: Dung dịch êmunxi loãng cho tiện, phay, khoan; dung dịch nước xôđa cho các nguyên công mài; dụng cụ kiểm tra gồm thước cặp $0-150 \times 0,02\text{ mm}$, thước cặp $0-150 \times 0,01\text{ mm}$ và calip trục Ø5H14.
Chương 6. Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian
Chương này thực hiện việc xác định lượng dư trung gian qua hai phương pháp: phương pháp giải tích phân tích cho bề mặt quan trọng nhất và phương pháp tra bảng cho các bề mặt còn lại.
1. Phương pháp phân tích giải tích cho bề mặt trục Ø10d7 ($Ra = 0,63\text{ µm}$, cấp IT7):
Tiến trình gia công gồm 5 bước: Tiện thô $\rightarrow$ Tiện bán tinh $\rightarrow$ Tiện tinh $\rightarrow$ Mài tinh $\rightarrow$ Mài láng.
- Chiều sâu lớp biến cứng qua các bước: $T_1 = 50\text{ µm}, T_2 = 50\text{ µm}, T_3 = 25\text{ µm}, T_4 = 15\text{ µm}, T_5 = 5\text{ µm}$.
- Sai số không gian tổng cộng của phôi: $\rho_0 = \Delta_{cv} \cdot l = 0,12 \cdot 72 = 8,64\text{ µm}$. Sai số không gian còn lại sau các bước (với hệ số chính xác hóa lần lượt $0,06; 0,05; 0,04; 0,02; 0,01$): $\rho_1 = 0,5184\text{ µm}; \rho_2 = 0,432\text{ µm}; \rho_3 = 0,3456\text{ µm}; \rho_4 = 0,1728\text{ µm}; \rho_5 = 0,0864\text{ µm}$.
- Sai số gá đặt mâm cặp 3 chấu: $\varepsilon_1 = 320\text{ µm}, \varepsilon_2 = 16\text{ µm}, \varepsilon_3 = 12,8\text{ µm}, \varepsilon_4 = 6,4\text{ µm}, \varepsilon_5 = 3,2\text{ µm}$.
- Lượng dư tính toán nhỏ nhất: $2Z_{\min i} = 2(Rz_{i-1} + T_{i-1} + \sqrt{\rho_{i-1}^2 + \varepsilon_i^2})$.
- Bước 1 (Tiện thô): $2Z_{\min 1} = 2(25 + 250 + \sqrt{8,64^2 + 320^2}) = 2 \cdot 595,1\text{ µm} = 1,1902\text{ mm}$.
- Bước 2 (Tiện bán tinh): $2Z_{\min 2} = 2(6,3 + 50 + \sqrt{0,518^2 + 16^2}) = 2 \cdot 72,3\text{ µm} = 0,1446\text{ mm}$.
- Bước 3 (Tiện tinh): $2Z_{\min 3} = 2(3,2 + 50 + \sqrt{0,432^2 + 12,8^2}) = 2 \cdot 66\text{ µm} = 0,132\text{ mm}$.
- Bước 4 (Mài tinh): $2Z_{\min 4} = 2(1,6 + 30 + \sqrt{0,3456^2 + 6,4^2}) = 2 \cdot 34,8\text{ µm} = 0,0696\text{ mm}$.
- Bước 5 (Mài láng): $2Z_{\min 5} = 2(0,63 + 15 + \sqrt{0,1728^2 + 3,2^2}) = 2 \cdot 18,8\text{ µm} = 0,0376\text{ mm}$.
Kích thước giới hạn nhỏ nhất và lớn nhất qua các bước được xác định:
- Sau mài láng (IT7): $d_{\min 5} = 9,945\text{ mm}; d_{\max 5} = 9,960\text{ mm}$ (dung sai $\delta = 0,015\text{ mm}$).
- Sau mài tinh (IT8): $d_{\min 4} = 9,9826\text{ mm}; d_{\max 4} = 10,0036\text{ mm}$ (dung sai $\delta = 0,021\text{ mm}$).
- Sau tiện tinh (IT9): $d_{\min 3} = 10,0522\text{ mm}; d_{\max 3} = 10,1042\text{ mm}$ (dung sai $\delta = 0,052\text{ mm}$).
- Sau tiện bán tinh (IT12): $d_{\min 2} = 10,1842\text{ mm}; d_{\max 2} = 10,3942\text{ mm}$ (dung sai $\delta = 0,21\text{ mm}$).
- Sau tiện thô (IT14): $d_{\min 1} = 10,3288\text{ mm}; d_{\max 1} = 10,8488\text{ mm}$ (dung sai $\delta = 0,52\text{ mm}$).
- Phôi cán nóng ban đầu: $d_{\min 0} = 27,25\text{ mm}; d_{\max 0} = 28,40\text{ mm}$ (dung sai phôi $\delta = 1,15\text{ mm}$).
Lượng dư giới hạn tổng cộng:
- Lượng dư bé nhất tổng cộng: $2Z_{0\min} = 17,305\text{ mm}$.
- Lượng dư lớn nhất tổng cộng: $2Z_{0\max} = 18,440\text{ mm}$.
- Kiểm tra tính đúng đắn: $2Z_{0\max} - 2Z_{0\min} = 18,440 - 17,305 = 1,135\text{ mm}$; $T_{ph} - T_{ct} = 1,150 - 0,015 = 1,135\text{ mm}$. Kết quả tính toán khớp tuyệt đối.
2. Phương pháp tra bảng cho các bề mặt khác:
- Bề mặt Ø20f9 (IT9): Tổng lượng dư phôi $2Z_{0\max} = 8,4\text{ mm}$. Phân phối lượng dư: Tiện thô chiếm $70%$ ($5,88\text{ mm} \rightarrow L_{1\max} = 22,52\text{ mm}$); tiện bán tinh chiếm $20%$ ($1,68\text{ mm} \rightarrow L_{2\max} = 20,84\text{ mm}$); tiện tinh chiếm $10%$ ($0,84\text{ mm} \rightarrow L_{3\max} = 20,00\text{ mm}$).
- Bề mặt Ø25 (IT14): Lượng dư tiện thô $2Z_{\max} = 3,4\text{ mm} \rightarrow L_{1\max} = 25\text{ mm}$.
- Bề mặt mặt đầu 1 và 10 (chiều dài 69 mm): Chiều dài phôi $72 \pm 0,35\text{ mm}$, tổng lượng dư hai đầu $2Z_{0\max} = 3,35\text{ mm} \rightarrow L_{1\max} = 69\text{ mm}$.
Chương 7. Xác định chế độ cắt và thời gian gia công cơ bản
Tác giả tiến hành tính toán giải tích chế độ cắt chi tiết cho Nguyên công 2 (tiện thô trên máy tiện TA616):
1. Tiện thô mặt đầu 1:
- Chiều sâu cắt: $t = Z_0 = 1,5\text{ mm}$.
- Lượng chạy dao: Chọn theo độ bền cán dao và máy $S = 0,455\text{ mm/vòng}$.
- Vận tốc cắt lý thuyết: Tính toán với $C_v = 350$, $T = 40\text{ phút}$, hệ số hiệu chỉnh $K_v = K_{mv} \cdot K_{nv} \cdot K_{uv} = 1,0 \cdot 0,9 \cdot 1,0 = 0,9$.
- Số vòng quay tính toán của trục chính đưa về cấp tốc độ thực tế của máy TA616: chọn $n = 2240\text{ vòng/phút}$, suy ra tốc độ cắt thực tế $V = 197\text{ m/phút}$.
- Thời gian cơ bản: Chiều dài hành trình dao $L = l_a + \frac{d}{2} = 6 + \frac{28}{2} = 20\text{ mm}$. Thời gian cơ bản $T_0 = \frac{L \cdot i}{S \cdot n} = \frac{20 \cdot 1}{0,455 \cdot 2240} \cdot 60 = 1,2\text{ giây}$.
2. Tiện thô mặt 3:
- Chiều sâu cắt: $t = 3\text{ mm}$.
- Lượng chạy dao: $S = 0,455\text{ mm/vòng}$.
- Tốc độ cắt và số vòng quay: Chọn $n = 1800\text{ vòng/phút}$, tốc độ cắt thực tế $V = 158\text{ m/phút}$.
- Thời gian cơ bản: Chiều dài hành trình $L = l_a + l + l_u = 6 + 8 + 0 = 14\text{ mm}$. Thời gian $T_0 = \frac{14 \cdot 1}{0,455 \cdot 1800} \cdot 60 = 1,0\text{ giây}$.
3. Tiện thô mặt 4:
- Chiều sâu cắt: $t = 1,5\text{ mm}$.
- Lượng chạy dao: $S = 0,455\text{ mm/vòng}$.
- Tuổi bền dao $T = 120\text{ phút}$, số vòng quay máy chọn $n = 1800\text{ vòng/phút}$.
Bảng tổng hợp chế độ cắt giải tích của Nguyên công 2:
| Bề mặt gia công |
Chiều sâu cắt $t$ (mm) |
Lượng tiến dao $S$ (mm/vòng) |
Số vòng quay $n$ (vòng/phút) |
Tốc độ cắt thực tế $V$ (m/phút) |
Thời gian cơ bản $T_0$ (giây) |
| Mặt đầu 1 |
1,5 |
0,455 |
2240 |
197 |
1,2 |
| Mặt bậc 3 |
3,0 |
0,455 |
1800 |
158 |
1,0 |
| Mặt trụ ngoài 4 |
1,5 |
0,455 |
1800 |
158 |
— |
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra với những kết quả cụ thể:
- Xác định chính xác hình thức tổ chức sản xuất là hàng loạt vừa với sản lượng hàng năm $N = 2990$ chiếc/năm và khối lượng chi tiết $Q = 69,86\text{ g}$.
- Đề xuất phương án tạo phôi thanh tròn cán nóng kích thước $\text{Ø}28_{-0,75}^{+0,4} \times (72 \pm 0,35)\text{ mm}$ từ thép C45, giúp tiết kiệm vật liệu và chi phí khuôn so với phôi dập hoặc đúc.
- Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình công nghệ gồm 11 nguyên công với hệ thống chuẩn định vị thống nhất (chuẩn mặt trụ ngoài và mặt đầu), lựa chọn đầy đủ máy công cụ (máy tiện TA616, máy phay 6H12, máy mài 3I12), đồ gá và dụng cụ cắt phù hợp.
- Thực hiện tính toán giải tích lượng dư bề mặt then chốt Ø10d7 qua 5 bước công nghệ, kiểm chứng cân bằng dung sai đạt độ chính xác số học $2Z_{0\max} - 2Z_{0\min} = T_{ph} - T_{ct} = 1,135\text{ mm}$.
- Tính toán đầy đủ chế độ cắt giải tích và thời gian gia công cơ bản cho các bước của Nguyên công 2 trên máy tiện TA616.
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc thiết lập một quy trình công nghệ chế tạo cơ khí hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao cho chi tiết dạng chốt có yêu cầu độ chính xác cao (IT7, $Ra = 0,63\text{ µm}$), kết hợp hiệu quả giữa mô hình hóa 3D hiện đại (SolidWorks) và phương pháp tính toán giải tích truyền thống.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Thuyết minh chỉ tính toán chế độ cắt chi tiết theo phương pháp giải tích cho Nguyên công 2, các nguyên công còn lại chủ yếu áp dụng phương pháp tra bảng định mức; việc tính toán phân tích lượng dư giải tích mới tập trung vào bề mặt Ø10d7; đồ án dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và thiết kế trên bản vẽ kỹ thuật, chưa được kiểm chứng gia công thực tế trên máy để đánh giá độ mòn dao và biến dạng nhiệt thực tế.
- Hướng phát triển: Tiếp tục tính toán giải tích chế độ cắt và thời gian gia công cho toàn bộ các nguyên công còn lại; thiết kế chi tiết kết cấu đồ gá phân độ chuyên dùng cho nguyên công phay rãnh; mở rộng quy trình công nghệ sang lập trình gia công trên máy tiện CNC và trung tâm gia công phay CNC hiện đại nhằm nâng cao năng suất và độ chính xác lặp lại.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy, đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần liên quan đến thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ khí.
Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong văn bản bao gồm:
- Quy trình 12 bước tính toán phân tích lượng dư và kích thước trung gian bằng phương pháp giải tích cho bề mặt trụ trục bậc có mài láng.
- Phương pháp mô hình hóa 3D trên SolidWorks kết hợp công cụ Mass Properties để xác định nhanh thể tích, khối lượng chi tiết cho việc tính toán dạng sản xuất.
- Phương pháp tra cứu, lựa chọn thông số hình học dụng cụ cắt và tính toán kiểm nghiệm chế độ cắt theo sức bền máy tiện TA616.
Câu hỏi thường gặp
1. Dạng sản xuất của chi tiết chốt lỗ thông trong đồ án được xác định là gì và dựa trên cơ sở nào?
Chi tiết được xác định thuộc dạng sản xuất hàng loạt vừa. Cơ sở xác định dựa trên sản lượng kế hoạch $N_0 = 2500$ chiếc/năm, sản lượng tính toán thực tế $N = 2990$ chiếc/năm (với hệ số dự trữ phụ tùng $\alpha = 15%$ và phế phẩm $\beta = 4%$) cùng khối lượng chi tiết $Q = 69,86\text{ g} \approx 0,07\text{ kg}$ được trích xuất từ phần mềm SolidWorks.
2. Vì sao tác giả lựa chọn phôi thanh tròn cán nóng thay vì phôi đúc hay phôi dập?
Chi tiết chốt lỗ thông có kết cấu dạng trục tròn ngắn đơn giản, kích thước nhỏ (đường kính lớn nhất Ø25 mm, dài 69 mm) và khối lượng nhẹ (70 g). Phôi cán tròn nóng Ø28 mm có sẵn profin tròn, cơ tính ổn định, ít khuyết tật, giá thành rẻ, không tốn chi phí và thời gian chế tạo khuôn dập/khuôn đúc phức tạp, hoàn toàn tối ưu cho quy mô sản xuất hàng loạt vừa.
3. Bề mặt nào của chi tiết yêu cầu độ chính xác cao nhất và tiến trình công nghệ gia công bề mặt đó gồm những bước nào?
Bề mặt trụ ngoài Ø10d7 là bề mặt làm việc quan trọng nhất với yêu cầu cấp chính xác IT7 và độ nhám bề mặt $Ra = 0,63\text{ µm}$. Tiến trình gia công bề mặt này gồm 5 bước công nghệ liên tiếp: Tiện thô $\rightarrow$ Tiện bán tinh $\rightarrow$ Tiện tinh $\rightarrow$ Mài tinh $\rightarrow$ Mài láng.
4. Kết quả tính toán giải tích lượng dư cho bề mặt Ø10d7 được kiểm tra tính đúng đắn như thế nào?
Tác giả kiểm tra thông qua phương trình cân bằng giữa hiệu lượng dư giới hạn tổng cộng và hiệu dung sai: $2Z_{0\max} - 2Z_{0\min} = 18,440 - 17,305 = 1,135\text{ mm}$, trùng khớp hoàn toàn với hiệu giữa dung sai phôi và dung sai chi tiết $T_{ph} - T_{ct} = 1,150 - 0,015 = 1,135\text{ mm}$.
5. Những loại máy công cụ chính nào được lựa chọn trong thiết kế nguyên công của đồ án?
Quy trình công nghệ sử dụng 3 dòng máy công cụ chính: Máy tiện vạn năng TA616 (công suất $4,5\text{ kW}$) dùng cho các nguyên công tiện thô, tiện bán tinh, tiện tinh và khoan lỗ Ø5 mm; máy phay đứng 6H12 (công suất $7\text{ kW}$) dùng cho nguyên công phay thô rãnh $10 \times 16\text{ mm}$; máy mài tròn ngoài 3I12 (công suất ụ mài $3,7\text{ kW}$) dùng cho các nguyên công mài tinh và mài láng bề mặt Ø10d7.
Kết luận
Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy của sinh viên Lương Công Quốc An đã thiết kế thành công quy trình công nghệ gia công hoàn chỉnh cho chi tiết chốt lỗ thông gồm 11 nguyên công với tiến trình gia công hợp lý và khả thi. Các tính toán về dạng sản xuất, dung sai phôi cán nóng, lượng dư gia công giải tích và chế độ cắt trên máy tiện TA616 được thực hiện chuẩn xác, logic và bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu thuyết minh công nghệ hoàn chỉnh, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và tham khảo chuyên môn trong ngành kỹ thuật cơ khí chế tạo máy.
