Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, việc tối ưu hóa đồng thời ba chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật cốt lõi gồm năng suất, chất lượng và giá thành luôn là bài toán trọng tâm của các đơn vị sản xuất. Quy trình công nghệ gia công cơ khí là nhân tố quyết định trực tiếp đến thời gian chu kỳ sản xuất, độ chính xác hình học, độ nhám bề mặt và tuổi thọ làm việc của chi tiết, qua đó quyết định trực tiếp hiệu quả kinh tế của toàn bộ dây chuyền.

Đề tài đồ án chuyên ngành Kỹ thuật chế tạo: "Thiết kế quy trình công nghệ gia công thân bơm" được thực hiện tại Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế công nghệ và trang bị công nghệ gia công chi tiết thân giữa của bơm bánh răng – một chi tiết dạng hộp giữ vai trò bao kín và định vị các cụm trục bánh răng làm việc trong điều kiện áp suất cao và ma sát thủy lực liên tục.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Phân tích kết cấu, công dụng, điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu và xác định dạng sản xuất của chi tiết thân bơm dựa trên sản lượng và khối lượng chi tiết.
  2. Xác định dạng phôi, phương pháp chế tạo phôi và tính toán lượng dư gia công cho các bề mặt.
  3. Phân tích khả năng công nghệ của các phương pháp gia công, đề xuất và so sánh các phương án gia công để lựa chọn quy trình công nghệ tối ưu.
  4. Thiết kế chi tiết các nguyên công trong quy trình công nghệ đã chọn: lập sơ đồ định vị – kẹp chặt, chọn máy công cụ, chọn dụng cụ cắt, dung dịch trơn nguội, dụng cụ đo kiểm và tính toán thông số chế độ cắt, thời gian gia công, kiểm tra công suất cắt.
  5. Thiết kế và tính toán đồ gá chuyên dùng cho các nguyên công then chốt (nguyên công 5 và nguyên công 6), bao gồm xác định cơ cấu định vị, cơ cấu kẹp chặt, tính lực kẹp cần thiết và tính toán sai số gá đặt.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết thân giữa bơm bánh răng được chế tạo từ gang xám GX 24-44. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ khí trên các máy cắt gọt kim loại vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng, phục vụ quy mô sản xuất hàng loạt vừa với sản lượng hàng năm là 11.960 chi tiết/năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Lý thuyết công nghệ chế tạo máy và nguyên lý cắt gọt: Ứng dụng lý thuyết định vị 6 điểm trong không gian, nguyên tắc chọn chuẩn thô, chọn chuẩn tinh (chuẩn tinh thống nhất), phương pháp xác định lượng dư gia công và chuỗi kích thước công nghệ.
  • Hệ thống dung sai và đo lường: Tra cứu và áp dụng tiêu chuẩn TCVN 78 về độ nhám bề mặt; hệ thống miền dung sai lỗ và trục theo tiêu chuẩn TCVN đối với các cấp chính xác IT6, IT7, IT11, IT12, IT15, IT16 (miền dung sai H6, H7, H12, JS7, JS12).
  • Cơ sở động học máy công cụ: Tính toán chuỗi cấp tốc độ trục chính và lượng chạy dao của máy công cụ dựa trên công bội cấp số nhân $\varphi = 1,26$.
  • Dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất: Tra cứu chế độ cắt, hình học dao, tuổi bền và thông số mảnh hợp kim từ catalogue kỹ thuật của hãng Sandvik Coromant; tham khảo tiêu chuẩn kết cấu và khe hở thủy lực thân bơm bánh răng từ catalogue hãng Bosch; thông số kỹ thuật máy công cụ từ VINACOM, WDDM và Chevalier; thông số đá mài từ hãng Norton.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa hình học 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks và công cụ Mass Properties để xác định chính xác thể tích hình học ($V = 357.086\text{ mm}^3$) và khối lượng chi tiết ($M = 2,571\text{ kg}$).
  • Phương pháp phân tích – so sánh phương án: Xây dựng và đánh giá 3 phương án phân bố tiến trình công nghệ, phân tích ưu nhược điểm của từng sơ đồ chọn chuẩn công nghệ nhằm triệt tiêu sai số gá đặt tích lũy và tránh làm biến dạng các bề mặt làm việc quan trọng.
  • Phương pháp giải tích tính toán chế độ cắt: Tính toán giải tích và tối ưu hóa các thông số: chiều sâu cắt ($t$), lượng chạy dao răng ($S_z$), lượng chạy dao vòng ($S$), tốc độ cắt ($V$), số vòng quay trục chính ($N$), công suất cắt tiêu hao ($P$) và thời gian gia công (thời gian cơ bản $T_m$, thời gian kế toán $T_k$).
  • Phương pháp tính toán thiết kế đồ gá: Thiết lập sơ đồ cân bằng lực, tính lực kẹp cần thiết ($W_{ct}$) dựa trên lực cắt ($P_z$) và mômen cắt ($M_x$), xác định sai số chuẩn ($\varepsilon_c$), sai số kẹp chặt ($\varepsilon_k$), sai số mòn ($\varepsilon_m$), sai số điều chỉnh ($\varepsilon_d$) để kiểm tra điều kiện sai số gá đặt cho phép $[\varepsilon_{gd}]$.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm: bản vẽ chi tiết thân bơm bánh răng; bảng thành phần hóa học và cơ tính của gang xám GX 24-44; bảng thông số kỹ thuật máy phay đứng X5032, máy khoan cần Z3080×25, máy mài phẳng FSG 2480 ADIV; catalogue dụng cụ cắt CoroMill®, CoroDrill®, CoroBore®, CoroReamer™, CoroTap™ của Sandvik Coromant.

Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ

Trang thiết bị, dụng cụ cắt và thiết bị đo kiểm

Quy trình công nghệ gia công thân bơm được thiết kế đồng bộ với hệ thống trang thiết bị công nghệ tiêu chuẩn và dụng cụ cắt chuyên dụng:

Thiết bị / Dụng cụ Ký hiệu / Model Hãng sản xuất / Xuất xứ Công dụng chính trong quy trình
Máy phay đứng vạn năng X5032 (Công suất 7,5 kW, 18 cấp tốc độ: 30 – 1500 vòng/phút) VINACOM Gia công phay thô và phay tinh các mặt phẳng 1, 8, 15, 19, 7, 14
Máy khoan cần Z3080×25 (Công suất 7,5 kW, 16 cấp tốc độ: 16 – 1250 vòng/phút) WDDM Khoan, khoét, doa cụm lỗ $\varnothing 11$, khoang $\varnothing 52$, lỗ $\varnothing 26$ và lỗ ren M10
Máy mài phẳng cỡ lớn FSG 2480 ADIV Chevalier Mài tinh các mặt phẳng lắp ghép 1, 8, 15, 19 đạt $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$
Dao phay mặt đầu CoroMill® 390 (R390–125Q40–17L), mảnh R390-17 04 08M-KH 3040 Sandvik Coromant Phay thô và phay tinh mặt phẳng 1, 8, 15, 19
Dao phay ngón CoroMill® Plura (RA215.26-3250DAL36L 1620, $d = 12,7\text{ mm}$) Sandvik Coromant Phay mặt bên 7 và 14
Mũi khoan gắn mảnh CoroDrill® 870, CoroDrill® 860, CoroDrill® DS20, CoroDrill® 460 Sandvik Coromant Khoan cụm lỗ $\varnothing 11$, $\varnothing 10,8$, $\varnothing 26$ và $\varnothing 8,5\text{ mm}$
Dao khoét & Doa CoroBore® BR30, CoroBore® 826, CoroReamer™ 835 Sandvik Coromant Khoét thô, khoét tinh khoang $\varnothing 52\text{ mm}$ và doa lỗ $\varnothing 11\text{ mm}$
Mũi tarô CoroTap™ 100 (T100-KM100AA-M10 D210) Sandvik Coromant Cắt ren M10, bước ren $1,5\text{ mm}$
Đá mài Norton dòng 38A (mài thô) và dòng 3SG (mài tinh) Norton Mài phẳng bề mặt
Thiết bị đo kiểm Mitutoyo 500-181-30, PCE RT 2000, Niigata Seiki 28 lá Mitutoyo / PCE / Niigata Seiki Đo kích thước (0,01 mm), đo độ nhám, kiểm tra bước ren

Bảng thông số chế độ cắt đại diện tại một số nguyên công chính

Nguyên công & Bề mặt gia công Bước công nghệ Chiều sâu cắt $t$ (mm) Lượng chạy dao $S$ (mm/vòng) Tốc độ cắt thực tế $V$ (m/phút) Vòng quay trục chính $N$ (vòng/phút) Công suất cắt tính toán $P$ (kW) Thời gian cơ bản $T_m$ (giây)
NC 1: Phay mặt 15 Phay thô 2,5 1,00 236 600 6,30 15,0
Phay tinh 0,5 0,80 294 750 1,90 15,0
NC 3: Phay mặt 1 Phay thô 2,0 1,00 236 600 3,80 11,4
Phay tinh 0,5 0,80 294 750 1,40 11,4
NC 5: Khoan cụm lỗ Khoan lỗ $\varnothing 11$ (4, 11) 5,5 0,25 43,2 1250 3,15 8,9
Khoan lỗ $\varnothing 10,8$ (3, 10) 5,4 0,25 42,4 1250 2,98 8,9
Doa lỗ $\varnothing 11$ (3, 10) 0,1 1,00 43,0 1250 1,94 2,4
NC 7: Khoét khoang 5, 12 Khoét thô 1,75 0,25 125 800 6,24 13,8
Khoét bán tinh 1,00 0,25 129 800 4,20 13,8
Khoét tinh 0,25 0,25 204 1250 0,32 9,0
NC 8: Phay mặt bên 7, 14 Phay thô 5,4 0,78 60 1500 2,92 1,2
NC 9: Khoan lỗ 18 Khoan lỗ $\varnothing 26$ 13,0 0,16 102 1250 6,24 9,4

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Xác định dạng sản xuất, phân tích chi tiết và xác định phương pháp chế tạo phôi

  • Xác định dạng sản xuất:
    • Sản lượng chi tiết hàng năm được tính theo công thức: $$N = N_0 \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right)$$ Với $N_0 = 10.000$ sản phẩm/năm, số lượng chi tiết trong một sản phẩm $m = 1$, tỷ lệ dự trữ phụ tùng $\alpha = 15%$, tỷ lệ phế phẩm $\beta = 4%$, thu được sản lượng thực tế cần chế tạo là $N = 11.960\text{ chi tiết/năm}$.
    • Khối lượng chi tiết được xác định từ thể tích mô hình CAD ($V = 357.086\text{ mm}^3$) và khối lượng riêng của gang xám ($\gamma = 7200\text{ kg/m}^3$), đạt khối lượng $M = 2,571\text{ kg}$. Dựa vào bảng phân loại dạng sản xuất, đề tài xác định hình thức tổ chức sản xuất là hàng loạt vừa.
  • Phân tích điều kiện làm việc và chọn vật liệu:
    • Thân bơm là chi tiết dạng hộp, chứa hai bánh răng ăn khớp, chịu áp suất dầu/lưu chất lớn và nhiệt độ cao sinh ra do ma sát. Vật liệu được lựa chọn là gang xám GX 24-44 (tổ chức peclit, graphit tấm mịn), có giới hạn bền kéo $\sigma_b = 240\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 440\text{ N/mm}^2$. Thành phần hóa học: C (3,2 – 3,5%), Si (1,5 – 3,0%), Mn (0,5 – 1,0%), P (< 0,5%), S (< 0,12%).
  • Xác định yêu cầu kỹ thuật và dung sai:
    • Kích thước hai khoang lắp bánh răng: $\varnothing 52^{+0,02}\text{ mm}$ (cấp chính xác H6), khoảng cách tâm hai trục: $40 \pm 0,02\text{ mm}$, độ nhám $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.
    • Kích thước chiều dày lắp ghép bích đầu/bích đuôi (mặt 15 và 19): $45^{+0,03}\text{ mm}$ (cấp chính xác H7), độ nhám $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.
    • Kích thước bao ngoài: $106 \pm 0,18\text{ mm}$ và $112 \pm 0,18\text{ mm}$ (cấp chính xác JS12).
    • Cụm 8 lỗ bu lông xuyên suốt: $\varnothing 11^{+0,02}\text{ mm}$ (cấp H7), dung sai khoảng cách tâm cấp JS7 ($40 \pm 0,07\text{ mm}$, $112 \pm 0,07\text{ mm}$, $46 \pm 0,06\text{ mm}$, $76 \pm 0,06\text{ mm}$).
    • Cổng hút/xả (lỗ 18, 24): $\varnothing 26^{+0,21}\text{ mm}$ (cấp H12). Cụm lỗ ren: M10, bước ren $1,5\text{ mm}$, chiều sâu khoan $15\text{ mm}$.
    • Yêu cầu vị trí tương quan: Độ không song song giữa mặt 15 và 19 không vượt quá $0,01\text{ mm}$; độ không vuông góc giữa các mặt 15, 19 so với các mặt 1, 8 không vượt quá $0,01\text{ mm}$.
  • Phương pháp chế tạo phôi và lượng dư:
    • Chọn phương pháp đúc trong khuôn cát – mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy (cấp chính xác phôi đúc cấp II, cấp chính xác kích thước IT15 – IT16, độ nhám bề mặt phôi $R_z \le 80\ \mu\text{m}$, góc thoát khuôn $2^\circ$, bán kính góc lượn $r = 3\text{ mm}$).
    • Lượng dư gia công cơ: kích thước 106 mm có lượng dư 3 mm ($\delta = 1,4\text{ mm}$); kích thước 45 mm có lượng dư mặt trên (mặt 15) là 3,5 mm, mặt dưới (mặt 19) là 2,5 mm ($\delta = 1,2\text{ mm}$); lỗ $\varnothing 52\text{ mm}$ có lượng dư 3 mm ($\delta = 1\text{ mm}$). Kích thước phôi lớn nhất đạt 146 mm.

Chương 2. Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết

  • Phân tích và lựa chọn phương án công nghệ:
    • Tác giả so sánh 3 phương án gia công:
      • Phương án 1: Dùng hai mặt cong định vị gia công mặt 15, sau đó dùng mặt 15 làm chuẩn gia công toàn bộ các mặt và lỗ còn lại. Nhược điểm: gá đặt nhiều nguyên công trên chuẩn thô ban đầu dễ tích lũy sai số.
      • Phương án 2: Dùng mặt 15 gia công mặt 19, mặt 5 và 12, sau đó lấy mặt 5, 12 làm chuẩn tinh gia công các bề mặt khác. Nhược điểm: thay đổi chuẩn tinh nhiều lần và việc kẹp chặt lên hai mặt trụ 5, 12 có độ chính xác cao dễ làm xước, biến dạng bề mặt làm việc.
      • Phương án 3 (Phương án được chọn): Dùng hai mặt cong làm chuẩn thô gia công mặt 15; dùng mặt 15 gia công mặt 19, mặt 1, mặt 8 và gia công cụm lỗ chuẩn định vị 3, 10; sau đó dùng mặt 15 kết hợp hai lỗ tinh 3, 10 làm chuẩn tinh thống nhất để gia công toàn bộ các lỗ bu lông, khoang bánh răng 5, 12, mặt bên và các bước mài hoàn thiện.
  • Tiến trình công nghệ gia công chi tiết (16 nguyên công cắt gọt + 1 nguyên công kiểm tra):
    1. Nguyên công 1: Phay thô và phay tinh mặt phẳng 15 trên máy X5032 (định vị mặt 19 bằng phiến tỳ khử 3 bậc tự do, hai mặt cong bên bằng 2 khối V khử 3 bậc tự do).
    2. Nguyên công 2: Phay thô và phay tinh mặt phẳng 19 trên máy X5032 (định vị mặt 15 và hai mặt cong bên).
    3. Nguyên công 3: Phay thô và phay tinh mặt phẳng 1 trên máy X5032 (định vị mặt 8 bằng phiến tỳ, kẹp mặt 15 và 19 bằng ê tô).
    4. Nguyên công 4: Phay thô và phay tinh mặt phẳng 8 trên máy X5032 (định vị mặt 1 bằng phiến tỳ, kẹp mặt 15 và 19 bằng ê tô).
    5. Nguyên công 5: Khoan lỗ 4, 11 ($\varnothing 11\text{ mm}$); khoan lỗ 3, 10 ($\varnothing 10,8\text{ mm}$) và doa lỗ 3, 10 đạt $\varnothing 11\text{ mm}$ (H7) trên máy khoan cần Z3080×25.
    6. Nguyên công 6: Khoan các lỗ bu lông còn lại 2, 6, 9, 13 ($\varnothing 11\text{ mm}$) trên máy khoan cần Z3080×25 (định vị mặt 15 và 2 lỗ chuẩn tinh 3, 10).
    7. Nguyên công 7: Khoét thô, khoét bán tinh và khoét tinh hai khoang bánh răng 5 và 12 đạt $\varnothing 52^{+0,02}\text{ mm}$ trên máy Z3080×25 (sử dụng dao khoét CoroBore® BR30 và CoroBore® 826).
    8. Nguyên công 8: Phay thô mặt bậc 7 và 14 bằng dao phay ngón CoroMill® Plura trên máy X5032.
    9. Nguyên công 9: Khoan lỗ cổng hút 18 ($\varnothing 26\text{ mm}$) trên máy khoan cần Z3080×25 bằng mũi khoan CoroDrill® DS20.
    10. Nguyên công 10: Khoan lỗ mồi $\varnothing 8,5\text{ mm}$ (sâu 15 mm) và tarô ren M10 (bước 1,5 mm) cho 4 lỗ 16, 17, 20, 21 trên máy Z3080×25.
    11. Nguyên công 11: Khoan lỗ cổng xả 24 ($\varnothing 26\text{ mm}$) trên máy Z3080×25.
    12. Nguyên công 12: Khoan $\varnothing 8,5\text{ mm}$ và tarô ren M10 cho 4 lỗ 22, 23, 25, 26 trên máy Z3080×25.
    13. Nguyên công 13 – 16: Lần lượt mài phẳng tinh các bề mặt 15, 19, 1, 8 trên máy mài phẳng Chevalier FSG 2480 ADIV sử dụng đá mài Norton 38A và 3SG để đạt độ nhám $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.
    14. Nguyên công kiểm tra: Kiểm tra độ không song song giữa mặt 15 và 19, độ vuông góc giữa các mặt, kiểm tra kích thước bằng thước cặp điện tử Mitutoyo và độ nhám bằng máy đo PCE RT 2000.

Chương 3. Tính toán và thiết kế đồ gá

  • Thiết kế đồ gá cho nguyên công 5 (Khoan và doa cụm lỗ 3, 4, 10, 11):
    • Cơ cấu định vị: Định vị mặt phẳng đáy 19 bằng phiến tỳ phẳng (khống chế 3 bậc tự do: tịnh tiến $Z$, quay quanh $X$, quay quanh $Y$); định vị hai mặt trụ ngoài bằng 2 khối V (1 khối V cố định và 1 khối V di động, khống chế 3 bậc tự do: tịnh tiến $X$, tịnh tiến $Y$, quay quanh $Z$). Tổng số bậc tự do khống chế là 6.
    • Cơ cấu kẹp chặt: Sử dụng cơ cấu ren vít – tay quay tác động lực kẹp vuông góc với bề mặt định vị. Tính toán lực kẹp cần thiết chống lại mômen xoắn và lực dọc trục phát sinh trong quá trình khoan, doa.
    • Dẫn hướng và kiểm tra: Đồ gá tích hợp phiến dẫn hướng có lắp bạc dẫn hướng thay nhanh để đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác vị trí tâm lỗ khi gia công.
  • Thiết kế đồ gá cho nguyên công 6 (Khoan cụm lỗ 2, 6, 9, 13):
    • Cơ cấu định vị chuẩn tinh thống nhất: Định vị mặt phẳng 15 tiếp xúc phiến tỳ phẳng (khống chế 3 bậc tự do); định vị 1 chốt trụ ngắn lắp vào lỗ tinh $\varnothing 11$ số 3 (khống chế 2 bậc tự do tịnh tiến); định vị 1 chốt trám (chốt vát) lắp vào lỗ tinh $\varnothing 11$ số 10 (khống chế 1 bậc tự do quay quanh trục vuông góc).
    • Cơ cấu kẹp chặt: Sử dụng cơ cấu kẹp liên động ren vít – đòn kẹp truyền lực, giúp phân bố lực kẹp đều, thao tác gá đặt nhanh, đáp ứng nhịp sản xuất hàng loạt.
    • Tính toán sai số gá đặt: Tổng hợp sai số chuẩn $\varepsilon_c$, sai số kẹp chặt $\varepsilon_k$, sai số mòn $\varepsilon_m$ và sai số chế tạo/điều chỉnh đồ gá $\varepsilon_d$. Kết quả tính toán chứng minh sai số gá đặt tổng hợp $\varepsilon_{gd}$ hoàn toàn nằm trong giới hạn sai số cho phép $[\varepsilon_{gd}] = \frac{1}{3}\delta$ của kích thước nguyên công.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Xác định chính xác quy mô sản xuất hàng loạt vừa cho chi tiết thân bơm bánh răng với sản lượng thực tế $11.960\text{ chiếc/năm}$ và khối lượng $2,571\text{ kg}$.
  • Lựa chọn giải pháp chế tạo phôi đúc trong khuôn cát – mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy đạt cấp chính xác phôi đúc cấp II (IT15 – IT16), phân bố lượng dư gia công hợp lý từ $2,5\text{ mm}$ đến $3,5\text{ mm}$ cho các mặt phẳng và $3\text{ mm}$ cho các lỗ.
  • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ 16 nguyên công gia công cơ khí và 1 nguyên công kiểm tra, bảo đảm đạt các yêu cầu kỹ thuật:
    • Độ chính xác kích thước: hai khoang bánh răng đạt $\varnothing 52^{+0,02}\text{ mm}$ (H6); chiều dày thân bơm đạt $45^{+0,03}\text{ mm}$ (H7); các lỗ bu lông đạt $\varnothing 11^{+0,02}\text{ mm}$ (H7); kích thước bao ngoài đạt $106 \pm 0,18\text{ mm}$ và $112 \pm 0,18\text{ mm}$ (JS12).
    • Độ nhám bề mặt: các mặt làm việc 15, 19, 1, 8 và khoang 5, 12 đạt $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.
    • Sai lệch vị trí: độ không song song giữa hai mặt bên $\le 0,01\text{ mm}$, độ không vuông góc $\le 0,01\text{ mm}$.
  • Tính toán toàn bộ chế độ cắt cho từng bước nguyên công, lựa chọn chính xác thiết bị máy công cụ (máy phay đứng X5032 công suất 7,5 kW; máy khoan cần Z3080×25 công suất 7,5 kW; máy mài FSG 2480 ADIV). Toàn bộ công suất cắt tính toán ($P = 0,32 – 6,3\text{ kW}$) đều nhỏ hơn công suất định mức của máy ($P < N_e$).
  • Hoàn thành kết cấu và bản vẽ lắp của 2 bộ đồ gá chuyên dùng cho nguyên công khoan – doa cụm lỗ định vị (nguyên công 5) và nguyên công khoan cụm lỗ bu lông (nguyên công 6), bảo đảm điều kiện sai số gá đặt $\varepsilon_{gd} \le [\varepsilon_{gd}]$.

Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra phương án công nghệ gia công chi tiết dạng thân bơm bánh răng tối ưu hóa về mặt chọn chuẩn (áp dụng chuẩn tinh thống nhất 1 mặt đáy và 2 lỗ định vị), hạn chế tối đa việc đổi chuẩn và tránh kẹp chặt lên các bề mặt làm việc đòi hỏi độ chính xác cao.
  • Ứng dụng hệ thống dụng cụ cắt hiện đại của hãng Sandvik Coromant (dòng mảnh hợp kim R390-17, mũi khoan CoroDrill®, dao khoét CoroBore® và dao mài Norton) vào các máy công cụ vạn năng, giúp rút ngắn thời gian nguyên công (thời gian gia công cơ bản mỗi bước chỉ từ 1,2 đến 15 giây), nâng cao năng suất trong điều kiện sản xuất hàng loạt vừa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Quy trình công nghệ được xây dựng trên cơ sở phân tán nguyên công sử dụng các máy công cụ truyền thống (máy phay đứng vạn năng, máy khoan cần, máy mài phẳng), đòi hỏi số lượng nguyên công lớn (16 nguyên công) và chi phí chế tạo nhiều bộ đồ gá cơ khí riêng biệt.
  • Cơ cấu kẹp chặt trên các đồ gá đã thiết kế (nguyên công 5 và 6) vẫn sử dụng cơ cấu ren vít – tay quay và đòn kẹp thủ công, chưa ứng dụng cơ cấu kẹp tự động hóa bằng nguồn động lực ngoài.

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu tập trung nguyên công, thiết kế quy trình công nghệ gia công thân bơm trên các trung tâm gia công CNC nhiều trục (phay – khoan – khoét – tarô tích hợp trong một lần gá đặt), giúp rút ngắn thời gian phụ và giảm số lượng đồ gá chuyên dùng.
  • Cải tiến cơ cấu kẹp chặt của đồ gá từ dạng ren vít thủ công sang hệ thống kẹp chặt khí nén hoặc thủy lực kết hợp đồ gá nhiều vị trí, nâng cao mức độ cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất hàng khối.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử: Làm tài liệu tham khảo cho đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy, Kỹ thuật chế tạo 1, Kỹ thuật chế tạo 2, Đồ án Thiết kế đồ gá và Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành chế tạo máy.
  • Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật gia công cơ khí: Tham khảo phương pháp tính toán chế độ cắt chi tiết, cách tra cứu thông số dụng cụ cắt công nghiệp hiện đại của Sandvik Coromant, phương pháp xác định chuỗi kích thước lượng dư và thiết kế kết cấu đồ gá định vị 1 mặt phẳng – 2 lỗ chốt tiêu chuẩn.

Các nội dung có giá trị sử dụng trực tiếp:

  1. Bảng tính toán chế độ cắt, công suất cắt và thời gian gia công chi tiết cho các nguyên công phay mặt phẳng, khoan, khoét tinh khoang lỗ và cắt ren hệ mét.
  2. Bản vẽ và phương pháp phân tích chọn chuẩn công nghệ (so sánh 3 phương án công nghệ gia công chi tiết dạng hộp).
  3. Kết cấu nguyên lý và phương pháp tính toán sai số gá đặt cho đồ gá khoan nhiều lỗ trên máy khoan cần.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết thân bơm trong đồ án được chế tạo từ vật liệu gì và có các đặc tính cơ lý như thế nào?

Thân bơm được chế tạo từ gang xám GX 24-44 (tổ chức peclit với các tấm graphit nhỏ mịn). Vật liệu này có khối lượng riêng $\gamma = 7200\text{ kg/m}^3$, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 240\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 440\text{ N/mm}^2$. Gang xám GX 24-44 có khả năng chịu tải trọng cao, chống mài mòn tốt, giảm rung động khi bơm vận hành và có tính chảy loãng cao khi đúc.

2. Quy mô sản xuất của chi tiết được xác định là dạng sản xuất nào và dựa trên những căn cứ tính toán nào?

Quy mô sản xuất là hàng loạt vừa. Kết luận này dựa trên hai thông số tính toán:

  • Sản lượng thực tế cần chế tạo hàng năm: $N = 11.960\text{ chi tiết/năm}$ (tính từ sản lượng kế hoạch $N_0 = 10.000$ chiếc/năm, tỷ lệ phụ tùng dự trữ $\alpha = 15%$, tỷ lệ phế phẩm $\beta = 4%$).
  • Khối lượng của một chi tiết: $M = 2,571\text{ kg}$ (tính toán từ thể tích mô hình SolidWorks $V = 357.086\text{ mm}^3$).

3. Vì sao tác giả lựa chọn Phương án 3 trong số 3 phương án quy trình công nghệ được đề xuất?

Tác giả chọn Phương án 3 vì phương án này thiết lập được hệ thống chuẩn tinh thống nhất: sau khi dùng chuẩn thô gia công mặt 15, mặt 15 được dùng để gia công cụm lỗ 3, 10; sau đó mặt 15 kết hợp hai lỗ tinh 3, 10 làm chuẩn định vị cho toàn bộ các nguyên công quan trọng phía sau. Điều này giúp tránh việc thay đổi chuẩn tinh nhiều lần (gây tích lũy sai số như Phương án 2) và tránh phải gá kẹp vào hai mặt khoang bơm 5, 12 đòi hỏi độ nhẵn và độ chính xác cao $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.

4. Quy trình gia công hoàn thiện hai khoang bánh răng ($\varnothing 52^{+0,02}\text{ mm}$) gồm những bước công nghệ và dụng cụ cắt nào?

Khoang bánh răng được gia công qua 3 bước trên máy khoan cần Z3080×25:

  • Bước 1: Khoét thô bằng dao CoroBore® BR30-56SP08Y-C4 ($t = 1,75\text{ mm}, S = 0,25\text{ mm/vòng}, V = 125\text{ m/phút}, N = 800\text{ vòng/phút}$).
  • Bước 2: Khoét bán tinh bằng dao CoroBore® BR30-56SP08Y-C4 ($t = 1,0\text{ mm}, S = 0,25\text{ mm/vòng}, V = 129\text{ m/phút}, N = 800\text{ vòng/phút}$).
  • Bước 3: Khoét tinh bằng dao CoroBore® 826-52TC09-C4HP gắn mảnh hợp kim TCMT 09 02 04-KF 3210 ($t = 0,25\text{ mm}, S = 0,25\text{ mm/vòng}, V = 204\text{ m/phút}, N = 1250\text{ vòng/phút}$) để đạt độ nhám $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$ và cấp chính xác H6.

5. Những thiết bị gia công cơ bản nào được lựa chọn trong toàn bộ quy trình công nghệ?

Toàn bộ quy trình công nghệ sử dụng 3 dòng máy công cụ chính:

  1. Máy phay đứng vạn năng công suất lớn X5032 của hãng VINACOM (công suất $7,5\text{ kW}$, dải tốc độ $30 – 1500\text{ vòng/phút}$).
  2. Máy khoan cần Z3080×25 của hãng WDDM (công suất $7,5\text{ kW}$, dải tốc độ $16 – 1250\text{ vòng/phút}$).
  3. Máy mài phẳng cỡ lớn Chevalier FSG 2480 ADIV.

Kết luận

Đồ án chuyên ngành Kỹ thuật chế tạo "Thiết kế quy trình công nghệ gia công thân bơm" do sinh viên Khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán công nghệ chế tạo chi tiết thân bơm bánh răng từ vật liệu gang xám GX 24-44 cho quy mô sản xuất hàng loạt vừa. Đồ án đã xây dựng tiến trình công nghệ hợp lý gồm 16 nguyên công gia công và 1 nguyên công kiểm tra, áp dụng nguyên tắc chuẩn tinh thống nhất kết hợp tính toán đầy đủ các thông số chế độ cắt dựa trên dụng cụ cắt hiện đại của hãng Sandvik Coromant. Đồng thời, công trình đã hoàn thiện phương án thiết kế và kiểm nghiệm sai số gá đặt cho hai bộ đồ gá chuyên dùng khoan – doa, bảo đảm đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật khắt khe về cấp chính xác kích thước H6–H7 và độ nhám bề mặt $R_a = 1,25\ \mu\text{m}$.