Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống truyền động cơ khí chính xác và các hộp giảm tốc chịu tải trọng lớn, bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng hoặc răng nghiêng thân khai đóng vai trò trung tâm trong việc truyền mô-men xoắn và vận tốc góc giữa các trục song song. Để đáp ứng yêu cầu làm việc ở vận tốc cao, tải trọng lớn và chống mài mòn tiếp xúc, các chi tiết bánh răng thường được chế tạo từ thép hợp kim chuyên dụng như SCM415 và phải trải qua quy trình xử lý nhiệt (thấm cacbon kết hợp tôi và ram) nhằm đạt độ cứng bề mặt cao trong khoảng 60 - 62 HRC. Tuy nhiên, quá trình nhiệt luyện này tất yếu gây ra hiện tượng biến dạng nhiệt, dẫn đến sai lệch biên dạng răng, biến dạng bước răng và sai lệch độ đảo hướng tâm. Các phương pháp gia công cắt gọt bằng dao định hình thông thường không thể xử lý vật liệu có độ cứng sau tôi vượt quá 60 HRC. Do đó, nguyên công mài tinh biên dạng bánh răng sau nhiệt luyện là giải pháp kỹ thuật bắt buộc nhằm khôi phục và đảm bảo độ chính xác ăn khớp của bộ truyền.

Đề tài khóa luận tập trung giải quyết bài toán công nghệ mài hoàn thiện cặp bánh răng thân khai modun lớn sau nhiệt luyện. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể như sau:

  1. Phân tích cơ sở lý thuyết hình học bánh răng thân khai, các thông số danh nghĩa và động học ăn khớp giữa các profin răng.
  2. Khảo sát công nghệ mài bánh răng, phân tích nguyên lý mài chép hình và bao hình, đặc tính của thiết bị mài chuyên dụng Model HSS-30BC và vật liệu hạt mài.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình mài cặp bánh răng có thông số modun $m = 9$, số răng $Z = 16$ và $Z = 77$, chế tạo từ thép SCM415 đã nhiệt luyện đạt 60 - 62 HRC.
  4. Đánh giá ảnh hưởng định lượng của các thông số chế độ mài (lượng chạy dao $S$, chiều sâu mài $t$) đến các chỉ tiêu sai số biên dạng răng ($f_f$) và sai số chiều cao chân răng ($h_f$).
  5. Ứng dụng hệ thống thiết bị đo tọa độ ba chiều 3D GLOBAL STATUS để đo kiểm, phân tích các chỉ tiêu sai số hình học ($f_f$, $F_{rr}$, $X_{max}$, $X_{min}$) sau khi gia công.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là quá trình công nghệ mài tinh biên dạng cặp bánh răng thân khai ($m = 9, Z_1 = 16, Z_2 = 77, \alpha = 20^\circ$) làm bằng thép hợp kim SCM415 có độ cứng bề mặt 60 - 62 HRC. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được thực hiện tại xưởng gia công cơ khí chính xác với máy mài bánh răng Model HSS-30BC và phòng kiểm chuẩn hình học sử dụng máy đo tọa độ ba chiều 3D GLOBAL STATUS. Phạm vi công nghệ tập trung vào công đoạn mài hoàn thiện sau nhiệt luyện và đánh giá sự phụ thuộc của sai số biên dạng vào chế độ cắt gọt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên lý thuyết tiếp xúc và hình học bánh răng thân khai. Đường thân khai của vòng tròn cơ sở bán kính $r_0$ tâm $O$ được hình thành khi cho một đường thẳng lăn không trượt trên vòng tròn cơ sở $(O, r_0)$. Mọi pháp tuyến tại một điểm bất kỳ trên đường thân khai đều tiếp xúc với vòng tròn cơ sở. Theo định lý ăn khớp cơ bản, để tỷ số truyền tức thời $i_{12} = \omega_1 / \omega_2$ không đổi trong suốt quá trình truyền động, pháp tuyến chung tại điểm tiếp xúc giữa hai profin răng phải luôn cắt đường nối tâm $O_1O_2$ tại một điểm cố định là tâm ăn khớp $P$. Tại điểm tâm ăn khớp $P$, vận tốc tiếp tuyến của hai bánh răng cân bằng ($\vec{v}{P1} = \vec{v}{P2}$, vận tốc trượt tương đối bằng 0); tại các điểm tiếp xúc khác trên profin, vận tốc trượt tương đối xuất hiện, gây mài mòn và sinh nhiệt trong quá trình làm việc.

Các thông số hình học cơ bản của bánh răng được tính toán theo hệ thống tiêu chuẩn:

  • Bước răng pháp tuyến $p_n$ và bước răng mặt đầu $p_t$.
  • Đường kính vòng chia: $d = m \cdot Z$.
  • Đường kính vòng cơ sở: $d_b = d \cdot \cos \alpha = m \cdot Z \cdot \cos \alpha$.
  • Góc profin tiêu chuẩn: $\alpha = 20^\circ$ (quan hệ góc profin mặt đầu $\tan \alpha_t = \tan \alpha / \cos \beta$).
  • Các thông số liên quan: đường kính đỉnh răng $d_a$, đường kính chân răng $d_f$, chiều cao đỉnh răng $h_a$, chiều cao chân răng $h_f$, chiều cao toàn bộ răng $h$, khe hở hướng tâm $c$, chiều dày răng $S$ và chiều dài tiếp xúc $L$.
  • Modun tiêu chuẩn: Văn bản hệ thống hóa hai dãy modun danh nghĩa, trong đó Dãy 1 gồm các giá trị 1; 1,25; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12... và Dãy 2 gồm các giá trị 1,125; 1,375; 1,75; 2,25; 2,75; 3,5; 4,5; 5,5; 7; 9; 11... Bánh răng nghiên cứu có modun $m = 9$ thuộc Dãy 2 tiêu chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết động học và phương pháp thực nghiệm công nghệ:

  • Phương pháp gia công: Khảo sát chuỗi công nghệ từ tạo phôi, gia công cắt răng ban đầu (phay, xọc, chuốt, lăn răng theo Hình 1.3), nhiệt luyện và mài biên dạng. Quá trình mài được phân tích qua nguyên lý mài chép hình (Hình 3.7) và mài bao hình.
  • Thiết bị gia công thực nghiệm: Máy mài bánh răng chuyên dụng Model HSS-30BC.
  • Vật liệu hạt mài: Đề tài khảo sát các loại đá mài thông thường và hạt mài độ cứng cao như hạt mài quý, cacbit bo (boron carbide).
  • Chế độ cắt mài: Khảo sát các thông số vận tốc cắt $V$, lượng chạy dao dọc và ngang $S$ ($S_d, S_{bh}, S_l$), chiều sâu cắt mỗi lượt mài $t$, tốc độ quay của máy $n_{máy}$, số lần chạy dao $n_l$ và chiều dài hành trình $l_p$.
  • Phương pháp đo lường và kiểm chuẩn: Dữ liệu thực nghiệm được đo kiểm trực tiếp trên máy đo tọa độ ba chiều 3D GLOBAL STATUS. Các chỉ tiêu đo lường bao gồm sai số biên dạng răng $f_f$, sai số chiều cao chân răng $h_f$, độ đảo hướng tâm $F_{rr}$, độ lệch cực đại $X_{max}$ và cực tiểu $X_{min}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở hình học và động học ăn khớp của bánh răng thân khai

Chương này tập trung trình bày toán học hình học của đường thân khai và nguyên lý ăn khớp:

  • Mô tả quá trình hình thành đường thân khai $M_0M$ từ vòng tròn cơ sở $(O, r_0)$ và chứng minh tính chất pháp tuyến của profin thân khai luôn tiếp xúc với vòng tròn cơ sở.
  • Thiết lập quan hệ động học tại các điểm tiếp xúc ăn khớp $E_1, E_2, M_1, M_2$, quan hệ vector vận tốc $\vec{v}{P1}, \vec{v}{P2}$ tại tâm ăn khớp $P$, xác định tỷ số truyền $i_{12} = \omega_1 / \omega_2 = r'_2 / r'_1$.
  • Bảng phân loại modun tiêu chuẩn theo Dãy 1 và Dãy 2, xác lập modun $m = 9$ thuộc Dãy 2.
  • Công thức tính toán các kích thước danh nghĩa: đường kính vòng chia $d = m \cdot Z$, đường kính cơ sở $d_b = m \cdot Z \cdot \cos \alpha$ với góc profin tiêu chuẩn $\alpha = 20^\circ$.
  • Tổng hợp các phương pháp gia công tạo hình bánh răng truyền thống trước nguyên công nhiệt luyện (Hình 1.3).

Chương 2: Vật liệu thép SCM415 và công nghệ nhiệt luyện bánh răng

Chương này đi sâu vào đặc tính vật liệu phôi và quá trình biến đổi cơ tính:

  • Phân tích thành phần và cơ tính của thép hợp kim SCM415 chuyên dùng cho chi tiết bánh răng chịu tải tiếp xúc.
  • Quy trình thấm cacbon và tôi ram nhằm tạo lớp bề mặt có độ cứng cao đạt dải 60 - 62 HRC trong khi phần lõi vẫn duy trì độ dẻo dai.
  • Khảo sát hiện tượng biến dạng nhiệt sau tôi: sự co giãn không đều và biến dạng hình học làm sai lệch bước răng và góc profin, đặt ra yêu cầu phải mài tinh để sửa sai số hình học.

Chương 3: Công nghệ mài bánh răng và thiết bị máy mài Model HSS-30BC

Chương này trình bày nguyên lý mài bánh răng và thiết bị công nghệ:

  • Phân tích nguyên lý mài chép hình (Hình 3.7) sử dụng đá mài định hình rãnh răng và phương pháp mài bao hình.
  • Phân tích các hiện tượng ma sát và nhiệt trong quá trình mài thép tôi: hiện tượng mòn đá mài, dính bám hạt mạt cắt kim loại vào đá mài (hiện tượng dính), nguy cơ quá nhiệt gây giảm độ cứng lớp bề mặt từ 20% đến 25% nếu chọn sai chế độ cắt.
  • Khảo sát các loại vật liệu đá mài, phân tích hiệu quả của hạt mài cacbit bo và đá mài quý trong gia công thép cứng.
  • Cấu tạo và thông số động học của máy mài bánh răng chuyên dụng Model HSS-30BC, các chuyển động chạy dao và cơ cấu gá đặt chi tiết.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm chế độ mài và kiểm tra trên máy 3D GLOBAL STATUS

Chương này thể hiện toàn bộ quy trình thực nghiệm và xử lý dữ liệu đo:

  • Thực hiện gia công mài thực nghiệm trên cặp bánh răng có thông số: modun $m = 9$, số răng bánh dẫn $Z = 16$, số răng bánh bị dẫn $Z = 77$, góc profin $\alpha = 20^\circ$, vật liệu SCM415 độ cứng 60 - 62 HRC.
  • Khảo sát quan hệ thực nghiệm giữa chế độ mài và độ chính xác biên dạng:
    • Ảnh hưởng của lượng chạy dao $S$ đến sai số biên dạng $f_f$ ($f_f$ theo $S$) và sai số chiều cao chân răng $h_f$ ($h_f$ theo $S$).
    • Ảnh hưởng của chiều sâu mài $t$ đến sai số biên dạng $f_f$ ($f_f$ theo $t$).
  • Ứng dụng máy đo tọa độ 3 chiều 3D GLOBAL STATUS để quét biên dạng răng (Hình 6.19), xác định các thông số sai lệch profin $f_f$, độ đảo hướng tâm $F_{rr}$, độ lệch cực đại $X_{max}$ và cực tiểu $X_{min}$.

Kết quả và đóng góp

Văn bản cung cấp các số liệu kỹ thuật danh nghĩa và điều kiện thực nghiệm của đề tài được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Đại lượng / Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị xác lập trong nghiên cứu
Modun danh nghĩa $m$ 9 (thuộc Dãy 2 tiêu chuẩn)
Góc profin danh nghĩa $\alpha$ $20^\circ$
Số răng bánh dẫn $Z_1$ 16
Số răng bánh bị dẫn $Z_2$ 77
Mác thép chế tạo phôi - SCM415
Độ cứng bề mặt sau nhiệt luyện - 60 - 62 HRC
Thiết bị gia công mài biên dạng - Model HSS-30BC
Thiết bị đo tọa độ ba chiều - 3D GLOBAL STATUS
Vật liệu hạt mài khảo sát - Cacbit bo (Boron carbide), đá mài quý
Hiện tượng giảm độ cứng khi quá nhiệt - Giảm từ 20% đến 25%
Các chỉ tiêu sai số kiểm tra - $f_f(S), h_f(S), f_f(t), F_{rr}, X_{max}, X_{min}$

Các kết quả thực nghiệm chính bao gồm:

  1. Quan luật biến thiên sai số biên dạng: Sai số profin răng $f_f$ và sai số chân răng $h_f$ đồng biến với lượng chạy dao $S$. Khi tăng lượng chạy dao $S$, lực mài gia tăng dẫn đến rung động và biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ, làm tăng sai số $f_f$.
  2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt $t$: Gia tăng chiều sâu mài $t$ làm tăng mật độ nhiệt tại vùng tiếp xúc giữa đá mài và bề mặt răng, đẩy nhanh quá trình mòn đá và hiện tượng dính phôi, khiến sai số biên dạng $f_f$ tăng rõ rệt.
  3. Hiện tượng bề mặt: Nếu chế độ mài không hợp lý dẫn đến hiện tượng dính hạt mài và sinh nhiệt cục bộ, độ cứng tế vi bề mặt có thể bị suy giảm từ 20% đến 25% so với độ cứng 60 - 62 HRC ban đầu.
  4. Đóng góp của tác giả: Nghiên cứu đã xác lập quy trình công nghệ mài tinh cho cặp bánh răng modun lớn $m = 9$ trên máy Model HSS-30BC, lựa chọn đá mài cacbit bo phù hợp với thép SCM415 sau tôi và thiết lập quy trình kiểm chuẩn sai số profin, sai số đảo hướng tâm trên máy đo 3 chiều 3D GLOBAL STATUS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phạm vi thực nghiệm chỉ giới hạn trên một cặp bánh răng cụ thể ($m = 9, Z = 16$ và $Z = 77$) gia công từ một mác thép SCM415 duy nhất trên máy Model HSS-30BC.
  • Chưa khảo sát thực nghiệm đa dạng các loại vật liệu đá mài khác ngoài cacbit bo và đá mài thông thường.
  • Nghiên cứu chưa đo trực tiếp nhiệt độ tức thời tại vùng cắt mài và lực cắt ba chiều trong quá trình gia công mà chủ yếu đánh giá gián tiếp qua sai số hình học và độ cứng bề mặt.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng thực nghiệm trên các bộ thông số modun khác thuộc Dãy 1 và Dãy 2 tiêu chuẩn.
  • Nghiên cứu đo lường trường nhiệt độ và ứng suất dư bề mặt sau khi mài bánh răng thép SCM415.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu giữa chế độ mài ($S, t, V$), độ mòn đá mài và năng suất gia công.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy khi làm đồ án Chi tiết máy, Đồ án Công nghệ Chế tạo máy hoặc luận văn về công nghệ gia công bánh răng.
  • Kỹ sư công nghệ tại các nhà máy cơ khí chế tạo chịu trách nhiệm lập quy trình công nghệ gia công tinh bánh răng sau nhiệt luyện và vận hành máy mài bánh răng Model HSS-30BC.
  • Kỹ thuật viên đo lường tại các phòng kiểm chuẩn chất lượng hình học sử dụng máy đo tọa độ ba chiều CMM (Model 3D GLOBAL STATUS).

Các nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: hệ thống công thức tính toán hình học - động học ăn khớp thân khai; phương pháp khảo sát thực nghiệm quan hệ giữa $S, t$ với sai số $f_f, h_f$; và quy trình đo kiểm sai số biên dạng bánh răng trên thiết bị đo CMM.

Câu hỏi thường gặp

1. Cặp bánh răng thực nghiệm trong khóa luận có những thông số hình học danh nghĩa nào?

Cặp bánh răng thực nghiệm có modun $m = 9$ (thuộc Dãy 2 tiêu chuẩn), góc profin danh nghĩa $\alpha = 20^\circ$, số răng bánh dẫn là $Z = 16$ và số răng bánh bị dẫn là $Z = 77$. Bánh răng được chế tạo từ thép hợp kim SCM415.

2. Yêu cầu nhiệt luyện của chi tiết và hiện tượng suy giảm cơ tính xảy ra khi nào?

Chi tiết phôi sau gia công cắt răng ban đầu được xử lý nhiệt thấm cacbon và tôi ram để đạt độ cứng bề mặt yêu cầu từ 60 HRC đến 62 HRC. Tuy nhiên, nếu chế độ mài không hợp lý gây quá nhiệt và dính phôi, độ cứng bề mặt có thể bị suy giảm từ 20% đến 25%.

3. Khóa luận sử dụng thiết bị gia công mài và thiết bị kiểm tra đo lường nào?

Quá trình gia công mài biên dạng răng được thực hiện trên máy mài bánh răng chuyên dụng Model HSS-30BC. Quá trình kiểm tra độ chính xác biên dạng, sai số profin và độ đảo hướng tâm được thực hiện trên máy đo tọa độ ba chiều 3D GLOBAL STATUS.

4. Loại đá mài nào được tác giả đề cập trong văn bản để gia công thép sau tôi?

Văn bản đề cập đến việc sử dụng các loại đá mài thông thường cùng các loại đá mài có hạt mài độ cứng cao như hạt mài quý và hạt mài cacbit bo (boron carbide) nhằm đáp ứng yêu cầu mài thép SCM415 có độ cứng cao 60 - 62 HRC và hạn chế hiện tượng dính phôi.

5. Những chỉ tiêu sai số nào được khảo sát theo các thông số chế độ mài?

Nghiên cứu tập trung khảo sát sai số biên dạng răng $f_f$ theo lượng chạy dao $S$ ($f_f$ theo $S$), sai số chiều cao chân răng $h_f$ theo lượng chạy dao $S$ ($h_f$ theo $S$), sai số biên dạng $f_f$ theo chiều sâu mài $t$ ($f_f$ theo $t$), cùng các chỉ tiêu sai số độ đảo hướng tâm $F_{rr}$, độ lệch cực đại $X_{max}$ và cực tiểu $X_{min}$.

Kết luận

Khóa luận đã giải quyết bài toán công nghệ gia công mài tinh cặp bánh răng thân khai modun lớn ($m = 9, Z = 16, Z = 77$) làm từ thép hợp kim SCM415 nhiệt luyện đạt độ cứng 60 - 62 HRC trên máy mài chuyên dụng Model HSS-30BC. Thông qua việc phân tích lý thuyết ăn khớp và khảo sát thực nghiệm, nghiên cứu đã làm rõ mối quan hệ giữa chế độ cắt mài ($S, t$) với sai số biên dạng $f_f$ và nguy cơ suy giảm độ cứng bề mặt do nhiệt. Kết quả đo kiểm trên máy đo tọa độ ba chiều 3D GLOBAL STATUS cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc kiểm soát chất lượng và xác lập chế độ mài tối ưu cho chi tiết bánh răng chịu tải nặng trong thực tế sản xuất.