Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi gia công bánh răng côn cung tròn.

• Tác giả: Hoàng Xuân Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Đông
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Chế độ cắt và ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Chế độ cắt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt khi gia công bánh răng côn cung tròn. Các thông số như vận tốc cắt (V), lượng chạy dao (S), và chiều sâu cắt (t) đều có tác động đáng kể đến chất lượng bề mặt. Nghiên cứu chỉ ra rằng, vận tốc cắt cao thường giúp giảm độ nhám do giảm ma sát và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt. Tuy nhiên, lượng chạy dao và chiều sâu cắt cần được điều chỉnh phù hợp để tránh hiện tượng rung động và biến dạng bề mặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy, sự kết hợp tối ưu giữa các thông số này giúp đạt được độ nhám bề mặt thấp, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

1.1. Vận tốc cắt và độ nhám bề mặt

Vận tốc cắt (V) là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Khi vận tốc cắt tăng, nhiệt sinh ra giảm, giúp bề mặt gia công mịn hơn. Tuy nhiên, vận tốc quá cao có thể gây mòn dao nhanh, ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, vận tốc cắt tối ưu nằm trong khoảng 150-200 m/phút đối với vật liệu thép 20XM.

1.2. Lượng chạy dao và chiều sâu cắt

Lượng chạy dao (S) và chiều sâu cắt (t) cũng có ảnh hưởng lớn đến độ nhám bề mặt. Lượng chạy dao cao có thể gây ra hiện tượng rung động, làm tăng độ nhám. Chiều sâu cắt cần được điều chỉnh phù hợp để tránh biến dạng bề mặt. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, lượng chạy dao tối ưu là 0.05-0.1 mm/răng và chiều sâu cắt nên duy trì ở mức 0.5-1 mm.

II. Mòn dao và các yếu tố ảnh hưởng

Mòn dao là hiện tượng không thể tránh khỏi trong quá trình gia công, đặc biệt khi sử dụng đầu dao hợp kim cứng. Các yếu tố như vận tốc cắt, lượng chạy dao, và vật liệu gia công đều ảnh hưởng đến tốc độ mòn dao. Nghiên cứu cho thấy, vận tốc cắt cao và lượng chạy dao lớn làm tăng nhiệt độ và ma sát, dẫn đến mòn dao nhanh hơn. Để kéo dài tuổi thọ dụng cụ, cần tối ưu hóa các thông số này. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, sử dụng dung dịch tưới nguội hiệu quả cũng giúp giảm mòn dao đáng kể.

2.1. Vận tốc cắt và mòn dao

Vận tốc cắt (V) có ảnh hưởng trực tiếp đến mòn dao. Khi vận tốc cắt tăng, nhiệt độ tại vùng cắt tăng, dẫn đến mòn dao nhanh hơn. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, vận tốc cắt tối ưu để giảm mòn dao nằm trong khoảng 100-150 m/phút đối với vật liệu thép 20XM.

2.2. Lượng chạy dao và mòn dao

Lượng chạy dao (S) cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mòn dao. Lượng chạy dao cao làm tăng lực cắt và ma sát, dẫn đến mòn dao nhanh hơn. Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, lượng chạy dao tối ưu để giảm mòn dao là 0.05-0.08 mm/răng.

III. Tối ưu hóa quy trình gia công

Tối ưu hóa quy trình gia công là bước quan trọng để đạt được độ nhám bề mặt thấp và giảm mòn dao. Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm và phần mềm Minitab để xác định bộ thông số tối ưu. Kết quả cho thấy, sự kết hợp giữa vận tốc cắt 150 m/phút, lượng chạy dao 0.06 mm/răng, và chiều sâu cắt 0.8 mm giúp đạt được độ nhám bề mặt Ra dưới 1.2 µm và giảm mòn dao đáng kể. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tăng hiệu suất gia công.

3.1. Phương pháp tối ưu hóa

Phương pháp tối ưu hóa sử dụng trong nghiên cứu là quy hoạch thực nghiệm dạng Box-Behnken. Phương pháp này giúp xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và kết quả đầu ra, từ đó tìm ra bộ thông số tối ưu.

3.2. Kết quả tối ưu hóa

Kết quả tối ưu hóa cho thấy, bộ thông số tối ưu bao gồm vận tốc cắt 150 m/phút, lượng chạy dao 0.06 mm/răng, và chiều sâu cắt 0.8 mm. Bộ thông số này giúp đạt được độ nhám bề mặt Ra dưới 1.2 µm và giảm mòn dao đáng kể.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất gia công và chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trực tiếp vào quy trình sản xuất bánh răng côn cung tròn, giúp giảm chi phí và tăng năng suất. Ngoài ra, việc xác định tuổi bền của dụng cụ cắt giúp chủ động trong việc thay thế và bảo trì, đảm bảo quá trình sản xuất liên tục và hiệu quả.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất

Kết quả nghiên cứu được áp dụng trong quy trình sản xuất bánh răng côn cung tròn tại các nhà máy, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.2. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã xác định được bộ thông số tối ưu để nâng cao độ nhám bề mặt và giảm mòn dao. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu ảnh hưởng của các vật liệu dụng cụ cắt khác nhau đến quá trình gia công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BÁNH RĂNG CÔN CUNG TRÒN 1. Đặc điểm, phân loại và phạm vi sử dụng bánh răng côn cung tròn 1. Đặc điểm Bộ truyền bánh răng côn cung tròn dùng để truyền chuyển động giữa hai trục giao nhau hoặc không giao nhau trong không gian, được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp ô tô, máy kéo, tàu thủy, hàng không. So với bộ truyền bánh răng côn răng thẳng, bộ truyền bánh răng côn cung tròn có nhiều ưu điểm vượt trội như: Khả năng chịu tải lớn, làm việc êm, ít va đập, có khả năng thực hiện tỷ số truyền lớn [4], [23], [115].

Nhược điểm của bánh răng côn cung tròn là tạo ra lực chiều trục trong quá trình làm việc, thành phần lực này phụ thuộc nhiều vào chiều dài của răng. Do đó không nên chọn chiều dài của răng lớn, vì do mặt tựa của bánh răng là công xôn, nếu chiều dài răng lớn, mô men uốn và độ lệch sẽ tăng lên. Phân loại Bánh răng côn cung tròn được phân loại theo dạng đường cong của răng, với mỗi dạng đường cong răng khác nhau thì có một phương pháp gia công khác nhau bằng những thiết bị được chế tạo bởi các hãng khác nhau [4], [23]. Do đó, bánh răng côn cung tròn còn được đặt tên theo tên gọi của hãng chế tạo thiết bị gia công và được biết đến với tên gọi là hệ bánh răng.

Theo đó, bánh răng côn cung tròn gồm các loại cơ bản sau. - Bánh răng dạng côn cung tròn (hệ Gleason). - Bánh răng đường thân khai kéo dài (hệ Klingelnberg). - Bánh răng dạng đường cong Epicycloit kéo dài (hệ Oerlicon).

7 Hiện nay ở nước ta thiết bị gia công bánh răng côn cung tròn chủ yếu theo hệ Gleason. Vì vậy trong nghiên cứu này chỉ đề cập đến dạng răng côn cung tròn hệ Gleason. Phạm vi sử dụng 1. Ứng dụng trong hệ thống lái của ô tô Bánh răng côn cung tròn đầu tiên có ý nghĩa quan trọng với ngành công nghiệp xe hơi trong những năm đầu thế kỷ 20.

Vào thời điểm đó, truyền động trục sau sử dụng bộ bánh răng vi sai là bước đột phá trong ngành công nghiệp ô tô [72].1 là một điển hình với bộ truyền bánh răng côn cung tròn được lắp trên trục sau ô tô. Ngày nay, việc sử dụng bộ bánh răng vi sai về cơ bản vẫn không thay đổi trong tất cả các xe hạng nặng và cỡ trung. Khái niệm truyền động xe dựa trên hai nguyên tắc thiết kế khác nhau: thứ nhất, động cơ được gắn ngang với hướng lái hệ dẫn động cầu trước. Thứ hai, động cơ được gắn dọc theo hướng lái sử dụng hệ dẫn động bánh trước hoặc bánh sau.

Xe có động cơ ngang và dẫn động bánh trước cho phép sử dụng rất hiệu quả không gian có sẵn để lắp bộ bánh răng vi sai. Nguyên lý truyền động ổ trục sau ô tô [72] 8 1. Ứng dụng trong ngành sản xuất máy bay Mặc dù số lượng bánh răng côn cung tròn được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô là rất lớn, tuy nhiên trong công nghiệp sản xuất máy bay, bánh răng côn cung tròn cũng đóng một vai trò quan trọng [72]. Các ứng dụng điển hình bao gồm các động cơ cánh quạt chính và cánh quạt đuôi cho máy bay trực thăng, bộ khởi động và hệ thống thủy lực cho tuabin máy bay hoặc bộ truyền động cánh cho cánh máy bay (hình 1.

Các bánh răng côn làm việc trong các bộ phận máy bay [72] 1. Ứng dung trong tàu thủy Nguyên lý của bộ đẩy cánh quạt được minh họa trong hình 1. Động cơ được lắp đặt bên trong tàu, điều khiển trục chân vịt thông qua bộ bánh răng côn cung tròn. Ưu điểm của truyền động bộ bánh răng côn cung tròn là rất tin cậy và an toàn trong quá trình hoạt động của tàu thủy [72].

Chân vịt tàu thủy [72] 9 1. Thông số cơ bản của bánh răng côn cung tròn Một số thông số cơ bản của bánh răng côn cung tròn được thể hiện trên hình 1.4 và trình bày tóm tắt trong bảng 1. Thông số cơ bản của bánh răng côn cung tròn [23] Bảng 1. Một số thông số cơ bản của bánh răng côn cung tròn [23] Ký Đơn TT Tên gọi Công thức hiệu vị Góc nâng trên vành ngoài của bánh 2 𝑟 2 +𝑅𝑑𝑒 2 −𝑅𝑜𝑛 1 𝜔𝑒 độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑒 = 𝑛 (1.

2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑒 Góc nâng trên vành trung bình của 2 𝑟 2 +𝑅𝑑𝑠 2 −𝑅𝑜𝑛 2 𝜔𝑠 độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑠 = 𝑛 (1. 2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑠 2 Góc nâng trên vành trong của bánh 𝑟𝑛2 + 𝑅𝑑𝑖 2 − 𝑅𝑜𝑛 3 𝜔𝑖 độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑖 = (1. 2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑖 Góc xoắn răng tại vành ngoài của 4 βe độ βe = 900 – ωe (1. 10 Góc xoắn răng tại vành trung bình 5 βs độ βs = 900 – ωs (1.5) của bánh răng.

Góc xoắn răng tại vành trong của 6 βi độ βi = 900 – ωl (1. Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu 𝑡𝑔𝛼 𝑛 7 trên vành tròn chia tại vành ngoài 𝛼𝑐𝑒 độ 𝑡𝑔𝛼𝑐𝑒 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1.7) 𝑒 của bánh răng Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu 𝑡𝑔𝛼 𝑛 8 trên vành tròn chia tại vành trung 𝛼𝑐𝑠 độ 𝑡𝑔𝛼𝑐𝑠 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1.8) 𝑠 bình của bánh răng. Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu 𝑡𝑔𝛼 𝑛 9 trên vành tròn chia tại vành trong 𝛼𝑐𝑖 độ 𝑡𝑔𝛼𝑐𝑖 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1.9) 𝑖 của bánh răng. Mô đun mặt đầu tại vành ngoài của 𝑚𝑛𝑒 10 𝑚𝑐𝑒 mm 𝑚𝑐𝑒 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1.

𝑒 Mô đun mặt đầu tại vành trung bình 𝑚𝑛𝑠 11 𝑚𝑐𝑠 mm 𝑚𝑐𝑠 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1.11) của bánh răng. 𝑠 Mô đun mặt đầu tại vành trong của 𝑚𝑛𝑖 12 𝑚𝑐𝑖 mm 𝑚𝑐𝑖 = 𝑐𝑜𝑠 𝛽 (1. 𝑖 Đường kính vòng chia của bánh dr1 mm dr1 = mce. dr2 mm dr2 = mce.15) 14 Góc côn chia của bánh răng.16) 𝑑𝑟 15 Chiều dài côn chia.17) 𝑟1 𝑅 16 Chiều rộng vành răng.18) 17 Chiều cao răng.19) 11 18 Chiều cao làm việc của răng.

ha mm ha = 1,700mce (1.20) hh1 mm hh1 = ha – hh2 (1.21) 19 Chiều cao đầu răng. hh2 mm hh2 = f.22) hp1 mm hp1 = h – hh1 (1.23) 20 Chiều cao chân răng. hp2 mm hp2 = h - hh2 (1.cosβe Với: f = fce mm (1.25) h/mne 21 Hệ số chiều cao răng tại mặt đầu.cosβs Với: fcl fcs mm (1.27) 𝑑𝑒 22 Góc đỉnh bánh răng.32) Chiều dày răng bánh răng nhỏ trên cung côn chia trong tiết diện pháp 𝑆𝑟1𝜋 = 𝑆𝑟1𝑠 − 25 𝑆𝑟1𝜋 mm 𝑅 −𝑅𝑑𝑛 (1.33) tuyến trên khoảng cách bất kỳ của 2ℎ𝑝2 ( 𝑑𝑠 )𝑡𝑔𝛼𝑛 𝑅𝑑𝑒 đường sinh côn chia. 𝜋 Chiều dày răng trên cung côn chia 𝑆𝑟1𝑠 = 𝑚𝑛𝑠 ( + 2 26 𝑆𝑟1𝑠 mm (1.34) tại tiết diện pháp tuyến trung bình.

2𝜉𝑡𝑔𝛼𝑛 + 𝜉𝜙 ) 𝑅𝑑𝑠 27 Mô đun pháp tuyến trung bình.35) 𝑑𝑒 28 Hệ số dịch chỉnh chiều cao.36) 29 Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến.37) 12 Thông số xác định tâm đầu dao để V mm V = rncosβs (1.38) 30 điều chỉnh máy (đối với bánh răng H mm H = Rds – sinβs (1. 2 2 Tọa độ cực (đối với bánh răng dịch SdOn mm SdOn = Ron = √𝑉 + 𝐻 (1.41) Chiều cao đầu răng (đối với bánh hh1k mm hh1k = 0,5ha + ξmce (1.42) 32 răng dịch chỉnh). hh2k mm hh2k = 0,5ha - ξmce (1.43) Chiều cao chân răng (đối với bánh Hp1k mm Hp1k= h1 – hh1k (1.44) 33 răng dịch chỉnh). hp2k mm hp2k = h2 – hh2k (1.

Nguyên lý tạo hình bề mặt răng côn cung tròn Cơ sở của nguyên lý bao hình là tính chất ăn khớp không có khe hở giữa bánh răng gia công và bánh răng sinh (bánh răng dẹt). Răng của bánh dẹt sinh là lưỡi dao đơn của đầu dao nằm trong rãnh răng của bánh răng gia công. Profin răng của bánh răng gia công là đường bao các vị trí kế tiếp nhau của lưỡi dao đơn (hình 1. Sự hình thành profin răng theo nguyên lý bao hình [115] 13 Trên hình 1.6 thể hiện sơ đồ nguyên lý tạo hình bề mặt răng côn cong.

Khi cắt, quá trình bao hình được thực hiện nhờ sự chuyển động phối hợp của bánh răng gia công và bánh dẹt sinh [23], [24], [25], [115]. Sơ đồ nguyên lý cắt bánh răng côn cung tròn [23], [24], [115] - Đầu dao chuyển động xung quang trục của nó để tạo ra tốc độ cắt V(m/phút) theo hướng S2. Chuyển động của S2 là chuyển động tạo hình đơn giản tạo ra chiều dài răng. Số dao cắt và tốc độ quay của đầu dao không ảnh hưởng tới quá trình bao hình, việc chọn các thông số đó chỉ tùy thuộc vào các điều kiện về năng suất gia công, chất lượng gia công và tuổi bền của dụng cụ cắt.

- Chuyển động quay quanh trục O của máy theo chiều S1 đó chính là trục quay của bánh dẹt sinh. Ngoài ra, bánh răng gia công chuyển động quay theo chiều S3 quanh trục của nó. Để tạo ra profin răng, bánh dẹt sinh (giá lắc) và bánh răng gia công có mối liên hệ động học với nhau thông qua xích bao hình. Nếu bánh dẹt sinh chuyển động với vận tốc góc 𝜔𝑑 và bánh răng gia công chuyển động với vận tốc góc 𝜔𝑘 có mối quan hệ động học với nhau theo phương trình: 14 𝜔𝑑 𝑍𝑑 𝑖𝑏ℎ = 𝑘 = (𝑘 = 1,2) (1.46) 𝜔 𝑍𝑘 Trong đó: Zd – Số răng của bánh dẹt sinh Zk – Số răng của bánh răng gia công ibh – Tỉ số truyền của xích bao hình Trong quá trình bao hình, bánh dẹt sinh thực hiện chuyển động quay quanh trục của nó không hết một vòng.

Sau khi cắt xong một rãnh răng, bánh dẹt sinh và bánh răng gia công thực hiện chuyển động nhanh ngược lại, sau đó chi tiết quay đi một góc tương ứng với góc phân độ của một số bước răng tùy chọn và bắt đầu một chu trình chuyển động cắt gọt mới để lần lượt gia công các răng tiếp theo. Các phương pháp cắt bánh răng côn cung tròn Có nhiều phương pháp để gia công bánh răng côn cung tròn, việc lựa chọn một phương pháp nào đó phụ thuộc vào những yêu cầu khác nhau, trong đó cần chú ý: Độ chính xác của truyền động bánh răng, năng suất cắt gọt, việc giảm bớt chủng loại dụng cụ cắt. Các phương pháp này thường dùng gia công tinh [4], [115]. Phương pháp cắt một phía: Được đặc trưng bởi việc gia công riêng biệt phía lồi và phía lõm trên răng của bánh răng nhỏ cũng như bánh răng lớn bằng đầu dao cắt hai phía mà độ mở của dao cắt phía lồi và phía lõm nhỏ hơn bề rộng của rãnh răng.