Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, máy phay vạn năng (đặc biệt là máy phay công xôn) đóng vai trò trung tâm trong việc gia công các bề mặt định hình phức tạp. Để mở rộng khả năng công nghệ của máy phay, đầu phân độ là một trang thiết bị phụ tùng cơ bản không thể thiếu. Thiết bị này cho phép gá đặt chi tiết dưới các góc nghiêng xác định so với bàn máy, thực hiện chia độ vòng tròn thành các phần bằng nhau hoặc không bằng nhau, cũng như tạo chuyển động quay liên tục phối hợp với chuyển động chạy dao dọc của bàn máy để phay rãnh xoắn.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế đầu phân độ có dĩa chia trong máy cắt kim loại" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Minh Cảnh dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Quốc Hùng tại Bộ môn Công nghệ Kim loại, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khóa 2011-2015, hoàn thành tháng 07/2015). Đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong công tác đào tạo và sản xuất cơ khí: củng cố kiến thức thiết kế hệ dẫn động, nắm vững các phương pháp phân độ cơ khí, đồng thời tính toán thiết kế một cơ cấu đầu phân độ vạn năng có dĩa chia phục vụ gia công cơ khí chính xác.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đồ án được xác định gồm 7 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu và nghiên cứu các loại đầu phân độ ngoài thực tế.
  2. Trình bày công dụng, phân loại và cấu tạo của đầu phân độ vạn năng.
  3. Trình bày nguyên lý hoạt động của các bộ phận chính, cơ cấu điều chỉnh và các đặc trưng của đầu phân độ có dĩa chia.
  4. Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống quang học ứng dụng trong đầu phân độ độ chính xác cao.
  5. Thực hiện tính toán và thiết kế động lực học các bộ phận cơ khí trong đầu phân độ (bộ truyền bánh răng nón, trục vít - bánh vít, bánh răng trụ, trục, ổ đỡ, vỏ hộp).
  6. Thành lập và xây dựng hệ thống bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp hoàn chỉnh.
  7. Đề xuất quy trình chế tạo mô hình thử nghiệm nhằm phục vụ kiểm nghiệm, sửa chữa và hoàn thiện kết cấu.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu đầu phân độ vạn năng có dĩa chia và các biến thể cơ cấu phân độ (phân độ cơ khí, phân độ vi sai, phân độ quang học). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian và dữ liệu thực nghiệm dựa trên các mẫu đầu phân độ thực tế và trang thiết bị hiện có tại Xưởng Cơ khí Chế tạo máy (CKM), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian nghiên cứu thực hiện trong học kỳ 2 năm học 2014-2015 (nộp và bảo vệ tháng 07/2015).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết nguyên lý máy, chi tiết máy, công nghệ cắt gọt kim loại và kỹ thuật đo lường cơ khí. Các cơ sở lý thuyết, mô hình và công thức tính toán được tác giả trích dẫn và sử dụng bao gồm:

  • Đặc tính động học đầu phân độ ($N$): Tỷ số truyền đặc trưng của trục vít - bánh vít trong đầu phân độ cơ khí là $N = z_0 / k = 40/1 = 40$ (với $z_0 = 40$ răng bánh vít và trục vít có số đầu mối $k = 1$).
  • Phương trình động học phân độ đơn giản: Xác định số vòng quay $n$ của tay quay theo số phần cần chia $z$ hoặc góc quay $\alpha$ của trục chính: $$n = \frac{N}{z} = \frac{40}{z} = \frac{40 \cdot \alpha^\circ}{360^\circ} = \frac{\alpha^\circ}{9^\circ}$$
  • Phương trình vi sai Willis và phương trình cân bằng xích truyền vi sai: Sử dụng cơ cấu vi sai bánh răng nón với tỷ số truyền cơ cấu $i_{vs} = 2$. Thiết lập chạc bánh răng thay thế $x = (a/b) \cdot (c/d)$ và chạc vi sai $y = (a_1/b_1) \cdot (c_1/d_1)$ để phân độ các số chia nguyên tố hoặc số chia không thực hiện được bằng phân độ đơn giản: $$y = N \cdot \frac{z_x - z}{z_x}$$
  • Phương trình động học phay rãnh xoắn: Mối quan hệ liên động giữa bước xoắn gia công $T_p$, bước trục vít me bàn máy $t_x$, góc nghiêng rãnh xoắn $\omega$ (hoặc $\beta$) và đường kính phôi $D$: $$T_p = \frac{\pi \cdot D}{\tan \omega}; \quad y' = N \cdot \frac{t_x}{T_p} = \frac{a_1}{b_1} \cdot \frac{c_1}{d_1}$$
  • Quang hình học và kỹ thuật đo lường: Định luật khúc xạ và phản xạ ánh sáng, hệ thống phóng đại quang học kép với độ phóng đại tổng $L_k = L_v \cdot L_t$ (trong đó $L_v$ là độ phóng đại vật kính, $L_t$ là độ phóng đại thị kính).
  • Hệ thống tiêu chuẩn tính toán sức bền và dẫn động cơ khí: Dựa trên các tài liệu chuyên ngành cơ khí của Việt Nam: Chế độ cắt gia công cơ khí (Nguyễn Ngọc Đào, Hồ Viết Bình, Trần Thế San), Thiết kế chi tiết máy (Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển), Cơ sở kỹ thuật đo trong chế tạo máy (Hồ Đắt Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy) và Dung sai - Kỹ thuật đo (Trần Quốc Hùng).

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật kết hợp phân tích động học, khảo sát thông số kết cấu từ thiết bị thực tế tại xưởng và tổng hợp lý thuyết chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục đồ án gồm 4 chương chuyên môn chính, bám sát từ nghiên cứu tổng quan công nghệ đến thiết kế chi tiết cơ cấu.

Chương 1: Giới thiệu về đầu phân độ

Chương này trình bày tổng quan về chức năng, tầm quan trọng và phạm vi ứng dụng công nghệ của đầu phân độ trên máy phay. Tác giả nêu rõ đầu phân độ mở rộng đáng kể tính năng của máy phay vạn năng thông qua các khả năng công nghệ:

  • Phay chi tiết nhiều mặt (3, 4, 5, 6, 7 cạnh...) bằng dao phay ngón, dao phay mặt đầu hoặc tổ hợp dao phay đĩa;
  • Phay rãnh thẳng và rãnh thoát phoi trên dụng cụ cắt (dao phay ngón, mũi khoan, mũi khoét, dao doa) với bước rãnh đều hoặc không đều;
  • Phay rãnh then hoa trên trục trụ bằng phương pháp định hình trên hai mũi tâm;
  • Phay rãnh ở mặt đầu trục (chiều sâu rãnh $t = 15\text{ mm}$, bề rộng $B = 8\text{ mm}$, dung sai hoàn thiện $10^{+0}\text{ mm}$);
  • Phay rãnh đai ốc xẻ rãnh (đai ốc ren M24x3 gia công 6 rãnh then hoa kích thước rộng $6^{+0.5}\text{ mm}$, sâu $7^{+0}\text{ mm}$);
  • Phay bánh răng trụ răng thẳng, bánh răng côn (gá nghiêng trục chính góc $\theta = \phi - \delta_1$);
  • Phay rãnh xoắn và đường xoắn ốc trên mặt trụ;
  • Phay răng mặt đầu của ly hợp vấu, ly hợp răng thẳng, răng hình thang và tam giác với điều kiện hình học $d \ge 0{,}75D$ hoặc tính góc nghiêng định vị $\theta$ theo công thức lượng giác phụ thuộc số răng $z$ và góc góc prôphin rãnh $\alpha$.

Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của đầu phân độ vạn năng (mẫu kiểu BS-2) được khảo sát gồm: tỷ lệ truyền động tay quay 40:1; trục chính tôi cứng và định vị trên ổ lăn côn; đầu xoay có thể khóa cứng ở mọi góc độ từ $-10^\circ$ (dưới phương ngang) đến $+90^\circ$ (theo phương đứng); mũi trục chính tạo ren và lắp đĩa chia 24 lỗ phục vụ phân độ trực tiếp cho các số chia $z \in {2, 3, 4, 6, 8, 12, 24}$; phân chia gián tiếp được mọi số từ 2 đến 50 và từ 52 đến 380.

Chương 2: Phân loại đầu phân độ

Chương 2 phân loại chi tiết các dòng đầu phân độ cơ khí và quang học được ứng dụng trong công nghiệp gia công cắt gọt:

Nhóm đầu phân độ Phân loại kết cấu Phương pháp phân độ áp dụng Đặc điểm truyền động & điều chỉnh
Đầu phân độ có đĩa chia Loại 1 đĩa chia / Loại 2 đĩa chia Phân độ trực tiếp, gián tiếp (đơn giản), vi sai, phay rãnh xoắn Sử dụng chốt cắm trên các vòng lỗ đĩa chia kết hợp tay quay và kéo chốt định vị trục chính
Đầu phân độ không có đĩa chia Cơ cấu vi sai côn / Cơ cấu hành tinh Phân độ trực tiếp, vi sai, phay rãnh xoắn Tay quay quay số vòng chẵn ($n=1$ vòng), bù sai số góc quay qua bộ bánh răng thay thế và cơ cấu vi sai
Đầu phân độ quang học Thân máy cơ khí kết hợp ống kính hiển vi quang học Phân độ quang học chính xác cao, phân độ trực tiếp Vạch khắc $360^\circ$ trên đĩa thủy tinh trục chính, vạch chia phụ 60 phút ($1'$), quan sát qua thị kính phóng đại
Đầu phân độ nhiều trục Cụm nhiều trục chính song song Phân độ đồng loạt Gia công đồng thời nhiều chi tiết trong sản xuất hàng loạt

Trong phân độ vi sai cho đầu phân độ cơ cấu vi sai côn, tác giả phân tích điều kiện lắp ráp bộ bánh răng thay thế trên chạc: $$a + b \ge c + (15 \div 20)\text{ răng}$$ $$c + d \ge b + (15 \div 20)\text{ răng}$$ Các bộ bánh răng thay thế quy chuẩn gồm Bộ 5 ($z = 20, 25, 30, 35\dots$) và Bộ 4 ($z = 20, 24, 28, 32\dots$).

Tác giả giải quyết 3 bài toán ví dụ điển hình:

  1. Phân độ đơn giản với $z = 72$, $N = 40$: Chọn $n = 1$, tính được chạc thay thế $x = \frac{25}{45} \cdot \frac{20}{40}$ (sử dụng Bộ 5, thỏa mãn điều kiện lắp).
  2. Phân độ vi sai với $z = 49$, $N = 40$: Chọn số giả định $z_x = 50$, $n = 1$. Tính được chạc phân độ $x = \frac{20}{50} \cdot \frac{35}{35}$ và chạc vi sai $y = \frac{40}{50} \cdot \frac{30}{30}$ (sử dụng Bộ 5, thỏa mãn điều kiện ăn khớp).
  3. Phân độ phay rãnh xoắn với $N = 40, Z = 50, t_x = 6\text{ mm}, D = 56\text{ mm}, \beta = 30^\circ$: Tính ra bước xoắn $T_p = 102\text{ mm}$, chạc bánh răng thay thế $y' = \frac{85}{30} \cdot \frac{85}{30}$, đảm bảo điều kiện ăn khớp lắp ráp.

Chương này cũng phân tích sâu hệ thống quang học: nguồn sáng đèn chiếu qua tụ quang tạo chùm tia song song, đi qua bộ lọc sáng, phản xạ qua hệ lăng kính chiếu lên đĩa chia thủy tinh $360^\circ$ gắn trên trục chính; ảnh được phóng đại qua vật kính ($5\times, 10\times, 20\times, 40\times, 100\times$), truyền tới thang chia 60 khoảng ($1'$), qua thị kính ($5\times, 10\times, 20\times$), phản xạ qua gương phẳng lật ảnh và hiển thị rõ nét trên màn quan sát.

Chương 3: Đầu phân độ có dĩa chia

Chương 3 tập trung vào kết cấu và phương pháp vận hành thực tế của đầu phân độ vạn năng có dĩa chia. Nội dung trình bày chi tiết:

  • Cấu tạo và chức năng: Cụm trục chính gá trên thân xoay, bộ truyền trục vít - bánh vít với tỷ số $1:40$, đĩa chia lỗ có hai mặt chứa nhiều dãy vòng tròn lỗ đồng tâm khác nhau, kéo chốt định vị tay quay và thanh chia góc giới hạn số lỗ.
  • Phương pháp phân độ trực tiếp: Nhả khớp trục vít - bánh vít bằng ống lệch tâm, xoay trực tiếp trục chính và gài chốt định vị vào đĩa chia 24 lỗ gắn đầu trục.
  • Phương pháp phân độ gián tiếp (đơn giản): Trục vít ăn khớp bánh vít, xoay tay quay $n = 40/z$ vòng, sử dụng chốt tay quay cắm vào hàng lỗ thích hợp trên đĩa chia kết hợp compa phân độ.
  • Phương pháp phân độ vi sai: Đĩa chia được nhả tự do khỏi thân máy và liên động với trục chính qua chạc bánh răng thay thế. Khi quay tay quay, đĩa chia đồng thời quay phụ thêm một góc bù trừ sai số giữa $z$ và $z_x$.
  • Phương pháp phân độ khi phay rãnh xoắn: Kết nối trục vít me dọc của bàn máy với trục vít của đầu phân độ qua chạc bánh răng cắt ren xoắn, kết hợp xoay nghiêng bàn máy phay một góc $\omega$.

Chương 4: Tính toán phần động lực học trong đầu phân độ có dĩa chia

Chương 4 thực hiện toàn bộ quá trình tính toán thiết kế cơ khí cho các cụm chi tiết máy bên trong đầu phân độ:

  • Đặt giả thiết và tính toán chế độ cắt: Xác định lực cắt lớn nhất, mômen xoắn và công suất cản phát sinh trong quá trình gia công chi tiết trên máy phay để làm cơ sở tải trọng tính toán.
  • Thiết kế bộ truyền bánh răng nón - răng thẳng: Tính toán kích thước hình học, môđun, góc côn, ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép nhằm đảm bảo độ bền truyền động đổi hướng giữa tay quay và cơ cấu.
  • Thiết kế bộ truyền trục vít - bánh vít: Thiết kế cặp trục vít tôi cứng và bánh vít răng đồng/gang với tỷ số truyền $i = 40$, tính toán khoảng cách trục, môđun ăn khớp, kiểm nghiệm độ bền mòn, độ bền uốn và điều kiện nhiệt khi làm việc.
  • Thiết kế bánh răng thẳng: Tính toán hệ thống bánh răng trụ răng thẳng truyền động trung gian và các bánh răng thay thế.
  • Thiết kế trục: Xác định sơ bộ đường kính trục chính và các trục truyền, vẽ biểu đồ mômen uốn - mômen xoắn ($M_x, M_y, M_u, T$), kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ cứng vững uốn/xoắn của trục chính.
  • Thiết kế gối đỡ trục: Lựa chọn và tính toán khả năng tải động, tải tĩnh của ổ lăn đỡ - chặn (ổ lăn côn) cho trục chính và ổ đỡ cho các trục trung gian.
  • Thiết kế vỏ hộp: Xác định kết cấu thân hộp, đế xoay, nắp hộp, gân tăng cứng, kích thước các bu lông ghép nối và vị trí khóa góc nghiêng từ $-10^\circ$ đến $+90^\circ$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và hoàn thành các kết quả kỹ thuật cụ thể:

Kết quả tính toán và thiết kế kỹ thuật

  • Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết tính toán phân độ cho 4 phương pháp: phân độ trực tiếp (với đĩa 24 lỗ chia các góc bội số), phân độ đơn giản (tỷ số $40/z$), phân độ vi sai (giải bài toán bánh răng thay thế với cơ cấu vi sai côn $i_{vs}=2$), và phân độ phay rãnh xoắn (liên động bước vít me $t_x$).
  • Thiết lập hoàn chỉnh quy trình tính toán động lực học cho cụm đầu phân độ vạn năng có dĩa chia: tính chọn chế độ cắt, thiết kế bộ truyền trục vít - bánh vít tỷ số truyền $1/40$, cặp bánh răng nón răng thẳng, hệ thống trục chính tôi cứng chịu lực, lựa chọn ổ lăn côn đỡ chặn và kết cấu vỏ hộp xoay điều chỉnh góc từ $-10^\circ$ đến $90^\circ$.
  • Khảo sát và phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý truyền sáng và hệ thống quang học khuếch đại ảnh vạch chia ($360^\circ$ và thang phụ $1'$) trên đầu phân độ quang học.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp tài liệu thuyết minh tính toán chi tiết kèm các ví dụ số liệu thực tế ($z=72, z=49$, phay rãnh xoắn bước $T_p=102\text{ mm}$), đóng vai trò như một cẩm nang tính toán ứng dụng cho sinh viên cơ khí khi làm đồ án môn học Chi tiết máy và Đồ án Công nghệ Chế tạo máy.
  • Đề xuất giải pháp kết cấu cơ khí cụ thể dựa trên trang thiết bị thực tế của Xưởng Cơ khí Chế tạo máy, làm tiền đề cho việc bảo dưỡng, hiệu chỉnh và chế tạo phụ tùng thay thế cho máy phay tại xưởng thực hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên phạm vi nghiên cứu và nội dung trình bày trong văn bản đồ án, các hạn chế và định hướng phát triển bao gồm:

  • Hạn chế:

    • Đồ án tập trung chủ yếu vào phần tính toán lý thuyết động học, sức bền chi tiết máy và lập hồ sơ thiết kế; chưa công bố số liệu kiểm nghiệm đo đạc thực nghiệm trên sản phẩm mẫu sau chế tạo.
    • Phần phân tích hệ thống quang học chỉ dừng lại ở mức độ khảo sát nguyên lý cấu tạo và đường truyền quang hình học, chưa đi sâu vào tính toán gia công chế tạo cụm lăng kính - thấu kính quang học chuyên dụng.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Tiến hành chế tạo thực tế mô hình thử nghiệm theo bộ bản vẽ thiết kế để đánh giá sai số phân độ thực tế và độ cứng vững động lực học khi cắt gọt.
    • Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc quay điện tử kỹ thuật số (encoder/dro) kết hợp màn hình hiển thị số để hiện đại hóa đầu phân độ cơ khí truyền thống.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng và mục đích sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Công nghiệp, Chế tạo máy: Tham khảo cấu trúc thuyết minh đồ án tốt nghiệp, phương pháp giải các bài toán động học máy cắt kim loại và quy trình thiết kế hệ dẫn động chi tiết máy (trục vít - bánh vít, bánh răng nón, trục chính).
  • Kỹ thuật viên, cán bộ xưởng thực hành cơ khí: Sử dụng bảng công thức tính toán bánh răng thay thế và quy trình gá đặt phay rãnh then hoa, rãnh xoắn, bánh răng côn, ly hợp vấu trên máy phay vạn năng.
  • Nội dung giá trị nhất: Chương 2 và Chương 4 với các công thức tính toán chạc vi sai, điều kiện lắp ráp bánh răng thay thế ($a+b \ge c + 15\dots20$) và chuỗi bước tính toán thiết kế động lực học cơ khí chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ số truyền đặc tính $N$ của đầu phân độ trong đồ án bằng bao nhiêu và có ý nghĩa gì?
Tỷ số truyền đặc tính của đầu phân độ là $N = 40$. Điều này có nghĩa là bộ truyền trục vít - bánh vít có tỷ số truyền $i = 1/40$ ($k=1$ đầu mối trục vít và $z_0 = 40$ răng bánh vít). Khi người thao tác quay tay quay đủ 40 vòng thì trục chính của đầu phân độ sẽ quay được đúng 1 vòng tròn ($360^\circ$).

2. Đĩa chia 24 lỗ trên đầu phân độ cho phép chia trực tiếp được những số phần nào?
Đĩa chia 24 lỗ gắn ở đầu trục chính cho phép thực hiện phân độ trực tiếp (sau khi ngắt khớp trục vít) cho các chi tiết có số phần chia là ước số của 24, cụ thể gồm: 2, 3, 4, 6, 8, 12 và 24 phần.

3. Điều kiện cần thỏa mãn để lắp được cụm 4 bánh răng thay thế trên chạc bánh răng là gì?
Để các bánh răng thay thế $a, b, c, d$ có cùng môđun không bị chạm trục và ăn khớp bình thường trên chạc điều chỉnh, số răng phải thỏa mãn đồng thời hai bất đẳng thức: $$a + b \ge c + (15 \div 20)\text{ răng}$$ $$c + d \ge b + (15 \div 20)\text{ răng}$$

4. Khi phay rãnh xoắn, tại sao phải xoay nghiêng bàn máy một góc $\omega$ và công thức tính là gì?
Bàn máy phay vạn năng phải xoay nghiêng một góc $\omega$ để mặt phẳng quay của dao phay đĩa trùng với hướng của rãnh xoắn gia công. Góc quay $\omega$ được xác định theo đường kính phôi $D$ và bước xoắn $T_p$ bằng công thức: $$\tan \omega = \frac{\pi \cdot D}{T_p}$$ Trong đó, với rãnh xoắn phải thì bàn máy quay ngược chiều kim đồng hồ, còn rãnh xoắn trái thì bàn máy quay theo chiều kim đồng hồ.

5. Trong đầu phân độ quang học, độ phóng đại của hệ thống kính hiển vi được xác định như thế nào?
Độ phóng đại tổng $L_k$ của kính hiển vi quang học bằng tích số giữa độ phóng đại của vật kính ($L_v$) và độ phóng đại của thị kính ($L_t$): $L_k = L_v \cdot L_t$. Trong đó, vật kính thường có độ phóng đại $5\times, 10\times, 20\times, 40\times, 100\times$ và thị kính có độ phóng đại $5\times, 10\times, 20\times$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế đầu phân độ có dĩa chia trong máy cắt kim loại" của sinh viên Nguyễn Minh Cảnh đã giải quyết một cách có hệ thống các bài toán động học và kết cấu của cơ cấu đầu phân độ vạn năng. Tác giả đã trình bày đầy đủ cơ sở lý thuyết, phân loại các phương pháp phân độ (trực tiếp, gián tiếp, vi sai, phay rãnh xoắn, quang học) và thực hiện các bước tính toán thiết kế động lực học chi tiết cho các bộ truyền cơ khí chính. Công trình là tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng mục tiêu đào tạo kỹ sư công nghệ cơ khí và có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công tác thiết kế, gia công trên máy cắt gọt kim loại.