Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực gia công cơ khí chế tạo máy, đầu phân độ là một đồ gá - phụ tùng quan trọng trang bị cho các máy phay vạn năng, đảm nhiệm chức năng mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị gia công. Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong chế tạo dụng cụ cắt gọt (dao phay, dao doa, dao khoét, mỏ rô), gia công các chi tiết máy định hình (đầu bu lông, tán đai ốc, rãnh then hoa, bánh răng trụ, bánh răng côn) và phay rãnh xoắn.

Tại các xưởng thực hành cơ khí thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu gia công và kiểm tra độ chính xác góc đòi hỏi trang thiết bị phải đạt độ tin cậy cao. Các loại đầu phân độ cơ khí thông thường phụ thuộc hoàn toàn vào sai số tích lũy của bộ truyền trục vít - bánh vít và đĩa chia lỗ, dẫn đến sai số góc đáng kể khi phân chia các góc độ phức tạp. Đầu phân độ quang học giải quyết triệt để vấn đề này nhờ tích hợp hệ thống quang học hiển vi cho phép đọc trực tiếp góc quay từ đĩa kính chuẩn gắn liền trên trục chính, loại trừ ảnh hưởng của sai số cơ khí. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Công nghiệp đã triển khai đề tài: "Nghiên cứu, tính toán - thiết kế đầu phân độ quang học".

Theo văn bản đồ án, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định bao gồm 7 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tìm hiểu, nghiên cứu các loại đầu phân độ ngoài thực tế để thu thập thông tin kỹ thuật.
  2. Trình bày công dụng, cấu tạo và phân loại các hệ thống đầu phân độ vạn năng.
  3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các dụng cụ đo quang học: kính hiển vi dụng cụ, máy chiếu biên dạng, các nguyên tắc chuyển đổi quang hình trong đo lường.
  4. Trình bày nguyên lý hoạt động của các bộ phận, cơ cấu điều chỉnh và các đặc trưng công nghệ của đầu phân độ quang học.
  5. Xác định cấu tạo và nguyên lý vận hành của hệ thống quang học tích hợp trong đầu phân độ.
  6. Tính toán, thiết kế động lực học các bộ phận cơ khí và hệ thống quang học trong đầu phân độ nhằm đạt tính hợp lý về công nghệ và kinh tế.
  7. Xây dựng và hoàn thiện hệ thống hồ sơ kỹ thuật gồm các bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp phục vụ chế tạo thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:

  • Đối tượng nghiên cứu: Phương pháp tính toán, thiết kế cơ cấu cơ khí và hệ thống hiển vi quang học; xây dựng các bản vẽ lắp ráp và bản vẽ chi tiết cho đầu phân độ quang học.
  • Phạm vi không gian và tư liệu: Nghiên cứu thực tế tại xưởng thực hành cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, khảo sát thiết bị tại các doanh nghiệp thực tập, tài liệu chuyên ngành cơ khí chế tạo máy và đo lường quang học bằng tiếng Việt và tiếng Anh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời hạn quy định 4 tháng (khóa đào tạo 2011 - 2015), hoàn thành và nộp vào ngày 20/07/2015. Khối lượng sản phẩm bản vẽ gồm 3 bản vẽ lắp khổ A1 và 18 bản vẽ chi tiết khổ A3.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng tính toán dựa trên các nguyên lý quang hình học cơ bản kết hợp lý thuyết tính toán chi tiết máy:

  • Hiện tượng khúc xạ ánh sáng và định luật tạo ảnh qua hệ thấu kính hội tụ: Ứng dụng hiện tượng ánh sáng đổi hướng qua mặt phân cách giữa hai môi trường chiết suất khác nhau để hội tụ chùm sáng, tạo ảnh thật phóng đại qua vật kính có tiêu cự ngắn và quan sát tiếp qua thị kính.
  • Bốn nguyên tắc chuyển đổi quang hình trong thiết bị đo lường quang học:
    • Nguyên tắc đòn bẩy quang học: Xác định tỷ số phóng đại qua hệ thức $K = H'/H = L'/L$, trong đó $H, H'$ là chiều cao vật và ảnh; $L, L'$ là cánh tay đòn nhỏ và lớn.
    • Nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng và nhân quang: Góc lệch của tia phản xạ qua gương quay góc $\alpha$ là $2\alpha$, qua $k$ lần phản xạ đạt $2k\alpha$. Chuyển vị của trục đo qua ống optimet được tính bằng công thức $t = f \cdot 2\alpha$.
    • Nguyên tắc chiếu hình: Hệ thống quang học gồm tụ quang, vật kính và màn ảnh phóng đại ảnh vật đo theo tỷ số $K = y'/y = d'/d$ từ $10\times$ đến $200\times$.
    • Nguyên tắc hiển vi: Hệ thống quang học kết hợp giữa vật kính phóng đại và thị kính ngắm, độ phóng đại tổng bằng $G = G_{VK} \cdot G_{TK}$.
  • Các công thức động học phân độ:
    • Phân độ gián tiếp qua bộ truyền trục vít - bánh vít có đặc tính $N = 40$: $n = N/z$, với $n$ là số vòng quay tay quay, $z$ là số phần cần chia.
    • Phân độ theo góc quay: $\alpha = 360^\circ / z$.
    • Phân độ theo bước chia cung tròn: $\alpha = \frac{P}{\pi D} \cdot 360^\circ$, với $P$ là bước chia đo trên đường kính gia công $D$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp tổng hợp phân tích tài liệu kỹ thuật, phương pháp mô hình hóa động học cơ cấu cơ khí, phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy truyền thống (bộ truyền bánh răng côn, trục vít - bánh vít, trục và vỏ hộp) và phương pháp tính toán sai số cộng dồn góc bằng bảng số liệu thực nghiệm. Nguồn dữ liệu sử dụng bắt nguồn từ thông số máy phay ngang vạn năng tại xưởng trường, sổ tay thiết kế chi tiết máy và tài liệu thiết kế thiết bị đo quang học.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài nghiên cứu

Chương mở đầu hệ thống hóa tính cấp thiết của việc nghiên cứu thiết bị chia độ độ chính xác cao trong gia công cơ khí. Tác giả chỉ ra vai trò của đầu phân độ trong chế tạo dụng cụ cắt và chi tiết định hình. Nội dung chương công bố mục tiêu, phương pháp tiếp cận, phân tích đối tượng và phạm vi nghiên cứu, đồng thời xác lập tiến độ triển khai trong 4 tháng cùng khối lượng bản vẽ kỹ thuật (3 bản vẽ lắp A1, 18 bản vẽ chi tiết A3).

Chương 2: Tổng quan về đầu phân độ

Chương 2 phân tích chuyên sâu chức năng công nghệ của đầu phân độ: gá trục chi tiết nghiêng góc so với bàn máy, quay phôi tuần hoàn theo góc chia bằng nhau hoặc không bằng nhau, quay liên tục để phay rãnh xoắn. Tác giả phân loại và lập sơ đồ động học cho các nhóm đầu phân độ chính:

  • Đầu phân độ trực tiếp: Sử dụng đĩa chia có 12 khoảng chia gắn trực tiếp trên trục chính, cho phép chia nhanh phôi thành 2, 3, 4, 6, 12 phần bằng nhau.
  • Đầu phân độ có đĩa chia: Sử dụng tay quay dẫn động trục vít đơn mối và bánh vít 40 răng ($N = 40$), tính toán số vòng quay theo công thức $n = 40/z$.
  • Đầu phân độ không có đĩa chia: Thay thế đĩa chia bằng chùm bánh răng thay thế kết hợp cụm bánh răng vi sai để thực hiện phân độ vi sai.
  • Đầu phân độ quang học: Kết hợp cơ cấu cơ khí với kính hiển vi quang học có thang chia khắc vạch độ chính xác $1/4$ phút ($15''$), góc quay đọc trực tiếp từ đĩa kính chuẩn trên trục chính mà không phụ thuộc vào sai số bộ truyền trục vít.
  • Đầu phân độ nhiều trục: Cấu hình 2, 3 hoặc 4 trục chính song song phục vụ gia công hàng loạt các chi tiết kích thước nhỏ nhằm nâng cao năng suất.

Chương 3: Lý thuyết về các dụng cụ đo quang học

Chương 3 trình bày cơ sở vật lý của quang học ứng dụng trong đo lường cơ khí chính xác:

  • Kính hiển vi quang học: Trình bày hiện tượng khúc xạ ánh sáng qua môi trường nước, thủy tinh và thấu kính hội tụ. Mô tả cấu tạo 7 khối chức năng: nguồn sáng, tụ quang tạo chùm song song, giá mẫu vật, vật kính tiêu cự ngắn, hệ lật ảnh, thị kính và hệ ghi nhận ảnh. Thuyết minh quá trình phóng đại hai cấp tạo ảnh thật ngược chiều tại vật kính và phóng to thành ảnh ảo cùng chiều tại thị kính; ứng dụng soi mẫu kim tương kim loại ở các độ phóng đại $50\times, 100\times, 200\times, 500\times, 1000\times$.
  • Bốn nguyên tắc chuyển đổi quang hình: Phân tích cơ chế đòn quang học không quán tính; nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng ứng dụng ống optimet đạt tỷ số truyền tới 1000 lần; nguyên tắc chiếu hình đo kích thước dài qua so sánh bản vẽ mẫu; nguyên tắc hiển vi đo biên dạng phức tạp bằng phương pháp không tiếp xúc.
  • Thiết bị đo góc quang học: Cấu tạo thị kính đo góc sử dụng vành răng xoay tấm thủy tinh khắc vạch và phương pháp xác định góc qua hiệu hai lần đọc; phân tích máy chiếu biên dạng (độ phóng đại từ $5\times$ đến $100\times$, vạch chia dài $0{,}001\text{ mm}$, góc $1'$); cấu tạo kính hiển vi dụng cụ (độ phóng đại tổng đạt $2000\times$, vạch chia đạt $0{,}01\ \mu\text{m}$ và $1'$ góc).

Chương 4: Đầu phân độ quang học

Chương 4 là trọng tâm thiết kế của đồ án, mô tả chi tiết giải pháp kết cấu:

  • Cấu tạo phần cơ khí: Thân hộp gá bàn máy, trục chính lắp trên các ổ bi đỡ chặn, bộ truyền trục vít - bánh vít dẫn động, tay quay chính, cơ cấu ống bạc lệch tâm cho phép nhả khớp trục vít để quay nhanh trục chính bằng tay, cơ cấu vi chỉnh góc sử dụng đầu con lăn liên kết qua cặp bánh răng nón.
  • Cấu tạo hệ thống quang học: Đèn chiếu sáng cục bộ, hệ thống lăng kính thấu kính đổi hướng chùm sáng, đĩa kính chuẩn chia độ tròn $360^\circ$ (khoảng chia $1^\circ$) gắn chặt đồng trục trên trục chính, vật kính phóng đại, kính chuẩn chia phút cố định (gồm 60 vạch chia đơn vị $1'$, cho phép ước lượng chính xác $1/4'$ tức $15''$) và thị kính quan sát.
  • Nguyên lý vận hành: Quay tay quay dẫn động trục vít quay bánh vít mang trục chính. Đĩa kính chuẩn $1^\circ$ quay cùng trục chính, chùm sáng chiếu hình ảnh vạch chia lên kính chuẩn cố định trong thị kính hiển vi. Để định vị góc chính xác, người vận hành xoay đầu con lăn vi chỉnh thông qua cặp bánh răng côn. Trong trường hợp chia trực tiếp, xoay ống lệch tâm để tách khớp trục vít - bánh vít và đọc góc trên đĩa chia $1^\circ$ ngoài vỏ hộp.
  • Phân tích sai số cộng dồn: Khi phân độ quang học, các góc chia kế tiếp nhau phải được tính toán cộng dồn. Tác giả minh họa quy trình tính toán cho $Z = 11$ và $Z = 47$. Với $Z = 47$, góc chia danh nghĩa là $7^\circ 39' 34''$, góc làm tròn lý thuyết là $7^\circ 39' 30''$. Tác giả thiết lập bảng tính 46 dòng so sánh góc lý thuyết $\alpha_i$ và góc thực tế $\alpha'_i$, xác định sai số $\Delta_i = \alpha_i - \alpha'_i$ dao động trong giới hạn hẹp từ $-7''$ đến $+7''$.
Lần chia ($i$) Góc lý thuyết ($\alpha_i$) Góc thực tế ($\alpha'_i$) Sai số ($\Delta_i$)
1 $7^\circ 39' 30''$ $7^\circ 39' 34''$ $-4''$
2 $15^\circ 19' 15''$ $15^\circ 19' 09''$ $+6''$
3 $22^\circ 58' 45''$ $22^\circ 58' 43''$ $+2''$
4 $30^\circ 38' 15''$ $30^\circ 38' 18''$ $-3''$
5 $38^\circ 17' 45''$ $38^\circ 17' 52''$ $-7''$
10 $76^\circ 35' 45''$ $76^\circ 35' 45''$ $0''$
22 $168^\circ 30' 45''$ $168^\circ 30' 38''$ $+7''$
37 $283^\circ 24' 15''$ $283^\circ 24' 15''$ $0''$
46 $352^\circ 20' 30''$ $352^\circ 20' 26''$ $+4''$

Chương 5: Tính toán phần động lực học trong đầu phân độ quang học

Chương 5 hoàn thiện các nội dung tính toán kỹ thuật phục vụ chế tạo:

  • Đặt giả thiết bài toán công nghệ: Phân tích lực cắt và chế độ cắt khi phay bánh răng trụ răng thẳng trên máy phay vạn năng sử dụng đầu phân độ.
  • Thiết kế động học và độ bền bộ truyền bánh răng nón - răng thẳng thuộc cơ cấu vi chỉnh.
  • Thiết kế độ bền bộ truyền trục vít - bánh vít truyền động quay trục chính.
  • Tính toán thiết kế trục chính và trục dẫn động: Xác định đường kính, tính toán then bằng, chọn ổ lăn đỡ chặn và kiểm nghiệm độ cứng vững của trục.
  • Thiết kế vỏ hộp đầu phân độ: Tính toán kết cấu gá đặt trên bàn máy phay, bố trí không gian chứa cụm cơ khí và khoang lắp đặt đường quang học bảo đảm chống bụi và chấn động.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Hoàn thành thiết kế cơ cấu đầu phân độ quang học vạn năng đáp ứng khả năng chia độ với độ chính xác danh nghĩa đạt $1/4$ phút (tương đương $15''$), vượt trội so với các loại đầu phân độ cơ khí thông thường.
  • Thiết lập phương pháp lập bảng phân độ tích lũy cho các số phần chia lẻ không thể chia trực tiếp hoặc chia gián tiếp đơn giản; minh chứng bằng bảng số liệu 46 bước chia cho chi tiết $Z = 47$ với sai số góc cực đại được khống chế trong khoảng từ $-7''$ đến $+7''$.
  • Hoàn thành thiết kế kết cấu cơ khí đa năng tích hợp cơ cấu bạc lệch tâm, cho phép ngắt xích truyền động trục vít - bánh vít để chuyển đổi nhanh sang chế độ chia độ trực tiếp bằng tay khi gia công chi tiết đơn giản, nâng cao tính kinh tế và năng suất gia công.
  • Tích hợp cụm vi chỉnh góc gồm đầu con lăn và cặp bánh răng nón răng thẳng, hỗ trợ định vị chính xác vạch đo quang học một cách êm dịu, giảm thiểu rung động khi thiết lập góc.
  • Hoàn thiện hệ thống tài liệu thiết kế gồm thuyết minh kỹ thuật chi tiết cùng bộ bản vẽ chế tạo hoàn chỉnh (3 bản vẽ lắp A1 và 18 bản vẽ chi tiết A3) sẵn sàng phục vụ gia công thử nghiệm.

So với các nghiên cứu đầu phân độ truyền thống trước đó, tác giả đã giải quyết được vấn đề loại trừ ảnh hưởng của sai số gia công và độ rơ mòn của bộ truyền trục vít - bánh vít lên kết quả phân chia góc. Trong đầu phân độ quang học, bộ truyền trục vít chỉ đóng vai trò truyền mô-men quay trục, giá trị góc quay được đọc độc lập và trực tiếp từ đĩa kính chuẩn $360^\circ$ gắn cứng trên trục chính thông qua hệ thống phóng đại quang học hiển vi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

  • Nguồn tài liệu chuyên khảo chuyên sâu về thiết kế chế tạo hệ thống quang học hiển vi công nghiệp bằng tiếng Việt còn hạn chế, dẫn đến việc tính toán thiết kế cụm quang học chưa đạt được mức tối ưu tuyệt đối.
  • Kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở giai đoạn thiết kế tính toán lý thuyết và xây dựng hồ sơ bản vẽ; đề tài chưa có điều kiện chế tạo mô hình vật lý thử nghiệm thực tế tại xưởng do giới hạn thời gian 4 tháng của đồ án.
  • Khả năng công nghệ của đầu phân độ còn một số hạn chế nhất định khi áp dụng gia công các chi tiết có yêu cầu phân chia góc đặc biệt phức tạp trong không gian đa chiều.

Về hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Triển khai gia công chế tạo mô hình thử nghiệm vật lý theo tập bản vẽ thiết kế đã lập, tiến hành lắp ráp và hiệu chỉnh thực tế trên máy phay vạn năng.
  • Tối ưu hóa hệ thống quang học hiển vi và thang chia vi cấp nhằm nâng cao độ chính xác phân độ từ $15''$ hiện tại đạt tới độ chính xác từng giây ($1''$).
  • Nghiên cứu mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị, phát triển kết cấu gá đặt và điều khiển cho phép mở rộng gia công các bề mặt định hình phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Kỹ thuật Công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Công nghệ Chế tạo máy hoặc Đồ án tốt nghiệp liên quan đến thiết kế đồ gá máy công cụ và dụng cụ đo lường.
  • Giảng viên và kỹ thuật viên phụ trách xưởng thực hành cơ khí máy công cụ vạn năng trong việc chế tạo hoặc cải tiến các phụ tùng phân độ chính xác phục vụ đào tạo và sản xuất gia công cơ khí.
  • Kỹ sư thiết kế đồ gá máy phay quan tâm đến giải pháp kết hợp cơ học chính xác với hệ thống quang học đo lường không tiếp xúc.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

  • Toàn bộ nội dung Chương 4 mô tả chi tiết kết cấu cụm cơ cấu bạc lệch tâm tách khớp nhanh và sơ đồ bố trí hệ thống thấu kính, lăng kính, đĩa kính chuẩn trong không gian thân hộp máy.
  • Bảng tính toán sai số cộng dồn góc khi chia độ (Bảng 4.1) minh họa rõ nét thuật toán và phương pháp bù trừ sai số khi phân độ phôi có số phần chia lẻ ($Z = 11$ và $Z = 47$).
  • Phương pháp tính toán thiết kế động lực học cơ cấu cơ khí (bộ truyền trục vít - bánh vít, cặp bánh răng nón vi chỉnh) được trình bày tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

Độ chính xác phân độ đọc được trên hệ thống quang học của thiết bị là bao nhiêu?
Góc quay của trục chính được xác định qua đĩa kính chuẩn gắn trên trục chính có khoảng chia $1^\circ$. Hệ thống hiển vi tích hợp thang chia cố định gồm 60 vạch chia với đơn vị $1'$. Người vận hành quan sát qua thị kính có thể ước lượng độ chia với độ chính xác đạt $1/4$ phút, tương đương $15''$.

Tại sao sai số chế tạo của bộ truyền trục vít - bánh vít không làm sai lệch kết quả chia góc trên đầu phân độ quang học?
Trong đầu phân độ quang học, bộ truyền trục vít - bánh vít chỉ đóng vai trò cơ cấu truyền động dẫn hướng để làm quay trục chính. Thang chia góc $360^\circ$ được khắc trực tiếp trên đĩa kính chuẩn gắn liền đồng trục với trục chính và chi tiết gia công. Kết quả góc quay được đọc độc lập qua hệ thống kính hiển vi quang học, do đó sai số bước vít, độ rơ hay độ mòn của trục vít và bánh vít không ảnh hưởng đến độ chính xác góc chia.

Cơ cấu nào cho phép đầu phân độ chuyển đổi giữa chế độ chia quang học và chia trực tiếp?
Thiết bị sử dụng một ống bạc lệch tâm đỡ trục vít. Khi xoay ống bạc lệch tâm, trục vít được hạ xuống và tách hoàn toàn khỏi sự ăn khớp với bánh vít. Khi xích truyền động cơ khí bị ngắt, người vận hành có thể dùng tay quay trực tiếp trục chính và đọc góc quay dựa trên đĩa chia độ có đơn vị chia $1^\circ$ lắp ở mặt ngoài vỏ hộp.

Khi phân độ cho chi tiết có 47 phần bằng nhau, sai số giữa góc lý thuyết và góc thực tế lớn nhất là bao nhiêu?
Theo bảng tính toán 46 bước chia ở Chương 4 của đồ án, góc chia danh nghĩa cho mỗi phần là $7^\circ 39' 34''$, góc làm tròn lý thuyết là $7^\circ 39' 30''$. Sai số giữa góc quay lý thuyết và góc quay thực tế qua các lần chia dao động trong khoảng từ $-7''$ đến $+7''$ (ví dụ: lần chia thứ 5 sai số $-7''$, lần thứ 22 sai số $+7''$, các lần thứ 10 và 37 đạt sai số bằng $0''$).

Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật đi kèm đồ án bao gồm những hạng mục nào?
Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật do tác giả hoàn thành bao gồm 3 bản vẽ lắp ráp khổ A1 thể hiện tổng thể kết cấu đầu phân độ và vị trí các cụm quang học - cơ khí, cùng tập bản vẽ chi tiết gồm 18 bản vẽ khổ A3 phục vụ quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết máy.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, tính toán - thiết kế đầu phân độ quang học" của sinh viên Bùi Quốc Thịnh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết và thiết kế kỹ thuật đồ gá máy phay vạn năng. Bằng cách tích hợp hệ thống hiển vi quang học đọc số trực tiếp từ đĩa kính chuẩn gắn trên trục chính, công trình đã giải quyết thành công bài toán chia độ chính xác cao đạt $1/4$ phút ($15''$) và loại trừ sai số cơ học của bộ truyền động. Toàn bộ nội dung tính toán động lực học, nguyên lý quang hình và hệ thống bản vẽ kỹ thuật (3 bản A1, 18 bản A3) tạo tiền đề vững chắc cho việc chế tạo mô hình thử nghiệm ứng dụng trong thực tế sản xuất cơ khí.