Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, việc thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và giá thành sản xuất. Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết nắp trục ổ nghiền và thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công khoan khoét.

Theo nội dung đồ án, nắp trục ổ nghiền là chi tiết dạng đĩa thuộc loại nắp ổ hở, có kết cấu để trục lắp xuyên qua. Chi tiết làm việc trong các cơ cấu hộp giảm tốc hoặc hệ thống trục quay với nhiệm vụ chắn bụi bẩn xâm nhập vào ổ bi và các bộ phận bên trong thân hộp, đồng thời ngăn ngừa sự thất thoát dầu hoặc mỡ bôi trơn từ ổ ra môi trường ngoài.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Phân tích kết cấu, điều kiện làm việc và tính công nghệ của chi tiết nắp trục ổ nghiền; phân tích vật liệu chế tạo và xác định dạng sản xuất.
  2. Lựa chọn dạng phôi, phương pháp chế tạo phôi, tra lượng dư gia công và xây dựng bản vẽ lồng phôi.
  3. Lập tiến trình công nghệ gia công hợp lý, xác định chuẩn công nghệ (chuẩn thô, chuẩn tinh) và trình tự gia công các bề mặt.
  4. Thiết kế chi tiết các nguyên công gia công cơ (từ nguyên công 1 đến nguyên công 9), lựa chọn máy móc, đồ gá, dụng cụ cắt, tính toán chế độ cắt thực tế và xác định thời gian gia công từng bước.
  5. Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian cho bề mặt đáy.
  6. Thiết kế đồ gá công nghệ chuyên dùng cho nguyên công 3 (khoan, khoét 6 lỗ), tính toán động lực học, lực kẹp cần thiết và sai số gá đặt.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết nắp trục ổ nghiền chế tạo từ vật liệu gang xám GX 15-32 có khối lượng 2,3 kg, kích thước lớn nhất 240 mm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc tính toán thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ khí phục vụ sản lượng hàng năm theo kế hoạch là 27.000 sản phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết chuẩn tắc trong công nghệ chế tạo máy, bao gồm:

  • Lý thuyết định vị và kẹp chặt chi tiết gia công (nguyên lý khống chế 6 bậc tự do).
  • Lý thuyết tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, tốc độ cắt $v$, công suất cắt $N$) dựa trên phương trình thực nghiệm và các hệ số điều chỉnh ảnh hưởng.
  • Lý thuyết chuỗi kích thước công nghệ và tính toán lượng dư gia công.
  • Lý thuyết thiết kế đồ gá chuyên dùng và phân tích sai số gá đặt.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân tích chức năng làm việc, hình dáng hình học, độ cứng vững và thành phần vật liệu của chi tiết dạng đĩa để đưa ra phương án phân chia các nguyên công thích hợp.
  • Phương pháp tra cứu và tính toán thực nghiệm: Sử dụng các bảng tra thông số tiêu chuẩn từ sổ tay công nghệ chế tạo máy để xác định tốc độ cắt chuẩn ($V_b$), lượng chạy dao ($S_z$, $S$), các hệ số hiệu chỉnh ($k_1, k_2, k_3, k_4, k_5, k_6$). Từ đó, quy đổi sang tốc độ trục chính thực tế của các máy công cụ (máy phay 6H12, máy khoan 2A125, máy khoan cần 2H55, máy tiện T161) thông qua công hệ số công bội $\varphi$ của chuỗi số vòng quay máy.
  • Phương pháp phân tích động lực học và sai số: Thiết lập phương trình cân bằng lực cắt và lực kẹp để xác định lực kẹp yêu cầu $P_{tt}$, đồng thời đánh giá độ chính xác gá đặt dựa trên sai số chuẩn, sai số kẹp chặt và sai số mòn đồ gá.

Nguồn dữ liệu tham khảo chính:

  • Sổ tay công nghệ chế tạo máy (Tập 1, Tập 2, Tập 3).
  • Giáo trình Công nghệ chế tạo máy.
  • Bảng tiêu chuẩn máy công cụ và dụng cụ cắt kim loại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích các chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất

Chương này tập trung đánh giá tính năng kỹ thuật của chi tiết nắp trục ổ nghiền và tính toán quy mô sản xuất. Vật liệu chế tạo là gang xám GX 15-32, có đặc tính bền nén cao, chịu mài mòn tốt, giảm chấn động tốt và có tính đúc thuận lợi.

Chỉ tiêu kỹ thuật / Thành phần Giá trị danh định
Độ cứng 182 – 199 HB
Giới hạn bền kéo ($\sigma_k$) $15\text{ kg/mm}^2$
Giới hạn bền nén ($\sigma_n$) $32\text{ kg/mm}^2$
Khối lượng chi tiết ($m$) $2,3\text{ kg}$
Hàm lượng Carbon (C) 2,8 – 3,5%
Hàm lượng Silic (Si) 1,5 – 3,0%
Hàm lượng Mangan (Mn) 0,5 – 1,0%
Hàm lượng Photpho (P) 0,1 – 0,2%
Hàm lượng Lưu huỳnh (S) 0,1 – 0,12%

Sản lượng chế tạo hàng năm được tính theo công thức: $$N = N_0 \cdot \left(1 + \frac{\alpha}{100} + \frac{\beta}{100}\right)$$ Trong đó sản lượng kế hoạch $N_0 = 27.000$ chiếc/năm, số chi tiết trong một sản phẩm $m = 1$, tỷ lệ phế phẩm $\alpha = 5%$, tỷ lệ dự phòng $\beta = 5%$. Kết quả tính toán sản lượng hàng năm đạt $N = 29.700$ chiếc/năm. Kết hợp với khối lượng chi tiết $m = 2,3\text{ kg}$, tác giả xác định dạng sản xuất của chi tiết là sản xuất hàng loạt lớn đến hàng khối.

Chương 2: Chọn dạng phôi và phương pháp chế tạo phôi

Dựa trên đặc điểm kết cấu dạng đĩa, vật liệu gang xám và quy mô sản xuất hàng loạt lớn, tác giả so sánh các phương pháp tạo phôi:

  • Đúc khuôn cát mẫu gỗ: Cấp chính xác IT16–IT17, độ nhám $R_z = 160,\mu\text{m}$, chỉ phù hợp sản xuất đơn chiếc.
  • Đúc trong khuôn kim loại: Độ chính xác cao (IT14–IT15, $R_z = 40,\mu\text{m}$), chi phí khuôn rất cao, không tối ưu kinh tế cho loạt vừa/lớn.
  • Đúc ly tâm, đúc áp lực, đúc vỏ mỏng, đúc liên tục: Không phù hợp với hình dáng đĩa hở và vật liệu gang xám.

Phương pháp được chọn là đúc trong khuôn cát, mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy với mặt phân khuôn nằm ngang (X-X). Phôi đúc đạt cấp chính xác I, cấp chính xác kích thước IT14–IT17, độ nhám bề mặt $R_z = 40,\mu\text{m}$.

Lượng dư gia công và kích thước phôi:

  • Lượng dư bề mặt phía trên: $3\text{ mm}$.
  • Lượng dư bề mặt phía dưới: $2,5\text{ mm}$.
  • Lượng dư mặt bên: $2\text{ mm}$.
  • Góc nghiêng thoát khuôn: $0^\circ 45'$, bán kính góc lượn: $5\text{ mm}$.
  • Do đường kính lỗ $\varnothing < 30\text{ mm}$ và sản xuất hàng khối nên các lỗ đều được đúc đặc. Kích thước bao phôi: chiều cao $75,5\text{ mm}$ ($70 + 3 + 2,5\text{ mm}$), chiều rộng $244\text{ mm}$ ($240 + 2 \times 2\text{ mm}$).

Chương 3: Chọn tiến trình gia công

Tác giả đánh số các bề mặt gia công để thuận tiện cho việc định vị và thiết lập chuỗi kích thước:

  • Chọn chuẩn thô: Chọn mặt phẳng 11 làm chuẩn thô để gia công các mặt phẳng 1, 2, 4, 5, 6, 7, 10 ở nguyên công đầu nhằm bảo đảm độ đồng đều về kích thước và lượng dư.
  • Chọn chuẩn tinh: Chọn mặt phẳng 1 và mặt trụ 10 làm chuẩn tinh thống nhất để gia công toàn bộ các bề mặt còn lại, đảm bảo độ chính xác vị trí tương quan.
  • Phân công phương pháp gia công:
    • Mặt phẳng 1, 11 và mặt đầu 5: Sử dụng phương pháp phay.
    • Các lỗ tròn xoay 8, 9: Sử dụng phương pháp khoan, khoét, doa.
    • Lỗ ren 3: Khoan và taro ren M12.
    • Các mặt tròn xoay ngoài và gờ trụ 2, 4, 6, 7, 10: Sử dụng phương pháp tiện.

Chương 4: Thiết kế nguyên công

Tác giả thực hiện tính toán chi tiết chế độ cắt, chọn thiết bị, đồ gá, dao cắt và định mức thời gian cho từng nguyên công:

Nguyên công Nội dung gia công Thiết bị & Dụng cụ cắt Thông số chế độ cắt chính Thời gian ($T_{tc}$)
NC 1 Phay thô và tinh mặt đáy Máy phay đứng 6H12 ($N=7\text{ kW}$); Dao phay mặt đầu $D=160\text{ mm}, Z=16$ • Phay thô: $t=2\text{ mm}, S_z=0,24\text{ mm/răng}, n_m=151,2\text{ vg/ph}, V_{tt}=75,96\text{ m/ph}$
• Phay tinh: $t=0,5\text{ mm}, S_z=0,29\text{ mm/răng}, n_m=240\text{ vg/ph}, V_{tt}=120,5\text{ m/ph}$		 • Thô: $1,5\text{ ph}$
• Tinh: $0,2\text{ ph}$
NC 2 Phay thô và tinh mặt đầu Máy phay đứng 6H12 ($N=7\text{ kW}$); Dao phay mặt đầu $D=100\text{ mm}, Z=10$ • Phay thô: $t=2,5\text{ mm}, S_z=0,24\text{ mm/răng}, n_m=240\text{ vg/ph}$
• Phay tinh: $t=0,5\text{ mm}, V_t=126,4\text{ m/ph}$		 • Thô: $1,48\text{ ph}$
• Tinh: $0,8\text{ ph}$
NC 3 Khoan, khoét 6 lỗ Máy khoan đứng 2A125 ($N=2,8\text{ kW}$); Mũi khoan ruột gà $D=7,6\text{ mm}$, mũi khoét $\varnothing 20\text{ mm}$ • Khoan lỗ $\varnothing 12\text{ mm}$: $t=5\text{ mm}, S=0,44\text{ mm/vg}, n_m=594\text{ vg/ph}$
• Khoét lỗ $\varnothing 20\text{ mm}$: $t=6\text{ mm}, S=0,9\text{ mm/vg}, n_m=370\text{ vg/ph}$		 Tính theo từng bước công nghệ
NC 4 Khoan, Taro ren M12 Máy khoan cần 2H55 ($N=4\text{ kW}$, 21 cấp tốc độ); Mũi khoan $d=10,3\text{ mm}$, mũi taro M12 ($P=1,75\text{ mm}$) • Khoan $\varnothing 10,3\text{ mm}$: sâu $29,55\text{ mm}, S=0,4\text{ mm/vg}, n_m=1013\text{ vg/ph}$
• Taro M12: $t=29\text{ mm}, n_m=255\text{ vg/ph}, V_t=9,9\text{ m/ph}$		 Tính theo từng bước công nghệ
NC 5 Tiện thô, tiện tinh $\varnothing 80$ dài $70\text{ mm}$ Máy tiện T161 ($N=4,5\text{ kW}$, 12 cấp tốc độ); Dao tiện lỗ BK6 $\varphi=90^\circ$ • Tiện thô $\varnothing 75$: $S_z=0,56\text{ mm/răng}, n_m=176\text{ vg/ph}, V_{tt}=41,44\text{ m/ph}$
• Tiện tinh $\varnothing 80$: $S_z=0,4\text{ mm/răng}, n_m=176\text{ vg/ph}, V_{tt}=41,44\text{ m/ph}$		 • Thô: $2,1\text{ ph}$
• Tinh: $0,72\text{ ph}$
NC 6 Tiện thô, tiện tinh $\varnothing 100$ dài $8\text{ mm}$ Máy tiện T161; Dao tiện lỗ BK6 $\varphi=90^\circ$ ($h=10, L=150$) • Tiện thô $\varnothing 98$: $S_z=0,75\text{ mm/răng}, n_m=124,08\text{ vg/ph}, V_{tt}=38,18\text{ m/ph}$
• Tiện tinh $\varnothing 100$: $S_z=1,3\text{ mm/răng}, n_m=124,08\text{ vg/ph}, V_{tt}=38,96\text{ m/ph}$		 • Thô: $0,41\text{ ph}$
• Tinh: $0,34\text{ ph}$
NC 7 Tiện thô, tiện tinh $\varnothing 148$ dài $30\text{ mm}$ Máy tiện T161; Dao BK6 $\varphi=45^\circ$ ($h=16, B=16, L=80$) • Tiện thô $\varnothing 140$: $S_z=2,5\text{ mm/răng}, n_m=88\text{ vg/ph}, V_{tt}=38,68\text{ m/ph}$
• Tiện tinh $\varnothing 148$: $S_z=0,35\text{ mm/răng}, n_m=248,16\text{ vg/ph}, V_{tt}=115,32\text{ m/ph}$		 • Thô: $0,21\text{ ph}$
• Tinh: $0,46\text{ ph}$
NC 8 Tiện thô, tiện tinh $\varnothing 84$ dài $2\text{ mm}$ Máy tiện T161; Dao rộng lỗ BK6 $\varphi=45^\circ$ ($H=7,5, D=12, L=70$) • Tiện thô $\varnothing 80$: $S_z=1,3\text{ mm/răng}, n_m=248\text{ vg/ph}, V_{tt}=62,29\text{ m/ph}$
• Tiện tinh $\varnothing 84$: Tiếp tục bước hoàn thiện		 Tính toán theo quy chuẩn tiện
NC 9 Tiện hoàn thiện các mặt gờ gá Máy tiện T161 Gia công các bậc đường kính tinh chỉnh Tính toán theo bước cắt

Đồ án cũng xác định việc không sử dụng dung dịch trơn nguội trong quá trình tiện do dao sử dụng mảnh hợp kim cứng BK6 để tránh hiện tượng sốc nhiệt gây nứt vỡ và mòn sớm dụng cụ cắt.

Chương 5: Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian

Chương này tập trung xác định lượng dư trung gian và dung sai cho các bước công nghệ phay mặt phẳng đáy. Quá trình gia công chuyển tiếp từ phôi đúc qua phay thô và phay tinh được tính toán chi tiết, đảm bảo lượng dư gia công tối thiểu đủ để hớt bỏ lớp biến cứng bề mặt và sai lệch hình học từ bước công nghệ trước đó.

Chương 6: Thiết kế đồ gá công nghệ nguyên công 3

Chương 6 trình bày phương án thiết kế cơ cấu đồ gá chuyên dùng cho nguyên công khoan và khoét 6 lỗ trên máy khoan đứng 2A125:

  • Định vị: Định vị khống chế các bậc tự do cần thiết thông qua mặt đáy tựa trên 2 phiến tỳ và chốt tỳ cố định đầu tròn.
  • Kẹp chặt: Sử dụng cơ cấu kẹp ren truyền động cơ khí, tác dụng lực vuông góc với mặt định vị chính.
  • Xác định thông số động lực học & tính lực kẹp $P_{tt}$: Thiết lập điều kiện chống xoay và chống trượt của chi tiết dưới tác dụng của mô men cắt $M_x$ và lực dọc trục $P_0$ sinh ra trong quá trình khoan và khoét.
  • Tính toán sai số gá đặt: Đánh giá tổng hợp sai số gá đặt $\varepsilon_{gd} = \sqrt{\varepsilon_c^2 + \varepsilon_k^2 + \varepsilon_{dg}^2}$, đảm bảo sai số gá đặt nhỏ hơn $1/3$ dung sai vị trí của các lỗ gia công.

Chương 7: Kết luận

Tổng hợp các kết quả tính toán, khẳng định quy trình công nghệ thiết kế và kết cấu đồ gá đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ chi tiết, phù hợp với điều kiện trang thiết bị công nghệ phổ biến tại các nhà máy cơ khí.

Kết quả và đóng góp

  1. Xác lập quy trình công nghệ hoàn chỉnh: Xây dựng thành công tiến trình công nghệ 9 nguyên công gia công cơ chi tiết nắp trục ổ nghiền, xác định đầy đủ thông số công nghệ từ dạng phôi đúc khuôn cát mẫu kim loại cấp I đến các bước gia công tinh.
  2. Số liệu chế độ cắt chuẩn xác: Toàn bộ tốc độ trục chính, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được chuẩn hóa theo cấp số nhân của các máy công cụ cụ thể (máy phay 6H12, máy khoan 2A125, máy khoan cần 2H55, máy tiện T161), tính toán thời gian gia công định mức từng nguyên công.
  3. Thiết kế đồ gá chuyên dùng: Hoàn thành tính toán kết cấu đồ gá nguyên công khoan - khoét 6 lỗ với đầy đủ phân tích lực kẹp cần thiết $P_{tt}$ và sai số gá đặt, đảm bảo độ tin cậy trong sản xuất hàng loạt lớn với sản lượng 29.700 chi tiết/năm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tính toán quy trình công nghệ dựa trên hệ thống máy công cụ truyền thống (vạn năng) và phương pháp tra bảng kinh nghiệm từ sổ tay công nghệ, chưa áp dụng gia công trên các trung tâm gia công CNC. Đồ án chỉ thiết kế đồ gá chuyên dùng chi tiết cho nguyên công 3, các nguyên công tiện chủ yếu sử dụng mâm cặp ba chấu tự định tâm tiêu chuẩn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng quy trình công nghệ sang gia công trên máy tiện CNC và máy phay CNC để tích hợp các nguyên công, rút ngắn thời gian nguyên công và nâng cao hơn nữa độ chính xác vị trí tương quan giữa các bề mặt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật, Công nghệ Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ sư công nghệ tại các xưởng cơ khí trong việc tham khảo phương pháp lập tiến trình công nghệ, phương pháp tra cứu và hiệu chỉnh chế độ cắt theo máy công cụ thực tế cho các chi tiết dạng đĩa, nắp ổ đỡ.
  • Phần đáng tham khảo nhất là các bảng tính toán chế độ cắt chi tiết theo chuỗi số vòng quay của máy phay 6H12 và máy tiện T161, cùng phương pháp tính toán lực kẹp cho đồ gá khoan nhiều lỗ.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết nắp trục ổ nghiền được chế tạo bằng vật liệu gì và có các chỉ tiêu cơ tính ra sao?
Chi tiết được chế tạo bằng gang xám GX 15-32, có độ cứng 182–199 HB, giới hạn bền kéo $\sigma_k = 15\text{ kg/mm}^2$, giới hạn bền nén $\sigma_n = 32\text{ kg/mm}^2$ và khối lượng chi tiết là 2,3 kg.

2. Sản lượng chế tạo hàng năm của chi tiết được tính toán như thế nào và dạng sản xuất là gì?
Sản lượng hàng năm được xác định qua công thức $N = N_0 \cdot (1 + \alpha/100 + \beta/100) = 27.000 \cdot (1 + 0,05 + 0,05) = 29.700$ chiếc/năm. Với sản lượng này và khối lượng 2,3 kg, dạng sản xuất là sản xuất hàng loạt lớn hoặc hàng khối.

3. Phương pháp tạo phôi và cấp chính xác của phôi đúc được chọn là gì?
Phương pháp được chọn là đúc trong khuôn cát, mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy. Phôi đúc đạt cấp chính xác I, cấp chính xác kích thước IT14–IT17 và độ nhám bề mặt $R_z = 40,\mu\text{m}$.

4. Chuẩn công nghệ (chuẩn thô và chuẩn tinh) được chọn như thế nào trong tiến trình gia công?
Chuẩn thô được chọn là mặt phẳng 11 để gia công các mặt phẳng 1, 2, 4, 5, 6, 7, 10 ở các bước đầu; chuẩn tinh thống nhất được chọn là mặt phẳng 1 và mặt trụ 10 để định vị gia công các bề mặt còn lại.

5. Tại sao không sử dụng dung dịch trơn nguội khi tiện các bề mặt tròn xoay ở các nguyên công 5, 6, 7, 8?
Do dụng cụ cắt được chọn là dao tiện gắn mảnh hợp kim cứng BK6, việc tưới nguội không liên tục hoặc không đúng cách dễ gây hiện tượng sốc nhiệt dẫn đến nứt vỡ hợp kim cứng và làm dao mòn trước thời hạn.

Kết luận

Báo cáo đồ án công nghệ chế tạo máy đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết nắp trục ổ nghiền phục vụ sản xuất hàng loạt lớn. Toàn bộ các bước từ phân tích vật liệu GX 15-32, xác định phôi đúc khuôn cát mẫu kim loại, lập 9 nguyên công gia công cơ trên các máy công cụ vạn năng đến thiết kế đồ gá nguyên công khoan khoét 6 lỗ đều được tính toán với thông số kỹ thuật rõ ràng. Đồ án cung cấp hệ thống số liệu tra cứu và phương pháp tính toán chế độ cắt chuẩn xác cho chi tiết dạng đĩa trong ngành cơ khí chế tạo.