Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, việc lập quy trình công nghệ gia công chi tiết đóng vai trò quyết định đến việc đảm bảo độ chính xác kỹ thuật, nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm. Đồ án "Quy trình công nghệ chế tạo máy" do sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Quý Đức tập trung vào nhiệm vụ thiết kế quy trình công nghệ chế tạo chi tiết Giá dẫn hướng – một chi tiết dạng càng/khối trung gian dùng để liên kết hai trục song song, giúp một trục có thể tịnh tiến song song với trục còn lại.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được triển khai qua các bước:

  1. Xác định dạng sản xuất dựa trên sản lượng hàng năm theo kế hoạch.
  2. Phân tích chức năng làm việc, vật liệu chế tạo và các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết Giá dẫn hướng.
  3. Phân tích, so sánh các phương pháp tạo phôi và lựa chọn phương án chế tạo phôi tối ưu.
  4. Lập tiến trình công nghệ gia công các bề mặt và so sánh các phương án thứ tự nguyên công.
  5. Thiết kế chi tiết từng nguyên công: chọn chuẩn định vị, cơ cấu kẹp chặt, thiết bị máy móc, dụng cụ cắt và dụng cụ đo kiểm.
  6. Xác định lượng dư gia công và kích thước trung gian bằng cả phương pháp phân tích giải tích và phương pháp tra bảng.
  7. Xác định chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc cắt, số vòng quay, lực cắt, mômen xoắn, công suất) bằng phương pháp giải tích và tra bảng.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết Giá dẫn hướng chế tạo từ gang xám GX 15-32. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong điều kiện sản xuất cơ khí quy mô hàng loạt với hệ thống máy gia công vạn năng thông dụng (máy phay đứng, máy phay ngang 6H12 và máy khoan đứng 2A135) cùng các đồ gá định vị chuyên dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết nền tảng và tài liệu chuyên ngành công nghệ chế tạo máy:

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn: Lý thuyết công nghệ chế tạo máy, nguyên lý cắt gọt kim loại, sổ tay công nghệ chế tạo máy (tập 1, tập 2, tập 3 do PGS. TS. Trần Văn Địch và các tác giả biên soạn), giáo trình kim loại học và nhiệt luyện, hệ thống tiêu chuẩn dung sai lắp ghép và độ nhám bề mặt (cấp chính xác IT, tiêu chuẩn độ nhám $Ra$, $Rz$).
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tính toán kỹ thuật:
    • Phương pháp giải tích: Ứng dụng mô hình tính toán lượng dư gia công của Kovan (tính toán dựa trên chiều sâu lớp khuyết tật bề mặt $Rz$, $T_i$, sai lệch vị trí không gian $\rho_i$ và sai số gá đặt $\varepsilon_{gd}$); tính toán các thông số chế độ cắt theo công thức thực nghiệm vận tốc cắt $V = \frac{C_v}{T^m t^{x_v} S^{y_v}} K_v$, mômen xoắn $M_x$, lực chiều trục $P_o$ và công suất cắt $N$.
    • Phương pháp tra bảng: Tra cứu các định mức lượng dư, dung sai kích thước trung gian, bước tiến dao và vận tốc cắt từ các bảng tiêu chuẩn trong sổ tay công nghệ.
    • Phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật: Đánh giá các phương pháp tạo phôi (đúc, rèn, cán, hàn) và so sánh giữa các phương án phân chia nguyên công gia công nhằm tối ưu hóa khả năng gá đặt và năng suất chế tạo.
  • Nguồn dữ liệu: Bản vẽ thiết kế chi tiết Giá dẫn hướng, Sổ tay Công nghệ chế tạo máy tập 1 và tập 3, Bảng tra chế độ cắt gia công cơ khí, tài liệu hướng dẫn thiết kế đồ án môn học.

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần I: Xác định dạng sản xuất

Sản lượng chi tiết cần chế tạo trong một năm của nhà máy được xác định theo công thức: $$N = N_0 \cdot m \cdot \left(1 + \frac{\alpha}{100}\right) \cdot \left(1 + \frac{\beta}{100}\right)$$

Trong đó:

  • $N_0 = 10.000$ (chiếc/năm) là số sản phẩm theo kế hoạch.
  • $m = 1$ là số chi tiết như nhau trong một sản phẩm.
  • $\alpha = 20%$ là tỉ lệ chi tiết dự trữ làm phụ tùng thay thế.
  • $\beta = 3%$ là tỉ lệ phế phẩm trong quá trình sản xuất.

Dựa trên sản lượng tính toán và khối lượng chi tiết, dạng sản xuất được xác định là sản xuất hàng loạt vừa đến hàng loạt lớn, định hướng sử dụng các thiết bị vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng.

Phần II: Phân tích chi tiết gia công

Chi tiết Giá dẫn hướng được đúc bằng gang xám mác GX 15-32, có thành phần hóa học gồm Fe, C, $(0,5 - 4,5)%\text{ Si}$, $(0,4 - 0,6)%\text{ Mn}$, $0,8%\text{ P}$, $0,12%\text{ S}$ cùng một số nguyên tố phụ trợ (Cr, Cu, Ni, Al). Các chỉ tiêu cơ lý tính của vật liệu:

  • Giới hạn bền uốn: $\sigma_u = 280\text{ N/mm}^2$
  • Giới hạn bền nén: $\sigma_n = 500\text{ N/mm}^2$
  • Độ cứng: $HB \le 190$
  • Giới hạn bền kéo: $\sigma_b = 120\text{ N/mm}^2$

Yêu cầu kỹ thuật chính gồm có hai bề mặt lỗ làm việc:

  • Lỗ trụ $\Phi 50^{+0,039}$ đạt cấp chính xác H8, độ nhám bề mặt $Ra = 2,5,\mu\text{m}$.
  • Lỗ trụ $\Phi 15^{+0,027}$ đạt cấp chính xác H8, độ nhám bề mặt $Ra = 2,5,\mu\text{m}$.

Phần III: Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi

Tác giả phân tích đặc tính của các phương pháp tạo phôi:

  • Phôi cán/rèn: Không phù hợp do kết cấu Giá dẫn hướng phức tạp, có gờ và yêu cầu các kích thước đạt cấp chính xác 7–8.
  • Phôi đúc: Được lựa chọn nhờ giá thành thấp, khả năng tạo hình kết cấu phức tạp và phù hợp với gang xám GX 15-32.

Phương pháp chế tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn cát – mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy, đạt cấp chính xác phôi cấp II (IT15–IT16, độ nhám $Rz = 80,\mu\text{m}$). Lượng dư gia công danh nghĩa cho các bề mặt phôi đúc gồm:

  • Kích thước danh nghĩa 80 mm: lượng dư 2 phía 4,5 mm, dung sai 1,4 mm $\rightarrow$ kích thước phôi lớn nhất 85,9 mm (lượng dư gia công mỗi phía 2,95 mm).
  • Kích thước danh nghĩa 50 mm: lượng dư 2 phía 5 mm, dung sai 1 mm $\rightarrow$ kích thước phôi 44 mm (lượng dư gia công 3 mm).
  • Kích thước danh nghĩa 44 mm: lượng dư 2 phía 4 mm, dung sai 1 mm $\rightarrow$ kích thước phôi 49 mm (lượng dư gia công 2,5 mm).

Phần IV: Tiến trình gia công các bề mặt

Tác giả khảo sát các giải pháp công nghệ cho từng bề mặt:

  • Mặt đầu 1 và 3: Chọn phương pháp phay mặt đầu (thô và bán tinh) thay cho tiện do chi tiết có gờ gây cản trở khi tiện.
  • Mặt lỗ $\Phi 50$: Chọn phương án khoét – doa (thay vì tiện dọc trục, chuốt hoặc mài) nhằm đảm bảo cấp chính xác IT8 và $Ra = 2,5,\mu\text{m}$.
  • Mặt phẳng 6, 8: Chọn phương pháp phay thô và phay tinh.
  • Mặt lỗ $\Phi 15$: Gia công qua các bước khoan – khoét – doa.
  • Mặt 11: Khoan lỗ.
  • Mặt 12, 13 và rãnh 14: Phay bằng dao phay đĩa ba mặt răng.

So sánh hai phương án phân chia thứ tự nguyên công:

  • Phương án 1 (7 nguyên công): Ghép phay mặt đầu 1 và 3 chung nguyên công; ưu điểm là ít nguyên công nhưng nhược điểm là gá đặt khó khăn.
  • Phương án 2 (8 nguyên công): Tách riêng phay mặt 3 (NC1) và phay mặt 1 (NC2); dễ gá đặt, nâng cao độ cứng vững và năng suất gia công. Đồ án quyết định lựa chọn Phương án 2.

Phần V: Thiết kế nguyên công

Chuẩn công nghệ được lựa chọn:

  • Chuẩn thô: Mặt trụ ngoài $\Phi 64$.
  • Chuẩn tinh thống nhất: Mặt phẳng 1 (hoặc mặt 3) kết hợp với các bề mặt lỗ gia công.
Nguyên công Nội dung công việc Máy gia công Dụng cụ cắt Định vị & Kẹp chặt
NC1 Phay thô và bán tinh mặt 3 ($Rz=20,\mu\text{m}$) Máy phay đứng 6H12 ($N=7\text{ kW}$) Dao phay mặt đầu hợp kim BK8/BK6 ($D=110\text{ mm}$, $z=12$) Khối V ngắn (2 bậc) + Phiến tỳ phẳng (3 bậc); kẹp chặt liên động
NC2 Phay thô và bán tinh mặt 1 ($Rz=20,\mu\text{m}$) Máy phay đứng 6H12 ($N=7\text{ kW}$) Dao phay mặt đầu hợp kim BK8/BK6 ($D=110\text{ mm}$, $z=12$) Khối V ngắn (2 bậc) + Phiến tỳ phẳng (3 bậc); kẹp chặt liên động
NC3 Khoét thô, khoét tinh, doa tinh lỗ $\Phi 50^{+0,039}$ Máy khoan đứng 2A135 ($N=6\text{ kW}$) Mũi khoét BK8, mũi doa tinh BK3 ($D=50\text{ mm}$) Khối V (2 bậc) + Phiến tỳ phẳng (3 bậc); cơ cấu kẹp liên động
NC4 Phay thô và tinh mặt 6 & 8 ($Ra=2,5,\mu\text{m}$) Máy phay ngang 6H12 ($N=7\text{ kW}$) Dao phay đĩa 3 mặt răng thép gió P18 ($D=60\text{ mm}$, $z=16$) Chốt trụ ngắn có vai mặt 4, 1 (5 bậc) + Chốt tỳ mặt 10 (1 bậc); kẹp bu-lông
NC5 Khoan, khoét, doa tinh lỗ $\Phi 15^{+0,027}$ Máy khoan đứng 2A135 ($N=6\text{ kW}$) Mũi khoan ruột gà BK8, khoét BK6/BK4, doa BK3 Chốt trụ ngắn có vai mặt 4 (5 bậc) + Khối V tùy động mặt 10 (1 bậc); kẹp bu-lông
NC6 Phay mặt đầu 12 & 13 (IT14, $Rz=40,\mu\text{m}$) Máy phay ngang 6H12 ($N=7\text{ kW}$) Dao phay đĩa 3 mặt răng thép gió ($D=90\text{ mm}$, $z=12$) Phiến tỳ mặt 1 (3 bậc) + Chốt trụ ngắn lỗ 4 (2 bậc) + Chốt trám lỗ 5 (1 bậc)
NC7 Khoan lỗ $\Phi 15^{+0,18}$ (IT14, $Rz=40,\mu\text{m}$) Máy khoan đứng 2A135 ($N=6\text{ kW}$) Mũi khoan ruột gà đuôi côn BK8 ($D=15\text{ mm}$) Phiến tỳ mặt 1 (3 bậc) + Chốt trụ ngắn mặt 4 (2 bậc) + Chốt tỳ mặt 10 (1 bậc)
NC8 Phay rãnh 14 (IT14, $Rz=40,\mu\text{m}$) Máy phay ngang 6H12 ($N=7\text{ kW}$) Dao phay đĩa 3 mặt răng ($D=60\text{ mm}$, $d=30\text{ mm}$, $z=16$) Chốt trụ ngắn có vai mặt 4, 3 (5 bậc) + Chốt trám mặt 5 (1 bậc); kẹp bu-lông

Tất cả các nguyên công đều thực hiện với điều kiện làm nguội khô (bôi trơn làm nguội: khan). Dụng cụ đo kiểm sử dụng thước cặp dải đo 150 mm với độ chính xác từ 0,02 mm đến 0,1 mm.

Phần VI: Xác định lượng dư trung gian và kích thước trung gian

  1. Phương pháp giải tích tính cho lỗ $\Phi 15^{+0,027}$ (Khoan $\rightarrow$ Khoét $\rightarrow$ Doa):

    • Các thông số sai lệch: Phôi đúc cấp II có $\rho_0 = 79,5,\mu\text{m}$; sau khoan $\rho_1 = 50,\mu\text{m}$; sau khoét $\rho_2 = 25,\mu\text{m}$; sau doa $\rho_3 = 0,\mu\text{m}$.
    • Sai số gá đặt: $\varepsilon_c = 32,\mu\text{m}$, $\varepsilon_k = 90,\mu\text{m}$, $\varepsilon_{dg} = 14,35,\mu\text{m} \rightarrow \varepsilon_{gd} = 65,59,\mu\text{m}$.
    • Lượng dư gia công nhỏ nhất:
      • Bước khoan: $2Z_{\min 1} = 1206,13,\mu\text{m}$ (quy tròn $1,2\text{ mm}$).
      • Bước khoét: $2Z_{\min 2} = 264,95,\mu\text{m}$ (quy tròn $0,3\text{ mm}$).
      • Bước doa: $2Z_{\min 3} = 165,38,\mu\text{m}$ (quy tròn $0,227\text{ mm}$).
    • Kích thước giới hạn trung gian sau tính toán:
      • Sau bước khoan: $D_{\max 1} = 14,5\text{ mm}$, $D_{\min 1} = 14,07\text{ mm}$ ($\delta_1 = 0,43\text{ mm}$, IT14).
      • Sau bước khoét: $D_{\max 2} = 14,8\text{ mm}$, $D_{\min 2} = 14,73\text{ mm}$ ($\delta_2 = 0,07\text{ mm}$, IT10).
      • Sau bước doa: $D_{\max 3} = 15,027\text{ mm}$, $D_{\min 3} = 15\text{ mm}$ ($\delta_3 = 0,027\text{ mm}$, IT8).

  2. Phương pháp tra bảng cho các bề mặt khác:

Bề mặt gia công Bước công nghệ Cấp chính xác Dung sai $\delta$ (mm) Lượng dư tra bảng (mm) Kích thước trung gian trên bản vẽ
Mặt 6 & 8 Phay thô
Phay tinh		 IT12
IT9		 0,25
0,062		 2,8
2,0		 $46_{-0,25}\text{ mm}$
$44^{\pm 0,031}\text{ mm}$
Mặt 3 Phay thô
Phay bán tinh		 IT14
IT11		 0,87
0,22		 3,9
1,7		 $86,2_{-0,87}\text{ mm}$
$84,5 \pm 0,11\text{ mm}$
Mặt 1 Phay thô
Phay bán tinh		 IT14
IT11		 0,87
0,22		 3,9
1,7		 $81,7_{-0,87}\text{ mm}$
$80 \pm 0,11\text{ mm}$
Mặt lỗ $\Phi 50^{+0,039}$ Khoét thô
Khoét tinh
Doa		 IT12
IT10
IT8		 0,25
0,10
0,039		 4,0
1,73
0,07		 $48,2_{-0,25}\text{ mm}$
$49,93_{-0,1}\text{ mm}$
$50^{+0,039}\text{ mm}$
Mặt 12 & 13 Phay thô IT14 0,52 4,65 $22 \pm 0,26\text{ mm}$

Phần VII: Xác định chế độ cắt

  1. Phương pháp giải tích cho bước gia công lỗ $\Phi 15^{+0,027}$ trên máy khoan 2A135:

    • Bước khoan ($D=14,07\text{ mm}$, mũi khoan BK8): Chiều sâu cắt $t = 7,035\text{ mm}$; lượng chạy dao $S = 1,22\text{ mm/vòng}$; vận tốc cắt thực tế $V = 8,61\text{ m/phút}$; kiểm tra mômen xoắn và công suất cắt đảm bảo an toàn với công suất máy $[N] = 2,8\text{ kW}$.
    • Bước khoét ($D=14,73\text{ mm}$, mũi khoét BK8): Chiều sâu cắt $t = 0,33\text{ mm}$; lượng chạy dao $S = 0,8\text{ mm/vòng}$; tốc độ cắt thực tế $V = 50,87\text{ m/phút}$; số vòng quay trục chính $n = 1100\text{ v/phút}$.
    • Bước doa ($D=15\text{ mm}$, mũi doa BK3): Chiều sâu cắt $t = 0,135\text{ mm}$; bước tiến dao $S = 1,4\text{ mm/vòng}$; thời gian gia công cơ bản được xác định theo hệ số hiệu chỉnh $K_{vr}$.

  2. Phương pháp tra bảng cho mặt lỗ $\Phi 50^{+0,039}$ và Phay mặt 3:

    • Lỗ $\Phi 50^{+0,039}$: Chiều sâu cắt khoét thô $t_1 = 4\text{ mm}$ ($S = 1,6\text{ mm/vòng}$, $n = 400\text{ v/phút}$); khoét tinh $t_2 = 1,73\text{ mm}$ ($n = 400\text{ v/phút}$); doa tinh $t_3 = 0,07\text{ mm}$ ($n = 530\text{ v/phút}$).
    • Phay mặt 3 (máy 6H12): Chiều sâu cắt phay thô $t_1 = 3,9\text{ mm}$, phay bán tinh $t_2 = 1,7\text{ mm}$; bước tiến dao răng $S_z = 0,2\text{ mm/răng}$; độ bền dao $T_p = 180\text{ phút}$.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật: Thiết lập thành công tiến trình công nghệ 8 nguyên công hoàn chỉnh gia công Giá dẫn hướng, kiểm soát kích thước hai lỗ chuẩn $\Phi 50^{+0,039}$ và $\Phi 15^{+0,027}$ đạt cấp chính xác H8, nhám bề mặt $Ra = 2,5,\mu\text{m}$.
  • Hệ số tính toán công nghệ: Cung cấp đầy đủ bảng tính lượng dư giải tích (sai lệch không gian $\rho$, sai số gá đặt $\varepsilon_{gd} = 65,59,\mu\text{m}$) và bảng tra kích thước trung gian cho từng nguyên công.
  • Giải pháp chế tạo: Đề xuất sử dụng phôi đúc mẫu kim loại làm khuôn bằng máy và các loại dao hợp kim cứng (BK8, BK6, BK4, BK3) kết hợp thép gió P18, đảm bảo công suất cắt thực tế phù hợp với đặc tính máy công cụ 6H12 và 2A135 trong điều kiện sản xuất loạt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án chưa thực hiện tính toán chi tiết lực kẹp thực tế tác dụng lên phôi và kiểm nghiệm biến dạng cơ học của chi tiết dưới tác dụng của lực cắt trong đồ gá; chưa phát triển chương trình gia công tự động trên máy điều khiển số CNC.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thiết kế đồ gá chuyên dùng có cơ cấu kẹp chặt bằng khí nén hoặc thủy lực để rút ngắn thời gian phụ; nghiên cứu chuyển đổi quy trình công nghệ sang trung tâm gia công CNC nhiều trục.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Tài liệu trực tiếp phục vụ sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Công nghệ chế tạo máy thực hiện đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Nội dung giá trị: Cung cấp phương pháp mẫu mực về việc tính toán lượng dư gia công bằng phương pháp giải tích phân tích kết hợp tra bảng; phương pháp khống chế đủ 6 bậc tự do khi gia công chi tiết dạng càng/khối.

Câu hỏi thường gặp

Chi tiết Giá dẫn hướng được làm từ vật liệu gì và có cơ tính ra sao?

Chi tiết được chế tạo từ gang xám mác GX 15-32, có độ cứng $HB \le 190$, giới hạn bền nén $\sigma_n = 500\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 280\text{ N/mm}^2$ và giới hạn bền kéo $\sigma_b = 120\text{ N/mm}^2$.

Tại sao tác giả chọn phương pháp đúc trong khuôn cát – mẫu kim loại làm khuôn bằng máy?

Phương pháp này được lựa chọn vì gang xám có tính đúc tốt; việc dùng khuôn cát mẫu kim loại làm khuôn bằng máy cho cấp chính xác phôi đạt IT15–IT16, độ nhám $Rz = 80,\mu\text{m}$, giá thành chế tạo khuôn và thiết bị đầu tư hợp lý, đáp ứng sản lượng kế hoạch 10.000 chiếc/năm (sản xuất hàng loạt vừa đến lớn).

Chuỗi bước công nghệ để gia công hoàn thiện lỗ $\Phi 15^{+0,027}$ gồm những gì?

Lỗ $\Phi 15^{+0,027}$ được gia công qua 3 bước liên tiếp trên máy khoan 2A135: Khoan lỗ thô đạt IT14 ($Rz = 50,\mu\text{m}$), Khoét đạt IT10 ($Rz = 12,5,\mu\text{m}$) và Doa tinh đạt cấp chính xác IT8 ($Ra = 2,5,\mu\text{m}$).

Vì sao tác giả chọn phương án quy trình công nghệ 8 nguyên công thay vì 7 nguyên công?

Phương án 8 nguyên công tách việc phay mặt 3 và phay mặt 1 thành hai nguyên công độc lập (NC1 và NC2). Mặc dù tăng thêm một nguyên công, phương án này giúp việc định vị và kẹp chặt chi tiết dễ dàng, kết cấu đồ gá đơn giản hơn và đạt năng suất tổng thể cao hơn phương án 7 nguyên công.

Kết luận

Đồ án công nghệ chế tạo máy cho chi tiết Giá dẫn hướng đã hoàn thành đầy đủ các nội dung thiết kế kỹ thuật từ khâu xác định dạng sản xuất hàng loạt, chọn phôi đúc khuôn cát mẫu kim loại đến lập quy trình công nghệ 8 nguyên công. Các thông số lượng dư gia công và chế độ cắt được xác định chuẩn xác qua phương pháp giải tích và tra bảng, tương thích hoàn toàn với năng lực thiết bị của máy phay 6H12 và máy khoan 2A135. Đây là tài liệu thuyết minh kỹ thuật chi tiết, có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác học tập và thiết kế công nghệ trong ngành cơ khí chế tạo máy.