Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống động cơ đốt trong, trục cam là một chi tiết cơ học giữ vai trò cốt lõi thuộc cơ cấu phân phối khí. Chi tiết này có nhiệm vụ tiếp nhận chuyển động từ trục khuỷu (với vận tốc quay bằng khoảng một nửa vận tốc trục khuỷu) để truyền động trực tiếp đến việc đóng/mở hệ thống xupap nạp và xupap thải đúng theo chu trình làm việc của các xi lanh, từ đó quyết định hiệu suất và độ ổn định của động cơ. Cấu tạo trục cam bao gồm ba phần chính: các cổ trục lắp ghép ổ đỡ, các vấu cam nạp - thải có biên dạng đối xứng quyết định hành trình mở của xupap, và phần bánh răng truyền động.

Đồ án công nghệ chế tạo máy của nhóm tác giả tập trung giải quyết bài toán thiết kế quy trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh cho chi tiết trục cam nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về độ chính xác kích thước, độ cứng bề mặt và độ nhám làm việc trong điều kiện chịu tải trọng động, ma sát liên tục và nhiệt độ cao.

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

  1. Phân tích chức năng làm việc, tính công nghệ của kết cấu và điều kiện kỹ thuật của chi tiết trục cam.
  2. Xác định sản lượng hàng năm, tính toán thể tích, khối lượng chi tiết để định hình dạng sản xuất phù hợp.
  3. Phân tích, lựa chọn phương pháp chế tạo phôi tối ưu và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi.
  4. Lập tiến trình công nghệ, so sánh và lựa chọn phương án phân chia nguyên công hợp lý; thiết kế sơ đồ gá đặt, chọn máy móc, dụng cụ cắt và thiết bị đo cho từng nguyên công.
  5. Tính toán lượng dư gia công trung gian, lượng dư giới hạn và xác định dung sai kích thước qua các bước công nghệ.
  6. Xác định chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc cắt, công suất cắt) và tính toán thời gian gia công định mức cho từng nguyên công.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết trục cam đơn được chế tạo từ vật liệu thép cacbon kết cấu C45, khối lượng tính toán 0,209 kg. Phạm vi nghiên cứu đặt trong điều kiện sản xuất cơ khí với quy mô sản lượng 5.003 chi tiết/năm, áp dụng hệ thống máy công cụ vạn năng và thiết bị chuyên dùng phổ biến tại xưởng cơ khí chế tạo máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết công nghệ chế tạo máy, lý thuyết cắt gọt kim loại, cùng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật về vật liệu và dung sai lắp ghép cơ khí:

  • Tiêu chuẩn vật liệu cơ khí cho mác thép C45: Thành phần hóa học tiêu chuẩn gồm Cacbon (0,42 – 0,5%), Silic (0,16 – 0,36%), Mangan (0,5 – 0,8%), Phốt pho (tối đa 0,04%), Lưu huỳnh (tối đa 0,04%), Crom (tối đa 0,25%) và Niken (tối đa 0,25%). Cơ tính vật liệu trước và sau nhiệt luyện: giới hạn chảy đạt 36 kg/mm², độ bền kéo đạt 61 kg/mm², độ giãn dài tương đối 16%, độ cứng ban đầu HB 240 và độ cứng sau khi tôi cao tần đạt HB 469 (đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tối thiểu HB 388).
  • Hệ thống tiêu chuẩn dung sai và độ nhám: Áp dụng cấp chính xác không chỉ dẫn theo hệ thống lỗ cơ bản H14 cho bề mặt bao, h14 cho bề mặt bị bao và dung sai đối xứng $\pm\text{IT}14/2$ cho các kích thước còn lại; độ nhám cổ trục lắp ghép yêu cầu đạt $Ra = 1,25,\mu\text{m}$ đến $Ra = 2,5,\mu\text{m}$, mặt đầu và các bề mặt không lắp ghép đạt $Rz = 40,\mu\text{m}$.
  • Lý thuyết định vị và kẹp chặt: Nguyên lý khống chế bậc tự do khi gá đặt chi tiết dạng trục (sử dụng 2 mũi chống tâm khống chế 5 bậc tự do hoặc mâm cặp kết hợp tốc kẹp khống chế 4 - 5 bậc tự do).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Đánh giá kết cấu chi tiết, xác định tính công nghệ của trục có vát mép $1 \times 45^\circ$, yêu cầu dùng dưỡng kiểm tra biên dạng cam và sử dụng lỗ tâm làm chuẩn tinh thống nhất.
  • Phương pháp so sánh phương án công nghệ: Phân tích ưu - nhược điểm giữa phương án phân tán nguyên công (21 nguyên công) và phương án tập trung nguyên công (13 nguyên công) để chọn phương án tối ưu theo dạng sản xuất.
  • Phương pháp giải tích và tra bảng công nghệ: Tính toán thể tích, khối lượng, lượng dư gia công, chế độ cắt và thời gian gia công định mức dựa trên sổ tay công nghệ chế tạo máy.

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm bản vẽ thiết kế chi tiết trục cam, sổ tay thiết kế công nghệ chế tạo máy, lý lịch máy công cụ (máy tiện T616, máy phay 6H11, máy phay đứng 6H13b, máy mài cam cò CC2-AH, máy tôi cao tần 60kVA) và danh mục dụng cụ cắt gọt tiêu chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Phân tích chi tiết gia công và dạng sản xuất

Chương này tập trung làm rõ chức năng làm việc, điều kiện chịu tải và phân tích tính công nghệ kết cấu của trục cam. Tác giả chỉ ra rằng trục cam cần độ cứng vững cao, khả năng chống mài mòn tốt và chịu được va đập liên tục. Thép C45 được lựa chọn nhờ tính sẵn có, giá thành hợp lý, dễ gia công cắt gọt và đáp ứng tốt quá trình xử lý nhiệt luyện bề mặt.

Thông số Giá trị xác định Đơn vị
Sản lượng kế hoạch hàng năm ($N_1$) 5.000 chi tiết/năm
Số lượng chi tiết trong một sản phẩm ($m$) 1 chi tiết
Hệ số dự phòng phế phẩm/hư hỏng ($\beta$) 6 %
Sản lượng chế tạo hàng năm ($N$) 5.003 chi tiết/năm
Thể tích chi tiết ($V$) 26,58 $\text{cm}^3$
Khối lượng riêng thép C45 ($\gamma$) 0,007852 $\text{kg/cm}^3$
Khối lượng chi tiết ($Q$) 0,209 kg
Dạng sản xuất xác định Hàng loạt lớn -

Chương II: Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi

Dựa trên phân tích hình dáng hình học phức tạp của chi tiết (có các vấu cam lệch tâm và bánh răng liền trục) cùng sản lượng hàng loạt lớn, tác giả tiến hành đánh giá phương pháp tạo phôi:

  • Lựa chọn phôi: Phôi đúc trong khuôn kim loại có mặt phân khuôn nằm ngang.
  • Ưu điểm: Phôi đúc đạt được hình dạng kết cấu phức tạp, phân bố kim loại hợp lý, tiết kiệm phôi liệu gia công, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
  • Nhược điểm: Hao phí kim loại cho hệ thống rót, nguy cơ xuất hiện rỗ khí hoặc cháy cát đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ quá trình đúc.
  • Bản vẽ chi tiết lồng phôi: Xác định lượng dư gia công tổng thể trên các mặt đầu, cổ trục $\varnothing10$, $\varnothing11$, $\varnothing13$, biên dạng má cam và phần vành bánh răng $\varnothing60$.

Chương III: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết

Tác giả so sánh hai phương án quy trình công nghệ: Phương án 1 gồm 21 nguyên công (phân tán nguyên công) và Phương án 2 gồm 13 nguyên công (tập trung nguyên công). Kết luận lựa chọn Phương án 1 vì phù hợp tối ưu cho dạng sản xuất hàng loạt lớn, giúp chia nhỏ bước gia công, tối ưu hóa năng suất máy vạn năng, giảm thời gian hiệu chỉnh và đảm bảo độ chính xác ổn định.

STT Tên nguyên công Bề mặt gia công Thiết bị gia công Chuẩn định vị & Kẹp chặt
NC 1 Khỏa mặt đầu và khoan tâm Mặt 1, 2 Máy tiện T616 Mâm cặp, khống chế 4 bậc tự do
NC 2 Khỏa mặt đầu và khoan tâm Mặt 15, 14 Máy tiện T616 Mâm cặp, khống chế 4 bậc tự do
NC 3 Tiện thô Mặt 13, 12, 17 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 4 Tiện thô Mặt 3, 4, 10, 16 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 5 Tiện thô (rãnh) Mặt 5 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 6 Tiện thô (rãnh) Mặt 7, 9 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 7 Tiện thô chép hình Vấu cam mặt 6 Máy tiện T616 2 mũi chống tâm, 5 bậc tự do
NC 8 Tiện thô chép hình Vấu cam mặt 8 Máy tiện T616 2 mũi chống tâm, 5 bậc tự do
NC 9 Phay thô Rãnh mặt 20 Máy phay 6H11 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 10 Phay bánh răng ($z=38$) Mặt răng 11 Máy phay 6H13b Chống tâm + đầu phân độ 1/40
NC 11 Mài thô Vấu cam mặt 6 Máy mài CC2-AH Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 12 Mài thô Vấu cam mặt 8 Máy mài CC2-AH Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 13 Mài tinh Vấu cam mặt 6 Máy mài CC2-AH Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 14 Mài tinh Vấu cam mặt 8 Máy mài CC2-AH Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 15 Tôi cao tần Mặt 3, 6, 8 Máy tôi 60KVA Đồ gá định vị mặt 2, 14
NC 16 Tôi cao tần Mặt 13, 11 Máy tôi 60KVA Đồ gá định vị mặt 2, 14
NC 17 Tiện tinh Cổ trục mặt 3 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 18 Tiện tinh Cổ trục mặt 13 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 19 Vát mép Mặt 18, 22 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 20 Vát mép Mặt 19, 21 Máy tiện T616 Chống tâm + mâm cặp, 5 bậc tự do
NC 21 Kiểm tra độ chính xác Kích thước chính Bàn rà, panme, thước cặp Chuẩn 2 lỗ tâm

Chương IV: Lượng dư gia công

Chương này thực hiện xác định lượng dư trung gian và lượng dư giới hạn cho các bề mặt gia công của trục cam:

  • Phân tích chuỗi kích thước và dung sai qua từng bước công nghệ: đúc $\rightarrow$ tiện thô $\rightarrow$ tiện tinh / tôi cao tần $\rightarrow$ mài thô $\rightarrow$ mài tinh.
  • Bảng dung sai và cấp chính xác xác lập: Các mặt cổ trục đạt cấp chính xác 7, cấp độ bóng 7; mặt má cam sau khi mài chép hình đạt cấp chính xác 7 và cấp độ bóng 8; mặt răng sau khi phay đạt cấp chính xác 4, cấp độ bóng 5 - 6; các mặt đầu đạt cấp chính xác 4.

Chương V: Tính chế độ cắt

Tác giả thiết lập hệ thống công thức và tra bảng xác định 4 thông số cắt gọt cơ bản cho từng nguyên công: chiều sâu cắt $t$ (mm), lượng chạy dao $s$ (mm/vòng hoặc mm/răng), vận tốc cắt $v$ (m/phút) và công suất cắt $N_\text{cắt}$ (kW). Đồng thời so sánh công suất cắt tính toán với công suất động cơ của máy công cụ để kiểm nghiệm điều kiện an toàn:

  • Gia công trên máy tiện T616: Sử dụng dao tiện thép gió góc nghiêng chính $90^\circ$ và dao hợp kim T15K6 cho các bước tiện thô, tiện rãnh và tiện chép hình má cam.
  • Gia công trên máy phay vạn năng 6H11: Sử dụng dao phay ngón đuôi côn kích thước $l=32,\text{mm}$, $d=16,\text{mm}$, $L=117,\text{mm}$, $Z=4$ răng để gia công phay rãnh.
  • Gia công trên máy phay đứng 6H13b: Sử dụng dao phay đĩa mô đun $m=1,5$, đường kính ngoài $D=55,\text{mm}$, đường kính lỗ $d=22,\text{mm}$ kết hợp ụ phân độ $1/40$ để chia $z=38$ răng (quay 1 vòng cộng thêm 1 lỗ trên đĩa chia hàng 19 lỗ).
  • Gia công trên máy mài chuyên dùng CC2-AH: Sử dụng đá mài Makita B-51910 kích thước $150 \times 16 \times 12,\text{mm}$, tốc độ trục đá $2.126,\text{vòng/phút}$, tốc độ quay phôi cam $11,\text{vòng/phút}$.

Chương VI: Thời gian gia công

Chương cuối cùng tiến hành tính toán thời gian định mức cho từng nguyên công bao gồm: thời gian cơ bản (thời gian cắt gọt trực tiếp $T_0$), thời gian phụ ($T_p$), thời gian phục vụ chỗ làm việc ($T_{pv}$) và thời gian nghỉ ngơi tự nhiên ($T_{tn}$). Các nguyên công được tính toán cụ thể gồm:

  • Tiện mặt đầu và khoan tâm (NC 1, NC 2).
  • Tôi cao tần cổ trục $\varnothing10$ ($L=10,\text{mm}$) và vấu cam (NC 15, NC 16).
  • Phay bánh răng $z=38$ răng (NC 10).
  • Mài thô và mài tinh các bề mặt má cam số 6 và số 8 (NC 11, NC 12, NC 13, NC 14).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng hồ sơ công nghệ chế tạo chi tiết trục cam với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập dạng sản xuất hàng loạt lớn trên cơ sở tính toán khoa học ($Q = 0,209,\text{kg}$, $N = 5.003,\text{chi tiết/năm}$).
  • Lựa chọn phương pháp tạo phôi đúc trong khuôn kim loại mặt phân khuôn nằm ngang giúp tiết kiệm vật liệu và giảm đáng kể thời gian gia công cắt gọt.
  • Thiết lập quy trình công nghệ hoàn chỉnh gồm 21 nguyên công theo nguyên tắc phân tán nguyên công, chỉ định cụ thể thiết bị máy móc, sơ đồ định vị khống chế bậc tự do và dụng cụ cắt gọt tiêu chuẩn.
  • Đưa ra giải pháp chia độ chính xác khi phay bánh răng $z=38$ răng trên máy phay 6H13b bằng ụ chia độ $1/40$ sử dụng đĩa chia hàng 19 lỗ.
  • Xác lập chu trình nhiệt luyện bề mặt bằng phương pháp tôi cao tần trên máy 60kVA, nâng độ cứng làm việc của má cam và cổ trục từ HB 240 lên HB 469 (vượt yêu cầu kỹ thuật HB 388).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc hệ thống hóa một tiến trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục có biên dạng phức tạp (kết hợp trục, cam và bánh răng) dựa trên các thiết bị công nghệ vạn năng phổ biến trong ngành cơ khí Việt Nam, tạo tính khả thi cao trong ứng dụng thực tiễn xưởng sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi nghiên cứu chủ yếu dựa trên hệ thống máy công cụ vạn năng truyền thống (máy tiện T616, máy phay 6H11, 6H13b) và phương pháp chép hình cơ khí; chưa mở rộng ứng dụng trên các trung tâm gia công tiện - phay CNC đa trục.
  • Các thông số chế độ cắt và lượng dư gia công chủ yếu được xác định bằng phương pháp tra bảng và giải tích lý thuyết, chưa qua kiểm nghiệm đo lường lực cắt và độ mòn dao thực tế trên dây chuyền sản xuất công nghiệp.
  • Chưa thiết kế chi tiết kết cấu đồ gá chuyên dùng cho từng nguyên công mà chủ yếu sử dụng các cơ cấu định vị, kẹp chặt tiêu chuẩn (mâm cặp, mũi chống tâm, tốc kẹp).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Ứng dụng công nghệ gia công trên máy CNC nhiều trục và lập trình CAM để gia công biên dạng cam phức tạp không cần dưỡng chép hình.
  • Nghiên cứu thiết kế đồ gá chuyên dùng nhằm nâng cao năng suất gá đặt và độ chính xác lặp lại trong sản xuất hàng loạt lớn.
  • Khảo sát tối ưu hóa thông số chế độ cắt thực nghiệm bằng các phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu để giảm hao mòn dao cụ và rút ngắn thời gian nguyên công.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị dành cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử tham khảo làm tài liệu hướng dẫn thực hiện đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành gia công cơ khí.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư công nghệ tại các xưởng gia công cơ khí tham khảo quy trình công nghệ gia công các chi tiết trục có biên dạng cam và bánh răng liền khối.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án gồm: phương pháp phân tích chọn dạng sản xuất từ khối lượng và sản lượng; sơ đồ định vị khống chế bậc tự do khi tiện - mài chi tiết trục; quy trình tính toán phân độ khi phay bánh răng trên ụ chia độ gián tiếp $1/40$; và trình tự công nghệ kết hợp nhiệt luyện tôi cao tần trước các bước gia công tinh.

Câu hỏi thường gặp

1. Dạng sản xuất của chi tiết trục cam trong đồ án được xác định dựa trên những căn cứ nào? Dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn, dựa trên hai thông số tính toán cụ thể từ văn bản: sản lượng chế tạo hàng năm $N = 5.003$ chi tiết/năm (tính từ sản lượng kế hoạch $N_1 = 5.000$ chi tiết/năm với hệ số dự phòng phế phẩm $\beta = 6%$) và khối lượng chi tiết $Q = 0,209,\text{kg}$ (xác định từ thể tích thép $V = 26,58,\text{cm}^3$ và khối lượng riêng thép C45 $\gamma = 0,007852,\text{kg/cm}^3$).

2. Tại sao tác giả lựa chọn phương án quy trình công nghệ 21 nguyên công thay vì 13 nguyên công? Tác giả chọn phương án 1 (21 nguyên công) vì đây là đường lối phân tán nguyên công (ít bước trong một nguyên công), đặc biệt phù hợp cho dạng sản xuất hàng loạt lớn. Phương án này giúp chuyên môn hóa nguyên công, rút ngắn thời gian điều chỉnh máy, tận dụng hiệu quả các dòng máy vạn năng sẵn có và nâng cao năng suất tổng thể so với phương án 2 (tập trung nguyên công, phù hợp hơn với sản xuất đơn chiếc).

3. Chuẩn định vị chính được sử dụng xuyên suốt trong quá trình gia công trục cam là gì? Chuẩn định vị chính được lựa chọn là hai lỗ tâm ở hai mặt đầu của trục (khoan ở nguyên công 1 và 2). Chuẩn định vị này kết hợp với mũi chống tâm và mâm cặp/tốc kẹp giúp khống chế 4 đến 5 bậc tự do của chi tiết, đóng vai trò là chuẩn tinh thống nhất cho hầu hết các nguyên công tiện thô, tiện tinh, phay rãnh, phay bánh răng và mài má cam.

4. Bánh răng liền trên trục cam có thông số kỹ thuật gì và được gia công bằng phương pháp nào? Bánh răng có số răng $z = 38$, mô đun $m = 1,5$. Chi tiết được gia công ở nguyên công 10 trên máy phay đứng vạn năng 6H13b bằng dao phay đĩa mô đun ($D=55,\text{mm}$, $d=22,\text{mm}$), gá đặt trên ụ chia độ $1/40$. Khi phay, người thợ quay tay quay của mâm chia độ 1 vòng cộng thêm 1 lỗ trên hàng lỗ thứ 19 của đĩa chia để hoàn thành từng rãnh răng.

5. Yêu cầu nhiệt luyện của chi tiết trục cam được thực hiện tại nguyên công nào và đạt độ cứng bao nhiêu? Nhiệt luyện được thực hiện ở nguyên công 15 và 16 bằng phương pháp tôi cao tần trên máy tôi $60,\text{kVA}$ (nguồn điện 3 pha $380,\text{V}$, dòng điện cực đại $80,\text{A}$, tần số $30 - 100,\text{kHz}$) cho các bề mặt má cam và cổ trục $\varnothing10$. Quá trình này giúp nâng độ cứng bề mặt chi tiết từ HB 240 lên HB 469, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tối thiểu của bản vẽ là HB 388.

Kết luận

Đồ án "Quy trình gia công chi tiết trục cam" của nhóm sinh viên Trường Bách khoa – Đại học Cần Thơ đã xây dựng thành công một giải pháp công nghệ chế tạo máy hoàn chỉnh và khả thi cho chi tiết trục cam động cơ đốt trong. Quy trình gồm 21 nguyên công được tối ưu hóa cho quy mô sản xuất hàng loạt lớn, kết hợp đồng bộ giữa các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống (tiện, phay, mài) và xử lý nhiệt luyện tôi cao tần trên nền vật liệu thép C45. Công trình cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết về lượng dư, chế độ cắt và thời gian gia công định mức, đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư ngành cơ khí chế tạo.