Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành gia công cơ khí giữ vai trò nòng cốt trong việc thúc đẩy các ngành kinh tế phát triển và đóng góp vào tổng thu nhập quốc dân. Sự gia tăng nhu cầu sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp đòi hỏi cường độ khai thác thiết bị máy móc tăng cao, nhiều thiết bị phải vận hành liên tục tới 3 ca mỗi ngày. Quá trình làm việc cường độ cao trong thời gian dài khiến các chi tiết máy công cụ bị mài mòn, biến dạng hình học, nứt vỡ hoặc gãy hỏng, làm suy giảm nghiêm trọng độ chính xác gia công và năng suất làm việc.

Trước thực trạng đó, công tác bảo trì, phục hồi và sửa chữa thiết bị máy công cụ đóng vai trò cấp thiết nhằm khôi phục khả năng làm việc ban đầu và chế độ lắp ghép chuẩn xác của các cơ cấu truyền động. Đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết bảo trì, phục hồi chi tiết máy và các hệ thống sửa chữa máy công cụ trong công nghiệp.
  2. Khảo sát cấu tạo tổng thể, tính năng kỹ thuật và phân tích các xích truyền động động học của máy tiện ren vít vạn năng T620.
  3. Phân tích các dạng hư hỏng điển hình, nguyên nhân và biện pháp khắc phục đối với cơ cấu hộp xe dao máy tiện T620.
  4. Lập kế hoạch trung tu, tính toán định mức thời gian, nhân lực và tổ chức các bước tháo lắp cụm hộp xe dao.
  5. Xây dựng quy trình công nghệ phục hồi các bề mặt trượt định hướng của ụ động và ụ đứng bằng các phương pháp gia công cơ khí thích hợp.
  • Đối tượng nghiên cứu: Máy tiện ren vít vạn năng T620, tập trung chuyên sâu vào hệ thống các mặt trượt dẫn hướng (đế ụ động, thân ụ trước/ụ đứng) và cơ cấu truyền động của cụm hộp xe dao.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực trạng máy tại xưởng thực hành cơ khí thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên; số liệu định mức và tiêu chuẩn sửa chữa được tính toán dựa trên các quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành máy công cụ; thời gian hoàn thành đề tài vào tháng 12 năm 2011.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật bảo trì và phục hồi máy công cụ:

  • Nguyên lý bảo trì phục hồi cơ khí: Khôi phục kích thước danh nghĩa, dung sai lắp ghép (khe hở, độ dôi), phục hồi hình dạng hình học và chất lượng tiếp xúc bề mặt bị phá hủy thông qua gia công cơ khí, hàn đắp, phun phủ hoặc mạ kim loại.
  • Các hệ thống sửa chữa công nghiệp: Phân tích 5 hệ thống tổ chức bảo trì máy công cụ gồm: Sửa chữa theo nhu cầu; Sửa chữa thay thế cụm máy định kỳ; Sửa chữa theo tiêu chuẩn kỹ thuật; Sửa chữa xem xét liên hoàn; Sửa chữa theo kế hoạch dự phòng định kỳ.
  • Kỹ thuật giám sát tình trạng thiết bị: Bao gồm giám sát chủ quan (bằng 5 giác quan) và giám sát khách quan (giám sát rung động với các phương pháp âm học, siêu âm, xung va đập, kurtosis, phân tích quang phổ; giám sát hạt và lưu chất bôi trơn; kiểm tra khuyết tật không phá hủy bằng hạt từ tính, chất thấm màu, dòng xoáy eddy, sóng siêu âm, kiểm tra rò rỉ; giám sát biến thiên nhiệt độ).
  • Lý thuyết động học máy cắt kim loại: Thiết lập các phương trình xích truyền động tốc độ trục chính, xích chạy dao tiện trơn và xích cắt các hệ ren tiêu chuẩn (ren Quốc tế, ren Anh, ren Modun, ren Pitch).
  • Phương pháp tính toán định mức kinh tế - kỹ thuật: Áp dụng hệ số độ phức tạp sửa chữa $R$, hệ số định ngạch sửa chữa $K$ để tính toán thời gian dừng máy và bố trí bậc thợ theo tài liệu chuyên khảo "Sửa chữa máy công cụ" của tác giả Nguyễn Ngọc Cảnh.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công nghệ được triển khai gồm:

  • Phương pháp đo kiểm cơ học: Sử dụng thước cặp, panme, căn lá, dây chì đo khe hở cạnh răng (uốn dây chì chữ U đường kính $\approx 1\text{ mm}$ ép dập giữa hai mặt răng), đồng hồ so và nivô bọt nước kiểm tra độ phẳng, độ thăng bằng, độ mòn và độ đảo của trục trên khối V.
  • Phương pháp phân loại định mức: Kiểm tra tình trạng kỹ thuật chi tiết sau tháo rời và phân định trạng thái bằng mã màu trực quan (sơn trắng, sơn xanh, sơn đỏ).
  • Phương pháp thiết kế tiến trình công nghệ: Lập bảng tiến trình công nghệ gia công sửa chữa bề mặt trượt theo từng nguyên công (xác định chuẩn định vị, máy công cụ, dụng cụ cắt/đá mài, chế độ gia công và yêu cầu kỹ thuật đạt độ nhẵn bóng cấp 7).

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm: Hồ sơ lý lịch và thông số kỹ thuật thực tế của máy tiện T620 tại xưởng trường; tài liệu hướng dẫn tháo lắp và sửa chữa máy công cụ; các tiêu chuẩn định mức thời gian và nhân lực phục vụ công tác bảo dưỡng cơ khí.

Nội dung chính theo từng chương

Phần A: Tổng quan bảo trì sửa chữa máy

Chương này tổng hợp các khái niệm cơ bản về bảo trì, phục hồi chi tiết máy và quá trình sản xuất sửa chữa tại xí nghiệp. Tác giả phân tích các công nghệ phục hồi chi tiết cơ khí phổ biến:

  • Hàn phục hồi: Hàn nối chi tiết gãy nứt, hàn đắp bù đắp lượng mài mòn bề mặt lắp ghép.
  • Mạ kim loại: Ứng dụng mạ crom để tăng độ cứng, nâng cao tính chịu mòn và phục hồi kích thước ngõng trục.
  • Đúc đặc biệt: Đúc tạo phôi thay thế các chi tiết phức tạp.
  • Phun phủ kim loại (kim loại hóa): Dùng hồ quang, plasma hoặc ngọn lửa hàn khí kết hợp dòng khí nén áp suất tới 6 at phân tán kim loại lỏng thành hạt sương mịn phủ lên bề mặt chi tiết với độ dày từ vài micromet đến 10 mm.
  • Gia công đặc biệt: Áp dụng cho các vật liệu có độ cứng cao, hình dạng phức tạp mà gia công truyền thống không đáp ứng được.

Nội dung phần này cũng làm rõ 5 hệ thống sửa chữa máy công cụ, đi sâu vào kỹ thuật giám sát tình trạng (rung động, lưu chất, khuyết tật không phá hủy, nhiệt độ, âm thanh) và xây dựng các tiêu chí chọn thiết bị cần giám sát dựa trên mức độ tổn thất năng suất, rủi ro hư hỏng, an toàn lao động và vị trí xung yếu của bộ phận trong dây chuyền.

Phần B: Giới thiệu về máy, nguyên lý làm việc và lập kế hoạch sửa chữa

Nội dung chương tập trung vào phân tích kết cấu, động học máy tiện T620 và lập quy trình công nghệ trung tu hộp xe dao:

  • Đặc tính kỹ thuật chính của máy tiện T620: Đường kính phôi lớn nhất gia công được là 400 mm; khoảng cách giữa hai mũi tâm có 3 cỡ (710 mm, 1000 mm, 1100 mm); số cấp tốc độ trục chính $Z = 23$; giới hạn vòng quay trục chính $n_{TC} = 12,5 \div 2000\text{ vg/ph}$; lượng chạy dao dọc $S_d = 0,7 \div 4,16\text{ mm/vg}$, chạy dao ngang $S_{ng} = 0,035 \div 2,08\text{ mm/vg}$; động cơ chính $N_1 = 10\text{ kW}$ ($n = 1450\text{ vg/ph}$), động cơ chạy dao nhanh $N_2 = 1\text{ kW}$ ($n = 1410\text{ vg/ph}$); trọng lượng máy 22.000 kg.
  • Phân tích xích truyền động:
    • Xích tốc độ: Đường truyền thuận từ động cơ qua hộp tốc độ có 24 cấp lý thuyết (đường tốc độ thấp có $2 \times 3 \times 3 = 18$ cấp, đường tốc độ cao có $2 \times 3 \times 1 = 6$ cấp), tuy nhiên thực tế có 1 cấp tốc độ bị trùng nên máy có 23 cấp tốc độ làm việc; đường truyền nghịch qua ly hợp ma sát trục II cho 12 cấp tốc độ.
    • Xích tiện ren: Gia công được 4 loại ren gồm ren Quốc tế ($t_p = 1 \div 192\text{ mm}$), ren Modun ($m = 0,5 \div 4,8$), ren Anh ($n = 24 \div 2\text{ ren/inch}$), ren Pitch ($D_P = 92 \div 1$); sử dụng các cặp bánh răng thay thế kết hợp cơ cấu nooctông chủ động/bị động và bộ khuếch đại 4 tỷ số truyền ($1/1, 2/1, 8/1, 32/1$).
    • Xích tiện trơn: Cơ cấu biến đổi chuyển động qua trục trơn XV, trục vít - bánh vít tỷ số truyền $4/20$, thanh răng $m=3$, ly hợp siêu việt bảo vệ xoắn trục, đai ốc mở đôi và cơ cấu bảo vệ quá tải.
  • Kế hoạch trung tu và khắc phục sự cố hộp xe dao: Thiết lập sơ đồ quy trình trung tu gồm 14 công đoạn (xem xét, làm sạch $\rightarrow$ tháo dỡ $\rightarrow$ phân loại $\rightarrow$ sửa chữa chi tiết $\rightarrow$ kiểm tra $\rightarrow$ lắp ráp $\rightarrow$ thử nghiệm, chạy rà và xuất xưởng). Phân tích nguyên nhân và phương pháp xử lý các dạng hỏng:
Dạng hư hỏng Nguyên nhân chính Tiêu chuẩn mòn / Biện pháp xử lý
Hộp có tiếng kêu Thiếu dầu bôi trơn; khe hở ăn khớp bánh răng quá lớn. Bổ sung dầu; đo khe hở bằng dây chì. Độ mòn cho phép: $\le 0,2\text{ mm}$ ($m=1\div 3$), $\le 0,3\text{ mm}$ ($m=4$), $\le 0,5\text{ mm}$ ($m>4$). Nếu gãy 1 răng: ghép rãnh đuôi én/bắt bu lông/hàn dưỡng đồng; gãy nhiều răng: ghép vành răng rãnh đuôi én $75^\circ$; bộ bánh răng bậc mòn: ép bạc gia công lại.
Mòn ngõng trục và ổ bi Ma sát làm việc lâu ngày. Ổ bi dơ: thay mới; ngõng trục mòn ít: mạ crom mài lại; mòn nhiều: phun thép/mạ thép hàn hồ quang rung rồi tiện, mài.
Mòn then và rãnh then bằng Va đập khi đảo chiều, tải trọng lớn. Mòn ít: gia công rãnh rộng/sâu không quá 15% bề rộng ban đầu; mòn nặng: hàn đắp rãnh cũ, phay rãnh mới lệch góc $90^\circ$, $135^\circ$, $180^\circ$.
Mòn then hoa Trượt dọc trục liên tục. Mòn ít: gia công lỗ then hoa, tăng kích thước then trục; mòn dưới 20-25%: hàn đắp trục rồi gia công lại theo lỗ.
Thanh răng đuôi nhỏ mòn/cong Thao tác gạt tay chưa hết hành trình đã sang số. Uốn nắn nguội hoặc hàn tiện phục hồi; thao tác đúng kỹ thuật.
Thiếu / không lấy được tốc độ Lò xo định vị yếu, vít hãm bị nới lỏng. Thay lò xo mới, siết chặt và hiệu chỉnh các vít hãm.
  • Quy trình tháo lắp hộp xe dao: Xây dựng hướng dẫn tuần tự qua 4 bước: (1) Tháo hộp khỏi thân máy bằng gối kê và clê; (2) Tháo tay quay du xích; (3) Tháo các ly hợp ma sát; (4) Tháo cơ cấu an toàn.
  • Tính toán định mức thời gian và tổ chức nhân lực: Máy có bậc phức tạp sửa chữa $R = 8$. Tổng thời gian trung tu toàn máy là 172 giờ (Nguội: 128 giờ, Máy: 40 giờ, Khác: 4 giờ). Thời gian trung tu cụm cơ cấu điều khiển hộp tốc độ/hộp xe dao chiếm 30% toàn máy, tương ứng tổng 51,6 giờ (Nguội: 38,4 giờ; Gia công máy: 12 giờ; Công việc khác: 1,2 giờ). Số lượng nhân lực cần thiết bố trí gồm 4 bậc thợ (1 thợ bậc 5, 1 thợ bậc 3, 1 thợ bậc 2 và thợ phụ).
  • Quy trình kiểm tra tiếp nhận: Phân loại chi tiết bằng 3 màu sơn: Sơn trắng (chi tiết còn dùng được), Sơn xanh (chi tiết cần phục hồi), Sơn đỏ (chi tiết phế phẩm phải thay mới).

Phần C: Một số phương pháp sửa chữa và xây dựng quy trình phục hồi

Chương này đi sâu vào thiết lập các tiến trình công nghệ gia công phục hồi bề mặt trượt cho hai cụm chi tiết quan trọng:

  1. Phục hồi mặt trượt đế ụ động: Đế ụ động có 7 bề mặt trượt (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) tiếp xúc và di chuyển dọc trên băng máy, cùng các bề mặt 8, 9, 10, 11 dịch chuyển ngang (ít mòn). Tác giả thiết kế 2 phương án công nghệ tối ưu:
    • Phương án mài mặt trượt ụ động: Gồm 5 nguyên công (Nguyên công I: Căn chỉnh thăng bằng trên bàn máy bằng nivô, căn lá, cạo bavia, rà đồng hồ so; Nguyên công II: Mài mặt 1, 2 bằng đá mài chậu yên ngựa; Nguyên công III: Mài mặt 3, 4; Nguyên công IV: Mài mặt 5, 6, 7 bằng đá mài bát côn; Nguyên công V: Mài mặt 8, 9, 10, 11). Yêu cầu kỹ thuật toàn bộ đạt độ nhẵn bóng cấp 7, các mặt phẳng song song hoặc vuông góc chuẩn xác với mặt băng máy.
    • Phương án cạo mặt trượt ụ động: Gồm 5 nguyên công tương ứng sử dụng dao cạo thô và dao cạo tinh để cạo các nhóm bề mặt đạt độ nhẵn bóng cấp 7.
  2. Phục hồi mặt trượt ụ đứng (ụ trước): Thiết lập tiến trình công nghệ bằng phương pháp mài (dùng đá mài bát côn) và phương pháp cạo để sửa chữa mặt trượt số 1 của ụ đứng, đảm bảo độ phẳng, độ nhẵn bóng cấp 7, độ thẳng và độ song song với đường trượt băng máy.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán định mức và kỹ thuật:
    • Xác định và giải mã đầy đủ phương trình động học 23 cấp tốc độ trục chính thực tế và các xích tiện 4 hệ ren trên máy tiện T620.
    • Định lượng chính xác quỹ thời gian trung tu cụm điều khiển máy công cụ với tổng thời gian 51,6 giờ công (công việc nguội 38,4 giờ; công việc máy 12 giờ; công việc khác 1,2 giờ).
    • Xác lập bảng phân loại bậc thợ và định mức dừng máy dựa trên hệ số phức tạp sửa chữa $R=8$.
Hạng mục công việc trung tu Hệ số định mức ($K$) Định mức toàn máy ($T = K \cdot R$) Định mức cụm điều khiển (30% toàn máy)
Công việc nguội 16 128 giờ 38,4 giờ
Công việc gia công máy 5 40 giờ 12,0 giờ
Công việc khác 0,5 4 giờ 1,2 giờ
Tổng cộng - 172 giờ 51,6 giờ
  • Giải pháp và quy trình công nghệ đề xuất:
    • Chuẩn hóa quy trình 14 bước trung tu cụm hộp xe dao, kèm hướng dẫn chi tiết các bước tháo dỡ độc lập từng cụm cơ cấu (ly hợp ma sát, cơ cấu an toàn, tay quay du xích).
    • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật sửa chữa phục hồi cụ thể cho từng dạng chi tiết mòn/hỏng: ghép răng bằng rãnh đuôi én $75^\circ$, hàn dưỡng đồng dẫn nhiệt, mạ crom ngõng trục, hàn đắp xoay góc rãnh then.
    • Xây dựng hoàn chỉnh các bảng tiến trình công nghệ phục hồi mặt trượt ụ động và ụ đứng theo 2 phương pháp mài và cạo đạt độ bóng cấp 7.
  • Đóng góp kỹ thuật: Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết bảo trì và lập quy trình công nghệ phục hồi cơ khí sát với điều kiện trang thiết bị thực tế tại các xưởng trường và cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ, cung cấp phương án công nghệ sửa chữa khả thi mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị mới quá lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án tập trung nghiên cứu quy trình phục hồi cho các mặt trượt của đế ụ động, ụ đứng và cụm hộp xe dao; chưa mở rộng xây dựng quy trình sửa chữa cho toàn bộ hệ thống băng trượt thân máy chính và hộp trục chính.
    • Phần tính toán định mức thời gian và bậc thợ có sự kế thừa đan xen giữa số liệu định mức của máy tiện T616 và T620 từ tài liệu tham khảo chuyên ngành do sự tương đồng về bậc phức tạp sửa chữa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng xây dựng quy trình công nghệ sửa chữa, phục hồi cho băng dẫn hướng thân máy chính và cụm trục chính mang mâm cặp của máy tiện T620.
    • Ứng dụng các thiết bị đo lường hiện đại (thiết bị đo độ phẳng bằng tia laser, cảm biến phân tích rung động kỹ thuật số) để nâng cao độ chính xác kiểm tra theo đúng các khung lý thuyết giám sát tình trạng đã đề ra.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, giảng viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện - Bảo trì, Kỹ thuật Chế tạo máy; kỹ sư bảo dưỡng, kỹ thuật viên và công nhân cơ khí tại các phân xưởng gia công cắt gọt kim loại.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Bảng tiến trình công nghệ chi tiết cho các nguyên công mài và cạo mặt trượt định hướng.
    • Phương pháp đo kiểm khe hở ăn khớp bánh răng bằng dây chì uốn chữ U và tiêu chuẩn mòn cho phép theo môđun răng.
    • Phương pháp phân tích phương trình xích động học máy tiện vạn năng T620 phục vụ công tác hiệu chỉnh và cắt các hệ ren phức tạp.
    • Trình tự các bước tháo lắp an toàn cụm hộp xe dao và phương pháp tổ chức định mức nhân lực sửa chữa máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy tiện T620 có bao nhiêu cấp tốc độ trục chính trên thực tế và tại sao có sự chênh lệch so với tính toán lý thuyết?
Theo phương trình xích truyền động, đường truyền thuận tốc độ thấp (đường vòng) cho 18 cấp tốc độ ($2 \times 3 \times 3$) và đường tốc độ cao (đường tắt) cho 6 cấp tốc độ ($2 \times 3 \times 1$), tổng cộng theo lý thuyết là 24 cấp tốc độ. Tuy nhiên trên thực tế máy tiện T620 chỉ có 23 cấp tốc độ vì tốc độ lớn nhất của đường truyền tốc độ thấp và tốc độ nhỏ nhất của đường truyền tốc độ cao gần bằng nhau (trùng nhau) do tận dụng tỷ số truyền từ trục IV sang trục V để phục vụ cắt ren khuếch đại.

2. Độ mòn cho phép của bánh răng trong hộp xe dao máy tiện T620 được quy định cụ thể như thế nào?
Độ mòn mặt răng cho phép được phân định theo môđun ($m$):

  • Đối với bánh răng có môđun $m = 1 \div 3$: Độ mòn cho phép $\le 0,2\text{ mm}$.
  • Đối với bánh răng có môđun $m = 4$: Độ mòn cho phép $\le 0,3\text{ mm}$.
  • Đối với bánh răng có môđun $m > 4$: Độ mòn cho phép $\le 0,5\text{ mm}$.

3. Quy định phân loại chi tiết sau khi tháo rửa trong quy trình kiểm tra trung tu của đồ án sử dụng các màu sơn nào?
Sau khi tháo rời và lau rửa sạch sẽ, các chi tiết được kiểm tra và đánh dấu phân loại bằng 3 màu sơn quy ước:

  • Sơn màu trắng: Dành cho các chi tiết còn tốt, đủ tiêu chuẩn tiếp tục sử dụng.
  • Sơn màu xanh: Dành cho các chi tiết bị sai lệch, mài mòn cần được sửa chữa, phục hồi.
  • Sơn màu đỏ: Dành cho các chi tiết bị hư hỏng nặng, phế phẩm cần loại bỏ để thay mới.

4. Khi then hoặc rãnh then bằng trên trục bị mài mòn quá nặng, biện pháp sửa chữa kỹ thuật được tác giả đề xuất là gì?
Nếu rãnh then bị hỏng quá nặng không thể mở rộng theo kích thước tiêu chuẩn kế tiếp, tác giả đề xuất giải pháp ép một miếng đệm thép vào rãnh cũ rồi hàn đắp (hoặc bắt vít chặt lại để tránh cong vênh trục), sau đó tiến hành phay gia công rãnh then mới ở các vị trí lệch một góc $90^\circ$, $135^\circ$ hoặc $180^\circ$ theo chu vi của trục.

5. Các bề mặt trượt của đế ụ động máy tiện T620 sau khi phục hồi bằng phương pháp mài hoặc cạo phải đạt yêu cầu kỹ thuật nào?
Các bề mặt trượt từ 1 đến 7 (dẫn hướng dọc) và từ 8 đến 11 (dẫn hướng ngang) sau khi hoàn thành các nguyên công mài (dùng đá mài chậu yên ngựa, đá mài bát côn) hoặc cạo (dao cạo thô, dao cạo tinh) đều phải đạt độ phẳng, độ nhẵn bóng cấp 7, đảm bảo độ song song tuyệt đối với đường trượt băng máy và độ vuông góc giữa các mặt trượt liên kết (mặt 8 vuông góc mặt 10, mặt 9 vuông góc mặt 11).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Lập qui trình công nghệ sửa chữa phục hồi các mặt trượt của máy tiện T620" đã giải quyết toàn diện các yêu cầu kỹ thuật về bảo trì máy công cụ từ khảo sát động học, lập kế hoạch định mức kinh tế kỹ thuật đến thiết kế quy trình công nghệ phục hồi cơ khí. Đề tài đã chuẩn hóa các bước tháo lắp hộp xe dao và xây dựng chi tiết tiến trình công nghệ mài, cạo phục hồi mặt trượt ụ động và ụ đứng đạt độ nhẵn bóng cấp 7. Các kết quả tính toán và giải pháp kỹ thuật trong đồ án có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo thực hành và bảo dưỡng thiết bị tại các cơ sở cơ khí.