Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy tiện là nhóm máy công cụ phổ thông, chiếm tỷ trọng khoảng 40% đến 50% tổng số lượng máy cắt kim loại trong các xưởng cơ khí và nhà máy chế tạo. Thiết bị này đảm nhiệm gia công các bề mặt tròn xoay trong và ngoài (mặt trụ, mặt côn, mặt định hình, mặt ren), xén mặt đầu, cắt đứt, đồng thời có thể mở rộng công nghệ để khoan, khoét, doa. Trong bối cảnh đào tạo kỹ sư cơ khí chế tạo máy tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồ án môn học Thiết kế máy là học phần chuyên ngành nhằm trang bị phương pháp tính toán, nắm vững kết cấu và nguyên lý hoạt động của thiết bị cắt gọt kim loại.

Đề tài tập trung vào nhiệm vụ tính toán và thiết kế "Máy tiện ren vít vạn năng hạng trung", lấy mẫu máy tiện ren vít vạn năng 1K62 (T620) làm đối tượng tham khảo chính. Các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế cụ thể được xác lập như sau:

  1. Khảo sát các thông số kỹ thuật của các dòng máy tiện cùng cỡ hiện có (1K62, 1A62, T616) để xác định chỉ tiêu kỹ thuật của máy cần thiết kế.
  2. Phân tích động học máy cơ sở 1K62, xác định công bội, phương trình xích tốc độ, lập lưới kết cấu và đồ thị vòng quay, tính toán sai số vòng quay thực tế so với chuỗi số chuẩn.
  3. Thiết kế động học hộp tốc độ và hộp chạy dao; xác định phương án không gian (PAKG), phương án thứ tự (PATT), sắp xếp bảng bước ren và tính toán số răng của các cụm bánh răng (nhóm Norton, nhóm gấp bội, bánh răng thay thế, xích ren khuếch đại, xích tiện trơn).
  4. Xác định các chế độ làm việc giới hạn, phân tích lực cắt, tính toán chọn công suất động cơ điện truyền dẫn chính.
  5. Tính toán sơ bộ đường kính các trục truyền, tính toán kiểm nghiệm bền trục chính (ứng suất, độ võng, góc xoay theo phương pháp Vereshchagin, kiểm nghiệm then và then hoa) và kiểm nghiệm độ bền uốn cặp bánh răng truyền động.
  6. Nghiên cứu nguyên lý và kết cấu hệ thống điều khiển chuyển tốc của hộp tốc độ.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu cơ khí, xích truyền động động học và hệ thống điều khiển của máy tiện ren vít vạn năng 1K62. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phân hệ truyền dẫn chính (hộp tốc độ) và phân hệ truyền dẫn chạy dao (hộp chạy dao, xích cắt ren, xích tiện trơn) của dòng máy tiện vạn năng cỡ trung bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết chuyên ngành về thiết kế máy cắt kim loại, nguyên lý gia công cắt gọt và tính toán chi tiết máy:

  • Lý thuyết phân bố chuỗi vòng quay tiêu chuẩn: Thiết kế cấp tốc độ theo chuỗi cấp số nhân với công bội $\phi \approx 1,26$, đáp ứng dải vận tốc cắt kinh tế và tối ưu hóa năng suất gia công.
  • Phương pháp đồ thị động học và lưới kết cấu: Sử dụng lưới kết cấu hình rẻ quạt và đồ thị vòng quay để phân bổ lượng mở $[X]$, thiết lập các tỷ số truyền hợp lý, triệt tiêu sự trùng lặp tỷ số truyền không mong muốn và kiểm soát sai số vận tốc $[\delta n] \le 10(\phi - 1)%$.
  • Lý thuyết thiết kế hộp chạy dao cơ cấu Norton: Phương pháp sắp xếp ma trận bước ren thành nhóm cơ sở và nhóm khuếch đại bội số $\phi = 2$, kết hợp tính toán tỷ số truyền bù và bộ bánh răng thay thế.
  • Phương pháp động lực học cắt gọt và thực nghiệm: Ứng dụng công thức tính lực cắt và công thức thực nghiệm của D. Rê-sê-tốp và T. Lê-vít để xác định lực chạy dao $Q$ trên sống trượt lăng trụ.
  • Phương pháp cơ học kết cấu: Sử dụng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin để tính toán chuyển vị (độ võng) và biến dạng góc xoay của trục chính dưới tác dụng của hệ ngoại lực không gian 3 chiều.
  • Nguồn dữ liệu: Các giáo trình, sổ tay tính toán thiết kế máy cắt kim loại (TTTKMCKL), sổ tay Chi tiết máy, cùng các thông số kiểm nghiệm thực tế của máy tiện 1K62.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động cơ khí của máy tiện ren vít vạn năng được thiết kế gồm hai phân hệ động học chính:

[Động cơ điện chính: 10 kW, 1450 v/p]
        [Trục vào I: Ly hợp ma sát]
[Đường truyền tốc độ thấp]       [Đường truyền tốc độ cao]
(Trục I ➔ II ➔ III ➔ IV ➔ V ➔ VI) (Trục I ➔ II ➔ III ➔ VI)
18 cấp tốc độ (12,5 - 630 v/p)    6 cấp tốc độ (630 - 2000 v/p)
         [Trục chính VI: 23 cấp tốc độ]
         [Hộp chạy dao]

1. Phân hệ truyền dẫn tốc độ (Hộp tốc độ)

  • Phương án không gian (PAKG): Chọn kết cấu $Z = (2 \times 3 \times 2 \times 2) + (2 \times 3 \times 1) = 30$ cấp lý thuyết, cấu trúc 2 đường truyền (đường truyền trực tiếp tốc độ cao và đường truyền gián tiếp tốc độ thấp). Qua xử lý trùng cấp, hệ thống cung cấp 23 cấp tốc độ làm việc thực tế từ $12,5 \text{ vg/ph}$ đến $2000 \text{ vg/ph}$.
  • Trục vào I: Bố trí ly hợp ma sát hai nửa (quay thuận và quay nghịch) đường kính $D = 100\text{ mm}$, tốc độ ổn định $n_0 = 800\text{ vg/ph}$ để thực hiện đảo chiều êm ái, tránh va đập và bảo vệ chống quá tải.

2. Phân hệ truyền dẫn chạy dao (Hộp chạy dao)

  • Cơ cấu cơ sở: Bộ bánh răng hình tháp Norton gồm 7 bánh răng có số răng lần lượt là $Z = 30, 32, 36, 40, 44, 48, 56$.
  • Nhóm khuếch đại (nhóm gấp bội): Sử dụng 2 nhóm truyền 2 bậc ($2 \times 2$) tạo ra 4 tỷ số truyền khuếch đại với công bội $\phi = 2$ ($1/8, 1/4, 1/2, 1$), tính toán theo phương pháp bội số chung nhỏ nhất ($K = 63$).
  • Xích ren khuếch đại: Bổ sung cặp bánh răng di trượt $Z_1/Z_2 = 28/56$ trên trục IX với tỷ số truyền $i = 2$ để đáp ứng các tỷ số khuếch đại $i_{kđ} = 2, 8, 16, 32$.
  • Xích tiện trơn: Điều chỉnh tỷ số truyền bộ trục vít - bánh vít trong hộp xe dao từ $4/20$ thành $4/30$ kết hợp cặp bánh răng điều chỉnh $(27/20) \times (Z/28)$ để đạt lượng chạy dao tiêu chuẩn $S_{dọc,min} = 0,08\text{ mm/vg}$ và $S_{ngang,min} = 0,04\text{ mm/vg}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT MÁY TƯƠNG TỰ

Chương I tiến hành khảo sát các dòng máy tiện ren vít vạn năng hạng trung phổ biến để làm cơ sở xác định chỉ tiêu kỹ thuật cho máy thiết kế.

Chỉ tiêu so sánh Máy 1K62 Máy 1A62 Máy T616 Máy cần thiết kế
Công suất động cơ ($kW$) 10 7 4,5 10
Chiều cao tâm máy ($mm$) 200 200 160 200
Khoảng cách lớn nhất giữa hai mũi tâm ($mm$) 1400 1500 750 1400
Số cấp tốc độ 23 21 12 23
Vòng quay nhỏ nhất $n_{min}$ ($vg/ph$) 12,5 11,5 44 12,5
Vòng quay lớn nhất $n_{max}$ ($vg/ph$) 2000 1200 1980 2000
Lượng chạy dao dọc $S_{d,min} \div S_{d,max}$ ($mm/v$) 0,07 ÷ 4,16 0,082 ÷ 1,59 0,06 ÷ 1,07 0,08 ÷ 4,16
Lượng chạy dao ngang $S_{n,min} \div S_{n,max}$ ($mm/v$) 0,035 ÷ 2,08 0,04 ÷ 0,52 0,04 ÷ 0,78 0,04 ÷ 2,08
Phạm vi tiện ren Quốc tế, Anh, Modul, Pitch Quốc tế, Anh, Modul, Pitch Quốc tế, Anh, Modul Quốc tế, Anh, Modul, Pitch

Phân tích chi tiết máy cơ sở 1K62 cho thấy công bội chuỗi vòng quay $\phi = 1,26$. Hệ thống phân chia thành 2 nhánh truyền động:

  • Đường truyền tốc độ thấp: Qua hệ trục I - II - III - IV - V - VI, tạo ra $Z_1 = 2 \times 3 \times (2 \times 2 - 1) = 18$ cấp tốc độ ($12,5 \div 630\text{ vg/ph}$).
  • Đường truyền tốc độ cao: Qua hệ trục I - II - III - VI, tạo ra $Z_2 = 2 \times 3 = 6$ cấp tốc độ ($630 \div 2000\text{ vg/ph}$).
  • Tổng hợp lượng mở các nhóm truyền: Nhóm 1 ($[X]=1$), Nhóm 2 ($[X]=2$), Nhóm 3 ($[X]=6$), Nhóm 4 ($[X]=6$), Nhóm 5 ($[X]=3$), Nhóm 6 ($[X]=2$).
  • Đánh giá sai số máy mẫu: Một số cấp tốc độ của máy mẫu vượt quá giới hạn sai số cho phép $[\delta n] = 2,6%$ (như $n_5 = -3,78%$, $n_{11} = -4,62%$, $n_{17} = -4,61%$, $n_{18} = -4,57%$, $n_{19} = 4,94%$), tuy nhiên vẫn được chấp nhận do ảnh hưởng không đáng kể đến công nghệ gia công thực tế.

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CHO MÁY

Chương II tập trung thiết kế động học hộp tốc độ máy mới và thiết kế hệ thống chạy dao:

  • Kiểm soát sai số hộp tốc độ: Thiết lập bảng số vòng quay thực tế, toàn bộ 23 cấp tốc độ của máy thiết kế mới đều nằm trong dải sai số cho phép $\pm 2,6%$.
  • Xếp bước ren và thiết kế nhóm Norton: Thiết lập bảng sắp xếp bước ren cho 4 loại ren tiêu chuẩn:
    • Ren hệ mét: bước $t_p = 1,5 \div 16\text{ mm}$.
    • Ren Anh: số ren trên inch $n = 48 \div 4$.
    • Ren Module: $m = 0,75 \div 8$.
    • Ren Pitch: $D_p = 96 \div 1$.
  • Bộ bánh răng tháp Norton: Xác định dãy số răng gồm 7 bánh: $Z_1=30$, $Z_2=32$, $Z_3=36$, $Z_4=40$, $Z_5=44$, $Z_6=48$, $Z_7=56$.
  • Tính toán nhóm gấp bội: Phương án thứ tự I - II, công bội $\phi = 2$, các tỷ số truyền $1/8, 1/4, 1/2, 1$. Dùng phương pháp bội số chung nhỏ nhất ($K=63$), chọn số răng các cặp bánh răng:
    • Cặp 1: $Z = 18/45$ ($i = 1/2,5$)
    • Cặp 2: $Z = 28/35$ ($i = 1/1,25$)
    • Cặp 3: $Z = 15/48$ ($i = 1/3,2$)
    • Cặp 4: $Z = 35/28$ ($i = 1,25$)
  • Kiểm tra sai số bước ren: Cắt thử ren quốc tế ($t_p = 5\text{ mm}$, sai số bằng $0$), ren Anh ($n = 6$, sai số $0,0003$), ren Pitch ($n = 6$, sai số $0,002$). Các sai số đều nằm trong phạm vi cho phép $[\Delta t_p] \le 0,1 \Delta d_0$.

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CHO MÁY CẮT KIM LOẠI

(Ghi chú: Nội dung chương thực tế tập trung vào tính toán động lực học, công suất và sức bền chi tiết máy)

  • Xác định chế độ cắt thử máy:
    • Chế độ thử có tải: Gia công phôi thép 45, $d = 115\text{ mm}$, $l = 350\text{ mm}$, độ cứng $HRB = 207$, dao thép gió P18; thông số cắt $n = 45\text{ vg/ph}$, $s = 1,4\text{ mm/vg}$, chiều sâu cắt $t = 6\text{ mm}$.
    • Chế độ thử công suất: Dao hợp kim T15K6, phôi thép $d = 70\text{ mm}$, $l = 350\text{ mm}$, $n = 450\text{ vg/ph}$, $s = 0,39\text{ mm/vg}$, $t = 5\text{ mm}$.
  • Tính công suất động cơ: Lực tiếp tuyến $P_z = 4935 \times 9,81\text{ N}$, vận tốc cắt $v = 87,96\text{ m/ph}$. Hiệu suất truyền dẫn chung $\eta = 0,8$. Công suất động cơ tính toán theo công suất cắt, chọn động cơ tiêu chuẩn công suất $N_{đc} = 10\text{ kW}$.
  • Tính sơ bộ trục truyền dẫn: Xác định mô men xoắn và đường kính sơ bộ các trục ($d_{sb}$):
    • Trục động cơ: $n = 1440\text{ vg/ph}$, $N = 10\text{ kW}$, $d_{sb} = 19,03\text{ mm}$.
    • Trục I: $n = 1120\text{ vg/ph}$, $N = 9,50\text{ kW}$, $d_{sb} = 22,81\text{ mm}$.
    • Trục II, III, IV, VI được xác định theo mô men xoắn lớn nhất tại tốc độ tới hạn.
  • Tính toán và kiểm nghiệm bền trục chính:
    • Vật liệu: Thép hợp kim 40X, thấm cacbon, tôi đạt độ cứng $HRC = 35 \div 42$.
    • Vị trí ăn khớp bánh răng $Z27/Z54$: Chọn phương án bố trí không gian tại vị trí IV để giảm thiểu biến dạng và đảm bảo độ chính xác gia công.
    • Phân tích dầm hai gối đỡ (A, D) với các khoảng cách nhịp $350\text{ mm}$, $285\text{ mm}$, $165\text{ mm}$, $370\text{ mm}$.
    • Tính toán đường kính trục tại các tiết diện A, B, C, D, E.
    • Kiểm nghiệm độ võng tại điểm B bằng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin: độ võng tính toán thỏa mãn điều kiện kinh nghiệm $[y] \le 0,2\text{ mm}$ trên chiều dài $1\text{ m}$ nhịp gối.
    • Kiểm nghiệm góc xoay tại gối đỡ D: thỏa mãn giới hạn biến dạng góc xoay cho phép.
    • Kiểm nghiệm mối ghép then: then bán nguyệt lắp bánh răng $Z60$ chịu áp suất dập $P = 13058\text{ N/cm}^2 \le [P]$; mối ghép then hoa ($D = 105\text{ mm}, d = 95\text{ mm}, z = 10, l = 14\text{ cm}$) chịu áp suất dập $P = 1440,86\text{ N/cm}^2 \le [P]$.
  • Tính bền bánh răng: Tính toán mô đun uốn $m$ cho cặp bánh răng $Z_1/Z_2 = 27/54$ giữa trục V và VI (vật liệu thép 45, hệ số tải trọng $k = 2,6$, hệ số dạng răng $y = 0,5$).

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương IV trình bày lý luận chọn kiểu cơ cấu gạt bánh răng khối di trượt, các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống điều khiển liên động trong hộp tốc độ nhằm tránh hiện tượng gài đồng thời hai tỷ số truyền, đồng thời lập bảng điều khiển vị trí tay gạt tương ứng với chuỗi 23 cấp tốc độ.

Kết quả và đóng góp

  1. Hoàn thiện hệ thống thông số động học: Xác lập thành công chuỗi 23 cấp tốc độ làm việc thực tế ($12,5 \div 2000\text{ vg/ph}$) với công bội $\phi = 1,26$, khắc phục được các sai số vượt ngưỡng của máy mẫu để toàn bộ các cấp vận tốc đều đạt chuẩn sai số kỹ thuật $[\delta n] \le 2,6%$.
  2. Tối ưu hóa xích truyền dẫn chạy dao: Thiết kế hoàn chỉnh hộp chạy dao cơ cấu Norton 7 bánh răng ($Z = 30 \div 56$) kết hợp nhóm gấp bội $2 \times 2$ ($\phi = 2$), cho phép cắt được đầy đủ 4 loại ren (quốc tế, Anh, Modul, Pitch) với sai số bước ren cực nhỏ ($\le 0,002$), đồng thời tạo chuỗi bước tiện trơn hợp lý thông qua việc điều chỉnh tỷ số truyền bộ trục vít bánh vít $4/30$.
  3. Đảm bảo tính toán sức bền kết cấu: Chọn động cơ điện chính công suất $10\text{ kW}$ ($1450\text{ vg/ph}$); tính toán và kiểm nghiệm chính xác độ bền uốn, độ cứng vững, độ võng và góc xoay của trục chính thép 40X theo phương pháp Vereshchagin, kiểm nghiệm an toàn then và then hoa chịu tải va đập.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi khảo sát máy mẫu ban đầu mới chỉ giới hạn so sánh giữa 4 dòng máy (1K62, 1A62, T616 và máy thiết kế) do điều kiện tiếp cận tài liệu thực tế. Các tính toán sức bền chủ yếu ưu tiên cho nhánh truyền tốc độ thấp mang tải lớn nhất, chưa kiểm nghiệm chi tiết toàn bộ các trạng thái động học ở dải tốc độ cao.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng khảo sát thêm các dòng máy tiện vạn năng hiện đại và máy tiện bán tự động; ứng dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích động lực học dao động và trường nhiệt độ của trục chính khi quay ở tốc độ cực đại $2000\text{ vg/ph}$.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn trực tiếp cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy khi thực hiện đồ án thiết kế máy cắt kim loại hoặc đồ án chi tiết máy. Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  • Quy trình phân tích và thành lập lưới kết cấu, đồ thị vòng quay cho hộp tốc độ nhiều cấp.
  • Phương pháp tính toán bánh răng tháp Norton và sắp xếp ma trận cắt 4 loại ren cơ bản.
  • Quy trình giải bài toán sức bền dầm không gian cho trục chính máy công cụ bằng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy thiết kế lại lựa chọn phương án không gian $2 \times 3 \times 2 \times 2$ thay vì phương án $3 \times 2 \times 2 \times 2$?
Theo lý thuyết truyền dẫn, phương án $3 \times 2 \times 2 \times 2$ giúp mô men xoắn giảm từ từ đồng đều. Tuy nhiên, máy tiện đòi hỏi phải có chuyển động quay nghịch để lùi dao và cắt ren. Việc bố trí ly hợp ma sát đảo chiều hai nửa trên trục I (nơi có tốc độ ổn định $n_0 = 800\text{ vg/ph}$ và mô men xoắn nhỏ nhất) giúp kích thước ly hợp gọn gàng ($D = 100\text{ mm}$) và đảo chiều êm ái, do đó cấu trúc $2 \times 3 \times 2 \times 2$ là phương án tối ưu thực tế.

2. Công bội $\phi$ của chuỗi tốc độ trục chính có giá trị bằng bao nhiêu và sai số vòng quay cho phép là bao nhiêu?
Công bội của máy được xác định là $\phi = 1,259 \approx 1,26$. Sai số vòng quay cho phép giữa tốc độ thực tế và tốc độ lý thuyết được tính theo công thức $[\delta n] = 10(\phi - 1)% = 2,6%$.

3. Cơ cấu bánh răng tháp Norton trong hộp chạy dao gồm những bánh răng nào?
Cơ cấu gồm 7 bánh răng hình tháp với số răng lần lượt là: $Z_1 = 30$, $Z_2 = 32$, $Z_3 = 36$, $Z_4 = 40$, $Z_5 = 44$, $Z_6 = 48$ và $Z_7 = 56$.

4. Trục chính của máy được làm bằng vật liệu gì và được kiểm nghiệm những điều kiện bền nào?
Trục chính được chế tạo từ thép hợp kim 40X, thấm cacbon và nhiệt luyện đạt độ cứng $HRC = 35 \div 42$. Trục được kiểm nghiệm ứng suất uốn - xoắn tại các tiết diện, kiểm nghiệm độ võng tại đầu B ($y_B \le 0,2\text{ mm/m}$), kiểm nghiệm góc xoay tại gối đỡ D bằng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin, kiểm nghiệm áp suất dập của then bán nguyệt ($P = 13058\text{ N/cm}^2$) và mối ghép then hoa ($P = 1440,86\text{ N/cm}^2$).

5. Điều chỉnh nào được thực hiện trong xích tiện trơn để đạt lượng chạy dao tiêu chuẩn?
Tỷ số truyền của bộ trục vít - bánh vít trong hộp xe dao được điều chỉnh từ $4/20$ thành $4/30$ kết hợp với cặp bánh răng $(27/20) \times (Z/28)$ để đưa đường truyền tiện trơn về lượng chạy dao $S_{dọc,min} = 0,08\text{ mm/vg}$ và $S_{ngang,min} = 0,04\text{ mm/vg}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế máy tiện ren vít vạn năng 1K62" của sinh viên Trần Văn Ngọc dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Đức Bảo đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ khí cho máy công cụ cắt gọt hạng trung. Đề tài đã xây dựng thành công phương án động học cho hộp tốc độ 23 cấp và hộp chạy dao Norton tiện 4 loại ren tiêu chuẩn, kiểm soát sai số vận tốc trong ngưỡng cho phép $\pm 2,6%$. Toàn bộ kết cấu truyền động chính, công suất động cơ $10\text{ kW}$ cùng độ cứng vững của trục chính thép 40X đều được tính toán và kiểm nghiệm bền vững chắc theo các phương pháp cơ học kết cấu chuẩn xác.