Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại, ngành cơ khí chế tạo máy đóng vai trò nền tảng nhằm cung cấp công cụ, máy móc và thiết bị cho các ngành kinh tế then chốt như dệt may, nông nghiệp và lâm nghiệp. Đối với công tác đào tạo kỹ sư công nghệ chế tạo máy, yêu cầu thực tiễn đặt ra là người học phải có khả năng vận dụng tổng hợp lý thuyết cơ sở vào việc giải quyết bài toán thiết kế quy trình công nghệ gia công, tính toán chế độ cắt, thiết kế trang bị công nghệ và chế tạo đồ gá chuyên dùng cho một chi tiết máy cụ thể.

Đề tài tập trung vào chi tiết "Càng lắc" – một bộ phận cơ khí thuộc cụm cơ cấu truyền động trong máy dệt công nghiệp. Bề mặt làm việc chính của chi tiết gồm cổ trục $\Phi30$ và hai lỗ cơ bản $\Phi15$ ở vị trí giữa và phía trên, có nhiệm vụ tiếp nhận và biến đổi chuyển động của hệ thống liên kết thành chuyển động lắc qua lại tuần hoàn. Đây là dạng chi tiết dạng càng có hình dáng hình học phức tạp, thành mỏng và đòi hỏi độ chính xác cao về vị trí tương quan giữa các tâm lỗ và mặt phẳng chuẩn.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Thiết kế hoàn chỉnh quy trình công nghệ gia công cơ khí chi tiết Càng lắc cho dạng sản xuất hàng loạt lớn trên hệ thống máy công cụ vạn năng.
  2. Thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trên hệ thống máy điều khiển số (máy tiện CNC Concept TURN 250 và máy phay CNC Emcomil 750).
  3. Thiết kế toàn bộ hệ thống đồ gá chuyên dùng cho các nguyên công trong quy trình công nghệ gia công.
  4. Chế tạo thực tế 02 bộ đồ gá bằng vật liệu nhẹ (hợp kim nhôm) phục vụ cho Nguyên công 1 (tiện trụ $\Phi30$) và Nguyên công 6 (khoan, khoét lỗ $\Phi15$ giữa), làm phương tiện trực quan cho công tác giảng dạy môn học Công nghệ Chế tạo máy và Đồ án môn học.
  5. Tính toán chế độ cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt, công suất cắt và thời gian gia công từng bước công nghệ, đi kèm dự toán khối lượng và chi phí chế tạo.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết Càng lắc máy dệt bằng vật liệu gang xám GX 16-36. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc tính toán thiết kế quy trình công nghệ, lập bản vẽ khuôn mẫu đúc, thiết kế đồ gá chuyên dùng và chế tạo thực nghiệm đồ gá tại xưởng thực hành Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ ngày 15/02/2016 đến ngày 15/07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ chế tạo máy, nguyên lý cắt gọt kim loại, dung sai - kỹ thuật đo và nguyên tắc thiết kế đồ gá chuyên dùng:

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn vật liệu: Chi tiết được chế tạo từ gang xám mã hiệu GX 16-36 theo tiêu chuẩn cơ tính: giới hạn bền kéo $\sigma_k = 180\text{ N/mm}^2$, độ giãn dài $\delta = 0,5%$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 36\text{ kG/mm}^2$, giới hạn bền nén $\sigma_n = 600\text{ N/mm}^2$, độ cứng đạt $170 - 229\text{ HB}$ (chọn giá trị tính toán $\text{HB} = 200$), tổ chức graphit dạng tấm nhỏ mịn.
  • Nguyên lý định vị và gá đặt: Áp dụng nguyên lý định vị 6 bậc tự do trong không gian nhằm khống chế các chuyển động tịnh tiến và quay của chi tiết; phương pháp xác định chuẩn thô và xây dựng chuẩn tinh thống nhất nhằm hạn chế sai số tích lũy giữa các bước nguyên công.
  • Phương pháp tính toán động lực học cắt gọt: Sử dụng các công thức giải tích kinh nghiệm để xác định vận tốc cắt thực tế $V_t$, lượng chạy dao vòng $S_0$, lượng chạy dao phút $S_{ph}$, lực cắt tiếp tuyến $P_z$, công suất cắt $N_c$ và thời gian gia công cơ bản $T_0$, thời gian từng phần $T_{tc}$. Tốc độ vòng quay trục chính tính toán $n_t$ được quy chuẩn về tốc độ máy thực tế $n_m$ dựa theo chuỗi số nhân công bội $\varphi$.

Nguồn dữ liệu tính toán và tra cứu kỹ thuật được trích xuất từ Sổ tay Thiết kế Cơ khí tập 1, Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy tập 1, tập 2 và tài liệu hướng dẫn thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài trong đào tạo kỹ sư cơ khí, xác định mục tiêu cung cấp dụng cụ trực quan cho môn học Công nghệ Chế tạo máy, phạm vi nghiên cứu các đồ gá chuyên dùng cho chi tiết dạng càng và phương pháp nghiên cứu thông qua phân tích tài liệu mẫu, quy chuẩn kỹ thuật và chế tạo thực nghiệm.

Chương 2: Phân tích chi tiết gia công

Chương này đánh giá toàn diện chức năng làm việc, vật liệu và tính công nghệ kết cấu của chi tiết Càng lắc. Văn bản xác định các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về vị trí tương quan và độ nhám:

  • Dung sai độ song song giữa đường tâm lỗ $\Phi15$ dưới so với mặt phẳng chuẩn A: $\le 0,04\text{ mm}$.
  • Dung sai độ vuông góc giữa đường tâm lỗ $\Phi15$ trên so với mặt chuẩn A: $\le 0,025\text{ mm}$.
  • Dung sai độ đồng tâm của lỗ $\Phi15$ giữa so với mặt chuẩn A: $0,06\text{ mm}$.
  • Độ nhám bề mặt: các mặt đầu, mặt bên và rãnh kích thước $20\text{ mm}$ đạt $Rz = 16\ \mu\text{m}$; lỗ $\Phi15^{+0,025}$ gần mặt đáy đạt $Rz = 20\ \mu\text{m}$; lỗ $\Phi15^{+0,025}$ gần mặt trên đạt $Ra = 2,5\ \mu\text{m}$.

Chương 3: Xác định dạng sản xuất

Sản lượng cơ khí thực tế hàng năm được xác định qua công thức: $$N = N_1 \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right)$$ Với sản lượng kế hoạch $N_1 = 20.000\text{ chiếc/năm}$, tỷ lệ phế phẩm đúc $\alpha = 4%$, tỷ lệ phụ tùng thay thế $\beta = 6%$, tính ra sản lượng thực tế $N = 22.000\text{ chiếc/năm}$. Thể tích chi tiết đạt $V = 0,143\text{ dm}^3$, khối lượng riêng của gang xám $\gamma = 7,3\text{ kg/dm}^3$, xác định khối lượng chi tiết $Q = 1,05\text{ kg}$. Đối chiếu khối lượng $1,05\text{ kg}$ và sản lượng $22.000\text{ chiếc/năm}$, dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn.

Chương 4: Chọn phôi và phương pháp tạo phôi

Phân tích so sánh các dạng phôi cán, rèn và đúc. Kết luận lựa chọn phôi đúc trong khuôn cát - mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy. Phôi đúc đạt cấp chính xác II (cấp kích thước IT15 - IT16, độ nhám bề mặt $Rz = 80\ \mu\text{m}$).

Kích thước danh nghĩa chi tiết (mm) Lượng dư gia công (mm) Dung sai kích thước (mm) Kích thước phôi đúc lớn nhất (mm)
Mặt phẳng 72 2,5 (2 phía) 0,8 77,8
Mặt phẳng 48 2,5 (2 phía) 0,5 53,5
Trụ ngoài $\Phi30$ 2,5 (2 phía) 0,5 35,5
Chiều dài 50 3,0 (2 phía) 0,5 53,5
Bề dày 32 2,5 (2 phía) 0,5 35,0

Lượng dư gia công mặt trên là $3,5\text{ mm}$, mặt dưới $2,5\text{ mm}$, mặt bên $2,5\text{ mm}$, lỗ $7\text{ mm}$, góc nghiêng thoát khuôn đạt $2^\circ$.

Chương 5: Thiết kế quy trình công nghệ

Tác giả phân tích và so sánh 2 phương án công nghệ:

  • Phương án 1: Chọn chuẩn tinh thống nhất gồm mặt đầu vai (phiến tỳ khống chế 3 bậc tự do) + mặt trụ ngoài $\Phi30$ (ống lót trụ khống chế 2 bậc tự do) + lỗ $\Phi15$ trên (chốt trám khống chế 1 bậc tự do). Chuẩn thô ở nguyên công đầu là hai khối V định vị mặt trụ ngoài của hệ lỗ $\Phi15$.
  • Phương án 2: Chuẩn tinh thống nhất là lỗ $\Phi15$ giữa kết hợp mặt đầu lỗ và mặt phẳng đã gia công, đòi hỏi 2 nguyên công phụ để tạo chuẩn.

Phương án 1 được lựa chọn nhờ bảo đảm tính thống nhất của chuẩn định vị, hạn chế tích lũy sai số gá đặt và thuận tiện cho việc thiết kế kết cấu đồ gá.

Chương 6: Thiết kế nguyên công

Xây dựng chi tiết 7 nguyên công trên máy vạn năng bao gồm: phân tích sơ đồ định vị, phương chiều lực kẹp, lựa chọn thiết bị máy, dao cắt, thông số chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, bước tiến dao $S$, tốc độ cắt $V$, số vòng quay $n$) và tính thời gian nguyên công ($T_0, T_{tc}$).

Chương 7: Thiết kế đồ gá

Trình bày kết cấu cơ cấu định vị (khối V, phiến tỳ, ống lót định vị, chốt tỳ lò xo, chốt trám) và cơ cấu kẹp chặt (đòn kẹp, cơ cấu kẹp liên động, kẹp nhanh bằng ren) cho từng nguyên công từ NC1 đến NC5.

Chương 8: Tính chế độ cắt

Tính toán giải tích chi tiết chế độ cắt động lực học cho Nguyên công 1 (tiện trụ $\Phi30$) và Nguyên công 2 (phay 4 mặt bên). Xác định các hệ số hiệu chỉnh $k_{MV}, k_{nv}, k_1, k_2, k_3$, kiểm tra điều kiện bền và công suất trục chính máy cắt.

Chương 9: Tính toán và thiết kế đồ gá

Thiết lập sơ đồ phân tích lực cắt tiếp tuyến $P_z$, mô men cắt $M_x$, tính toán lực kẹp cần thiết $W_{ct}$ chống xoay và trượt, xác định sai số gá đặt $\varepsilon_{gd}$, sai số định vị $\varepsilon_{dv}$, sai số kẹp chặt $\varepsilon_{k}$ cho đồ gá Nguyên công 1 và Nguyên công 6.

Chương 10: Quy trình công nghệ gia công CNC

Thiết lập trình tự công nghệ gia công chi tiết Càng lắc trên trung tâm tiện CNC Concept TURN 250 (nguyên công tiện) và máy phay CNC Emcomil 750 (các nguyên công phay mặt, phay rãnh và gia công hệ lỗ $\Phi15$).

Thiết kế và triển khai

Quy trình công nghệ chế tạo cơ khí hoàn chỉnh cho chi tiết Càng lắc trên hệ thống máy công cụ vạn năng được tổng hợp trong bảng thông số kỹ thuật dưới đây:

NC Nội dung nguyên công Máy Dụng cụ cắt Định vị & Kẹp chặt $n$ (v/ph) $S$ (mm/v) $t$ (mm) $N_c$ (kW) $T_{tc}$ (phút)
1 Tiện thô & bán tinh trụ $\Phi30$ Tiện T616 ($4,5\text{ kW}$) Dao tiện ngoài hợp kim K40 2 khối V ngắn + 1 khối V dài di động; kẹp đòn Thô: 992
Tinh: 1408		 Thô: 0,50
Tinh: 0,60		 Thô: 2,0
Tinh: 0,5		 Thô: 2,56
Tinh: 0,90		 0,3166
2 Phay bán tinh 4 mặt bên Phay ngang 6H82 ($7\text{ kW}$) Dao phay đĩa thép gió $D100, B10, Z18$ Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt tỳ lò xo; kẹp liên động Thô: 120
Tinh: 95		 2,16
($S_z=0,12$)		 Thô: 2,0
Tinh: 0,5		 Thô: 1,70
Tinh: 1,20		 0,5900
3 Khoan, khoét bán tinh lỗ $\Phi15$ dưới Khoan đứng 2H135 ($4\text{ kW}$) Mũi khoan $\Phi12$, mũi khoét $\Phi15$ Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt tỳ; kẹp nhanh 504 Khoan: 0,40
Khoét: 0,60		 Khoan: 6,0
Khoét: 1,5		 Khoan: 1,30
Khoét: 0,90		 0,3755
4 Khoan, khoét tinh lỗ $\Phi15$ trên Khoan đứng 2H135 ($4\text{ kW}$) Mũi khoan $\Phi12$, mũi khoét $\Phi15$ Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt tỳ; kẹp liên động 504 Khoan: 0,40
Khoét: 0,60		 Khoan: 6,0
Khoét: 1,5		 Khoan: 1,30
Khoét: 0,90		 0,8125
5 Phay bán tinh chiều dài trụ $50\text{ mm}$ Phay ngang 6H82 ($7\text{ kW}$) Dao phay đĩa thép gió $D100, B10, Z18$ Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt trám; kẹp liên động Thô: 120
Tinh: 95		 2,16
($S_z=0,12$)		 Thô: 2,0
Tinh: 0,5		 Thô: 1,20
Tinh: 1,00		 0,4855
6 Khoan, khoét tinh lỗ $\Phi15$ giữa Khoan đứng 2H135 ($4\text{ kW}$) Mũi khoan $\Phi12$, mũi khoét $\Phi15$ Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt trám lò xo; kẹp nhanh 504 Khoan: 0,40
Khoét: 0,60		 Khoan: 6,0
Khoét: 1,5		 Khoan: 1,30
Khoét: 0,90		 0,5861
7 Phay bán tinh rãnh $20 \times 3\text{ mm}$ Phay đứng 6H12 ($7\text{ kW}$) Dao phay ngón thép gió ($d=18, d=20$) Phiến tỳ + ống lót $\Phi30$ + chốt trám; kẹp liên động Thô: 302
Tinh: 190		 Thô: 0,72
Tinh: 0,60		 Thô: 2,5
Tinh: 0,5		 Thô: 1,60
Tinh: 0,90		 1,0620

Đối với phần triển khai chế tạo sản phẩm vật lý, nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh 02 bộ đồ gá thực nghiệm bằng vật liệu hợp kim nhôm:

  • Đồ gá Nguyên công 1: Chuyên dùng tiện trụ $\Phi30$ trên máy tiện T616, sử dụng 2 khối V ngắn cố định định vị 2 mặt trụ tròn $R15$ và 1 khối V dài di động định vị khối trụ $R13$, kẹp chặt bằng cơ cấu đòn kẹp vuông góc mặt chuẩn.
  • Đồ gá Nguyên công 6: Chuyên dùng khoan, khoét lỗ $\Phi15$ giữa trên máy khoan 2H135, định vị bằng phiến tỳ (3 bậc tự do), ống lót trụ $\Phi30$ (2 bậc tự do) và chốt trám có lò xo định vị chống xoay (1 bậc tự do), sử dụng cơ cấu kẹp nhanh bằng ren ốc.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật với các kết quả cụ thể:

  1. Xác định chính xác phương pháp đúc trong khuôn cát - mẫu kim loại đạt cấp chính xác II, tính toán lượng dư gia công từng bề mặt (từ $2,5\text{ mm}$ đến $3,5\text{ mm}$) và lập bản vẽ mẫu đúc, khuôn đúc phân khuôn theo mặt phẳng nằm ngang $X-X$.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ chuẩn gồm 7 nguyên công trên máy vạn năng và 4 nguyên công trên máy CNC. Công suất cắt của tất cả các bước gia công đều nằm trong giới hạn cho phép của thiết bị (công suất cắt $N_c$ dao động từ $0,9\text{ kW}$ đến $2,56\text{ kW}$, nhỏ hơn công suất danh định $4\text{ kW} - 7\text{ kW}$ của các máy T616, 6H82, 2H135, 6H12).
  3. Đề xuất giải pháp chuẩn tinh thống nhất tối ưu (mặt phẳng vai + trụ $\Phi30$ + chốt định vị phụ), giúp loại bỏ sai số chuyển chuẩn giữa các nguyên công phay mặt, phay rãnh và khoan khoét hệ lỗ.
  4. Chế tạo thành công 02 bộ đồ gá vật lý bằng nhôm và xuất xưởng hệ thống hồ sơ kỹ thuật gồm 2 bản vẽ A0, 5 bản vẽ A1, tập bản vẽ lồng phôi, khuôn đúc và tập bản vẽ tách chi tiết phục vụ giảng dạy trực quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện, đề tài mới chỉ tiến hành chế tạo vật lý 02 đồ gá thực nghiệm (NC1 và NC6) bằng vật liệu nhẹ (nhôm) phục vụ mô hình học cụ, chưa chế tạo toàn bộ 7 đồ gá bằng gang/thép theo tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp; các kiểm nghiệm về độ mòn cơ học của cơ cấu định vị trong chu kỳ làm việc dài hạn chưa được khảo sát bằng thực nghiệm tải nặng.
  • Hướng phát triển: Tiếp tục chế tạo hoàn thiện các đồ gá còn lại (NC2, NC3, NC4, NC5, NC7); nâng cấp cơ cấu kẹp chặt thủ công (kẹp ren, đòn kẹp) sang hệ thống kẹp cơ giới hóa bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm rút ngắn thời gian phụ $T_p$; mở rộng lập trình mô phỏng gia công tự động và xuất mã G-code trên các phần mềm CAM chuyên dụng cho trung tâm gia công CNC nhiều trục.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật và Kỹ thuật Cơ khí khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy, Đồ án Thiết kế Đồ gá và Đồ án Tốt nghiệp kỹ sư.
  • Giảng viên cơ khí sử dụng làm tài liệu hướng dẫn mẫu về phương pháp tính toán chế độ cắt theo chuỗi cấp tốc độ máy công cụ vạn năng, thiết kế chuỗi kích thước công nghệ và tính lực kẹp đồ gá.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các xưởng sản xuất cơ khí trong việc thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng càng phức tạp và thiết kế đồ gá chuyên dùng tối ưu hóa năng suất.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết Càng lắc được làm bằng vật liệu gì và cơ tính ra sao?
Chi tiết được chế tạo từ gang xám GX 16-36 với giới hạn bền kéo $180\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền uốn $36\text{ kG/mm}^2$, giới hạn bền nén $600\text{ N/mm}^2$, độ giãn dài $0,5%$, độ cứng đạt $170 - 229\text{ HB}$ (chọn tính toán $\text{HB} = 200$) và cấu trúc graphit dạng tấm nhỏ mịn.

2. Dạng sản xuất của chi tiết được xác định trên cơ sở nào?
Dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn, căn cứ trên sản lượng thực tế hàng năm $N = 22.000\text{ chiếc/năm}$ (tính từ sản lượng kế hoạch $20.000\text{ chiếc/năm}$, phế phẩm $4%$, phụ tùng $6%$) kết hợp với khối lượng chi tiết $Q = 1,05\text{ kg}$ (thể tích $V = 0,143\text{ dm}^3$, khối lượng riêng gang xám $7,3\text{ kg/dm}^3$).

3. Chuẩn tinh thống nhất được chọn trong quy trình công nghệ gồm các bề mặt nào?
Chuẩn tinh thống nhất gồm 3 bề mặt: mặt đầu vai (định vị bằng phiến tỳ khống chế 3 bậc tự do), mặt trụ ngoài $\Phi30$ (định vị bằng ống lót trụ khống chế 2 bậc tự do) và lỗ $\Phi15$ trên (định vị bằng chốt trám khống chế 1 bậc tự do).

4. Phôi đúc được chế tạo bằng phương pháp nào và đạt cấp chính xác bao nhiêu?
Phôi được chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn cát - mẫu kim loại, làm khuôn bằng máy; đạt cấp chính xác II với cấp dung sai kích thước IT15 - IT16 và độ nhám bề mặt $Rz = 80\ \mu\text{m}$.

5. Nhóm tác giả đã chế tạo thực tế những sản phẩm vật lý nào?
Nhóm tác giả đã gia công chế tạo hoàn chỉnh 02 bộ đồ gá bằng hợp kim nhôm dành cho Nguyên công 1 (tiện thô và bán tinh trụ $\Phi30$) và Nguyên công 6 (khoan, khoét tinh lỗ $\Phi15$ giữa), cùng hệ thống bản vẽ thiết kế A0, A1 và thuyết minh kỹ thuật.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế quy trình công nghệ và trang bị công nghệ gia công chi tiết Càng lắc máy dệt cho quy mô sản xuất hàng loạt lớn. Nhóm tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh chu trình 7 nguyên công trên máy vạn năng, thiết lập quy trình gia công CNC, tính toán động lực học cắt gọt và thiết kế hệ thống đồ gá chuyên dùng đảm bảo độ chính xác hình học. Hai bộ đồ gá bằng vật liệu nhẹ được chế tạo thực tế đã nghiệm thu thành công, đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật và cung cấp công cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.