Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành cơ khí, công nghệ chế tạo máy tác động trực tiếp đến chu trình sản xuất công cụ, thiết bị và chi tiết máy phục vụ nền kinh tế. Việc nắm vững quy trình công nghệ, tối ưu hóa các nguyên công chế tạo và tính toán trang thiết bị công nghệ là yêu cầu kỹ thuật nền tảng đối với kỹ sư cơ khí nhằm bảo đảm độ chính xác, chất lượng gia công và năng suất chế tạo. Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo Máy với đề tài "Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết càng gạt C9" do sinh viên Quách Trung Kiên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thành Nhân tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (học kỳ 20202) giải quyết bài toán thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho một chi tiết dạng càng trong điều kiện sản xuất công nghiệp.
Mục tiêu cốt lõi của đồ án là xây dựng quy trình công nghệ gia công cơ khí hợp lý, tính toán lượng dư, xác định chế độ cắt, định mức thời gian gia công và thiết kế đồ gá chuyên dùng nhằm gia công chi tiết càng gạt C9 đạt đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật với chi phí gia công tối ưu.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được phân định theo 6 nội dung:
- Phân tích chức năng làm việc, điều kiện kỹ thuật và tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết càng gạt C9.
- Xác định sản lượng hàng năm, khối lượng chi tiết, dạng sản xuất và phương pháp chế tạo phôi.
- Xác định đường lối công nghệ, lập tiến trình công nghệ và thiết lập sơ đồ gá đặt cho từng nguyên công.
- Tính toán lượng dư gia công theo phương pháp phân tích cho một bề mặt và tra bảng lượng dư cho các bề mặt còn lại; thiết kế bản vẽ lồng phôi.
- Tính toán chế độ cắt bằng phương pháp giải tích cho một nguyên công và tra bảng chế độ cắt cho các nguyên công còn lại; kiểm nghiệm công suất máy.
- Tính toán thời gian gia công cơ bản, thời gian từng chiếc và thiết kế hoàn chỉnh một cơ cấu đồ gá chuyên dùng (tính lực kẹp, sai số gá đặt, lập bảng kê chi tiết và yêu cầu kỹ thuật).
Đối tượng nghiên cứu là chi tiết càng gạt C9 có kích thước lớn nhất $l = 120\text{ mm}$, thể tích $V = 0,25\text{ dm}^3$, khối lượng $Q_1 = 1,8\text{ kg}$, vật liệu gang xám GX15-32. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn tại Việt Nam với sản lượng $N = 11.000\text{ chi tiết/năm}$, sử dụng các dòng máy công cụ vạn năng thông dụng (máy phay nằm ngang 6H82, máy khoan đứng K125) kết hợp đồ gá chuyên dùng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế công nghệ
Quy trình thiết kế công nghệ trong đồ án dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết gia công cắt gọt kim loại, lý thuyết chuẩn định vị và chuỗi kích thước được hệ thống hóa trong các tài liệu chuyên ngành:
- Bộ tài liệu "Thiết kế Đồ án Công nghệ Chế tạo máy" (GS. TS. Trần Văn Địch, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005) và bộ "Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy" Tập 1 (2007), Tập 2 (2005), Tập 3 (2005).
- Lý thuyết định vị 6 bậc tự do trong không gian, nguyên lý chọn chuẩn thô và chuẩn tinh thống nhất cho chi tiết dạng càng.
- Phương pháp giải tích tính lượng dư gia công phân tích (xác định chiều cao nhấp nhô bề mặt $R_z$, chiều sâu lớp hư hỏng $h$, sai lệch không gian $\Delta_\Sigma$ và sai số gá đặt $\varepsilon_i$).
- Lý thuyết tính toán chế độ cắt theo công thức thực nghiệm: tính tốc độ cắt $V = \frac{C_v \cdot D^q}{T^m \cdot t^x \cdot S^y} \cdot k_v$, lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực chạy dao $P_h$, mô men xoắn $M_x$ và công suất cắt thực tế $N_{tt}$ so với công suất hữu ích của máy công cụ $N_m \cdot \eta$.
- Phương pháp cân bằng lực kẹp và phân tích chuỗi sai số chế tạo đồ gá ($\varepsilon_{ct} = \sqrt{\varepsilon_{gd}^2 - (\varepsilon_c^2 + \varepsilon_k^2 + \varepsilon_m^2 + \varepsilon_{ld}^2)}$).
Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất từ bản vẽ chi tiết gia công, bảng thông số kỹ thuật máy phay 6H82, máy khoan K125, bảng cơ lý tính và thành phần hóa học của gang xám GX15-32, cùng các bảng tra cứu thông số dao phay đĩa 3 mặt cắt thép gió P18, mũi khoan P18, mũi khoét hợp kim cứng BK6 và mũi doa P18.
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần 1: Phân tích chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất
Chi tiết dạng càng C9 có chức năng biến chuyển động thẳng của một chi tiết thành chuyển động quay của chi tiết khác hoặc dịch chuyển bánh răng để thay đổi tỉ số truyền trong hộp giảm tốc. Bề mặt làm việc chủ yếu là các mặt trụ trong của lỗ $\phi28$ và 2 lỗ $\phi22$.
Các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt gồm:
- Cấp chính xác kích thước các lỗ cơ bản: cấp 7 ($\phi28H7$, $\phi22H7$).
- Độ không vuông góc giữa đường tâm lỗ $\phi28H7$ và $\phi22H7$: $\le 0,1\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không vuông góc giữa đường tâm lỗ và mặt đầu: $\le 0,1\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không đồng tâm giữa hai lỗ $\phi22$: $\le 0,05\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không song song của các mặt đầu lỗ $\phi22H7$: $\le 0,05\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ nhám bề mặt: mặt đầu đạt $R_z40$, mặt trụ đạt $R_z20$.
- Độ cứng vật liệu: $HB 180 \div 220$ (tương đương $HRC 10 \div 19$).
Về tính công nghệ, chi tiết có kết cấu tương đối đối xứng, mặt đầu nằm trên các mặt phẳng song song thuận lợi chọn chuẩn. Tuy nhiên, độ cứng vững của hai nhánh càng nhỏ chưa cao, đòi hỏi phải sử dụng thêm chốt tỳ phụ trong quá trình gá đặt.
Sản lượng hàng năm được xác định với $N_1 = 10.000\text{ sản phẩm/năm}$, số chi tiết trên một sản phẩm $m = 1$, tỉ lệ phế phẩm $\alpha = 4%$, tỉ lệ dự trữ $\beta = 6%$:
$$N = N_1 \cdot m \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right) = 10.000 \cdot 1 \cdot \left(1 + \frac{4 + 6}{100}\right) = 11.000\text{ (chi tiết/năm)}$$
Khối lượng chi tiết được tính từ thể tích $V = 0,25\text{ dm}^3$ và khối lượng riêng gang xám $\gamma = 7,2\text{ kg/dm}^3$:
$$Q_1 = V \cdot \gamma = 0,25 \cdot 7,2 = 1,8\text{ kg}$$
Với $N = 11.000$ chi tiết/năm và $Q_1 = 1,8\text{ kg}$, quy mô sản xuất thuộc dạng hàng loạt lớn. Phương pháp tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn kim loại, đạt cấp chính xác phôi cấp II.
| Chỉ tiêu cơ lý / Nguyên tố hóa học |
Giá trị quy chuẩn GX15-32 |
| Độ bền kéo $\sigma_k$ |
$150\text{ N/mm}^2$ |
| Độ bền uốn $\sigma_u$ |
$320\text{ N/mm}^2$ |
| Độ cứng |
$HB 180 \div 220$ |
| Carbon (C) |
$3,0 \div 3,6%$ |
| Silic (Si) |
$1,6 \div 2,4%$ |
| Mangan (Mn) |
$0,6 \div 0,9%$ |
| Photpho (P) |
$0,15 \div 0,2%$ |
| Lưu huỳnh (S) |
$\le 0,12%$ |
| Crom (Cr) |
$0,2 \div 0,35%$ |
| Niken (Ni) |
$0,2 \div 0,4%$ |
| Đồng (Cu) |
$\le 0,7%$ |
Phần 2: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết
Với dạng sản xuất hàng loạt lớn tại Việt Nam, đường lối công nghệ tối ưu là phân tán nguyên công, sử dụng máy vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng, gia công một vị trí, một dao và thực hiện tuần tự.
Tiến trình công nghệ gồm 5 nguyên công chính:
- Nguyên công 1: Phay 2 mặt đầu lỗ $\phi28$. Định vị 4 bậc tự do qua mặt phẳng đối xứng bằng hai má ê tô tự định tâm. Sử dụng máy phay nằm ngang 6H82 ($N_m = 7\text{ kW}$), dao phay đĩa 3 mặt cắt thép gió P18 ($D = 160\text{ mm}, d = 40\text{ mm}, z = 18, B = 22\text{ mm}$).
- Nguyên công 2: Khoan, khoét, doa lỗ $\phi28$. Định vị 6 bậc tự do (phiến tỳ đáy hạn chế 3 bậc, 2 chốt trụ hạn chế 2 bậc, khối V tùy động hạn chế 1 bậc kết hợp kẹp chặt). Sử dụng máy khoan đứng K125 ($N_m = 2,8\text{ kW}$); mũi khoan đuôi côn P18 $\phi24$, mũi khoét hợp kim cứng BK6 $\phi27$, mũi doa liền khối chuôi côn P18 $\phi28$.
- Nguyên công 3: Phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$. Định vị 6 bậc tự do (phiến tỳ đáy hạn chế 3 bậc, chốt trụ ngắn định vị lỗ $\phi28$ hạn chế 2 bậc, chốt chống xoay hạn chế 1 bậc, kết hợp chốt tỳ phụ tăng cứng vững). Kẹp chặt bằng ren bu lông từ trên xuống. Sử dụng máy phay 6H82, dao phay đĩa 3 mặt cắt P18 ($D = 125\text{ mm}, d = 32\text{ mm}, z = 22, B = 18\text{ mm}$).
- Nguyên công 4: Khoan, khoét, doa 2 lỗ $\phi22$. Định vị bằng phiến tỳ đáy (3 bậc), chốt trụ ngắn lỗ $\phi28$ (2 bậc), chốt chống xoay đầu càng nhỏ (1 bậc) và chốt tỳ phụ. Kẹp chặt bằng ren bu lông vuông góc phiến tỳ. Sử dụng máy khoan K125; mũi khoan P18 $\phi18$, mũi khoét P18 $\phi21$, mũi doa P18 $\phi22$.
- Nguyên công 5: Tổng kiểm tra độ vuông góc giữa mặt đầu và tâm lỗ $\phi28$, độ đồng tâm giữa hai lỗ $\phi22$, và độ không vuông góc giữa hai đường tâm lỗ $\phi28$ và $\phi22$.
Phần 3: Tính lượng dư gia công
Tác giả tính lượng dư phân tích cho nguyên công phay 4 mặt đầu 2 lỗ $\phi22$ (kích thước gia công $17^{+0,035}\text{ mm}$). Quy trình phay gồm phay thô và phay tinh:
- Phôi đúc: $R_z = 200\ \mu\text{m}$, $h = 300\ \mu\text{m}$, sai lệch phôi $\Delta_\Sigma = 360\ \mu\text{m}$, sai số gá đặt $\varepsilon_i = 17\ \mu\text{m}$. Kích thước tính toán phôi $L = 18,93\text{ mm}$, dung sai $\delta = 500\ \mu\text{m}$, kích thước giới hạn $18,93 \div 19,43\text{ mm}$.
- Bước phay thô: $R_z = 50\ \mu\text{m}$, $h = 0$, $\Delta_\Sigma = 21,6\ \mu\text{m}$, sai số gá đặt còn sót $\varepsilon = 17\ \mu\text{m}$. Lượng dư tính toán $2Z = 1754\ \mu\text{m} \approx 1,75\text{ mm}$, dung sai $\delta = 160\ \mu\text{m}$, kích thước giới hạn $17,18 \div 17,34\text{ mm}$, lượng dư giới hạn $2Z_{\max} = 2090\ \mu\text{m}$.
- Bước phay tinh: $R_z = 20\ \mu\text{m}$, $h = 0$, $\Delta_\Sigma = 14,4\ \mu\text{m}$, $\varepsilon = 0,85\ \mu\text{m}$. Lượng dư tính toán $2Z = 145\ \mu\text{m}$, dung sai $\delta = 35\ \mu\text{m}$, kích thước giới hạn $17,00 \div 17,035\text{ mm}$, lượng dư giới hạn $2Z_{\max} = 305\ \mu\text{m}$.
- Tổng lượng dư gia công giới hạn lớn nhất là $2Z_{0\max} = 2395\ \mu\text{m}$.
Lượng dư cho các nguyên công còn lại được xác định theo phương pháp tra bảng:
- Mặt đầu lỗ $\phi28$: phay thô $3\text{ mm}$, phay tinh $1\text{ mm}$.
- Lỗ $\phi28$ (đúc sẵn $\phi20$): khoan $\phi24$ (lượng dư $4\text{ mm}$), khoét $\phi27$ (lượng dư $3\text{ mm}$), doa $\phi28$ (lượng dư $1\text{ mm}$).
- Lỗ $\phi22$ (đúc đặc): khoan $\phi18$ (lượng dư $18\text{ mm}$), khoét $\phi21$ (lượng dư $3\text{ mm}$), doa $\phi22$ (lượng dư $1\text{ mm}$).
| Bước công nghệ |
$R_z$ ($\mu\text{m}$) |
$h$ ($\mu\text{m}$) |
$\Delta_\Sigma$ ($\mu\text{m}$) |
$\varepsilon$ ($\mu\text{m}$) |
Lượng dư $2Z_i$ ($\mu\text{m}$) |
Kích thước tính toán (mm) |
Dung sai $\delta$ ($\mu\text{m}$) |
Kích thước giới hạn (mm) |
Lượng dư giới hạn $2Z_{\max}$ ($\mu\text{m}$) |
| Phôi |
200 |
300 |
360 |
- |
- |
18,93 |
500 |
$18,93 \div 19,43$ |
- |
| Phay thô |
50 |
0 |
21,6 |
17 |
1754 |
17,18 |
160 |
$17,18 \div 17,34$ |
2090 |
| Phay tinh |
20 |
0 |
14,4 |
0,85 |
145 |
17,00 |
35 |
$17,00 \div 17,035$ |
305 |
| Tổng cộng |
- |
- |
- |
- |
1930 |
- |
- |
- |
2395 |
Phần 4: Tính chế độ cắt cho một nguyên công và tra chế độ cắt cho các nguyên công còn lại
Tác giả tính toán giải tích chế độ cắt cho nguyên công phay 4 mặt đầu $\phi22$ trên máy phay 6H82:
- Phay thô: Lượng dư $Z_b = 2,09\text{ mm}$, chiều sâu cắt $t = 40\text{ mm}$, chiều rộng cắt $B = 2,09\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $S_z = 0,13\text{ mm/răng}$, lượng chạy dao vòng $S_v = 2,86\text{ mm/vòng}$. Vận tốc cắt tính toán $V = 25,8\text{ m/phút}$, vòng quay trục chính chọn theo máy $n_m = 75\text{ vòng/phút}$, lượng chạy dao phút $S_p = 90\text{ mm/phút}$, lực chạy dao $P_h = 889\text{ N}$.
- Phay tinh: Chiều sâu cắt $t = 40\text{ mm}$, chiều rộng cắt $B = 0,3\text{ mm}$, $S_z = 0,05\text{ mm/răng}$, $S_v = 1,2\text{ mm/vòng}$. Vận tốc cắt $V = 45,9\text{ m/phút}$, chọn $n_m = 118\text{ vòng/phút}$, $S_p = 141,6\text{ mm/phút}$, lực $P_h = 70\text{ N}$.
Chế độ cắt tra bảng và kiểm nghiệm công suất cho các nguyên công còn lại:
- Phay 2 mặt đầu $\phi28$ (máy 6H82): Phay thô ($t=3\text{ mm}, V=118\text{ m/phút}, n_m=235\text{ v/p}, S_0=2,34\text{ mm/vòng}, S_p=672\text{ mm/phút}, N_{tt}=3,612\text{ kW} < 5,6\text{ kW}$); Phay tinh ($t=1\text{ mm}, V=377\text{ m/phút}, n_m=750\text{ v/p}, S_0=1,2\text{ mm/vòng}, S_p=900\text{ mm/phút}, N_{tt}=3,87\text{ kW} < 5,6\text{ kW}$).
- Khoan, khoét, doa lỗ $\phi28$ (máy K125): Khoan $\phi24$ ($t=2\text{ mm}, V=20,12\text{ m/phút}, n=267\text{ v/p}, S=0,55\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,82\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$); Khoét $\phi27$ ($t=1,5\text{ mm}, V=8,07\text{ m/phút}, n=99,5\text{ v/p}, S=0,8\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,95\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$); Doa $\phi28$ ($t=0,5\text{ mm}, V=7,38\text{ m/phút}, n=99,5\text{ v/p}, S=1,0\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,82\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$).
- Khoan, khoét, doa 2 lỗ $\phi22$ (máy K125): Khoan $\phi18$ ($t=9\text{ mm}, V=15,09\text{ m/phút}, n=267\text{ v/p}, S=0,28\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,50\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$); Khoét $\phi21$ ($t=1,5\text{ mm}, V=8,90\text{ m/phút}, n=135\text{ v/p}, S=0,7\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,63\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$); Doa $\phi22$ ($t=0,5\text{ mm}, V=9,33\text{ m/phút}, n=135\text{ v/p}, S=0,7\text{ mm/vòng}, N_{tt}=0,69\text{ kW} < 2,8\text{ kW}$).
Phần 5: Tính thời gian gia công cơ bản cho các nguyên công
Thời gian cơ bản được xác định theo công thức $T_o = \frac{L + L_1 + L_2}{S \cdot n} \cdot i$. Thời gian từng chiếc trong sản xuất hàng loạt lớn tính theo công thức:
$$T_{tc} = T_o + T_p + T_{pv} + T_{tn} = T_o + 0,1T_o + 0,08T_o + 0,05T_o = 1,23T_o$$
| Nguyên công |
Các bước gia công |
$L$ (mm) |
$L_1$ (mm) |
$L_2$ (mm) |
$S$ (mm/vòng) |
$n$ (v/p) |
$T_o$ từng bước (phút) |
Tổng $T_o$ (phút) |
| NC1: Phay 2 mặt đầu $\phi28$ |
Phay thô
Phay tinh |
52
52 |
12
9,14 |
3
3 |
2,34
1,2 |
235
750 |
0,12
0,07 |
0,19 |
| NC2: Khoan, khoét, doa $\phi28$ |
Khoan $\phi24$
Khoét $\phi27$
Doa $\phi28$ |
65
65
65 |
13
11
7,68 |
3
3
3 |
0,35
0,80
1,00 |
267
99,5
99,5 |
0,87
1,00
0,76 |
2,63 |
| NC3: Phay 4 mặt đầu $\phi22$ |
Phay thô
Phay tinh |
40
40 |
10
6 |
3
3 |
2,86
1,2 |
75
118 |
0,31
0,54 |
0,85 |
| NC4: Khoan, khoét, doa $\phi22$ |
Khoan $\phi18$
Khoét $\phi21$
Doa $\phi22$ |
17
17
17 |
10
6
4 |
3
3
3 |
0,28
0,70
0,70 |
267
135
135 |
0,40
0,33
0,34 |
1,07 |
Tổng thời gian cơ bản gia công chi tiết:
$$T_o = 0,19 + 2,63 + 0,85 + 1,07 = 4,74\text{ (phút)}$$
Thời gian từng chiếc (thời gian nguyên công):
$$T_{tc} = 1,23 \cdot 4,74 = 5,83\text{ (phút)}$$
Phần 6: Tính và thiết kế một đồ gá
Tác giả thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$:
- Tính lực kẹp: Định vị chi tiết theo 3 mặt phẳng chuẩn (mặt đáy bằng phiến tỳ, mặt trụ trong bằng chốt trụ ngắn, mặt bên bằng chốt chống xoay). Lực kẹp tổng hợp cần thiết xác định qua hệ số an toàn $K = K_0 \cdot K_1 \cdot K_2 \cdot K_3 \cdot K_4 \cdot K_5 \cdot K_6 = 1,5 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1,2 \cdot 1 \cdot 1 = 1,8$ và hệ số ma sát $f = 0,2$ theo công thức $W = K \cdot \frac{P_S}{f}$.
- Phân tích sai số gá đặt:
- Dung sai nguyên công cho phép sai số gá đặt $\varepsilon_{gd} = 60\ \mu\text{m}$.
- Sai số chuẩn do khe hở giữa chốt và lỗ định vị: $\varepsilon_c = 17\ \mu\text{m}$.
- Sai số kẹp chặt: $\varepsilon_k = 0$ (do phương lực kẹp vuông góc với phương kích thước thực hiện).
- Sai số mòn đồ gá với $N = 11.000$ chi tiết: $\varepsilon_m = \beta \cdot \sqrt{N} = 0,3 \cdot \sqrt{11.000} = 31\ \mu\text{m}$.
- Sai số lắp đặt đồ gá: $\varepsilon_{ld} = 5\ \mu\text{m}$.
- Sai số chế tạo cho phép của đồ gá: $\varepsilon_{ct} = \sqrt{\varepsilon_{gd}^2 - (\varepsilon_c^2 + \varepsilon_k^2 + \varepsilon_m^2 + \varepsilon_{ld}^2)}$.
Bảng kê 14 chi tiết và cụm chi tiết đồ gá:
| STT |
Tên chi tiết |
Vật liệu |
Số lượng |
| 1 |
Then dẫn hướng |
Thép C45 |
2 |
| 2 |
Vít M4 |
Thép C45 |
4 |
| 3 |
Cữ so dao |
Thép Y8 |
1 |
| 4 |
Chốt tỳ phụ |
Thép C45 |
2 |
| 5 |
Chi tiết gia công |
Gang xám GX15-32 |
1 |
| 6 |
Vòng đệm |
Thép CT3 |
2 |
| 7 |
Đai ốc 6 cạnh M12 |
Thép 40X |
1 |
| 8 |
Vít M12 |
Thép C45 |
1 |
| 9 |
Chốt trụ thay đổi |
Thép Y8A |
1 |
| 10 |
Đai ốc 6 cạnh M18 |
Thép 40X |
1 |
| 11 |
Đế đồ gá |
Gang |
1 |
| 12 |
Phiến tỳ |
Thép 20X |
1 |
| 13 |
Vít M6 |
Thép C45 |
2 |
| 14 |
Chốt chống xoay |
Thép C45 |
1 |
Yêu cầu kỹ thuật chế tạo và lắp ráp đồ gá:
- Độ không song song giữa mặt phẳng phiến tỳ và đế đồ gá $\le 0,048\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không vuông góc giữa tâm chốt trụ ngắn và đế đồ gá $\le 0,048\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không song song giữa tâm chốt chống xoay và đế đồ gá $\le 0,048\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Bề mặt làm việc của phiến tỳ định vị phải được nhiệt luyện đạt độ cứng $HRC = 50$.
Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ & đồ gá
Quy trình gia công chi tiết càng gạt C9 được đồng bộ hóa hoàn chỉnh giữa phương pháp công nghệ, thiết bị gia công, dụng cụ cắt và cơ cấu gá đặt:
| Nguyên công |
Nội dung bước công nghệ |
Máy công cụ |
Dụng cụ cắt |
Phương án định vị & kẹp chặt |
| NC 1 |
Phay 2 mặt đầu lỗ $\phi28$ (thô, tinh) |
Máy phay nằm ngang 6H82 ($7\text{ kW}$) |
Dao phay đĩa 3 mặt cắt P18 ($D=160\text{ mm}$) |
Định vị 4 bậc tự do qua mặt phẳng đối xứng; kẹp bằng 2 má ê tô tự định tâm |
| NC 2 |
Khoan $\phi24$, khoét $\phi27$, doa $\phi28$ |
Máy khoan đứng K125 ($2,8\text{ kW}$) |
Khoan P18, khoét BK6, doa P18 |
Định vị phiến tỳ đáy (3 BTD), 2 chốt trụ (2 BTD), khối V tùy động (1 BTD + kẹp) |
| NC 3 |
Phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$ (thô, tinh) |
Máy phay nằm ngang 6H82 ($7\text{ kW}$) |
4 dao phay đĩa 3 mặt cắt P18 ($D=125\text{ mm}$) |
Định vị phiến tỳ (3 BTD), chốt trụ lỗ $\phi28$ (2 BTD), chốt chống xoay (1 BTD), chốt tỳ phụ; kẹp ren bu lông |
| NC 4 |
Khoan $\phi18$, khoét $\phi21$, doa $\phi22$ |
Máy khoan đứng K125 ($2,8\text{ kW}$) |
Khoan P18, khoét P18, doa P18 |
Định vị phiến tỳ (3 BTD), chốt trụ lỗ $\phi28$ (2 BTD), chốt chống xoay (1 BTD), chốt tỳ phụ; kẹp ren bu lông |
| NC 5 |
Tổng kiểm tra hình học và dung sai |
Bàn máp, đồng hồ so, trục gá |
Dụng cụ đo kiểm chuyên dùng |
Kiểm tra độ vuông góc tâm $\phi28$ với mặt đầu, độ đồng tâm 2 lỗ $\phi22$, độ không vuông góc giữa $\phi28$ và $\phi22$ |
Cơ chế vận hành của đồ gá phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$ hoạt động trên nguyên tắc gá đặt nhanh: thân đồ gá bằng gang đúc định vị trên bàn máy phay thông qua 2 then dẫn hướng bắt vít M4; chi tiết được đặt lên phiến tỳ thép 20X (đã nhiệt luyện $HRC 50$), lồng qua chốt trụ thép Y8A và tỳ vào chốt chống xoay C45. Hai chốt tỳ phụ C45 được điều chỉnh tiếp xúc phía dưới hai nhánh càng để triệt tiêu biến dạng uốn do lực cắt gây ra. Lực kẹp tạo bởi cơ cấu ren bu lông M12/M18 ép chặt chi tiết từ trên xuống, bảo đảm an toàn khi 4 dao phay đĩa cắt gọt đồng thời.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
- Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình công nghệ 5 nguyên công: Xác lập được quy trình gia công hợp lý từ phôi đúc trong khuôn kim loại (vật liệu GX15-32) đến sản phẩm hoàn thiện, giải quyết bài toán gia công tuần tự bảo đảm độ chính xác cấp 7 và độ nhám $R_z20 \div R_z40$.
- Tính toán và kiểm chứng định lượng chế độ cắt: Đã giải tích chính xác chế độ cắt phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$ (vận tốc phay thô $25,8\text{ m/phút}$, phay tinh $45,9\text{ m/phút}$) và kiểm nghiệm an toàn công suất cho toàn bộ các bước khoan, khoét, doa trên máy 6H82 và K125 ($N_{tt} < N_m \cdot \eta$).
- Xác lập định mức thời gian chính xác: Tính toán cụ thể thời gian cơ bản cho từng nguyên công ($T_{o1} = 0,19\text{ phút}$, $T_{o2} = 2,63\text{ phút}$, $T_{o3} = 0,85\text{ phút}$, $T_{o4} = 1,07\text{ phút}$), xác định tổng thời gian nguyên công cho một chi tiết $T_{tc} = 5,83\text{ phút}$, đáp ứng quy mô sản xuất $11.000\text{ chi tiết/năm}$.
- Thiết kế kết cấu đồ gá chuyên dùng tối ưu: Hoàn thiện kết cấu đồ gá phay 4 mặt đầu $\phi22$ với hệ thống chốt tỳ phụ chống rung động, khắc phục nhược điểm kém cứng vững của kết cấu chi tiết dạng càng mỏng, đồng thời tính toán đầy đủ các thành phần sai số gá đặt ($\varepsilon_{gd} = 60\ \mu\text{m}$, $\varepsilon_c = 17\ \mu\text{m}$, $\varepsilon_m = 31\ \mu\text{m}$, $\varepsilon_{ld} = 5\ \mu\text{m}$).
Hạn chế và hướng phát triển
- Hạn chế: Đồ án chỉ tập trung tính toán giải tích chi tiết lượng dư và chế độ cắt cho một bề mặt (4 mặt đầu lỗ $\phi22$), các bề mặt còn lại chủ yếu sử dụng phương pháp tra bảng kinh nghiệm. Quy trình công nghệ được thiết kế dựa trên các dòng máy công cụ truyền thống (máy phay cơ 6H82, máy khoan cần/đứng K125) với cơ cấu kẹp chặt thủ công bằng ren bu lông, chưa khai thác các giải pháp kẹp nhanh tự động.
- Hướng phát triển: Mở rộng tính toán tối ưu hóa quy trình gia công trên các trung tâm gia công CNC nhiều trục nhằm rút ngắn thời gian phụ và tăng độ tập trung nguyên công; nghiên cứu ứng dụng cơ cấu kẹp chặt bằng khí nén hoặc thủy lực để giảm thiểu thời gian gá tháo chi tiết trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy, đồ án Thiết kế Đồ gá hoặc khóa luận tốt nghiệp về nhóm chi tiết dạng càng.
- Kỹ sư công nghệ tại các xưởng cơ khí cần tài liệu tính toán thực tế về lượng dư phân tích, bảng tra chế độ cắt phay - khoan - khoét - doa gang xám GX15-32 và kết cấu đồ gá phay chuyên dùng có chốt tỳ phụ.
Câu hỏi thường gặp
1. Dạng sản xuất của chi tiết càng gạt C9 được xác định bằng những thông số nào và kết quả ra sao?
Dạng sản xuất được xác định dựa trên sản lượng hàng năm $N = 11.000\text{ chi tiết/năm}$ (tính từ sản lượng $N_1 = 10.000\text{ chiếc/năm}$, phế phẩm $\alpha = 4%$, dự trữ $\beta = 6%$) và khối lượng chi tiết $Q_1 = 1,8\text{ kg}$ (thể tích $V = 0,25\text{ dm}^3$, khối lượng riêng gang xám $\gamma = 7,2\text{ kg/dm}^3$). Kết quả tra bảng xác định quy mô sản xuất thuộc dạng hàng loạt lớn.
2. Tại sao trong nguyên công phay và khoan khoét doa 2 lỗ $\phi22$ bắt buộc phải bố trí thêm chốt tỳ phụ?
Do chi tiết càng gạt C9 có hai nhánh càng dài nhưng tiết diện mỏng, độ cứng vững uốn của hai càng không đủ để chịu lực cắt lớn trong quá trình phay 4 mặt đầu và khoan lỗ. Việc bố trí thêm 2 chốt tỳ phụ dưới nhánh càng giúp tăng độ cứng vững, triệt tiêu rung động và ngăn ngừa biến dạng đàn hồi khi gia công.
3. Tổng thời gian gia công định mức ($T_{tc}$) cho một chi tiết càng gạt C9 là bao nhiêu?
Tổng thời gian cơ bản qua 4 nguyên công gia công cắt gọt là $T_o = 4,74\text{ phút}$ ($NC1 = 0,19\text{ phút}; NC2 = 2,63\text{ phút}; NC3 = 0,85\text{ phút}; NC4 = 1,07\text{ phút}$). Thời gian từng chiếc định mức trong sản xuất hàng loạt lớn được tính theo công thức $T_{tc} = 1,23 \cdot T_o = 5,83\text{ phút}$.
4. Giá trị sai số chuẩn ($\varepsilon_c$) và sai số mòn ($\varepsilon_m$) của đồ gá phay trong đồ án là bao nhiêu?
Sai số chuẩn khi định vị bằng chốt trụ vào lỗ $\phi28$ có khe hở được xác định là $\varepsilon_c = 17\ \mu\text{m}$. Sai số mòn của cơ cấu định vị qua sản lượng $N = 11.000$ chi tiết được tính toán là $\varepsilon_m = \beta \cdot \sqrt{N} = 0,3 \cdot \sqrt{11.000} = 31\ \mu\text{m}$.
5. Vật liệu chi tiết và phôi gia công được lựa chọn với các thông số cơ bản nào?
Chi tiết sử dụng gang xám GX15-32 có độ cứng $HB 180 \div 220$, giới hạn bền kéo $\sigma_k = 150\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 320\text{ N/mm}^2$. Phôi được chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn kim loại đạt cấp chính xác II, trong đó lỗ $\phi28$ được đúc sẵn phôi $\phi20$ và hai lỗ $\phi22$ được đúc đặc.
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Quách Trung Kiên đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết càng gạt C9 với 5 nguyên công khoa học, phù hợp quy mô sản xuất hàng loạt lớn $11.000\text{ chi tiết/năm}$. Toàn bộ các thông số kỹ thuật về lượng dư, chế độ cắt, công suất máy và thời gian nguyên công ($T_{tc} = 5,83\text{ phút}$) đều được tính toán và kiểm chứng chặt chẽ theo lý thuyết công nghệ chế tạo máy. Bản thiết kế đồ gá chuyên dùng phay 4 mặt đầu lỗ $\phi22$ bảo đảm độ cứng vững nhờ hệ thống chốt tỳ phụ và thỏa mãn các điều kiện sai số gá đặt cho phép. Công trình là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh và chuẩn mực cho sinh viên cùng kỹ sư ngành kỹ thuật cơ khí trong mảng thiết kế công nghệ gia công chi tiết dạng càng.
