Bối cảnh và nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài "Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết càng gạt" được sinh viên Nguyễn Quý Chiến thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Đoàn Khắc Hiệp tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi (năm 2022). Trong bối cảnh ngành cơ khí chế tạo máy đóng vai trò nòng cốt thúc đẩy công nghiệp hóa, việc xây dựng quy trình công nghệ gia công hợp lý trên các hệ thống máy công cụ vạn năng là yêu cầu thiết yếu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tối ưu hóa năng suất và hạ giá thành sản xuất.
Nhiệm vụ kỹ thuật và mục tiêu chính của đồ án bao gồm:
- Phân tích kết cấu, chức năng làm việc và xác định dạng sản xuất của chi tiết càng gạt.
- Đánh giá tính công nghệ trong kết cấu, lựa chọn dạng phôi, vật liệu và phương pháp chế tạo phôi phù hợp với quy mô sản xuất.
- Lập tiến trình quy trình công nghệ gia công cơ khí bao gồm 7 nguyên công từ phôi đúc đến chi tiết hoàn chỉnh.
- Xác định sơ đồ định vị, cơ cấu kẹp chặt và trang thiết bị công nghệ (máy công cụ, dụng cụ cắt, đồ gá) cho từng nguyên công.
- Tính toán các thông số chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt, số vòng quay), xác định lực cắt, mô men xoắn, kiểm nghiệm công suất máy và tính thời gian gia công cơ bản cho từng bước công nghệ.
Đối tượng nghiên cứu là chi tiết càng gạt – một chi tiết dạng càng điển hình có chức năng biến đổi chuyển động thẳng thành chuyển động quay (hoặc ngược lại) hoặc dùng để gạt đẩy bánh răng nhằm thay đổi tỉ số truyền trong hộp tốc độ. Phạm vi tính toán công nghệ được xác định cho dạng sản xuất hàng loạt lớn, sử dụng vật liệu gang xám GX 15-32.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp công nghệ
Đồ án vận dụng các nguyên lý cơ bản của môn học Công nghệ Chế tạo máy và Sổ tay Thiết kế Công nghệ Chế tạo máy để giải quyết bài toán thiết kế quy trình gia công:
- Cơ sở lý thuyết định vị và kẹp chặt: Ứng dụng nguyên tắc định vị 6 bậc tự do trong không gian nhằm khống chế các bậc tự do chuyển động và xoay của phôi thông qua các chi tiết định vị tiêu chuẩn (phiến tỳ phẳng, phiến tỳ khía nhám, khối V cố định, khối V tùy động, chốt trụ ngắn, chốt trám và chốt tỳ phụ).
- Phương pháp tính toán chế độ cắt: Tra cứu các hệ số thực nghiệm ($C_v, q, m, x, y, u, p$) và áp dụng công thức giải tích xác định tốc độ cắt thực nghiệm $V$, số vòng quay trục chính $n$, lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực chiều trục $P_0$, mô men xoắn $M_x$, công suất cắt yêu cầu $N_e$ và thời gian gia công cơ bản $T_0$.
- Nguồn dữ liệu thiết bị và dụng cụ cắt:
- Máy phay vạn năng 6H82: Kích thước bề mặt làm việc của bàn máy $320 \times 250\text{ mm}$, hành trình bàn máy (dọc $700\text{ mm}$, thẳng đứng $320\text{ mm}$, ngang $260\text{ mm}$), 18 cấp tốc độ trục chính ($30 - 1500\text{ vg/ph}$), công suất động cơ chính $1{,}7\text{ kW}$, khối lượng máy $2700\text{ kg}$.
- Máy khoan bàn Hồng Ký KD600: Hành trình khoan $51\text{ mm}$, khoảng cách từ mũi khoan đến mâm khoan $150\text{ mm}$, phạm vi kẹp mũi khoan $1{,}5 - 13\text{ mm}$, công suất động cơ $350\text{ W}$ (mô tơ $1/3\text{ HP} - 250\text{ W} - 220\text{ V}$), dải tốc độ trục chính $600 - 2495\text{ vg/ph}$, khối lượng máy $18{,}5\text{ kg}$.
- Dụng cụ cắt chuyên dụng: Dao phay mặt đầu WSX445 ($D = 40\text{ mm}$, số răng $Z = 3$, chiều sâu cắt tối đa $5\text{ mm}$), mũi khoan thép hợp kim NSD8 đường kính $8\text{ mm}$, mũi doa hợp kim AEX Ø10, mũi khoan TD20.0 đường kính $20\text{ mm}$, mũi khoét hợp kim Unifast Ø20, mũi khoan Makita D-00131 Ø8.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Xác định dạng chi tiết và các yêu cầu cơ bản
Chương 1 tiến hành phân loại chi tiết, phân tích tính công nghệ trong kết cấu và thiết lập các yêu cầu kỹ thuật:
- Dạng chi tiết và dạng sản xuất: Chi tiết thuộc họ chi tiết dạng càng, kết cấu có mặt phẳng đối xứng, làm việc trong điều kiện chịu tải cơ học; quy mô sản xuất ở mức hàng loạt lớn.
- Phân tích tính công nghệ kết cấu:
- Hình dạng hình học tương đối đơn giản, thuận lợi cho việc tạo phôi đúc và gia công cơ.
- Chi tiết có độ cứng vững không cao, dễ biến dạng khi chịu tác dụng của lực cắt và lực kẹp, đòi hỏi phải bố trí điểm đặt lực kẹp và chốt tỳ phụ hợp lý.
- Các mặt đầu của càng không nằm trên cùng một mặt phẳng, dẫn đến việc không thể gia công đồng thời tất cả các mặt đầu trong một lần gá, phải phân chia thành nhiều nguyên công gá đặt riêng biệt.
- Các đường tâm lỗ được bố trí vuông góc với mặt đầu, tạo điều kiện thuận lợi cho các bước gia công lỗ (khoan, khoét, doa).
- Yêu cầu kỹ thuật chế tạo:
- Độ không song song giữa các mặt đầu không vượt quá $0{,}02\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Độ không vuông góc của tâm các lỗ so với mặt đầu không vượt quá $0{,}05\text{ mm}/100\text{ mm}$.
- Đảm bảo độ không song song giữa các đường tâm lỗ cơ bản.
- Kích thước các lỗ gia công hoàn thiện phải đạt cấp chính xác 7, độ nhám bề mặt đạt $Ra = 2{,}5\ \mu\text{m}$.
Chương 2. Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi
Chương này đánh giá các phương pháp tạo phôi công nghiệp (đúc, rèn, dập, cán) và lựa chọn phương án chế tạo:
- Đánh giá phương pháp tạo phôi: Phôi rèn và dập cho cơ tính cao nhưng đòi hỏi chi phí chế tạo khuôn lớn và khó áp dụng hiệu quả cho vật liệu gang xám có hình dạng phân nhánh; phôi cán chỉ thích hợp cho chi tiết dạng trục đơn giản. Phương pháp đúc cho phép tạo hình linh hoạt các kết cấu từ đơn giản đến phức tạp với chi phí thấp.
- Lựa chọn phôi: Chọn phương pháp đúc trong khuôn kim loại. Phương pháp này đảm bảo độ chính xác kích thước cao hơn đúc khuôn cát thủ công, giảm lượng dư gia công, nâng cao năng suất và phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt lớn.
- Vật liệu chế tạo: Gang xám GX 15-32, có giới hạn bền kéo $\sigma_k = 15\text{ kg/mm}^2$, giới hạn bền uốn $\sigma_u = 32\text{ kg/mm}^2$, độ cứng phôi đúc $HB = 190$.
Chương 3. Quy trình công nghệ
Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết càng gạt được phân chia thành 7 nguyên công chính với phương án gá đặt và trang bị công nghệ cụ thể:
| Nguyên công |
Nội dung công việc |
Chuẩn định vị và số bậc tự do khống chế |
Cơ cấu kẹp chặt |
Thiết bị máy |
Dụng cụ cắt |
| NC 1 |
Phay mặt đầu C |
2 phiến tỳ khía nhám mặt phẳng (3 bậc), 1 khối V ngắn mặt trụ trái (2 bậc), 1 khối V tùy động mặt trụ phải (1 bậc) |
Cơ cấu ren vít tại khối V di động, lực kẹp từ phải sang trái |
Máy phay 6H82 |
Dao phay mặt đầu WSX445-040A ($D=40\text{ mm}$) |
| NC 2 |
Phay mặt đầu B |
2 phiến tỳ phẳng (3 bậc), 1 khối V ngắn (2 bậc), 1 khối V tùy động (1 bậc) |
Cơ cấu ren vít tại khối V di động, lực kẹp từ phải sang trái |
Máy phay 6H82 |
Dao phay mặt đầu WSX445-040A ($D=40\text{ mm}$) |
| NC 3 |
Phay mặt đầu D |
2 phiến tỳ phẳng (3 bậc), 1 khối V ngắn (2 bậc), 1 khối V tùy động (1 bậc), có thêm chốt tỳ phụ |
Cơ cấu ren vít tại khối V di động, lực kẹp từ phải sang trái |
Máy phay 6H82 |
Dao phay mặt đầu WSX445-040A ($D=40\text{ mm}$) |
| NC 4 |
Phay mặt đầu A |
Phiến tỳ phẳng (3 bậc), 1 khối V ngắn mặt trụ Ø40 (2 bậc), có thêm chốt tỳ phụ |
Đòn kẹp liên động, lực kẹp hướng từ trên xuống |
Máy phay 6H82 |
Dao phay mặt đầu WSX445-040A ($D=40\text{ mm}$) |
| NC 5 |
Khoan + Khoét + Doa 2 lỗ Ø10 |
2 phiến tỳ phẳng (3 bậc), 1 khối V ngắn (2 bậc), 1 khối V tùy động (1 bậc) |
Cơ cấu ren vít tại khối V di động, lực kẹp từ phải sang trái |
Máy khoan Hồng Ký KD600 |
Mũi khoan NSD8 Ø8, mũi khoét Ø9.8, dao doa AEX Ø10 |
| NC 6 |
Khoan + Khoét + Doa lỗ Ø20 |
Phiến tỳ phẳng (3 bậc), 1 chốt trụ ngắn lỗ trái (2 bậc), 1 chốt trám lỗ phải (1 bậc), có chốt tỳ phụ |
Đòn kẹp liên động, lực kẹp hướng từ trên xuống |
Máy khoan Hồng Ký KD600 |
Mũi khoan mồi Ø8, mũi khoan TD20.0 (hoặc Ø19), mũi khoét Unifast Ø20 |
| NC 7 |
Khoan lỗ Ø12 |
Phiến tỳ mặt phẳng (3 bậc), 1 chốt trụ ngắn lỗ Ø20 (2 bậc), 1 chốt trám lỗ Ø10 (1 bậc) |
Cơ cấu ren vít – đòn kẹp, lực kẹp hướng từ ngoài vào |
Máy khoan Hồng Ký KD600 |
Mũi khoan Makita D-00131 Ø8, mũi khoan mở rộng Ø12 |
Chương 4. Tính toán chế độ cắt
Chương 4 thực hiện việc xác định định lượng các thông số cắt gọt và thời gian gia công cho từng bước công nghệ:
- Nguyên công 1 & 2 (Phay mặt C và mặt B, chiều dài $L = 205\text{ mm}$):
- Bước 1 (Phay thô): Chiều sâu cắt $t = 1{,}5\text{ mm}$; lượng chạy dao răng $S_z = 0{,}2\text{ mm/răng}$; lượng chạy dao vòng $S = 2\text{ mm/vg}$; tốc độ cắt thực tế $V_t = 37{,}68\text{ m/ph}$; số vòng quay $n = 300\text{ vg/ph}$; lực cắt tiếp tuyến $P_z = 1322{,}81\text{ N}$; mô men xoắn $M_x = 264{,}56\text{ Nm}$; công suất cắt $N_e = 0{,}81\text{ kW}$ (đáp ứng giới hạn $1{,}7\text{ kW}$ của máy 6H82); thời gian gia công cơ bản $T_0 = 0{,}37\text{ phút}$ (với $L_1 = 11\text{ mm}, L_2 = 5\text{ mm}$).
- Bước 2 (Phay tinh): Chiều sâu cắt $t = 0{,}5\text{ mm}$; lượng chạy dao vòng $S = 1\text{ mm/vg}$; tốc độ cắt thực tế $V_t = 59{,}66\text{ m/ph}$; số vòng quay $n = 475\text{ vg/ph}$; lực cắt tiếp tuyến $P_z = 298{,}78\text{ N}$; mô men xoắn $M_x = 59{,}76\text{ Nm}$; công suất cắt $N_e = 0{,}29\text{ kW}$; thời gian gia công cơ bản $T_0 = 0{,}46\text{ phút}$ (với $L_1 = 8\text{ mm}, L_2 = 5\text{ mm}$).
- Nguyên công 3 & 4 (Phay mặt D và mặt A, chiều dài $L = 40\text{ mm}$):
- Bước 1 (Phay thô): Chiều sâu cắt $t = 1{,}5\text{ mm}$; lượng chạy dao răng $S_z = 0{,}15\text{ mm/răng}$; lượng chạy dao vòng $S = 2{,}1\text{ mm/vg}$; tốc độ cắt thực tế $V_t = 37{,}59\text{ m/ph}$; số vòng quay $n = 190\text{ vg/ph}$; lực cắt tiếp tuyến $P_z = 1532{,}73\text{ N}$; mô men xoắn $M_x = 482{,}81\text{ Nm}$; công suất cắt $N_e = 0{,}94\text{ kW}$; thời gian gia công cơ bản $T_0 = 0{,}15\text{ phút}$ (với $L_1 = 13\text{ mm}, L_2 = 5\text{ mm}$).
- Bước 2 (Phay tinh): Chiều sâu cắt $t = 0{,}5\text{ mm}$; lượng chạy dao vòng $S = 1{,}4\text{ mm/vg}$; tốc độ cắt thực tế $V_t = 46{,}49\text{ m/ph}$; số vòng quay $n = 235\text{ vg/ph}$; lực cắt tiếp tuyến $P_z = 425{,}86\text{ N}$; mô men xoắn $M_x = 134{,}15\text{ Nm}$; công suất cắt $N_e = 0{,}32\text{ kW}$; thời gian gia công cơ bản $T_0 = 0{,}16\text{ phút}$ (với $L_1 = 9\text{ mm}, L_2 = 5\text{ mm}$).
- Nguyên công 5 (Khoan, khoét, doa 2 lỗ Ø10, chiều sâu $L = 20\text{ mm}$):
- Bước 1 (Khoan lỗ Ø8): $t = 4\text{ mm}$; $S = 0{,}30\text{ mm/vg}$; $V_t = 23{,}86\text{ m/ph}$; $n = 950\text{ vg/ph}$; công suất cắt $N_e = 0{,}50\text{ kW}$; $L_1 = 8{,}66\text{ mm}, L_2 = 2\text{ mm}$; số bước $i = 2$; thời gian gia công $T_0 = 0{,}22\text{ phút}$.
- Bước 2 (Khoét lỗ Ø9,8): $t = 0{,}9\text{ mm}$; $S = 0{,}70\text{ mm/vg}$; $V_t = 20\text{ m/ph}$; $n = 650\text{ vg/ph}$; lực chiều trục $P_0 = 1759{,}64\text{ N}$; công suất cắt $N_e = 0{,}39\text{ kW}$; $L_1 = 3{,}56\text{ mm}, L_2 = 3\text{ mm}$; số bước $i = 2$; thời gian gia công $T_0 = 0{,}12\text{ phút}$.
- Bước 3 (Doa lỗ Ø10): $S = 1{,}70\text{ mm/vg}$; số răng dao $Z = 10$; lượng chạy dao răng $S_z = 0{,}17\text{ mm/răng}$; $V_t = 10{,}99\text{ m/ph}$; $n = 350\text{ vg/ph}$; công suất cắt $N_e = 0{,}04\text{ kW}$; $L_1 = 2{,}37\text{ mm}, L_2 = 2\text{ mm}$; số bước $i = 2$.
- Nguyên công 6 (Khoan, khoét, doa lỗ Ø20, chiều sâu $L = 42\text{ mm}$):
- Bước 1 (Khoan mồi lỗ Ø8): $S = 0{,}30\text{ mm/vg}$; $V_t = 23{,}86\text{ m/ph}$; $n = 950\text{ vg/ph}$; công suất $N_e = 0{,}50\text{ kW}$; $L_1 = 8{,}66\text{ mm}, L_2 = 3\text{ mm}$; thời gian gia công $T_0 = 0{,}19\text{ phút}$.
- Bước 2 (Khoan mở rộng Ø19): $S = 0{,}45\text{ mm/vg}$; $V_t = 28{,}34\text{ m/ph}$; $n = 475\text{ vg/ph}$; lực chiều trục $P_0 = 25092{,}37\text{ N}$; công suất cắt $N_e = 1{,}49\text{ kW}$; $L_1 = 11{,}53\text{ mm}, L_2 = 2\text{ mm}$; thời gian gia công $T_0 = 0{,}26\text{ phút}$.
- Bước 3 (Khoét lỗ Ø19,8): Tiếp tục mở rộng đường kính chuẩn bị cho bước doa hoàn thiện lỗ Ø20.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án đã xây dựng hoàn chỉnh giải pháp công nghệ gia công cơ khí cho chi tiết càng gạt bằng gang xám GX 15-32 với các kết quả cụ thể:
- Hoàn thiện chuỗi công nghệ 7 nguyên công: Thiết lập trình tự gia công hợp lý từ gia công mặt chuẩn (phay các mặt đầu A, B, C, D) đến gia công các hệ lỗ cơ bản (2 lỗ Ø10, lỗ Ø20 và lỗ khóa Ø12), giải quyết vấn đề các mặt đầu không đồng phẳng thông qua việc phân chia các nguyên công phay riêng biệt.
- Xác lập hệ thống thông số chế độ cắt chuẩn hóa: Đã tính toán và kiểm nghiệm đầy đủ các thông số động học và lực học ($t, S, V, n, P_z, P_0, M_x, N_e, T_0$) cho các nguyên công phay thô, phay tinh, khoan, khoét và doa. Các giá trị công suất cắt tính toán (từ $0{,}04\text{ kW}$ đến $1{,}49\text{ kW}$) đều nằm trong dải công suất làm việc an toàn của các máy công cụ đã chọn (máy phay 6H82 công suất $1{,}7\text{ kW}$ và máy khoan KD600).
- Giải pháp đồ gá chống biến dạng: Đề xuất sử dụng chốt tỳ phụ tại các vị trí thành mỏng đối diện bề mặt gia công trong các nguyên công 3, 4 và 6, giúp tăng cứng vững và triệt tiêu biến dạng do lực kẹp và lực cắt tác động lên thân phôi.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong tài liệu:
- Đồ án tập trung giải quyết quy trình gia công trên các thiết bị máy công cụ vạn năng truyền thống (máy phay cơ 6H82, máy khoan bàn cơ KD600), chưa đề cập đến việc lập trình gia công trên máy điều khiển số CNC hoặc các trung tâm gia công nhiều trục.
- Phần tính toán chi tiết chế độ cắt trong văn bản tập trung chủ yếu từ nguyên công 1 đến nguyên công 6 và bước đầu của nguyên công 7, chưa triển khai phần thiết kế chi tiết cơ cấu đồ gá chuyên dùng hoàn chỉnh cho toàn bộ các nguyên công.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích 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 tốt nghiệp hoặc bài tập lớn về thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng càng.
- Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư công nghệ trong việc tham khảo phương pháp tính toán chế độ cắt giải tích, phương án bố trí định vị 6 bậc tự do và giải pháp tăng cứng vững cho các chi tiết cơ khí có độ cứng vững thấp.
Câu hỏi thường gặp
1. Vật liệu chế tạo phôi và phương pháp tạo phôi được lựa chọn cho chi tiết càng gạt là gì?
Chi tiết được chế tạo từ gang xám GX 15-32 ($\sigma_k = 15\text{ kg/mm}^2, \sigma_u = 32\text{ kg/mm}^2, HB = 190$). Phương pháp tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn kim loại nhằm đáp ứng quy mô sản xuất hàng loạt lớn, giảm lượng dư gia công và tiết kiệm chi phí.
2. Chi tiết càng gạt có những đặc điểm kết cấu nào ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình gia công?
Kết cấu càng gạt có độ cứng vững không cao nên dễ biến dạng khi kẹp chặt; các mặt đầu không cùng nằm trên một mặt phẳng nên không thể phay đồng thời trong một lần gá mà phải tách thành các nguyên công riêng biệt (NC1, NC2, NC3, NC4). Bù lại, kết cấu có mặt phẳng đối xứng và các lỗ vuông góc với mặt đầu giúp thuận tiện cho việc định vị và gia công lỗ.
3. Yêu cầu kỹ thuật chính về độ chính xác và độ nhám của các lỗ cơ bản là bao nhiêu?
Kích thước các lỗ sau khi gia công hoàn thiện (qua các bước khoan, khoét, doa) phải đạt cấp chính xác 7, độ nhám bề mặt đạt $Ra = 2{,}5\ \mu\text{m}$, độ không vuông góc của tâm lỗ so với mặt đầu không vượt quá $0{,}05\text{ mm}/100\text{ mm}$.
4. Tại sao cần bố trí thêm chốt tỳ phụ trong các nguyên công 3, 4 và 6?
Do chi tiết dạng càng có thành mỏng và độ cứng vững thấp, việc đặt thêm chốt tỳ phụ tại mặt phẳng đối diện bề mặt gia công hoặc đối diện điểm kẹp chặt giúp tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ (Máy - Dao - Đồ gá - Chi tiết), ngăn ngừa hiện tượng rung động và tránh làm biến dạng phôi dưới tác dụng của lực cắt và lực kẹp.
5. Những máy công cụ và dụng cụ cắt chính nào được lựa chọn trong đồ án?
Đồ án sử dụng máy phay vạn năng 6H82 (công suất $1{,}7\text{ kW}$) kết hợp dao phay mặt đầu WSX445-040A ($D = 40\text{ mm}, Z = 3$) cho các nguyên công phay mặt đầu; sử dụng máy khoan bàn Hồng Ký KD600 (công suất $350\text{ W}$) kết hợp các mũi khoan thép hợp kim NSD8 Ø8, dao doa AEX Ø10, mũi khoan TD20.0, mũi khoét Unifast Ø20 và mũi khoan Makita D-00131 Ø8 cho các nguyên công gia công lỗ.
Kết luận
Đồ án của tác giả Nguyễn Quý Chiến đã giải quyết bài toán thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết càng gạt phục vụ sản xuất hàng loạt lớn từ gang xám GX 15-32. Bản thuyết minh đã hệ thống hóa đầy đủ trình tự 7 nguyên công công nghệ, xác lập phương án định vị 6 bậc tự do kèm cơ cấu tăng cứng vững, đồng thời tính toán chi tiết và kiểm nghiệm an toàn chế độ cắt trên máy phay 6H82 và máy khoan bàn KD600. Toàn bộ nội dung đồ án thể hiện tính chuẩn xác về mặt kỹ thuật cơ khí, tuân thủ phương pháp thiết kế công nghệ chế tạo máy truyền thống.
