Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành kỹ thuật cơ khí, bánh răng trụ răng nghiêng là một chi tiết truyền động giữ vai trò điều chỉnh tốc độ, truyền mô men xoắn và chuyển động quay giữa các trục làm việc trong cụm máy hoặc hộp số. Đặc tính làm việc của bánh răng đòi hỏi độ chính xác ăn khớp tiếp xúc cao, khả năng chịu tải trọng lớn, tính chống mài mòn và độ cứng bề mặt theo tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Việc thiết kế một quy trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh, tối ưu hóa từ khâu tạo phôi, lựa chọn chuẩn công nghệ đến thiết kế đồ gá chuyên dùng và hạch toán chi phí sản xuất là nhiệm vụ trọng tâm của kỹ sư chế tạo máy.
Đề tài "Thiết kế quy trình công nghệ gia công Bánh Răng Nghiêng" do sinh viên Đoàn Trắc Minh Phong thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Phạm Thị Thiều Thoa tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Đồ án tập trung giải quyết các bài toán công nghệ chế tạo chi tiết dạng bánh răng trong điều kiện sản xuất công nghiệp thực tế.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo 5 nội dung chính:
- Phân tích kết cấu, chức năng làm việc, yêu cầu kỹ thuật và xác định dạng sản xuất của chi tiết bánh răng nghiêng.
- Đánh giá, lựa chọn phương pháp chế tạo phôi hợp lý, tính toán lượng dư gia công bằng phương pháp giải tích kết hợp tra bảng và thiết kế bản vẽ lồng phôi.
- Thiết lập đường lối công nghệ, xây dựng và so sánh các phương án tiến trình gia công; thiết kế chi tiết từng nguyên công và tính toán chế độ cắt, thời gian gia công cơ bản.
- Thiết kế cơ cấu đồ gá chuyên dùng cho nguyên công chỉ định, phân tích sơ đồ định vị, tính toán lực kẹp cần thiết và xác định sai số chế tạo cho phép của đồ gá.
- Hạch toán giá thành công nghệ và các khoản mục chi phí gia công cho nguyên công thiết kế đồ gá.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết bánh răng trụ răng nghiêng chế tạo từ vật liệu thép C45, có khối lượng $4,027\text{ kg}$, thể tích $V = 0,513\text{ dm}^3$, đường kính ngoài $\phi 512\text{ mm}$, lỗ định vị chính $\phi 60\text{ mm}$, rãnh then $18\text{D9}$ và hệ thống 6 lỗ giảm tải $\phi 35\text{ mm}$.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế quy trình công nghệ gia công cắt gọt cơ khí và đồ gá chuyên dùng trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn với sản lượng thiết kế $N_0 = 6789\text{ chi tiết/năm}$, ứng dụng hệ thống máy công cụ vạn năng (máy tiện 1K62, máy xọc, máy khoan, máy phay lăn răng) kết hợp đồ gá chuyên môn hóa.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình tính toán áp dụng trong đồ án dựa trên nền tảng giáo trình và sổ tay công nghệ chế tạo máy:
- Nguyên tắc chọn chuẩn công nghệ: Áp dụng hệ thống 5 nguyên tắc chọn chuẩn thô (chọn bề mặt không gia công hoặc bề mặt có lượng dư nhỏ nhất làm chuẩn) và 5 nguyên tắc chọn chuẩn tinh (thống nhất chuẩn, chọn chuẩn trùng với gốc kích thước thiết kế) nhằm triệt tiêu sai số tích lũy.
- Nguyên tắc tổ chức sản xuất: Ứng dụng đường lối phân tán nguyên công phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt lớn, chia nhỏ quy trình thành các nguyên công đơn giản sử dụng đồ gá chuyên dùng nhằm tăng năng suất.
- Mô hình tính toán lượng dư gia công: Phương pháp tính lượng dư giải tích theo công thức:
$$Z_{\min} = 2 \cdot \left(R_{zi-1} + T_{i-1} + \sqrt{\rho_{i-1}^2 + \varepsilon_i^2}\right)$$
Trong đó xác định chiều cao nhấp nhô tế vi ($R_z$), chiều sâu lớp hư hỏng bề mặt ($T$), sai lệch vị trí không gian ($\rho$) và sai số gá đặt ($\varepsilon$).
- Mô hình tính toán chế độ cắt: Xác định chiều sâu cắt ($t$), lượng chạy dao ($S$), vận tốc cắt hiệu chỉnh ($V = V_0 \cdot k_1 \cdot k_2 \cdot k_3 \cdot k_4 \cdot k_5$), tốc độ vòng quay trục chính ($n = \frac{1000 \cdot V}{\pi \cdot D}$) và thời gian gia công cơ bản ($T_0 = \frac{L + L_1 + L_2}{S \cdot n} \cdot i$).
- Lý thuyết thiết kế đồ gá: Phân tích nguyên tắc định vị 6 bậc tự do, phương trình cân bằng tĩnh học để tính lực kẹp $W$, xác định đường kính bu lông kẹp và sai số chế tạo cho phép $[\varepsilon_{ct}]$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật kết cấu chi tiết máy.
- Phương pháp tính toán giải tích kết hợp tra cứu số liệu định mức từ sổ tay công nghệ chế tạo máy (tập 1, 2, 3).
- Phương pháp so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án tiến trình công nghệ (tiến trình 9 nguyên công và tiến trình 10 nguyên công).
- Phương pháp hạch toán kinh tế công nghệ xác định giá thành gia công chi tiết theo từng khoản mục chi phí (lương, điện năng, hao mòn dao, khấu hao máy và đồ gá).
Nguồn dữ liệu sử dụng:
- Hồ sơ bản vẽ kỹ thuật chi tiết bánh răng trụ răng nghiêng.
- Bảng thông số cơ tính và thành phần hóa học thép C45 theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
- Bảng thông số tra cứu chế độ cắt, lượng dư, dung sai và đặc tính kỹ thuật của máy tiện 1K62, dao tiện hợp kim cứng T15K6, máy xọc, máy phay răng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Phân tích chi tiết và xác định dạng sản xuất
Chương này tập trung làm rõ chức năng làm việc, các điều kiện tải trọng, phân tích tính công nghệ trong kết cấu và tính toán xác định quy mô sản lượng của chi tiết bánh răng nghiêng.
Chi tiết "Bánh răng trụ răng nghiêng" có chức năng chính là truyền chuyển động quay giữa các hệ trục lắp ghép với nhau và chuyển đổi tốc độ làm việc. Kết cấu chi tiết bao gồm:
- Mặt đầu A và B: Lắp ghép tiếp xúc với các chi tiết chặn theo kiểu lắp trơn.
- Mặt lỗ trụ $\phi 60\text{ mm}$: Lắp ghép trực tiếp với trục truyền động, yêu cầu độ chính xác cao đạt cấp chính xác 6, độ nhám bề mặt $Ra 1,6\ \mu\text{m}$.
- Rãnh then $18\text{D9}$: Lắp ghép với then bằng trên trục để truyền mô men xoắn.
- Bề mặt răng: Ăn khớp với bánh răng đối tiếp trong hệ thống truyền động.
- Hệ thống 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$: Dùng để móc cẩu vận chuyển hoặc giảm bớt khối lượng kết cấu của bánh răng.
Yêu cầu kỹ thuật chế tạo chi tiết:
- Vật liệu: Thép kết cấu C45 có độ bền kéo $[\sigma]{bk} = 350\text{ MPa}$, độ bền uốn $[\sigma]{bu} = 420\text{ MPa}$.
- Độ cứng sau nhiệt luyện: Đạt $45 \sim 52\text{ HRC}$.
- Độ nhám bề mặt lắp ghép thông thường (mặt A, B): Đạt $Ra 2,5\ \mu\text{m}$; bề mặt các lỗ $\phi 35\text{ mm}$ đạt $Ra 12,5\ \mu\text{m}$.
- Độ không vuông góc giữa tâm lỗ lắp trục $\phi 60\text{ mm}$ và mặt đầu A: Không vượt quá $0,05\text{ mm}$.
- Độ không song song giữa mặt đầu A và mặt đầu B: Không vượt quá $0,05\text{ mm}$.
| Nguyên tố hóa học |
Hàm lượng (%) |
| Cacbon (C) |
$0,40 - 0,50$ |
| Silic (Si) |
$0,17 - 0,37$ |
| Mangan (Mn) |
$0,50 - 0,80$ |
| Lưu huỳnh (S) |
$\le 0,045$ |
| Photpho (P) |
$\le 0,045$ |
Xác định dạng sản xuất:
- Sản lượng sản xuất thực tế hàng năm ($N$) được tính toán từ đơn đặt hàng $N_0 = 6789\text{ chi tiết}$, tỷ lệ phế phẩm $\alpha = 3 - 6%$, tỷ lệ dự phòng sự cố $\beta = 5 - 7%$.
- Khối lượng riêng của thép C45: $\gamma = 7,85\text{ kg/dm}^3$.
- Thể tích chi tiết: $V = 0,513\text{ dm}^3 \Rightarrow$ Khối lượng chi tiết: $m = V \cdot \gamma = 4,027\text{ kg}$.
- Căn cứ vào bảng phân loại sản xuất ($m = 4 - 200\text{ kg}$, $N = 5000 - 50000\text{ chi tiết/năm}$), tác giả xác định dạng sản xuất của chi tiết là sản xuất hàng loạt lớn. Đặc điểm của dạng sản xuất này là áp dụng phương pháp phân tán nguyên công, sử dụng máy chuyên dùng hoặc máy vạn năng trang bị đồ gá chuyên dùng nhằm đạt năng suất cao và rút ngắn thời gian gia công.
Chương 2: Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi
Chương 2 thực hiện phân tích so sánh ba phương pháp tạo phôi (phôi rèn dập, phôi cán và phôi đúc) để chọn phương án tạo hình phôi tối ưu, tính lượng dư gia công và giá thành phôi.
| Phương pháp tạo phôi |
Đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng |
Đánh giá tính phù hợp với chi tiết |
| Phôi rèn / dập |
Dập trên máy búa, máy ép (khối lượng tới $200\text{ kg}$); dập thô sau đó dập tinh nguội (độ nhám $R_z 40 - 10\ \mu\text{m}$); dập vuốt trên máy rèn ngang. Cơ tính cao, thớ kim loại liên tục. |
Được chọn: Chi tiết bánh răng chịu tải trọng lớn, kết cấu dạng trục - đĩa cần độ cứng vững cao và tiết kiệm lượng dư gia công. |
| Phôi cán |
Cán nóng, cán tinh tiết diện tròn, vuông, ống hoặc tấm; dùng chế tạo trục bậc, bích, ống đỡ. |
Không tối ưu: Tiêu hao vật liệu lớn do chênh lệch đường kính giữa vành răng ($\phi 512\text{ mm}$) và lỗ trục ($\phi 60\text{ mm}$). |
| Phôi đúc |
Đúc trong khuôn cát, khuôn kim loại, đúc áp lực; độ chính xác và lượng dư phụ thuộc cấp chính xác khuôn. |
Cơ tính và độ dẻo dai chịu va đập của gang/thép đúc kém hơn thép rèn dập nóng khi làm việc ở chế độ truyền động bánh răng. |
Tác giả kết luận lựa chọn phương pháp dập nóng (độ chính xác cấp 2). Phôi sau khi dập phải được làm sạch bavia, cạnh sắc, đảm bảo không bị biến dạng, cong vênh hay nứt nẻ.
Tính toán lượng dư gia công giải tích cho bề mặt lỗ $\phi 60\text{ mm}$:
- Quy trình gồm 2 bước: Tiện thô và tiện tinh.
- Thông số tra cứu: Tiện thô ($R_{z1} = 50\ \mu\text{m}$, $T_{i1} = 50\ \mu\text{m}$); Tiện tinh ($R_{z2} = 20\ \mu\text{m}$, $T_{i2} = 25\ \mu\text{m}$).
- Sai lệch không gian tổng cộng của phôi: $\rho_{ph\hat{o}i} = 710,3\ \mu\text{m}$; sai số gá đặt tiện thô $\varepsilon_{gd} = 140\ \mu\text{m}$.
- Dung sai phôi $\delta = 800\ \mu\text{m}$, dung sai tiện thô $\delta = 50\ \mu\text{m}$, dung sai tiện tinh $\delta = 20\ \mu\text{m}$.
| Bước công nghệ |
$R_z\ (\mu\text{m})$ |
$T_i\ (\mu\text{m})$ |
$\rho\ (\mu\text{m})$ |
$\varepsilon_{gd}\ (\mu\text{m})$ |
$d_{\min}\ (\text{mm})$ |
$d_{\max}\ (\text{mm})$ |
$2Z_{\min}\ (\mu\text{m})$ |
$2Z_{\max}\ (\mu\text{m})$ |
| Phôi dập |
250 |
350 |
710,3 |
- |
56,425 |
57,225 |
- |
- |
| Tiện thô |
50 |
50 |
35,5 |
140 |
59,577 |
60,035 |
1598 |
2448 |
| Tiện tinh |
20 |
25 |
- |
7 |
59,823 |
60,035 |
127 |
212 |
Lượng dư tổng cộng cho đường kính lỗ $\phi 60\text{ mm}$: $Z_{\min} = 1725\ \mu\text{m}$, $Z_{\max} = 2660\ \mu\text{m}$. Tác giả chọn lượng dư một phía cho đường kính $\phi 60\text{ mm}$ là $3\text{ mm}$. Lượng dư gia công cho mặt bên và các mặt còn lại tra bảng định mức là $3\text{ mm}$.
Giá thành $1\text{ kg}$ phôi ($S_p$) được tính toán dựa trên các hệ số thực nghiệm $K_1 = 1,0$; $K_2 = 1,21$; $K_3 = 1,0$; $K_4 = 0,9$; $K_5 = 0,83$; khối lượng phôi $Q$; khối lượng chi tiết $q = 4,027\text{ kg}$ và giá phế liệu thu hồi $S = 6000\text{ đồng/kg}$.
Chương 3: Thiết kế quy trình công nghệ gia công
Chương 3 xây dựng đường lối công nghệ, so sánh hai phương án tiến trình và đi sâu thiết kế chi tiết từng nguyên công.
| Bước |
Phương án 1 (9 nguyên công) - Được chọn |
Phương án 2 (10 nguyên công) |
| NC 1 |
Dập phôi |
Dập phôi |
| NC 2 |
Tiện mặt đầu A, tiện ngoài $\phi 512$, tiện lỗ $\phi 60$ và vát mép |
Phay mặt A |
| NC 3 |
Tiện mặt đầu B và tiện vát mép |
Phay mặt B |
| NC 4 |
Xọc rãnh then $18\text{D9}$ |
Tiện lỗ $\phi 60$ và trụ ngoài |
| NC 5 |
Khoan 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$ |
Chuốt rãnh then |
| NC 6 |
Phay lăn răng |
Khoan 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$ |
| NC 7 |
Nhiệt luyện ($45 - 52\text{ HRC}$) |
Phay lăn răng |
| NC 8 |
Mài nghiền răng / Cà răng |
Nhiệt luyện ($45 - 48\text{ HRC}$) |
| NC 9 |
Kiểm tra profin răng (over pin và panme) |
Mài nghiền răng |
| NC 10 |
- |
Kiểm tra profin răng |
Lý do lựa chọn Phương án 1:
- Giảm bớt số lượng nguyên công trung gian từ 10 xuống 9, giúp tiết kiệm nhân công và giảm diện tích mặt bằng sản xuất.
- Đảm bảo tính thống nhất chuẩn tinh (dùng mặt đầu A và lỗ $\phi 60\text{ mm}$ xuyên suốt), không bị hiện tượng lặp lại chuẩn thô như Phương án 2 (phay mặt A, B trước rồi mới tiện lỗ).
- Sử dụng máy tiện vạn năng gia công đồng thời mặt đầu và lỗ tròn xoay đảm bảo độ đồng tâm và độ vuông góc giữa tâm lỗ và mặt đầu tốt hơn so với phương pháp phay.
Thiết kế chế độ cắt cho các nguyên công chính của Phương án 1:
Nguyên công 2: Tiện mặt đầu A, tiện ngoài $\phi 512$, tiện lỗ $\phi 60$ và vát mép
- Thiết bị: Máy tiện vạn năng 1K62 (đường kính gia công lớn nhất $\phi 600\text{ mm}$, khoảng cách chống tâm $1400\text{ mm}$, 23 cấp tốc độ trục chính từ $30$ đến $3000\text{ vòng/phút}$, công suất $7\text{ kW}$).
- Dụng cụ cắt: Dao tiện ngoài thân cong và dao tiện lỗ gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 ($h=25, b=16, L=140, R=1\text{ mm}$).
- Chế độ cắt tiện thô ngoài $\phi 512$: Chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$, lượng chạy dao $S = 1,2\text{ mm/vòng}$, vận tốc cắt sau điều chỉnh $V = 104,3\text{ m/phút}$, chọn tốc độ máy $n = 75\text{ vòng/phút}$.
- Chế độ cắt tiện thô mặt trong $\phi 60$: $t = 2\text{ mm}$, $S = 0,6\text{ mm/vòng}$, $V = 39\text{ m/phút}$, chọn $n = 235\text{ vòng/phút}$.
- Chế độ cắt tiện tinh mặt trong $\phi 60$: $t = 0,5\text{ mm}$, $S = 0,2\text{ mm/vòng}$, $V = 80\text{ m/phút}$, chọn $n = 475\text{ vòng/phút}$.
- Tiện vát mép: $t = 4\text{ mm}$, $S = 0,6\text{ mm/vòng}$, $V = 39\text{ m/phút}$, chọn $n = 235\text{ vòng/phút}$.
Nguyên công 3: Tiện mặt đầu B và tiện vát mép
- Định vị và kẹp chặt: Mâm cặp 3 chấu tự định tâm (mặt đầu khống chế 3 bậc tự do, mặt trụ ngoài ngắn khống chế 2 bậc tự do).
- Thiết bị và dao: Máy tiện 1K62, dao tiện hợp kim cứng T15K6. Chế độ cắt: $t = 2\text{ mm}$, $S = 1,2\text{ mm/vòng}$, $n = 75\text{ vòng/phút}$.
Nguyên công 4: Xọc rãnh then 18D9
- Định vị: Phiến tỳ vành khăn tiếp xúc mặt đầu A (3 bậc tự do), khối V tiếp xúc mặt trụ ngoài (2 bậc tự do). Kẹp chặt bằng 2 mỏ kẹp đơn.
- Thiết bị và dao: Máy xọc (công suất $55\text{ kW}$, hành trình xọc $1200\text{ mm}$), dao xọc hợp kim cứng T15K6 đuôi trụ vát 4 cạnh, bề rộng mũi xọc $B = 18\text{ mm}$.
- Chế độ cắt: Chiều dài rãnh $L = 56\text{ mm}$, lượng chạy dao $S = 0,12\text{ mm/hành trình kép}$, vận tốc cắt $V = 8\text{ m/phút}$.
Nguyên công 5: Khoan 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$
- Định vị: Phiến tỳ vành khăn tỳ mặt đầu A (3 bậc tự do), chốt trụ ngắn định vị vào lỗ $\phi 60\text{ mm}$ (2 bậc tự do), then bằng chống xoay (1 bậc tự do). Kẹp chặt bằng 2 mỏ kẹp đơn.
Nguyên công 6: Phay lăn răng
- Gia công biên dạng răng nghiêng theo phương pháp bao hình trên máy phay lăn răng chuyên dùng. Định vị bằng mặt đầu A (vai trục gá khống chế 1 bậc tự do), lỗ $\phi 60\text{ mm}$ (trục gá dài khống chế 4 bậc tự do) và then bằng truyền mô men (1 bậc tự do). Kẹp chặt bằng bu lông đai ốc và bạc kẹp đầu trục gá.
Nguyên công 7, 8, 9: Nhiệt luyện, hoàn thiện và kiểm tra
- Nhiệt luyện tôi và ram đạt độ cứng yêu cầu $45 \sim 52\text{ HRC}$ (hoặc $45 \sim 48\text{ HRC}$).
- Gia công tinh sau nhiệt luyện bằng phương pháp mài nghiền răng hoặc cà răng để hiệu chỉnh sai số biên dạng và nâng cao độ nhẵn bóng bề mặt răng.
- Kiểm tra profin răng bằng phương pháp đo kích thước qua hai con lăn (over pin) và thước panme chuyên dùng.
Chương 4: Thiết kế đồ gá cho nguyên công
Chương 4 thực hiện thiết kế kết cấu đồ gá chuyên dùng phục vụ nguyên công khoan hệ thống 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$ trên vành bánh răng:
- Phân tích sơ đồ định vị: Đảm bảo nguyên tắc định vị đủ 6 bậc tự do:
- Mặt đáy (mặt đầu A): Sử dụng phiến tỳ vành khăn khử 3 bậc tự do (tịnh tiến theo trục Z, xoay quanh trục X và Y).
- Lỗ tâm $\phi 60\text{ mm}$: Sử dụng chốt trụ ngắn khử 2 bậc tự do (tịnh tiến theo trục X và Y).
- Rãnh then $18\text{D9}$: Sử dụng then bằng khử 1 bậc tự do chống xoay (xoay quanh trục Z).
- Tính lực kẹp và cơ cấu sinh lực: Xác định lực cắt dọc trục $P_0$ và mô men xoắn cắt $M_x$ khi khoan lỗ $\phi 35\text{ mm}$. Thiết lập phương trình cân bằng chống xoay và chống lật để tính lực kẹp cần thiết $W$. Lực kẹp được truyền động thông qua 2 cơ cấu mỏ kẹp ren ốc.
- Tính toán bu lông kẹp: Tính đường kính danh nghĩa của bu lông dựa trên ứng suất kéo cho phép $[\sigma]_k$ của vật liệu bu lông.
- Tính sai số chế tạo cho phép của đồ gá $[\varepsilon_{ct}]$: Tổng hợp các thành phần sai số gồm sai số chuẩn ($\varepsilon_c$), sai số kẹp chặt ($\varepsilon_k$), sai số mòn ($\varepsilon_m$) và sai số điều chỉnh ($\varepsilon_{dc}$) theo biểu thức:
$$[\varepsilon_{ct}] = \sqrt{\varepsilon_{gd}^2 - \left(\varepsilon_c^2 + \varepsilon_k^2 + \varepsilon_m^2 + \varepsilon_{dc}^2\right)}$$
Chương 5: Tính giá thành gia công chi tiết cho nguyên công thiết kế đồ gá
Chương 5 hạch toán toàn bộ các thành phần chi phí công nghệ để xác định giá thành gia công của chi tiết trong nguyên công thiết kế đồ gá:
- Thời gian gia công: Xác định thời gian cơ bản $T_0$, thời gian phụ $T_p$, thời gian phục vụ kỹ thuật và tổ chức $T_{pv}$, thời gian nghỉ ngơi tự nhiên $T_{nn}$ để tính ra thời gian từng phần $T_{tc}$.
- Chi phí tiền lương: Tính toán dựa trên cấp bậc thợ, đơn giá giờ công định mức và thời gian hoàn thành nguyên công.
- Chi phí điện năng tiêu thụ: Tính theo công suất động cơ máy tiện/máy khoan, hệ số tải trọng và giá bán lẻ điện sản xuất.
- Chi phí dụng cụ cắt: Xác định mức hao mòn dao tiện/mũi khoan gắn hợp kim cứng T15K6 sau mỗi chu kỳ bền.
- Chi phí khấu hao thiết bị: Khấu hao định kỳ của máy công cụ dựa trên nguyên giá và thời gian sử dụng hữu ích.
- Chi phí sửa chữa máy: Chi phí bảo dưỡng, đại tu máy định kỳ phân bổ trên một đơn vị sản phẩm.
- Chi phí sử dụng đồ gá: Khấu hao đồ gá chuyên dùng phân bổ cho toàn bộ sản lượng hàng năm ($N_0 = 6789\text{ sản phẩm}$).
- Tổng giá thành chế tạo: Tổng hợp toàn bộ các khoản mục chi phí trên để hình thành giá thành gia công nguyên công của chi tiết.
Kết quả và đóng góp
Kết quả cụ thể của đồ án:
- Thiết lập thành công quy trình công nghệ gia công chi tiết bánh răng trụ răng nghiêng gồm 9 nguyên công hợp lý, đáp ứng sản lượng hàng loạt lớn $6789\text{ chi tiết/năm}$.
- Xác định đầy đủ chế độ cắt ($t, S, V, n$) và thời gian gia công cơ bản ($T_0$) cho các bề mặt then chốt trên máy tiện 1K62 và máy xọc.
- Tính toán lượng dư gia công giải tích bề mặt lỗ $\phi 60\text{ mm}$ với lượng dư tổng $2Z_{\min} = 1725\ \mu\text{m}$, $2Z_{\max} = 2660\ \mu\text{m}$, bảo đảm dung sai sau tiện tinh đạt $\delta = 20\ \mu\text{m}$ (cấp chính xác 6, $Ra 1,6\ \mu\text{m}$).
- Hoàn thành thiết kế kết cấu đồ gá khoan 6 lỗ $\phi 35\text{ mm}$ với sơ đồ định vị 6 bậc tự do (phiến tỳ vành khăn, chốt trụ ngắn, then bằng) và hệ thống mỏ kẹp ren ốc đảm bảo an toàn chịu lực cắt.
Giải pháp và kiến nghị công nghệ của tác giả:
- Sử dụng phương pháp tạo phôi bằng dập nóng thay vì phôi đúc để đảm bảo thớ kim loại liên tục và nâng cao độ bền cơ học cho bánh răng truyền động.
- Áp dụng phương pháp phân tán nguyên công, tách riêng giai đoạn gia công thô và gia công tinh, bố trí nguyên công nhiệt luyện đạt $45 \sim 52\text{ HRC}$ trước khi mài nghiền/cà răng để khử biến dạng nhiệt.
- Sử dụng chuẩn tinh thống nhất là mặt đầu A kết hợp lỗ $\phi 60\text{ mm}$ xuyên suốt từ nguyên công xọc then, khoan lỗ, phay răng đến mài nghiền nhằm giảm thiểu sai số gá đặt tích lũy.
Đóng góp tự thân của đồ án:
- Cung cấp bộ hồ sơ công nghệ hoàn chỉnh gồm phiếu công nghệ, sơ đồ định vị - kẹp chặt và bản vẽ lồng phôi cho chi tiết bánh răng nghiêng.
- Xây dựng quy trình tính toán định lượng chi phí và giá thành gia công nguyên công, kết hợp giữa bài toán kỹ thuật cơ khí và bài toán kinh tế sản xuất.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Các bước tính toán chế độ cắt chi tiết và thiết kế đồ gá chuyên sâu mới chỉ tập trung vào một số nguyên công đại diện (tiện 2, tiện 3, xọc then 4, khoan lỗ 5), chưa tính toán chi tiết chế độ cắt cho nguyên công phay lăn răng và mài nghiền răng.
- Toàn bộ quá trình tính toán và lựa chọn thiết bị dựa trên hệ thống máy công cụ vạn năng truyền thống (máy tiện 1K62, máy xọc cơ bản), chưa nghiên cứu tích hợp gia công trên các trung tâm tiện - phay CNC hiện đại.
- Số liệu tính toán dựa trên công thức giải tích và bảng tra định mức lý thuyết, chưa được kiểm chứng qua đo đạc thực nghiệm độ mòn dao hay mô phỏng số quá trình cắt gọt trên máy tính.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
- Nghiên cứu chuyển đổi quy trình công nghệ sang gia công trên máy công cụ điều khiển số (CNC), lập trình gia công CAM để tích hợp nhiều bước công nghệ trong một lần gá.
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng (như DEFORM, ANSYS) để kiểm nghiệm trường ứng suất, biến dạng nhiệt khi nhiệt luyện và phân tích biến dạng của đồ gá dưới tác dụng của lực kẹp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử: Dùng làm tài liệu mẫu về phương pháp lập quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng bánh răng, kỹ năng tính toán lượng dư giải tích và thiết kế đồ gá nguyên công.
- Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật xưởng: Tham khảo sơ đồ định vị - kẹp chặt cho các nguyên công tiện mặt đầu - lỗ, xọc rãnh then và khoan lỗ trên phôi tròn xoay kích thước lớn.
Nội dung tham khảo giá trị nhất:
- Bảng tính toán lượng dư gia công phân tích giải tích cho mặt trụ trong $\phi 60\text{ mm}$ qua các bước tiện thô và tiện tinh.
- Bản phân tích so sánh ưu - nhược điểm giữa hai phương án tiến trình công nghệ dựa trên 5 nguyên tắc chọn chuẩn.
- Phương pháp hạch toán chi tiết 8 khoản mục chi phí cấu thành giá thành gia công cơ khí trong Chương 5.
Câu hỏi thường gặp
1. Chi tiết bánh răng nghiêng trong đồ án được chế tạo từ vật liệu gì và yêu cầu nhiệt luyện đạt độ cứng bao nhiêu?
Bánh răng được chế tạo từ thép kết cấu cacbon C45 (thành phần cacbon $0,40 - 0,50%$, $[\sigma]{bk} = 350\text{ MPa}$, $[\sigma]{bu} = 420\text{ MPa}$) và sau khi gia công răng được nhiệt luyện tôi - ram đạt độ cứng $45 \sim 52\text{ HRC}$ (hoặc $45 \sim 48\text{ HRC}$).
2. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp chế tạo phôi bằng dập nóng?
Bánh răng là chi tiết dạng trục - đĩa chịu tải trọng lớn và mô men xoắn cao. Phương pháp dập nóng tạo ra phôi có tổ chức kim loại đồng đều, thớ kim loại uốn theo biên dạng chi tiết, hạn chế khuyết tật bên trong, đồng thời cho lượng dư gia công nhỏ và phân bố đều hơn so với phôi đúc hay phôi cắt từ thép cán tấm.
3. Căn cứ nào để xác định quy mô sản xuất của chi tiết là dạng sản xuất hàng loạt lớn?
Dựa vào sản lượng đặt hàng $N_0 = 6789\text{ chi tiết/năm}$ (sau khi tính phế phẩm và dự phòng đạt trên 7000 chi tiết) và khối lượng chi tiết tính toán được là $m = 4,027\text{ kg}$ ($V = 0,513\text{ dm}^3, \gamma = 7,85\text{ kg/dm}^3$). Đối chiếu bảng tiêu chuẩn phân loại dạng sản xuất cơ khí, nhóm chi tiết từ $4 - 200\text{ kg}$ với sản lượng từ $5000 - 50000\text{ chiếc/năm}$ thuộc dạng sản xuất hàng loạt lớn.
4. Điểm khác biệt cốt lõi giữa Phương án 1 (9 nguyên công) và Phương án 2 (10 nguyên công) là gì?
Phương án 1 sử dụng máy tiện để gia công đồng thời mặt đầu và lỗ $\phi 60\text{ mm}$ ngay từ đầu, tạo chuẩn tinh thống nhất cho toàn bộ các nguyên công sau. Phương án 2 dùng phương pháp phay mặt A và mặt B trước, sau đó mới tiện lỗ, dẫn đến việc lặp lại chuẩn thô và làm tăng thêm 1 nguyên công không cần thiết.
5. Phương pháp và dụng cụ nào được sử dụng để kiểm tra profin răng ở nguyên công cuối cùng?
Nguyên công 9 thực hiện kiểm tra profin và kích thước răng bằng phương pháp đo kích thước qua hai con lăn (over pin) kết hợp với thước panme chuyên dùng để đánh giá độ chính xác ăn khớp của vành răng.
Kết luận
Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy của tác giả Đoàn Trắc Minh Phong đã giải quyết nhiệm vụ thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết bánh răng trụ răng nghiêng bằng thép C45 trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn. Thông qua việc phân tích kết cấu, lựa chọn phôi dập nóng, tối ưu hóa tiến trình 9 nguyên công và tính toán chế độ cắt trên máy tiện 1K62 cùng kết cấu đồ gá chuyên dùng, đồ án bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác kích thước, dung sai vị trí và độ cứng bề mặt. Công trình là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị thực tiễn cho sinh viên cơ khí và kỹ sư công nghệ chế tạo máy trong việc thiết kế quy trình sản xuất chi tiết dạng hộp, trục và bánh răng.
