Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo máy, chi tiết tay biên (còn gọi là chi tiết dạng càng) đóng vai trò then chốt trong các hệ thống truyền động và cơ cấu biến đổi chuyển động. Thực tiễn sản xuất công nghiệp đòi hỏi việc thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết máy phải đảm bảo đồng thời tính khả thi kỹ thuật, độ chính xác làm việc, năng suất gia công và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Đề tài "Thiết kế quy trình công nghệ gia công tay biên" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Thành Phúc (ngành Công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của Th.S Phạm Thị Thiều Thoa) nhằm giải quyết bài toán công nghệ từ khâu tạo phôi, lập quy trình công nghệ nhiều nguyên công đến tính toán thiết kế đồ gá chuyên dùng và hoạch định giá thành gia công.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

  1. Phân tích chức năng làm việc, điều kiện làm việc và tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết tay biên; xác định dạng sản xuất dựa trên sản lượng hàng năm và khối lượng chi tiết.
  2. Xác định phương pháp chế tạo phôi tối ưu, thiết kế bản vẽ lồng phôi và tính toán lượng dư gia công cũng như giá thành phôi ban đầu.
  3. Thiết lập tiến trình công nghệ gia công cơ khí hợp lý (so sánh, lựa chọn giữa các phương án công nghệ), thiết kế chi tiết từng nguyên công và tính toán chế độ cắt cho nguyên công điển hình.
  4. Tính toán, thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công phay mặt phẳng C (bao gồm chọn cơ cấu định vị, phân tích lực kẹp, tính sai số chế tạo cho phép của đồ gá và thiết kế bản vẽ lắp).
  5. Tính toán hạch toán kinh tế và giá thành cho nguyên công phay mặt C.

Đối tượng nghiên cứu là chi tiết tay biên chế tạo từ vật liệu thép cacbon C45. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình công nghệ gia công cơ khí trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn tại Việt Nam, sử dụng các thiết bị công nghệ vạn năng kết hợp đồ gá chuyên dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống cơ sở lý thuyết chuẩn mực của chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy và Đồ gá cơ khí:

  • Khung lý thuyết và sổ tay tra cứu: Sử dụng Sổ tay Công nghệ chế tạo máy (Tập 1, 2, 3) của các tác giả Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt; giáo trình Công nghệ chế tạo máy và Hướng dẫn thiết kế đồ gá.
  • Mô hình hình học và tính toán tham số: Sử dụng phần mềm thiết kế 3D Autodesk Inventor để dựng mô hình chi tiết, trích xuất thể tích và xác định khối lượng vật liệu.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân tích kết cấu, yêu cầu kỹ thuật bề mặt và chuỗi kích thước của chi tiết tay biên.
    • Phương pháp tính toán giải tích kết hợp tra bảng định mức: Tính toán lượng dư gia công theo phương pháp giải tích cho bề mặt định hình; tra cứu và tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt, lực cắt, công suất cắt); tính toán lực kẹp và cân bằng lực trên đồ gá.
    • Phương pháp so sánh phương án công nghệ: Thiết lập 2 tiến trình công nghệ khác nhau, phân tích ưu nhược điểm về độ cứng vững gá đặt, sai số chuẩn và khả năng gá lắp để chọn phương án tối ưu.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của vật liệu thép C45, đặc tính kỹ thuật của dòng máy phay đứng 6H12, dụng cụ cắt thép gió P6M5 và định mức chi phí chế tạo cơ khí.

Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ

Hệ thống công nghệ được thiết kế theo phương thức phân tán nguyên công, ứng dụng máy công cụ vạn năng kết hợp với đồ gá chuyên dùng nhằm nâng cao năng suất trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn.

Bảng thành phần hóa học vật liệu chế tạo (Thép C45)

Nguyên tố C Si Mn S P Ni Cr
Tỷ lệ (%) 0,40 ÷ 0,50 0,17 ÷ 0,37 0,50 ÷ 0,80 $\le 0,045$ $\le 0,045$ $\le 0,30$ $\le 0,30$

Yêu cầu kỹ thuật chế tạo chi tiết

  • Kích thước hai lỗ cơ bản: Lỗ $\phi 16$ và lỗ $\phi 11$ đạt cấp chính xác 7, độ nhám bề mặt lỗ đạt cấp 7 ($Ra = 1,25,\mu\text{m}$).
  • Các bề mặt gia công mặt đầu đạt cấp chính xác 8 ÷ 10, độ nhám bề mặt đạt $Rz = 40 \div 20,\mu\text{m}$.
  • Rãnh phay chiều rộng $B = 8,\text{mm}$ đạt cấp chính xác 14 (dung sai $\pm 0,05,\text{mm}$).
  • Độ không song song giữa hai tâm lỗ: $\le 0,05,\text{mm}$.
  • Độ không vuông góc giữa mặt đầu và tâm lỗ: $\le 0,05,\text{mm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất

Chương này trình bày phân tích toàn diện về chức năng làm việc của chi tiết tay biên. Tay biên là chi tiết điển hình thuộc họ chi tiết dạng càng, có hai lỗ cơ bản với đường tâm song song. Chức năng chính là khâu nối trung gian truyền lực, biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục trong động cơ đốt trong, hoặc dùng làm càng đẩy các khối bánh răng di trượt để đổi tỉ số truyền trong hộp tốc độ máy công cụ.

Tác giả sử dụng Autodesk Inventor để tính toán thể tích chi tiết đạt $V = 0,031,\text{dm}^3$. Với khối lượng riêng của thép C45 là $\gamma = 7,852,\text{kg/dm}^3$, trọng lượng chi tiết được xác định là: $$Q = V \cdot \gamma = 0,031 \times 7,852 \approx 0,243,\text{kg}$$

Dựa trên bảng quy chuẩn phân loại dạng sản xuất cơ khí theo sản lượng hàng năm ($N$) và trọng lượng chi tiết ($Q < 4,\text{kg}$), dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn (sản lượng từ 5.000 đến 50.000 chiếc/năm).

Chương 2: Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ lồng phôi

Dựa trên đặc điểm kết cấu đơn giản, vật liệu thép C45 và quy mô sản xuất hàng loạt lớn, tác giả lựa chọn phương pháp chế tạo phôi là đúc trong khuôn cát mẫu kim loại, chi tiết đúc đạt cấp chính xác I.

Tính toán lượng dư gia công giải tích cho bề mặt C được chia làm 2 bước: phay thô và phay tinh.

  • Nhám bề mặt và chiều sâu lớp hư hỏng phôi đúc: $R_z = 250,\mu\text{m}$; $T = 350,\mu\text{m}$.
  • Sau phay thô: $R_z = 100,\mu\text{m}$; $T = 100,\mu\text{m}$; sai lệch vị trí không gian còn lại $\rho_1 = 0,06 \rho_{\text{phôi}}$.
  • Sau phay tinh: $R_z = 10,\mu\text{m}$; $T = 15,\mu\text{m}$; sai lệch vị trí không gian còn lại $\rho_2 = 0,05 \rho_{\text{phôi}}$.
  • Sai lệch vị trí không gian tổng cộng của phôi: $\rho_{\text{phôi}} = 1417,\mu\text{m}$.
  • Sai số gá đặt phay thô: $\epsilon_1 = \sqrt{\epsilon_c^2 + \epsilon_k^2} = \sqrt{200^2 + 50^2} = 206,16,\mu\text{m}$; phay tinh: $\epsilon_2 = 10,31,\mu\text{m}$.

Lượng dư nhỏ nhất tính toán cho phay thô là $Z_{\text{min}} = 2223,16,\mu\text{m}$ và phay tinh là $Z_{\text{min}} = 106,16,\mu\text{m}$. Tổng lượng dư gia công danh nghĩa cho bề mặt C là $3,\text{mm}$ (các bề mặt còn lại lấy lượng dư đồng đều $3,\text{mm}$).

Giá thành 1 kg phôi được xác định qua công thức: $$S_p = C_1 \cdot K_1 \cdot K_2 \cdot K_3 \cdot K_4 \cdot K_5 \cdot Q - (Q - q) \cdot S$$ Với $C_1 = 14.000,\text{đồng/kg}$, $Q = 0,39,\text{kg}$ (khối lượng phôi), $q = 0,24,\text{kg}$ (khối lượng chi tiết), $S = 6.000,\text{đồng/kg}$ (giá phế liệu thu hồi), các hệ số điều chỉnh $K_1 = 1,21; K_2 = 1; K_3 = 0,9; K_4 = 0,83; K_5 = 1$.

Chương 3: Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết

Tác giả xây dựng 2 phương án tiến trình công nghệ để so sánh và lựa chọn:

Nguyên công Tiến trình 1 (Phương án được chọn) Tiến trình 2 (Phương án loại bỏ)
NC 1 Đúc phôi Đúc phôi
NC 2 Phay mặt phẳng A Phay đồng thời 2 mặt phẳng A, B
NC 3 Phay mặt phẳng C Phay đồng thời 2 mặt phẳng C, D
NC 4 Phay đồng thời 2 mặt B, D Khoan, doa lỗ $\phi 16$
NC 5 Khoan, khoét, doa lỗ $\phi 16$ Khoan, khoét, doa lỗ $\phi 11$
NC 6 Khoan, khoét, doa lỗ $\phi 11$ Phay rãnh $B = 8,\text{mm}$
NC 7 Phay đồng thời 2 mặt đạt kích thước $28 \pm 0,1,\text{mm}$ Phay đồng thời 2 mặt đạt kích thước $28 \pm 0,1,\text{mm}$
NC 8 Phay rãnh $B = 8,\text{mm}$ Khoan, doa lỗ $\phi 11$
NC 9 Khoan, doa lỗ $\phi 11$ Kiểm tra độ song song, vuông góc
NC 10 Kiểm tra độ song song và độ vuông góc —

Lý do lựa chọn Tiến trình 1: Tiến trình 2 thực hiện phay đồng thời các cặp mặt A-B và C-D khiến độ cứng vững của chi tiết dạng càng mỏng bị ảnh hưởng, không bảo đảm dung sai độ không song song giữa các mặt đầu $\le 0,05,\text{mm}$. Đồng thời, việc gia công rãnh trước khi phay hai mặt bên ở Tiến trình 2 gây khó khăn cho việc định vị và hạn chế khả năng gia công trên máy phay đứng.

Thiết kế chế độ cắt cho Nguyên công 2 (Phay mặt A):

  • Chọn máy phay đứng 6H12 (công suất $N = 10,\text{kW}$, hiệu suất $\eta = 0,75$).
  • Dụng cụ cắt: Dao phay mặt đầu thép gió P6M5, đường kính $D = 40,\text{mm}$, số răng $Z = 10$.
  • Phay thô: Chiều sâu cắt $t = 2,5,\text{mm}$; lượng chạy dao răng $S_z = 0,13,\text{mm/răng}$; tốc độ vòng quay trục chính máy $n_m = 300,\text{vòng/phút}$; vận tốc cắt thực tế $V_t = 37,68,\text{m/phút}$; lượng chạy dao phút $S_p = 375,\text{mm/phút}$.
  • Kiểm nghiệm công suất cắt và lực cắt tiếp tuyến $P_z$ cho thấy máy làm việc an toàn trong dải tải cho phép.

Chương 4: Tính toán thiết kế đồ gá phay mặt C

Đồ gá chuyên dùng cho nguyên công 3 (Phay mặt C) được thiết kế chi tiết:

  • Sơ đồ định vị (hạn chế 5 bậc tự do):
    • Mặt phẳng A của đầu to tỳ lên phiến tỳ phẳng: hạn chế 3 bậc tự do (tịnh tiến theo Oz, quay quanh Ox, quay quanh Oy).
    • Vành trụ ngoài của đầu nhỏ đặt trên khối V ngắn: hạn chế 2 bậc tự do (tịnh tiến theo Ox, tịnh tiến theo Oy).
  • Cơ cấu kẹp chặt: Sử dụng cơ cấu kẹp ren vít (bulông - đai ốc) tác động lực trực tiếp lên mặt đầu chi tiết, hướng lực kẹp vuông góc với bề mặt phiến tỳ định vị chính nhằm triệt tiêu mô men lật do lực cắt sinh ra.
  • Các cụm cơ cấu phụ: Then dẫn hướng lắp ghép với rãnh chữ T của bàn máy phay; cữ so dao phẳng để điều chỉnh vị trí dao trước khi cắt; bạc lót có ren và thân đồ gá đúc bằng gang.
  • Tính sai số chế tạo cho phép của đồ gá $[\epsilon_{\text{ct}}]$: Được xác định theo quan hệ: $$[\epsilon_{\text{ct}}] = \sqrt{[\epsilon_{\text{gd}}]^2 - (\epsilon_c^2 + \epsilon_k^2 + \epsilon_m^2 + \epsilon_{\text{dc}}^2)}$$ Trong đó sai số gá đặt cho phép $[\epsilon_{\text{gd}}]$, sai số chuẩn $\epsilon_c$, sai số kẹp chặt $\epsilon_k$, sai số mòn $\epsilon_m$ và sai số điều chỉnh $\epsilon_{\text{dc}}$ được tính toán bảo đảm thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật của bề mặt gia công.

Chương 5: Tính toán giá thành nguyên công phay mặt C

Tác giả xây dựng cấu trúc hạch toán chi phí cho riêng nguyên công phay mặt C bao gồm 6 khoản mục chính:

  1. Chi phí tiền lương công nhân trực tiếp sản xuất.
  2. Chi phí năng lượng điện tiêu hao của máy 6H12 trong thời gian gia công.
  3. Chi phí hao mòn dụng cụ cắt (dao phay P6M5).
  4. Chi phí khấu hao tài sản cố định (máy công cụ).
  5. Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa máy móc định kỳ.
  6. Chi phí phân bổ sử dụng và chế tạo đồ gá chuyên dùng. Tổng hợp các khoản mục tạo nên đơn giá gia công hoàn chỉnh cho nguyên công 3.

Kết quả và đóng góp

  • Bộ thông số công nghệ hoàn chỉnh: Xác lập quy trình công nghệ 10 nguyên công logic cho chi tiết tay biên bằng thép C45 trong điều kiện sản xuất hàng loạt lớn, định lượng chính xác lượng dư gia công mặt phẳng ($3,\text{mm}$) và chế độ cắt cụ thể cho từng bước gia công.
  • Thiết kế đồ gá chuyên dùng đạt chuẩn: Đề xuất kết cấu đồ gá phay mặt C với sơ đồ định vị hợp lý (phiến tỳ + khối V ngắn, 5 bậc tự do), bảo đảm triệt tiêu biến dạng, chống xoay và khử rung động dưới tác dụng của lực cắt phay mặt đầu.
  • Đóng góp kỹ thuật thực tiễn: Chứng minh bằng phân tích cơ học việc tách riêng các nguyên công phay mặt phẳng đầu to và đầu nhỏ (Tiến trình 1) thay vì phay đồng thời hai đầu (Tiến trình 2), giúp kiểm soát độ không song song $\le 0,05,\text{mm}$ và độ không vuông góc $\le 0,05,\text{mm}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phạm vi đồ án chỉ mới dừng lại ở việc tính toán lượng dư giải tích cho 01 bề mặt (mặt phẳng C) và thiết kế đồ gá chi tiết cho 01 nguyên công (phay mặt C); các bề mặt và nguyên công còn lại chủ yếu sử dụng phương pháp tra bảng định mức. Đồ án chưa khảo sát biến dạng nhiệt và độ võng chi tiết trong quá trình cắt gọt thực tế.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng tính toán giải tích lượng dư và thiết kế đồ gá chuyên dùng cho các nguyên công phức tạp khác như khoan - doa đồng thời hai lỗ cơ bản $\phi 16$ và $\phi 11$; mô phỏng ứng suất và biến dạng gá kẹp trên phần mềm CAE (ANSYS/Abaqus) trước khi chế tạo đồ gá thực nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Công nghệ chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng càng/thanh truyền.
  • Kỹ sư công nghệ tại các xưởng cơ khí: Tham khảo cấu trúc sơ đồ định vị 5 bậc tự do, cơ cấu kẹp ren vít và quy trình lựa chọn máy phay 6H12, dao thép gió P6M5 cho sản xuất loạt lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn phương pháp tạo phôi là đúc trong khuôn cát mẫu kim loại thay vì rèn dập hay cán?
Trả lời: Chi tiết tay biên có vật liệu là thép C45, kết cấu dạng càng có các hốc lõm và dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn ($Q = 0,243,\text{kg}$, sản lượng từ 5.000 đến 50.000 chiếc/năm). Đúc trong khuôn cát mẫu kim loại đem lại cấp chính xác phôi cấp I, hình dáng phôi gần sát chi tiết gia công, giảm lượng dư gia công và giảm chi phí chế tạo khuôn so với khuôn dập phức tạp.

2. Sơ đồ định vị của nguyên công phay mặt C khống chế bao nhiêu bậc tự do và bằng những chi tiết nào?
Trả lời: Sơ đồ định vị khống chế 5 bậc tự do gồm: 01 phiến tỳ phẳng tiếp xúc mặt phẳng đầu to A (hạn chế 3 bậc tự do) và 01 khối V ngắn tiếp xúc mặt trụ ngoài đầu nhỏ (hạn chế 2 bậc tự do).

3. Vì sao tiến trình công nghệ số 2 bị loại bỏ trong quá trình thiết kế?
Trả lời: Tiến trình 2 phay đồng thời hai mặt A-B và C-D, không đảm bảo yêu cầu độ không song song giữa các mặt đầu $\le 0,05,\text{mm}$. Ngoài ra, tiến trình 2 cắt rãnh $B=8,\text{mm}$ trước khi phay hai mặt càng bên, gây khó khăn lớn cho việc định vị ở các nguyên công sau và khó thực hiện trên máy phay đứng.

4. Thiết bị và dụng cụ cắt được chọn cho nguyên công phay thô mặt phẳng A là gì?
Trả lời: Sử dụng máy phay đứng 6H12 (công suất $N = 10,\text{kW}$, $\eta = 0,75$) và dao phay mặt đầu chắp răng thép gió P6M5 có đường kính $D = 40,\text{mm}$, số răng $Z = 10$.

5. Thể tích và khối lượng của chi tiết tay biên được xác định bằng cách nào trong đồ án?
Trả lời: Thể tích chi tiết được tính toán thông qua mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor đạt $V = 0,031,\text{dm}^3$. Với khối lượng riêng thép C45 $\gamma = 7,852,\text{kg/dm}^3$, khối lượng chi tiết được xác định là $Q \approx 0,243,\text{kg}$.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Nguyễn Thành Phúc đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết tay biên bằng thép C45 cho dạng sản xuất hàng loạt lớn. Bản thuyết minh đã giải quyết trọn vẹn từ khâu tạo phôi đúc cấp chính xác I, thiết lập tiến trình 10 nguyên công gia công tối ưu, tính toán chế độ cắt chi tiết trên máy phay đứng 6H12 và thiết kế đồ gá chuyên dùng phay mặt C với sơ đồ định vị 5 bậc tự do vững chắc. Các số liệu tính toán lượng dư giải tích, lực kẹp, sai số gá đặt và cấu trúc giá thành nguyên công phản ánh phương pháp tiếp cận khoa học, chuẩn xác và mang giá trị thực tiễn cao cho chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy.