Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghệ chế tạo máy, nguyên công mài giữ vai trò quyết định trong việc gia công tinh các chi tiết đòi hỏi độ cứng, độ chính xác kích thước và độ nhẵn bóng bề mặt cao. Mài là phương pháp tối ưu để sửa chữa sai lệch hình dạng và xử lý lớp lượng dư rất mỏng trên các chi tiết sau nhiệt luyện (khi vật liệu đã đạt độ cứng cao khó gia công bằng tiện hay phay). Các dòng máy mài chiếm khoảng 30% tổng số máy cắt kim loại trong các xưởng cơ khí. Đối với các chi tiết dạng trục trơn suốt, phương pháp mài có tâm đòi hỏi phải khoan hai lỗ tâm định vị và sử dụng tốc kẹp, làm tăng thời gian gá đặt và không thể mài liên tục suốt chiều dài thân trục trong một lần gá.

Trên thị trường, các dòng máy mài vô tâm công nghiệp vạn năng có khả năng gia công đa dạng chi tiết nhưng giá thành đầu tư rất cao, gây khó khăn cho các xưởng cơ khí quy mô vừa và nhỏ. Xuất phát từ nhu cầu thực tế của doanh nghiệp về việc gia công tinh loạt lớn chi tiết chốt trụ trơn định hình, đồ án tập trung nghiên cứu, tính toán và chế tạo một máy mài vô tâm chuyên dùng nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu mà vẫn đảm bảo độ chính xác làm việc.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể:

  1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm gia công và thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ kết cấu của máy mài vô tâm chuyên dụng.
  2. Tính toán động lực học quá trình cắt mài, xác định công suất cắt và tính chọn động cơ dẫn động cho cụm đá mài và cụm đá dẫn.
  3. Lựa chọn, tính toán thiết kế các bộ truyền động (bộ truyền đai thang, bộ truyền trục vít - bánh vít) và hệ thống trục chính.
  4. Tính chọn và kiểm nghiệm độ bền tĩnh, độ bền mỏi cho hệ thống ổ lăn đỡ trục đá mài và trục đá dẫn.
  5. Thiết lập hệ thống hồ sơ bản vẽ kỹ thuật: bản vẽ nguyên lý (A1), bản vẽ lắp tổng thể (A0), bản vẽ lắp các cụm máy (A0/A1) và tập bản vẽ chi tiết gia công (A3).
  6. Tiến hành thi công, chế tạo các chi tiết cơ khí, lắp ráp, hiệu chỉnh máy và xây dựng quy trình kiểm tra, bảo dưỡng an toàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy mài vô tâm chuyên dùng và nguyên lý mài tròn ngoài không tâm theo phương pháp chạy dao dọc.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật: Gia công chi tiết dạng chốt trụ trơn suốt có đường kính $\varnothing 25\text{ mm} \div \varnothing 30\text{ mm}$, chiều dài chi tiết $L = 250\text{ mm}$, vật liệu thép C45 đã qua nhiệt luyện đạt độ cứng $40 \div 45\text{ HRC}$, yêu cầu cấp chính xác đạt cấp 7.
  • Phạm vi hoạt động: Chế độ làm việc của máy thiết kế đạt định mức 8 giờ/ngày, thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết

Đồ án ứng dụng các nền tảng lý thuyết cắt gọt kim loại và nguyên lý tạo hình bề mặt bằng dụng cụ mài:

  • Bản chất của quá trình mài: Quá trình cắt gọt kim loại được thực hiện đồng thời bởi vô số hạt mài có hình thể ngẫu nhiên phân bố trên bề mặt làm việc của đá mài, đóng vai trò như các lưỡi cắt vi mô với góc trước bằng $0^\circ$. Quá trình mài thực chất là quá trình cào xước liên tục ở vận tốc cắt cao, có khả năng tự làm sắc một phần của đá mài trong điều kiện làm việc ổn định.
  • Vật liệu và cấu trúc đá mài: Nghiên cứu phân tích các nhóm hạt mài tự nhiên và nhân tạo (oxit nhôm, cacbit silic, cacbit bo, kim cương), các nhóm chất kết dính vô cơ (ceramic, silicat, maghe) và hữu cơ (bakelit, vulcanit), cùng khái niệm độ cứng của đá mài (khả năng chống lại sự bóc tách hạt mài khỏi chất kết dính dưới tác dụng của ngoại lực).
  • Lý thuyết mài tròn ngoài vô tâm: Chi tiết gia công không cần lỗ tâm định vị mà lấy chính mặt trụ ngoài đang gia công làm chuẩn định vị. Chi tiết được đặt tự do giữa đá mài (tốc độ cao) và đá dẫn (tốc độ thấp), tựa trên một thanh đỡ vát góc. Chuyển động quay của chi tiết được tạo ra nhờ ma sát với đá dẫn (quay ngược chiều với đá dẫn), và chuyển động tịnh tiến dọc trục được hình thành do đá dẫn đặt nghiêng một góc $\alpha = 1^\circ \div 3^\circ$ so với đường tâm của đá mài.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: So sánh các phương pháp mài tròn ngoài (mài có tâm, mài vô tâm chạy dao dọc, mài vô tâm chạy dao ngang) để chọn phương án tối ưu cho chi tiết trục trơn suốt dài $250\text{ mm}$.
  • Phương pháp giải tích động học và động lực học: Xác định lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực hướng kính $P_y$, lực dọc trục $P_x$ dựa trên mô hình thực nghiệm tính lực mài kim loại.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy công cụ: Sử dụng các công thức giải tích chuẩn theo giáo trình thiết kế hệ dẫn động cơ khí để tính toán tỷ số truyền, khoảng cách trục, góc ôm đai, ứng suất xoắn và uốn tương đương trên các tiết diện trục nguy hiểm.
  • Phương pháp kiểm nghiệm ổ lăn: Đánh giá khả năng tải động quy ước $C_d$ và tải tĩnh $Q_t$ của ổ đũa côn và ổ bi đỡ dựa trên tải trọng hướng tâm, lực dọc trục sinh ra và tuổi thọ tính toán $L_h$.

Nguồn dữ liệu

  • Các công thức, hệ số thực nghiệm và bảng tra cứu tiêu chuẩn trích xuất từ tài liệu chuyên khảo "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" (Tập 1 và Tập 2) của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, cùng các tài liệu chế độ cắt gia công cơ khí.

Thiết kế và triển khai

Sơ đồ nguyên lý và kiến trúc hệ thống

Hệ thống máy mài vô tâm được cấu tạo từ hai cụm động lực độc lập bố trí trên cùng bệ máy:

  • Cụm đá mài (Cụm A): Bao gồm động cơ điện chính truyền động qua bộ truyền đai thang đến trục chính đá mài. Trục đá mài quay với vận tốc cao để thực hiện chuyển động cắt gọt chính.
  • Cụm đá dẫn (Cụm B): Bao gồm động cơ phụ truyền động qua bộ truyền trục vít - bánh vít tới trục đá dẫn. Đá dẫn quay cùng chiều với đá mài nhưng với tốc độ rất thấp, đặt nghiêng góc $\alpha$ để dẫn hướng và tạo lực ma sát đẩy chi tiết chuyển động tịnh tiến. Cụm đá dẫn được đặt trên sống trượt mộng mang cá dẫn động bằng vít me để thực hiện chuyển động ăn dao ngang.
  • Cơ cấu định vị và thanh đỡ: Thanh đỡ chi tiết đặt ở khoảng giữa hai viên đá, được vát nghiêng góc $30^\circ \div 40^\circ$ nghiêng về phía đá dẫn. Chi tiết được gá đặt sao cho tâm chi tiết cao hơn đường nối tâm của hai viên đá một khoảng $h = (0{,}15 \div 0{,}25)d$, khống chế trong phạm vi $10 \div 12\text{ mm}$ để chống hiện tượng méo ô van hoặc văng phôi.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              BỆ MÁY VÀ KHUNG THÂN                                 |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
|        CỤM ĐÁ MÀI (CỤM A)          |             CỤM ĐÁ DẪN (CỤM B)               |
|  Động cơ: 3 kW - 1450 v/p          |  Động cơ: 0.37 kW - 1400 v/p                 |
|  Bộ truyền: Đai thang loại A (2 sợi) |  Bộ truyền: Trục vít - bánh vít              |
|  Trục chính: Thép C45, d=50-60 mm   |  Trục dẫn: Thép C45, d=40 mm                 |
|  Ổ đỡ: Ổ đũa côn (7510, 7512)      |  Ổ đỡ: Ổ bi đỡ (308)                         |
|  Vận tốc quay: 2229 v/p (V=35 m/s) |  Vận tốc quay: 64 v/p                        |
|  Kích thước đá: Đường kính 300 mm, |  Kích thước đá: Đường kính 200 mm            |
|                 Bề rộng 100 mm     |  Bàn trượt: Mộng mang cá + vít me ăn dao     |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
|                              KHU VỰC GIA CÔNG TRUNG TÂM                           |
|  Thanh đỡ chi tiết: Góc vát 30° - 40° về phía đá dẫn                              |
|  Độ nâng cao tâm phôi: h = (0.15 - 0.25)d <= 10 - 12 mm                           |
|  Góc nghiêng trục đá dẫn: alpha = 1° - 3° (tạo bước tiến chạy dao dọc tự động)    |
|  Phôi gia công: Chốt trụ trơn phi 25 - 30 mm, dài 250 mm, thép C45 (40-45 HRC)    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Tính toán động lực học và thông số thiết kế

Quá trình tính toán các thông số làm việc và động lực học của máy được tổng hợp theo các bảng số liệu kỹ thuật sau:

Thông số động lực học Giá trị tính toán / lựa chọn Đơn vị
Đường kính đá mài ($D_{da}$) 300 $\text{mm}$
Bề rộng mặt đá mài ($B$) 100 $\text{mm}$
Vận tốc cắt của đá mài ($V_{da}$) 35 $\text{m/s}$
Số vòng quay trục đá mài lý thuyết ($n_{dm}$) 2229 $\text{vòng/phút}$
Đường kính đá dẫn ($D_{dd}$) 200 $\text{mm}$
Vận tốc chi tiết ($V_{ct}$) 40 $\text{m/phút}$
Số vòng quay đá dẫn ($n_{dd}$) 64 $\text{vòng/phút}$
Số vòng quay tự quay của chi tiết ($n_{ct}$) 424 $\text{vòng/phút}$
Chiều sâu cắt khi mài tinh ($t$) 0{,}01 $\text{mm}$
Lực cắt tiếp tuyến chính ($P_z$) 7{,}9 $\text{N}$
Lực hướng kính ($P_y$) 23{,}7 $\text{N}$
Động cơ điện cụm đá mài ($N_{dc1}$) 3 (tương đương 4 HP), $n = 1450$ $\text{kW}$ ($\text{vòng/phút}$)
Động cơ điện cụm đá dẫn ($N_{dc2}$) 0{,}37 (tương đương 0{,}5 HP), $n = 1400$ $\text{kW}$ ($\text{vòng/phút}$)

Tính toán chi tiết máy và hệ thống truyền động

  • Bộ truyền đai thang cho trục đá mài:
    • Chọn đai thang tiêu chuẩn loại A có kích thước tiết diện $a = 13\text{ mm}$, $h = 8\text{ mm}$, diện tích $F = 81\text{ mm}^2$.
    • Đường kính bánh đai chủ động $D_1 = 180\text{ mm}$, bánh đai bị dẫn $D_2 = 128\text{ mm}$.
    • Tốc độ vòng thực tế trên trục mài $n_2 = 2132\text{ vòng/phút}$ (độ sai lệch so với lý thuyết là 4,5%, nằm trong giới hạn cho phép $3 \div 5%$).
    • Chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 1400\text{ mm}$, khoảng cách trục $A = 465\text{ mm}$, góc ôm bánh đai nhỏ $\alpha_1 = 173^\circ$.
    • Số dây đai sử dụng $Z = 2$ sợi, lực căng tác dụng lên trục $F_r = 707\text{ N}$.
  • Trục chính đá mài và kiểm nghiệm ổ lăn:
    • Vật liệu chế tạo trục: Thép C45 có ứng suất cho phép $[\tau] = 50\text{ N/mm}^2$. Đường kính ngõng trục tính toán sơ bộ tại các tiết diện lắp ổ lần lượt là $d_B = 60\text{ mm}$ và $d_C = 50\text{ mm}$.
    • Hệ thống gối đỡ trục đá mài sử dụng ổ đũa côn chịu lực hướng tâm và lực dọc trục cao: vị trí C dùng ổ ký hiệu 7510 ($d = 50\text{ mm}, D = 90\text{ mm}, B = 24{,}75\text{ mm}$), vị trí B dùng ổ ký hiệu 7512 ($d = 60\text{ mm}, D = 110\text{ mm}, B = 29{,}75\text{ mm}$).
    • Tải trọng động quy ước kiểm nghiệm tại vị trí C là $Q = 861\text{ N}$, khả năng tải động của ổ $C_d = 59{,}8\text{ kN}$, tải trọng tĩnh $Q_t = 662\text{ N} < C_0 = 54{,}5\text{ kN}$, đảm bảo an toàn chịu lực.
  • Trục đá dẫn và kiểm nghiệm ổ lăn:
    • Đường kính trục đá dẫn chọn đồng bộ $d = 40\text{ mm}$.
    • Gối đỡ sử dụng 2 ổ bi đỡ ký hiệu 308 ($d = 40\text{ mm}, D = 90\text{ mm}, B = 23\text{ mm}, C = 31{,}9\text{ kN}, C_0 = 21{,}7\text{ kN}$).
    • Kiểm nghiệm lực hướng tâm tổng $F_r = 287\text{ N}$, tải trọng động $Q = 373\text{ N} \ll C$, tải tĩnh $Q_t = 287\text{ N} \ll C_0$, thỏa mãn điều kiện bền mỏi.

Kiểm nghiệm thực nghiệm và quy chuẩn an toàn

  • Kiểm tra đá mài trước khi lắp: Thực hiện thử nghiệm âm thanh bằng cách treo tự do viên đá và dùng búa gõ nhẹ; chỉ đưa vào sử dụng các viên đá phát ra tiếng ngân trong trẻo, loại bỏ các viên có tiếng đục (dấu hiệu rạn nứt ngầm).
  • Gá lắp đá mài: Sử dụng mặt bích có tiện rãnh thoát, chèn đệm đàn hồi bằng cao su hoặc da mỏng giữa mặt bích và đá mài để phân bố đều áp lực siết bulông.
  • Quy trình sửa đá: Sử dụng đầu sửa kim cương chuyên dụng gá trên bàn trượt ở độ cao thấp hơn tâm đá $2 \div 3\text{ mm}$, nghiêng góc $15^\circ \div 20^\circ$. Chế độ sửa đá: chiều sâu bóc đá đạt $0{,}04\text{ mm}$ cho mỗi hành trình kép, lượng chạy dao dọc đạt $0{,}5\text{ m/phút}$.
  • Chạy thử nghiệm: Quy định bắt buộc chạy không tải tối thiểu 1 phút đối với đá đang sử dụng và tối thiểu 5 phút đối với đá mài mới lắp đặt trước khi tiến hành cắt gọt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Giới thiệu

Chương 1 khái quát vai trò của máy mài trong ngành cơ khí chế tạo, khẳng định mài là nguyên công gia công tinh bắt buộc đối với các chi tiết sau nhiệt luyện nhằm khắc phục biến dạng và đạt độ chính xác cao. Nội dung phân loại toàn diện các dòng máy mài dựa trên dạng bề mặt gia công (máy mài phẳng, mài tròn ngoài, mài bóng) và công dụng công nghệ (mài tròn trong, mài tròn ngoài, mài vô tâm, mài chuyên dùng, mài sắc). Tác giả chỉ rõ máy mài chiếm tỷ trọng lớn trong nhà xưởng (khoảng 30% máy cắt kim loại) và nhấn mạnh sự cần thiết của việc chế tạo thiết bị chuyên dụng phục vụ các đối tượng sản phẩm cụ thể.

Chương 2.1 Giới thiệu chung về mài

(Bao gồm mục 2.1 Khái niệm chung và mục 2.2 Giới thiệu về các phương pháp mài) Chương này đi sâu vào phân tích cơ sở công nghệ mài:

  • Phân tích đặc điểm hạt mài tự nhiên và nhân tạo (Oxit Nhôm, Cacbit Silic, Cacbit Bo, Kim cương tự nhiên) cùng các chất kết dính (gốm ceramic, silicat, bakelit, vulcanit) và cấp độ hạt.
  • Trình bày đặc tính gia công của các phương pháp mài điển hình: mài trụ ngoài có tâm và không tâm; mài trụ trong có tâm và không tâm; mài mặt phẳng bằng mặt trụ hoặc mặt đầu đá mài.
  • Phân tích bài toán gia công chi tiết trục trơn $\varnothing 25 \div \varnothing 30\text{ mm}$, dài $250\text{ mm}$, thép C45 độ cứng $40 \div 45\text{ HRC}$. Đồ án phân tích rõ: nếu dùng phương pháp mài có tâm sẽ vướng tốc kẹp, không mài suốt được chiều dài thân trong một lần gá và phải tốn nguyên công tạo lỗ tâm; do đó lựa chọn phương pháp mài tròn ngoài vô tâm chạy dao dọc là tối ưu nhất.
  • Mô tả nguyên lý tạo chuyển động quay và tịnh tiến dọc cho chi tiết thông qua bánh dẫn ma sát nghiêng góc $\alpha$.

Chương 3. Thiết kế máy mài vô tâm

Đây là chương trọng tâm của đồ án, chứa đựng toàn bộ các tính toán kỹ thuật và thiết kế kết cấu:

  • Thiết lập sơ đồ nguyên lý 2 cụm độc lập (Cụm đá mài A và Cụm đá dẫn B) cùng hệ thống thanh đỡ định vị.
  • So sánh hai phương án chạy dao (chạy dao dọc và chạy dao ngang), quyết định lựa chọn phương án chạy dao dọc cho chi tiết trục trơn dài.
  • Tính toán lực mài với hệ số vật liệu thép nhiệt luyện $C_{pz} = 2{,}2$, chiều sâu cắt $t = 0{,}01\text{ mm}$, bề rộng đá $B = 100\text{ mm}$, vận tốc đá $V_{da} = 35\text{ m/s}$, tìm ra lực cắt chính $P_z = 7{,}9\text{ N}$.
  • Tính chọn động cơ: Động cơ đá mài chọn loại $3\text{ kW}$ (4 HP) tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$; Động cơ đá dẫn chọn loại $0{,}37\text{ kW}$ (0,5 HP) tốc độ $1400\text{ vòng/phút}$.
  • Lựa chọn bộ truyền: Sử dụng bộ truyền đai thang loại A (2 đai) cho trục đá mài để đảm bảo chạy êm và chống rung động; sử dụng bộ truyền trục vít - bánh vít cho cụm đá dẫn để đạt tỷ số truyền giảm tốc lớn ($n_{dd} = 64\text{ vòng/phút}$).
  • Tính toán kết cấu cơ khí chi tiết: Xác định kích thước các đoạn trục đá mài ($d = 50 \div 60\text{ mm}$) và trục đá dẫn ($d = 40\text{ mm}$) thông qua biểu đồ nội lực và mômen uốn - xoắn tương đương; lựa chọn ổ đũa côn 7510, 7512 cho trục mài và ổ bi đỡ 308 cho trục dẫn, đi kèm các bước kiểm nghiệm khả năng tải động, tải tĩnh đạt yêu cầu.

Chương 4. Kiểm tra và bảo dưỡng máy

Chương 4 thiết lập hệ thống quy tắc kỹ thuật vận hành và an toàn xưởng máy:

  • Quy trình kiểm tra nứt đá mài bằng phương pháp thử tiếng ngân âm học trước khi lắp.
  • Hướng dẫn kỹ thuật gá kẹp đá mài bằng mặt bích có đệm lót đàn hồi (da/cao su) nhằm triệt tiêu ứng suất tập trung cục bộ.
  • Thiết kế cơ cấu và chế độ sửa đá mài bằng mũi kim cương gá thấp hơn tâm đá $2 \div 3\text{ mm}$, góc nghiêng $15^\circ \div 20^\circ$, chiều sâu bóc đá $0{,}04\text{ mm}$/hành trình kép.
  • Các quy định nghiêm ngặt về an toàn: bắt buộc sử dụng nắp che chắn bảo vệ bằng tôn, trang bị kính bảo hộ, quy định chạy thử không tải (1 phút với đá cũ, 5 phút với đá mới), cấm đo kích thước khi máy đang quay.

Chương 5. Kết luận và cải tiến máy

Tổng kết lại quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công máy mài vô tâm chuyên dụng đạt yêu cầu kỹ thuật gia công chốt tròn trơn. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế hiện tại và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai như mở rộng khả năng mài trục bậc, chốt côn và bổ sung cụm cấp phôi tự động.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Hoàn thành toàn bộ hệ thống tính toán động lực học, kết cấu cơ khí và hồ sơ thiết kế kỹ thuật của máy mài vô tâm chuyên dụng gia công chi tiết trục trơn $\varnothing 25 \div \varnothing 30\text{ mm}$, dài $250\text{ mm}$.
  • Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh cụm đá mài chính công suất $3\text{ kW}$ tốc độ trục $2132\text{ vòng/phút}$ và cụm đá dẫn công suất $0{,}37\text{ kW}$ tốc độ $64\text{ vòng/phút}$.
  • Kiểm nghiệm tính toán độ bền mỏi và độ bền tĩnh của hệ thống trục và ổ lăn (ổ đũa côn 7510, 7512 và ổ bi đỡ 308) đều đạt hệ số an toàn lớn hơn nhiều lần so với tải trọng cắt thực tế sinh ra ($P_z = 7{,}9\text{ N}, P_y = 23{,}7\text{ N}$).
  • Xây dựng quy trình chuẩn về gá đặt, sửa đá mài bằng đầu sửa kim cương kỹ thuật và vận hành an toàn máy công cụ.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng kết cấu mộng trượt mang cá kết hợp trục vít me cho cụm đá dẫn để thực hiện việc căn chỉnh chiều sâu ăn dao chính xác và ổn định độ cứng vững.
  • Sử dụng đệm lót đàn hồi khi siết mặt bích đá mài và bao bọc toàn bộ cụm đá bằng vỏ chắn kim loại nhằm ngăn ngừa triệt để rủi ro nứt vỡ đá mài và bắn tóe dung dịch tưới nguội.

Đóng góp thực tiễn

  • Đồ án giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật cho các cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: thay vì phải đầu tư các dòng máy mài vô tâm vạn năng đắt tiền, việc chế tạo máy mài chuyên dùng theo dải kích thước cụ thể ($\varnothing 25 \div \varnothing 30\text{ mm}$) giúp tối ưu hóa chi phí chế tạo, kết cấu gọn nhẹ, vận hành đơn giản mà vẫn đáp ứng dung sai lắp ghép và độ bóng bề mặt cho sản phẩm chốt trục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Máy được thiết kế theo hướng chuyên dùng cố định nên bị lược bỏ một số cơ cấu vạn năng: chưa có cơ cấu điều chỉnh góc nghiêng linh hoạt cho trục đá dẫn, cơ cấu tăng đơ điều chỉnh chiều cao thanh đỡ còn đơn giản.
  • Hiện tại máy chỉ gia công được dạng chi tiết trục trơn suốt; chưa thể gia công được các chi tiết có hình dạng phức tạp như trục bậc, mặt côn hoặc chi tiết có rãnh gián đoạn trên thân.
  • Phôi vẫn phải đưa vào vùng gia công bằng phương pháp thủ công, chưa có hệ thống nạp phôi liên tục.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

  • Thiết kế cải tiến cụm đỡ và cơ cấu xoay để điều chỉnh được góc nghiêng trục đá dẫn và chiều cao thanh đỡ một cách chính xác theo từng loại đường kính chi tiết khác nhau.
  • Nghiên cứu phát triển đồ gá và biên dạng đá mài/đá dẫn để mở rộng công nghệ mài cho trục bậc và chốt côn.
  • Thiết kế tích hợp cơ cấu cấp - thoát phôi tự động (phễu rung hoặc máng nạp phôi trọng lực) để chuyển đổi thành dây chuyền gia công tự động hóa hoàn toàn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí chế tạo: Cung cấp tài liệu mẫu hoàn chỉnh về quy trình tính toán thiết kế máy cắt gọt kim loại, phương pháp phân tích lực mài, quy trình thiết kế trục chính tốc độ cao, tính toán bộ truyền đai thang và phương pháp lựa chọn, kiểm nghiệm khả năng tải động/tĩnh của ổ lăn đũa côn và ổ bi đỡ.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí và kỹ thuật viên xưởng: Tham khảo trực tiếp sơ đồ nguyên lý cụm mài vô tâm, giải pháp thiết kế cơ cấu sửa đá mài bằng mũi kim cương gá thấp tâm, cũng như các tiêu chuẩn an toàn gá lắp đá mài công nghiệp.
  • Các cơ sở sản xuất phụ tùng cơ khí: Tham khảo phương án công nghệ để tự chế tạo hoặc cải tiến các máy mài vô tâm chuyên dụng năng suất cao với chi phí gia công chế tạo thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp mài vô tâm chạy dao dọc thay vì mài có tâm cho chi tiết chốt $\varnothing 25 \div \varnothing 30\text{ mm}$ dài $250\text{ mm}$?

Trong phương pháp mài có tâm, chi tiết bắt buộc phải trải qua nguyên công khoan 2 lỗ tâm ở hai đầu và phải sử dụng tốc kẹp để truyền mômen quay. Khi kẹp bằng tốc, đá mài không thể tiếp cận để mài suốt toàn bộ chiều dài $250\text{ mm}$ trong một lần gá; nếu phải đảo đầu để mài tiếp thì chi tiết sẽ bị mất độ đồng tâm giữa hai đoạn. Ngược lại, phương pháp mài vô tâm dùng chính mặt lưng trụ ngoài làm chuẩn định vị, không cần khoan lỗ tâm, cho phép mài thông suốt chiều dài chi tiết một cách liên tục và rút ngắn tối đa thời gian gá đặt.

2. Chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến dọc của chi tiết gia công được hình thành như thế nào trong máy?

Cả hai chuyển động này đều không được truyền trực tiếp từ động cơ hay bàn máy mang phôi mà được tạo ra gián tiếp thông qua đá dẫn:

  • Chuyển động quay: Đá dẫn quay với tốc độ chậm ($64\text{ vòng/phút}$). Do lực ma sát giữa chi tiết và bề mặt đá dẫn rất lớn, đá dẫn sẽ truyền mômen khiến chi tiết quay theo chiều ngược lại với tốc độ khoảng $424\text{ vòng/phút}$.
  • Chuyển động tịnh tiến dọc: Trục của đá dẫn được đặt nghiêng một góc $\alpha = 1^\circ \div 3^\circ$ so với phương song song của trục chi tiết. Lực ma sát phân rã theo phương nghiêng này sẽ đẩy chi tiết tịnh tiến liên tục dọc theo thanh đỡ đi qua vùng mài.

3. Vị trí gá đặt tâm chi tiết so với tâm hai bánh đá mài - đá dẫn được quy định như thế nào và tại sao?

Tâm của chi tiết gia công bắt buộc phải được đặt cao hơn đường nối tâm của đá mài và đá dẫn một khoảng $h = (0{,}15 \div 0{,}25)d$ (với $d$ là đường kính chi tiết) nhưng không vượt quá $10 \div 12\text{ mm}$. Quy định này nhằm đảm bảo:

  • Nếu đặt tâm chi tiết quá cao: Chi tiết dễ bị côn và mất ổn định, có nguy cơ bị lực mài hất văng ra ngoài gây mất an toàn.
  • Nếu đặt tâm chi tiết quá thấp hoặc ngang tâm: Chi tiết sau vài vòng quay sẽ bị biến dạng hình học thành dạng hình ô van, đa cạnh, sinh ứng suất nhiệt lớn làm cháy bề mặt hoặc nhanh chóng hết lượng dư dẫn đến mất tiếp xúc cắt.

4. Các thông số động lực học chính và loại ổ lăn được lựa chọn cho cụm đá mài và cụm đá dẫn là gì?

  • Cụm đá mài: Động cơ dẫn động công suất $3\text{ kW}$ (1450 vòng/phút), truyền động qua 2 đai thang loại A để đạt tốc độ trục mài $2132\text{ vòng/phút}$ (vận tốc cắt $35\text{ m/s}$). Trục mài chịu tải lớn và tốc độ cao nên sử dụng 2 ổ đũa côn ký hiệu 7510 (đường kính trong $50\text{ mm}$) và 7512 (đường kính trong $60\text{ mm}$).
  • Cụm đá dẫn: Động cơ dẫn động công suất $0{,}37\text{ kW}$ (1400 vòng/phút), truyền động qua bộ truyền trục vít - bánh vít giảm tốc về $64\text{ vòng/phút}$. Trục đá dẫn tốc độ thấp và tải nhỏ nên sử dụng 2 ổ bi đỡ ký hiệu 308 (đường kính trong $40\text{ mm}$).

5. Quy trình sửa đá mài được thiết kế trong đồ án sử dụng công cụ và thông số công nghệ nào?

Đồ án thiết kế cơ cấu sửa đá sử dụng đầu sửa kim cương kỹ thuật (hoặc bút chì kim cương - kim loại). Đầu sửa được gá trên bàn trượt sống mộng ở phía sau đá mài, đặt ở vị trí thấp hơn tâm đá từ $2 \div 3\text{ mm}$ và nghiêng một góc $15^\circ \div 20^\circ$ so với tâm đối xứng. Chế độ sửa đá thực hiện theo nguyên lý tiện: chiều sâu lớp đá bóc đi sau mỗi hành trình kép là $0{,}04\text{ mm}$ và lượng chạy dao dọc bàn sửa đạt $0{,}5\text{ m/phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy mài vô tâm dùng mài chốt có kích thước $\varnothing 25 + \varnothing 30\text{ mm}$" của sinh viên Ngô Quốc Phi và Trần Võ Minh Tiến đã hoàn thành đầy đủ các nội dung từ khảo sát lý thuyết, tính toán thiết kế động lực học đến chế tạo thực nghiệm cụm máy công cụ. Bằng việc chuyên biệt hóa kết cấu cho dòng sản phẩm chốt trụ trơn qua phương pháp mài vô tâm chạy dao dọc, nghiên cứu mang lại giải pháp công nghệ khả thi giúp hạ giá thành thiết bị gia công tinh cho các xưởng cơ khí quy mô vừa và nhỏ. Toàn bộ các kiểm nghiệm độ bền trục, bộ truyền đai thang và hệ thống ổ lăn đều thỏa mãn điều kiện làm việc ổn định, định hình rõ phương hướng mở rộng tự động hóa cấp phôi trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.