I. Tổng quan thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết thanh truyền
Thanh truyền là chi tiết dạng càng trong động cơ đốt trong và máy nén khí. Chi tiết này biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu tải trọng động thay đổi theo chu kỳ, lực nén, uốn và quán tính lớn. Điều kiện làm việc đòi hỏi vật liệu có độ bền cơ học cao, độ dẻo dai tốt và trọng lượng nhẹ. Gang dẻo, gang xám biến tính hoặc thép hợp kim thường được lựa chọn để đúc hoặc dập phôi thanh truyền.
Việc thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết thanh truyền đóng vai trò then chốt trong ngành cơ khí chế tạo máy. Quy trình hợp lý giúp kiểm soát độ mài mòn, giảm rung động và nâng cao tuổi thọ cụm cơ cấu truyền động. Bản vẽ công nghệ quy định nghiêm ngặt về dung sai kích thước các lỗ đầu to, đầu nhỏ và độ phẳng mặt đầu. Ngoài ra, độ không song song và độ xoắn giữa hai đường tâm lỗ phải nằm trong giới hạn cho phép rất nhỏ. Quy trình thiết kế khoa học giúp hạ giá thành sản phẩm và nâng cao năng suất sản xuất hàng loạt.
1.1. Chức năng và điều kiện làm việc của thanh truyền
Thanh truyền đóng vai trò cầu nối truyền lực giữa piston và trục khuỷu. Chi tiết nhận lực đẩy khí cháy ở đầu nhỏ và truyền mô-men xoắn cho trục khuỷu ở đầu to. Trong một chu trình làm việc, thanh truyền chịu kéo, nén liên tục và lực quán tính dọc trục. Ứng suất uốn xuất hiện do chuyển động lắc của thân thanh truyền. Mặt trong lỗ đầu nhỏ tiếp xúc với chốt piston tạo ma sát trượt. Lỗ đầu to lắp ghép với cổ trục khuỷu làm việc ở tốc độ cao. Môi trường hoạt động chứa dầu bôi trơn nhiệt độ cao. Bề mặt chi tiết cần độ cứng vững, khả năng chống mỏi và độ nhám bề mặt thấp để ngăn ngừa nứt gãy.
1.2. Yêu cầu kỹ thuật và tính công nghệ của kết cấu
Kết cấu thanh truyền bao gồm đầu nhỏ, thân và đầu to thường tách rời thành thân và nắp. Thân có tiết diện chữ I nhằm giảm trọng lượng nhưng vẫn tăng khả năng chịu uốn. Hai mặt đầu thanh truyền cần gia công phẳng song song để làm chuẩn định vị. Độ không song song giữa hai tâm lỗ không vượt quá 0,02 đến 0,05 mm trên 100 mm chiều dài. Dung sai đường kính lỗ đầu to và đầu nhỏ đạt cấp chính xác 6 đến 7. Độ nhám bề mặt lỗ đạt Ra = 0,63 đến 0,16 µm. Kết cấu phải thuận tiện cho việc gá đặt trên máy nhiều trục hoặc máy chuyên dùng trong sản xuất hàng loạt.
II. Phân tích chọn phôi và định vị khi gia công chi tiết thanh truyền
Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi và hệ thống chuẩn định vị là bước then chốt trong tiến trình công nghệ. Phôi thanh truyền thường được chế tạo bằng phương pháp đúc trong khuôn kim loại hoặc dập nóng trong khuôn kín. Trong sản xuất hàng loạt lớn, phôi dập nóng hoặc đúc chính xác mang lại lượng dư gia công nhỏ và phân bố đồng đều. Cơ tính kim loại tại các vùng chịu lực như thân chữ I được cải thiện đáng kể qua biến dạng dẻo. Lớp biến cứng bề mặt đúc cần được loại bỏ bằng nguyên công phay thô ban đầu.
Vấn đề cốt lõi khi gia công thanh truyền là độ cứng vững dọc trục và biến dạng do lực kẹp. Thân thanh truyền mỏng và dài, rất dễ bị cong xoắn khi chịu lực cắt lớn. Việc lựa chọn chuẩn định vị không chính xác sẽ gây sai số tích lũy về khoảng cách tâm giữa hai lỗ. Chuẩn thô thường được chọn là hai mặt bên thân thanh truyền hoặc mặt trụ ngoài đầu to, đầu nhỏ. Chuẩn tinh thống nhất sử dụng hai mặt đầu đã phay phẳng kết hợp với hai chốt định vị lọt vào hai lỗ đầu to và đầu nhỏ.
2.1. Phân tích chọn phôi và lượng dư gia công thanh truyền
Dạng sản xuất hàng loạt lớn quyết định phương pháp chế tạo phôi đúc trong khuôn cát mẫu kim loại hoặc dập nóng. Phôi đúc gang hoặc thép hợp kim đạt cấp chính xác II với độ nhám bề mặt tương đối tốt. Lượng dư gia công cho hai mặt đầu thường từ 2,0 đến 3,5 mm mỗi bên. Lượng dư cho lỗ đầu to và đầu nhỏ dao động từ 3,0 đến 5,0 mm trên đường kính. Lượng dư đồng đều giúp ổn định chế độ cắt gọt, kéo dài tuổi thọ dao và giảm biến dạng nhiệt. Phôi sau khi đúc cần qua ủ khử ứng suất dư để tránh cong vênh trong các nguyên công sau.
2.2. Phương pháp chọn chuẩn thô và chuẩn tinh tối ưu
Nguyên tắc chọn chuẩn định vị quyết định độ chính xác hình học của thanh truyền. Nguyên công đầu tiên sử dụng mặt phẳng thân và phần trụ ngoài làm chuẩn thô để gia công hai mặt đầu. Sau khi hai mặt đầu đạt độ phẳng và song song, chúng trở thành mặt chuẩn tinh chính. Chuẩn tinh phụ là một mặt trụ ngoài hoặc lỗ định vị phụ. Khi gia công hoàn thiện hai lỗ đầu to và đầu nhỏ, chuẩn định vị gồm mặt phẳng đầu kết hợp chốt trụ ngắn và chốt trám. Sơ đồ định vị sáu bậc tự do này triệt tiêu hoàn toàn sai số dịch chuyển và xoay chi tiết.
III. Trình tự các nguyên công hợp lý khi gia công chi tiết thanh truyền
Quy trình công nghệ gia công chi tiết thanh truyền được chia thành các giai đoạn gia công thô, gia công bán tinh và gia công tinh. Đầu tiên, mặt phẳng hai đầu được phay thô và phay tinh đồng thời trên máy phay chuyên dùng. Tiếp theo, các lỗ đầu to và đầu nhỏ được khoan, khoét và doa thô nhằm tạo lỗ chuẩn phụ. Đối với thanh truyền có nắp rời, nguyên công cắt rời nắp đầu to được tiến hành sau khi đã phay rãnh bulông và khoan lỗ bu-lông liên kết. Việc chia tách này đòi hỏi bề mặt lắp ghép giữa thân và nắp phải được mài phẳng tuyệt đối.
Sau khi lắp ghép thân và nắp bằng bu-lông với mô-men siết quy định, nguyên công gia công tinh lỗ đầu to và đầu nhỏ mới được thực hiện. Lỗ đầu nhỏ được doa tinh hoặc mài khôn để đạt dung sai chặt chẽ. Lỗ đầu to được doa tinh hoặc mài trên máy mài tròn trong chuyên dụng. Các chế độ cắt như vận tốc, lượng chạy dao và chiều sâu cắt được tra cứu dựa trên độ bền vật liệu và công suất máy. Toàn bộ tiến trình đảm bảo năng suất gia công tối đa và chất lượng sản phẩm đồng đều.
3.1. Các nguyên công phay mặt đầu và gia công hệ thống lỗ
Phay hai mặt đầu là nguyên công cơ bản đầu tiên nhằm tạo bề mặt chuẩn tinh phẳng. Hai dao phay đĩa ba mặt hoặc dao phay mặt đầu gia công song song hai bên để triệt tiêu biến dạng kẹp. Sau đó, lỗ đầu nhỏ được khoan, khoét và doa đạt độ chính xác cấp 7. Lỗ đầu to được khoét thô trước khi cắt rời nắp. Gia công lỗ bu-lông được thực hiện trên máy khoan cần hoặc máy khoan nhiều trục. Lỗ bu-lông dẫn hướng nắp ghép phải đảm bảo độ đồng tâm cao. Việc vát mép và bẻ cạnh sắc được thực hiện nhằm hạn chế tập trung ứng suất khi vận hành.
3.2. Cắt rời nắp ghép bu lông và gia công tinh bề mặt lỗ
Nguyên công cắt đứt nắp đầu to sử dụng dao phay đĩa mỏng với chế độ cắt làm mát liên tục. Mặt tiếp giáp giữa thân và nắp sau đó được phay tinh hoặc mài phẳng để tạo độ khít kín tuyệt đối. Thân và nắp được lắp ghép chặt bằng bu-lông đúng lực siết tiêu chuẩn trước khi gia công tinh. Lỗ đầu to và lỗ đầu nhỏ sau khi ghép được doa tinh và mài khôn đồng thời. Bước gia công này đảm bảo độ tròn, độ trụ và khoảng cách tâm trục chính xác. Mài khôn đem lại bề mặt bóng mịn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp bạc lót.
IV. Thiết kế đồ gá chuyên dùng gia công chi tiết thanh truyền
Thiết kế đồ gá chuyên dùng đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo năng suất và chất lượng gia công thanh truyền. Đồ gá phay, khoan hoặc khoét doa cần đảm bảo lực kẹp vững chắc nhưng không làm biến dạng thân chi tiết. Cơ cấu kẹp chặt thường sử dụng ren vít, khí nén hoặc thủy lực với đòn kẹp nhanh nhằm giảm thời gian phụ. Bề mặt định vị của đồ gá phải có độ cứng vững và khả năng chống mòn cao. Việc tính toán sai số chế tạo cho phép của đồ gá giúp kiểm soát chính xác sai số gá đặt trên từng nguyên công.
Khâu kiểm tra chất lượng sau gia công hoàn thiện quy trình sản xuất thanh truyền. Các thông số cần kiểm tra bao gồm kích thước hình học, độ tròn, độ trụ của hai đầu lỗ và độ song song hai tâm trục. Dụng cụ đo chuyên dùng như đồng hồ so, calip trục hoặc máy đo tọa độ 3D CMM được áp dụng phổ biến. Thanh truyền sau kiểm định còn được cân trọng lượng và phân loại theo nhóm khối lượng để lắp ghép cân bằng động cơ. Quy trình công nghệ chuẩn hóa giúp giảm thiểu phế phẩm và tối ưu chi phí.
4.1. Nguyên lý kết cấu và tính lực kẹp đồ gá thanh truyền
Đồ gá gia công thanh truyền sử dụng các chi tiết định vị chuẩn hóa như phiến tỳ phẳng, chốt trụ và chốt trám. Điểm đặt lực kẹp phải hướng thẳng vào các mặt tỳ cứng vững để tránh hiện tượng uốn thân thanh truyền. Cơ cấu kẹp liên động bằng đòn bẩy hoặc cam lệch tâm giúp phân bổ lực kẹp đều lên chi tiết. Lực kẹp cần thiết được tính toán dựa trên lực cắt lớn nhất và hệ số an toàn K từ 1,5 đến 2,5. Sai số chế tạo đồ gá không được vượt quá 1/3 đến 1/5 dung sai nguyên công tương ứng.
4.2. Kiểm tra độ song song độ xoắn và cân bằng trọng lượng
Kiểm tra chất lượng thanh truyền tập trung vào độ không song song và độ xoắn giữa hai đường tâm lỗ. Thiết bị kiểm tra chuyên dùng gồm trục gá chuẩn kết hợp đồng hồ so hiển thị độ lệch tại hai mút đo. Khoảng cách tâm hai đầu lỗ được đo bằng thước đo chuyên dụng hoặc máy đo quang học. Ngoài ra, sự chênh lệch trọng lượng giữa các thanh truyền trong cùng một động cơ phải dưới 2 đến 5 gam. Các vấu thừa trên đầu to và đầu nhỏ được phay bớt để hiệu chỉnh trọng lượng về giá trị chuẩn.