TOAN TAP KY THUAT CHE TAO

LỜI NÓI ĐẦU ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Trần Doãn Sơn KỸ THUẬT CHẾ TẠO (Tái lần thứ có sửa chữa, bổ sung) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009 BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I LÝ THUYẾT CƠ SỞ CẮT GỌT KIM LOẠI Chương BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơ học trình tạo phoi 1.3 Các dạng phoi 1.4 Hiện tượng lẹo dao 1.5 Lực công suất cắt 1.6 Nhiệt cắt Câu hỏi ôn tập chương 10 10 12 14 15 16 17 19 Chương DỤNG CỤ CẮT GỌT 2.1 Giới thiệu 2.2 Thông số hình học dụng cụ 2.3 Vật liệu dụng cụ cắt 2.4 Dung dịch trơn nguội 2.5 Mòn hư hỏng dụng cụ Câu hỏi ôn tập chương 20 20 20 24 32 33 36 Chương CHẤT LƯNG CHI TIẾT GIA CÔNG 3.1 Độ xác chi tiết gia công 3.2 Chất lượng bề mặt chi tiết máy Câu hỏi ôn tập chương 37 37 50 54 Chương GÁ ĐẶT CHI TIẾT KHI GIA CÔNG 4.1 Chuẩn 4.2 Gá đặt chi tiết gia công Câu hỏi ôn tập chương 55 55 58 69 PHẦN II CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CẮT GỌT Giới thiệu 70 70 Chương CHỌN PHÔI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG CHUẨN BỊ PHÔI 5.1 Chọn phôi 5.2 Các phương pháp gia công chuẩn bị phôi Câu hỏi ôn tập chương 72 72 73 79 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TẠO RA CHI TIẾT DẠNG TRÒN XOAY 6.1 Phương pháp tiện 6.2 Khoan, khoét, doa tarô 80 80 99 LỜI NÓI ĐẦU Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TẠO RA CHI TIẾT DẠNG KHÔNG TRÒN XOAY 7.1 Phương pháp phay 7.2 Bào xọc 7.3 Phương pháp chuốt 7.4 Biện pháp công nghệ Câu hỏi ôn tập chương 107 107 118 122 124 125 Chương QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BẰNG HẠT MÀI Giới thiệu 8.1 Mài 8.2 Mài nghiền 8.3 Mài khôn 8.4 Mài siêu tinh xác 8.5 Đánh bóng 8.6 Cạo Câu hỏi ôn tập chương 126 126 126 133 136 139 140 141 142 Chương GIA CÔNG CẮT GỌT KHÔNG TRUYỀN THỐNG (Nontraditional machining) 9.1 Các trình gia công dùng lượng 9.2 Các trình gia công điện hóa 9.3 Các trình gia công lượng nhiệt 9.4 Gia công hóa (CM) 9.5 Những ứng dụng thực tế 143 144 147 151 160 163 Chương 10 THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 10.1 Giới thiệu 10.2 Tiêu chuẩn hóa thiết kế 10.3 Chọn vật liệu chi tiết 10.4 Phương pháp thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết máy 10.5 Một số bước thiết kế 10.6 Bài tập Câu hỏi ôn tập chương 10 166 166 166 167 167 168 182 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO 183 BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI LỜI NÓI ĐẦU Trước hết, tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp thuộc Bộ môn Chế tạo máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành giáo trình Xin chân thành cảm ơn Giáo sư Serope Kalpakjian, Giáo sư George Schneider cho phép tác giả sử dụng tài liệu tham khảo giáo trình sử dụng cho sinh viên ngành kỹ thuật khí Trường Đại học MIT (Massachusetts Institute of Technology) Giáo sư Geoffrey Boothroyd giáo trình sử dụng cho sinh viên khoa khí hàng không Trường Đại học Massachusetts (School of Engineering Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Massachusetts) Môn học Kỹ thuật chế tạo cung cấp cho sinh viên ngành khí nói chung đặc biệt ngành Cơ điện tử Kỹ thuật giao thông kiến thức lý thuyết cắt gọt kim loại phương pháp gia công thông dụng Trong bối cảnh sản xuất đại, nhiều kỹ thuật lónh vực cắt gọt nghiên cứu đưa vào ứng dụng thực tế sản xuất Do vậy, trình bày nội dung giáo trình này, kiến thức mang tính truyền thống, tác giả muốn giới thiệu thêm kết nghiên cứu mới, đặc biệt, kết vật liệu dụng cụ cắt, thiết bị công nghệ gia công mà việc ứng dụng chúng thực tế sản xuất đưa lại hiệu lớn mặt kinh tế xã hội Mặc dù giáo trình ý định cung cấp cho người đọc kỹ thực tế kỹ thu trình làm việc cụ thể, tác giả muốn đúc kết kinh nghiệm thực tế sản xuất lónh vực công nghệ, sử dụng dụng cụ, thiết bị chế độ gia công để đạt hiệu mặt suất lao động hiệu kinh tế Với mong muốn vậy, nên trình bày nội dung liên quan đến kiến thức thực tế cụ thể, tác giả tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp để lần tái sách tốt Mọi đóng góp xin gửi về: Bộ môn Chế tạo máy Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TPHCM gửi qua Email tdson@dme.hcmut.edu.vn Xin chân thành cảm ơn Tác giả Trần Doãn Sơn BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI PHẦN I LÝ THUYẾT CƠ SỞ CẮT GỌT KIM LOẠI GIỚI THIỆU HỆ TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ (SI) CỦA CÁC ĐƠN VỊ ĐO Năm 1960 họp khối lượng đo lường đưa hệ thống đơn vị đo Hệ thống viết tắt SI - International system Hiện nay, sử dụng rộng rãi giới ; nước có hệ thống riêng Mỹ chuyển dần từ hệ thống USCS - United State Customary system sang hệ thống SI Trong thực tế, hệ thống tiện lợi trình sử dụng Trong hệ SI đơn vị đưa định nghóa năm đơn vị đo là: chiều dài l (mét - m), khối lượng m (kilogam - kg), thời gian t (giây - s), nhiệt độ T (kenvin - K), cường độ dòng điện I (ampe - A) Để khuyến khích sinh viên người đọc quen thuộc với hệ SI, chương sách sử dụng thống hệ đơn vị SI Bảng 1.1 giới thiệu đơn vị trích dẫn tiêu chuẩn SI (Bên cạnh đơn vị đo tiếng Việt xin trích dẫn từ khóa tiếng Anh để bạn đọc tham khảo) Bảng 1.1 Các đơn vị trích dẫn từ hệ SI Đại lượng đo Ký hiệu Tên đơn vị Ký hiệu đơn vị đo Góc, mặt phẳng (angle, plane) α , β , γ , v.v Radian rad Vận tốc góc (angular velocity) ω rad/s Gia tốc góc (angular acceleration) α rad/s2 Tần số (frequency) f Hertz Hz Nghịch đảo giây 1/s Tần số quay - Vận tốc góc (rotational frequency) Diện tích (area) A m2 Thể tích (volume) V m3 Vận tốc (velocity) v m/s Gia toác (acceleration) a m/s2 Mật độ (density) ρ Kg/m3 Lực (force) F Newton Kg.m/s2, N Năng lượng (energy, work, heat) w Joule N.m; J Áp suất (pressure) p Pascal N/m2; Pa Ứng suất (stress) Công suất (power) p Watt J/s; W Nhiệt độ (temperater) θ Degree Celsius K; oC * Trích dẫn từ giáo trình “Fundamentals of Metal Maching and Machine Tools” Trường Đại học Massachusetts Tiền tố số đơn vị cho bảng 1.2 BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI Bảng 1.2 Tiền tố (prefixes) cho đơn vị hệ SI Prefix Symbol nano- Multiplier n micro- μ milli- m centi- c kilogiga- 10 nanometer (nm) 10 –6 micrometer, micron (μm) 10 –3 millimeter (mm) 10 –2 centimeter (cm) 10 kilometer (km) M 10 mega Pascal (MPa) G 109 k mega- Example Units (Symbols) –9 giga Pascal (GPa) Baûng chuyển đổi tương đương đơn vị hệ USCS hệ SI Đại lượng Chiều dài Diện tích Đơn vị SI Meter (m) m2, mm2 Đơn vị USCS Tương đương inch (in) 1.0in = 25,4mm = 0,0254m foot (ft) 1.0ft = 12,0in = 0,3048m = 304,8mm yard 1.0yard = 3,0ft = 0,9144m = 914,4mm mile 1.0mile = 5208ft = 1069,34m micro-inch ( μ − in.) 1.0 μ-in = 1, × 10−6 in = 25, × 10−3 μm In.2, ft2 1.0in.2 = 645,16mm2 1.0ft2 = 144 in.2 = 62, 90 × 10−3 m Thể tích m3 In.3, ft3 1.0in.3 = 16,387mm2 1.0 ft3 = 1728 in.2 = 2, 837 × 10−2 m Khối lượng kilogam (kg) Pound (lp) ton 1.0lb = 0,4536kg 1.0ton = 2.000 lb = 907,2kg Mật độ kg/m lb/in or lb/ft 3 1.0lb /in.3 = 27, 68 × 103 kg /m 1.0lb / ft = 16, 0184kg / m Vận tốc m/phút ft/phút m/s Ft/giây 1.0ft/phút = 0,3048m/phút = 5, 08 × 10−3 m / giây 1.0ft/giây2 = 0,3048 m/s2 Gia tốc m/s Lực Newton (N) Pound (lp) 1.0lb = 4,4482N Moâmen N-m ft-lb, in-lb 1.0ft-lb = 12,0in.-lb = 1,356N-m Áp suất Pascal (Pa) lb/in 1.0lb/in.2 = 6895N/m2 = 6895 Pa Ứng suất Pascal (Pa) lb/in.2 Năng lượng Joule (J) Ft-lb.in.-lb 1.0ft-lb = 1,356N-m = 0,113J Công suất Watt (W) Mã lực (hp) 1.0hp = 33.000ft-lb/phút = 745,7J/s = 745,7W Ft/giây 1.0ft /giây = 0, 3048m/s 1.0lb/in.2 = 6,895×10–3MPa Ví dụ 1: Chuyển đổi từ hệ USCS sang SI: Chiều dài L = 3,25 in × (25,4mm/in.) = 82,55mm Ví dụ 2: Chuyển đổi từ hệ SI sang USCS: Diện tích 1000mm2 = 1000in.2/(645,16in.2) = 1,55in.2 CHƯƠNG 10 Chương BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI 1.1 GIỚI THIỆU Quá trình tạo hình kim loại bao gồm nhiều phương pháp khác minh họa hình 1.1 Trong trình bóc vật liệu chiếm vị trí quan trọng ý nghóa kinh tế kỹ thuật Quá trình đông đặc (đúc) Quá trình tạo hình chi tiết Quá trình biến dạng (rèn, dập) Quá trình bóc vật liệu Hình 1.1 Phân loại phương pháp tạo hình kim loại Đặc điểm chung kim loại dư thừa bóc để tạo hình dạng mong muốn Các phương pháp cắt gọt kim loại thuộc họ gia đình phương pháp bóc kim loại (machining) minh họa sơ đồ hình 1.2 Cắt gọt kim loại phương pháp sử dụng rộng rãi Đặc điểm sử dụng dụng cụ có hình dáng hình học vật liệu thích hợp cắt lớp vật liệu thừa khỏi chi tiết tạo chi tiết có hình dạng mong muốn Lớp kim loại thừa bóc khỏi chi tiết gọi phoi Các phương pháp thuộc cắt gọt kim loại thông dụng tiện, phay, khoan khoét doa, bào xọc, mài, v.v BẢN CHẤT VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA CẮT GỌT KIM LOẠI 11 Hình 1.2 Các phương pháp bóc vật liệu Cắt gọt trình gia công quan trọng, có ý nghóa lớn kinh tế công nghệ với lý sau: - Có thể gia công vật liệu khác Phạm vi vật liệu gia công đa dạng, nói chung vật liệu rắn kim loại, gốm sứ, chất dẻo, gỗ, v.v Các vật liệu có độ cứng cao gốm sứ kim loại qua xử lý nhiệt gia công hiệu ta dùng phương pháp mài - Có thể gia công chi tiết có hình dạng khác Cắt gọt tạo chi tiết có hình dạng khác từ chi tiết thông thường mặt trụ, mặt phẳng, mặt côn, v.v Nó tạo bề mặt đặc biệt mặt ren, mặt định hình, v.v - Độ xác kích thước Phương pháp cắt gọt tạo chi tiết có kích thước xác (dung sai nhỏ) Thông thường phương pháp đạt ± 0,025mm - Độ nhám bề mặt Độ nhẵn bóng cao Trị số độ nhám nhỏ 0,4 μm Mặt khác, phương pháp cắt gọt tồn nhược điểm cố hữu: + Lãng phí vật liệu phải tách lớp phoi khỏi bề mặt chi tiết + Thời gian gia công lớn, phải thực nhiều bước, nhiều nguyên công THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT Hình 10.2 a) Kết cấu phức tạp khó gia công b) Kết cấu gồm hai chi tiết dễ gia công Tiết kiệm vật liệu chế tạo (Hình 10.3) Hình 10.3 a) Kết cấu tốn nhiều vật liệu b) Tách kết cấu thành hai chi tiết tốn vật liệu Tạo điều kiện nâng cao suất gia công (Hình 10.4) Hình 10.4 a) Kết cấu hạn chế khả gá đặt nhiều phôi, suất thấp b) c) Kết cấu dễ gá đặt nhiều phôi, suất cao Phân biệt rõ bề mặt gia công bề mặt không gia công (Hình 10.5) Hình 10.5 a) Kết cấu chưa phân biệt rõ mặt gia công mặt không gia công b) Kết cấu hợp lý 169 CHƯƠNG 10 170 Phân biệt rõ bề mặt gia công nguyên công khác (Hình 10.6) a) b) Hình 10.6 a) Khoan lỗ D sau phay rãnh B khó khăn, lỗ rãnh bị lệch b) Kết cấu đảm bảo gia công thuận tiện Tạo điều kiện giảm bớt hành trình cắt, giảm quãng đường chạy dao (Hình 10.7) Hình 10.7 a) Kết cấu gây quãng đường chạy dao dài b) Kết cấu rút ngắn hành trình cắt Đảm bảo tiến dao thuận lợi (Hình 10.8) Hình 10.8 a) Kết cấu không thuận lợi để đạt độ xác suốt chiều dài b) Kết cấu thuận lợi đạt độ xác gia công Đảm bảo ăn dao vào vật liệu dễ dàng, không bị lệch (Hình 10.9) Hình 10.9 a) Kết cấu dễ làm gãy mũi khoan ăn dao vào vật liệu b), c) Những kết cấu tạo điều kiện cho dao ăn vào vật liệu THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 171 Tránh va đập gia công (Hình 10.10) Hình 10.10 a) Mặt bích vuông dễ gây va đập dùng tiện mặt đầu b) Mặt bích tròn tránh va đập tiện 10.5.2 Xác định lượng dư gia công, chọn phôi phương pháp chế tạo phôi Trong ngành chế tạo máy, tùy theo dạng sản xuất mà chi phí phôi liệu chiếm từ 30% đến 60% tổng chi phí chế tạo Phôi xác hợp lý phần lớn phụ thuộc vào việc xác định lượng dư gia công Lượng dư gia công xác định hợp lý trị số dung sai góp phần bảo đảm hiệu kinh tế trình công nghệ vì: - Lượng dư lớn tốn nguyên vật liệu; tiêu hao lao động để gia công nhiều tốn lượng điện dụng cụ cắt, vận chuyển nặng v v dẫn đến giá thành tăng - Ngược lại lượng dư nhỏ không đủ để hớt sai lệch phôi để biến phôi thành chi tiết hoàn thiện Điều giải thích sau: Trong chương “Độ xác gia công” biết khái niệm in dập sai lệch trình gia công dẫn hệ số in dập K (hệ số giảm sai): Δ K = ct (10.1) Δ ph Trong Δ ct - sai lệch chi tiết Δ ph - sai lệch phôi Như sai lệch giảm dần qua nguyên công cắt gọt Vì mà trình công nghệ cần phải chia nhiều nguyên công, nhiều bước để hớt dần lớp kim loại mang sai số in dập nguyên công trước để lại Lượng dư phải đủ để thực nguyên công cần thiết Mặt khác lượng dư bé gia công xảy tượng trượt dao chi tiết, dao bị mòn nhanh bề mặt gia công không bóng Trên sở mối quan hệ chung đó, cần phân biệt khái niệm định nghóa lượng dư gia công Lượng dư gia công khí toàn lớp kim loại hớt trình gia công qua tất nguyên công bước công nghệ (Zo) Lượng dư đối xứng lớp kim loại hớt gia công bề mặt tròn xoay Lượng dư gia công trung bình (Zb) xác định hiệu số kích thước bước (hay nguyên công) thực tạo nên với kích thước bước (hay nguyên CHƯƠNG 10 172 công) sát trước để lại lượng dư gia công trung gian (Zb) (hình 10.11) là: a) Mặt b) Mặt Hình 10.11 lượng dư gia công trung gian (Zb) Trong a - kích thước bước công nghệ sát trước để lại b - kích thước bước công nghệ thực tạo nên - Đối với mặt ngoài: Zb = a – b - Đối với mặt trong: Zb = b – a Lượng dư gia công tổng cộng Zo xác định hiệu số kích thước phôi thô chi tiết hoàn chỉnh - Đối với mặt ngoài: Zo = Kph – Kct (10.2) - Đối với mặt trong: Zo = Kct – Kph (10.3) Kph - kích thước phôi thô Kct - kích thước chi tiết hoàn chỉnh Lượng dư dư đối xứng xác định hiệu số kích thước đường kính bề mặt gia công bước công nghệ sát trước công nghệ thực (hình 10.12) a) Mặt b) Mặt Hình 10.12 lượng dư đối xứng Đối với mặt tròn xoay ngoài: d − db Zb = a , tức 2Zb = da – db Đối với mặt tròn xoay trong: Trong đó: da - đường kính bước công nghệ sát trước để lại db - đường kính bước công nghệ tạo nên (10.4) THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT Zb = db − da , tức 2Zb = db – da 173 (10.5) Trong đó: da - kích thước bước công nghệ sát trước để lại db - kích thước bước công nghệ thực tạo nên Như vậy, lượng dư gia công tổng cộng bị tổng giá trị lượng dư gia công trung gian tất bước công nghệ nguyên trình công nghệ, nghóa là: Zo = n ∑ Zi i=1 n - số bước công nghệ số nguyên công cần thiết để gia công bề mặt Lượng dư gia công tổng cộng tính cho bề mặt đối xứng là: - Đối xứng mặt ngoài: Zo = n ∑ Zi = d ph − dct (10.5) i=1 - Đối xứng mặt trong: n ∑ Zi = d ct − dph Zo = (10.6) i=1 Trong đó: dph - kích thước phôi dct - kích thước chi tiết hoàn thiện Trong ngành chế tạo máy người ta thường áp dụng hai phương pháp sau để xác định lượng dư gia công: - Phương pháp thống kê kinh nghiệm - Phương pháp tính toán phân tích Phương pháp thống kê kinh nghiệm Phương pháp dùng phổ biến thực tế sản xuất Ở lượng dư gia công xác định tổng giá trị lượng dư bước gia công theo kinh nghiệm Giá trị kinh nghiệm lượng dư theo gia công thường tổng hợp thành bảng sổ tay thiết kế công nghệ Nhược điểm phương pháp không xét đến điều kiện gia công cụ thể nên giá trị lượng dư thường lớn giá trị cần thiết Phương pháp tính toán phân tích phương pháp dựa sở phân tích yếu tố tạo lớp kim loại cần thiết phải hớt để có chi tiết máy hoàn chỉnh, giáo sư Kôvan đề xuất Phương pháp tính lượng dư cho hai trường hợp: - Dụng cụ cắt điều chỉnh sẵn máy, phôi xác định vị trí nhờ đồ gá - Phôi gá sẵn máy Trong trường hợp gia công loạt phôi loại máy điều chỉnh sẵn kích thước phôi dao động giới hạn dung sai nên giá trị lượng dư gia công dao động Những phôi loạt có kích thước amin sau gia công, CHƯƠNG 10 174 có kích thước bmin, lượng dư gia công Zbmin Ngược lại phôi có kích thước amax, sau gia công có kích thước bmax, lượng dư gia công Zbmax Giá trị thực tế lượng dư gia công nằm phạm vi giá trị Zbmin Zbmax, ứng với loạt phôi Theo hình 10.13 ta thấy: Hình 10.13 Zbmin = amin – bmin (10.7) Zbmax = amax – bmax (10.8) Ở dụng cụ cắt điều chỉnh cố định cho loạt phôi, ứng với kích thước CH Nếu phôi có kích thước ban đầu amin gia công bị cắt với chiều sâu cắt nhỏ nhất; lực cắt nhỏ nên độ biến dạng phôi theo phương kích thước gia công nhỏ (ymin) lượng dư gia công Zbmin kích thước sau gia công CH + ymin Ngược lại gặp phôi có kích thước ban đầu amax bị cắt với chiều sâu cắt lớn nhất, độ biến dạng lực cắt lớn (ymax), lượng dư lớn (Zbmax), kích thước sau gia công CH + ymax Như ta có mối quan hệ sau đây: Zbmin = amin – (CH + ymin) = amin – bmin (10.9) Zbmax = amax – (CH + ymax) = amax – bmax (10.10) Thay trị số dung sai kích thước a b δa δb ta có: amax = amin + δa bmax = bmin + δb Zbmax = (amin + δa) – (bmin +δb) = (amin + bmin) + (δa – δb) = Zbmin + δa – δb (10.11) Nhö vậy, để xác định lượng dư, ta cần xác định lượng dư Zbmin Sau xác định lượng dư trung gian cho nguyên công bước công nghệ theo diễn giải đây, cần tổng hợp giá trị lượng dư trung gian để lượng dư tổng cộng (Zo) Như biết, lượng dư trung gian lượng dư gia công ứng với bước công nghệ, phải đảm bảo loại trừ sai số bước công nghệ sát trước sai số gá đặt phôi bước thực Nó bao gồm yếu tố sau (hình 10.14): THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 175 Hình 10.14 Các yếu tố tạo thành lượng dư trung gian RZa - chiều cao nhấp nhô tế vi bước công nghệ sát trước để lại Ta - chiều sâu lớp hư hỏng bước công nghệ sát trước để lại Pa - sai lệch vị trí không gian bước công nghệ sát trước để lại (độ cong vênh, độ lệch tâm, độ không song song, v.v ) εb - sai số gá đặt chi tiết bước công nghệ thực Như vậy, giá trị nhỏ lượng dư gia công tính cho bước công nghệ thực xác định sau: - Đối với mặt mặt không đối xứng: + Mặt ngoài: Zbmin = amin – bmin = (RZa + Ta) + pa + εb (10.13) + Maët trong: Zbmin = bmin – amin = (RZa + Ta) + pa + εb (10.14) - Đối với mặt mặt đối xứng; Ở trường hợp pa εb đại lượng vectơ, có phương, chiều giá trị định, lượng dư nhỏ tính cho bước công nghệ thực là: 2Zb = 2( RZa + Ta + pa + εb ) (10.15) Khi biết rõ phương chiều pa εb tính theo phép cộng vectơ: pa + εb = ( ( pa )2 + ( εb )2 − pa εb cos ( pa εb ) (10.16) ) Với pa εb góc hai vectơ pa, εb Khi phương chiều hai vectơ khó xác định lấy trị số trung bình theo xác suất sau: pa + εb = pa2 + εb2 (10.17) Như giá trị nhỏ lượng dư đối xứng là: ⎛ 2Zb = ⎜ RZa + Ta + ⎝ ⎞ pa2 + ε2b ⎟ ⎠ (10.18) Tùy điều kiện gia công cụ thể mà yếu tố có giá trị khác nhau, ví dụ: - Sau bước công nghệ nguyên công gang kim loại màu CHƯƠNG 10 176 Ta coi có ảnh hưởng không đáng kể trị số lượng dư gia công cho bước tiếp theo, nghóa là: Ta = 0, gang kim loại màu có độ hạt lớn nên bị biến dạng dẻo, lớp hư hỏng bề mặt biến dạng dẻo gây nên coi không đáng kể - Khi chuẩn định vị chi tiết trùng với mặt gia công (như trường hợp mài không tâm, dao tùy động, chuốt lỗ, mài nghiền) sai số chuẩn kích thước thực không (εc = 0), bỏ qua sai số kẹp chặt sai số gá sai số gá đặt chi tiết bước thực không (εc = 0) - Đối với bước nguyên công cuối trình nhằm nâng cao dộ nhẵn bóng bề mặt ảnh hưởng đại lượng Ta, pa εb coi có giá trị - Bề mặt qua nhiệt luyện, sau qua mài; phải giữ lại lớp bề mặt xử lý nhiệt nên đại lượng Ta trình mài sau nhiệt luyện lấy giá trị - Trị số đại lượng pa phụ thuộc vào dạng phôi kích thước phôi, ví dụ: + Độ lệch đường trục phôi dập: pa = 2 plk + pct Với plk - độ lệch khuôn dập, pct - độ cong đường trục phôi, tùy theo chiều dài phôi: pct = ΔcLc đó: Δc - độ cong đơn vị (μm / mm) Lc - chiều dài phôi (mm) bước công nghệ cần ý trị số sai lệch không gian lại theo giá trị ban đầu (do xét đến hệ số giảm sai Ks), ví dụ: + sau tiện thô: pa = 0,05pph với Ks = 0,06 + sau bước tiện tinh: pa = 0,04pa với K = 0,04 pph - sai lệch vị trí không gian phôi trước tiện thô Sai số gá đặt chi tiết gia công bước thực (εb) xác định ( ) ( ) tổng vectơ sai số chuẩn ε c sai số kẹp chặt ε k không xét tới sai số độ gá: εb = ε c + ε k Khi phương chiều hai vectơ ε c ε k xác định rõ trị số sai số gá đặt εb là: ( εb = ε2c + ε2k − 2ε c ε k cos ε c ε k ) Khi phương chiều hai vectơ εc εk khó xác định lấy giá trị trung bình theo xác xuất sau: εb = ε2c + ε2k Tùy theo sơ đồ định vị kẹp chặt chi tiết gia công mà giá trị sai số chuẩn (εc) sai số kẹp chặt (εk) xác định cụ thể THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 177 - Đối với phương pháp mài nghiền bề mặt lượng dư gia công xác định sau: + bề mặt không đối xứng: Zbmin = K.RZa + bề mặt đối xứng: 2Zbmin = 2K(RZa + Δφa) đó: K - hệ số xét đến khuyết tật bề mặt gia công bước sát trước để lại (ví dụ: vết xước sau doa lỗ), K = 1,2 ÷ 1,5 Δφa) - sai lệch hình dạng hình học bề mặt gia công bước sát trước để lại (ví dụ: độ méo, độ côn, độ ôvan, độ trụ, v.v ) Sau trình tự tổng quát xác định lượng dư trung gian kích thước giới hạn cho bước công nghệ ứng với bề mặt chi tiết máy: Lập trình công nghệ phương án gá đặt phôi cho nguyên công bước công nghệ Xác định bề mặt gia công thứ tự bước công nghệ cho bề mặt Xác định giá trị đại lượng RZa, Ta, pa, εb, δa Xác định trị số tính toán Zbmin cho tất bước công nghệ ứng với bề mặt gia công Sau bước bước cho mặt mặt cụ thể khác Mặt ngoài: Ghi kích thước tính toán bước công nghệ cuối theo vẽ (kích thước giới hạn nhỏ nhất) Xác định kích thước cho trước cách cộng giá trị Zbmin với kích thước giới hạn nhỏ theo vẽ Xác định kích thước cho bước công nghệ lại cách cộng giá trị Zbmin tương ứng với kích thước tính toán bước công nghệ Ghi kích thước giới hạn nhỏ ứng với bước công nghệ sở quy tròn giá trị kích thước tính toán tương ứng theo hàng số có nghóa dung sai bước công nghệ Xác định kích thước giới hạn lớn cho bước công nghệ cách cộng thêm dung sai bước với kích thước giới hạn nhỏ quy tròn theo dung sai 10 Xác định giá trị lượng dư theo cặp bước công nghệ nối tiếp nhau: Zbmax - hiệu hai kích thước lớn Zbmin - hiệu hai kích thước nhỏ 11 Xác định lượng dư tổng cộng cho bề mặt gia công Zomax Zomin cách cộng tất giá trị lượng dư tương ứng 12 Kiểm tra kết tính toán cách tìm hiệu số lượng dư hiệu số CHƯƠNG 10 178 dung sai so sánh kết với nhau: δz = Zbmax – Zbmin = δa – δb hoaëc δzo = Zomax – Zbmin = δph – δct Mặt trong: Ghi kích thước tính toán bước công nghệ cuối theo vẽ (kích thước giới hạn lớn nhất) Xác định kích thước cho bước trước cách lấy kích thước giới hạn lớn theo vẽ trừ lượng dư Zbmin Xác định kích thước cho bước công nghệ cách lấy kích thước tính toán bước công nghệ trừ lượng dư Zbmin tương ứng Ghi kích thước giới hạn lớn ứng với bước công nghệ sở quy tròn giá trị kích thước tính toán tương ứng theo hàng số có nghóa dung sai bước công nghệ Xác định kích thước giới hạn nhỏ ứng với bước công nghệ cách trừ kích thước giới lớn quy tròn theo dung sai tương ứng lượng dung sai bước công nghệ 10 Xác định giá trị lượng dư theo cặp bước công nghệ nối tiếp nhau: Zbmax - hiệu hai kích thước lớn Zbmin - hiệu hai kích thước nhỏ Bước 11 12 mặt tương tự mặt Kết tính toán lượng dư ghi vào bảng 10.1 Bảng 10.1 Bảng tính lượng dư gia công theo phương pháp Kêvan Thứ tự nguyên công bước bề mặt phải tính lượng dư 1) Các yếu tố tạo thành lượng dư (μm) Giá trị tính toán RZa Ta pa εb Zbmin (μm) kích thước (mm) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Dung sai (μm) 8) Kích thước giới hạn (mm) Trị số giới hạn lượng dư (μm) Max Min Max Min 9) 10) 11) 12) Trình tự tính toán lượng dư theo bảng 9.1 giải thích sau: Trước hết phải xác định sơ đồ gá đặt phôi, trình tự nguyên công bước công nghệ cho bề mặt cần tính lượng dư trung gian lượng dư tổng cộng, cụ thể là: Trình tự nguyên công bước công nghệ bề mặt cần tính lượng dư ghi vào cột (1) Gióng theo hàng ngang nguyên công bước công nghệ để ghi số RZa, Ta, pa, εb, vào cột (2), (3), (4), (5) ghi trị số dung sai tương THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 179 ứng vào cột (8), nguyên công bước cuối lấy giá trị dung sai theo vẽ chi tiết Xác định lượng dư cho nguyên công bước (Zbmin 2Zbmin) ghi kết vào cột (6) Tính kích thước ghi kết vào cột (7) ứng với nguyên công bước - Mặt ngoài: nguyên công bước cuối phải ghi kích thước nhỏ theo vẽ chi tiết Cộng kích thước với lượng dư tính toán cột (6) kích thước nguyên công bước sát trước ghi kết vào cột (7) Tiếp tục ngược trở lên xác định kích thước phôi - Mặt trong: nguyên công (hoặc bước) cuối phải ghi kích thước nhỏ theo vẽ chi tiết Lấy kích thước trừ lượng dư tính toán cột (6) kích thước nguyên công bước sát trước ghi kết vào cột (7), xác định kích thước phôi Ghi kích thước giới hạn vào cột (9) (10): - Mặt ngoài: lấy kích thước tính toán cột (7) đem quy tròn theo hàng số có nghóa dung sai ghi kết vào cột (10), lấy quy tròn theo hàng số có nghóa dung sai lấy tăng lên đơn vị Tiếp tục ngược trở lên xác định kích thước phôi - Mặt trong: lấy kích thước tính toán cột (7) đem quy tròn theo hàng số có nghóa dung sai (quy tròn lấy giảm đơn vị), ghi kết vào cột (9) Chú ý: - Đối với mặt lấy kích thước giới hạn cột (10) cộng với dung sai tương ứng kích thước giới hạn cột (9) - Đối với mặt lấy kích thước giới hạn cột (9) trừ dung sai tương ứng kích thước giới hạn cột (10) Xác định số giới hạn lượng dư ghi kết vào cột (11) (12): - Mặt ngoài: Zbmin = amin – bmin Zbmax = amax – bmax amin, bmin lấy cột (10): amax, bmax lấy cột (9); Zbmax ghi vào cột (11): Zbmin ghi vào cột (12) - Maët trong: Zbmin = bmax – amax Zbmax = bmin – amin Cộng giá trị lượng dư cột (11) lượng dư tổng cộng Zomax; cộng giá trị lượng dư cột (12) lượng dư tổng cộng Zomin Kiểm tra lại kết tính toán theo điều kiện: - Đối với lượng dư trung gian: Zbmax – Zbmin = δa – δb = δzb - Đối với lượng dư tổng cộng: Zomax – Zomin = δ1 – δn = δzo CHƯƠNG 10 180 Tóm lại, với phương pháp tính toán phân tích lượng dư gia công theo yếu tố tạo thành lượng dư xác định kích thước phôi hợp lý, góp phần nâng cao hiệu sử dụng vật liệu đảm bảo hiệu kinh tế trình công nghệ Sau hai ví dụ nhằm giải thích rõ phương pháp tính toán phân tích lượng dư gia công chi tiết máy nêu 10.5.3 Thiết kế nguyên công Sau có tiến trình công nghệ, phải vào thiết kế nguyên công cụ thể Trong phần cần giải nội dung sau: - Chọn máy dụng cụ cho nguyên công: Khi chọn máy cần xác định theo nguyên tắc tổng quát sau đây: + Kiểu loại máy chọn phải đảm bảo thực sơ đồ gá đặt chọn tính toán lượng dư + Kích thước phạm vi làm việc máy phải phù hợp kích thước chi tiết cần gia công + Công suất máy phù hợp với công suất tiêu hao nguyên công thực + Đảm bảo chất lượng (độ xác, độ nhám) sơ dồ nguyên công yêu cầu + Chọn dụng cụ (hình dạng, thông số hình học dụng cụ, vật liệu) Để thực nội dung cần tham khảo chương (dụng cụ cắt gọt) sổ tay hướng dẫn sử dụng dụng cụ hãng SANVIK, v.v - Xác định thông số công nghệ - Chọn thiết kế cấu định vị, cấu kẹp chặt đồ gá thực nguyên công - Xác định thời gian gia công 10.5.4 So sánh phương án công nghệ So sánh phương án công nghệ phân tích đánh giá chúng hiệu kinh tế – kỹ thuật để chọn phương án tối ưu theo điều kiện sản xuất cụ thể Trong thực tế, người ta thường dựa vào hàm chi phí sản xuất ứng với phương án công nghệ để xác định phương án tối ưu Chi phí sản xuất ứng với phương án công nghệ xác định sau: Ksx = Kv + K1 (α + β) + Km + Kd + Kg (10.19) Trong đó: Kv - chi phí vật liệu (phôi) K1 - chi phí lương cho công nhân sản xuất α - hệ số tiền thưởng, phụ cấp khu vực, bảo hiểm xã hội (α thường lấy từ 1,14 đến 1,23) β - hệ số chi phí quản lý, điều hành sản xuất (β thường lấy từ 1,5 đến 4) Km - chi phí máy THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 181 Kd - chi phí dụng cụ Kg - chi phí trang bị công nghệ (đồ đá, dụng cụ đo .) Chi phí sản xuất có quan hệ với tiêu thời gian T tiêu suất Q giá thành gia công G Chỉ tiêu thời gian gia công T thời gian cần thiết để gia công chi tiết máy Chỉ tiêu suất gia công Q suất lao động xác định số lượng chi tiết máy gia công hoàn chỉnh đơn vị thời gian, thường tính cho ca làm việc 60.Tc Q= (10.20) M o (chi tiết/ca) ttc Trong đó: Tc - thời gian ca sản xuất (giờ/ca) ttc - thời gian (phút/chiếc) Mo - số máy mà công nhân vận hành Giá thành gia công G đại lượng quan trọng để đánh giá hiệu kinh tế phương án công nghệ Phương án công nghệ tối ưu phải phương án có giá thành gia công chi tiết thấp (Gmin) số phương án sử dụng Giá thành gia công G tính tỉ lệ chi phí sản xuất sản lượng hàng năm (hoặc q), nghóa là: G= Ksx (đồng/ chiếc) N Giá thành gia công phân thành hai thành phần là: G G = G1 + N (10.21) (10.22) G1 - giá thành phụ thuộc vào sản lượng N G2 - giá thành không phụ thuộc vào sản lượng N Đại lượng G1 xác định theo chi phí vật liệu chi phí lương tính cho chi tiết chế tạo G1 = Kw + (α + β)ttc K1 (đồng / chiếc) Đại lượng G2 xác định theo chi phí trang thiết bị, trang thiết bị công nghệ cho chi tiết gia coâng: G2 K m + K d + K g (đồng / chiếc) = N N (10.23) Khi so sánh phương án công nghệ phải ý giá trị sản lượng giới hạn (Ng) Ví dụ so sánh hai phương án ta có giá trị giới hạn sản lượng hình 10.15 CHƯƠNG 10 182 Hình 10.15 Ví dụ so sánh hai phương án công nghệ theo tiêu giá thành gia công A, B - Giá thành gia công; Ng - Sản lượng giới hạn Nếu sản lượng thực tế nhỏ Ng ta nên dùng phương án GA, lớn Ng dùng phương án GB 10.6 BÀI TẬP Anh (chị) thiết kế chi tiết thường sử dụng ngành Kỹ thuật Giao thông lập qui trình công nghệ cho chi tiết theo hai phương án sản xuất đơn sản xuất hàng loạt CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 10 Ý nghóa việc ứng dụng tiêu chuẩn hóa thiết kế sản phẩm Chi tiết tiêu chuẩn khác với bề mặt tiêu chuẩn điểm nào? Nêu ý nghóa chọn phôi phương án tạo phôi? Nêu trình tự thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết? Phân tích tính công nghệ kết cấu Vì phải tính toán lượng dư? Các yếu tố tạo thành lượng dư trung gian Tính thời gian số phương pháp cắt gọt thông dụng (tiện, khoan, phay, mài) Các bước cần làm thiết kế nguyên công THIẾT KẾ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Công nghệ chế tạo máy - Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Cơ sở công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2003 [2] Bộ môn Chế tạo máy - Khoa khí - Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM, Cơ sở công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP.HCM [3] Serope Kalpakjian, Manufacturing Engineering and Technology, Addition Wesley Publishing Company [4] Serope Kalpakjian, Steven R Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, Fourth edition, Prentice Hall International [5] Serope Kalpakjian, Manufacturing Engineering and Technology, Wesley Publishing Company, 1989 [6] George Schneider, Jr., Cutting tool Applications, www.toolingandproduction.com [7] Mikell P.Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wiley & Sons, Inc - Second Edition, 2004 [8] Heinrich Gerling, All about Machine tools, New Age International Limited, publishers [9] Geoffrey Boothroyd, Schipta Book company W ashington, D.C 183