Hình 1.2 Bánh răng trụ + Bánh răng côn Hình 1.3 Bánh răng côn Trục cán được phân loại theo vật liệu chế tạo: + Bánh vít Hình 1.4 Bánh vít Dựa vào đặc tính công nghệ, bánh răng được chia
Trang 1VIỆN KHOA HỌC & KỸ THUẬT VẬT LIỆU
BỘ MÔN CƠ HỌC VẬT LIỆU & CÁN KIM LOẠI
*******
BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH
Tìm hiểu các phương pháp chế tạo bánh răng
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Thái Hùng
Sinh viên: Phan Đức Toàn 20196247 ( trưởng nhóm )
Nguyễn Thành Nam 20196164
Nguyễn Trung Huy 20196117
Lê Việt Đức 20196057
Nhóm 4
Trang 2Hà Nội 02/2022
Trang 3Mục Lục
1 Tổng quan về bánh răng 1
1.1 Giới thiệu bánh răng 1
1.2 Phân loại bánh răng 1
1.2 Cấu tạo và các thông số của bánh răng 3
2 Các phương pháp chế tạo bánh răng 3
2.1 Phương pháp đúc 3
2.2 Phương pháp gia công áp lực 4
2.2.1 Cán bánh răng 5
2.2.2 Dập bánh răng 6
2.2.3 Ép bánh răng 7
2.3 Phương pháp cắt gọt 7
2.4 Phương pháp luyện kim bột 8
2.5 Phương pháp in 3D 9
3 Thiết kế và chế tạo bánh răng 10
3.1 Lựa chọn đầu đề thiết kế 10
3.2 Lựa chọn thông số bánh răng 10
3.3 Điều kiện làm việc của bánh răng cần chế tạo 10
3.4 Lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng 10
3.5 Lựa chọn phương pháp chế tạo bánh răng 12
3.6 Thiết kế khuôn dập 12
3.7 Quy trình chế tạo bánh răng 12
3.8 Mô phỏng quá trình dập tạo hình trên phần mềm Deform 13
Trang 4Phân chia công việc:
Nguyễn Thành Nam Thiết kế khuôn, vẽ khuôn, bánh
răng Nguyễn Trung Huy Mô phỏng quá trình dập bánh
răng.
tiết bánh răng
Trang 51 Tổng quan về bánh răng
1.1 Giới thiệu bánh răng
Bánh răng là một chi tiết máy quay được có các răng được cắt có thể khớp nhau với một bộ phận khắc răng khác để truyền momen quay Các răng trên hai bánh răng khớp nhau đều có hình dạng giống nhau
Bánh răng thưRng được sS dụng theo că Tp Có thể tU 2 tới 3, 4 că Tp bánh răng Các că Tp bánh răng nối tiếp nhau theo hình dạng song song Chúng có tác dụng để truyền đô Tng, phân phối tốc đô T nhanh hay châ Tm của đô Tng cơ, nói cách khác là chúng dVng để điều phối vâ Tn tốc quay tăng hay giWm
Truyền động bánh răng được sS dụng rộng rãi trong nhiều loại máy và cơ cấu khác nhau để truyền chuyển động quay tU trục này sang trục khác và để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hoặc ngược lại
Hình 1.1 Hộp số oto gồm nhiều bánh răng
Bánh răng, bánh vít là những chi tiết được dVng để truyền lực và chuyển động trong nhiều loại máy khác nhau Với sự phát triển của ngành chế tạo máy
và yêu cầu sữa chữa thay thế, các loại chi tiết này ngày càng được sWn xuất nhiều hơn Ngày nay ở nhiều nước tiên tiến ngưRi ta đã xây dựng nhà máy, phân xưởng chuyên sWn xuất bánh răng, bánh vít với trình độ cơ khí hóa và tự động cao
1.2 Phân loại bánh răng
Bánh răng được phân loại :
+ Bánh răng trụ (răng thẳng, răng nghiêng, )
Trang 6Hình 1.2 Bánh răng trụ + Bánh răng côn
Hình 1.3 Bánh răng côn
Trục cán được phân loại theo vật liệu chế tạo:
+ Bánh vít
Hình 1.4 Bánh vít
Dựa vào đặc tính công nghệ, bánh răng được chia thành các loại sau đây:
2
Trang 7- Bánh răng trụ và răng côn không có mayơ và có mayơ, lỗ trơn và lỗ then hoa
- Bánh răng bâc lỗ trơn và lỗ then hoa
- Bánh răng trụ, bánh răng côn và bành vít dạng đĩa
- Trục răng trụ và trục răng côn
1.2 Cấu tạo và các thông số của bánh răng
- Bánh răng có cấu tạo đơn giWn gồm các răng thẳng, song song được định
vị xunh quanh chu vi của thân bánh răng với khoan lỗ ở giữa ăn khớp với trục
Hình 1.5 Thông số cơ bWn của bánh răng
2 Các phương pháp chế tạo bánh răng
Phương pháp chế tạo bánh răng phụ thuộc vào điều kiện làm việc và vật liệu lựa chọn để chế tạo bánh răng của tUng trưRng hợp
2.1 Phương pháp đúc
Đúc bánh răng là phương pháp chế tạo bánh răng nhR quá trình đông đặc của kim loại bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn
Trang 8Hình 2.1 Quá trình đúc bánh răng
Hình 2.1 Bánh răng sau khi đúc xong Qui trình chế tạo bánh răng bằng phương pháp đúc
Hình 2.1 các công đoạn gia công trục gang
Ưu điểm của phương pháp đúc: Có thể chế tạo được bánh răng với hình dạng gần đúng với một nguyên công đúc Có lợi thế với một số vật liệu chỉ có thể đúc như gang,
Nhược điểm: Quá trình đúc không kiểm soát được các khuyết tật vật liệu nên cơ tính sWn phẩm chưa cao Không phV hợp với sWn xuất hàng loạt 2.2 Phương pháp gia công áp lực
Phương pháp gia công áp lực nói chung làm phương pháp sS dụng ngoại lực tác dụng lên phôi kim loại làm biến dạng dẻo phôi kim loại thành hình dáng như mong muốn Những phương pháp gia công áp lực cơ bWn gồm: Cán, kéo, rèn dập, uốn gấp, ép chWy, …
Ưu điểm chung của phương pháp gia công áp lực:
- Khuyết tật tU phôi đúc đã được kiểm soát → vật liệu có độ tin cậy cao
- CVng với quá trình biến dạng dẻo thì quá trình hóa bền cũng đồng thRi xWy ra → Độ bền kim loại được tăng lên theo mức độ hóa bền
4
Trang 9- Tiết kiệm kim loại, nhất là với sWn xuất hàng loạt
Nhược điểm chung của phương pháp gia công áp lực:
- Đầu tư ban đầu lớn
- Chất lượng bề mặt thấp do thưRng phWi gia công ở nhiệt độ cao
Quy trình chế tạo chung:
2.2.1 Cán bánh răng
Hình 2.3 Bánh răng trước quá trình tạo hình
Hình 2.4 Bánh răng sau quá trình tạo hình
Cán bánh răng sS dung phương pháp cán đặc biệt Phôi bánh răng đã được xS lý nhiệt và được đặt giữa hai bánh răng chủ động quay cVng chiều dần tạo răng ăn khớp giữa bánh răng được chế tạo và hai bánh băng chủ động
Ưu điểm: Độ bền các răng cao do sự biến dạng lớn và đồng đều giữa các răng
Nhược điểm: Kích thước bánh răng giới hạn ở mức độ nhất định
Quy trình chế tạo:
Trang 102.2.2 Dập bánh răng
Hình 2.5 Bánh răng được tạo hình bằng phương pháp dập khối
Công nghệ dập tạo hình khối là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, khai thác tính dẻo của kim loại để làm biến dạng và điền đầy vào lòng khuôn để tạo hình sWn phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu
Ưu điểm:Có thể tạo được các tU chi tiết tU rất nhỏ đến rất lớn Ngoài các
ưu điểm chung của các phương pháp gia công áp lực, phương pháp dập rất thích hợp cho việc cơ khí hóa- tự động hóa sWn xuất hàng loạt,
Nhược điểm: Đầu tư ban đầu lớn, không phV hợp cho sWn xuất đơn chiếc Quy trình chế tạo:
6
Trang 112.2.3 Ép bánh răng
Hình 2.6 Trước khi ép bánh răng
Hình 2.7 Sau khi ép bánh răng
Ép là một quá trình gia công kim loại bằng áp lực, trong đó phôi kim loại được ép qua lỗ khuôn để có được hình dạng và kích thước yêu cầu cần thiết
Ưu điểm: Gồm các ưu điểm giống phương pháp dập, xong với phương pháp ép, vật liệu có kích thước hạt đồng đều hơn so với phương pháp đập (ở nhiệt độ tạo hình nóng) nên cho cơ tính đồng đều hơn
Nhược điểm: Đầu tư ban đầu lớn,…
Quy trình chế tạo :
2.3 Phương pháp cắt gọt
Hình 2.8 Bánh răng trước khi cắt gọt
Trang 12Hình 2.9 Bánh răng sau khi cắt gọt Gia công kim loại bằng cắt gọt là phương pháp tạo hình dáng cho chi tiết gia công bằng cách cắt bỏ một lớp kim loại dư trên bề mặt vật gia công (phôi)
để thu được một chi tiết có kích thước, hình dáng chất lượng bề mặt và các yêu cầu kỹ thuật khác trên bề mặt chi tiết phV hợp với bWn vẽ thiết kế Lớp kim loại
bị cắt bỏ gọi là phoi
Được chế tạo bằng phương pháp đúc Sau khi đúc xong chi tiết có thể tiếp tục gia công nhiệt luyện, xS lý bề mặt trục cán để đWm bWo độ chính xác Trục cán được chế tạo bằng gang có các ưu điểm như chịu nén, chịu tWi, chịu mài mòn tốt
Ưu điểm : gia công cắt gọt cho ra chi tiết bánh răng có hình dạng, kích thước chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao
Nhược điểm : Đây là phương pháp gia công có phoi nên rất lãng phí vật liệu
Quy trình chế tạo:
Chuẩn bị phôi( thưRng là phôi đã qua cán, rèn) → Gia công cắt gọt → Nhiệt luyện
2.4 Phương pháp luyện kim bột
Hình 2.10 Bánh răng sau quá trình ép thiêu kết
8
Trang 13Luyện kim bột là một quá trình tạo hình kim loại tU các vật liệu bột kim loại được thực hiện bằng cách ép và thiêu kết các khối bột kim loại gần giống với hình dạng thực của thành phần cuối cVng
Ưu điểm: Nguyên liệu được sS dụng gần như triệt để SWn phẩm có tính đồng nhất cao ít phWi gia công lại Có thể tạo ra được các vật liệu mà phương pháp nấu đúc truyền thống không thể tạo ra được
Nhược điểm: KhW năng sWn xuất hàng loạt chưa cao Độ bền của sWn phẩm thấp hơn so với các phương pháp khác do tổ chức kim loại có nhiều lỗ xốp và và màng oxit ở biên giới hạt
Quy trình chế tạo:
Luyện bột → trộn → ép tạo hình → thiêu kết → nghiền rung → xS lý thứ cấp → xS lý nhiệt → xS lý bề mặt → kiểm tra chất lượng → thành phẩm 2.5 Phương pháp in 3D
Hình 2.11 Quá trình in bánh răng
In 3D là phương pháp xếp chồng tUng lớp vật liệu để tạo hình sWn phẩm bằng máy in 3D với đầu vào là vật liệu in và thông số dữ liệu sWn phẩm
Ưu điểm: Tạo hình được các sWn phẩm với hình dạng phức tạp mà các phương pháp chế tạo truyền thống khó có thể tạo hình
Nhược điểm: Còn giới hạn về công nghệ, vật liệu tạo hình
Trang 143 Thiết kế và chế tạo bánh răng
3.1 Lựa chọn đầu đề thiết kế
Thiết kế và chế tạo một chi tiết bánh răng trong hộp số oto
3.2 Lựa chọn thông số bánh răng
Bánh răng trụ răng thẳng
Modun M = 3, số răng z= 30, góc ăn khớp = 20°⍺
Hình 3.1 Bánh răng lựa chọn
3.3 Điều kiện làm việc của bánh răng cần chế tạo
Bánh răng hộp số làm việc trong môi trưRng chịu tWi trọng tĩnh và va đập mạnh Bề mặt làm việc bị mài mòn do ma sát, cọ sát, chịu ứng suất lớn, lõi chịu ứng suất uốn VVng chân răng dễ bị phá hủy Là chi tiết máy làm việc dưới tWi trọng theo chu kì
3.4 Lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng
Với điều kiện làm việc của bánh răng như trên, ta đặt các yêu cầu về vật liệu như sau:
10
Trang 15- Bề mặt răng phWi có độ bền tiếp xúc cao, độ cứng cao
- Răng phWi có độ bền mỏi cao, kết hợp với các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai va đập,…(cơ tính tổng hợp)
TU các điều kiện trên chọn vật liệu chế tạo là thép hợp kim thấm cacbon 16CrMo4
Vật liệu làm phôi (16CrMnO4)
- 16CrMo4 là loại thép hợp kim Crom – Molipden, việc bổ sung thêm nguyên
tố Cr và Mo giúp cho thép có khW năng chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt, độ dẻo dai, tính đàn hồi cao, chống ăn mòn oxi hóa tốt Hàm lượng cacbon cao hơn cho khW năng xS lý nhiệt và sức mạnh lớn hơn so với một số loại thép khác Thành phần hóa học
0.13-0.20 0.15-0.35 0.5-0.8 0.9-1.2 0.2-0.3 0.4 < 0.035 < 0.035
3 Đặc điểm cơ tính
- Ứng dụng:
+ Chế tạo các chi tiết chịu lực, chịu nhiệt, chịu ăn mòn, các bộ phận quan trọng của máy móc; bánh răng trục truyền động, thiết bị của máy hóa; các chi tiết quan trọng chịu các loại tWi trọng động biến đổi va đập lớn như trục truyền động của động cơ; các chi tiết rèn yêu cầu độ bền cao
+ Ngoài ra, loại thép này được ứng dụng phổ biến trong ngành chế tạo động cơ ô tô,
xe gắn máy, chế tạo chi tiết máy công nghiệp
+ Do có khW năng chịu mài mòn, chịu va đập, chịu nhiệt độ tốt, thép thanh hợp kim 16CrMo4 rất thích hợp để sS dụng chế tạo máy Đây cũng là ứng dụng phổ biến nhất của thép 16CrMo4
- Ưu điểm:
Mác thép này có rất nhiều những ưu điểm nổi trội như :
+ Độ ổn định thành phần tốt và ít chứa yếu tố có hại
Trang 16+ Độ tinh khiết của thép cao.
+ Lớp khS nhiễu nhỏ
+ Ít có khuyết tật bề mặt
+ Tỷ lệ nứt lạnh thấp
+ Độ cứng nóng tốt
3.5 Lựa chọn phương pháp chế tạo bánh răng
Với vật liệu 16CrMo4 và các ưu điểm, ưu thế về độ bền, cơ tính của phương pháp gia công áp lực và ưu thế về năng suất sWn xuất, ta chọn phương pháp dập tạo hình(dập khối) làm phương pháp chế tạo bánh răng
3.6 Thiết kế khuôn dập
Chọn khuôn dập là khuôn hở,mặt phân khuôn là mặt phẳng trên của bánh răng Kích thước lòng khuôn lớn hơn bánh răng khoWng 2% để bV trU đi phần dãn nở nhiệt do tạo hình ở trạng thái nóng
Hình 3.2 Khuôn dập của nguyên công cuối
3.7 Quy trình chế tạo bánh răng
1 Chuẩn bị phôi đúc dạng trụ (R=40mm,L=33,4mm) với thể tích lớn hơn thể tích bánh răng khoWng 2-3% (trU đi lượng oxit, gia công cơ sau đó)
Hình 3.3 Phôi
2 Nung phôi đến nhiệt độ tạo hình
3 Cho phôi đã nung đều nhiệt vào thực hiện các nguyên công dập
12
Trang 174 Gia công cơ bánh răng và bề mặt bánh răng đúng với dung sai kích thước với cấp chính xác CCX8 – CCX6
5 Nhiệt luyện bánh răng với chế độ nhiệt luyện: Thấm Cacbon + Tôi và ram thấp
3.8 Mô phỏng quá trình dập tạo hình trên phần mềm Deform
Mô phỏng quá trình dập khối bánh răng tại nhiệt độ 1000, hệ số ma sát 0.1, tốc độ dập 1mm/sec với vật liệu thép hợp kim 16CrMo4 trên phần mềm Deform 3D:
- Phôi ban đầu
- Sản phẩm sau quá trình dập
Trang 194 Tài liệu tham khảo
[1] Tài liệu môn học “Công nghệ tạo hình khối”
[2] Chi tiết máy (tập 2), Nguyễn Trọng Hiệp, NXB giáo dục
[3] Vật liệu kim loại kỹ thuật, Lê Thị Chiêu, NXH Bách khoa Hà Nội