Thiết kế khuôn chế tạo bánh răng Cycloid ăn khớp trong ứng dụng công nghệ gia công tia lửa điện

Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất lớn đến nơi tiêu thụ.

Mở đầu

Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trênnhững quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất lớn đến nơi tiêu thụ Tùy theocông suất và khoảng cách vận chuyển người ta có thể áp dụng các loạitruyền động khác nhau Bao gồm ba loại truyền động: truyền động cơ khí,truyền động thủy lực và truyền động điện Nhưng truyền động thủy lựcvượt trội hơn hẳn với các ưu điểm: công suất lớn, truyền động êm, phòngđược tình trạng quá tải, độ nhạy và độ chính xác cao, truyền động vô cấp vàcho phép đảo chiều chuyển động Kích thước nhỏ gọn, công suất lớn đã tạo

ra ưu thế tuyệt vời và hệ thống truyền động thủy lực đã trở nên rất thịnhhành trong những năm gần đây Đặc biệt được ứng dụng phổ biến trong cácnghành mũi nhọn như: công nghiệp chế tạo máy bay và các thiết bị bay,trong các dây chuyền sản xuất tự động và các hệ thống sản xuất linh hoạt,trong các máy nâng hạ, cần cẩu, máy xây dựng…

Tuy nhiên để đạt được những ưu điểm đó thì Bơm thủy lực thể tíchlại có yêu cầu rất cao về công nghệ chế tạo và độ chính xác Vì vậy màtruyền động thủy lực tuy có nhiều ưu điểm nhưng vẫn chưa được ứng dụngrộng rãi trong cuộc sống Trong những năm gần đây, với sự phát triển củakhoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự ra đời và ứng dụng máy tính, với cácchương trình CAD - trợ giúp trong việc thiết kê, các chương trình CAM -trợ giúp trong chế tạo và các loại máy gia công CNC đời mới đã giúp đápứng được yêu cầu gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao nhưcác chi tiết trong hệ thống thủy lực Chính những tiến bộ đó đã thức đẩy vàphát huy những thế mạnh của ngành gia công chế tạo khuôn mẫu thêm pháttriển Ngày nay với xu thế phát triển toàn cầu hóa, một dạng sản phẩmđược cung cấp và sử dụng trên phạm vi toàn thế giới Chính vì thế mà số

lượng sản phẩm trong mỗi loại sản phẩm là rất lớn Các sản phẩm khuônmẫu cũng chính vì thế mà được ứng dụng ngày càng nhiều.

Trước tình hình ứng dụng các hệ thống thủy lực còn hạn chế và khảnăng to lớn của các phương pháp công nghệ hiện đại, tôi nhận thấy việcứng dụng các công nghệ mới vào thiết kế, chế tạo các chi tiết đòi hỏi độchính xác cao là hoàn toàn khả thi và sẽ góp phần thúc đẩy những ứng dụngmới trong ngành công nghiệp còn đang trong giai đoạn hình thành và phát

triển ở Việt Nam Vì vậy tôi đã chọn đề tài: “ Thiết kế khuôn chế tạo bánh răng Cycloid ăn khớp trong ứng dụng công nghệ gia công tia lửa điện ”

Mục đích nghiên cứu

Áp dụng bơm bánh răng trong truyền động thủy lực

Khảo sát và vẽ đương cong cycloid

Thiết kế bánh răng Cycloid

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tia lửa điện trong chế tạo khuôn.Với thời gian nghiên cứu có hạn, hơn nữa nội dung đề tài bao gồmnhiều kiến thức còn mới mẻ nên đồ án này khó tránh khỏi còn nhiều thiếuxót Vì vậy em rất mong nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý củacác thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Tạ DuyLiêm đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trongsuốt quá trình em thực hiện nhiệm vụ của mình Em cũng xin gửi lời cám

ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa đã cho em những ý kiến quý báu

Chương 1 Tổng quan về Bơm Thủy lực

Bơm thủy lực thể tích thể tích đã được đưa vào sử dụng từ rất lâu Từthời văn minh cổ như Hy Lạp cổ, BabyLon hay Trung Quốc, các cột nước

có áp suất đã được dùng để truyền nước đi xa hoặc lên cao được coi là các

hệ thống truyền động thể tích đầu tiên được con người áp dụng để phục vụcuộc sống Đến thời Alexandre Đại Đế đã xuất hiện máy bơm thủy lực đầutiên phục vụ cho việc chữa cháy và có thể coi đó là máy bơm thủy lực đầutiên của loài người Tuy ra đời rất sớm như vậy nhưng mãi đến thế kỷ 19,các hệ thống truyền động thủy lực mới được quan tâm nghiên cứu và ứngdụng nhiều hơn Ramelli là một trong những nhà vật lý đầu tiên đánh dấu

sự phát triển mới của máy bơm thể tích với sự ra đời của máy bơm Rotođầu tiên Đến đầu thế kỷ 20, với sự phát triển của khoa học công nghệ,công nghệ chế tạo đã dần đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của cácchi tiết chính xác trong hệ thống thủy lực, các Bơm thủy lực thể tích đãđược chú ý hơn rất nhiều và đã có những bước nhảy vọt đánh dấu sự lênngôi của các ứng dụng truyền động thủy lực trong các nghành mũi nhọnhàng đầu của nền công nghiệp hiện đại Với bề dày phát triển, hiện nayBơm thủy lực thể tích đã có một hệ thống phân loại tương đối hoàn chỉnh

Phân loại Bơm thủy lực thể tích thể tích theo nguyên lý tác động:

Bơm Pistonhướng kính

Bơm cánhgạt

Bơm bánhrăng

1 Bơm thủy lực thể tích Piston:

Các bơm Piston làm việc theo nguyên lý là sự thay đổi thể tích làmviệc được tạo nên bởi chuyển động tịnh tiến của Piston trong xy lanh Loạibơm Piston có khả năng tạo được áp suất rất cao Chúng có thể làm việctrong điều kiện áp suất tới 1000at, nhưng lưu lượng nhỏ từ 200-500cm3/vg Tùy theo cách bố trí xy lanh mà nhóm máy Piston được chia thànhcác loại: bơm Piston đơn, bơm Piston dãy phẳng, bơm Piston hướng kính

và bơm Piston hướng trục

1.1 Bơm Piston đơn:

Dựa vào sự chuyển động của Piston trong xy lanh, làm thay đổi thểtích chứa chất lỏng trong xy lanh mà chất lỏng được chuyển từ van hút quaống đẩy Lượng nước được tập trung rất lớn trong ống dẫn trong khi thểtích không thay đổi đã làm tăng áp suất trong buồng đẩy

Hình 1.1: Bơm Pistong đơn

Do bơm ½ chu kỳ hút và ½ chu kỳ đẩy nên lượng nước được bơmtrong 1 chu kỳ không ổn định Khi cho piston làm việc cả 2 phía, với 2 cặpvan hút và van đẩy, ta có bơm piston đơn tác dụng kép Bơm piston đơn tácdụng kép có 2 lần hút và đẩy trong 1 chu kỳ làm việc, lưu lượng trongtrường hợp này đều hơn trong trường hợp bơm piston tác dụng đơn

Hình 1.2: Bơm Piston đơn tác dụng kép

1.2.Bơm Piston dãy phẳng:

Bơm Piston dãy phẳng là một bơm Piston nhiều lần tác dụng, nógồm nhiều bộ xy lanh – Piston đơn bố trí song song trong một mặt phẳng

Số lượng Piston thường là ba Bơm piston dãy phẳng có số cặp piston – xylanh là lẻ được dùng nhiều hơn bởi vì trong loại bơm này lưu lượng trongmỗi chu kỳ đều hơn

Các cần Piston được nối với một trục khủy làm nhiệm vụ biến đổichuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các piston và ngược lại.Bơm piston dãy phẳng thường cho áp suất rất cao từ 200-700 at và lưulượng không lớn lắm khoảng 300cm3/vg

Hình 1.3: Bơm Piston dãy phẳng

1.3 Bơm Piston hướng kính:

Bơm Piston hướng kính là bơm Piston nhiều lần tác dụng có cácpiston được bố trí hướng tâm với nhau trong 1 block xy lanh Tùy theoblock xy lanh đó quay hay đứng yên mà chia ra 2 loại: Bơm piston hướngkính có block xy lanh quay và bơm piston hướng kính có block xy lanhkhông quay

Bơm piston hướng kính có block xy lanh không quay

Trong loại bơm này, các piston trong block xy lanh được dẫn độngnhờ chuyển động quay của một ngõng trục lệch tâm Trong trường hợpnày, các họng hút và họng đẩy được bố trí trên block xy lanh và thực hiệnviệc phân phối bằng van Cũng như bơm piston dãy phẳng, áp suất đượctạo bởi loại bơm này rất cao

Hình 1.4: Bơm Piston hướng kính có block xy lanh không quay

Bơm piston hướng kính có block xy lanh quay

Block xy lanh quay trong một vỏ lệch tâm Chính độ lệch tâm giữa

vỏ và block xylanh tạo nên hành trình chuyển động của Piston Loại kết cấunày thực hiện việc phân phối chất lỏng ở phía tâm, tức phân phối qua trục

Hình 1.5: Bơm Piston hướng kính có block xy lanh quay

1.4 Bơm Piston hướng trục

Bơm Piston hướng trục là một loại bơm piston tác dụng nhiều lầnvới các piston được bố trí song song ( hoặc nghiêng một góc nào đó )quanh trục của block Xy lanh Chuyển động tịnh tiến của các Piston trong

xy lanh được thực hiện nhờ một cơ cấu đĩa nghiêng làm điểm tig hay nối

khớp với một đầu Piston Đĩa nghiêng này nghiêng một góc so với trụcso với trụccủa block xylanh ( không song song ) nhưng bơm vẫn làm việc theonguyên lý của bơm Piston hướng trục.

Hiện nay, bơm Piston hướng trục là một loại bơm Piston được sửdụng rất rộng rãi vì những ưu điểm sau:

+ Kích thước nhỏ gọn

+ Công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn

+ Momem quán tính nhỏ

+ Tạo được áp suất rất cao vận tốc quay tới 300v/ph

+ Hiệu suất lưu lượng cao

Tuy nhiên đòi hỏi gia công chính xác nên giá thành của bơm nàycao

Hình 1.6: Bơm Piston hướng trục

2 Bơm thủy lực thể tích Roto

Bơm thủy lực thể tích Roto là những máy trong đó chuyển độngchính của máy là chuyển động quay

Bơm thủy lực thể tích Roto xuất hiện vào cuối thế kỷ 19 Đặc điểmcủa các loại bơm này là kích thước nhỏ gọn, làm việc tin cậy, lưu lượnglớn, có thể làm việc với số vòng quay lớn Vì vậy chỉ tiêu kinh tế của loạibơm này cao

Tuy nhiên so với các loại bơm Piston, khả năng tạo áp suất của cácloại bơm Roto thấp hơn, khoảng áp suất làm việc thông dụng là 20 - 180 at.

Bơm thủy lực thể tích Roto bao gồm: Bơm và động cơ bánh răng,bơm và động cơ trục vít, bơm và động cơ cánh gạt

2.1 Bơm cánh gạt:

Bơm cánh gạt là một loại Bơm thủy lực thể tích Roto có kết cấu đơngiản và làm việc ít ồn Bơm cánh gạt có khả năng điều chỉnh được lưulượng, phạm vi làm việc của bơm cánh gạt tương đối hẹp Nó được dùngnhiều trong các hệ thống máy công cụ, trong giao thông vận tải, trong côngnghiệp hóa chất

Cấu tạo của bơm cánh gạt bao gồm: Roto, Stato, và các cánh gạt.Trên Roto có xẻ các rãnh để các cánh gạt chuyển động tịnh tiến ở trong.Roto và Stato được đặt lệch tâm nhau để tạo nên sự thay đổi thể tíchkhoang làm việc khi Roto và Stato có chuyển động tương đối với nhau

Hình 1.7: Bơm cánh gạt

Nguyên lý hoạt động: Khi bơm làm việc, các cánh gạt luôn tì sát vàothành Stato dưới tác dụng của lực đẩy ly tâm hoặc từ lực lò xo Thể tích Vnối thông với khoang hút được mở rộng ra sẽ hút chất lỏng theo khoang hútvào Khi chuyển sang vùng V’, thể tích này sẽ bị thu hẹp lại và đẩy chấtlỏng vào khoang đẩy

2.2.Bơm thủy lực thể tích bánh răng:

Bơm thủy lực thể tích bánh răng là loại bơm Roto làm việc dựa trênnguyên lý của cặp bánh răng ăn khớp Đây là loại bơm Roto được sử dụngrộng rãi vì những ưu điểm: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ tin cậy cao,kích thước nhỏ gọn, số vòng quay và công suất truyền trên một đơn vịtrọng lượng lớn

Theo nguyên lý ăn khớp của bánh răng mà ta có 2 loạii bơm bánhrăng: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài và bơm bánh răng ăn khớp trong.

Hình 1.9: Bơm bánh răng ăn khớp trong

Bơm thủy lực thể tích bánh răng ăn khớp ngoài có cấu tạo đơn giản,bền chắc và rẻ tiền Tuy nhiên nó có một nhược điểm cơ bản là khi làmviệc, do áp suất tăng đột ngột ở vùng đẩy nên tiếng ồn rất lớn Ngoài ra, khibơm có lưu lượng lớn, số răng nhiều, kích thước hướng kính của máy cũngrất lớn Để khắc phục những nhược điểm này, người ta sử dụng Bơm thủylực thể tích bánh răng ăn khớp trong

Bơm bánh răng ăn khớp trong thường được dùng trong những trườnghợp yêu cầu độ cứng vững tiếng ồn nhỏ, bền và hoạt động tin cậy Bơm nàyluôn có bánh răng chủ động và bánh răng bị động đặt lệch tâm Bánh răngchủ động được định tâm bởi trục bơm còn bánh răng bị động được địnhtâm bởi Stato Để đảm bảo những yêu cầu của bơm loại này thì biên dạngcủa bánh răng chủ động và bị động thường phức tạp hơn các bơm thôngthường khác Chúng thường có biên dạng: Cycloid, logarit …Lưới chắnchính là bộ phận ngăn khoang hút và khoang đẩy.Chính vì thế mà kết cấucủa bơm lại tương đối đơn giản Lưu lượng của bơm này không cao và ápsuất cũng thấp Nhưng nó đặc biệt hữu hiệu trong những trường hợp cần sụdẻo dai, bền bỉ và ổn định Vì vậy phạm vi ứng dụng của bơm không nhiều

Chương 2 Bánh răng Cycloid ăn khớp trong

1.Khái niệm

Cơ cấu bánh răng là cơ cấu ăn khớp có độ chính xác cao dùng đểtruyền chuyển động quay giữa các trục với tỷ số truyền xác định nhờ sự ănkhớp của các bánh răng

So với các truyền động khác, truyền động bánh răng có nhiều ưuđiểm nổi bật:

+ Kích thước bộ truyền nhỏ

+ Khả năng tải lớn

+ Tỷ số truyền lớn

+ Đảm bảo tỷ số truyền không thay đổi

+ Hiệu suất truyền động cao

+ Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

2.Công dụng

Với những ưu điểm trên nên bộ truyền báng răng được sử dụng rấtphổ biến trong các máy, từ đồng hồ, máy công cụ, máy nông nghiệp, ô tô,động cơ đốt trong, cần trục, bơm

Phạm vi sử dụng của báng răng rất lớn cả về truyền lực và truyềnđộng Truyền động bánh răng có thể truyền công suât từ nhỏ đến lớn ( 300

MW ) Với vai trò truyền động, tốc độ vòng quay của các bánh răng trongcác bánh răng trong các cơ cấu truyền chuyển động có thể đạt tới 200m/s.Các dạng truyền động bánh răng theo công dụng: Tùy theo công dụng củatruyền động người ta chia ra truyền vận tốc, động lực, truyền đông số vàcác truyền động có công dụng khác

+ Truyền động tốc độ: bộ truyền này thường được sử dụng để truyền

động ở các cơ cấu có tốc độ cao như: máy bay, hộp giảm tốc của tuabin

+ Truyền động lực: Bộ truyền động này thường được sử dụng để

truyền lực lớn như trong các máy cán, các ô tô tải, máy kéo, máy xúc

+ Truyền động số: truyền động đảm bảo chính xác góc quay giữa

bánh răng chủ động và bị động Truyền động này được sử dụng trong cácmáy gia công chính xác

+ Truyền động có công dụng chung: truyền động này được sử dụng

rộng rãi trong nghành chế tạo máy, có vận tốc và tải trọng nhỏ Tùy theovận tốc truyền động được chia ra:

+ Truyền động bánh răng trụ: được dùng để truyền chuyển động

giữa các trục song song với nhau, đặc điểm của loại truyền động này là giữnguyên được hướng và phương của chuyển động

+ Truyền động bánh răng côn: được dùng để truyền chuyển động

giữa các trục vuông góc với nhau, loại truyền động này được sử dụng khicần thay đổi phương của chuyển động

Phân loại theo phương của răng ta có các bộ truyền:

+ Bộ truyền răng thẳng: là bộ truyền sử dụng các bánh răng có

phương của răng song song với các đường sinh, ưu điểm của bộ truyền này

là đơn giản dễ chế tạo

+ Bộ truyền răng nghiêng: là bộ truyền sử dụng các bánh răng có

phương của răng không song song với các đường sinh, ưu điểm của bộtruyền là khả năng truyền công suất lớn hơn và êm hơn bộ truyền bánh rangthẳng nhưng nhược điểm là khó chế tạo và trong quá trình truyền động luônsinh ra lực dọc trục

+ Bộ truyền răng chữ V: răng của các bánh răng được thiết kế theo

hình chữ V đã khắc phục được lực dọc trục nhưng bộ bánh răng chữ V lạikhó chế tạo

Phân loại theo vị trí ăn khớp ta có các bộ truyền ăn khớp ngoài và bộtruyền ăn khớp trong

Phân loại theo biên dạng răng ta có các bộ truyền sử dụng các loạibiên dạng: biên dạng thân khai, biên dạng Novikov, biên dạng Cycloid

3 Các dạng ăn khớp

3.1 Ăn khớp dạng thân khai

Truyền động bánh răng thân khai, profin răng có dạng thân khai củavòng tròn, được dùng rộng rãi nhất vì cặp răng được gia công bằng dụng cụcắt có cạnh thẳng, dễ đảm bảo độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởisai số khoảng cách trục

Hình 2.1: Cặp bánh răng thân khai

Cặp biên dạng thân khai do Euler tìm ra năm 1754 Sự hình thànhđường thân khai của một vòng tròn là do một điểm cố định trên một đườngthẳng lăn không trượt trên đường tròn vạch ra trên mặt phẳng chứa

vòng tròn đó Đường tròn triển khai được gọi là đường tròn cơ sở Đườngtiếp tuyến dùng xây dựng đường thân khai gọi là đường thẳng dẹt sinh

Hình 2.2: Sự hình thành đường thân khai

Các điểm A1, A2, A3 là các điểm tiếp theo của điểm A trên đườngthẳng dẹt sinh khi nó chuyển động bao hình trên đườg tròn cơ sở Các điểmC1, C2, C3 là các tâm của đườn thân khai.

Trên một đường tròn cơ sở có bán kính xác định có thể xây dựngnhiều đường thân khai như nhau

Các đường thân khai dựng trên các đường tròn cơ sở khác nhau đồngdạng với nhau Kích thước của đường thân khai chỉ phụ thuộc vào bán kínhcủa đườg tròn cơ sở.Bán kính đường thân khai luôn luôn thay đổi, phụthuộc vào vị trí của tâm thân khai

Hình 2.3: Nhiều đường thân khai hình thành từ một vòng tròn cơ sở

Các tính chất của đường thân khai:

+ Đường thân khai không có điểm nào nằm trong đường tròn cơ sở.+ Pháp tuyến của đường thân khai là tiếp tuyến của đường tròn cơ sở

và ngược lại

+ Tâm cong C tại điểm nào đó của đường thân khai nằm trên vòngtròn cơ sở Bán kính cong A1C bằng cung lăn AC

+ Các đường thân khai trên cùng một đườn tròn cơ sở là nhữngđường cách đều và có thể chồng khít lên nhau, khoảng cách giữa các đườngthân khai bằng cung chắn giữa các đường thân khai đó trên đường tròn cơsở.

Các ưu điểm của truyền động bánh răng thân khai:

+ Biên dạng không quá phức tạp, dễ đảm bảo độ chính xác nên dễgia công

+ Các biên dạng thân khai đều giống nhau, hình dạng răng phụ thuộcvào bán kính đường tròn cơ sở của bánh răng ăn khớp với nó, vì thế mộtbánh răng có thể ăn khớp với nhiều bánh răng có đường kính khác nhau

+ Tỷ số truyền vẫn được đảm bảo và không ảnh hưởng bởi sai sốkhoảng cách trục

+ Trong quá trình ăn khớp, bán kính vòng lăn, đường ăn khớp và góc

ăn khớp luôn luôn cố định

3.2 Bánh răng ăn khớp Novikov

Răng ăn khớp Nivokov có profin răng được chế tạo theo cung tròn,profin răng lõm có bán kíng lớn hơn profin răng lồi

Sự khác nhau giữa ăn khớp Novikov và ăn khớp thân khai là đường ănkhớp không nằm theo chiều ngang mà theo chiều cao tạo thành góc 90o vớiphương của răng

Hình 2.4: Bánh răng vad sự ăn khớp Novikov

Trong quá trình làm việc điểm tiếp xúc của các răng dịch chuyểntheo đường thẳng song song với các trục quay của bánh răng Đường nàyđược gọi là đường ăn khớp Khoảng cách từ gốc ăn khớp tới đường ănkhớp được gọi là hế số dịch chỉnh e Hệ số dịch chỉnh e có quan hệ với tốc

độ trượt của các bề mặt răng Khi chạy nhanh các răng ăn khớp với nhautrên toàn bộ chiều cao nên ăn khớp điểm trở thành ăn khớp đường

Ưu điểm của bộ truyền ăn khớp Novikov là có khả năng chịu tảitrọng lớn và độ chống mài mòn cao hơn ăn khớp thân khai Bởi vậy bộtruyền ăn khớp Nivokov luôn là ưu tiên chọn lựa của các may móc phảilàm việc trong thòi gian dài và phải đảm bảo tải trọng lớn Trong ăn khớpNovikov không ăn khớp theo chiều cao cho nên các bánh răng có dạng răngnghiêng, cũng chíng vì vậy mà bộ truyền ăn khớp Novikov chạy êm hơn bộtruyền ăn khớp thân khai

3.3 Bánh răng ăn khớp Cycloid

Đây là dạng ăn khớp không tiêu chuẩn, profin đỉnh răng có dạngEpicycloid, profin chân răng có dạng hypocycloid

Đường Cycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểm thuộcmột đường tròn khi nó lăn không trượt trên một đường thẳng

Đường Epicycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểmthuộc một đường tròn khi nó lăn không trượt phía ngoài một đường trònkhác

Đường hypocycloid là tập hợp quỹ đạo chuyển động của một điểmthuộc một đường tròn khi nó lăn không trượt phía trong một đường trònkhác

Hình 2.5: Bánh răng Cycloid

Các bộ truyền bánh răng biên dạng Cycloid thường được sử dụngtrong các bộ truyền yêu cầu độ chính xác cao và làm việc êm như: trongđồng hồ đeo tay, đồng hồ treo tường, đồng hồ so…

Các ưu điểm của bộ truyền bánh răng Cycloid:

+ Số răng có thể rất ít và không có hiện tượng cắt chân răng

Tuy nhiên loại bánh răng này còn tồn tại các nhược điểm sau:

+ Không có khả năng dịch tâm

+ Không có khả năg lắp lẫn

+ Góc ăn khóp thay đổi trong quá trình chuyển động nên tải trọng ở

ổ trục là tải trọng biến thiên

+ Biên dạng Cycloid là biên dạng phúc tạp nên việc chế tạo gặpnhiều khó khăn

Vì những lý do trên mà bánh răng có biên dạng Cycloid tuy vẫnđược dùng nhiều trong kỹ thuật nhưng phạm vi sử dụng còn bị hạn chế

4 Bộ truyền ăn khớp chốt

Là bộ truyền ăn khớp dựa trên nguyên lý ăn khớp Cycloid nhưngprofin lý thuyết của một bánh răng biến thành điểm còn profin răng củabánh răng thứ hai là đường Epicycloid

Vì không tồn tại dưới dạng điểm nên có thể thay thế profin của bánhrăng thứ nhất bằng các con lăn hoặc chốt trụ với đường kính d và có tâmnằm trên vòng tròn cơ sở

Ăn khớp này cho phép công nghệ chế tạo đơn giản đi rất nhiều ( vìchỉ cần quan tâm đến một biên dạng ) mà vẫn giữ được tất cả các ưu điểmcủa ăn khớp Cycloid

Hình 2.6: Bộ truyền ăn khớp chốt

Ăn khớp chốt có thể sử dụng ở cả ăn khớp trong và ăn khớp ngoài Ăn khớpchốt trong được sử dụng nhiều trong các cơ cấu đồng hồ, dụng cụ đo, các cơcấu nâng chuyển… Ăn khớp chốt ngoài được sử dụng trong các hộp giảm tốcvới ưu điểm là chỉ cần một cặp bánh răng đã cho tỷ số truyền rất lớn

Chương 3 Bánh răng Cycloid và phương pháp chế tạo

1 Khảo sát đường cong Cycloid

Hình 3.1: Sự hình thành đường Cycloid

Xét trong hệ trục chuẩn Oxy, bánh xe có bán kính r, tại thời điểmban đầu van xe M có tọa độ (0,0) Sau khi lăn một góc t, tọa độ của M làcung PM = OP = rt

Tọa độ của van xe trong hệ trục chuẩn Oxy là:

xM = ON = OP – NP = rt – rsin(t)

yM = NM = PC – AC = r – rcos(t)

Quỹ đạo của van xe chính là đường cong Cycloid:

Hình 3.2: Quỹ đạo Cycloid

1.2 Đường Epicycloid

Đường Epicycloid là tập hợp quỹ đạo của một điểm thuộc mộtđường tròn lăn không trượt trên phía ngoài của một đường tròn khác

Hình 3.3: Nguyên lý hình thành đường Epicycloid

Phương trình của đường epicycloid:

Hình 3.5: Nguyên lý hình thành đường hypocycloid

Phương trình đường hypocycloid

Hình 3.6: Một số đường hypocycloid cơ bản

2 Thiết kế bánh răng Cycloid

2.1 Vẽ các đường cong thuộc họ Cycloid

Đường cong Cycloid là một đường cong phức tạp Hiện nay có rấtnhiều phần mềm hỗ trợ vẽ rất tốt, trong đó AutoCad là phần mềm phổ biến

và tiện dụng hơn cả Đường cong Cycloid không phải là một đường cong

cơ bản nên không có lệnh vẽ trực tiếp Nhưng ta có thể dùng ứng dụng đikèm trợ giúp người dùng của AutoCad là AutoLisp để lập trình lệnh thựchiện công việc này

2.1.1 Vẽ đường cong Epicycloid

Dùng AutoLisp để lập trình lệnh thực hiện vẽ đường congEpicycloid là quỹ tích những điểm thỏa mãn phương trình:

bd (getkword "\nBien dang Epicycloid/Hypocycloid <H>:")

r0 (getreal "\nBan kinh vong co so: ")

Z (getint "\nSo rang: ")

n (getint "\nSo khoang chia tren 1 rang <1000>:")

(if (not bd) (setq bd "H"))

(if (not n) (setq n 1000))

(if (= bd "H") (setq k (- Z 1) k2 -1) (setq k (+ Z 1) k2 1)) (setq da (/ (* 2 pi) Z n))

x (* r k (- (cos a) (/ (cos (* k a)) (* k k2))))

y (* r k (- (sin a) (/ (sin (* k a)) k)))

(command "array" (entlast) "" "P" p0 Z 360 "Y")

(setvar "osmode" oldos)

(princ)

)

2.1.2 Vẽ đường cong Hypocycloid

Chương trình AutoLisp thực hiện vẽ đường cong hypocycloid thỏamãn theo phương trình:

bd (getkword "\nBien dang Epicycloid/Hypocycloid <H>:")

r0 (getreal "\nBan kinh vong co so: ")

Z (getint "\nSo rang: ")

n (getint "\nSo khoang chia tren 1 rang <1000>:")

(if (not bd) (setq bd "E"))

(if (not n) (setq n 1000))

(if (= bd "E") (setq k (- Z 1) k2 -1) (setq k (+ Z 1) k2 1))

x (* r k (- (cos a) (/ (cos (* k a)) (* k k2))))

y (* r k (- (sin a) (/ (sin (* k a)) k)))

(command "array" (entlast) "" "P" p0 Z 360 "Y")

(setvar "osmode" oldos)

(princ)

)

2.2 Thiết kế bánh răng Cycloid

Bánh răng Cycloid sử dụng hai đường cong Epicycloid vàhypocycloid để đạt được biên dạng chính xác và sự ăn khớp

Hai bánh răng lăn không trượt, đường kính vòng chia của bánh răngđược xác định trên vòng tròn ăn khớp của hai bánh răng Đỉnh răng củabánh răng bị động và chân răng của bánh răng chủ động có cùng mộtphương trình

Đường kính vòng sinh được tạo ra bởi sự cân bằng về tỷ lệ bán kínhcủa một trong các bánh răng Để đảm bảo sự ăn khớp thì chân răng củabánh răng bị động và đỉnh răng của bánh răng của bánh răng chủ động cóthể là đường thẳng hoặc các đường cong đảm bảo ăn khớp Khi hai bánhrăng ăn khớp sẽ tạo ra đường tròn ăn khớp

Xét bơm GEROTOR của hãng HELLER Đức:

Trục dẫn động 1 bánh răng trong 2 vành răng ngoài

3

sau Hình 3.7 :Kết cấu bơm GEROTOR

Nguyên lý hoạt động: khi quay trục dẫn động bánh răng trong gắncứng với trục sẽ quay làm quay vánh răng ngoài Bánh răng trong quaytrùng tâm với trục chính, vành răng ngoài quay theo vành trong vủa thângiữa Vành này có tâm quay lệch tâm với trục chình một lượng e Khi đóthể tích khoang làm việc giữa các răng biến thiên liên tục Theo chiều quay,các khoang bên trái có thể tích giảm dần, đẩy chất lỏng qua đĩa phân phối

đi ra, còn các khaong bên phải có thể tích tăng dần sẽ đuợc nối với bể dầutạo thành khoang hút của bơm Loại máy này, cả bánh răng trong và bánhrăng ngoài cùng tham gia chuyển đông quay nên được gọi là máy hairotors

2.2.1 Thông số của bộ truyền

Tỷ số truyền t: Chọn tỷ số truyền t = Z1/Z2 = 0,8

Số răng: Chọn số răng Z1 = 4 => Z1/t = 5

Đường kính vòng chia và đường kính vòng lăn:

Do biên dạng Epicycloid và hypcloid được hình thình bởi một vòngtròn lăn không trượt trên một vòng tròn cơ sở nên vòng lăn cũng chính làvòng chia và bằng đường kính đỉnh răng DL = d.

Với bộ truyền trên ta chọn DL1 = d1 = 40 mm

 DL2 = d2 = DL1/t = 50 mmModul: ta có d = m.Z

 m = d/Z =d1/Z1 = d2/Z2 =10 mmĐường kính vòng sinh:

Do tính chất biên dạng nên đường kính vòng sinh bằng với chiều caochân răng ds = hi Hơn nữa, đường kính vòng sinh ds ảnh hưởng đến hệ sốtrượt biên dạng và tuổi thọ của bánh răng Để đảm bảo độ cứng vững chânrăng ta phải chọn đường kính vòng sinh ds phụ thuộc vào đường kíng vònglăn: ds < dL Chọn ds = 5 mm => hi = 5 mm

Đường kính đỉnh răng và chân răng:

Ta có: De1 = DL1 + 2ds= 50 mm

Di1 = De1 – 2ds = 30 mm

De2 = DL2 – 2ds = 40 mm

Di2 = DL2 + 2ds= 60 mmVới De1, De2 là đường kính đỉnh răng bánh răng chủ động và bị động

De1, De2 là đường kính chân răng bánh răng chủ động và bị động

Chiều dày bánh răng:

Lưu lượng riêng của bơm sẽ được tính:

Q = Z1 x S x B x HSTT (cm3/vg)

Trong đó:

Z1: số răng bánh chủ động

S: diện tích chất lỏng sẽ đi vào cửa xả ở mỗi răng

B: chiều dày bánh răng, cmHSTT: hiệu suất thể tích

Theo tài liệu về bơm bánh răng, có thể lấy HSTT = 0.85

Bơm có lưu lượng Q = 12 cm3/vòng

Theo công thức trên sẽ rút ra được B = 1.5 cm

Chân răng của bánh chủ động là đường hypocycloid

Đỉnh răng của bánh chủ động là đường Epicycloid

Dùng AutoCad ta vẽ được biên dạng của bánh chủ động như sau:

Hình 3.8: Bánh răng chủ động

Tương tự qui trình với bánh răng chủ động, ta có thể tiến hành giacông bánh răng bị động với các thông số sau:

Chiều cao chân răng hi2 = 5 mm

Đỉnh răng của bánh bị động là đường hypocycloid

Chân răng của bánh bị động là đường Epicycloid

Dùng AutoCad ta vẽ được biên dạng của bánh chủ động như sau:

Hình 3.9: Bánh răng bị động

3 Các phương pháp tạo hình đường cong Cycloid

Hình 3.11: Gia công bánh răng bằng dao phay modul

Khi phay bánh răng trụ răng xoắn, bánh răng được điều chỉnh bằngcách quay bàn máy đi một góc phù hợp với góc nghiêng của răng Để tạo ra

răng xoắn cần thực hiện đồng bộ chạy dao của bàn máy và chuyển độngquay của đầu chia độ Với phương pháp này có thể gia công được bánhrăng hình chữ V.

Phương pháp phay định hình được dùng trong các nhà máy nhỏ, sửachữa nhỏ, ở đó số lượng bánh răng không nhiều, không cần độ chính xáccao Phương pháp này còn được sử dụng để sản xuất bánh răng có đườngkính và modul lớn Tuy nhiên năng suất và độ chính xác chưa cao, điềuchỉnh vị trí tương đối giữa dao và chi tiết khó khăn Do dạng của rãnh củabánh răng thay đổi dựa theo modul vì thế dụng cụ cắt phức tạp và phải làmtheo bộ

Ngoài phương pháp phay định hình còn có phương pháp chuốt địnhhình, xọc định hình nhưng các phương pháp trên đều cho năng suất thấp, cơcấu phức tạp nên ít sử dụng

3.2 Phương pháp bao hình

Với phương pháp này dụng cụ cắt được coi như lăn tương đối trênvành của bánh răng gia công, khi đó các lưỡi cắt dụng cụ dần dần chiếmcác vị trí trên bánh răng mà đường bao của chúng là profin thân khai củabánh răng gia công

Phay lăn răng là một phương pháp gia công bánh răng bao hình, làmột phương pháp phổ biến nhất, cho năg suất và độ chính xác cao Dụng

cụ cắt là dao phay lăn răng, nó có dạng trục vít thân khai profin ở mặt pháptuyến là thanh răng cơ bản Với loại dao này có thể gia công răng của bánhrăng và răng của trục vít Phay lăn răng được tiến hành trên máy chuyêndùng

Phay lăn răng thẳng là phương pháp gia công bánh răng bao hình,khi chuyển động bao hình được thực hiện dựa trên nguyên lý ăn khớp giữadao và phôi, đó là các chuyển động quay của dao và phôi, dao phay lăn còn

có chuyển động tịnh tiến dọc trục của phôi nhằm cắt hết chiều dầy bánhrăng

Hình 3.12: Sơ đồ phay lăn răng

Hiện nay hầu hết các máy phay lăn răng đều làm việc bằng phươngpháp phay nghịch vì cắt êm ít gây va đập, ít làm gẫy hoặc vỡ dao Ở nhữngmáy phay hiện đại thường sử dụng phương pháp phay thuận cho tốc độ cắttăng lên 20- 40% và lượng chạy dao tăng lên 80% Khi cắt răng có thể tiếndao hướng trục hoặc tiến dao hướng kính và hướng trục

Hình 3.13: Sơ đồ cắt khi phay lăn răng

Ngoài phương pháp phay lăn răng, người ta còn dùng phương phápxọc răng bao hình Phương pháp này cho độ chính xác gia công tốt, dao dễchế tạo, trong một số trường hợp đó là phương pháp duy nhất để gia công,

ví dụ như gia công bánh răng tầng, bánh răng trong, bánh răng chữ nhật…

Dụng cụ xọc răng là một bánh răng mà mặt đầu được tạo thành mặttrước còn các mặt bên tạo thành các mặt sau của lưỡi cắt Trong quá trình

gia công, dụng cụ chuyển động cắt theo hướng dọc trục của bánh răng vàcùng với vật có chuyển động quay cưỡng bức.

Xọc răng bằng dao xọc răng dạng bánh răng là dựa trên nguyên tắcchuyển động tương hỗ giữa dao và vật Dao xọc và vật gia công được quaycưỡng bức xung quanh trục của chúng theo hướng ngược nhau và cùnghướng Dao thực hiện chuyển động đi lại là chuyển động thẳng và chuyểnđộng xoắn Khi hành trình của dao theo hướng xuống dưới là thực hiệntách phoi và khi chuyển động trở lại là hành trình chạy không

Hình 3.14: Phương pháp xọc răng

Khi gia công không thể một lúc cắt hết chiều sâu rãnh răng bánhrăng được, mà phải từ từ tiến dao hướng kính Khi tiến dao chi tiết quaymột cung tương ứng với thời gian tiến dao, rồi sau đó lại quay thêm ít ra làmột vòng nữa để dao cắt hết chiều cao răng của cả vòng răng

Thông thường xọc răng dùng gia công bánh răng thẳng, ngoài racũng còn có thể dùng để gia công bánh răng nghiêng Nhược điểm của xọcrăng là cho năng suất không cao, khi gia công răng nghiêng dao khó chếtạo, đòi hỏi bạc dẫn chuyên dùng

Tạo hình theo một trong hai phương pháp trên cho độ chính xác thấp,tính toán phức tạp, thường áp dụng gia công bánh răng biên dạng răng thânkhai Với biên dạng Cycloid, nếu sử dụng phương pháp bao hình hayphương pháp phay lăn răng thì không đảm bảo độ chính xác về biên dạngrăng, tỷ số truyền, bước răng…

3.3 Phương pháp dập thể tích

Phương pháp gia công áp lực có khả năng tạo hình tốt và khắc phụcnhững nhược điểm của các phương pháp trên Đó là phương pháp tạo hìnhbiến dạng, hình dáng và kích thước của răng được hình thành không phải

do hớp kim loại thừa mà do sự phân bố lại lớp kim loại đó Kim loại saukhi biến dạng có độ bền và độ cứng cao hơn Ở lớp ngoài cùng xuất hiệnứng suất dư nén, có ảnh hưởng tốt đến điều kiện làm việc với tải trọng củarăng Hơn nữa phương pháp tạo hình này còn làm tăng tính ổn định kíchthước của bánh răng, không tạo ra phoi và không cần dung dịch trơn nguộikhi gia công Khi gia công bằng biến dạng dẻo, độ bóng bề mặt răng tănglên và trên lớp bề mặt răng không có vết do dụng cụ tạo ra

Vì vậy phương pháp tạo hình này ngày càng được dùng nhiều tronggia công cơ khí Có rất nhiều phương pháp tạo hình bằng biến dạng dẻo,người ta có thể chia ra làm hai loại:

Nhóm tạo hình bánh răng dựa trên nguyên tắc chép hình: Trong

trường hợp này hình dáng và kích thước bánh răng được tạo ra nhờ quátrình chép hình của dụng cụ Bao gồm các phương pháp: dập thể tích, dậphướng kính và ép theo khuôn

Nhóm tạo hình bánh răng dựa trên nguyên tắc chuyển động bao hình của dụng cụ và phôi: Trong trường hợp này hình dáng và kích thước

của bánh răng được tạo ra nhờ đường sinh của mặt răng dụng cụ ở các vị trí

kế tiếp nhau khi nó thực hiện chuyển động gần phôi Bao gồm các phươngpháp cán răng bằng các trục cán hoặc bằng các thanh răng

Trong đó phương pháp dập thể tích là một phương pháp có rất ưuđiểm đạt được độ chính xác cao mà không cần phải gia công cơ bổ xung.

Nó không chỉ được dùng để chế tạo bánh răng trụ và bánh răng côn răngthẳng mà còn để chế tạo bánh răng côn răng cong và các bánh răng dạngđĩa có biên dạng phức tạp Nó đặc biệt đạt hiệu quả cao khi dập các bánhrăng có modul lớn hơn 5mm Bởi khả năng giữ độ bền của chày và cối vàtiết kiệm nguyên vật liệu của phương pháp này

7 – bạc định vị cối vành răng Hình 3.15: Dập thể tích bánh răng

Vì vậy ta chọn phuơng pháp dập nóng để chế tạo bộ truyền Qui trìnhcông nghệ sẽ là gia công trên máy CNC tia lửa điện để tạo hình lòngkhuôn Sau đó sẽ áp dụng công nghệ gia công dập nóng để gia công cácbánh răng Qui trình trên áp dụng cho cả bánh răng chủ động và bị động

Chương 4 Ứng Dụng công nghệ gia công tia lửa điện để gia công khuôn

1 Tổng quan về phương pháp tia lửa điện

1.1 Giới thiệu chung:

Trong lịch sử phát triển của mình, nhiệm vụ tìm ra các vật liệu cứng

và bền luôn đặt ra đối với ngành cơ khí Các chi tiết có độ cứng cao cũng

có nghĩa là nó có thể hoạt động và cho năng suất cao hơn Chúng được sửdụng nhiều trong các ngành yêu cầu độ chính xác cao và độ bền cao như:các thiết bị hàng không, các tuabin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụkhuôn mẫu Đồng thời với nhu cầu về vật liệu là nhu cầu về chế tạo Chếtạo các thiết bị có độ cứng, tuổi bền và độ chính xác cao là một thử tháchrất lớn mà các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để đạt được điều đó

Nhà vật lý người Anh Joseph Priestley (1733 – 1809) là người đầutiên trong các thí nghiệm của mình đã phát hiện ra khả năng ăn mòn kimloại bởi sự phóng điện Tiếp nối thành tựu đó, năm 1943, hai vợ chồng nhàkhoa học Lazarenko người Nga đã tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ “giacông tia lửa điện” hay “Electrical Discharge Machining” còn gọi tắt là côngnghệ EDM Công nghệ này sử dụng tia lửa điện để hớt đi một lớp vật liệu

mà không phụ thuộc độ cứng của vật liệu đó Khi các tia lửa điện phóng rathì một lớp vật liệu trên bề mặt phôi sẽ bị hớt đi bởi quá trình điện nhiệtthông qua sự chảy và bốc hơi của kim loại Nhưng quá trình gia công cònhết sức phức tạp liên quan đến khoảng cách khe phóng điện, đến thông tinkênh plasma, về sự hình thành của cầu phóng điện giữa hai điện cực…Chính những khó khăn đó đã làm cho ứng dụng của công nghệ mới này cònhết sức hạn chế trong công nghệ chế tạo đương thời Tiếp những năm sau

đó sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đã giúp ích rất nhiềutrong việc sử dụng công nghệ trong cuộc sống Đặc biệt những năm gầnđây, với sự phát triển như vũ bão của các công nghệ mới, với sự trợ giúp

hết sức đắc lực của máy tính, các hệ điều khiển CNC, các máy tia lửa điệnđầu tiên ít tự động và không tiện dụng đã được thay thế bởi các máy giacông tia lửa điện CNC Đây là nhóm máy đã tỏ rõ được khả năng rất lớncủa mình trong điều khiển chính xác quỹ đạo và chất lượng gia công.Chính sự đột phá trong công nghệ này đã giải quyết rất nhiều vấn đề trongthực tiễn và đưa nhóm máy mới này trở thành một trong các công cụ cắthữu hiệu nhất.

1.2 Nguyên lý và bản chất của quá trình phóng điện

1.2.1 Nguyên lý của quá trình phóng điện

Hình 4.1 :Nguyên lý quá trình phóng điện

Đặt một điện áp một chiều giữa hai tấm kim loại khác nhau, mộtđược gọi là điện cực và một gọi là chi tiết Điện áp này thường nằm trongkhoảng 80V – 200V Cả hai tấm kim loại này được đặt trong một dung dịchcách điện đặc biệt, gọi là dung dịch điện môi Khi đưa hai điện cực tiến lạigần nhau, đến một khoảng cách đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện.Điều này có thể giải thích là do điện trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng

104V/mm) dẫn đến ion hóa dung dịch điện môi đó và nó trở thành dungdịch dẫn điện Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dòng điện hình thành

do sự chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi – gọi làkênh dẫn điện – kèm theo sự xuất hiện của các tia lửa điện do hiện tượng

ion hóa mãnh liệt của dung dịch điện môi Nhiệt độ của vùng này lên đếnkhoảng 10.000oC làm bốc hơi vật liệu các điện cực Nguồn điện được ngắtđột ngột làm cho tia lửa điện biến mất Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vàokênh dẫn điện do sự chênh lệch áp suất tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm hóa rắnhơi vật liệu thành các oxít kim loại Sau đó nguồn nhiệt được cung cấp lại

và các tia lửa điện lại xuất hiện

Có thể thấy những điểm chính của phương pháp gia công tia lửa điện

là nguồn cung cấp, vật liệu của điện cực, dung dịch điện môi và khe hởgiữa các điện cực

Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: Thời gian ngắt nguồn điện làkhoảng thời gian cần thiết để dung dịch điện môi có thể khôi phục lại trạngthái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo Nếuthời gian này không có hoặc quá nhỏ sẽ làm dung dịch điện môi luôn ởtrạng thái dẫn điện Điều làm cho tia lửa điện phát triển thành hồ quang gâyhỏng bề mặt chi tiết và điện cực

Các điện cực làm bằng hai loại vật liệu dẫn điện khác nhau và đượcnhúng ngập trong dung dịch điện môi, dung dịch này không dẫn điện ởtrạng thái bình thường nhưng có chức năng chính là môi trường hình thànhkênh dẫn điện ở điện trường cao

Giữa các điện cực luôn có một khe hở nhỏ được gọi là kênh phóngđiện Khe hở này cần được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì

sự ổn định của tia lửa điện

1.2.2 Bản chất của quá trình phóng điện

Giai đoạn 1: Đánh lửa

Máy phát điện áp khởi động qua một khe hở ( đóng điện áp máyphát) Dưới ảnh hưởng của điện trường, từ cực âm (catốt) bắt đầu phát racác điện tử và chúng bị hút về phía cực dương (anốt) Sự phát điện tử gây

ra sự tăng cục bộ tính dẫn điện của điện môi ở khe hở Các bề mặt của cácđiện cực không hoàn toàn phẳng Điện trường sẽ mạnh nhất ở hai điểm gần