Vì vậy, các bánh răng trong bộ vi sai yêu cầu được tạo hình bằng công nghệ dập khối sẽ giúp tăng độ bền, tăng tuổi thọ, giảm chi phí gia công cơ và tiết kiệm vật liệu.. Tuy nhiên, bán
Trang 1TÓM TẮT:
Hộp vi sai là bộ phận quan trọng trong hệ
thống truyền động của xe Các chi tiết bánh răng
có yêu cầu chính xác về kích thước, yêu cầu cơ
tính cao Vì vậy, các bánh răng trong bộ vi sai yêu
cầu được tạo hình bằng công nghệ dập khối sẽ
giúp tăng độ bền, tăng tuổi thọ, giảm chi phí gia
công cơ và tiết kiệm vật liệu Tuy nhiên, bánh
răng côn xoắn trong hộp vi sai là chi tiết khó tạo
hình do sản phẩm có nhiều góc cạnh, đặc biệt là
phần răng xoắn, do vậy hiện nay tại Việt Nam chỉ chế tạo bánh răng côn xoắn hoàn toàn bằng gia công cắt gọt hoặc dừng lại ở bước rèn tạo phôi Việc xác định các thông số công nghệ hợp lý để dập bán tinh chi tiết bánh răng côn xoắn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn trong việc phát triển công nghiệp hỗ trợ ở Việt Nam trong giai đoạn hiện nay và lâu dài
Từ khóa: vi sai, bánh răng côn xoắn, dập bán tinh, tối ưu thông số công nghệ
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Công nghệ rèn dập là phương pháp gia
công kim loại bằng áp lực để nhận được các chi
tiết có hình dạng và kích thước mong muốn Đây
là loại hình công nghệ đang được ứng dụng rộng
rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc
biệt là trong các lĩnh vực về cơ khí, điện – điện tử,
công nghiệp ô tô, tàu thủy, hàng không, công
nghiệp quốc phòng, công nghiệp sản xuất hàng
tiêu dùng, hóa chất, y tế, với các sản phẩm đa
dạng về chủng loại lẫn kích thước Sở dĩ công
nghệ rèn dập đóng vai trò quan trọng và được
phát triển nhanh chóng vì chúng sở hữu nhiều ưu
điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác
như tiết kiệm nguyên vật liệu (gia công không
phoi), năng suất cao, cải thiện cơ tính, khả năng
tự động hóa sản xuất, sản phẩm có độ phức tạp
và chính xác rất cao,…
Do nhu cầu của thị trường trong nước đối
với các loại xe ô tô ngày một lớn, đồng thời chịu
ảnh hưởng từ hiệu lực Hiệp định Thương mại
Hàng hóa ASEAN (ATIGA), đòi hỏi cấp thiết các
doanh nghiệp sản xuất lắp ráp ô tô phải gia tăng
tỷ lệ nội địa hóa, nâng cao chất lượng, hạ giá
thành sản phẩm để có thể cạnh tranh với các sản
phẩm ngoại nhập, duy trì ngành công nghiệp sản
xuất lắp ráp ô tô tại Việt Nam Tuy nhiên, với sản
lượng ô tô sản xuất lắp, lắp ráp trong nước khá
lớn (đạt trên 283.300 xe trong năm 2016), cho
đến nay các nhà sản xuất ô tô trong nước mới chỉ
nội địa hóa được một số chi tiết đơn giản, hàm
lượng công nghệ thấp như gương, kính, ghế ngồi, dây điện ắc quy, săm lốp,… các chi tiết có độ phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao vẫn phải nhập từ nước ngoài như động cơ, khung gầm, vỏ, các bộ phận truyền động như hộp số, cầu xe,…
Vì vậy, nghiên cứu, áp dụng các giải pháp công nghệ mới để sản xuất chế tạo phụ tùng, linh phụ kiện phục vụ cho ngành công nghiệp ô tô trong nước không chỉ là nhu cầu của các nhà sản xuất lắp ráp ô tô mà còn của các doanh nghiệp cơ khí muốn tham gia vào ngành công nghiệp hỗ trợ Chi tiết bánh răng côn xoắn nằm trong bộ vi sai là một trong những chi tiết quan trọng đối với
hệ thống truyền động của ô tô, máy kéo máy bay… chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ an toàn của các phương tiện này Gia công cắt gọt là phương pháp truyền thống để chế tạo bánh răng côn xoắn Tuy nhiên các phương pháp này có những nhược điểm như
hệ số sử dụng vật liệu cao, năng suất thấp, đồng thời do thớ kim loại bị cắt gọt, không liên tục nên
cơ tính và tuổi thọ không cao Hiện nay, công nghệ dập bán tinh đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo bánh răng vì ưu điểm tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm chi phí gia công và cho năng suất cao, tạo thớ kim loại liên tục theo profin răng, tăng độ bền mỏi và tuổi thọ bánh răng, thích hợp với các điều kiện làm việc khắc nghiệt, chịu tải trọng lớn
Trang 2Hình 1 Th ớ kim loại của chi tiết bánh răng côn xoắn dập bán tinh
II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Xác định các quá trình tạo hình
Trong nghiên cứu này, quá trình tạo hình bao gồm ba nguyên công Nguyên công đầu tiên là chồn kết hợp với đột lỗ từ phôi trụ tạo thành phôi trung gian, nguyên công thứ hai là cán vòng để tăng đường kính trong và đường kính ngoài của phôi đến kích thước mong muốn Cuối cùng là nguyên công dập bán tinh, sử dụng lòng khuôn kín để tạo hình bánh răng cùng với biên dạng răng
Hình 2 Mô hình 3D bánh răng côn xoắn và các thông số
Module/mm
Góc áp lực/0
22.5
Góc xoắn/0
35
răng/mm
2.2 Vật liệu
Vật liệu được lựa chọn ở đây là thép hợp kim SCM440, có hàm lượng Crom cao, có độ cứng và khả năng chống chịu mài mòn rất tốt, được sử dụng phổ biến để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng, bào mòn và va đập mạnh như bánh răng, trục truyền động… dùng trong công nghiệp ô tô, xe gắn máy, chế tạo chi tiết máy công nghiệp
Thành phần hóa học:
Tiêu
chuẩn Mác thép
JIS
G4105
SCM440
0.30-0.43
0.75-1.00
0.15-0.35
0.25 (max)
0.8-1.2
0.15-0.25 Tính chất cơ lý:
Trang 3Hình 3 Kết cấu khuôn dập chi tiết bánh răng côn xoắn Khuôn gồm 2 bộ phận chính là khuôn trên
và khuôn dưới được lắp trên máy trục khuỷu dập
nóng 1000 tấn Nguyên lý hoạt động của khuôn
dựa trên nguyên tắc tạo hình của chi tiết trong
khuôn kín và ưu điểm của dập tạo hình trong
khuôn kín vật dập được chính xác hơn Khuôn
được đóng kín nhờ cơ chế nén của lò xo trong
quá trình khuôn trên đi xuống theo đầu trượt trên
của máy, lò xo luôn đảm bảo cho vùng tạo hình
của chi tiết được kín trong suốt quá trình biến
dạng tạo hình Thông thường, đối với yêu cầu
công nghệ như vậy thường sử dụng thiết bị song
động hoặc kết cấu thủy lực, khí nén để đóng
khuôn Tuy nhiên, năng lực rèn dập trong nước ta
còn hạn chế Đồng thời giảm chi phí chế tạo nên
nhóm nghiên cứu đã ứng dụng nguyên lý tạo hình
bằng cơ chế đóng kín khuôn bằng lò xo
b Mô phỏng quá trình biến dạng
Nhóm nghiên cứu thực hiện mô phỏng quá trình tạo hình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Nguyên công dập bán tinh được thực hiện trên máy ép trục khuỷu dập nóng 1000T, hành trình đầu trượt 254 mm Nhiệt độ phôi đầu vào là
1200oC đây là vùng nhiệt độ nằm trên vùng nhiệt
độ kết tinh lại của vật liệu, khả năng biến dạng của phôi là lớn nhất
Hệ số ma sát 0.3, chia lưới 110 nghìn phần
tử để kết quả mô phỏng Với kích thước và khối lượng của chi tiết tại 110 nghìn phần tử cho ta kích thước phần tử min là 0.76 mm và kích thước max phần tử là 1.5 mm Với kích thước phần tử như trên nhỏ hơn rất nhiều so với bán kính góc lượn bề mặt răng và các góc cạnh của khuôn do
đó có thể cho kết quả chính xác
Trang 4a- Mô hình lưới trên phôi b- Kích thước phần tử của phôi
Hình 4 Chia lưới mô hình phôi đầu vào
2.4 Kết quả mô phỏng
a Hướng chảy của vật liệu
Hình 5 Hướng chảy của vật liệu Vật liệu có xu hướng chảy và điền đầy mọi
góc cạnh của khuôn, Xu hướng chảy và điền đầy
răng nhanh hơn các vùng khác Tốc độ chảy của
vật liệu ảnh hưởng đến khả năng điền đầy của
vật liệu trong dập tạo hình, tốc độ càng cao khả
năng điền đầy càng kém Tốc độ chảy điền đầy răng ở cuối quá trình dập khoảng 45 mm/giây, tốc độ này vẫn nằm trong giới hạn tốc độ biến dạng của vật liệu do đó quá trình dập tạo hình trên máy ép trục khuỷu 1000 tấn là phù hợp
a- Hành trình 40% b- Hành trình 85% c- Hành trình 100%
Hình 6 Quá trình tạo hình chi tiết
Trang 5Hình 7 Quá trình tạo hình bánh răng côn xoắn đã nghiên cứu trên thế giới
b Ứng suất quá trình tạo hình
Hình 8 Ứng suất tạo hình Ứng suất tại thời điểm kết thúc vật dập là lớn nhất với giá trị 200 MPa tại bề mặt răng Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất trên bề mặt răng là ứng suất đều không có điểm bất thường trên bề mặt, do đó vật liệu đã điền đầy bề mặt răng
c Nhiệt độ tạo hình
Hình 9 Nhiệt độ tạo hình Nhiệt độ sau khi dập đạt khoảng 1000oC Những vùng vật liệu biến dạng nhiều thì nhiệt độ cao hơn
do tính chất của biến dạng Nhiệt độ ảnh hưởng đến lực dập cũng như chất lượng sản phẩm Sau khi
Trang 6dập tạo hình từ phôi nóng nhiệt độ khi kết thúc dập phải lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại để ta có những phương pháp giảm nhiệt để tạo cơ tính vật liệu tốt nhất phù hợp cho từng loại vật liệu
d Lực dập
Hình 10 Biểu đồ lực dập Lực dập tối đa là 503 tấn, lực này phù hợp với lực công nghệ của máy ép trục khuỷu dập nóng 1000 tấn Quá trình tạo hình biên dạng răng, lực dập tăng lên rất nhanh do độ phức tạp của bề mặt răng Hình
10 và Hình 11 Lực dập ảnh hưởng trực tiếp đến thiết bị Để tránh tình trạng hư hỏng do quá tải lực dập của thiết bị ta có thể dựa trên kết quả mô phỏng để chọn thiết bị phù hợp
Hình 11 Đồ thị lực dập chi tiết bánh răng côn xoắn đã nghiên cứu trên thế thới
3 KẾT LUẬN
- Khả năng tạo hình biên dạng răng của quá
trình dập bán tinh tương tốt, lực dập đạt 503 tấn,
phù hợp dập trên máy ép trục khuỷu dập nóng
1000T
- Ứng suất của quá trình tạo hình cao (200
MPa) yêu cầu lựa chọn vật liệu làm khuôn có độ
bền cao và chịu nhiệt
- Nhiệt độ phôi dập là 12000C, cần chú ý đến
hiện tượng oxy hóa tạo vảy rèn, ảnh hưởng tới độ
chính xác và chất lượng bề mặt của bánh răng
Ngoài ra cần lựa chọn phương pháp làm nguội
phù hợp cho chi tiết để tránh hiện tượng co ngót
vật liệu hoặc phân bố ứng suất không đều
- Nghiên cứu thành công kết cấu khuôn dập
khối trong khuôn kín bằng cơ cấu lò xo cho thiết
bị không có cơ cấu song động, tiết kiệm chi phí
cho sản xuất
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Phạm văn Nghệ, Đinh Văn Phong, Công nghệ
dập tạo hình khối, Nhà xuất bản Bách Khoa
Hà Nội, 2008
2 Đinh Bá Trụ, Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo
của kim loại, Học viện kỹ thuật Quân sự, 2000
3 Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn
Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên, Mô phỏng số
quá trình biến dạng, NXB ĐHBK Hà Nội, 2011
4 Gao Zhenshan, Deng Xiaozhong, Chen Fuxiao,
A study on gear tooth metal flowing law and process optimization of spiral bevel gear forging, 2013
Trang 7materials Nevertheless, spiral bevel gears in the
differential are difficult to form because of corners
and edges especially gear tooth corners; hence,
currently in Vietnam spiral bevel gears can only
now and in the long run
Keywords: differential, spiral bevel gear, semi-finish forging, optimize technology parameters