Xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc của bộ truyền bánh răng côn thẳng có gờ chặn khi gia công trên máy phay CNC tt

Tuy nhiên với kết cấu gờ chặn ở đầu và chân răng thì việc gia công BRCG bị hạn chế bởi các phương pháp gia công truyền thồng như là: bào răng, phay răng, mài răng, chuốt răng,… Ngày nay,

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Với ưu điểm là có thể giảm sự phá hủy bởi ứng suất uốn lên đến 10%, bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn (BRCG) đang được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp sản xuất ô tô, tàu hoả, thiết bị

mỏ, vũ trụ, chế tạo máy công cụ và các thiết bị hàng không Tuy nhiên với kết cấu gờ chặn ở đầu và chân răng thì việc gia công BRCG bị hạn chế bởi các phương pháp gia công truyền thồng như là: bào răng, phay răng, mài răng, chuốt răng,…

Ngày nay, để giải quyết các vấn đề hạn chế khi gia công bánh răng bằng các phương pháp gia công truyền thống thì các nhà khoa học trong và ngoài nước đang tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ CNC vào gia công bánh răng Tuy nhiên các công trình nghiên cứu này vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề chưa giải quyết được hoặc giải quyết chưa triệt để như là: đảm bảo độ chính xác thiết kế, đảm bảo tiêu chí vết tiếp xúc, nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng và năng suất gia công,…

Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp thiết kế và sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong gia công trên máy phay CNC 3 trục đến quá trình chế tạo BRCG là vấn đề cần thiết và cấp bách Để

giải quyết vất đề này, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc của

bộ truyền bánh răng côn thẳng có gờ chặn khi gia công trên máy phay CNC”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

- Xây dựng giải pháp công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc khi gia công tinh bộ truyền BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC 3 trục

b) Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu chất lượng gia công tinh BRCG trên máy phay CNC

- Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt cắt tinh BRCG Z16-11 m8 để đạt

được năng suất cao và kích thước vết tiếp xúc tốt

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đã xác định được mối quan hệ giữa bộ thông số (S, F, z) đến chất lượng bộ truyền BRCG (độ nhám bề mặt, kích thước vết tiếp xúc và sai lệch hình dạng profile răng) khi gia công tinh trên máy phay CNC

3 trục

- Kết quả của đề tài là cơ sở cho các nghiên cứu liên quan như: Nghiên cứu điều chỉnh vết tiếp xúc, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình gia công bánh răng, nghiên cứu vể tinh chỉnh các bề mặt bánh răng côn,…

- Kết quả của luận án có thể được sử dụng vào thực tế sản xuất để đánh giá chất lượng gia công hoặc phân tích và dự đoán sự thay đổi vết tiếp xúc khi gia công các BRCG trên máy phay CNC

- Kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu là tài liệu để lựa chọn bộ thông

số gia công tinh trên máy phay CNC 3 trục khi gia công tinh bộ truyền BRCG Z11-16 m8

4 Các đóng góp mới của đề tài

- Đã xây dựng được chương trình tự động tính toán thiết kế bộ truyền BRCG

- Đã xây dựng được phương trình xác định sai số thiết kế hình dạng profile của đường thân khai

- Đã xây dựng được quy trình đánh giá chất lượng BRCG trên máy ZE800

- Đã xây dựng được công thức thực nghiệm giữa chế độ gia công với chất lượng vết tiếp xúc của BRCG Z11-16 m8 khi gia công tinh trên máy phay CNC 3 trục

- Đã xây dựng được chương trình xác định điểm tiếp xúc trên bộ truyền BRCT

- Kết quả của luận án là đã đưa ra được một giải pháp tổng thể về thiết kế và biện pháp công nghệ để đảm bảo chất lượng thiết kế và gia công BRCG

5 Cấu trúc luận án

Luận án được trình bày gồm 4 chương và 1 phụ lục

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết để thu thập các thông tin khoa học và sử dụng các tư duy khoa học để rút ra những luận điểm khoa học cần thiết cho luận án Cùng với đó là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để làm rõ bản chất cũng như chứng minh các quy luật đã được đưa ra trong các giả thuyết Sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm để xây dựng các mối quan hệ giữa các yếu tố, tìm ra các quy luật biến đổi

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu về truyền động BRCT, từ đó lựa chọn 1 loại bánh răng có khả năng tải lớn là BRCG để làm đối tương nghiên cứu Việc nghiên cứu tập trung chủ yếu là sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chế tạo BRCG và các biện pháp đảm bảo vết tiếp xúc của bộ truyền

4

- Nghiên cứu thực nghiệm là chủ động tác động vào các yếu tố công nghệ gia công một cách có hệ thống, thu thập thông tin đối tượng để rút ra được quy luật biến đổi giữa các thông số

NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương 1 Tổng quan về truyền động bánh răng côn răng thẳng 1.1.Vị trí truyền động bánh răng côn răng thẳng

Truyền động BRCT là dạng truyền động đơn giản nhất trong truyền động bánh răng côn, bộ truyền BRCT thường được sử dụng

để truyền chuyển động và momen giữa 2 trục giao nhau, thông thường góc hợp trục () là 900

1.2 Phân loại bánh răng côn răng thẳng

Dựa vào kết cấu tại đỉnh và đáy răng của BRCT mà chúng ta có: Bánh răng côn răng thẳng không có gờ chặn (bên trái hình1.6) và bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn (bên phải hình 1.6)

Hình 1.6 Bánh răng côn răng thẳng có gờ và không có gờ chặn

1.3 Đặc trưng bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn

Với kết cấu gờ chặn ở cuối và đầu răng, BRCG có khả năng tải tốt hơn BRCT không có gờ chặn cùng thông số, các nghiên cứu của Ligata.H và Zhang.H.H đã chứng minh được rằng BRCG có thể giảm sự phá hủy bởi ứng suất uốn từ 8%÷10%[10] Tuy nhiên dạng bánh răng này lại tồn tại hai nhược điểm lớn là:

 Không thể chế tạo được bằng các phương pháp gia công răng truyền thống như: phay định hình, bào răng,…mà không để xảy ra hiện tượng phá hủy kết cấu gờ chặn hai đầu

 Bề mặt răng sẽ dễ bị phá hủy bởi hiện tượng tróc rỗ bề mặt, nguyên nhân là do có kết cấu gờ chặn sẽ làm cho dung dịnh bôi trơn khó thoát ra khỏi bề mặt răng hơn (hình 1.7)

1.4 Các phương pháp gia công bánh răng côn răng thẳng

1.4.5 Phương pháp gia công bám biên dạng SSM

Phương pháp SSM là phương pháp tạo hình bề mặt răng thông qua việc gia công bề mặt răng từ dữ liệu số hóa bề mặt cho trước, ưu điểm của phương pháp này là có thể gia công các bề mặt răng với các loại dụng cụ vạn năng (dao phay ngón, dao cầu, ) với nhiều chủng loại và dải kích thước khác nhau Ngoài ra việc gia công bằng phương pháp SSM có thể khắc phục được hiện tượng cắt lẹm chân răng khi đầu dụng cụ cắt đi vào chân răng khi gia công trên các máy gia công răng truyền thống [4]

Đặc biệt phương pháp này thường được ứng dụng để gia công các bề mặt răng có sự tinh chỉnh bề mặt hoặc thay đổi về hình dạng

để tối ưu hóa khả năng làm việc Ví dụ: Bánh răng tối ưu hóa chân răng, BRCG

Hình 1.14 Mô tả quy trình gia công răng

Theo tiêu chuẩn DIN 8589-3 thì quy trình chế tạo bánh răng trên máy CNC về cơ bản là tương đương với sự tổng hợp của hai quy trình chế tạo khác:

 Chế tạo khuôn mẫu (Manufacture of moulds and dies): Bởi sự tương đồng về vật liệu, độ cứng và cấp chính xác gia công

 Chế tạo cánh quạt (Manufacture of impellers): bởi sự tương đồng về hình học

1.4.5.1 Quá trình tạo dữ liệu đầu vào

Quá trình chế tạo bánh răng trên máy phay CNC đòi hỏi người thiết kế phải cung cấp biên dạng hình học cần gia công dưới dạng tọa

độ (CAD System) Các biên dạng hình học này có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các phần mềm chuyên dùng về thiết kế bánh răng như: Kisssoft, WZL gear toolbox, ZAKgear,,… hoặc sử dụng cơ sở

lý thuyết tạo hình để xây dựng theo phương pháp thủ công Hình

Correction of Gear geometry

DIN AGMA ISO

Hình 1.15 Lưu đồ quá trình tạo dữ liệu đầu vào

1.4.5.2 Quá trình lựa chọn dụng cụ cắt

Đối với việc gia công bánh răng trên máy phay CNC, quá trình gia công được khuyến khích chia làm 3 giai đoạn là: Cắt thô Cắt bán tinh  Cắt tinh Ứng với từng giai đoạn chúng ta nên dùng các loại dụng cụ khác nhau Để quá trình gia công ổn định, đường kính dụng cụ cắt nên càng lớn càng tốt và độ dài dụng cụ càng ngắn càng tốt Tuy nhiên các kích thước và hình dạng này sẽ bị hạn chế bởi các yếu rố: khả năng công nghệ, hình dáng hình học của bánh răng và phương pháp gá đặt

1.4.5.3 Quá trình xử lý tham số

Để đưa ra được quy trình gia công bánh răng trên máy phay CNC chúng ta cần đặc biệt quan tâm tới các bước xác định bộ tham số: Lineness, Trajectory và Indexing procedure [11]:

Hình 1.16 Các phương án hướng dịch chuyển dụng cụ

 Trajectory (Hướng dịch chuyển dụng cụ): Tham số này sử dụng

để xác định quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt khi tạo hình bề

mặt răng (hình 1.16) Quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt được chia làm ba phương pháp với các đặc trưng khác nhau: (1) Theo hướng profile răng; (2) Theo hướng bề rộng răng (đối với BRCT

là theo hướng vuông góc với hướng profile răng) và (3) Theo hướng chéo của răng

Hình 1.17 Các phương án chia lượng dư

 Lineness (Lượng dịch dao): Tham số này ảnh hưởng lớn đến thời gian gia công và sự phân bố độ nhám bề mặt gia công Với tham số này chúng ta có thể ổn định cấu trúc bề mặt (độ nhám đồng đều trên toàn bề mặt răng) bằng cách điều chỉnh bước tiến dụng cụ cắt không đổi theo chiều dọc biên dạng răng (S=const) Để cấu trúc bề mặt thay đổi đồng biến chúng ta có thể điều chỉnh bước tiến dao không đổi theo chiều sâu cắt dọc biên dạng răng (z = const) và để bề mặt có cấu trúc tự do thì chúng ta không ràng buộc đại lượng dịch chuyển vào hướng của profile (hình 1.16)

Hình 1.18 Các phương án dịch chuyển dụng cụ

 Indexing procedure(Chế độ đường chạy dao): Trong gia công bánh răng trên máy CNC chúng ta có thể lựa chọn hai phương pháp cắt là: cắt từng răng và cắt tất cả các răng trên cùng một

và (8) Đo kiểm và đánh giá chất lượng

1.8 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Qua phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu có liên quan đến luận án, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu về BRCT chủ yếu được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu ngoài nước, còn đối với các nghiên cứu về BRCT ở trong nước thì còn rất hạn chế Chủ yếu là do việc thiếu tài liệu cũng như các trang thiết bị chuyên dùng để phục

vụ nghiên cứu

Gần đây các nghiên cứu và áp dụng phương pháp gia công bánh răng trên máy phay CNC 3 trục đang từng bước được phổ biến hơn trên thế giới Các nghiên cứu có liên quan đến chế tạo BRCG trên máy phay CNC 3 trục chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực sau:

*) Các nghiên cứu về tạo hình bề mặt bánh răng côn răng thẳng của tác giả S.Khalilpourazary, A.Dadvand, T.Azdast, [7], N Hur, M Park, H.W.Lee [13], S.H.Chang, John J.Coy, R L Huston [14], Cihan Ozil [15], Y.C.Tsai, P.C.Chin [6]

*) Nghiên cứu đặc trưng của bánh răng côn có vai chặn của tác giả Ligata H, Zhang H.H [10], Hermann J Stadtfeld [9]

*) Nghiên cứu ứng dụng gia công CNC vào gia công bánh răng của

F Klocke, M Brumm, J Staudt [11], K Kawasaki, K Shinma [16, 17], C.Ozil, A.Nan, L Ozler [18]

*) Nghiên cứu về đặc trưng của vết tiếp xúc trong gia công bánh răng của tác giả Nguyễn Hồng Sơn [19], Faydor L.Litvin, Jiao Zhang [20], M.Kolivand, H.Ligata, G.Steyer, K Bennedict, Fui Chen [21]

Hướng nghiên cứu đề tài

Từ các kết quả nghiên cứu và phân tích ở trên tác giả nhận thấy, với hướng nghiên cứu tập trung xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc cho bộ truyền BRCT có

gờ chặn khi gia công trên máy phay CNC 3 trục là có tính mới và thời sự cao Mục tiêu của luận án là tập trung giải quyết việc đảm bảo thiết kế và công nghệ để thỏa mãn yêu cầu độ chính xác tiếp xúc thiết kế đồng thời nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất gia công với phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong gia công

Kết luận chương 1

1 BRCG có khả năng tải tốt hơn so với BRCT không có gờ và việc gia công BRCG bằng các phương pháp gia công truyền thống mà không phá hủy kết cấu gờ chặn là bất khả thi

2 Để gia công được BRCG thì phương pháp gia công SSM trên máy phay CNC 3 trục là phương pháp khả thi,có tính linh hoạt và đem lại chất lượng cao

3 Quy trình gia công BRCG trên máy phay CNC 3 trục cần tuân theo 3 bước chính: Tạo dữ liệu đầu vào, lựa chọn dụng cụ gia công

và xử lý thông số

4 Hướng nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ

để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc cho bộ truyền BRCG khi gia công trên máy phay CNC 3 trục là hợp lý

Chương 2 Đánh giá chất lượng bánh răng côn răng thẳng qua thông số hình học và vết tiếp xúc

2.1 Đánh giá chất lượng bánh răng qua các thông số hình học

Để đơn giản hóa quá trình này, một số thông số đã được lựa chọn

để đánh giá bánh răng côn răng thẳng và được chia làm 2 loại là [24]:

 Thông số kích thước hoặc thông số vĩ mô

 Thông số vi mô

10

2.1.2 Thông số vi mô

Hình 2.3 Sơ đồ các lỗi vi mô và ảnh hưởng của chúng đến khả

năng làm việc Thông số vi mô có hai loại thông số chính là: Thông số hình dạng

và thông số vị trí Sự ảnh hưởng của các sai số này đến khả năng làm việc của của bánh răng được thể hiện rõ trong hình 2.3 Các nguyên nhân chính gây ra các sai số của thông số vi mô là: sự rung động hệ thống công nghệ, khuyết tập của dụng cụ và máy gia công, biến dạng dẻo của vật liệu, ảnh hưởng của thông số công nghệ gia công, … Đối với BRCG việc kiểm tra các giá trị sai lệch về hình dạng cả ở thông số vĩ mô và vi mô bằng phương pháp vật lý là rất khó chính xác vì sự thay đổi về modul răng trong suốt chiều dài đường sinh Việc kiểm tra cần được thực hiện trên máy có trang bị thiết bị đo răng chuyên dung và nên kiểm tra cách mặt đáy 60% chiều rộng răng

2.1.3 Kiểm tra BRCG trên máy ZE800

Như đã trình bày ở nội trên chúng ta sẽ lựa chọn modul kiểm tra

là modul (mdo) có giá trị được xác định theo công thức:

0.6 (1 )

*) Đối với kiểm tra sai số pitch: Việc đo kiểm sai số pitch sẽ được

kiểm tra như bánh răng trụ thẳng với modul quy đổi:

Cos( )

do qd m m



Hình 2.20 Vị trí đầu đo trong đo profile

*) Đối với kiểm tra sai số profile: Việc đo kiểm profile có thể tiến

hành theo cách: Chúng ta sẽ gá bánh răng côn nghiêng một góc có giá trị bằng 900

trừ đi góc côn chia của bánh răng ()

Hình 2.21 Vị trí đầu đo trong đo lead

*) Đối với kiểm tra sai số lead: Việc kiểm tra sai số lead của bánh

răng côn răng thẳng là sự kết hợp của phương pháp đo profile với trục xoay của trục A theo thông số góc nghiêng bề mặt là góc nghiêng đầu răng () và được xác định trong bảng 1.1

2.2 Đánh giá chất lượng bánh răng côn răng thẳng qua tiêu chí vết tiếp xúc

Việc kiểm tra chất lượng bánh răng côn răng thẳng khó thực hiện thông qua đo kiểm từng kích thước riêng biệt vì hình dáng bề mặt răng không đồng đều nhau Do đó khi kiểm tra chất lượng của bộ truyền bánh răng côn răng thẳng, các cơ sở sản xuất thường kiểm tra chất lượng của chúng thông qua chất lượng vết tiếp xúc dưới điều kiện làm việc tải trọng nhẹ [27, 28]

12

2.2.3 Yêu cầu kỹ thuật về vết tiếp xúc

Theo tiêu chuẩn JISB1741, để đánh giá chất lượng vết tiếp xúc của bộ truyền BRCG chúng ta cần đánh giá thông qua 2 chỉ tiêu: Vị trí tâm vết tiếp xúc và diện tích bao phủ vết tiếp xúc [2831]

Hình 2.25 Kích thước vết tiếp xúc bánh răng côn

Trong đó thì vị trí tâm tiếp xúc lý tưởng là giao điểm giữa đường lăn của răng với biên dạng profile tại vị trí cách bề mặt đáy lớn bằng 60% chiều dày răng Đối với diện tích bao phủ vết tiếp xúc, người ta

sử dụng 2 chỉ số là: Chiều cao vết tiếp xúc (bc) và chiều dài vết tiếp xúc (hc) như trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Tỷ lệ phần trăm vết tiếp xúc của bánh răng côn răng thẳng

Cấp chính xác Tỷ lệ phần trăm vết tiếp xúc Vết tiếp

xúc

Bánh răng côn

(JIS B1702)

% theo bề rộng bánh

% theo chiều sâu răng

- % vết tiếp xúc theo chiều sâu răng được xác định: (bc/be).100%

- % vết tiếp xúc theo bề rộng răng được xác định: (hc/he).100%

2.2.5 Ứng dụng Matlab để xây dựng vết tiếp xúc

Hình 2.30 Biên dạng bộ truyền bánh răng trên Matlab