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

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Bánh răng côn răng thẳng BRCT đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnhvực của nền kinh tế, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất ô tô,

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các

số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúngquy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cáchtrung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưatừng được tác giả nào khác công bố

Hướng dẫn khoa học 1

Hà Nội, ngày 06 tháng 09 năm 2019

Nghiên cứu sinh

Hướng dẫn khoa học 2

PGS.TS.Tăng Huy

i

LỜI CẢM ƠN

Trân trọng cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo trong Bộ môn Côngnghệ chế tạo máy, Viện cơ khí, Phòng Đào tạo-Bộ phận đào tạo sau đại học và TrườngĐại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện luận

án Đặc biệt, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến các doanh nghiệp đãgiúp đỡ về thiết bị thí nghiệm và các chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan đã đónggóp những thông tin vô cùng quý báu và những ý kiến xác đáng, để tác giả có thể hoànthành nghiên cứu này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Lĩnh

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC HÌNH VẼ VIII

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG 5

1.1 Vị trí truyền động bánh răng côn răng thẳng 5

1.2 Phân loại bánh răng côn răng thẳng 6

1.3 Đặc trưng bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn 7

1.4 Các dạng truyền động 8

1.4 Các phương pháp gia công bánh răng côn răng thẳng 9

1.4.1 Phương pháp định hình 9

1.4.2 Phương pháp gia công theo dưỡng 9

1.4.3 Phương pháp bao hình 10

1.4.4 Phương pháp gia công dập nóng 10

1.4.5 Phương pháp gia công bám biên dạng SSM 11

1.5 Thông số bộ truyền bánh răng côn răng thẳng 15

1.6 Dịch chỉnh bánh răng côn răng thẳng 17

1.6.1 Hệ dịch chỉnh Glenson 18

1.6.2 Hệ dịch chỉnh theo tiêu chuẩn BSS 18

1.6.3 Hệ dịch chỉnh Râynekơ (Bingram) 19

1.6.4 Hệ dịch chỉnh DIN: 19

1.6.5 Hệ dịch chỉnh tiếp tuyến 20

1.6.6 Hệ dịch chỉnh cao: 20

1.6.7 Hệ dịch chỉnh góc: 21

1.7 Phương trình đường thân khai 22

1.8 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 23

Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẰNG CÓ GỜ CHẶN VỚI THÔNG SỐ HÌNH HỌC VÀ VẾT TIẾP XÚC 27

2.1 Đánh giá chất lượng qua các thông số hình học 27

2.1.1 Thông số vĩ mô 27

2.1.2 Thông số vi mô 28

2.1.3 Kiểm tra BRCG trên máy ZE800 32

2.2 Đánh giá chất lượng qua vết tiếp xúc 36

2.2.1 Cơ sở lý thuyết ăn khớp không gian 36

2.2.2 Sự hình hình thành vết tiếp xúc: 38

iii

2.2.3 Yêu cầu kỹ thuật về vết tiếp xúc 39

2.2.4 Phương pháp kiểm tra vết tiếp xúc 40

2.2.5 Ứng dụng Matlab để xây dựng vết tiếp xúc 40

2.2.6 Tinh chỉnh bề mặt để nâng cao tiếp xúc 45

Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG CÓ GỜ CHẶN 49

3.1 Tổng quan phần mềm ADP 49

3.2 Xây dựng phần mềm.

55 3.2.1 Xây dựng chương trình tính toán thiết kế dữ liệu 2D

55 3.2.2 Xây dựng chương trình tính toán thiết kế dữ liệu 3D

58 3.2.3 Tinh chỉnh bề mặt răng

66 3.3 Đánh giá độ tin cậy của phần mềm ADP với Inventer và kisssoft.

67 3.4 Ứng dụng kết quả dữ liệu của phần mềm để gia công BRCG.

69 Kết luận chương 3

73 CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ TOÁN HỌC BẰNG THỰC NGHIỆM GIỮA CHẾ ĐỘ CẮT VỚI CHẤT LƯỢNG ĐẶC TRƯNG ĐẦU RA VÀ CHẾ ĐỘ CẮT TỐI ƯU KHI GIA CÔNG BRCG TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 74

4.1 Cơ sở lý thuyết về tối ưu hóa đa mục tiêu [38]

74 4.1.1 Các phương pháp thiết kế thí nghiệm

74 4.1.2 Các mô hình xấp xỉ nội suy

78 4.1.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu

81 4.2 Tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công BRCT trên máy phay CNC 3 trục

82

4.2.1 Mô tả bài toán

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 108 PHỤ LỤC 1

1 Kết quả chạy chương trình tối ưu

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Zi, Z’ Số răng và số răng quy đổi của bánh răng côn răng thẳng

m, m’, m” Modul danh nghĩa , modul tại tiết diện nhỏ nhất và modul tại tâm tiếp xúc

, max Góc đầu răng, góc đầu răng lớn nhất cho phép cắt lẹm

h’, h”, h Chiều cao đầu răng, chân răng và răng

Dei, Dii, Di Đường kính vòng đỉnh, vòng chân, vòng lăn

D0i, Roi Đường kính và bán kính vòng cơ sở bánh răng

iK, DiK Góc và đường kính dịch chỉnh

i , j , k Vec tơ chỉ phương x, y, z

a, b Chiều dài và chiểu rộng vai vát trụ răng

Ffa, Fha, Fa Sai số hình dạng profile, sai số góc profile và sai số tổng profile

Ca, Caa, Caf Profile tang trống, profile vát mép và profile chân răng

fp, Fp Sai số bước đơn và sai số tổng bước

fu, Fr Sai số răng đến răng và sai số runout

ffb, fHb, fb Sai số hình dạng lead, sai số góc lead và sai số tổng lead

k1I, k1II Độ cong của mặt phẳng răng 1

k2I, k2II Độ cong của mặt phẳng răng 2

v

Ae, Be Hai trục của elip vết tiếp xúc

ff, fH, F Sai số hình dạng, sai số góc, sai số tổng profile

ff, fH, F Sai số hình dạng, sai số góc, sai số tổng lead

Fp, fu Sai số bước đơn, sai số bước tích lũy

be, he Chiều rộng và chiều dài tối đa vết tiếp xúc

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Công thức tính thông số bộ truyền BRCT 16

Bảng 1.2 Số răng nhỏ nhất tránh hiện tượng cắt lẹm 17

Bảng 1.3 Hệ số đầu răng K’ khi dịch chỉnh theo hệ Glenson 18

Bảng 1.4: Giá trị dịch chiều cao đầu răng đối với m = 1 19

Bảng 1.5 Bảng tra số răng nhỏ nhất thực tế cho phép của bánh răng hình nón 19

Bảng 1.6: Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến τ dùng cho BRCT 20

Bảng 2.1: Tỷ lệ phần trăm vết tiếp xúc của bánh răng côn theo JIS B1741 40

Bảng 2.2 Thông số tọa độ cực điểm tiếp xúc 44

Bảng 3.1 Tọa độ các điểm để xây dựng bản vẽ bánh răng có vai 56

Bảng 3.2 Tọa độ các điểm để xây dựng bản vẽ bánh răng tiêu chuẩn 57

Bảng 3.4: Các thông số chính bộ truyền Z11,16-m8 67

Bảng 3.5 Giá trị tọa độ lý thuyết của các điểm trên profile răng. 69

Bảng 4.1 Số lượng thí nghiệm parameter study 75

Bảng 4.2 Thành phần thép 20XM 84

Bảng 4.3 Ma trận thực nghiệm 88

Bảng 4.4 Dữ liệu đo kiểm các điểm thí nghiệm 89

Bảng 4.5 Đánh gia độ tin cậy mô hình 91

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân loại bánh răng dựa vào vị trí trục 5

Hình 1.2 Các dạng bánh răng côn 5

Hình 1.3.Các loại BRCT với vị trí mặt chuẩn 6

Hình 1.4.Các loại BRCT với vị trí mặt chuẩn lắp ghép đúng 6

Hình 1.5 Hình dạng vành răng của BRCT 7

Hình 1.6 BRCT có gờ và không có gờ chặn 7

Hình 1.7 Hiện tượng tróc rỗ bề mặt trên BRCG 8

Hình 1.8 Các dạng truyền động BRCT 8

Hình 1.9 Phương pháp gia công định hình 9

Hình1.10 Phương pháp gia công theo dưỡng 10

Hình 1.11 Phương pháp gia công răng bao hình 10

Hình 1.12 Phương pháp dập nóng khuôn kín 11

Hình 1.13 Gia công bám biên dạng BRCT 11

Hình 1.14 Mô tả quy trình gia công răng 12

Hình 1.15 Lưu đồ quá trình tạo dữ liệu đầu vào 12

Hình 1.16 Các phương án hướng dịch chuyển dụng cụ 13

Hình 1.17 Các phương án chia lượng dư 14

Hình 1.18 Các phương án dịch chuyển dụng cụ 14

Hình 1.19 Sai lệch lý thuyết 15

Hình 1.20 Kích thước và góc BRCT 15

Hình 1.21 Sự dịch chỉnh chiều cao răng 17

Hình 1.22 Đồ thị xác định góc dịch chỉnh  khi  = 90 0 .20

Hình 1.23 Đồ thị xác định dịch chỉnh  khi  = 90 0 .21

Hình 1.24 Tọa độ điểm trên đường thân khai 22

Hình 1.24 Vị trí góc gama đỉnh 23

Hình 2.1 Độ dày răng 28

Hình 2.2 Sơ đồ kiểm tra sai lệch khoảng pháp tuyến chung 28

Hình 2.3 Sơ đồ các lỗi vi mô và ảnh hưởng của chúng đến khả năng làm việc 29

Hình 2.4 Profile răng 29

Hình 2.5 Sai số hình dạng profile 29

Hình 2.6 Sai lệch góc profile 30

Hình 2.7 Sai lệch tổng profile 30

Hình 2.8 Tên gọi các vị trí răng 31

Hình 2.9 Sai lệch hướng răng 31

Hình 2.10: Bước cơ sở bánh răng 31

Hình 2.11 Sai số bước 32

Hình 2.12 Sai số bán kính runout 32

Hình 2.13 Máy mài răng ZE800 33

Hình 2.14 Hiển thị kết quả đo trên máy ZE800 33

Hình 2.15 Thiết lập dữ liệu đầu vào và cấp chính xác 33

Hình 2.16 Trình tự đo sai số profile 34

Hình 2.17 Trình tự đo sai số pitch 34

Hình 2.18 Trình tự đo sai số lead 34

viii

Hình 2.19 Vị trí đầu đo trong đo pitch 35

Hình 2.20 Vị trí đầu đo trong đo profile 35

Hình 2.21 Vị trí đầu đo trong đo lead 36

Hình 2.22.Thông số bề mặt không gian 37

Hình 2.23 Tiếp xúc hình elip 38

Hình 2.24: Vết tiếp xúc mong muốn 39

Hình 2.25 Kích thước vết tiếp xúc bánh răng côn 39

Hình 2.26 Kiểm tra vết tiếp xúc theo bột màu ở các hãng Glenson và KHK 40

Hình 2.27 Lưu đồ thuật toán xây dựng điểm tiếp xúc 41

Hình 2.28 Mô tả xây dựng bề mặt răng 41

Hình 2.29 Tọa độ điểm thuộc bề mặt răng 42

Hình 2.30 Biên dạng bộ truyền bánh răng trên Matlab 42

Hình 2.31 Các hệ tọa độ gắn lên bộ truyền 43

Hình 2.32 Mô tả tiếp xúc của hai bề mặt răng 43

Hình 2.33 Mô tả tiếp xúc của hai bề mặt răng 45

Hình 2.34 Tinh chỉnh bề mặt răng thân khai 46

Hình 2.35 Tinh chỉnh theo phương 46

Hình 2.36 Tinh chỉnh theo profile 47

Hình 2.37 Giá trị dịch chỉnh profile 47

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán và giao diện chính 50

Hình 3.2 Kiểm tra tính đúng đắn dữ liệu đầu vào 50

Hình 3.3 Giao diện nhập dữ liêu 51

Hình 3.4 Thông tin và gợi ý lựa chọn thông số 51

Hình 3.5 Giao diện lựa chọn thông số kết cấu 51

Hình 3.6 Giao diện lựa thông tin hiệu chỉnh bề mặt 52

Hình 3.7 Giao diện kết quả thông số thiết kế 52

Hình 3.8 Kết quả bản vẽ 2D bánh răng chủ động 53

Hình 3.9 Kết quả bản vẽ 2D bánh răng bị động 54

Hình 3.10 Kết quả bản vẽ 3D 55

Hình 3.11 Giao diện dữ liệu Autolisp 55

Hình 3.12 Kích thước và vị trí của BRCT 55

Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán thiết kế bản vẽ chi tiết 2D. 56

Hình 3.14 Thứ tự thành lập bản vẽ 57

Hình 3.15 Sai số trong biên dạng thân khai. 58

Hình 3.16 Sai lệch profile cực đại 59

Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán xác định n khi Z.Cos() > Z -2,4 61

Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán xác định n khi Z.Cos()  Z -2,4 62

Hình 3.19 Đồ thị so sánh sai lệch thiết kế 63

Hình 3.21 Lưu đồ thuật toán thiết kế mô hình 3D 64

Hình 3.22 Hiện tượng không khít giao tuyến trong cộng khối. 64

Hình 3.23 Quá trình xây dựng mô hình 3D. 66

Hình 3.24.Mô hình 3D bánh răng Z16 trên ba phần mềm. 68

Hình 3.25 Tọa độ điểm trên Profile răng. 688

Hình 3.26 Biểu đồ sai số profile răng. 69

Hình 3.27 Sản phẩm bộ truyền BRCG Z16-11 m8……… 69

Hình 3.28 Gá đặt khi gia công và đo kiểm bánh răng 70

Hình 3.29 Xử lý dữ liệu NC 70

ix

Hình 3.30 Sai lệch profile 72

Hình 3.31 Sai lệch bước 72

Hình 3.32 Sai lệch lead 72

Hình 3.33 Kiểm tra vết tiếp xúc trên máy 5A725 723

Hình 4.1 Mô tả quá trình thiết kế thí nghiệm 74

Hình 4.2 Minh họa DOE parameter study và DOE Full factorial 75

Hình 4.3 Minh họa DOE Box - Behnken 76

Hình 4.4 Minh họa DOE Centra composite 77

Hình 4.5 Minh họa DOE Latin Hypercube 77

Hình 4.6 Minh họa DOE Optimal Latin Hypercube 78

Hình 4.7 Minh họa mô hình nội suy từ dữ liệu điểm 78

Hình 4.8 Mạng ANN có 2 lớp ẩn 80

Hình 4.9 Quy trình thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu 83

Hình 4.10 Mô tả các yếu tố đầu vào thực nghiệm 83

Hình 4.11 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm 84

Hình 4.12 BRCT Z16m8 84

Hình 4.13 Máy gia công và quá trình gia công BRCT 85

Hình 4.13 Kiểm soát lực cắt trong gia công 85

Hình 4.14 Quá trình đo nhám trên máy SurftestSJ-301 86

Hình 4.15 Phương pháp đo độ nhám. 86

Hình 4.16 Thu thập vết tiếp xúc trên máy 5A725 86

Hình 4.18 Thông số dụng cụ cắt. 87

Hình 4.19 Quan hệ các biến đầu vào 88

Hình 4.20 Kiểm tra mức độ phù hợp mô hình RSM với hệ số xác định 91

Hình 4.21 Đồ thị quan hệ giữa S với ffa ở chế độ z=0.05 mm và F=550mm/p 93

Hình 4.22 Đồ thị quan hệ giữa F với ffa ở chế độ z=0.05 mm và S=6000 v/p 93

Hình 4.23 Đồ thị quan hệ giữa z với ffa ở chế độ F=550mm/p và S=6000 v/p 93

Hình 4.24 Đồ thị giá trị ffa với S=6000 v/p 94

Hình 4.25 Đồ thị quan hệ giữa ffa với Z và F ở chế độ S=6000 v/p 94

Hình 4.26 Đồ thị quan hệ giữa ffa với S và F ở chế độ Z= 0.05 mm 94

Hình 4.27 Đồ thị quan hệ giữa ffa với Z và S ở chế độ F= 550 mm/p 95

Hình 4.28 Đồ thị quan hệ giữa S với bc ở chế độ z=0.05 mm và F=550 mm/p 95

Hình 4.29 Đồ thị quan hệ giữa F với bc ở chế độ z=0.05 mm và S=6000 v/p 95

Hình 4.30 Đồ thị quan hệ giữa z với bc ở chế độ S=6000 v/p mm và F=550 mm/p 96

Hình 4.31 Đồ thị giá trị bc với S=6000 v/p 96

Hình 4.32 Đồ thị quan hệ giữa bc với Z và F ở chế độ S=6000 v/p 96

Hình 4.33 Đồ thị quan hệ giữa bc với S và F ở chế độ Z= 0.05 mm 97

Hình 4.34 Đồ thị quan hệ giữa bc với Z và S ở chế độ F= 550 mm/p 97

Hình 4.35 Đồ thị quan hệ giữa S với hc ở chế độ z=0.05 mm và F=550 mm/p 97

Hình 4.36 Đồ thị quan hệ giữa F với hc ở chế độ z=0.05 mm và S=6000 v/p 98

Hình 4.37 Đồ thị quan hệ giữa z với hc ở chế độ S=6000 v/p mm và F=550 mm/p 98

Hình 4.38 Đồ thị giá trị hc với S=6000 v/p 98

Hình 4.39 Đồ thị quan hệ giữa hc với Z và F ở chế độ S=6000 v/p 99

Hình 4.40 Đồ thị quan hệ giữa hc với S và F ở ở chế độ Z= 0.05 mm 99

Hình 4.41 Đồ thị quan hệ giữa hc với Z và S ở ở chế độ F= 550 mm/p 99

Hình 4.42 Đồ thị quan hệ giữa S với Ra ở chế độ z=0.05 mm và F=550mm/p 100

x

Hình 4.43 Đồ thị quan hệ giữa F với Ra ở chế độ z=0.05 mm và S=6000 v/p 100

Hình 4.44 Đồ thị quan hệ giữa z với Ra ở chế độ F=550mm/p và S=6000 v/p 100

Hình 4.45 Đồ thị giá trị Ra với S=6000 v/p 101

Hình 4.46 Đồ thị quan hệ giữa Ra với Z và F ở chế độ S=6000 v/p 101

Hình 4.47 Đồ thị quan hệ giữa Ra với S và F ở chế độ Z= 0.05 mm 101

Hình 4.48 Đồ thị quan hệ giữa Ra với Z và S ở chế độ F= 550 mm/p 102

Hình 4.49 Giới hạn giá trị đầu vào và ra 102

Hình 4.50 Đồ thị Pareto tối ưu trong trường hợp không ràng buộc 103

Hình 4.51 Đồ thị Pareto tối ưu trong trường hợp ffa  6 m và Ra  0.63m 103

xi

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Bánh răng côn răng thẳng (BRCT) đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnhvực của nền kinh tế, đặc biệt là trong các 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 Nếu chỉ nói đếnlĩnh vực sản xuất ô tô và máy móc thì nhu cầu sản xuất BRCT đang là rất lớn BRCTngày càng được quan tâm nhiều hơn do chúng có nhiều ưu điểm nổi trội so với cácdạng truyền động khác

Trước đây, do lý thuyết tạo hình bề mặt BRCT là tương đối phức tạp và công nghệgia công BRCT khó kiểm soát về chất lượng nên bộ truyền BRCT thường chỉ đượcthiết kế với kết cấu đơn giản để sử dụng trong các truyền động không cần có độ chínhxác về vị trí cao Việc chỉ sử dụng các bộ truyền có kết cấu đơn giản trong thực tế đãlàm giảm đi tính ứng dụng và khả năng làm việc của bộ truyền BRCT

Tuy nhiên trong nhưng năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹthuật thì lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới vào thiết kế và chế tạo cácBRCT có chất lượng cao hoặc các BRCT có sự thay đổi về kết cấu để nâng cao hiệuquả và chất lượng làm việc của bộ truyền đang được các nhà nghiên cứu trong vàngoài nước quan tâm nhiều hơn trước Nghiên cứu chế tạo bánh răng côn răng thẳng

có gờ chặn (BRCG) là một trong những hướng nghiên cứu như vậy với ưu điểm là khảnăng tải được nâng lên một cách đáng kể với kết cầu vai chặn ở đỉnh và đáy răng

BRCT là tương đối lạc hậu so với thế giới, chủ yếu BRCT thường được gia công vớiphương pháp gần đúng và cho chất lượng bánh răng tương đối thấp, phụ thuộc lớn vàotrình độ tay nghề của công nhân Các cơ sở sản xuất bánh răng và các trung tâm nghiêncứu về bánh răng ở Việt Nam có chung đặc điểm là thiếu thốn về trang thiết bị gia côngcũng như đo kiểm Đầu những năm của thế kỷ 20 với sự hội nhập nhanh chóng của nềnkinh tế thì ngành chế tạo bánh răng ở Việt Nam đã có nhưng bước phát triển mạnh mẽ,nổi bật trong đó là những hướng tiếp cận mới về việc gia công bánh răng trên các máygia công tự động Hầu hết các cơ sở sản xuất bánh răng hiện nay đều đã được trang bị cácmáy phay CNC để khắc phục các vấn đề hạn chế còn vướng phải khi gia công bánh răngbằng các phương pháp gia công truyền thống (Cắt lẹm chân răng, khả năng gia công củaphương pháp, độ chính xác gia công, …)

Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ CNC vào gia công các bánh răng trên thực tế

đã đem lại nhiều hiệu quả trong chế tạo, tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn còn tồn tạinhiều vấn đề chưa giải quyết được hoặc giải quyết chưa triệt để:

- Chưa kiểm soát được chất lượng thiết kế khi mô hình hóa bề mặt răng

- Chưa xây dựng được quy luật quan hệ giữa yếu tố công nghệ đầu vào với chất lượng sản phẩm

Với đặc tính làm việc của BRCT thì việc đánh giá chất lượng chế tạo thường đượcđánh giá thông qua các giá trị kích thước vi mô, độ bóng bề mặt và khả năng tiếp xúcgiữa các bề mặt trong truyền động Vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp thiết kế vàcông nghệ để tạo hình bề mặt BRCG trên máy phay CNC 3 trục, cũng như nghiên cứu

sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng tạo hình bề mặt BRCG thôngqua việc đánh giá các yếu tố đầu ra (nhấp nhô bề mặt, thông số hình học vi mô và kíchthước vết tiếp xúc) ở bước gia công tinh là cấp thiết và cấp bách Để giải quyết vấn đề

này, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ để

1

đảm bảo độ chính xác tiếp xúc của bộ truyền bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn trên máy phay CNC”.

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Mục đích của đề tài

- 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 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 tiến của đề tài a) Ý nghĩa khoa học

- Kết quả của đề tài là cơ sở để thiết kế, gia công và đánh giá chất lượng BRCG khi gia công trên máy phay CNC

- Kết quả của đề tài là tài liệu để lựa chọn bộ thông số công nghệ khi cần nâng caonăng suất và chất lượng chế tạo BRCG Z11-16 m8 khi gia công trên máy phay CNC 3trục

- Đã xác định được mối quan hệ giữa bộ thông số (S, F, z) đến chất lượng bộtruyền BRCG (độ nhám bề mặt, kích thước vết tiếp xúc và sai lệch hình dạng profilerăng) 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 điềuchỉnh vết tiếp xúc, nghiên cứu tối ưu hóa quá trình gia công bánh răng, nghiên cứu vểtinh chỉnh các bề mặt bánh răng côn,…

b) Ý nghĩa thực tiễn

được sử dụng để thay thế các thiết bị nhập ngoại trong các xe có tải trọng lớn ở các mỏkhai thác than lộ thiên tại tỉnh Quảng Ninh

- Sản phẩm bộ phần mềm thiết kế bánh răng được xây dựng trong luận án đã đượcứng dụng để thiết kế các bộ truyền BRCG tại công ty chuyên sản xuất bánh răng chấtlượng cao Cơ khí Hồng Lĩnh

2

- Kết quả của luận án có thể được sử dụng vào thực tế sản xuất để đánh giá chấtlượng gia công hoặc phân tích và dự đoán sự thay đổi vết tiếp xúc khi gia công cácBRCG 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 luận án

- 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 củađường thân khai

- 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 Bố cục của luận án

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

Chương 1: Tổng quan về truyền động BRCT và nghiên cứu các phương pháp gia

công BRCT Chương này đề cập đến các thông tin về kết cấu của BRCT cũng như đặcđiểm của BRCG, tổng hợp lý thuyết liên quan để xây dựng nên phương pháp thiết kế,công nghệ trong gia công bám biên bề mặt ứng dụng cho việc gia công BRCG trênmáy phay CNC 3 trục Cuối chương trình bày tóm tắt các nghiên cứu ở trong và ngoàinước đã được công bố có liên quan đến các vấn đề về thiết kế và chế tạo BRCT, phântích các mặt đạt được và chưa đạt được Kết luận của chương đã đưa ra được phươngpháp cũng như quy trình thiết kế và chế tạo BRCG trên máy phay CNC 3 trục cũngnhư định hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Nội dung của chương là đi nghiên cứu các tiêu chí đánh giá chất lượng

BRCG thông qua độ chính xác của các thông số hình học và chất lượng vết tiếp xúc.Nội dung của chương còn nghiên cứu lý thuyết ăn khớp không gian và sự hình thànhvết tiếp xúc để xây dựng công cụ phần mềm xác định sự dịch chuyển điểm đầu trongtiếp xúc ăn khớp của truyền động BRCT Nội dung của chương là cơ sở để đánh giákết quả nội dung nghiên cứu ở chương 3 và là cơ sở lý thuyết để thực hiện nghiên cứuthực nghiệm ở chương 4

Chương 3: Nội dung của chương là xây dựng bộ phần mềm tạo cơ sở dữ liệu đầu

vào cho quy trình chế tạo BRCT trên máy phay CNC 3 trục đã nghiên cứu ở chương 1.Qua đó ứng dụng kết quả đã nghiên cứu để gia công BRCG Z11-16 m8 và đánh giáchất lượng sản phẩm thông qua các lý thuyết đã nghiên cứu trong chương 2 Kết luậncủa chương là sự khẳng định tính đúng đắn của quy trình thiết kế và chế tạo BRCGtrên máy phay CNC 3 trục, từ đó đề xuất phương án kiểm soát chất lượng và nâng caonăng suất gia công khi gia công BRCG trên máy phay CNC 3 trục

Chương 4: Ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xác định mối quan hệ

giữa các yếu tố công nghệ (S, F, z) đến độ nhấp nhô tế vi (Ra), sai lệch hình dạngprofile răng (ff) và kích thước vết tiếp xúc (be, he) trong gia công BRCG trong phạm

vi nghiên cứu Qua đó làm cơ sở để xử lý xung đột về lợi ích giữa thời gian gia công

và chất lượng vết tiếp xúc bằng bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu Kết quả nghiên cứu

3

của chương là dữ liệu thông số công nghệ để gia công tinh BRCG Z11-16 m8 khi có yêu cầu về các thông sô kỹ thuật.

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lýthuyết để thu thập các thông tin khoa học trên cơ sở các nghiên cứu trước đây của cácnhà khoa học đã được công bố và sử dụng các tư duy khoa học để rút ra những luậnđiểm khoa học cần thiết cho luận án Cùng với đó là phương pháp nghiên cứu thực tiễn

để làm rõ bản chất cũng như chứng minh các quy luật đã được đưa ra trong các giảthuyết Sử dụng các công cụ toán học kết hợp tin học và kết quả thực nghiệm để xâydựng 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 loạibánh răng có khả năng tải lớn là BRCG để làm đối tượng nghiên cứu Việc nghiên cứutập trung chủ yếu là sự ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chế tạoBRCG và các giải pháp đảm bảo vết tiếp xúc của bộ truyền

- Sau đó đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học chủ động tác động vàocác yếu tố công nghệ gia công một cách có hệ thống, thu thập thông tin đối tượng để rút

ra kết luận bổ ích cho việc lựa chọn thông số gia công phù hợp với từng trường hợp cụthể trong phương pháp bám biên bề mặt trên máy phay CNC 3 trục

- Các thực nghiệm được thực hiện với các trang thiết bị hiện có tại Việt Nam như:Trung tâm gia công kỹ thuật số SUPER TONADO HCMC-11000 của Đài Loan, máymài răng CNC NILES ZE800 của Đức, máy cà vết 5A725 của Nga tại công ty cổ phần cơkhí Hồng Lĩnh Máy đo độ nhấp nhô tế vi SurftestSJ-301 của Nhật tại phòng đo lườngcông ty Z117 – Bộ Quốc phòng Các kết quả trên được thu thập, đo kiểm và tính toántheo lý thuyết đo lường và quy hoạch thực nghiệm

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG

BÁNH RĂNG CÔN RĂNG THẲNG.

1.1 Vị trí truyền động bánh răng côn răng thẳng.

Hình 1.1 Phân loại bánh răng dựa vào vị trí trục

Truyền động BRCT là dạng truyền động đơn giản nhất trong truyền động bánhrăng côn, bộ truyền BRCT thường được sử dụng để truyền chuyển động và momengiữa 2 trục giao nhau, thông thường góc hợp trục () của 2 trục này là 900 BRCTđược sử dụng nhiều trong các dạng truyền động có tốc độ thấp và chịu tải trọng tĩnh.Ngày này bộ truyền BRCT thường được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không

vũ trụ, chế tạo máy, xây dựng, nông nghiệp, hàng hải,… [1÷5]

Sơ đồ trên hình 1.1 chỉ cho chúng ta thấy các dạng truyền động bánh răng khácnhau dựa trên cơ sở sự sắp xếp của các trục Sơ đồ cũng cho chúng ta thấy được rằng

so với các dạng bánh răng côn hypoid thì BRCT có vận tốc trượt bé hơn do đó nhiệt và

ma sát trượt sinh ra sẽ bé hơn so với các bộ truyền khác tuy nhiên BRCT có các hạnchế là khả năng tiếp xúc sẽ thấp hơn, hiệu suất làm việc bé hơn và kích thước giới hạncủa bánh nhỏ (Pinion) sẽ nhỏ hơn [6]

a) Bánh răng côn răng thẳng b) Bánh răng côn răng cong c) Bánh răng côn Zerol d) Bánh răng côn Hypoid

Hình 1.2 Các dạng bánh răng côn

5

Dựa vào nguyên lý tạo hình bề mặt răng mà BRCT được coi là một trong bốn dạngtruyền động chính của truyền động bánh răng côn, bao gồm: BRCT, bánh răng cônrăng cong (côn xoắn), bánh răng côn Zerol và bánh răng côn hypoid.

Trong đó BRCT về cơ bản có phương pháp tạo hình giống với bánh răng trụ thẳngkhi có đường sinh của bề mặt răng là đường thẳng và được tạo thành khi dụng cụ cắtchuyển động đi qua đỉnh chung của bánh răng được cắt và dao cắt (hình 1.2a) Bánhrăng côn răng cong có bề mặt răng được sinh ra ngoài chuyển động cắt thẳng về tâmcòn có chuyển động bao tròn bề mặt (hình 1.2b) Bánh răng côn Zerol là một dạng đặcbiệt của bánh răng côn răng cong khi có góc xoắn bằng 0o (hình 1.2c) Bánh răng cônhypoid có nguyên lý gần giống bánh răng côn xoắn, tuy nhiên biên dạng của bề mặtrăng được chế tạo để 2 trục truyền động không giao nhau (hình 1.2d)

1.2 Phân loại bánh răng côn răng thẳng.

Tùy vào từng tiêu chí mà việc phân loại BRCT có thể phân loại theo nhiều cáchkhác nhau, trong đó yếu tố cấu tạo là yếu tố thường được chọn làm tiêu chí để phânloại BRCT [4] Dựa theo những yếu tố cấu tạo việc phân loại BRCT sẽ được xây dựngtrên những dấu hiệu sau đây:

chuẩn trục (hình 1.4b) Đối với các bánh răng liền trục người ta thường chọn mặt chuẩn

là các mặt trục

Hình 1.3 Các loại BRCT với vị trí mặt chuẩn

 Dựa vào mặt chuẩn đảm bảo lắp ghép: Tiêu chí này dựa vào điều kiện kỹ thuật đảm

bảo sự tiếp xúc trong quá trình ăn khớp của các BRCT Để đảm bảo sự ăn khớp đúngtrong lắp ghép BRCT thường sử dụng các mặt đầu của kết cấu bánh răng, do đó khi dựavào tiêu chí này chúng ta sẽ có 2 loại BRCT là: bánh răng có chuẩn theo mặt đầu củamayơ (hình 1.4a) và bánh răng có chuẩn theo mặt đầu của vành răng

(hình 1.4b)

Hình 1.4 Các loại BRCT với vị trí mặt chuẩn lắp ghép đúng

 Dựa vào hình dáng của đường kính cực đại: Thông thường đường kính lớn nhất của một

BRCT sẽ có đường kính đỉnh tại mặt phẳng vuông góc với đường sinh ở đáy

6

lớn (hình 1.5a), tuy nhiên để công việc chế tạo phôi và lắp ghép khi sử dụng dễ dànghơn kính thước đỉnh răng De của bánh răng sẽ được hiệu chỉnh theo hai cách: Giacông một đoạn trụ dài (thông thường chiều dài đoạn trụ là 2mm) để gia công tiệnphôi bánh răng được dễ hơn (hình 1.5b); Gia công tù một đoạn để tiện lợi khi lắpráp bánh răng (hình 1.5c).

Hình 1.5 Hình dạng vành răng của BRCT

chúng ta phân làm 2 loại: bánh răng côn răng thẳng không có gờ chặn (hình1.6a)

và bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn (hình 1.6b)

Hình 1.6 BRCT có gờ và không có gờ chặn

bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn (BRCG) chính là đối tượng nghiên cứu củaluận án

1.3 Đặc trưng bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn

Hiện nay, khi sử dụng truyền động BRCT trong các thiết bị có tải trọng lớn thì cácnhà thiết kế thường sử dụng kết cấu BRCT có gờ chặn như trên hình 1.6a [7÷9] Vớikết cấu gờ chặn ở cuối và đầu răng, BRCG có khả năng tải tốt hơn BRCT có kết cấutruyền thống ở cùng thông số, trong các nghiên cứu của mình Ligata.H và Zhang.H.H

đã chứng minh được rằng với kết cấu có gờ chặn, bộ truyền BRCT có thể giảm sự pháhủy bởi ứng suất uốn từ 8% đến 10% [10] Tuy nhiên dạng bánh răng này lại tồn tạihai nhược điểm lớn là:

 Không thể chế tạo được bằng các phương pháp gia công răng truyền thống như:phay định hình, gia công theo dưỡng, bào răng,…mà không để xảy ra hiện tượng phá hủykết 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)

7

Hình 1.7 Hiện tượng tróc rỗ bề mặt trên BRCG.

1.4 Các dạng truyền động.

Tùy thuộc vào góc hợp trục của bánh chủ động và bánh bị động mà chúng ta cóthể phân làm bốn dạng truyền động cho BRCT khác nhau: Truyền động vuông góc(góc hợp trục  = 900), truyền động góc tù (# 900), truyền động ăn khớp trong vàtruyền động thanh răng tròn

c) Truyền động ăn khớp trong d) Truyền động thanh răng tròn

(1.3)(1.4)

(1.5)(1.6)

(1.7)(1.8)

1.4 Các phương pháp gia công bánh răng côn răng thẳng.

Trước đây BRCT thường được gia công bằng các phương pháp gia công cắt gọt cơhọc truyền thống trên các máy công cụ chuyên dụng như: Máy phay răng, máy xọcrăng, máy chuốt răng, máy bào răng, máy cà răng,…Tuy nhiên trong một vài thập kỷgần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điều khiển kỹ thuật số cũng như cáccông nghệ gia công mới đã cho phép các nhà sản xuất gia công được các bề mặt răngcôn thẳng có chất lượng cao với nhiều phương pháp mới như: Rèn răng trong khuônnóng, dập răng liên hoàn, đúc bánh răng, gia công răng bằng biến dạng dẻo, gia côngbám biên dạng SSM,…Trong nội dung của luận án, tác giả trình bày sơ lược cácphương pháp gia công BRCT và tập trung phân tích nhiều hơn ở phương pháp giacông bám biên bề mặt (Sculptured Surface Machining - SSM), đây cũng chính làphương pháp đã được lựa chọn để nghiên cứu của luận án

1.4.1 Phương pháp định hình

Theo phương pháp này thì dụng cụ cắt sẽ có profile giống với profile của rãnhrăng cần gia công chế tạo [4, 7] Dụng cụ thường sử dụng trong phương pháp này làcác dao phay đĩa modul và dao phay ngón modul (hình 1.9a) Trong sản xuất nhỏ vàđơn chiếc, phương pháp này thường được sử dụng để gia công các bánh răng có cấpchính xác từ 9 ÷ 11 (TCVN) trên các máy phay vạn năng có trang bị kết cấu đồ gá đầuphân độ Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối phương pháp này được sử dụngtrên máy chuyên dùng với các dụng cụ cắt chuyên dùng để nâng cao năng suất Ví dụ:

Sử dụng dao chuốt vòng định hình (hình 1.9b)

Hình 1.9 Phương pháp gia công định hìnhPhương pháp cắt răng định hình không đòi hỏi cao về các máy chuyên dụng, tuynhiên chất lượng của bánh răng phụ thuộc nhiều vào biên dạng dụng cụ và độ chínhxác của thiết bị chia

1.4.2 Phương pháp gia công theo dưỡng

Phương pháp này thường được sử dụng nhiều trong gia công các bánh răng cóđường kính và môđun lớn [4, 7] Đối với các BRCT, kích thước của răng tăng dần theohướng của đỉnh nên profile của răng cần gia công trên các cỡ răng là như nhau, do đódưỡng được dùng để gia công trong các bánh răng có cùng số răng là như nhau.Phương pháp này profile của răng sẽ được xây dựng giống với profile của dưỡng cắt(hình 1.10)

9

Hình1.10 Phương pháp gia công theo dưỡng.

1.4.3 Phương pháp bao hình

Trong công nghệ gia công BRCT hiện nay thì phương pháp bao hình được các cơ

sở sản xuất sử dụng làm phương pháp gia công chính [4, 7] Khi cắt răng bằng phươngpháp bao hình thi profile răng được tạo thành nhờ sự ăn khớp giữa bánh răng cần giacông với bánh răng dẹt sinh (bánh răng ăn khớp tưởng tượng) Khác với phương phápđịnh hình thì khi cắt răng theo phương pháp bao hình, chuyển động tạo hình củaphương pháp này ngoài chuyển động tịnh tiến còn có chuyển động quay, các lưỡi cắtthẳng của các dao bào hoặc các răng của dao phay răng trong quá trình chuyển độngbao hình sẽ tạo ra profile răng (lăn tương đối giữa dụng cụ và phôi) Do chuyển độngtạo hình trong phương pháp là chuyển động phức tạp nên phương pháp này đòi hỏi cácmáy gia công phức tạp hơn so với 2 phương pháp trên Trong phương pháp này, bàorăng bao hình là phương pháp có tính vạn năng cao nhưng năng suất lại thấp, phươngpháp này thường sử dụng trong dạng sản xuất đơn chiếc (hình 1.11a) còn trong sảnxuất hàng loạt người ta thường sử dụng phay bao hình để tăng năng suất (hình 1.11b)

a) Bào răng bao hình b) Phay răng bao hình Hình 1.11 Phương pháp gia công răng bao hình

1.4.4 Phương pháp gia công dập nóng

Ngoài các phương pháp cắt răng kể trên thì để giảm thời gian chuẩn bị phôi cũngnhư tiết kiệm nguyên liệu trong quá trình chế tạo BRCT, một số nhà khoa học đã đưacông nghệ rèn nóng bánh răng bằng khuôn kín, tuy nhiên kết quả nghiên cứu cho thấy

để đạt được chất lượng bề mặt bánh răng tốt thì phương pháp rèn nóng bằng khuôn kínđòi hỏi phải có các máy móc chuyên dùng phức tạp, đắt tiền [4, 7, 9]

10

Hình 1.12 Phương pháp dập nóng khuôn kín.

Các sản phẩm gia công bằng phương pháp này thường khó đảm bảo độ chính xác

về vị trí tương quan giữa các bề mặt, khe hở bánh răng không đồng đều và dễ bị rạnnứt tại các chân răng Ngoài ra phương pháp này còn bị hạn chế khi gia công các bánhrăng côn có chiều dày răng lớn

1.4.5 Phương pháp gia công bám biên dạng SSM.

Hình 1.13 Gia công bám biên dạng BRCTHiện nay, công nghệ gia công kỹ thuật số đã phát triển rất mạnh và cho phép giacông các bề mặt răng trên máy điều khiển số CNC Phương pháp SSM là phương pháptạo hình bề mặt răng thông qua việc gia công bề mặt răng từ dữ liệu số hóa bề mặt chotrước, ưu điểm của phương pháp này là có thể gia công các bề mặt răng với các loạidụng cụ vạn năng (dao phay ngón, dao cầu, ) với nhiều chủng loại và dải kích thướckhác nhau Ngoài ra việc gia công bằng phương pháp SSM có thể khắc phục được hiệntượng cắt lẹm chân răng khi đầu dụng cụ cắt đi vào chân răng khi gia công trên cácmáy 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, vìquá trình gia công không phụ thuộc vào các xích truyền động cũng như tính độc lậpgiữa 2 bề mặt răng Ví dụ: Bánh răng tối ưu hóa chân răng, BRCG

Theo tiêu chuẩn DIN 8589-3 thì quy trình chế tạo bánh răng trên máy CNC về cơbản 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.

11

Image source: Holfmann GroupHình 1.14 Mô tả quy trình gia công răng.

Qua đó quy trình chế tạo bánh răng trên máy phay CNC có thể được mô tả qua babước: Tạo dữ liệu đầu vào, lựa chọn dụng cụ gia công và xử lý thông số như mô tả ởtrên hình 1.14 [11] Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu từng nội dung cụ thể của quy trìnhchế tạo bánh răng

1.4.5.1 Quá trình tạo dữ liệu đầu vào

DIN AGMA Gear data ISO

Gear Geometry

CAD/CAM System

NC Code

Correction of tool length and diamẹter Gear Measurement

Hình 1.15 Lưu đồ quá trình tạo dữ liệu đầu vàoKhác với quá trình chế tạo bánh răng ở các phương pháp gia công truyền thống thìquá trình chế tạo bánh răng trên máy phay CNC đòi hỏi người thiết kế phải cung cấpcho quá trình gia công biên dạng hình học cần gia công dưới dạng tọa độ (CADSystem) Các biên dạng hình học này có thể được xây dựng bằng cách sử dụng cácphần mềm chuyên dùng về thiết kế bánh răng như: Kisssoft, WZL gear toolbox,ZAKgear, ZAR,… hoặc sử dụng cơ sở lý thuyết tạo hình để xây dựng theo phươngpháp thủ công Đối với việc sử dụng dữ liệu tọa độ điểm để xây dựng bề mặt trong đồhọa luôn luôn tồn tại sai số thiết kế, chính vì vậy mà ứng với từng phần mềm sẽ cóphạm vị sử dụng và độ chính xác thiết kế riêng tùy thuộc vào phương pháp xây dựng

bề mặt, sai số này khi thiết kế cần phải được quan tâm để đảm bảo chất lượng thiết kếcho sản phẩm Hình 1.15 chỉ cho chúng ta quá trình cần thiết để xây dựng nên dữ liệuđầu vào cho một quá trình gia công bánh răng trên máy phay CNC

(1) Đầu tiên chúng ta sẽ thiết kế và tính toán các thông số của bộ truyền bánh răng theo các tiêu chuẩn hiện hành;

12

(2) Từ các thông số thu được chúng ta mô hình hóa bề mặt bánh răng;

(3) Xây dựng biên dạng bề mặt gia công dưới định dạng tọa độ;

(4) Các thông số hình học sẽ được chuyển đổi thành câu lệnh NC thông qua các phần mềm xử lý gia công;

(5) Trong quá trình hình thành dữ liệu đầu vào chúng ta có thể hiệu chỉnh bề mặt để tối

ưu bộ truyền trong bước mô hình hóa bề mặt hoặc bù đắp sai số trong quá trình chế tạo

và thiết kế bằng cách đo kiểm và hiệu chỉnh dụng cụ trước khi xây dựng NC code

1.4.5.2 Quá trình lựa chọn dụng cụ cắt.

Lựa chọn dụng cụ cắt là bước quan trọng trong quy trình gia công bánh răng trênmáy phay CNC Khi chọn dụng cụ cắt chúng ta phải dựa vào các yếu tố: Cơ tính củavật liệu gia công, hình dạng bề mặt của profile, lượng dư gia công, yêu cầu chất lượng

bề mặt và khả năng gia công của máy

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

Các dạng dụng cụ khác nhau được sử dụng để gia công bánh răng trên máy CNC

và thông số hình học của chúng được mô tả như ở giữa hình 1.14 Tùy thuộc vào cácthông số lựa chọn mà bề mặt dụng cụ cắt sẽ tiếp xúc với bề mặt gia công theo điểmhoặc đường

1.4.5.3 Quá trình xử lý tham số

Sau khi đã xác định được kết cấu, vật liệu, cấp chính xác của bánh răng và dụng cụgia công, để đưa ra được tổng quan về quy trình gia công bánh răng trên máy phayCNC 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

đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt khi tạo hình bề mặt răng (hình 1.16) Quỹ đạodịch chuyển của dụng cụ cắt được chia làm ba phương pháp với các đặc trưng khácnhau:

2 Theo hướng bề rộng răng (đối với BRCT là theo hướng vuông góc với hướng profile răng) và

13

Dựa vào năng lực công nghệ chế tạo, yêu cầu về chất lượng và phương pháp gá đặtkhi gia công mà chúng ta có thể lựa chọn phương pháp điều khiển dụng cụ cắt mộtcách phù hợp.

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 đổiđồng biến chúng ta có thể điều chỉnh bước tiến dao không đổi theo chiều sau cắt dọc biêndạng răng (z = const) và để bề mặt có cấu trúc tự do thì chúng ta không ràng buộc đạilượng dịch chuyển và hướng của profile (hình 1.16)

Hình 1.18 Các phương án dịch chuyển dụng cụ

CNC chúng ta có thể lựa chọn hai phương pháp cắt là: cắt từng răng và cắt tất cảcác răng trên cùng một chiều sâu cắt.Nếu chúng ta sử dụng chế độ cắt theo từngrăng (steady indexing) thì sẽ rút ngắn được thời gian gia công nhưng sẽ gây ra sai

số tích lũy giữa răng đầu và răng cuối; Còn nếu chúng ta sử dụng chế độ cắt tất cảrăng trên cùng chiều sâu (unteady indexing) thì quá trình gia công có thể loại bỏđược sai số tích lũy nhưng sẽ kéo dài thời gian gia công Ngoài ra khi lập trình giacông chúng ta có thể lựa chọn kiểu gia công có định vị mới (NP) hoặc không cóđịnh vị mới (NNP) cho quá trình gia công

Thông qua việc xác định được các thông số của dụng cụ cắt và chiến lược gia côngthì chúng ta có thể tính toán được sơ bộ về sai lệch hình dạng bề mặt gia công lýthuyết Qua đó có thể dự đoán được chế độ gia công cho phù hợp với từng yêu cầu vềchất lượng sản phẩm Đối với BRCT thì sai lệch về hình dạng lý thuyết trong gia công

14

sẽ được xác định thông qua chiều cao lượng dư giữa hai lần chạy dao và được xác địnhbởi công thức sau:

ta nhận thấy rằng việc gia công BRCG chỉ khả thi với 2 phương pháp gia công là:

 Phương pháp gia công dập nóng khuôn kín;

 Phương pháp bám biên bề mặt.

Trong đó phương pháp bám biên bề mặt là phương pháp gia công có độ linh hoạtcao và cho chất lượng gia công tốt hơn Qua nghiên cứu, chúng ta có thể xây dựngđược quá trình gia công BRCG bằng phương pháp SSM trên máy phay CNC 3 trục vớicác bước theo thứ tự như sau:

(2) Xây dựng biên dạng răng theo yêu cầu thiết kế;

(3) Lựa chọn vật liệu gia công;

(4) Lựa chọn máy và dụng cụ gia công theo thông tin hình học;

(5) Lựa chọn tham số gia công (Lineness, Trajectory và Indexing procedure )

1.5 Thông số bộ truyền bánh răng côn răng thẳng.

Hình 1.20 Kích thước và góc BRCT

15

Khi thiết kế bộ truyền BRCT, nếu chúng ta dựa vào khả năng tải và chế độ làmviệc của bộ truyền thì chúng ta sẽ chọn được modul (m), số răng của cặp bánh răng(Z1, Z2), hệ số chiều cao quy chuẩn (0), góc hợp trục () và góc ăn khớp (α) theo tiêu) theo tiêuchuẩn để làm cơ sở thiết kế [3, 4] Còn trong điều kiện sửa chữa hoặc chế tạo theo mẫuviệc thiết kế được bắt đầu bằng việc xác định modul trên cơ sở của những kết quả đochiều cao răng và đường kính đường đỉnh răng:

Bảng 1.1 Công thức tính thông số bộ truyền BRCT [3]

Tỉ số truyền - i12 i12  1 / 2  Sin2 /Sin1  Z2 / Z1

1

2

= B.cos( +)

Đối với các bộ truyền BRCT, khi tính toán bao giờ cũng phải tính theo đường kínhlớn Trong đó khoảng cách từ mặt đầu chuẩn đến đỉnh của mặt nón chia (kích thước K

16

trên hình 1.20) và khoảng cách giữa mặt đầu chuẩn đến mặt đáy của mặt nón đỉnh răng(kích thước P trên hình 1.20) có ý nghĩa lớn đến đến khả năng làm việc chính xác của

bộ truyền bánh răng Các thông số chính của bộ truyền BRCT được trình bày trongbảng 1.1

Đối với thông số khe hở hướng kính (c), các hãng sản xuất khác nhau sẽ chọncho mình một thông số khe hở hướng kính riêng Ví dụ: Trước thế chiến thứ 2 cáchãng Gaydenray và Gachee thường hay sử dụng khe hở hướng kính c = 0.1236m hoặc

c = 0.167m Ở Mỹ hãng Glenson lại thường sử dụng c = 0,188m Theo tiêu chuẩn thìkhe hở hướng kính sẽ là 0.25 m Tuy nhiên đối với BRCT khe hở hướng kính thườngđược chọn là 0.2 m Tùy theo từng giá trị của (c) mà chiều cao răng (h) sẽ thay đổi mộtcách tương ứng

Bảng 1.2 Số răng nhỏ nhất tránh hiện tượng cắt lẹm

Góc

lực

14030 29 /over 29 28 /over 29 27 /over 31 26 /over 35 25 /over 40 24 /over 57

1.6 Dịch chỉnh bánh răng côn răng thẳng.

Hình 1.21 Sự dịch chỉnh chiều cao răng

Trong gia công bánh răng, để tránh sự cắt lẹm có hại khi số răng nhỏ thì đối vớinhững BRCT về cơ bản người ta chỉ sử dụng phương pháp dịch chỉnh chiều cao.Phương pháp dịch chỉnh góc hầu như không được sử dụng đối với những bánh răngdạng này Dịch chỉnh chiều cao đối với những BRCT có nghĩa là sửa đổi lại sự ănkhớp, trong đó sự thay đổi của góc mặt nón đỉnh răng e1 của bánh răng chủ động sẽđược bù lại bằng sự thay đổi góc mặt nón đỉnh răng e2 của bánh răng bị động đúngbằng một đại lượng như nhau nhưng ngược dấu Kết quả của sự dịch chỉnh góc làchiều cao đầu răng của bánh răng nhỏ tăng lên còn chiều cao đầu răng của bánh rănglớn giảm đi cùng một đại lượng 1m (hình 1.21) Trong phép dịch chỉnh chiều cao

BRCT thì tỷ số giữa đại lượng thay đổi về chiều cao đầu răng và chiều cao chân răng 17

với môđun trên cặp BRCT được gọi là hệ số dịch chỉnh và kí hiệu là  Việc dịchchỉnh BRCT sẽ làm thay đổi góc đỉnh răng (e) cũng như góc chân răng (i) qua đólàm thay đổi góc của mặt nón đỉnh và chân, tuy nhiên việc dịch chỉnh sẽ không làmthay đổi mặt nón chia của cặp bánh răng.

Khi hệ số dịch chỉnh 1 0

, chiều cao đầu răng của bánh răng được dịch chỉnh

h '  h ' , chiều cao chân răng của bánh răng được chỉnh h"  h'' Góc chia φ sẽcó giá trị

Bảng 1.3 Hệ số đầu răng K’ khi dịch chỉnh theo hệ Glenson

Hệ dịch chỉnh của hãng Glenson được nghiên cứu để ứng dụng cho các bộ truyền

có bánh nhỏ Z1 ≥ 10 và thường dùng trong trường hợp bánh nhỏ là bánh chủ động.Trong hệ dịch chỉnh Glenson thì chiều cao răng được quy định là h = 2,188m Bảnchất của sự dịch chỉnh hệ Glenson vẫn là dẫn tới sự tăng chiều cao đầu răng đối vớibánh nhỏ (K’) và giảm chiều cao đầu răng đối với bánh lớn (-K’) so với tiêu chuẩnthường dùng Khi dịch chỉnh đường kính đỉnh của cặp bánh răng sẽ thay đổi

D e1  D1  2m.cos(1).(2 - K')

Trên thực tế để phân biệt được BRCT dịch theo chỉnh hệ Glenson với hệ tiêuchuẩn thường dùng, người ta thường đo đường kính đỉnh bánh răng côn và so sánh vớikính thước tiêu chuẩn Việc dịch chỉnh BRCT hệ Glenson phải được thực hiện theobảng 1.3

1.6.2 Hệ dịch chỉnh theo tiêu chuẩn BSS

Cũng giống với hệ dịch chỉnh Glenson, hệ dịch chỉnh theo tiêu chuẩn Anh BSS

N08545-1934 được dùng trong trường hợp góc ăn khớp α) theo tiêu = 200 để làm thay đổi đườngkính vòng đỉnh răng( De1 bánh răng nhỏ lớn hơn và De2 bánh răng lớn nhỏ hơn nhữnggiá trị quy chuẩn tương ứng) và hệ số dịch chỉnh được lấy thông qua giá trị bảng 1.4

18

Số liệu được dùng với h’=1m và h’’ = 1,25m Chỉ số của thước đo răng sẽ thay đổikhi m #1, lúc đó giá trị của chỉ số đo sẽ tương đương với tích của giá trị modul với trị

số trong bảng nhân với giá trị của modun m =1

Bảng 1.4: Giá trị dịch chiều cao đầu răng đối với m = 1

Chỉ số của thước đo răng

và tỉ số truyền i12>1,5 khi đó h = 2,1236m

Hãng Râyneko dịch chỉnh dựa vào quan hệ :

 

2( max )3

Trong đó: max là góc đầu răng lớn nhất không cho phép cắt lẹm

Khi đó ta dễ dàng nhận thấy nếu  max  thì sự dịch chỉnh là không cần thiết

1.6.4 Hệ dịch chỉnh DIN

Bảng 1.5 Bảng tra số răng nhỏ nhất thực tế cho phép của bánh răng hình nón

α) theo tiêuo = 20o α) theo tiêu1 <15 ≥15

Đối với những BRCT , nhất là khi tỉ số truyền động gần bằng 1, nên lấy Z1

> Công thức xác định hệ số dịch chỉnh theo DIN

Zmin

19

hệ dịch chỉnh này chiều dày của răng sẽ thay đổi nhưng không làm thay đổi những yếu

tố ăn khớp còn lại Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến τ được tra theo bảng 1.6

Bảng 1.6: Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến τ dùng cho BRCT

20'

9 10'

50'

Z1

= 40'

30'

10

Z1

= 20'

10'

11

Z1=12 50'

= 13

góc đầu răng lớn nhất cho phép không có sự cắt lẹm được xác đinh theo công thức:

20

Điều đó có nghĩa là góc max lớn nhất cho phép chỉ phụ thuộc vào tỷ số truyềnđộng mà không phụ thuộc vào số răng của cặp bánh răng Lượng thay đổi góc đầu răngđược gọi là góc dịch chỉnh  và sẽ được xác định theo công thức:

   max

Khi đó nếu  max  sự dịch chỉnh là không cần thiết, giá trị góc dịch chỉnh  đốivới bánh răng nhỏ được lấy dấu (+) và đối với bánh răng lớn lấy dấu (-) Dựa vào đồ

thấy giá trị góc dịch chỉnh được lấy không lớn hơn mấy so với giá trị tính theo công(1.17)

Ngoài ra V.N Kudryavtsev còn sử dụng những hệ số dịch chỉnh  2  1 thay chogóc dịch chỉnh  Hệ số dịch chỉnh có thể xác định theo công thức:

1.6.7 Hệ dịch chỉnh góc:

Các hệ dịch chỉnh góc tương đối ít được sử dụng và thường chỉ được dùng trong trường hợp tổng số răng của bộ truyền bé hoặc trong những lĩnh vực chuyền dùng

Theo N S Kôverdaiep và S V Pôtaskaiepep thì đối với các loại bánh răng Z1 >

17 thì không nên dịch chỉnh mà xây dựng theo kích thước tiêu chuẩn Để tránh sự cắtlẹm răng những truyền động có tổng số răng quy đổi > 60 với Z1 < 17 và i12 > 1,5 tanên sử dụng dịch chỉnh chiều cao răng với :

1 i2

2

21

1.7 Phương trình đường thân khai

Đường thân khai là một trong những dạng đường cong thường được sử dụng nhiều

nhất để xây dựng profile của bánh răng Ưu điểm nổi bật của đường thân khai là khả

năng ổn định tỉ số truyền động khi làm việc [1, 2]

Đường cong thân khai là quỹ đạo của một điểm được gắn cố định trên đường

thẳng trong quá trình lăn không trượt trên một đường tròn cố định [1, 2, 12] Trong tạo

hình bánh răng thì đường tròn cố định đó được gọi là đường tròn cơ sở và được xác

định bởi công thức:

Hình 1.24 Tọa độ điểm trên đường thân khai

Giả sử khi có một đường thẳng (t) tiếp tuyến với đường tròn cơ sở tại điểm A và

lăn không trượt trên đường tròn bắt đầu từ điểm A đến điểm A0 và vẽ nên cung thân

khai AP Khi đó nếu gọi  là góc nhìn của cung AA 0 trên đường tròn cơ sở (hình 1.24)

chúng ta sẽ xây dựng được tọa độ của điểm P theo hệ tọa độ cực như sau:

Khi đó  được xác định với thứ nguyên [radian]

Thay biểu thức (1.21) vào (1.12) ta có:

Phương trình (1.23) chính là phương trình tham số của đường thân khai biên dạng

răng với tham số là  Trong trường hợp kích thước đường kính vòng cơ sở nhỏ hơn kích

thước vòng chân(D0 < D i) thì biên dạng răng sẽ là đoạn thân khai có phương trình

(1.23) với   [chan  dinh] Ngược lại thì biên dạng răng không phải là một đoạnthân khai hoàn chỉnh với đoạn thân khai có   [0  dinh] Trong đó chan và dinh

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, tácgiả nhận thấy việc nghiên cứu về BRCT chủ yếu được nghiên cứu bởi các nhà nghiêncứu 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 vụnghiên cứu