Một số thông số ảnh hưởng tới sai số profile răng khi phay lăn răng

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE RĂNG

2.2 Một số thông số ảnh hưởng tới sai số profile răng khi phay lăn răng

Độ chính xác chế tạo của dao phay lăn răng ảnh hưởng đáng kể tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng. Căn cứ vào độ chính xác của bánh răng cần gia công mà quy định độ chính xác của dao phay lăn răng cho phù hợp. Khi cắt bánh răng có độ chính xác cấp 7 nên dùng dao có cấp chính xác AA; đối với bánh răng có độ chính xác cấp 8 nên dùng dao cấp A; đối với bánh răng có độ chính xác cấp 9 nên dùng dao cấp B; Đối với bánh răng yêu cầu độ chính xác cấp 10 nên dùng dao cấp C [1]. Profile răng của bánh răng được hình thành bởi các lưỡi cắt của dao phay lăn răng. Độ chính xác của profile răng phụ thuộc vào profile của lưỡi cắt và sự bố trí tương quan giữa các răng cắt. Trong phần này, ảnh hưởng của độ chính xác chế tạo các phần tử khác nhau của kết cấu dao phay lăn răng tới độ chính xác profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng.

Sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng

Sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng sẽ trực tiếp làm cho bề mặt thanh răng sinh thực sai lệch so với bề mặt thanh răng sinh lý thuyết và gây ra sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng. Sai số profile lưỡi cắt tăng sẽ làm tăng sai số profile răng bánh răng được gia công. Sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng sinh ra do chế tạo dao không chính xác, do dao bị mòn hoặc dao được mài lại không chính xác.

Ảnh hưởng của sai số bước răng dao phay lăn răng

Sai số bước răng của dao phay lăn răng, sinh ra do quá trình chế tạo dao và đo được trên các máy đo chuyên dùng, như hình 2.3. Sai số bước răng có dạng sóng như hình 2.3a, sau đi đo sẽ xác định được vị trí các răng cắt có sai số bước răng lớn nhất (đỉnh sóng) như hình 2.3b. Giả sử tâm tạo hình tại vị trí răng cắt bất kỳ, tạo với răng cắt có sai số bước răng lớn nhất một góc Ψ (0< Ψ<2π, chiều dương là chiều ngược kim đồng hồ), khi đó vị trí điểm tạo hình Pk trên răng cắt thứ k sẽ bị sai lệch một lượng⁡∆E𝑘, sai lệch này có thể biểu diễn theo phương trình sau:

∆E𝑘 = 𝐴. 𝑐𝑜𝑠(𝑘.2𝜋𝑁 − Ψ) (2.5) Trong đó: (2.A) – Sai lệch lớn nhất của bước giữa các răng dao phay lăn răng đo trong đoạn làm việc của dao phay lăn răng (àm)

k – Số thứ tự của răng cắt so với tâm tạo hình, răng cắt tại tâm tạo hình có k=0.

N – Số rãnh răng của dao phay lăn răng

Ψ- Góc lệch của tâm tạo hình so với vị trí có sai số bước răng lớn nhất.

Hình 2. 3 Sai lệch bước răng (hob lead error) của dao phay lăn răng

a, b,

Sai lệch hob lead

max

Như vậy, sai số bước răng của dao phay lăn răng gây ra sai lệch vị trí răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh tưởng tượng và lượng sai lệch này được xác định theo phương trình (2.5). Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, hhi dao phay lăn răng có sai số bước răng dạng sóng thì sai số profile răng của bánh răng sau khi gia công có dạng sóng hình sin và sai số dạng này xuất hiện ngay trong những bánh răng đầu tiên [51][55][57].

2.2.2 Ảnh hưởng của sai số gá đặt dao phay lăn răng

Độ chính xác bánh răng sau khi phay lăn răng chịu ảnh hưởng bởi độ chính xác khi gá đặt dao. Khi phay lăn răng, dao phay lăn răng được lắp trên trục dao và xoay nghiêng một góc so với phương ngang. Vì vậy, trong thực tế trước khi gia công cần điều chỉnh góc gá dao và độ đảo của trục dao phay lăn răng.

Góc gá dao phay lăn răng

Khi gia công bánh răng trụ răng thẳng để các lưỡi cắt của răng dao trên đường xoắn vít của dao phay lăn răng tiếp tuyến với phương đường răng của bánh răng gia công (thoả mãn nguyên lý ăn khớp) thì trục dao phay lăn răng phải đặt nghiêng một góc  bằng góc nâng của đường ren () trên đường kính vòng chia của dao.

Quá trình gá dao phay lăn răng trên thực tế luôn có sai số về góc gá dao, do hai nguyên nhân chính: Thứ nhất, do độ chính xác của thang chia và tay nghề của người công nhân. Thứ hai, góc nâng của đường ren ghi trên dao không phản ánh đúng góc vít thực trên dao do: Sự sụt giảm của đường kính ngoài dao sau mỗi lần mài lại; và ngay cả với dao mới, nhằm tăng tuổi thọ cho dao, góc nâng được ghi trên dao cũng sai khác một lượng nhất định so với góc vít thực tế [61].

Trong quá trình tạo hình, dao phay lăn răng thực hiện chuyển động quay và mỗi điểm trên lưỡi cắt sẽ vẽ nên một quỹ đạo tròn. Vì các răng dao được sắp xếp theo đường xoắn vít nên quỹ tích các điểm trên răng cắt của mỗi răng sẽ di động dọc theo trục dao phay. Profin răng của bánh răng được tạo lần lượt bằng tất cả các răng của đường ren dao phay trên đoạn làm việc của nó. Khi góc gá dao  không chính xác, sẽ gây ra sự xê dịch vị trí điểm tạo hình trên răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh và gây ra sai số profile răng.

Do đó, khi gia công bánh răng bằng phay lăn răng, cần điều chỉnh góc gá theo góc nâng của đường ren dao phay lăn răng và cần phải tính toán góc góc nâng thực tế của đường ren dao phay lăn răng khi dao đã mài lại.

Độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng

Độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng sinh ra do đường tâm của trục gá dao không trùng với đường tâm của trục chính máy, gây ra sự xê dịch của profile răng dao ra khỏi bề mặt thanh răng sinh lý thuyết và là một trong những nguyên nhân gây ra sai số profile răng của bánh răng. Độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng có thể do nhiều nguyên nhân gây ra như do độ đảo của ổ trục chính máy, độ đảo của trục gá dao, sai số của bạc chặn…

Trong quá trình phay lăn răng, độ đảo trục dao phay lăn răng được biểu thị bằng 4 thông số bao gồm: giá trị độ đảo e1, e2 đo tại hai gờ dao sau khi lắp và góc lệch của hai vectơ độ đảo 𝜀1, 𝜀2 so với đường tâm bao hình, như hình 2.4-2.5.

Hình 2. 4 Sơ đồ đo độ đảo trục dao khi phay lăn răng

Hình 2. 5 Sai số vị trí tâm quay của một điểm trên răng cắt thứ k khi xuất hiện đảo dao phay lăn răng

Độ đảo hướng kính này làm cho lưỡi cắt bị xê dịch đi khỏi bề mặt của trục vít cơ sở theo 2 phương Y, Z như hình 2.5. Khi đó vị trí tâm quay của điểm Pk sẽ bị xê dịch một lượng: ∆k = √∆Y2+ ∆Z2 (2.6)

Trong đó: ∆Z, ∆Y là độ lệch tâm trên răng cắt thứ k theo phương Z, Y được xác định theo công thức sau:

{∆𝑌 = 𝑒1. 𝑠𝑖𝑛𝜀1+ (𝑒2. 𝑠𝑖𝑛𝜀2 − 𝑒1. 𝑠𝑖𝑛𝜀1)𝑙𝑙𝑘

∆𝑍 = 𝑒1. 𝑐𝑜𝑠𝜀1 + (𝑒2. 𝑐𝑜𝑠𝜀2− 𝑒1. 𝑐𝑜𝑠𝜀1)𝑙𝑘

𝑙

(2.7)

e1, e2 – Độ đảo hướng kính tại hai đầu dao phay lăn răng lắp lên trục gá dao trước khi gia công, thông thường e1<e2.

𝜀1, 𝜀2 – Góc lệch của vecto độ đảo so với đường tâm bao hình.

lk – Khoảng cách từ vị trí răng thứ k tới đầu dao ứng với độ đảo e1. lo - Chiều dài dao phay lăn răng.

Sai lệch bán kính Rk của điểm Pk sẽ được xác định theo công thức:

∆𝑅𝑘 = ∆𝑘. cos(θ𝑘− 𝜀𝑘) = ∆𝑘. cos⁡(𝑘.2𝜋𝑁 − 𝜀𝑘) (2.8) Trong đó: k – Số thứ tự răng cắt so với tâm tạo hình.

∆𝑅𝑘– Sai lệch bán kính của điểm Pk.

∆𝑘 – Độ đảo của trục dao tại vị trí răng cắt thứ k (với e1< ∆𝑘<e2).

𝜀k – Góc lệch của vec tơ độ đảo tại vị trí răng thứ k so với đường tâm bao hình.

Thay vào phương trình (2.4) xác định được sai lệch lượng xê dịch vị trí răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh. Như vậy, độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng làm cho vị trí điểm tạo hình trên răng cắt bị xê dịch ra khỏi bề mặt thanh răng sinh khởi thủy, gây ra sai số profile răng. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra sai số profile răng có dạng sóng hình sin khi xuất hiện độ đảo trục dao phay lăn răng, như hình 2.6 [63][64]. Giá trị độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng tăng sẽ làm tăng biên độ sóng hình sin của sai số profile răng.

Hình 2. 6 Sai số profile răng khi trục dao phay lăn răng bị đảo hướng kính [63]

Nhận xét: Sai số gá đặt ảnh hưởng đáng kể đến sai số của bánh răng khi phay lăn răng. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của sai số góc gá dao tới profile răng của bánh răng và đã đề xuất được phương pháp gá đặt hợp lý. Trong khi, độ đảo trục dao được nhiều tác giả nghiên cứu, cho thấy sai số profile răng có dạng sóng hình sin khi có độ đảo trục dao, nhưng chưa đưa ra được biện pháp điều chỉnh độ đảo hợp lý, đặc biệt trong điều kiện sản xuất với các máy PLR bán tự động, khó điều chỉnh độ đảo trục dao quá nhỏ.

2.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện cắt tới sai số profile răng

Chế độ cắt được hiểu là bao gồm các thông số cơ bản của quá trình phay lăn răng (vận tốc cắt, lượng chạy dao và hướng chạy dao). Chế độ cắt sẽ quyết định quá trình bóc tách phoi thuận lợi hay khó khăn. Nếu chế độ cắt khi phay lăn răng hợp lý sẽ góp phần giảm rung động, tránh hiện tượng lẹo dao, giảm mòn dao và từ đó sẽ nâng cao được độ chính xác của bánh răng sau khi gia công.

Vận tốc cắt

Vận tốc cắt được lựa chọn tùy thuộc vào vật liệu phôi, vật liệu dụng cụ cắt, lượng chạy dao và trang thiết bị gia công. Trong điều kiện máy đủ độ cứng vững và dụng cụ cắt

chưa mòn thì giá trị vận tốc cắt ảnh hưởng ít tới sai số profile răng của bánh răng [62][52].

Vận tốc cắt chỉ có ảnh hưởng lớn tới lượng mòn dụng cụ cắt và khi đó gây ra sai số profile răng đáng kể. Trong điều kiện gia công ở Việt Nam, với trang thiết bị cũ, quá trình phay lăn răng chỉ thực hiện ở dải vận tốc cắt thấp, sự thay đổi nhỏ của vận tốc cắt hầu như không ảnh hưởng nhiều tới mòn răng cắt và sai số profile răng. Và giá trị vận tốc cắt được tra theo sổ tay hoặc sử dụng theo khuyến cáo của nhà cung cấp dụng cụ.

Phương pháp chạy dao và lượng chạy dao

Trong quá trình phay lăn răng bánh răng trụ dao được dịch chuyển theo phương của đường răng nhằm gia công hết bề rộng bánh răng. Chuyển động chạy dao này được thực hiện sau mỗi vòng quay của phôi do đó các đường răng được hình thành không phải là đường trơn mà thường bị gấp khúc, như Hình 2. 7. Chiều cao của lượng gấp khúc của đường răng được tính toán theo công thức [2][10]:

𝛿𝑥= (𝐶𝑜𝑠⁡𝛽𝑓 ) .4.𝑑sin 𝛼

𝑎0 (1.12) Trong đó:

- f: lượng chạy dao đứng - β: góc nghiêng của răng - α: góc áp lực

- da0: đường kính ngoài của dao phay lăn răng

Chiều cao sóng đường răng phụ thuộc vào lượng chạy dao, góc nghiêng của bánh răng, góc nâng của dao và đường kính ngoài dao phay lăn răng. Trong thực tế, các răng cắt của dao không chạy dọc theo đường răng mà có chuyển động phối hợp với chuyển động quay của phôi do đó vết gia công không được sắp xếp thẳng hàng mà so le nhau. Do đó chiều cao của sóng đường răng cũng ảnh hưởng tới sai số profile răng, nhưng nhỏ hơn nhiều so với chiều cao sóng của profile răng [2][10]. Khi gia công tinh với lượng chạy dao nhỏ khoảng 1mm, chiều cao sóng của đường răng chỉ ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt răng mà ít ảnh hưởng tới sai số profile răng.

Giảm ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ chính xác bề mặt răng, thì phương pháp chạy dao đường chéo đã được lựa chọn thay thế cho phương pháp chạy dao truyền thống trước kia. Phương pháp chạy dao đường chéo là quá trình phay lăn răng sử dụng chuyển động chạy dao đứng kết hợp với chuyển động chạy dao dọc trục, như Hình 2. 8. Sử dụng phương pháp chạy dao đường chéo làm cho bề mặt trơn nhẵn hơn do các vết gia công được sắp xếp so le làm giảm chiều cao gợn sóng của đường răng. Tuy nhiên phương pháp chạy dao này chỉ phù hợp với các máy có chuyển động chạy dao dọc trục và tính toán bánh răng thay thế cũng khá phức tạp, nên phương pháp chưa được áp dụng rộng rãi.

Hình 2. 7 Sai lệch cơ bản của profile răng và đường răng khi phay lăn răng

Hình 2. 8 Phương pháp chạy dao truyền thống và chạy dao đường chéo

Như vậy, có thể lựa chọn lượng chạy dao và phương pháp chạy dao cho hợp lý để giảm chiều cao lượng gấp khúc của đường răng khi phay lăn răng bánh răng trụ, làm cho bề mặt răng trở nên trơn nhẵn hơn. Tuy nhiên, khi gia công bánh răng nhỏ với lượng chạy dao nhỏ thì ảnh hưởng của lượng chạy dao và phương pháp chạy dao tới độ chính xác profile răng là không đáng kể.

2.2.4 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát tới sai số profile răng Vai trò của bôi trơn và làm mát

Trong quá trình gia công, phoi trượt trực tiếp trên mặt trước và phôi trượt trên mặt sau của dụng cụ sinh ra nhiệt và mòn khốc liệt. Hiện tượng nhiệt và mòn phụ thuộc vào tính chất cơ, lý, hoá của hai bề mặt tiếp xúc. Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng trong môi trường không khí là nguyên nhân giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên không có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài các lớp màng này trong quá trình phoi và phôi liên tục trượt trên dao làm cho lớp màng không kịp tạo ra. Do đó, Dung dịch trơn nguội được lựa chọn và đưa vào vùng gia công một cách hợp lý nhằm một số mục đích sau:

+ Làm giảm hệ số ma sát của phoi trượt trên mặt trước và làm giảm ma sát của mặt sau với bề mặt gia công. Do vậy, dung dịch trơn nguội làm giảm lực cắt và giảm nhiệt phát sinh trong vùng cắt.

+ Dẫn nhiệt ra khỏi vùng cắt làm giảm nhiệt độ vùng cắt. Độ chính xác, chất lượng bề mặt gia công được nâng lên và độ mòn của dụng cụ cắt giảm.

+ Xâm nhập tốt nhất vào vùng cắt, đặc biệt xâm nhập vào những vết nứt tế vi, lúc này nó đóng vai trò như một cái chêm làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, khiến lớp kim loại dễ bị biến dạng dẻo và quá trình cắt dễ dàng hơn.

+ Khả năng làm lạnh của dung dịch càng lớn khi nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của nó càng lớn, nhờ đó tuổi bền của dao tăng lên và biến dạng do nhiệt của dao giảm đi.

+ Dung dịch trơn nguội tác động vào bề mặt phoi tạo ra lớp bọc cần thiết để phoi không bám vào nhau, thoát khỏi vùng tạo phoi dễ dàng.

+ Dung dịch bôi trơn – làm nguội luôn phải có xu hướng làm giảm lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, giảm hệ số ma sát, giảm biến dạng phoi. Kết quả thể hiện ở việc kéo dài tuổi thọ dụng cụ cắt, tăng chất lượng bề mặt gia công [3].

Quá trình phay răng bằng dao phay trục vít trên máy phay lăn răng được ứng dụng phổ biến trong sản xuất chế tạo bánh răng trụ. Bản chất quá trình tạo hình răng là nhắc lại sự ăn khớp bằng cắt gọt dọc theo đường răng giữa dao trục vít với bánh răng. Vì vậy các quá trình chèn ép vật liệu, trượt phoi do cắt, trượt tương đối trên biên dạng và bề mặt răng tại vùng tiếp xúc của răng dao với răng của bánh răng đều làm phát sinh lực ma sát và sinh nhiệt lớn làm cản trở quá trình cắt, gây ra hiện tượng mòn lưỡi cắt làm giảm độ chính xác profile răng và độ bóng bề mặt răng. Việc bôi trơn và làm mát tại vùng cắt có chức năng giảm ma sát, giảm nhiệt độ và đẩy phoi ra khỏi vùng cắt, nhằm mục đích giảm mòn, tăng tuổi bền của dụng cụ, nâng cao độ chính xác profile răng và chất lượng bề mặt răng. Dầu công nghiệp thường được dùng bôi trơn làm mát bằng tưới tràn vào vùng cắt của quá trình phay lăn răng, đáp ứng các yêu cầu kinh tế kỹ thuật với chế độ cắt không cao. Đặc biệt, trong phay lăn răng hiện đại, sử dụng dao trục vít chính xác và đắt tiền, có khả năng phay cứng thì các yêu cầu về độ chính xác và năng suất cắt ngày càng cao. Đã có nhiều nghiên cứu nhằm nâng hiệu quả của dung dịch bôi trơn làm nguội. Trong thời gian gần đây, dầu có trộn bột nano (Dầu nano) đã được sử dụng nhờ hiệu quả bôi trơn làm mát của nó cho truyền động bánh răng [93]. Dầu nano có thể bôi trơn làm mát hiệu quả hơn để giảm mòn răng cắt dao phay lăn răng và nâng cao độ chính xác tạo hình răng.

Phương pháp bôi trơn làm nguội

Ngoài việc lựa chọn dung dịch bôi trơn, phương pháp bôi trơn làm mát cũng ảnh hưởng lớn tới chất lượng và hiệu quả của quá trình gia công. Hiện nay trên thế giới, Tùy thuộc vào VL DCC, phôi và máy gia công mà quá trình phay lăn răng có thể gia công khô, bôi trơn và làm nguội tối thiểu hoặc tưới tràn dung dịch bôi trơn làm mát.

- Quá trình phay lăn răng khô có ưu điểm về vấn đề môi trường, nhưng yêu cầu gia công với vận tốc cắt cao (120-250 m/phút) do đó yêu cầu trang thiết bị hiện đại có độ cứng vững cao [70]. Quá trình phay lăn răng trong điều kiện gia công khô được thực hiện trên máy hiện đại có độ chính xác cao với dao hợp kim cứng hoặc dao