5. Nội dung nghiên cứu
2.5.1. Sơ đồ cấu trúc động học của tiện bao hình
2.5.1.1. Sơ đồ gia công:
nct: Là chuyển động tạo ra tốc độ cắt khi tiện.
T1: Là chuyển động chạy dao của dao tiện – chuyển động tạo ra tốc độ bao hình. n2: Là chuyển động chạy dao góc (dịch chuyển góc) của chi tiết tƣơng ứng với chuyển động T1.
) , (T1 n2
: Nhóm động học bao hình. Tƣơng quan chuyển động:
m (mm) chuyển động T1 → Z 1 (vòng) chuyển động n2. O T1 sk nct n2
Hình 2.12. Sơ đồ gia công khi tiện bao hình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Z: số răng của bánh răng cầu.
2.5.1.2. Thiết lập sơ đồ cấu trúc động học:
a. Xích tốc độ cắt nct:
M1 – 1 – 2 – iv – 3 – 4 – chi tiết.
Lƣợng di động tính toán: ncđ1 (v/p) động cơ 1 → nct (v/p) chi tiết. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc1 i1-2 iv i3-4 = nct Công thức điều chỉnh động học: iv = Cv nct.
b. Xích chạy dao T1:
M2 – 5 – 6 – is – 7 – 8 – vít me mang dao.
Lƣợng di động tính toán: nđc2 (v/p) động cơ 2 → Sd (mm) bàn dao. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc2 i5-6 is i7-8 tvm = Sd M2 M1 is tvm 5 6 7 8 9 10 ix 11 1 2 3 4 iv T1 n2 ntc Zbv K Sk
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Công thức điều chỉnh động học: is = Cs. Sd c. Xích bao hình: Vít me – 8 – 9 – ix – 10 – 11 - bv Z k - bàn máy. Lƣợng di động tính toán: m (mm) dịch chuyển dọc T1 cau Z 1 Vòng bánh răng cầu (bàn máy)
Phƣơng trình điều chỉnh động học: m i8-9 ix i10-11 bv Z k = cau Z 1 Công thức điều chỉnh động học: ix = Cx . cau Z m. 1
2.5.2. Các vấn đề về dao tiện bao hình:
- Việc hình thành biên dạng răng đảm bảo độ chính xác cao do nhắc lại sự ăn khớp.
- Cùng một dao tiện bao hình có thể gia công các bánh răng cầu khác nhau. - Biên dạng của lƣỡi cắt dao là đơn giản, dễ chế tạo đƣợc dao tiện chính xác, - Cấu trúc máy không phức tạp, có thể thiết kế thiết bị gá chuyên dùng để tiện bao hình trên các máy vạn năng.
2.5.3. Các vấn đề về máy:
Hiện nay trên thế giới chƣa có các máy chuyên dùng để gia công bánh răng cầu. Hi vọng sau các nghiên cứu này có thể xây dựng các mô hình máy và đồ gá để gia công bánh răng cầu theo phƣơng pháp tiện bao hình.
2.6. Phay bao hình:
Cắt răng theo phƣơng pháp phay bao hình dựa trên nguyên lý ăn khớp giữa thanh – bánh răng cầu, trong đó thanh răng cầu đóng vai trò là dao phay.
Khi cắt răng theo phƣơng pháp này yêu cầu có các chuyển động sau: - Chuyển động quay của dao phay tạo ra tốc độ cắt khi phay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Chuyển động tịnh tiến T của dao phay trong mặt phẳng chứa đƣờng tâm của bánh răng cầu tạo ra tốc độ bao hình.
- Chuyển động quay của chi tiết xung quanh tâm cầu để nhắc lại sự ăn khớp với thanh răng cầu hình thành chuyển động bao hình (phân độ)
- Chuyển động quay của chi tiết quanh đƣờng tâm của nó để tạo ra tốc độ chạy dao.
- Ngoài ra dao còn chuyển động tịnh tiến hƣớng tâm cầu để cắt hết chiều cao của răng.
2.6.1. Sơ đồ cấu trúc động học của phay bao hình: 2.6.1.1. Sơ đồ gia công: 2.6.1.1. Sơ đồ gia công:
nd: Chuyển động quay của dao phay tạo ra tốc độ phay.
nct: Chuyển động quay của chi tiết là chuyển động chạy dao tạo ra tốc độ ăn dao. T1: Chuyển động chạy dao của dao phay – chuyển động tạo ra tốc độ bao hình.
T1
nd
n2
nct
Sk
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
n2: Là chuyển động chạy dao góc (dịch chuyển góc) của chi tiết tƣơng ứng với chuyển động T1.
) , (T1 n2
: Nhóm động học bao hình. Tƣơng quan chuyển động:
m (mm) chuyển động T1 →
Z
1
(vòng) chuyển động n2. Z: số răng của bánh răng cầu.
2.6.1.2. Thiết lập sơ đồ cấu trúc động học:
a. Xích tốc độ cắt nd:
M1 – 1 – 2 – iv – 3 – 4 – Đầu dao phay.
nct n2 nd K Zbv is1 8 7 6 5 M2 M1 1 2 3 4 iv 15 14 13 12 ix M3 11 10 9 is2 T1 Sk
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lƣợng di động tính toán: nđc1 (v/p) Động cơ M1 → nd (v/p) đầu dao phay. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc1 i1-2 iv i3-4 = nd
Công thức điều chỉnh động học: ic = Cv nd
b. Xích chạy dao vòng:
M2 – 5 – 6 – is1 – 7 – 8 – Trục chính gá chi tiết.
Lƣợng di động tính toán: nđc2 (v/p) Động cơ M2 → nct (v/p) chi tiết. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc2 i5-6 is1 i7-8 = nct
Công thức điều chỉnh động học: is1 = Cs1 nct
c. Xích chạy dao thứ 2:
M3 – 9 – 10 – is2 – 11 – 12 – Vít me mang bàn dao.
Lƣợng di động tính toán: nđc3 (v/p) Động cơ M3 → sd (mm) bàn dao Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc3 i9-10 is2 i11-12 tvm = sd Công thức điều chỉnh động học: is = Cs2 Sd. d. Xích bao hình: Vít me – 12 – 13 – ix – 14 – 15 - bv Z k - Bàn máy. Lƣợng di động tính toán: mn (mm) bàn dao → cau Z 1 (vòng) Bánh răng cầu (n2) Phƣơng trình điều chỉnh động học: mn i12-13 ix i14-15 bv Z k = cau Z 1 Công thức điều chỉnh động học: ix = Cx cau n Z m . 1
2.6.2. Các vấn đề về dao phay bao hình:
- Dao phay bao hình đƣợc thiết kế chế tạo trên cơ sở thanh răng cầu nhằm tạo ra nhiều lƣỡi cắt. Biên dạng của mổi răng dao là biên dạng sinh của thanh răng, vì vậy rất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thuận tiện cho việc thiết kế chế tạo. Tuy nhiên dao phay này là dao phay nhiều lƣỡi cắt nên việc thiết kế và chế tạo khó khăn hơn dao phay định hình.
- Nếu sữ dụng dao phay bao hình để gia công sẽ cho năng suất cao và độ chính xác tƣơng đối cao do quá trình hình thành biên dạng răng là bao hình và chuyển động phân độ là liên tục.
- Trong thực tế chƣa có nghiên cứu thiết kế và chế tạo dao phay bánh răng cầu một cách đầy đủ. Để đơn giản cho việc thiết kế dao phay, đề xuất thiết kế dao phay răng ghép để gia công bánh răng cầu và đây là hƣớng phát triển của đề tài.
2.6.3. Các vấn đề về máy:
Hiện nay trên thế giới chƣa có máy phay bánh răng cầu theo phƣơng pháp bao hình. Qua đề xuất ở trên thì cấu trúc của máy khá phức tạp. Vì vậy phải có các nghiên cứu đầy đủ để chế tạo máy phay bao hình bánh răng cầu. Máy này sẽ cho năng suất và độ chính xác cao. Đây là yêu cầu cần thiết vì cơ cấu bánh răng cầu ngày càng đƣợc sữ dụng phổ biến.
2.7. Kết luận:
Cơ cấu truyền động bánh răng cầu là cơ cấu mới đƣợc phát triển và hoàn thiện về mô hình truyền động. Vì vậy, trong thực tế việc chế tạo cơ cấu vẫn chƣa có các công bố đầy đủ về công nghệ chế tạo cơ cấu. Với các kết quả đã công bố gần đây (Tài liệu tham khảo[1]...[7]) thì cơ cấu có thể chế tạo bằng phƣơng pháp chép hình hoặc phƣơng pháp điều khiển biên dạng trên các máy CNC. Theo công bố trên bài báo “On grinding manufacture technique and tooth contact and stress analysis of ring-involute spherical gears” (Tài liệu tham khảo [8] ) nhóm nghiên cứu của tác giả “Li Ting, Pan Cunyun” đang nghiên cứu thiết kế máy mài bánh răng cầu bằng đá mài có dạng thanh răng sinh của bánh răng cầu. Vấn đề đặt ra là tìm các giải pháp công nghệ để chế tạo bánh răng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
cầu cho năng suất cao hơn so với phƣơng pháp mài dùng trong chế tạo bánh răng cầu trƣớc khi nhiệt luyện.
- Tác giả đã đƣa ra một số giải pháp gia công bánh răng cầu theo phƣơng pháp chép hình và phƣơng pháp bao hình cũng nhƣ cấu trúc động học của máy nhằm làm cơ sở cho việc lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp với điều kiện sản xuất cơ cấu bánh răng cầu theo yêu cầu kỹ thuật.
- Qua đề xuất các giải pháp hình thành cấu trúc động học máy cho thấy việc gia công bánh răng cầu bằng phƣơng pháp tiện bao hình có khã năng đạt đƣợc độ chính xác hình học cao. Động học tạo hình trên máy tƣơng đối đơn giản. Dao tiện bao hình có kết cấu không phức tạp. Tiện bao hình cơ cấu bánh răng cầu là một giải pháp khã thi với hiệu quả cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY MÀI BAO HÌNH BÁNH RĂNG CẦU
Bánh răng cầu đƣợc gia công bằng các phƣơng pháp chép hình có độ chính xác và chất lƣợng bề mặt chƣa cao nên trong một số lĩnh vực bánh răng cầu không đƣợc ứng dụng. Vì vậy, việc thiết kế chế tạo đá mài và máy mài bánh răng cầu để cải tiến độ chính xác và chất lƣợng bề mặt của bánh răng cầu là rất cần thiết.
Lý thuyết chế tạo máy mài và đá mài là dựa trên nguyên lý ăn khớp của thanh răng cầu và bánh răng cầu. Sự hình thành của thanh răng cầu tƣơng tự nhƣ sự hình thành thanh răng của bánh răng trụ. Khi số răng của bánh răng cầu là vô cùng, thì bán kính của các hình cầu tƣơng ứng với nó cũng là vô cùng, và bánh răng cầu trở thành đĩa thanh răng cầu.
Hình 3.1a cho thấy sự ăn khớp của bánh răng cầu và thanh răng cầu, và hình 3.1b là hình cắt của nó. Từ đó ta thấy rằng, khi bánh răng cầu dịch chuyển trong không gian thì thanh răng cầu dịch chuyển trong mặt phẳng. Cơ cấu bánh răng cầu và thanh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
răng cầu có thể thực hiện đƣợc dịch chuyển giữa không gian và mặt phẳng. Khi thanh răng cầu đƣợc chế tạo thành đá mài thì đá mài có thể mài bánh răng cầu tuỳ thuộc vào mối quan hệ chuyển động ăn khớp giữa bánh răng cầu và đĩa răng cầu.
Khi mài bánh răng cầu theo phƣơng pháp này yêu cầu có các chuyển động sau: - Chuyển động quay của đá mài tạo ra tốc độ cắt khi mài.
- Chuyển động tịnh tiến T của đá mài trong mặt phẳng chứa đƣờng tâm của bánh răng cầu tạo ra tốc độ bao hình.
- Chuyển động quay của bánh răng cầu xung quanh tâm cầu để nhắc lại sự ăn khớp với đĩa răng hình thành chuyển động bao hình (phân độ)
- Chuyển động quay của bánh răng cầu quanh trục cực của nó để tạo ra tốc độ mài.
- Ngoài ra đá mài còn chuyển động tịnh tiến hƣớng tâm cầu để mài hết chiều cao của răng.
3.1. Sơ đồ cấu trúc động học của máy mài bao hình. 3.1.1. Sơ đồ gia công:
n2 O T1 nd Sk nct
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nđ: Chuyển động quay của đá mài tạo ra tốc độ cắt khi mài.
nct: Chuyển động quay của bánh răng cầu quanh trục cực của nó để tạo ra tốc độ mài.
T1: Chuyển động tịnh tiến của đá mài – chuyển động tạo ra tốc độ bao hình. n2: Là chuyển động quay của bánh răng cầu xung quanh tâm cầu tƣơng ứng với chuyển động T1.
) , (T1 n2
: Nhóm động học bao hình. Tƣơng quan chuyển động:
m (mm) chuyển động T1 →
Z
1
(vòng) chuyển động n2. Z: số răng của bánh răng cầu.
3.1.2. Thiết lập sơ đồ cấu trúc động học:
n2 O T1 nd Sk nct 15 Zbv K is2 9 10 11 M3 ix 12 13 14 iv 4 3 2 1 M1 M2 5 6 7 8 is1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
a. Xích tốc độ cắt khi mài nđ:
M1 – 1 – 2 – iv – 3 – 4 – Trục đá mài.
Lƣợng di động tính toán: nđc1 (v/p) Động cơ M1 → nđ (v/p) trục đá mài. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc1 i1-2 iv i3-4 = nđ
Công thức điều chỉnh động học: ic = Cv nđ
b. Xích chạy dao vòng:
M2 – 5 – 6 – is1 – 7 – 8 – Trục chính gá bánh răng cầu.
Lƣợng di động tính toán: nđc2 (v/p) Động cơ M2 → nct (v/p) bánh răng cầu. Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc2 i5-6 is1 i7-8 = nct
Công thức điều chỉnh động học: is1 = Cs1 nct
c. Xích chạy dao thứ 2:
M3 – 9 – 10 – is2 – 11 – 12 – Vít me mang bàn dao.
Lƣợng di động tính toán: nđc3 (v/p) Động cơ M3 → sd (mm) bàn dao Phƣơng trình điều chỉnh động học: nđc3 i9-10 is2 i11-12 tvm = sd Công thức điều chỉnh động học: is = Cs2 Sd. d. Xích bao hình: Vít me – 12 – 13 – ix – 14 – 15 - bv Z k - Bàn máy. Lƣợng di động tính toán: mn (mm) bàn dao → cau Z 1 (vòng) Bánh răng cầu (n2) Phƣơng trình điều chỉnh động học: mn i12-13 ix i14-15 bv Z k = cau Z 1 Công thức điều chỉnh động học: ix = Cx cau n Z m . 1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2. Mô hình máy mài:
Qua phân tích ở trên ta thấy: Một máy mài cho các bánh răng cầu phải có 5 bậc tự do. Bốn trong năm bậc tự do là cần thiết cho cơ cấu điều khiển mối quan hệ chuyển động của đá mài (thanh răng cầu) và bánh răng cầu. Bậc tự do còn lại cần thiết cung cấp cho đòi hỏi vận tốc mài và không liên quan đến quá trình hình thành bề mặt.
Hình 3.4. Mô hình máy mài bánh răng cầu.
Theo nguyên lý ăn khớp của bánh răng cầu và thanh răng cầu, mô hình máy mài nhƣ trên hình 3.4 đƣợc thiết kế để mài bao hình bánh răng cầu. Máy thoã mãn điều kiện với 5 bậc tự do, ba bậc tự do cho chuyển động quay và hai bậc tự do cho chuyển động tịnh tiến. Chuyển động tịnh tiến đƣợc thực hiện theo hai phƣơng vuông góc, hai chuyển động quay với điều kiện là quay nhƣ bánh răng cầu và quay sao cho khã năng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
máy thay đổi góc giữa trục của bánh răng cầu và đá mài. Chuyển động quay thứ ba là chuyển động quay của đá mài để tạo ra tốc độ mài và không liên quan đến phƣơng pháp hình thành bề mặt. Sự chuyển động của bốn bậc tự do còn lại là có liên quan đến quá trình hình thành bề mặt.
3.2.1. Hệ toạ độ đặt vào máy mài:
Trên hình 3.3, hệ toạ độ S1 (x1, y1, z1) và Sg (xg, yg, zg) cố định đặt lần lƣợt vào bánh răng cầu và đá mài. Ngoài ra để có thêm cơ sở, chúng ta phân biệt ba điểm chuẩn của hệ quy chiếu chuẩn trong hình 3.2 nhƣ θ, α và β. Hệ quy chiếu I đặt cố định trên vỏ máy, đó là hệ quy chiếu có các trục toạ độ là Sf (xf, yf, zf). Hệ quy chiếu II và III biểu diễn sự dịch chuyển theo hai phƣơng vuông góc. Hệ toạ độ Se (xe, ye, ze) biểu diễn