Tài liệu 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

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 đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được tác giả nào khác công bố. Hà Nội, ngày 06 tháng 09 năm 2019 Nghiên cứu sinh Hướng dẫn khoa học 1 GS.TS.Trần Văn Địch Nguyễn Hồng Lĩnh 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 Công nghệ chế tạo máy, Viện cơ khí, Phòng Đào tạo-Bộ phận đào tạo sau đại học và Trường Đại 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 đã giúp đỡ về thiết bị thí nghiệm và các chuyên gia trong các lĩnh vực liên quan đã đóng góp những thông tin vô cùng quý báu và những ý kiến xác đáng, để tác giả có thể hoàn thành 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 ............................................................................................................................................................................... 82 4.2.2. Quy trình thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu ............................................................................................................................................................................... 82 4.2.2. Phương pháp thực hiện ............................................................................................................................................................................... 83 4.2.3. Xây dựng mô hình xấp xỉ ............................................................................................................................................................................... 87 4.2.4. Tối ưu hóa bài toán. ............................................................................................................................................................................ 102 Kết luận chương 4 ............................................................................................................................................................................ 103 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................................106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................108 PHỤ LỤC..........................................................................................................................................................1 1. Kết quả chạy chương trình tối ưu .................................................................................................................................................................................. 1 2. Bảng số liệu đồ thị hình 4.24, 4.31, 4.38, và 4.45 .................................................................................................................................................................................. 2 3. Bảng dữ liệu tối ưu hóa .................................................................................................................................................................................. 4 4. Hình ảnh sản phẩm BRCG Z11-16m8 ............................................................................................................................................................................... 12 iv DANH Zi, Z’ m, m’, m”  B i12 L  i, ii, ei  , max  c t, ti  0 Số răng v Modul da Góc áp lự Chiều rộn Tỷ số truy Chiều dài Góc hợp t Góc côn c Góc chân Góc đầu r Lượng dịc Khe hở hư Bước trên Hệ số dịc Hệ số chi Ci' h’, h”, h Dei, Dii, Di D0i, Roi Hình chiế Chiều cao Đường kí Đường kí Góc và đư Hệ số dịc Chiều dài Số răng n Hệ trục tọ Hệ trục tọ Vec tơ ch Chiều dài Bán kích Lượng dịc Lượng dịc Sai số lý t Đô nhám Độ dày ră Sai số hìn Profile tan Sai số bướ Sai số răn Sai số hìn Bán kính Thông số Độ cong c Độ cong c Góc tạo b iK, DiK τ Ln nr (X,Y,Z) (, r) i,j,k a, b Rd z S bss R a, R z Si Ffa, Fha, Fa Ca, Caa, Caf fp, Fp fu, Fr ffb, fHb, fb RB u,v k1I, k1II k2I, k2II  Ae, B e S F ff, fH, F ff, fH, F Fp, fu Fr  bc, hc be, he nfi Rfi Sf BRCT BRCG SSM ADP GMS CNC CAD 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 0 Hình 1.22. Đồ thị xác định góc dịch chỉnh  khi  = 90 ............................................. 20 0 Hình 1.23. Đồ thị xác định dịch chỉnh  khi  = 90 ................................................... 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 lĩnh vực 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 đến lĩnh vực sản xuất ô tô và máy móc thì nhu cầu sản xuất BRCT đang là rất lớn. BRCT ngày càng được quan tâm nhiều hơn do chúng có nhiều ưu điểm nổi trội so với các dạng truyền động khác. Trước đây, do lý thuyết tạo hình bề mặt BRCT là tương đối phức tạp và công nghệ gia công BRCT khó kiểm soát về chất lượng nên bộ truyền BRCT thường chỉ được thiết kế với kết cấu đơn giản để sử dụng trong các truyền động không cần có độ chính xác về vị trí cao. Việc chỉ sử dụng các bộ truyền có kết cấu đơn giản trong thực tế đã làm 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 kỹ thuật thì lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới vào thiết kế và chế tạo các BRCT có chất lượng cao hoặc các BRCT có sự thay đổi về kết cấu để nâng cao hiệu quả và chất lượng làm việc của bộ truyền đang được các nhà nghiên cứu trong và ngoài 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 khả năng tải được nâng lên một cách đáng kể với kết cầu vai chặn ở đỉnh và đáy răng. Ở Việt Nam từ nhưng năm cuối thập niên 90 trở về trước thì công nghệ chế tạo BRCT là tương đối lạc hậu so với thế giới, chủ yếu BRCT thường được gia công với phương pháp gần đúng và cho chất lượng bánh răng tương đối thấp, phụ thuộc lớn vào trình độ tay nghề của công nhân. Các cơ sở sản xuất bánh răng và các trung tâm nghiên cứu về bánh răng ở Việt Nam có chung đặc điểm là thiếu thốn về trang thiết bị gia công cũng như đo kiểm. Đầu những năm của thế kỷ 20 với sự hội nhập nhanh chóng của nền kinh 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 máy gia công tự động. Hầu hết các cơ sở sản xuất bánh răng hiện nay đều đã được trang bị các máy phay CNC để khắc phục các vấn đề hạn chế còn vướng phải khi gia công bánh răng bằng các phương pháp gia công truyền thống (Cắt lẹm chân răng, khả năng gia công của phương 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 tại nhiều 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 được đánh giá thông qua các giá trị kích thước vi mô, độ bóng bề mặt và khả năng tiếp xúc giữa các bề mặt trong truyền động. Vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp thiết kế và công 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 thông qua việc đánh giá các yếu tố đầu ra (nhấp nhô bề mặt, thông số hình học vi mô và kích thước 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 Nghiên cứu phương pháp gia công BRCG khi gia công trên máy phay CNC 3 trục. Xây dựng giải pháp thiết kế tạo dữ liệu đầu vào cho quá trình gia công BRCG trên máy phay CNC bằng phương pháp bám biên dạng. Xây dựng quy trình đánh giá chất lượng gia công BRCG bằng các thông số hình học vi mô và kích thước vết tiếp xúc. Xây dựng các phương trình thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (S, F, z) với độ nhám (Ra), sai lệch hình dạng profile răng (f f) và kích thước vết tiếp xúc (bc, hc) của bộ truyền BRCG Z11-16 m8. 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 Truyền động BRCG. Kích thước vết tiếp xúc. Chất lượng BRCG khi gia công trên máy phay CNC 3 trục. c) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tạo hình bề mặt các BRCT (BRCG, BRCT, BRCT có tinh chỉnh tang trống và đồng nhất profile). 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 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 cao năng suất và chất lượng chế tạo BRCG Z11-16 m8 khi gia công trên máy phay CNC 3 trục. 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,… b) Ý nghĩa thực tiễn Sản phẩm bộ truyền BRCG Z11-16 m8 được chế tạo theo kết quả luận án đã được sử dụng để thay thế các thiết bị nhập ngoại trong các xe có tải trọng lớn ở các mỏ khai thác than lộ thiên tại tỉnh Quảng Ninh. Sản phẩm bộ phần mềm thiết kế bánh răng được xây dựng trong luận án đã được ứng dụng để thiết kế các bộ truyền BRCG tại công ty chuyên sản xuất bánh răng chất lượng cao Cơ khí Hồng Lĩnh. 2 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 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 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.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 đặc điểm 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 trên máy phay CNC 3 trục. Cuối chương trình bày tóm tắt các nghiên cứu ở trong và ngoài nước đã được công bố có liên quan đến các vấn đề về thiết kế và chế tạo BRCT, phân tích các mặt đạt được và chưa đạt được. Kết luận của chương đã đưa ra được phương pháp cũng như quy trình thiết kế và chế tạo BRCG trên máy phay CNC 3 trục cũng như 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 thành vết tiếp xúc để xây dựng công cụ phần mềm xác định sự dịch chuyển điểm đầu trong tiếp xúc ăn khớp của truyền động BRCT. Nội dung của chương là cơ sở để đánh giá kết quả nội dung nghiên cứu ở chương 3 và là cơ sở lý thuyết để thực hiện nghiên cứu thực 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 giá chất lượng sản phẩm thông qua các lý thuyết đã nghiên cứu trong chương 2. Kết luận của chương là sự khẳng định tính đúng đắn của quy trình thiết kế và chế tạo BRCG trên máy phay CNC 3 trục, từ đó đề xuất phương án kiểm soát chất lượng và nâng cao năng 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 dạng profile 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 lý thuyết để thu thập các thông tin khoa học trên cơ sở các nghiên cứu trước đây của các nhà khoa học đã được công bố 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 tiễn 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 tượng 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 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 vào các 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 cụ thể 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, máy mài răng CNC NILES ZE800 của Đức, máy cà vết 5A725 của Nga tại công ty cổ phần cơ khí Hồng Lĩnh. Máy đo độ nhấp nhô tế vi SurftestSJ-301 của Nhật tại phòng đo lường công ty Z117 – Bộ Quốc phòng. Các kết quả trên được thu thập, đo kiểm và tính toán theo 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 bánh răng côn, bộ truyền BRCT thường được sử dụng để truyền chuyển động và momen 0 giữa 2 trục giao nhau, thông thường góc hợp trục () của 2 trục này là 90 . BRCT được 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 khác nhau 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 hạn chế là khả năng tiếp xúc sẽ thấp hơn, hiệu suất làm việc bé hơn và kích thước giới hạn của 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 dạng truyền động chính của truyền động bánh răng côn, bao gồm: BRCT, bánh răng côn răng 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 thẳng khi có đường sinh của bề mặt răng là đường thẳng và được tạo thành khi dụng cụ cắt chuyển động đi qua đỉnh chung của bánh răng được cắt và dao cắt (hình 1.2a). Bánh răng côn răng cong có bề mặt răng được sinh ra ngoài chuyển động cắt thẳng về tâm còn có chuyển động bao tròn bề mặt (hình 1.2b). Bánh răng côn Zerol là một dạng đặc o biệt của bánh răng côn răng cong khi có góc xoắn bằng 0 (hình 1.2c). Bánh răng côn hypoid có nguyên lý gần giống bánh răng côn xoắn, tuy nhiên biên dạng của bề mặt răng 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 cách khác nhau, trong đó yếu tố cấu tạo là yếu tố thường được chọn làm tiêu chí để phân loại BRCT [4]. Dựa theo những yếu tố cấu tạo việc phân loại BRCT sẽ được xây dựng trên những dấu hiệu sau đây: chuẩn Dựa vào mặt chuẩn sử dụng: BRCT có mặt chuẩn lỗ (hình 1.3a) và BRCT có mặt trục (hình 1.4b). Đối với các bánh răng liền trục người ta thường chọn mặt chuẩn là các mặt trục.  a) BRCT chuẩn lỗ b) BRCT chuẩn 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 đúng trong lắp ghép BRCT thường sử dụng các mặt đầu của kết cấu bánh răng, do đó khi dựa vào tiêu chí này chúng ta sẽ có 2 loại BRCT là: bánh răng có chuẩn theo mặt đầu của mayơ (hình 1.4a) và bánh răng có chuẩn theo mặt đầu của vành răng (hình 1.4b)  a) BRCT chuẩn mặt đầu mayơ b) BRCT chuẩn mặt đầu vành răng 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 dàng hơn kính thước đỉnh răng De của bánh răng sẽ được hiệu chỉnh theo hai cách: Gia công một đoạn trụ dài (thông thường chiều dài đoạn trụ là 2mm) để gia công tiện phôi bánh răng được dễ hơn (hình 1.5b); Gia công tù một đoạn để tiện lợi khi lắp ráp bánh răng (hình 1.5c).  a) BTCT b) BRCT trụ dài c) BRCT tù đầu Hình 1.5 Hình dạng vành răng của BRCT. Dựa vào kết cấu hai đầu răng: Dựa vào kết cấu tại đỉnh và đáy răng của BRCT mà 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) a) BRCT không gờ chặn b) BRCT có gờ chặn 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 của luận 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 các nhà thiết kế thường sử dụng kết cấu BRCT có gờ chặn như trên hình 1.6a [7÷9]. Với kết cấu gờ chặn ở cuối và đầu răng, BRCG có khả năng tải tốt hơn BRCT có kết cấu truyền 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 phá hủy bởi ứng suất uốn từ 8% đến 10% [10]. Tuy nhiên dạng bánh răng này lại tồn tại hai nhược điểm lớn là: phay Không thể chế tạo được bằng các phương pháp gia công răng truyền thống như: định hình, gia công theo dưỡng, 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). 7