Lời nói đầu Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nớc, các ngành kinh tế nói chung và ngành cơ khí nói riêng đòi hỏi các kỹ s và các cán bộ kỹ thuật có kiến thức tơng đối rộng và biết vận dụng sáng tạo những kiến thức đã học để giải quyết những vấn đề thờng gặp trong thực tế. Trong ngành chế tạo máy, bánh răng là một chi tiết máy rất phức tạp vì yêu cầu thiết kế và chế tạo các loại bánh răng trụ, côn thẳng, côn xoắn . . . đợc dùng nhiều trong truyền động ô tô , máy kéo, máy bay, máy công cụ, trong ngành đo kỹ thuật và nhiều ngành khác. Dụng cụ cắt răng là một yếu tố quan trọng để gia công bánh răng và là nhân tố quan trọng có ảnh hởng quyết định đến độ chính xác của chi tiết. Thiết kế và chế tạo dụng cụ cắt răng có chất lợng tốt và giá thành hạ là yêu cầu cần thiết của ngành chế tạo máy ở nớc ta. Thiết kế dụng cụ cắt răng là khâu quan trọng và đầu tiên cung cấp cho công nghệ chế tạo những dụng cụ cắt răng có chất lợng tốt. Môn học Dụng cụ cắt vật liệu kỹ thuật là một trong những môn chính của sinh viên chuyên ngành chế tạo máy. Trong quá trình 5 năm học tập và rèn luyện tại trờng, thời gian làm đồ án tốt nghiệp giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về môn học, trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản và khả năng vận dụng sáng tạo những kiến thức để làm đồ án cũng nh trong công tác sau này. Là một sinh viên chuyên ngành cơ khí , trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đợc giao nhận "Thiết kế và chế tạo dao phay lăn răng trục vít" do cô giáo Thạc sỹ Hà Thị Mai hớng dẫn. Đây là một đề tài khá phức tạp nhng đợc sự chỉ bảo tận tình của cô hớng dẫn và các thầy cô giáo trong bộ môn cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay em đã hoàn thành đồ án của mình. Mặc dù vậy bản đồ án của em vẫn không tránh khỏi những vấp váp và thiếu sót. Em rất mong đợc sự chỉ bảo thêm của cô giáo hớng dẫn và các thầy cô trong bộ môn, giúp em hiểu sâu hơn về môn học cũng nh các phơng pháp khác để thiết kế và chế tạo dụng cụ cắt một cách hợp lý hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2006 Sinh viên Phùng văn đồng. 1 Tài liệu tham khảo 1. PGS.TS. Trần Văn Địch Thiết kế đồ án Công nghệ chế tạo máy Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2002 2. Trịnh Khắc Nghiêm Nguyên lý và dụng cụ cắt Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 1990 3. PGS.TS. Trần Hữu Đà, TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Cao Thanh Long Cơ sở chất lợng của quá trình cắt Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 1998 4. PGS.TS. Trần Văn Địch Công nghệ chế tạo dụng cụ cắt Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 1995 5. GS.TS. Nguyễn Đắc Lộc, PGS.TS. Lê Văn Tiến, Ninh Đức Tốn, Trần Xuân Việt Sổ tay công nghệ chế tạo máy T1,2,3 Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2005 6. Trịnh Khắc Nghiêm Hớng dẫn thiết kế đồ án dao Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 1990 7. PGS.TS. Trần Văn Địch Atlas đồ gá Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2003 8. PGS.TS. Trần Văn Địch, PGS.TS. Lê Văn Tiến, PGS.TS. Trần Xuân Việt Đồ gá gia công cơ Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2002 9.Trịnh Chất - Lê Văn Uyển Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí ,T1 Nhà Xuất Bản Giáo Dục 2003 10. Ninh Đức Tốn Dung Sai Và Lắp Ghép Nhà Xuất Bản Giáo Dục 2001 2 Phần I Tổng quan về bánh răng và các phơng phấp gi a công bánh răng A. Truyền động Bánh răng: Truyền động bánh răng thực hiện truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng hoặc thanh răng. Truyền động bánh răng đợc dùng nhiều và phổ biến trong ngành cơ khí do nó có các u điểm nổi bật so với các dạng truyền động cơ khí khác. - Kích thớc nhỏ gọn khả năng tải lớn. - Tỉ số truyền động không thay đổi. - Hiệu suất cao có thể đạt (0,97 - 0,99). - Tuổi thọ cao làm việc tin cậy. Tuy nhiên truyền động bánh răng cũng có các nhợc điểm sau: - Chế tạo tơng đối phức tạp. - Đòi hỏi độ chính xác cao. - Có nhiều tiến ồn khi vận tốc lớn. Truyền động bánh răng đợc dùng nhiều trong các máy móc từ những đồng hồ khí cụ cho đến các máy hạng nặng.Truyền động bánh răng có thể truyền đợc công xuất từ nhỏ đến lớn (300MW) vận tốc có thể từ thấp đến rất cao (200m/s). Chất lợng truyền động phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo bánh răng, và độ chính xác của bánh răng gia công phụ thuộc vào độ chính xác của dụng cụ cắt răng. B. Các phơng pháp gi a công Bánh răng: - Theo phơng pháp gia công răng và cách hình thành Prôpin răng nguời ta chia làm làm các loại sau: i. Cắt răng theo phơng pháp chép hình. ở đây prôfin của dụng cụ hoặc hình chiếu của prôfin đó là bản chép lại nguyên hình của prôfin rãnh giữa các răng của bánh răng đợc gia công. Trong quá trình cắt prôfin của dụng cụ cắt ở tất cả các điểm đều trùng với prôfin rãnh. 1. Dao phay vấu cắt răng: có năng xuất và độ chính xác thấp, nó đợc sử dụng để cắt bánh răng chữ V và bánh răng với mô đun lớn hơn 50mm. 2. Dao phay đĩa (môđun) : 3 n đợc chế tạo với các răng hớt lng có kết cấu liền răng (với thân) hoặc ghép răng. Các răng của dao có prôfin thân khai hay hình thang. Dao dùng để gia công thô hoặc tinh bánh răng thẳng. Nó đợc chế tạo thành bộ gồm 8 hoặc 15 số hiệu, độ chính xác không cao, năng xuất thấp chỉ dùng trong sản xuất đơn chiếc. 3. Dao chuốt để gia công bánh răng. Phơng pháp chuốt đợc sử dụng để gia công bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp trong và ngoài. * u điểm của phơng pháp chép hình: thao tác đơn giản, có thể thực hiện trên các máy phay vạn năng, máy phay chuyên dùng với đầu phân độ vạn năng hoặc đĩa chia độ đơn giản. * nhựợc điểm phơng pháp chép hình: năng xuất cắt thấp vì có chuyển động quay phân độ, độ chính xác gia công thấp chỉ đạt cấp chính xác 7 8, dùng cho bộ truyền tốc độ thấp không lớn hơn 5 (m/s) ii. Cắt răng theo phơng pháp bao hình. ở đây prôfin của bánh răng đợc gia công đợc hình thành bởi đờng bao của các vị trí liên tiếp các lỡi cắt của dao trong quá trình cắt răng. 4 z S t v n p s n d s n ct d n 1. Dao xọc răng. dùng để cắt bánh răng hình trụ có thể cắt tất cả các răng cùng một lúc, cắt răng trên bánh răng có bậc hoặc vai nhô lên , cắt bánh răng ăn khớp trong, cắt bánh răng chữ V với răng liên tục không có rãnh thoát dao, cắt thanh răng v.v. . .năng xuất gia công cao. 2. Dao phay lăn răng. dùng để gia công bánh răng ăn khớp ngoài ( và một phần cho bánh răng ăn khớp trong ) răng thẳng, răng nghiêng (răng xoắn) , bánh răng chữ V và gia công bánh vít . * u điểm của phơng pháp bao hình: có độ chính xác gia công và năng xuất cắt cao vì quá trình bao hình là một quá trình liên tục và điều hoà , không có chuyển động phân độ, không có khoảng chạy không của bàn máy. Đồng thời có thể dùng một dao để cắt các 5 S S n d n d n d S 1 bánh răng có cùng mô đuyn nhng có số răng khác nhau. Vì trong quá trình bao hình, hình dáng răng dao không phụ thuộc vào số răng của bánh răng gia công. Dao phay lăn răng là một trong những dao cắt theo phơng pháp bao hình. 3. Công dụng phạm vi sử dụng và phân loại dao phay lăn răng. a) Công dụng và phạm vi sử dụng. Dao phay lăn răng là dụng cụ gia công răng đợc dùng phổ biến nó dùng để gia công bánh răng ăn khớp ngoài (và một phần cho bánh răng ăn khớp trong), răng thẳng, răng nghiêng , răng xoắn, bánh răng chữ V và bánh vít. Dạng prôfin răng dao phay phụ thuộc vào dạng prôfin răng của bánh răng gia công vì vậy dạng prôfin của răng dao phay có thể là thân khai , nôvicốp . b) Phân loại. Dựa vào số đầu mối phân thành dao phay một đầu mối và dao phay nhiều đầu mối. Dựa vào dạng prôfin của trục vít, ngời ta phân biệt dao phay lăn ácsimét, côvôliut, thân khai. Về mặt kết cấu phân thành dao phay nguyên khối chuôi dời hoặc chuôi liền ở loại này dao phay đợc chế tạo từ một phôi hoàn chỉnh và dao phay ghép ở đây chỉ có răng dao đợc chế tạo bằng vật liệu phần cắt các răng đợc lắp vào thân nhờ các cơ cấu kẹp chặt. Dao phay ghép đợc chế tạo để cắt các bánh răng có môđun lớn ( m > 10 mm) c) Nguyên lý làm việc của dao phay lăn. Quá trình hình thành prôfin của răng bánh răng bằng dao phay lăn răng t- ơng tự nh quá trình ăn khớp của bánh răng gia công với trục vít (trục vít có thể coi nh bánh răng nghiêng với số răng bằng số đầu mối của trục vít). Để tạo ra mặt trớc của răng và lỡi cắt ta làm các rãnh xoắn, để tạo ra góc sau ta hớt lng mặt sau của răng. Muốn cho cặp bánh răng nghiêng ăn khớp chính xác thì răng của chúng phải ăn khớp chính xác với một thanh răng không gian. Nh vậy hai bánh răng này phải có bớc răng và góc prôfin bằng nhau đo trong tiết diện NN thẳng góc với hớng răng của thanh răng. Trong tiết diện thẳng góc với hớng xoắn trên mặt trụ chia trung bình dao phay phải có bớc răng t u và góc prôfin u tơng ứng bằng bớc t 1 và góc prôfin 1 của tiết diện pháp tuyến theo mặt trụ chia của bánh răng gia công tức là t 1 =t u , 1 = u , m u =m 1 . Theo sơ đồ gia công dao phay và bánh răng gia công quay liên tục quanh trục của chúng. Giả sử có k đầu mối gia công bánh răng có z răng ta có : 1vòng daok/z vòng phôi 6 Khi quay trục vít một đầu mối sẽ lần lợt ăn khớp với tất cả các răng của bánh răng. Do đó mỗi răng của bánh răng đợc gia công bởi với tất cả các răng của dao phay một đầu mối. Khi dùng dao phay nhiều đầu mối mỗi đờng ren cũng gia công một rãnh răng nhng sau đó đờng ren này không cắt rãnh tiếp theo mà cắt rãnh nằm cách rãnh đó một số rãnh bằng số đầu mối của dao phay. Những rãnh ở giữa sẽ đợc gia công bởi các ren khác của dao phay nhiều đầu mối. Nh vậy sau một vòng quay của dao phay bánh răng sẽ quay một số bớc răng và số rãnh răng đợc gia công bằng số đầu mối của dao phay. Vì các răng dao đợc sắp xếp theo đờng xoắn vít nên quỹ tích của mỗi răng sẽ di động dọc theo trục dao phay. Phần ii Thiết kế kết cấu dao phay lăn răng 7 i. Chọn vật liệu làm dao. A- Những yêu cầu chung. 1. Tính năng cắt. a) Độ cứng : là một trong những chỉ tiêu quan trọng của vật liệu dụng cụ cắt. Muốn cắt đợc vật liệu phần cắt phải cứng hơn vật liệu gia công khoảng HRC 25. Độ cứng phần cắt của dao thờng đạt HRC 60 ữ 65. Nâng cao độ cứng phần cắt của dao cho phép tăng khả năng chịu mòn và tăng tốc độ cắt. b) Độ bền nhiệt : là khả năng giữ đợc độ cứng cao và các tính năng cắt khác ở nhiệt độ cao trong khoảng thời gian dài. Ngoài ra nó còn quyết định việc duy trì khả năng cắt của dao trong điều kiện nhiệt độ và áp lực rất lớn ở vùng cắt. Độ bền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợng các nguyên tố hợp kim nh: vonfram, crom, vanadi, coban, molipđen . . . c) Độ bền cơ học : trong quá trình cắt do ảnh hởng của máy, dao, đồ gá, chi tiết dẫn đến tình trạng lỡi cắt bị phá huỷ sớm do mẻ , gẫy, vỡ, mòn. . vì vậy để nâng cao tính năng cắt và tuổi bền của dao, vật liệu dụng cụ cắt cần phải có độ bền cơ học cao. d) Độ bền mòn : độ bền mòn vật liệu dụng cụ cắt đợc đặc trng bởi khả năng giữ vững hình dáng và thông số hình học phần cắt trong quá trình gia công. Để tăng độ bền mòn cần thêm vào thành phần của thép một số nguyên tố hợp kim nh vonfram, vanađi. . . e) Độ dẫn nhiệt : độ dẫn nhiệt của vật liệu dụng cụ cắt càng cao thì nhiệt l- ợng đợc truyền khỏi vùng cắt càng nhanh. Do đó giảm sự tập trung nhiệt trên vùng cắt, nâng cao tốc độ cắt . 2. Tính công nghệ. Dụng cụ cắt thờng có hình dáng hình học phức tạp đòi hỏi những yêu cầu kỹ thuật khá cao về độ chính xác hình dáng, kích thớc, độ nhẵn bề mặt. Vì vậy vật liệu dụng cụ cắt cần phải có tính công nghệ tốt. 3. Tính kinh tế. Vật liệu dụng cụ cắt thờng đắt tiền do đó cần phải chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp với yêu cầu của dao và chi tiết gia công nhằm giảm chi phí chế tạo dao cho một đơn vị chi tiết gia công. B- Các loại vật liệu dụng cụ cắt. 1. Thép cacbon dụng cụ. Độ cứng bề mặt đạt đợc sau khi nhiệt luyện HRC 60 ữ 65 trong lõi đạt HRC 40 8 Độ bền nhiệt thấp 200 ữ 250 0 C Tốc độ cắt V= 4ữ 10 m/p * u điểm : dễ mài sắc, dễ đạt độ nhẵn bề mặt cao và giá thành rẻ. * nhợc điểm : vì độ thấm tôi thấp nên phải tôi trong nớc hoặc trong hỗn hợp nớc và muối. Do đó tốc độ nguội nhanh nên khi tôi thờng bị biến dạng, nứt, vỡ, nhạy cảm với sự quá nhiệt. 2. Thép hợp kim dụng cụ. Thép hợp kim dụng cụ tôi ở nhiệt độ 820 ữ 850 0 C trong dầu. Sau khi nhiệt luyện đạt độ cứng HRC 62 ữ 66. Độ bền nhiệt khoảng 350 0 C ữ 400 0 C. Tốc độ cắt V= 12ữ 15 m/ph. Để chế tạo dụng cụ cắt thờng dùng các loại thép hợp kim dụng cụ sau : 9XC, XB, X121 . . . trong đó thép 9XC đợc sử dụng rộng rãi vì nó có. * Ưu điểm: Rẻ tiền Độ thấm tôi và tính thấm tôi tốt nên sau khi tôi có thể làm nguội trong dầu , dụng cụ cắt ít bị biến dạng cong vênh. Phân bố cácbít đồng đều nên độ bền nhiệt cao cho phép nâng cao tốc độ cắt. * Nhợc điểm : Độ cứng ở trạng thái ủ cao (HB 217 ữ 235) do đó khó gia công. khi nhiệt luyện rễ sinh ra lớp thoát cacbon do đó ảnh hởng sấu đến độ cứng tại những chỗ mỏng trên phần cắt của dao. 3. Thép gió. Là loại thép có hợp kim hàm lợng hợp kim cao, nhất là vonfra (6ữ 19% ) và crôm (3 ữ 4.6%). Sau khi nhiệt luyện độ cứng đạt HRC 62 ữ 65. Thép gió có độ thấm tôi lớn độ bền mòn và độ bền cơ học cao. Độ bền nhiệt khoảng 600 0 C vì vậy dao thép gió có thể cắt tốc độ lớn gấp 3 ữ 4 lần dao thép cacbon dụng cụ. Tốc độ cắt lớn nhất V max = 50 m/ph. Thép gió đợc chia làm hai loại : + Thép gió năng xuất thờng : P18, P9, P6M5 + Thép gió năng xuất cao: P182, P95, P9K10 Thép gió P18 và P9 đợc dùng phổ biến chúng có độ bền nhiệt và tính năng cắt nh nhau. Do đó tuổi bền khi cắt ở vùng tốc độ cao là nh nhau. Còn khi cắt ở 9 vùng tốc độ thấp dao thép gió P18 có tuổi bền cao hơn dao thép gió P9 vì độ chịu mòn ở trạng thái nguội của thép gió P18 cao hơn P9. Thép gió P9 có hàm lợng vanadi cao hơn nên cứng hơn khó mài hơn khi mài sắc dễ sinh hiện tợng cháy bề mặt làm độ cứng giảm. Thép gió P9 có hàm lợng vonfram ít hơn nên rẻ tiền hơn . Mặt khác do ít vonfram nên lợng cacbit d ít và có sự phân bố cacbit đồng đều hơn nên có tính gia công tốt ở trạng thái nóng, dễ rèn, dễ cán. Nhợc điểm của thép gió là sự phân bố không đồng nhất của cacbit sinh ra trong quá trình biến cứng của thép đúc. Do đó làm giảm chất lợng và cơ tính của thép gió dẫn đến lỡi cắt dễ bị mẻ, gãy, làm giảm tuổi bền của dao. Vì vậy trớc khi gia công cơ phôi thép gió cần đợc rèn đi rèn lại nhiều lần để phân bố lại cacbit cho đồng đều. Thép gió năng xuất cao đợc chế tạo theo hai hớng : Thêm côban và thêm vanađi. Ngoài ra để giảm hàm lợng vonfram có thể tăng môlipđen theo định mức 1% môlipđen thay thế cho 2% vonfram và nhận đợc loai thép gió môlipđen. Nói chung thép gió môlipđen có tính năng cắt nh thép gió vonfram, thép gió môlipđen có độ không đồng nhất cacbit nhỏ hơn thép gió vonfram. Song nhợc điểm cơ bản của thép gió môlipđen là làm giảm nhiệt độ tôi và tăng sự thoát cacbon bề mặt khi tăng hàm lợng môlipđen. Vì vậy để tránh làm hỏng lớp bề mặt của dao cần tiến hành tôi trong lò có môi trờng bảo vệ. 4. Hợp kim cứng. Hợp kim cứng đợc chế tạo bằng phơng pháp luyện kim bột thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là cacbit vonfram một số loại có cacbit titan, cacbit tantan. Hợp kim cứng có độ cứng lớn HRA 87 ữ 92 (lớn hơn HRC 70). Độ bền nhiệt 1000 0 C. Tốc độ cắt cao : 100 ữ 500 m/ph . Năng xuất cắt cao hơn thép gió 2 ữ 3 lần. Nhợc điểm cơ bản của Hợp kim cứng là độ bền uốn kém độ dẻo thấp. Do đó dao hợp kim cứng cần làm việc trong điều kiện không có va đập, tránh tải trọng thay đổi và hệ thống công nghệ cần phải đảm bảo cứng vững. Qua việc phân tích tính chất,đặc điểmvà ứng dụng của một số vật liệu th- ờng đợc sử dụng để chế tạo dụng cụ cắt. Thấy rằng dao phay lăn răng có kết cấu tơng đối phức tạp, làm việc trong điều kiện trung bình, vận tốc cắt không cao. 10 . phay lăn răng. dùng để gia công bánh răng ăn khớp ngoài ( và một phần cho bánh răng ăn khớp trong ) răng thẳng, răng nghiêng (răng xoắn) , bánh răng chữ. nghiêng , răng xoắn, bánh răng chữ V và bánh vít. Dạng prôfin răng dao phay phụ thuộc vào dạng prôfin răng của bánh răng gia công vì vậy dạng prôfin của răng