Nghiên cứu nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng bằng điều chỉnh độ đảo hướng kính và dùng dầu bôi trơn làm mát có hạt nano

Các nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết tạo hình biên dạng răng [13][12], cải tiến thiết kế của dụng cụ cắt [15][16][17], nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu dụng cụ cắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI KHI PHAY LĂN RĂNG BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ ĐẢO HƯỚNG KÍNH

VÀ DÙNG DẦU BÔI TRƠN LÀM MÁT CÓ HẠT NANO

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI KHI PHAY LĂN RĂNG BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ ĐẢO HƯỚNG KÍNH

VÀ DÙNG DẦU BÔI TRƠN LÀM MÁT CÓ HẠT NANO

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh PGS.TS Hoàng Vị

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình được thực dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh và PGS.TS Hoàng Vị Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa công bố trên bất cứ một công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

PGS.TS Hoàng Vị

Nghiên cứu sinh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1 Mục đích 2

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Những đóng góp mới của luận án 3

7 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI BẰNG PHAY LĂN RĂNG 4

1.1 Sơ lược về quá trình phay lăn răng 4

1.1.1 Sự hình thành biên dạng răng khi gia công bằng dao phay trục vít 4

1.1.2 Lực cắt khi phay lăn răng 5

1.1.3 Nhiệt cắt khi phay lăn răng 6

1.2 Dao phay lăn răng 7

1.2.1 Cấu tạo dao phay lăn răng 7

1.2.2 Độ chính xác dao phay lăn răng 8

1.2.3 Mòn dao phay lăn răng 10

1.3 Máy phay lăn răng 13

1.3.1 Cấu tạo máy phay lăn răng 13

1.3.2 Độ chính xác máy phay lăn răng 13

1.4 Sai số profile răng của bánh răng trụ 16

1.4.1 Sơ lược về độ chính xác của bánh răng trụ 16

1.4.2 Sai số profile răng 16

1.4.3 Đo sai số profile răng của bánh răng trụ 18

1.4.3.1 Cơ sở lý thuyết đo sai số profile răng của bánh răng trụ 18

1.4.3.2 Một số phương pháp đo sai số profile răng 19

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về quá trình phay lăn răng 22

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 22

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 23

1.6 Khảo sát độ chính xác profile răng của bánh răng khi phay lăn răng trong điều kiện Việt Nam 26

1.6.1 Mục đích khảo sát 26

1.6.2 Đối tượng khảo sát 26

1.6.3 Điều kiện khảo sát 27

1.6.4 Kết quả và thảo luận 28

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 31

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE RĂNG 31

2.1 Cơ sở xác định sai số profile răng của bánh răng khi gia công 32

2.2 Một số thông số ảnh hưởng tới sai số profile răng khi phay lăn răng 35

2.2.1 Ảnh hưởng của độ chính xác dao phay lăn răng 35

2.2.2 Ảnh hưởng của sai số gá đặt dao phay lăn răng 36

2.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện cắt tới sai số profile răng 38

2.2.4 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát tới sai số profile răng 40

2.3 Nghiên cứu phương pháp giảm sai số profile răng dạng nhấp nhô bề mặt 42

2.3.1 Đặt vấn đề 42

2.3.2 Điều kiện và tiến trình khảo sát 43

2.3.3 Xử lý kết quả và thảo luận 43

2.4 Nghiên cứu phương pháp giảm sai số profile răng dạng song hình sin của bánh răng sau khi phay lăn răng 51

2.4.1 Cơ sở lý thuyết 51

2.4.2 Thí nghiệm kiểm chứng 53

2.4.2.1 Thiết bị thí nghiệm 53

2.4.2.2 Phương pháp điều chỉnh 54

2.4.3 Kết quả và thảo luận 56

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 60

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA DẦU CÔNG NGHIỆP CÓ TRỘN BỘT NANO 61

3.1 Đặt vấn đề 61

3.2 Hệ thống thí nghiệm 61

3.3 Thiết kế thí nghiệm Taguchi 69

3.4 Tối ưu hóa nhiều mục tiêu sử dụng Fuzzy logic kết hợp với phương pháp Taguchi 96 3.4.1 Chuẩn hóa dữ liệu đầu vào 97

3.4.2 Thiết lập hàm mờ và các quy luật mờ 98

3.4.3 Kết quả và thảo luận 102

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 103

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO QUÁ TRÌNH PHAY LĂN RĂNG TRONG THỰC TẾ SẢN XUẤT 104

4.1 Đặt vấn đề 105

4.2 Điều kiện thực nghiệm và chỉ tiêu đánh giá 105

4.2.1 Điều kiện thực nghiệm 105

4.2.2 Chỉ tiêu đánh giá 106

4.3 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 106

4.3.1 Sai số profile răng của bánh răng 106

4.3.2 Mòn dụng cụ cắt 111

4.3.3 Topography bề mặt 114

4.3.4 Đánh giá sự xâm nhập bột vào bề mặt phôi và dao 114

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

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

bao hình

lmax Chiều dài phoi lớn nhất

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

tùng số 1, TP Sông Công

chỉnh

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật của dao PLR (Dragon, Inc.) 27

Bảng 1 2 Chế độ công nghệ của quá trình phay lăn răng 28

Bảng 1 3 Sai số profile răng trong thí nghiệm khảo sát (µm) 28

Bảng 2 1 Lượng mòn mặt sau và kết quả phân tích hồi quy 51

Bảng 2 2 Thông số cơ bản của dao PLR -05 54

Bảng 2 3 Độ đảo hướng kính của trục dao PLR khi gia công trên máy PLR CNC GE15A 56

Bảng 2 4 Độ đảo hướng kính của trục dao PLR khi gia công trên máy PLR YBS3120 56

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của dao phay phay lăn răng dùng trong thí nghiệm 62

Bảng 3 2 Kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng và chế độ cắt khi phay bằng dao phay đơn lưỡi cắt 66

Bảng 3 3 Kết quả đo độ nhớt (cSt) ở 40 0 C của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al 2 O 3 67 Bảng 3 4 Kết quả đo độ dẫn nhiệt (W.m/K) của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al 2 O 3 69

Bảng 3 5 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng 70

Bảng 3 6 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm 70

Bảng 3 7 Thiết kế thí nghiệm L18[] Bảng 3 8 Ma trận thí nghiệm 71

Bảng 3 9 Giá trị lực cắt, nhiệt độ cắt, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng 78

Bảng 3 10 Phân tích ANOVA cho giá trị lực cắt tổng R 79

Bảng 3 11 Giá trị trung bình của lực cắt R và mức độ ảnh hưởng của các thông số tới giá trị lực cắt R 79

Bảng 3 12 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị S/N của lực cắt R 82

Bảng 3 13 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N 82

Bảng 3 14 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số Fz/Fy 84

Bảng 3 15 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ sỗ Fz/Fy 84

Bảng 3 16 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của Fz/Fy 86

Bảng 3 17 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của tỷ lệ Fz/Fy 86

Bảng 3 18 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị nhiệt độ cắt T 88

Bảng 3 19 Mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát tới giá trị nhiệt độ cắt 88

Bảng 3 20 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T 90

Bảng 3 21 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T 90

Bảng 3 22 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị độ nhám trung bình 92

Bảng 3 23 Mức ảnh hưởng của các thông số tới giá trị độ nhám trung bình 92

Bảng 3 24 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của độ nhám Ra 94

Bảng 3 25 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị độ nhám 94

Bảng 3 26 Dữ liệu chuẩn hóa cho các tỷ số S/N 97

Bảng 3 27 Quy luật mờ 100

Bảng 3 28 Hệ số mờ và xếp hạng ảnh hưởng của các bộ thông số thí nghiệm 102

Bảng 4 1 Chế độ công nghệ trong thí nghiệm đánh giá 105

Bảng 4 2 Sai số profile lớn nhất trong 03 thí nghiệm đánh giá 108

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Quá trình phay lăn răng 4

Hình 1 2 Sơ đồ tính toán lực cắt khi phay lăn răng [23] 5

Hình 1 3 Sơ đồ phân bố nhiệt trong vùng tạo phoi [32] 6

Hình 1 4 Dao phay lăn răng 8

Hình 1 5 Độ đảo hướng kính của dao phay lăn răng 8

Hình 1 6 Độ thẳng mặt trước dao phay lăn răng 9

Hình 1 7 Sơ đồ xác định sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng 9

Hình 1 8 Sai số bước dọc của đường xoắn vít: Sai lệch hai răng cắt liền kề (a), Sai lệch lớn nhất trong một bước chiều trục (b), Sai lệch lớn nhất trong ba bước chiều trục 10

Hình 1 9 Sai số chiều dày răng cắt của đao phay lăn răng 10

Hình 1 10 Các dạng mòn lưỡi cắt dao phay lăn răng 12

Hình 1 11 Cấu trúc máy phay lăn răng(1.Thân máy, 2 Ụ đứng, 3 Ụ đứng phụ, 4 Dẫn hướng ụ chống tâm, 5 Ụ chống tâm, 6 Trục gá phôi, 7 Dẫn hướng chạy dao đứng, 8 Bàn dao, 9 Dẫn hướng chạy dao tiếp tuyến, 10 Cụm trục chính 13

Hình 1 12 Sơ đồ kiểm tra độ đảo của trục gá phôi 14

Hình 1 13 Sơ đồ kiểm tra độ đảo ổ trục chính máy 14

Hình 1 14 Sơ đồ kiểm tra độ thẳng của băng máy chạy dao đứng 15

Hình 1 15 Sơ đồ kiểm tra độ chính xác động học 15

Hình 1 16 Sai số profile tổng cộng 17

Hình 1 17 Sai số dạng profile 17

Hình 1 18 Sai số góc profile 18

Hình 1.19 Tọa độ của một điểm bất kì trên biên dạng răng của bánh răng trụ thân khai 18

Hình 1 20 Biên dạng răng của bánh răng thân khai 19

Hình 1 21 Phương pháp đo profile dựa trên vòng tròn cơ sở 20

Hình 1 22 Phương pháp đo profile sử dụng bộ khuếch đại dịch chuyển 20

Hình 1 23 Phương pháp đo sai lệch profile sử dụng đầu dò linh hoạt 21

Hình 1 24 Sơ đồ phân tích lượng dịch chuyển của đầu dò 21

Hình 1 25 Máy đo bánh răng chuyên dụng 22

Hình 1.26 Bánh răng Z21, m1.75mm (nguồn FUTU1) 27

Hình 1 27 Sơ đồ gia công răng trên máy YBS3120 27

Hình 1 28 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng trong mỗi lần dịch dao 29

Hình 1 29 Sai số profile răng có dạng gợn sóng 29

Hình 1 30 Sai số profile răng có xuất hiện vết lõm 30

Hình 1 31 Sai số profile răng có dạng nhấp nhô liên tục 30

Hình 2 1 Quá trình phay bánh răng trụ răng thẳng bằng dao phay lăn răng 32

Hình 2 2 Vị trí của một điểm bất kỳ trên lưỡi cắt thứ k sau khi dao quay đi một góc θ i 34

Hình 2 3 Sai lệch bước răng (hob lead error) của dao phay lăn răng 35

Hình 2 4 Sơ đồ đo độ đảo trục dao khi phay lăn răng 37

Hình 2 5 Sai số vị trí tâm quay của một điểm trên răng cắt thứ k khi xuất hiện đảo 37

Hình 2 6 Sai số profile răng khi trục dao phay lăn răng bị đảo hướng kính [64] 38

Hình 2 7 Sai lệch cơ bản của profile răng và đường răng khi phay lăn răng 40

Hình 2 8 Phương pháp chạy dao truyền thống và chạy dao đường chéo 40

Hình 2 9 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 5 sản phẩm 44

Hình 2 10 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 50 sản phẩm 44

Hình 2 11 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 100 sản phẩm 44

Hình 2 12 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 200 sản phẩm 45

Hình 2 13 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 300 sản phẩm 45

Hình 2 14 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 400 sản phẩm 45

Hình 2 15 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 500 sản phẩm 46

Hình 2 16 Lượng mòn mặt trước dao phay lăn răng khi sử dụng dầu công nghiệp VG46 47

Hình 2 17 Lượng mòn mặt trước dao PLR khi sử dụng dầu VG46+0,3% Al 2 O 3 -80nm 47

Hình 2 18 Sai số profile răng của bánh răng khi PLR sử dụng dầu công nghiệp VG46 48

Hình 2 19 Sai số profile răng khi PLR sử dụng dầu VG46 + 0,3% Al 2 O 3 -80nm 49

Hình 2 20 Ảnh hưởng của mòn mặt sau răng cắt tới sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công nghiệp VG46 và dầu nano 0,3%Al2O3-80nm 50

Hình 2 21 Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và sai số profile răng của bánh răng sau khi gia công 50

Hình 2 22 Một số trường hợp đảo trục dao khi phay lăn răng 52

Hình 2 23 Máy phay lăn răng YBS3120 (a), máy phay lăn răng CNC GE15 (b) 54

Hình 2 24 Sai số bước răng dao phay lăn răng (a), vị trí sai số bước răng lớn nhất (b) 55

Hình 2 25 Điều chỉnh độ đảo trục dao phay lăn răng 55

Hình 2 26 Sai số profule răng khi phay lăn răng trên máy GE15: a,; b, có điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈5 µm và e 1 ≈5 µm 57

Hình 2 27 Sai số profile răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈10 µm và e 1 ≈10 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈10 µm và e 1 ≈10 µm 57

Hình 2 28 Sai số profile răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈16 µm và e 1 ≈16 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈16 µm và e 1 ≈16 µm 57

Hình 2 29 Sai số profule răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈20µm và e 1 ≈20 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với e 2 ≈20µm và e 1 ≈20 µm 58

Hình 2 30 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈5µm và e 1 ≈3µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với e 2 ≈5µm và e 1 ≈3µm 58

Hình 2 31 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈10µm và e 1 ≈5µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với e 2 ≈10µm và e 1 ≈5 µm 58

Hình 2 32 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈16µm và e 1 ≈5µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với e 2 ≈16 µm và e 1 ≈5µm 58

Hình 2 33 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈20 µm và e 1 ≈10 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo của trục dao với e 2 ≈20 µm và e 1 ≈10 µm 59

Hình 3 1 Mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt 62

Hình 3 2 Dao phay có một răng cắt 62

Hình 3 3 Bộ thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt 63

Hình 3 4 Cảm biến lực kisler 9257BA 63

Hình 3.5 Chiều dày phoi lớn nhất khi phay lăn răng 64

Hình 3 6 Kích thước phoi khi phay bằng dao phay một răng 65

Hình 3 7 Máy khuấy dung dịch 66

Hình 3 8 Thiết bị đo độ nhớt TV250, xuất xứ Hà lan 67

Hình 3 9 Quan sát lắng đọng bột nano Al 2 O 3 20nm với các tỷ lệ bột khác nhau 67

Hình 3 10 Quan sát lắng đọng bột nano Al 2 O 3 80nm với các tỷ lệ bột khác nhau 68

Hình 3 11 Quan sát lắng đọng bột nano Al 2 O 3 135nm với các tỷ lệ bột khác nhau 68

Hình 3 12 Sơ đồ phân tích lực cắt 72

Hình 3 13 Sơ đồ đo độ nhám 73

Hình 3 14 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu lực cắt tổng R 76

Hình 3 15 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu tỷ lệ lực cắt 76

Hình 3 16 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu nhiệt độ cắt T 77

Hình 3 17 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu độ nhám bề mặt Ra 77

Hình 3 18 Ảnh hưởng của các thông số tới lực cắt R 80

Hình 3 19 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới giá trị lực cắt R 81

Hình 3 20 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của các giá trị lực cắt R 83

Hình 3 21 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của lực cắt R 83

Hình 3 22 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới tỷ lệ lực cắt Fz/Fy 85

Hình 3 23 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số lực cắt Fz/Fy 85

Hình 3 24 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của tỷ lệ Fz/Fy 87

Hình 3 25 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của Fz/Fy 87

Hình 3 26 Ảnh hưởng của các thông số tới giá trị trung bình của nhiệt độ cắt T 89

Hình 3 27 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới giá trị nhiệt độ cắt trung bình 89

Hình 3 28 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của giá trị nhiệt độ cắt T 91

Hình 3 29 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T 91 Hình 3 30 Ảnh hưởng của các thông số khảo sát tới giá trị độ nhám trung bình 93

Hình 3 31 Ảnh hưởng tương tác giữa các thông số tới giá trị độ nhám trung bình 93

Hình 3 32 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới tỷ số S/N của Ra 95

Hình 3 33 Ảnh hưởng tương tác giữa các thông số tới tỷ số S/N của Ra 95

Hình 3 34 Sơ đồ mô tả thuật toán giải mờ với hai biến đầu vào và 2 quy luật mờ 99

Hình 3 35 Mô hình mờ với 4 thông số đầu vào và 1 thông số đầu ra 100

Hình 3 36 Hàm thành viên của lực cắt (a), tỷ lệ lực cắt (b), nhiệt độ cắt (c), độ nhám bề mặt (d) và thông số đầu ra FRTS 101

Hình 3 37 Ảnh hưởng của các thông số tới hệ số mờ 103

Hình 4 1 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu dầu công nghiệp VG46 106

Hình 4 2 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công nghiệp trộn 0.3% bột nano Al 2 O 3 với kích thước 20nm 107

Hình 4 3 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công nghiệp trộn 0.5% bột nano Al 2 O 3 với kích thước 20nm 108

Hình 4 4 Biểu đồ sai số profile răng khi gia công sử dụng dung dịch bôi trơn làm nguội khác nhau 109

Hình 4 5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh răng gia công được khi sử dụng dầu VG46 109

Hình 4 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh răng gia công được khi sử dụng dầu VG-0,3%-20nm 110

Hình 4 7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh răng gia công được khi sử dụng dầu VG-0,5%-20nm 110

Hình 4 8 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong

500 bánh răng sử dụng dầu công nghiệp thông thường 111

Hình 4 9 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong 500 bánh răng sử dụng dầu nano (trộn 0.3% bột nano Al 2 O 3 - 20nm) 112

Hình 4 10 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong 500 bánh răng sử dụng dầu nano (trộn 0.5% bột nano Al 2 O 3 - 20nm) 112

Hình 4 11 Hình ảnh mặt sau lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công 500 bánh răng sử dụng các dung dịch làm mát khác nhau 113

Hình 4 12 Biểu đồ so sánh mòn dao khi phay lăn răng sử dụng các dầu bôi trơn khác nhau 113

Hình 4 13 Ảnh chụp bề mặt răng của bánh răng thứ 500 khi phay lăn răng trong 3 trường hợp: Dầu công nghiệp (a),dầu trộn 0.3% Al 2 O 3 20nm (b), dầu trộn 0.5% Al 2 O 3 20nm (c) 114

Hình 4 14 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp VG46 114

Hình 4 15 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp 115

Hình 4 16 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp 115

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bộ truyền bánh răng trụ thân khai được sử dụng rất phổ biến trong mọi lĩnh vực kinh tế, đặc biệt là trong các thiết bị công nghiệp Chất lượng của truyền động bánh răng phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của các bánh răng Tăng độ chính xác của bánh răng sẽ làm tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm rung động và giảm tiếng ồn trong truyền dẫn Một số lượng lớn bánh răng sử dụng trong ngành cơ khí được chế tạo theo phương pháp phay lăn răng, một phương pháp có năng suất cao và được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất, các nhà máy, doanh nghiệp trong và ngoài nước Quá trình phay lăn răng là quá trình gia công hiệu quả nhất đối với các bánh răng ăn khớp ngoài có độ chính xác trung bình (cấp 8-10) khi sử dụng dao thép gió và đạt độ chính xác cấp 6-8 khi sử dụng dao phay hợp kim cứng [2][4][61] Đặc biệt, trong điều kiện sản xuất còn thiếu trang thiết bị, quá trình phay lăn răng không thể thiếu trong các phân xưởng sản xuất bánh răng

Quá trình phay lăn răng là một quá trình gia công sử dụng dao phay lăn răng với các chuyển động tạo hình phức tạp, theo phương pháp bao hình Độ chính xác của bánh răng sau khi phay lăn răng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như độ chính xác của dao, độ chính xác máy và độ chính xác gá đặt Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của bánh răng thân khai nói chung và nâng cao độ chính xác profile răng của chúng Các nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết tạo hình biên dạng răng [13][12], cải tiến thiết kế của dụng cụ cắt [15][16][17], nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu dụng cụ cắt mới [21][18] hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học dụng

cụ cắt tới độ chính xác của bánh răng… Các nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của phương pháp phay lăn răng và cho thấy sự cần thiết phải cải thiện độ chính xác của bánh răng sau khi phay lăn răng

Trong nước, công nghệ chế tạo bánh răng cũng được tiếp cận từ khá lâu tuy nhiên quá trình phay lăn răng không quan tâm nhiều đến sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng, vì quá trình phay lăn răng là một quá trình tạo hình phức tạp và cũng do không có đầy đủ trang thiết bị đo phục vụ nghiên cứu Tuy nhiên, với sự phát triển của nền sản xuất hiện đại, hướng tới nâng cao tỷ lệ nội địa hóa trong công nghiệp sản xuất xe máy

và ô tô, thì việc kiểm soát, nâng cao độ chính xác bánh răng nói chung và độ chính xác profile răng nói riêng đã và đang là một nhu cầu thiết yếu của nhiều doanh nghiệp chế tạo

cơ khí tại Việt Nam Vì vậy nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của bánh răng trụ thân khai, tiếp cận với nền sản xuất hiện đại, tác giả tập trung nghiên cứu:

“Nghiên cứu nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng bằng cách điều chỉnh độ đảo hướng kính và dùng dầu bôi trơn làm

mát có trộn bột nano”

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích

Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố tới sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng và đưa ra một số giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Sai số profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng

Phạm vi nghiên cứu:

Quá trình phay lăn răng bánh răng trụ bằng dao phay lăn răng thép gió có phủ TiN trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết được sử dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới sai số profile răng của bánh răng trụ khi phay lăn răng, từ đó đề xuất biện pháp giảm sai số

- Phương pháp khảo sát thực nghiệm được sử dụng để phân tích tổng hợp các dạng sai số profile răng thường xuất hiện trong điều kiện thực tế và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

- Phương pháp quy hoạch thí nghiệm được sử dụng để xác định thành phần trộn dầu nano hợp lý

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với phân tích, đánh giá, so sánh và luận giải các hiện tượng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

Đề tài làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng Xây dựng được công thức xác định lượng xê dịch vị trí của điểm tạo hình trên răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh khởi thủy, từ đó đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng

Đề xuất được các biện pháp nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng: Xây dựng được công thức xác định độ đảo hướng kính của trục dao và vị trí đảo phù hợp với sai

số bước răng của dao phay lăn răng để có thể giảm sai số profile dạng gợn sóng hình sin; Giảm mòn dao phay lăn răng bằng cách sử dụng dầu nano (dầu có trộn bột nano), từ đó giảm sai số profile răng dạng nhấp nhô bề mặt

Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi đề nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới lực cắt, điều kiện ma sát, nhiệt độ cắt và độ nhám bề mặt trên mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt Đồng thời kết hợp với phương pháp tối ưu sử dụng Fuzzy logic để xác định được điều kiện công nghệ tối ưu

Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để: dự đoán nguyên nhân gây ra sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng và đề xuất các biện pháp giảm sai số profile răng; dự đoán sai số profile răng gia công được, từ đó xác định thời điểm mài lại dao hợp lý

Phương pháp bôi trơn làm mát bằng dầu có trộn bột nano (dầu nano) có thể áp dụng vào quá trình phay lăn răng trong điều kiện sản xuất của Việt Nam

Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo và nghiên cứu

6 Những đóng góp mới của luận án

Ảnh hưởng của vận tốc cắt, cỡ hạt nano và nồng độ hạt nano trộn vào dầu bôi trơn làm mát đến lực cắt, điều kiện ma sát, nhiệt độ cắt và độ nhám đã được nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một lưỡi cắt Thông số cỡ hạt và nồng độ hạt nano Al2O3 tối ưu trộn vào dầu bôi trơn làm mát đã được xác định bằng phương pháp tối ưu hóa Fuzzy Logic kết hợp với quy hoạch thực nghiệm Taguchi

Thử nghiệm giải pháp điều chỉnh độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng và sử dụng dầu có trộn bột nano với thông số tối ưu vào điều kiện phay lăn răng thực tế tại công

ty cổ phần phụ tùng máy số 1-TP Sông Công Thái Nguyên Kết quả bước đầu khẳng định hiệu quả nghiên cứu và cho thấy khả năng áp dụng vào điều kiện sản xuất thực tế

7 Bố cục của luận án

Luận án được chia thành 04 chương:

Chương 1: Tổng quan về quá trình cắt răng của bánh răng trụ thân khai bằng phay lăn răng

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác profile răng

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số tối ưu của dầu công nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ

THÂN KHAI BẰNG PHAY LĂN RĂNG 1.1 Sơ lược về quá trình phay lăn răng

1.1.1 Sự hình thành biên dạng răng khi gia công bằng dao phay trục vít

Quá trình phay lăn răng là một quá trình gia công răng theo phương pháp bao hình, nhờ nhắc lại sự ăn khớp cưỡng bức bằng cắt gọt dọc theo đường răng giữa dao trục vít (dao

phay lăn răng) với phôi bánh răng cần gia công (Hình 1 1), nhằm mục đích hớt bỏ lớp kim

loại ở rãnh răng để tạo hình bề mặt răng [1][2][5] Đảm bảo độ chính xác của răng chủ yếu

là đảm bảo độ chính xác profile răng, độ chính xác bước răng, độ đồng tâm của vòng chia với tâm quay của răng

Quá trình phay lăn răng sử dụng dao phay lăn răng với chuyển động tạo hình phức tạp, đồng thời điều kiện cắt và tiết diện cắt luôn luôn thay đổi theo từng răng cắt và tại cùng thời điểm thì có nhiều răng cùng tham gia cắt Quá trình cắt khi phay lăn răng cũng rất phức tạp, tại từng thời điểm mỗi răng cắt sẽ cắt đi một lượng phoi khác nhau và ở mỗi điểm trên lưỡi cắt lại có tốc độ cắt cũng khác nhau và lượng chạy dao cũng khác nhau Hơn nữa, lưỡi cắt có hình dạng phức tạp, chuyển động tương đối của lưỡi cắt so với phoi cũng rất phức tạp nên góc mài sắc cũng như góc cắt thường không đạt được những trị số của điều kiện cắt lý tưởng

Hình 1 1 Quá trình phay lăn răng

Quá trình tạo hình bề mặt răng là quá trình nhắc lại sự ăn khớp của cặp truyền động trục vít bánh răng một cách cưỡng bức Trong đó trục vít được tạo hình thành dao gọi là dao phay lăn răng và bánh răng đóng vai trò là phôi Quá trình phay lăn răng được thể hiện trong hình 1.1, bao gồm các chuyển động cần thiết: chuyển động quay của dao (nd) đóng vai trò là chuyển động cắt chính, chuyển động quay của phôi (np) đóng vai trò là chuyển động chạy dao vòng tương ứng với chuyển động quay của dao và chuyển động chạy dao đứng (Tđ) giữa dao với phôi Theo lý thuyết bao hình, bề mặt bánh răng được hình thành chính là mặt bao của các vị trí liên tiếp của trục vít cơ sở, khi trục vít thực hiện chuyển

động quay tương ứng (nd) với chuyển động quay của bánh răng cần gia công (np) theo mối tương quan tỷ số truyền tương ứng:

1 vòng quay của dao phay trục vít → 𝑘𝑍 vòng quay của phôi bánh răng

Với k là số đầu mối của dao phay trục vít và Z là số răng của bánh răng cần gia công Thông thường quá trình phay lăn răng sử dụng dao phay trục vít một đầu mối

Khi dao phay trục vít thực hiện chuyển động quay sẽ lần lượt ăn khớp với tất cả các răng của bánh răng Do đó mỗi rãnh răng của bánh răng sẽ được gia công bởi tất cả các răng của dao phay trục vít trên chiều dài tạo hình Khi đó mỗi lưỡi cắt sẽ vẽ nên một quỹ đạo tròn, hay tạo ra một bề mặt cắt và hình bao của các bề mặt tạo hình này sẽ hình thành nên bề mặt răng của bánh răng cần gia công

1.1.2 Lực cắt khi phay lăn răng

Trong gia công cắt gọt kim loại, lực cắt là một trong những thông số quan trọn để đánh giá điều kiện cắt, vì dưới tác động của lực cắt phoi được tách ra, gây biến dạng (biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo) và công biến dạng chuyển hóa thành nhiệt cắt Trong vùng gia công, lực cắt, lực ma sát và nhiệt cắt gây ra mòn bề mặt tiếp xúc và biến dạng lưỡi cắt của dụng cụ, mà cụ thể là trên mặt trước và mặt sau Ngoài ra lực cắt được sử dụng trong các tính toán trong quá trình thiết kế máy, thiết kế công nghệ như tính công suất cắt, tính

đồ gá, tính bền… Sự ổn định của lực cắt cũng là một vấn đề quan trọng nó ảnh hưởng đến khả năng làm việc ổn định của hệ thống công nghệ, nó là một thông số quan trọng tác động đến chất lượng và độ chính xác của quá trình gia công

Quá trình cắt khi phay lăn răng rất phức tạp, không chỉ trạng thái của mỗi răng cắt

là khác nhau mà trạng thái tại các điểm trên cùng một răng cắt cũng khác nhau Vì chiều dày cắt và chiều rộng cắt là không giống nhau tại mỗi thời điểm khác nhau, nên nó tạo ra những vùng cắt thay đổi gây ra những thay đổi về động lực học Vì vậy lực cắt khi phay lăn răng thường được xác định bằng cách xác định vùng cắt, tính toán lực cắt trên mặt phẳng cắt và lực cắt trên mỗi răng cắt, sau đó tính tổng lực cắt trên răng cắt tham gia vào bóc tách vật liệu ở cùng thời điểm hay chính là lực tác dụng lên dao phay lăn răng [23]-

[26], Hình 1 2

Hình 1 2 Sơ đồ tính toán lực cắt khi phay lăn răng [23]

1.1.3 Nhiệt cắt khi phay lăn răng

Trong quá trình cắt kim loại nói chung, năng lượng bị tiêu tốn vào việc tạo phoi và thắng lực ma sát giữa phôi và dụng cụ Nhiệt cắt sinh ra trong quá trình cắt răng là do công sinh ra làm biến dạng vật liệu gia công và công sinh ra do ma sát Biến dạng dẻo của vật liệu gia công trong vùng tạo phoi, vùng biến dạng thứ hai và tương tác ma sát giữa vật liệu gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy bộ phận đến toàn bộ khả năng làm việc của lưỡi cắt Nhiệt độ cắt trong dụng cụ tăng khi cắt với vận tốc cắt cao

và lượng chạy dao lớn hoặc vật liệu gia công có nhiệt độ nóng chảy cao là nguyên nhân làm giảm năng xuất cắt gọt [31]-[39] Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98%-99% công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt

AB), mặt trước (AC) và mặt sau (AD) (Hình 1 3) Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao,

phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường 0 Thực tế vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ lệ này, khi vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi

Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:

Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau (1.1)

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống phoi, phôi, dao và môi trường theo công thức sau:

Q = Qphoi + Qphôi + Qdao + Qmt (1.2)

Hình 1 3 Sơ đồ phân bố nhiệt trong vùng tạo phoi [32]

Nhiệt sinh trong vùng biến dạng thứ nhất (QAB)

Nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng phần lớn công sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất biến thành nhiệt Tốc độ sinh nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể gần đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức sau:

𝑑𝑤

𝑑𝑡 = 𝑄1 = 𝑘𝐴𝐵 𝐴𝑆 𝑉𝑆 (1.3)

Trong đó: kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất

AS là diện tích của mặt phẳng trượt

VS là vận tốc của vật liệu trên mặt phẳng trượt

Chỉ một phần nhiệt (β.Q1) truyền vào phôi, phần còn lại (1-β).Q1 truyền vào thể tích của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ ∆T trong vùng biến dạng thứ nhất Hệ số β có thể lớn đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao Khi tốc độ thoát phoi thể tích cao thì β giảm đến 10%-15% Hệ số β được xác định bằng đồ thị thực nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt RT

Nghiên cứu của Trent [28] cũng đã chỉ ra rằng phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng biến dạng thứ nhất truyền vào phoi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ cắt

Các công trình của Trent [28], Zorev [30], Doyle [31], Wright [34], Loladze [32], Tay [33] cũng kết luận rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi

và mặt trước và biến dạng dẻo của các lớp phoi sát với mặt trước (vùng biến dạng thứ hai) sinh ra Nghiên cứu của Jun và Smith thì cho rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ khoảng 20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền vào dụng cụ Lượng nhiệt này đóng một vai trò rất quan trọng đối với tuổi bền của dụng

cụ Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển động của lớp phoi dưới cùng còn nhiều tranh cãi nên chưa có một công thức duy nhất để tính tốc độ sinh nhiệt trên mặt trước Đồng thời nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng nhiệt sinh ra do

ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà nhiệt sinh ra do biến dạng dẻo với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chính tạo nên nhiệt độ cao trong dụng cụ cắt Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt trước theo phương thoát phoi Nhưng các nghiên cứu Li và đồng nghiệp [35], cũng như nghiên cứu của Tay và đồng nghiệp [33], lại cho rằng thành phần nhiệt sinh ra do ma sát trượt của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độ sinh nhiệt riêng trên mặt trước khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về phân bố vận tốc của lớp phoi dưới cùng trên mặt trước

Nhiệt sinh ra trên vùng tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD) Nhiệt sinh

ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ý nghĩa khi lượng mòn mặt sau đủ lớn Do mòn mặt sau được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều Mòn mặt sau được đánh giá qua chiều cao trung bình vùng mòn mặt sau

Đặc điểm của quá trình cắt khi phay lăn răng là số lượng lưỡi cắt và chiều dài lưỡi cắt tham gia cắt lớn Do đó gây biến dạng vật liệu gia công và ma sát lớn làm phát sinh nhiệt trong vùng cắt lớn Gây ra mòn răng cắt của dao do tác động của nhiệt, đặc biệt nhiệt cắt gây biến dạng profin lưỡi cắt ảnh hưởng lớn đến độ chính profin bánh răng gia công Vì vậy một trong những biện pháp nhằm giảm sự tác động của nhiệt cắt

là sử dụng dao phay lăn chế tạo từ những vật liệu có độ bền nhiệt cao và sử dụng dung dịch trơn nguội để giảm nhiệt

1.2 Dao phay lăn răng

1.2.1 Cấu tạo dao phay lăn răng

Dao phay lăn răng là dụng cụ cắt dùng để gia công các bánh răng ăn khớp ngoài

theo phương pháp bao hình Dao phay lăn răng thường có cấu tạo như Hình 1 4 Về kết

cấu, dao phay lăn răng có thể liền khối hoặc ghép mảnh Các thông số cơ bản của dao phay

lăn răng bao gồm: modul, góc profile răng, góc xoắn của dao, số đầu mối, đường kính ngoài và góc trước Với các bánh răng có modul nhỏ thường sử dụng kết cấu liền khối

Hình 1 4 Dao phay lăn răng

1.2.2 Độ chính xác dao phay lăn răng

1.2.2.1 Độ đảo hướng kính của dao

Độ đảo hướng kính của đỉnh răng chính là sai lệch bán kính lớn nhất được đo tại

hai gờ kiểm tra của dao phay lăn răng, Hình 1 5 Độ đảo hướng kính của dao sau khi chế

tạo cùng với sai số lắp ghép, độ chính xác của ổ trục chính và sai số của trục gá dao sẽ gây

ra độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng và ảnh hưởng tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng

Hình 1 5 Độ đảo hướng kính của dao phay lăn răng

1.2.2.2 Độ thẳng của mặt trước

Do sai số chế tạo dao, mặt trước của răng dao bị sai lệch vị trí và mặt trước không thẳng làm cho lưỡi cắt xê dịch khỏi bề mặt của trục vít cơ bản, gây ra sai lệch profile và gây ra sự không đối xứng của profile răng bánh răng sau khi gia công, Hình 1 6

Sai số về độ thẳng mặt trước của răng cắt (độ hướng kính của mặt trước) sinh ra do quá trình chế tạo dao phay lăn răng hoặc sau khi dao mài lại, nó phụ thuộc vào độ chính

xác của dao phay lăn răng và quá trình mài lại

Hình 1 6 Độ thẳng mặt trước dao phay lăn răng

Khi góc trước âm được tạo ra do trong quá trình gia công hoặc mài lài mặt trước đã hớt vật liệu nhiều ở phần đỉnh răng Nếu gia công bánh răng bằng dao phay lăn răng có góc trước âm sẽ gây ra sai số profile răng, làm răng của bánh răng sau gia công bị nhỏ ở đỉnh

và to ở chân răng Và ngược lại, răng của bánh răng sau khi gia công sẽ bị nhỏ chân và to ở đỉnh răng khi sử dụng dao phay lăn răng có góc trước dương [1][2]

1.2.2.3 Sai số profile lưỡi cắt

Sai số profile lưỡi cắt được xác định bằng khoảng cách giữa hai profile lý thuyết (đường thẳng) tiếp áp với profile thực, như Hình 1 7 Lưỡi cắt của dao phay lăn răng góp phần trực tiếp tạo hình răng của bánh răng trong quá trình gia công Do đó sai số profile lưỡi cắt tăng sẽ làm tăng sai số profile răng bánh răng được gia công

Hình 1 7 Sơ đồ xác định sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng

1.2.2.4 Sai số bước răng dao phay lăn răng

Sai số bước răng dao phay lăn răng được xác định thông qua vị trí răng cắt đo theo phương dọc trục, bao gồm 3 thông số (Hình 1 8):

- Sai số bước răng đo giữa hai răng liền kề: là sai lệch bước răng giữa hai răng cắt liền kề, dọc theo đường xoắn vít trên toàn bộ chiều dài dao, như hình 1.8a

- Sai số bước răng tổng đo trong một bước dọc của dao: Là sai lệch bước răng lớn nhất giữa hai răng cắt bất kỳ, dọc theo đường xoắn vít, trong phạm vi một bước dọc trục

- Sai số bước răng tổng đo trong 3 bước dọc trục: là sai lệch bước răng lớn nhất giữa hai răng cắt bất kỳ, dọc theo đường xoắn vít, trong phạm vi 3 bước dọc trục

a, b, c,

Hình 1 8 Sai số bước dọc của đường xoắn vít: Sai lệch hai răng cắt liền kề (a), Sai lệch lớn nhất trong một bước chiều trục (b), Sai lệch lớn nhất trong ba bước chiều trục

1.2.2.5 Sai số chiều dày răng

Sai số chiều dày răng dao phay lăn răng ảnh hưởng đến chiều dày các răng của

bánh răng sau khi gia công (Hình 1 9) Đối với dao phay lăn răng có lưỡi cắt thẳng thì sai

số chiều dày răng chỉ ảnh hưởng đến chiều cao chân răng và ảnh hưởng tới khe hở ăn khớp của truyền động bánh răng

Hình 1 9 Sai số chiều dày răng cắt của đao phay lăn răng

1.2.3 Mòn dao phay lăn răng

Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần và sau một khoảng thời gian dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn [36] Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế tuổi bền của dụng cụ Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công

1.2.3.1 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt

Các nghiên cứu của Shaw [37] đã cho thấy mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài, khuếch tán, oxy hóa và mỏi Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế Ngoài ra dụng cụ còn bị phá hủy do bị mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo Theo Loffer trong cắt kim loại, nhiệt

độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của cơ chế mòn và phá hủy dụng cụ Trong dải vận tốc cắt thấp và trung bình của quá trình cắt liên tục, cũng

như cắt gián đoạn cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế Khi tăng vận tốc cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở nên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và chủ yếu gây ra mòn mặt trước Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế mòn chủ yếu dẫn đến sự vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục

Mòn do dính

Các nghiên cứu của Boothroyd [39] và Loladze [38] đã cho thấy mòn do dính sẽ phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo liên tục theo chu kỳ thậm trí trong khoảng thời gian cắt ngắn Hiện tượng mòn có thể gọi là dính mỏi Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của lớp bề mặt dụng

cụ và cường độ dính của nó với vật liệu gia công Cường độ dính được đặc trưng bởi hệ số cường độ dính ka, là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt

độ xác định Với đa số các cặp vật liệu thì ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ

9000C-13000C Nghiên cứu của Loladze [38] kết luận rằng độ cứng của mặt dao đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính

Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3 mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần Nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng vật liệu dụng cụ thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn mặt trước trong khoảng nhiệt độ tới 9000C Khi mặt dưới của phoi dính chặt vào mặt trước, thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra

sự trượt của các lớp vật liệu dụng cụ và gây ra mòn do dính Điều này cũng phù hợp với quan điểm của Loladze [32] cho rằng mức độ biến cứng của các lớp dưới của phoi thép các bon khi biến dạng dẻo với tốc độ cao ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Mòn do hạt mài

Cơ chế mòn dụng cụ cắt do hạt mài được Loladze nghiên cứu và chỉ ra rằng dạng mòn này có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides hoặc những hạt cacbit của vật liệu dụng cụ trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ [32] Môi trường xung quanh

có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài, ví dụ khi gia công cắt trong môi trường có tính hóa học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn Loladze cũng cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài

tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc

Tuy nhiên, Trent lại cho rằng các hạt mài riêng rẽ không đóng vai trò quan trọng đối với mòn dụng cụ Theo ông thì các hạt cabides trong thép gió bị suy yếu do hiện tượng khuyếch tán bị tách ra và kéo trên bề mặt tạo nên các rãnh mòn Đồng thời, Theo ông khi phoi trượt trên mặt trước của dụng cụ thì mòn do mài sẽ có chiếm ưu thế

Mòn do khuếch tán

Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây

là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa VLDC và VLGC Colwell [41] đã đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ

9300C khi cắt bằng dụng cụ carbides có liên quan đến một cơ chế khác đó là hiện tượng

mòn do khuếch tán, oxy hóa hoặc sự phân rã hóa học của VLDC ở các lớp bề mặt Theo Brierley và Siekman [42] hiện nay mòn do khuếch tán được chấp nhận rộng rãi như một hiện tượng mòn quan trọng ở tốc độ cắt cao Họ chỉ ra các quan sát của Opitz cho thấy trong cấu trúc tế vi của các lớp dưới của phoi thép cắt bằng dụng cụ carbide chứa nhiều các bon hơn so với phôi Điều đó chứng tỏ rằng các bon từ cacbit volfram đã hợp kim hóa hoặc khuếch tán vào phoi làm cho tăng thành phần các bon của các lớp này Min và Youzhen [43] đã phát hiện hiện tượng khuếch tán khi phay hợp kim titan bằng dao phay cacbide ở vận tốc cắt 200m/p Họ đã quan sát một lớp giàu cacbon dọc theo mặt tiếp xúc giữa bề mặt dụng cụ và VLGC Dưới bề mặt của dụng cụ xuất hiện một lớp thiếu các bon Trent [28] cho rằng do dính (seisure), hiện tượng khuếch tán xảy ra qua mặt tiếp xúc chung của dụng

cụ và VLGC là hoàn toàn có khả năng Dụng cụ bị mòn do các nguyên tử các bon và hợp kim khuếch tán vào phoi và bị cuốn đi Khuếch tán là một dạng của ăn mòn hóa học trên

bề mặt dụng cụ có phụ thuộc vào tính linh động của các nguyên tố liên quan Tốc độ mòn

do khuếch tán không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cao mà còn phụ thuộc vào tốc độ của dòng vật liệu gần bề mặt dụng cụ có tác dụng cuốn các nguyên tử vật liệu dụng cụ đi

Ekemar cho rằng khi cắt thép và gang tương tác giữa VLGC và VLDC có thể xảy ra Thành phần chính của các lớp phoi tiếp xúc với dụng cụ là austenite với thành phần cacsbon thấp khi nhiệt độ vùng tiếp xúc đủ cao Austenite với một số nguyên tố hợp kim của dụng cụ trong quá trình cắt

1.1.4.3 Dạng mòn và đánh giá mòn dao phay lăn răng

Mòn răng cắt dao phay là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới giá thành trong quá trình phay lăn răng [44]-[48] Hơn nữa mòn răng cắt ảnh hưởng lớn đến khả năng cắt gọt

và làm giảm độ chính xác của bề mặt răng khi phay lăn răng Tuy nhiên, mòn dao phay lăn răng là một vấn đề khá phức tạp, không chỉ phụ thuộc vào vật liệu dao, vật liệu gia công

mà còn phụ thuộc lớn vào chế độ cắt và chế độ bôi trơn làm nguội Những nghiên cứu trước đây đã cho thấy có hai dạng mòn chính xảy ra trên răng cắt của dao phay lăn răng Đầu tiên là vết mòn trên mặt trước, dạng mòn này thường xảy ra với dụng cụ cắt bằng thép gió và đặc trưng bởi chiều sâu và bề rộng của vết mòn, như Hình 1 10

Hình 1 10 Các dạng mòn lưỡi cắt dao phay lăn răng

Kisaburon Nagano và Masato Ainoura (1990) đã nghiên cứu mòn mặt trước dao phay lăn răng, nghiên cứu đã chỉ ra mòn mặt trước dao có phủ TiN diễn ra chậm và chỉ ảnh hưởng lớn khi dao đã bị mài [44] Dạng mòn thứ hai chính là mòn mặt sau của lưỡi cắt, được đặc trưng bởi chiều rộng vết mòn và cũng là yếu tố quyết định thời điểm mài lại dao phay lăn răng Và dạng mòn này phát triển nhanh hơn mòn trên mặt trước của dao Yoji Umezaki và đồng nghiệp đã nghiên cứu về mòn mặt sau dao phay lăn răng Lượng mòn mặt sau lớn nhất xuất hiện ở đỉnh của răng cắt [45] Mòn mặt sau ở đỉnh của răng cắt không gây ra sai số profile răng cắt của dao, tuy nhiên làm cho lưỡi cắt giảm khả năng cắt

và gây ra rung động lớn trong quá trình cắt

1.3 Máy phay lăn răng

1.3.1 Cấu tạo máy phay lăn răng

Máy phay lăn răng là thiết bị được dùng để gia công các bánh răng trụ và bánh vít theo phương pháp bao hình Một máy phay lăn răng có cấu tạo như Hình 1 11

Hình 1 11 Cấu trúc máy phay lăn răng(1.Thân máy, 2 Ụ đứng, 3 Ụ đứng phụ, 4 Dẫn hướng ụ chống tâm, 5 Ụ chống tâm, 6 Trục gá phôi, 7 Dẫn hướng chạy dao đứng, 8 Bàn

dao, 9 Dẫn hướng chạy dao tiếp tuyến, 10 Cụm trục chính

1.3.2 Độ chính xác máy phay lăn răng

Độ chính xác của máy phay lăn răng được đánh giá bởi nhiều thông số, thông qua độ chính xác của bàn gá phôi, cụm trục chính, băng máy và độ chính xác truyền động của các xích động học [58]

a, Độ chính xác bàn gá phôi

Độ chính xác của bàn gá phôi được đánh giá thông qua độ phẳng của bàn máy và độ đảo của trục gá phôi Tùy thuộc vào điều kiện gia công mà độ chính xác bàn gá phôi được lựa chọn phù hợp theo tiêu chuẩn iso 6545-1992 và được kiểm tra định kỳ theo sơ đồ như

Hình 1 12

Hình 1 12 Sơ đồ kiểm tra độ đảo của trục gá phôi

b, Độ đảo của cụm trục chính

Cụm trục chính là một trong những bộ phận chính của máy, độ chính xác cụm trục chính được đánh giá bởi nhiều thông số Trong đó độ đảo ổ cụm trục chính là một thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác profile răng Độ đảo ổ cụm trục chính

được kiểm tra theo sơ đồ như Hình 1 13, và được thực hiện sau khi chế tạo hoặc sau mỗi

lần bảo dưỡng máy Tuy nhiên, trong quá trình gia công thì độ đảo ổ trục chính máy thường không được kiểm tra, mà chỉ kiểm tra độ đảo trục dao sau khi lắp lên trục chính

Độ đảo ổ trục chính sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ đảo trục dao phay lăn răng

Hình 1 13 Sơ đồ kiểm tra độ đảo ổ trục chính máy

c, Độ chính xác của các băng máy

Trong quá trình phay lăn răng bánh răng trụ, ngoài hai chuyển động quay của dao và chuyển động quay tương ứng của phôi thì dao phay lăn răng cần có chuyển động tịnh tiến dọc theo phương trục của phôi để tạo hình nên đường răng Độ chính xác của chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục phôi phụ thuộc vào độ thẳng của băng máy, được kiểm tra

thường xuyên trong các lần bảo dưỡng như sơ đồ Hình 1 14 Độ chính xác của chuyển

động tịnh tiến theo phương dọc trục sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác đường răng của bánh răng gia công

Hình 1 14 Sơ đồ kiểm tra độ thẳng của băng máy chạy dao đứng

d, Độ chính xác động học

Độ chính xác động học được hiểu là sai số về mặt chuyển động của các khâu chấp hành Trong máy phay lăn răng, để đảm bảo độ chính xác của bánh răng gia công thì yêu cầu đảm bảo độ chính xác động học của các xích truyền động: Xích động học bao hình, xích vi sai (khi gia công bánh răng nghiêng và xích vi sai khi phay bánh vít theo phương pháp ăn dao tiếp tuyến, Hình 1 15

Hình 1 15 Sơ đồ kiểm tra độ chính xác động học

Độ chính xác của máy ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công của bánh răng,

do đó máy thường yêu cầu phải bảo dưỡng thường xuyên theo yêu cầu của nhà sản xuất Độ chính xác của máy phay lăn răng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, gây ra sai số hệ thống trong quá trình gia công,và thường được khắc phục trong các lần bảo dưỡng máy, nên trong phạm

vi nghiên cứu của đề tài, tác giả coi như độ chính xác của máy là đảm bảo

1.4 Sai số profile răng của bánh răng trụ

1.4.1 Sơ lược về độ chính xác của bánh răng trụ

Bộ truyền bánh răng trụ được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật công nghiệp và dân dụng Nó được dùng làm bộ truyền động và là thành phần cơ bản trong các bộ truyền động, đặc biệt là đối với các máy cắt, ôtô máy kéo, máy đo lường, các cơ cấu chia độ, cơ cấu điều chỉnh Chất lượng bánh răng quyết định độ chính xác truyền động máy, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm cũng như kết quả đo được trên nó

Căn cứ vào công dụng và nhiệm vụ chủ yếu của truyền động bánh răng, các chỉ tiêu chất lượng cho cặp truyền động bánh răng được quy định như sau [4], [5]:

- Mức chính xác động học

- Mức làm việc êm

- Mức tiếp xúc của răng trong cặp truyền động

Bánh răng và cặp truyền động bao giờ của phải đảm bảo cả 3 mức chính xác, nhưng

có thể ở các cấp chính xác khác nhau Trong đó, mức làm việc êm không được cao hơn 2 cấp hoặc thấp hơn một cấp so với mức chính xác động học và mức tiếp xúc răng thì có thể

ở cấp chính xác cao hơn 1 cấp hoặc thấp hơn một cấp so với mức làm việc êm

Các chỉ tiêu chất lượng của cặp truyền động là các chỉ tiêu chất lượng tổng hợp, được đánh giá thông qua một bộ thông số tương ứng với các cấp chính xác khác nhau Trong thực tế, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng của bánh răng mà tính toán các mức chính xác tương ứng, trên cơ sở đó lựa chọn cấp chính xác phù hợp [4] Bộ thông số đánh giá độ chính xác của cặp truyền động bánh răng trụ thân khai bao gồm:

- Sai số về bước răng: sai số bước cơ sở, sai số bước răng, sai số tích lũy bước vòng

và sai số tích lũy bước vòng tổng

- Sai số profile răng: Sai số profile tổng, sai số dạng profile và độ lệch profile

- Sai số đường răng: Sai số tổng, sai số dạng đường răng và độ lệch đường răng

- Sai số động học bánh răng

- Độ đảo vành răng

- Độ dao động khoảng tiếp tuyến chung

1.4.2 Sai số profile răng

Sai số profile răng là một thông số trong bộ thông số dùng để đánh mức độ làm việc êm của các bánh răng Sai số profile răng được đánh giá thông qua 3 thông số là sai số profile tổng, sai số dạng profile, và độ lệch của profile

a, Sai số profile tổng (fα)

Theo tiêu chuẩn ISO 1238-1:2013, thì sai số profile tổng chính là khoảng cách giữa

hai profile giống với profile thiết kế và tiếp áp với profile đo được [49], như Hình 1 16

Sai số profile tổng là một trong các thông số quan trọng trong việc đánh giá độ chính xác của bánh răng trụ thân khai Và là một thông số kiểm tra không thể thiếu với các bánh răng có độ chính xác từ cấp 9 trở lên [49]

Hình 1 16 Sai số profile tổng cộng

b, Sai số dạng profile

Sai số dạng profile được định nghĩa là khoảng cách giữa hai profile giống với đường profile trung bình, mà tiếp áp với profile thực của răng cần đo [49], như Hình 1 17 Đường profile trung bình được xây dựng theo phương pháp bình phương nhỏ nhất dựa theo

dữ liệu đo được của đường profile thực

Theo tiêu chuẩn ISO 1238-1:2013, sai số dạng profile là thông số dùng để đánh giá các bánh răng có độ chính xác từ cấp 5 trở lên

Hình 1 17 Sai số dạng profile

c, Độ lệch của profile răng

Độ lệch của profile răng được định nghĩa là khoảng cách giữa hai profile giống với profile thiết kế và cắt với đường profile trung bình tại điểm cuối cùng trên đoạn làm việc

của răng [49], như Hình 1 18 Theo tiêu chuẩn ISO1238-1:2013, sai số này cũng là một

thông số quan trọng khi kiểm tra bánh răng trụ có yêu cầu độ chính xác từ cấp 5 trở lên

Hình 1 18 Sai số góc profile

1.4.3 Đo sai số profile răng của bánh răng trụ

1.4.3.1 Cơ sở lý thuyết đo sai số profile răng của bánh răng trụ

Các phương pháp đo sai số profile răng đều dựa trên cơ sở xây dựng đường thân khai của bánh răng tựa trên vòng tròn cơ sở Giả sử luôn xác định được tập hợp các điểm nằm trên biên dạng răng Pi(xPi, yPi), như hình 1.19 Từ đó xác định được bán kính vecto rPi

của điểm đó: rPi  xPi2  yPi2

Trong đó: i: là số thứ tự của điểm đo trong phép đo

Từ mỗi điểm rời rạc đo được sẽ xây dựng được một đường thân khai lý thuyết với các thông số:

Pi

b Pi

Giả sử có hệ tọa độ Ox1y1 như Hình 1.19, theo lý thuyết về đường thân khai, thu

được tọa độ của điểm đó xét trong hệ tọa độ Ox1y1 theo phương trình sau:

{𝑥𝑝1𝑖 = 𝑟𝑏(cos(𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖) + (𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖) sin⁡(𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖))

𝑦𝑝1𝑖 = 𝑟𝑏(sin(𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖) − (𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖) cos⁡(𝛼𝑝𝑖+ 𝜃𝑝𝑖))

Hình 1.19 Tọa độ của một điểm bất kì trên biên dạng răng của bánh răng trụ thân khai

Từ P vẽ một đường thẳng tiếp tuyến với vòng tròn cơ sở bán kính rb, tiếp xúc với vòng tròn cơ sở tại N Xây dựng một đường thân khai lý thuyết đi qua điểm ngoài cùng của

biên dạng răng trên đoạn làm việc, đường thân khai này cắt NP tại K như Hình 1 20, tương

ứng với góc ωK Như vậy sai lệch giữa profile thực và profile thiết kế chính là sai lệch vị trí của điểm Pi, được xác định như sau:

∆𝑃𝑖= 𝑁𝑃𝑖 − 𝑁𝐾𝑖 Trong đó: 𝑁𝑃𝑖 = √(𝑥𝑃1𝑖− 𝑟𝑏 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑃1𝑖)2+ (𝑦𝑃1𝑖− 𝑟𝑏 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑃1𝑖)2

𝑁𝐾𝑖 = 𝑟𝑏 𝜔𝐾𝑖

Theo định nghĩa về sai số profile tổng cộng, giá trị fα được xác định theo công thức sau: 𝑓𝛼 = 𝑚𝑎𝑥[∆𝑃𝑖] − 𝑚𝑖𝑛[∆𝑃𝑖]

Hình 1 20 Biên dạng răng của bánh răng thân khai

1.4.3.2 Một số phương pháp đo sai số profile răng

Phương pháp đo dựa trên vòng tròn cơ sở

Phương pháp cơ bản để đo profile của bánh răng là tạo cho phôi bánh răng một chuyển động quay ứng với các vị trí liên tiếp được xác định bởi góc θ và đo được các giá trị tương ứng của chiều dài x [97] Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm lớn là không thể có dịch chuyển thẳng lớn và góc biến đổi tương ứng với độ chính xác cao

Một giải pháp đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này là sử dụng một đĩa có đường kính bằng đường kính vòng tròn cơ sở của bánh răng và gắn với một cạnh thẳng tiếp tuyến với vòng tròn cơ sở Đĩa và cạnh thẳng này liên kết chuyển động với nhau thông qua lực ma sát giữa chúng Một dịch chuyển nhỏ của bánh răng sẽ tác động lên thanh trượt thông qua một đầu dò luôn tiếp xúc với profile chi tiết, làm cho thanh trượt dịch chuyển thẳng và đo được lượng sai lệch so với profile tiêu chuẩn Phương pháp này được biểu diễn

trên Hình 1 21

Hình 1 21 Phương pháp đo profile dựa trên vòng tròn cơ sở

Phương pháp sử dụng bộ khuếch đại lượng dịch chuyển

Sự phát triển của các dụng cụ đo quang học đã mở ra một hướng phát triển mới trong việc đo sai số profile răng của bánh răng Mặt bên của răng được kế nối cứng với đầu

dò cứng không có chuyển động xoay Đầu dò có dịch chuyển thẳng nhờ lực ma sát giữa nó với bề mặt răng Dịch chuyển thẳng của đầu dò được đo bởi một thước đo thẳng và lượng quay tròn của bánh răng được đo bởi một thang đo dạng cung tròn, Hình 1 22

Sai lệch profile tổng cộng của bánh răng được xác định bởi phương trình:

𝐟 = 𝐱 − 𝐫𝐛 𝛉 Phương pháp này trước kia không được sử dụng vì lý do tốc độ xử lý của các máy tính còn thấp Hiện nay với sự phát triển của máy tính, phương pháp này thường được sử dụng trong các máy đo CNC để xác định mối quan hệ động học giữa dịch chuyển thẳng x

và dịch chuyển dóc của bánh răng

Hình 1 22 Phương pháp đo profile sử dụng bộ khuếch đại dịch chuyển

Phương pháp đo sử dụng đầu dò linh hoạt

Mô hình máy sử dụng phương pháp đo này được thể hiện trong hình 1.23 Điểm đặc biệt của máy là trong quá trình đo phương chuyển động thẳng của đầu dò không tiếp xúc với vòng tròn cơ sở Đầu dò thực hiện đồng thời 03 chuyển động thẳng có gắn các thước đo thẳng như hình vẽ Trong đó có hai chuyển động thẳng nhằm mục đích điều chỉnh

vị trí của đầu dò sao cho có cạnh chuyển động thẳng thứ 3 tiếp tuyến với vòng tròn cơ sở

và đầu dò luôn tiếp xúc với bề mặt răng Dựa theo nguyên lý đo xây dựng được sơ đồ phân tích lượng dịch chuyển của đầu dò như Hình 1 23

Hình 1 23 Phương pháp đo sai lệch profile sử dụng đầu dò linh hoạt

Giả sử bánh răng không có sai lệch profile, khi đó cạnh trượt CD luôn tiếp xúc với vòng tròn có bán kính rd tại điểm A, Hình 1 24 Tâm của vòng tròn này trùng với tâm của bánh răng cần kiểm tra có bán kính vòng tròn cơ sở rb Răng cần đo có đường cong thân khai EF, đầu dò khi bắt đầu đo tiếp xúc với bề mặt răng tại điểm E Trong quá trình đo, khi đầu dò dịch chuyển tịnh tiến một lượng EH thì vòng tròn bán kính rd phải quay một góc θ,

Hình 1 24 Sơ đồ phân tích lượng dịch chuyển của đầu dò

Máy đo bánh răng tự động

Đây là một thiết bị đo chuyên dùng để đo các thông số của bánh răng trụ Thiết bị này hoàn toàn tự động, sau khi quét bánh răng một lần, sẽ thu được đầy đủ các thông số cần đo Vì vậy đây là một thiết bị không thể thiếu cho những cơ sở chuyên sản xuất bánh

răng Máy đo bánh răng chuyên dùng của hãng Osaka seimitsu kikai (Hình 1 25), do Nhật

Bản sản xuất với các thông số kỹ thuật như sau:

Máy có thể đo các thông số kiểm tra bánh răng theo tiêu chuẩn:

- ISO: JIS B 1702-1: 1998 (ISO 1328-1:1995)

- JIS: JIS B 1702-1960

- DIN: DIN 3961/DIN 3962

- JIS MASTER: JIS B 1751 (1976）

- JIS-P: JIS B 1702-3: 2008

Hình 1 25 Máy đo bánh răng chuyên dụng

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về quá trình phay lăn răng

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu quá trình phay lăn răng bánh răng trụ đã được nhiều nhà khoa học trong nước nghiên cứu như:

Trong giáo trình của GS.TSKH Bành Tiến Long và đồng nghiệp [1] đã chỉ ra được các vấn đề cơ bản về tạo hình bề mặt răng bằng phay lăn răng, và xây dựng phương pháp thiết kế dao phay lăn răng sử dụng bề mặt xoắn vít acsimets và convoluts

Ths Dương Thành Long (2009) [6] đã nghiên cứu mòn và tuổi bền của dao phay lăn răng đĩa xích trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam Nghiên cứu đã khảo sát mòn dao phay lăn răng thép gió với những vận tốc cắt khác nhau, từ đó xác định tuổi bền của dao phay lăn răng trong điều kiện sản xuất thực tế

Ths Cao Thanh Long và Lê Minh Sang [8] đã đề suất phương pháp xác định góc gá dao phay lăn răng sau mỗi lần mài lại, nâng cao độ chính xác của bánh răng gia công

Ths Phạm Minh Dũng [7] đã khảo sát ảnh hưởng của mòn mặt sau răng cắt dao phay lăn răng tới sai số profile răng khi phay lăn răng bằng dao phay thép gió Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ khảo sát được ảnh hưởng của mòn mặt sau răng cắt tới sai số profile trung bình (được đo trên máy đo tọa độ CMM), mà chưa xác định được ảnh hưởng tới dạng profile răng và các thông số xác định độ chính xác profile răng theo ISO

Các nghiên cứu trong nước chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết thiết kế dao phay lăn răng, khảo sát mòn dao phay lăn răng và ảnh hưởng của mòn dao tới sai số profile răng trung bình… Như vậy, chưa có nghiên cứu trong nước nào phân tích ảnh của các yếu

tố tới sai số profile răng và đề xuất được các biện pháp nâng cao sai số profile răng nhằm đáp các tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác profile răng khi phay lăn răng

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Quá trình tạo hình bề mặt răng của bánh răng trụ bằng phay lăn răng

HOFFMEISTER-1970 [10] đã nghiên cứu về bản chất quá trình tạo hình profile răng khi phay lăn răng, đồng thời nghiên cứu cũng xây dựng mô hình toán mô phỏng quá trình phay lăn răng, đưa ra được phương pháp xác định kích thước phoi và bước đầu mô phỏng được quá trình tạo phoi khi phay lăn răng

Litvin (1989 & 1994)[11][12] đã nghiên cứu lý thuyết tạo hình biên dạng răng theo

lý thuyết bao hình Các nghiên cứu của Litvin đã đưa ra được phương trình biên dạng thanh răng sinh khởi thủy theo phương pháp bao hình

Yasutsume Ariura và các đồng nghiệp [54] đã xây dựng mô hình toán mô tả sai số profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng Bằng cách so sánh giữa profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng với profile răng tính toán lý thuyết, tác giả đã chỉ

ra một số nguyên nhân gây ra sai số profile như sai số hình học của dao phay lăn răng và các nguyên nhân động lực học của quá trình phay lăn răng Nghiên cứu cũng đã đề xuất một số giải pháp nâng cao độ chính xác profile răng như điều chỉnh góc gá dao hợp lý sau mỗi lần mài dao, điều chỉnh góc profile răng của thanh răng sinh trong thiết kế dao phay lăn răng …

D-H Kim (2001)[14] đã đề xuất phương pháp giải tích xây dựng phương trình bề mặt răng của bánh răng theo các thông số của dao phay lăn răng và các thông số của quá trình phay lăn răng

Nghiên cứu của Stephen P Radzevich (2007) [16] chủ yếu phân tích lý thuyết tạo hình đường thân khai của bánh răng trụ, từ đó đề xuất phương pháp thiết kế dao phay lăn răng nhằm nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng trụ Đặc biệt tác giả đã đề xuất biên dạng mới của thanh răng sinh khởi thủy trong quá trình thiết kế và chế tạo dao phay lăn răng Nghiên cứu cho thấy biên dạng của thanh răng sinh có dạng cong, có thể nâng cao được sai số profile răng của bánh răng

Nghiên cứu của S-L Chang (2004) [17] đã tập trung nghiên cứu xác định biên dạng lưỡi cắt của dao phay lăn răng với mục đích cân bằng lực cắt trên mỗi răng cắt Biên dạng răng cắt do S-L Chang đề xuất đã có thể giảm rung động và cải thiện được độ chính xác profile răng của bánh răng khi phay lăn răng

Một số tác giả dựa theo lý thuyết bao hình biên dạng răng đã nghiên cứu xác định góc gá dao tối ưu nhằm nâng cao độ chính xác biên dạng răng của bánh răng như: Carlo innocenti (2007) đã tìm được góc gá dao tối ưu khi gia công bánh răng trụ thân khai trên máy phay lăn răng [60], Stephen P Radzevich cũng đã đưa ra công thức tính toán góc gá dao phay lăn răng và chỉ ra sự thay đổi giá trị góc gá dao sau mỗi lần mài lại [61] Đặc biệt Stephen P Radzevich đã xác định được góc gá tối ưu cho dao phay lăn răng khi phay các bánh răng liền trục với khe hở giữa các bánh răng tối ưu [61]

Hiroo và các đồng sự của mình [63][64] đã nghiên cứu lý thuyết tạo hình biên dạng răng và xác định lượng xê dịch vị trí điểm tạo hình trên răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh khởi thủy Từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học dao phay lăn răng tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng Đồng thời nghiên cứu cũng chỉ ra được ảnh hưởng của độ đảo dao phay lăn răng ảnh hưởng lớn tới sai số profile răng của bánh răng Tuy nhiên, Nghiên cứu chưa đưa ra được biện pháp khắc phục sai số profile răng dạng sóng hình sin

Các yếu tố cơ bản của quá trình cắt khi phay lăn răng

Đã có nhiều nhiều tác giả tập trung nghiên cứu lực cắt khi phay lăn răng Dựa trên

mô hình phân tích lực cắt, một số tác giả nghiên cứu tìm ra phương pháp đo trực tiếp lực cắt trong quá trình gia công như: Tatsuro ABE, Keigo FUKUNAGA đo lực cắt bằng cách gắn các cảm biến điện trở trên trục dao [19]; Abebayehu Seifu Alazar, Mathias Werner, Cornel Mihai Nicolescu thiết kế bộ đo lực cắt nhờ các cảm biến gắn trên trục gá phôi và cũng thông qua biến dạng của trục gá sẽ tính toán được lực cắt khi phay lăn răng [18]; Shilong Wang, Yong Yang, Jie Zhou, Qiang Li, Shuai Yang and Ling Kang cũng tìm gia mối liên hệ giữa lực cắt và biến dạng thân máy từ đó xác định lực cắt của quá trình phay lăn răng [20]…, Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu này đều phải thiết kế một thiết bị đo lực cắt riêng, với chi phí cao, độ tin cậy và độ chính xác không cao

Trong khi đó, một số tác giả khác sử dụng mô hình cắt tương đương sử dụng dụng

cụ cắt đơn để mô phỏng nghiên cứu lực cắt của quá trình phay lăn răng thực như:

- Lin Chao và các đồng nghiệp (2006) dựa vào quá trình hình thành phoi, xây dựng

mô hình toán xác định các thành phần lực cắt khi phay lăn răng và giá trị lực cắt tính toán được so sánh với lực cắt đo được từ thí nghiêm sử dụng dụng cụ cắt có một lưỡi cắt (mô phỏng quá trình phay lăn răng thực) [23] Nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng mô hình sử dụng dụng cụ cắt đơn với chế độ cắt tương đương để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tới giá trị lực cắt khi phay lăn răng

- N Sabkhi, C Pelaingre, C Barlier, A Moufki, M Nouari (2015) đã xây dựng mô hình phay lăn răng, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn xác định lực cắt khi phay lăn răng, đồng thời xây dựng mô hình thí nghiệm sử dụng dao bay với chế độ cắt tương đương để xác định lực cắt bằng thực nghiệm [25]

- Felix Kühn, Christoph Löpenhaus and Fritz Klocke (2016) cũng phát triển một mô hình thí nghiệm với dụng cụ cắt đơn để nghiên cứu lực cắt khi phay lăn răng [26] Bên cạnh đó một số tác giả như K.-D Bouzakis (2002)[15], Weck M (2003)[21],

C Brecher (2015)[22] … tập trung xây dựng mô phỏng quá trình hình thành phoi khi phay lăn răng từ đó dự đoán mòn dụng cụ cắt và tuổi bền của dao phay lăn răng Hầu hết các nghiên cứu đều chỉ ra rằng quá trình hình thành phoi ở các vị trí gần tâm bao hình và chuẩn

bị ra khỏi vùng ăn khớp là phoi bị chèn ép lớn nhất, quá trình thoát phoi khó khăn Đây cũng chính là một nguyên nhân quan trọng gây mòn lớn hơn ở đỉnh của răng cắt Đồng thời, trong tất cả các răng tham gia cắt thì răng cắt ở vị trí tâm bao hình hoặc lân cận là răng cắt tạo ra phoi có kích thước lớn nhất

Kisaburon NagaNo và Masato Ainoura (1990) đã nghiên cứu mòn mặt trước dao phay lăn răng, nghiên cứu đã chỉ ra mòn mặt trước dao có phủ TiN diễn ra chậm và chỉ ảnh hưởng lớn khi dao đã bị mài [44] Dạng mòn thứ hai chính là mòn mặt sau của lưỡi cắt, được đặc trưng bởi chiều rộng vết mòn và cũng là yếu tố quyết định thời điểm mài lại dao phay lăn răng Và dạng mòn này phát triển nhanh hơn mòn trên mặt trước của dao Yoji Umezaki và đồng nghiệp đã nghiên cứu về mòn mặt sau dao phay lăn răng Răng cắt dao phay lăn răng thường bị mòn lớn nhất ở góc của lưỡi cắt đỉnh [45]

Brian Cluff đã khảo sát ảnh hưởng của các độ chính xác của dao phay lăn răng tới sai số profile, đồng thời chỉ ra sai số profile răng có dạng gợn sóng khi trục dao bị đảo hướng kính và đưa ra 03 dạng đảo hướng kính chủ yếu khi phay lăn răng [55]; Keith Liston cũng đã nghiên cứu cũng đã chỉ ra ảnh hưởng của độ đảo hướng kính trục dao tới sai số profile răng [56][57]

Bôi trơn làm mát khi phay lăn răng

Trong kỹ thuật, dung dịch bôi trơn làm mát được sử dụng để giảm ma sát và nhiệt tại vùng tiếp xúc lăn hoặc trượt của chi tiết máy Đã có nhiều nghiên cứu nhằm nâng hiệu quả của dung dịch bôi trơn làm nguội trong gia côn cắt gọt Quá trình 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 gia công 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 là dầu công nghiệp kết hợp với các hạt rắn kích cỡ nano như Al2O3, WS2, MoS2… Các nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng dầu kết hợp bột nano có thể làm giảm hệ số ma sát, tăng khả năng truyền nhiệt so với khi sử dụng dầu công nghiệp, do đó có thể ứng dụng làm dung dịch bôi trơn làm mát trong gia công cắt gọt kim loại Cũng đã có nhiều nghiên cứu trộn bột có kích thước nano vào dung dịch bôi trơn làm mát trong quá trình cắt kim loại như:

Năm 2012, Ahmed và Sarhan đã nghiên cứu khả năng ứng dụng dầu có trộn bột nano SiO2 vào quá trình phay [75] Nghiên cứu đã xác định được tỷ lệ trộn bột nano SiO2

với 0,2% về khối lượng thì cho lực cắt nhỏ nhất Tuy nhiên, nghiên cứu không chỉ ra được

cỡ hạt SiO2 nào là hợp lý và cũng chưa đánh giá được khả năng giảm ma sát của dầu nano

Vasu và các đồng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của dầu bôi trơn làm mát có trộn bột nano Al2O3 tới độ nhám bề mặt, mòn dao và phân bố nhiệt cắt khi gia công thép hợp kim

[76] Vasu đã cho rằng hạt nano Al2O3 có cấu trúc dạng cầu không chỉ có kích thước mà còn có tính chất cơ học, hóa học và tính kinh tế phù hợp để bổ sung thêm vào dầu công nghiệp tạo thành dầu nano Al2O3 dùng trong bôi trơn làm mát

M Sayuti đã nghiên cứu quá trình phay hợp kim nhôm có bôi trơn làm mát bằng dầu nano SiO2 [78] Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng giảm lực cắt và ma sát khi sử dụng dầu có trộn bột nano SiO2 M Sayuti cũng đã phát triển hệ thống bôi trơn làm mát sử dụng dầu có trộn bột nano SiO2 và ứng dụng vào quá trình tiện cứng thép hợp kim AISI 4140 [86] Nghiên cứu cũng cho thấy khả năng giảm năng lượng tiêu hao và nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết khi sử dụng dầu có trộn bột nano SiO2 để bôi trơn làm mát trong quá trình tiện thép sau khi nhiệt luyện Ngoài ra Sayuti cùng nhóm nghiên cứu của mình cũng nghiên cứu ứng dụng dầu có trộn bột MoS2 làm dung dịch bôi trơn làm mát quá trình phay hợp kim nhôm

Khalil và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hưởng của trộn bột nano Al2O3 với dầu tới mòn dụng cụ cắt khi tiện thép hợp kim AISI 1050 [79] Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, hạt nano Al2O3 lơ lửng trong dầu công nghiệp có thể cải thiện điều kiện

ma sát, giảm nhiệt độ vùng cắt, từ đó giảm mòn và nâng cao tuổi bền của dụng cụ cắt Tuy nhiên, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc so sánh, chưa đưa ra được tỷ lệ trộn bột nano hợp lý Các nghiên cứu của Eastman [84] và Wang XQ đã cho thấy hạt nano rắn được cho thêm vào dầu bôi trơn có thể làm tăng khả năng truyền nhiêt và giảm nhiệt độ trong vùng cắt khi gia công cắt gọt

Như vậy, các nghiên cứu ngoài nước cũng đề cập đến nhiều khía cạnh khác nhau của quá trình phay lăn răng, có ảnh hưởng tới sai số profile răng của bánh răng Các nghiên cứu

đã đưa ra nhiều thiết kế, xác định góc gá dao để giảm sai số profile răng Đã có nhiều nghiên cứu về mòn dao phay lăn răng và ảnh hưởng của mòn đến sai số profile răng Nhiều nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dao phay lăn răng như lực cắt, nhiệt độ cắt và rung động của quá trình cắt… Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đưa ra biện pháp điều chỉnh

độ đảo dao phù hợp với độ chính xác của dao phay lăn răng nhằm nâng cao độ chính xác profile răng, và cũng chưa có nghiên cứu nào phân tích xác định thông số dầu nano nhằm giảm mòn dao phay lăn răng và nâng cao độ chính xác profile răng

1.6 Khảo sát độ chính xác profile răng của bánh răng khi phay lăn răng trong điều kiện Việt Nam

1.6.1 Mục đích khảo sát

Khảo sát thực nghiệm được tiến hành với mục đích đánh giá độ chính xác profile răng của bánh răng trụ khi phay lăn răng trong điều kiện thực tế tại việt nam và dự đoán nguyên nhân gây sai số profile răng Kết quả khảo sát bước đầu đánh giá nguyên nhân gây sai số profile trong điều kiện thực tế và được dùng làm cơ sở để nghiên cứu nâng cao độ chính xác profile răng khi phay lăn răng trong điều kiện sản xuất của Việt Nam

1.6.2 Đối tượng khảo sát

Nghiên cứu lựa chọn bánh răng trụ răng thẳng trong bộ truyền động của xe máy,

như Hình 1.26, được sản xuất tại công ty cổ phần phụ tùng máy số 1 Bánh răng gia công

có 21 răng, modul 1.75 mm, góc áp lực 20o, được gia công với số lượng lớn (60000 sản phẩm/tháng)