(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt răng và lượng mòn dao khi cắt tinh bánh răng côn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng

15

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------o0o---------

HỒNG XN THỊNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO KHI CẮT
TINH BÁNH RĂNG CƠN CUNG TRỊN BẰNG ĐẦU DAO
HỢP KIM CỨNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2021


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------o0o---------

HỒNG XN THỊNH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN
ĐỘ NHÁM BỀ MẶT RĂNG VÀ LƯỢNG MÒN DAO KHI CẮT
TINH BÁNH RĂNG CƠN CUNG TRỊN BẰNG ĐẦU DAO
HỢP KIM CỨNG
Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9.52.01.03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM VĂN ĐÔNG
PGS.TS. TRẦN VỆ QUỐC

Hà Nội - Năm 2021


i

LỜI CẢM ƠN
Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn
khoa học PGS.TS Phạm Văn Đông và PGS.TS Trần Vệ Quốc đã hướng dẫn và
hỗ trợ tận tình cho tơi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Trung
tâm đào tạo sau đại học, phịng Tổ chức Hành chính đã tạo điều kiện tốt nhất
và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn các nhà khoa học, tập thể giảng viên Khoa Cơ khí,
Trung tâm Cơ khí, Trung tâm Việt Nhật Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã
tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình làm luận án.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Trung tâm đào tạo kỹ thuật HaUIFoxconn, công ty TNHH YAMAHA Việt Nam, công ty TNHH KEYENCE Việt
Nam, Viện khoa học vật liệu, Viện vũ khí, Cơng ty TNHH SANDVIK Việt Nam
đã tư vấn, hỗ trợ tơi trong q trình thực nghiệm của luận án.
Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bố, mẹ, vợ, con,
anh, chị, em đã luôn động viên, giúp đỡ tôi về vật chất và tinh thần trong thời
gian nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2021
Tác giả luận án

Hoàng Xuân Thịnh

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận án là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Đông và PGS.TS Trần Vệ Quốc.
Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng
được công bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2021
Tác giả luận án

Hoàng Xuân Thịnh


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT............................... vi
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... xiii
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ GIA CƠNG BÁNH RĂNG
CƠN CUNG TRỊN .......................................................................................... 6
1.1. Đặc điểm, phân loại và phạm vi sử dụng bánh răng cơn cung trịn .................. 6
1.1.1. Đặc điểm ................................................................................................. 6
1.1.2. Phân loại .................................................................................................. 6
1.1.3. Phạm vi sử dụng ...................................................................................... 7

1.2. Thông số cơ bản của bánh răng côn cung trịn .................................................... 9
1. 3. Ngun lý tạo hình bề mặt răng cơn cung trịn .................................................12
1. 4. Các phương pháp cắt bánh răng cơn cung trịn.................................................14
1.5. Thiết bị và dụng cụ sử dụng để gia cơng bánh răng cơn cung trịn. ................15
1.5.1. Máy gia cơng bánh răng cơn cung trịn ................................................. 15
1.5.2. Đầu dao phay bánh răng cơn cung trịn ................................................ 18
1.5.3. Vật liệu làm dụng cụ cắt bánh răng côn cung tròn. .............................. 22
1.6. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng bộ truyền bánh răng cơn cung trịn. .......28
1.6.1. Độ chính xác vết tiếp xúc ...................................................................... 28
1.6.2. Độ chính xác truyền động ..................................................................... 28
1.6.3. Độ ổn định khi làm việc ........................................................................ 29
1.6.4. Độ chính xác khe hở cạnh răng ............................................................. 29
1.6.5. Nhám bề mặt răng ................................................................................. 29
1.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................................30


iv

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước. ........................................................ 30
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.......................................................... 31
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................ 33
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT RĂNG VÀ
LƯỢNG MÒN DAO....................................................................................... 34
2.1. Chất lượng bề mặt răng bánh răng cơn cung trịn..............................................34
2.1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................. 34
2.1.2. Tính chất hình học bề mặt gia cơng ...................................................... 34
2.1.3. Sự hình thành nhám trên bề mặt sườn răng. ......................................... 36
2.1.4. Tính chất cơ lý lớp bề mặt .................................................................... 39
2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhám bề mặt .........................................................41
2.2. Mòn dụng cụ cắt ...................................................................................................51

2.2.1. Đặt vấn đề.............................................................................................. 51
2.2.2. Đặc điểm q trình mịn dao khi gia cơng cắt gọt kim loại .................. 51
2.2.3. Các dạng mài mòn phần cắt của dụng cụ cắt. ....................................... 52
2.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến mòn dụng cụ cắt ......................................... 57
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................ 70
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ............................... 71
3.1. Mơ hình thực nghiệm ...........................................................................................71
3.1.1. Sơ đồ thực nghiệm ................................................................................ 71
3.1.2. Chỉ tiêu đánh giá ................................................................................... 72
3.1.3. Chọn thông số đầu vào .......................................................................... 72
3.1.4. Các yếu tố điều khiển được ................................................................... 74
3.1.5. Nhiễu khi phay bánh răng cơn cung trịn .............................................. 75
3.2. Hệ thống thí nghiệm .............................................................................................75
3.2.1. Yêu cầu chung đối với hệ thống thí nghiệm ......................................... 75
3.2.2. Thiết bị gia cơng bánh răng cơn cung trịn chun dùng ...................... 76
3.2.3. Vật liệu và mẫu thí nghiệm ................................................................... 77


v

3.2.4. Dụng cụ cắt thí nghiệm .....................................................................................80
3.2.5. Thiết bị đo ............................................................................................. 82
3.2.6. Dung dịch trơn nguội ............................................................................ 88
3.3. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm ......................................................................88
3.3.1. Cơ sở lựa chọn dạng quy hoạch thực nghiệm ....................................... 88
3.3.2. Quy hoạch thực nghiệm dạng Box - Behnken ...................................... 89
3.3.3. Thiết kế thí nghiệm. .............................................................................. 90
3.3.4. Mơ hình hồi quy thực nghiệm. .............................................................. 92
3.3.5. Tiến trình thí nghiệm............................................................................. 99
3.3.6. Thu thập số liệu thực nghiệm. ............................................................. 102

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.............................................................................. 105
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
ĐÁNH GIÁ ................................................................................................... 106
4.1. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt răng
và lượng mòn dao.......................................................................................................106
4.1.1. Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu Ra ..................................... 107
4.1.2. Kết quả thí nghiệm đối với hàm mục tiêu U ....................................... 114
4.1.3. Tối ưu thông số công nghệ .................................................................. 120
4.2. Thực nghiệm xác định tuổi bền của dụng cụ cắt……………………....130
4.2.1. Thông số thực nghiệm ......................................................................... 129
4.2.2. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 130
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 133
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .................. 136
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 138
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................... 152
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................... 156
PHỤ LỤC 3 ................................................................................................... 161


vi

DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
TT

Ký

Ý nghĩa

hiệu

Đơn vị

1

V

Vận tốc cắt.

2

S

Lượng chạy dao.

3

t

Chiều sâu cắt.

mm

4

Ra

Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết.

m

5

Rz

Chiều cao nhấp nhơ trung bình của bề mặt chi tiết.

m

6

𝜔𝑒

Góc nâng trên vành ngồi của bánh răng.

độ

Góc nâng trên vành trung bình của bánh răng.

độ

8

𝜔𝑠

Góc nâng trên vành trong của bánh răng.

độ

9

𝜔𝑖
βe

Góc xoắn răng tại vành ngồi của bánh răng.

độ

10

βs

Góc xoắn răng tại vành trung bình của bánh răng.

độ

11

βi

Góc xoắn răng tại vành trong của bánh răng.

độ

12

𝛼𝑐𝑒

Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu trên vành trịn

độ

chia tại vành ngồi của bánh răng.

13

𝛼𝑐𝑠

chia tại vành trung bình của bánh răng.

14

𝛼𝑐𝑖

chia tại vành trong của bánh răng.

7

15

Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu trên vành trịn
Góc áp lực trong tiết diện mặt đầu trên vành trịn

m/phút
giây/răng

độ
độ

𝑚𝑐𝑒

Mơ đun mặt đầu tại vành ngồi của bánh răng.

mm

Mơ đun mặt đầu tại vành trung bình của bánh răng.

mm

𝑚𝑐𝑖

Mô đun mặt đầu tại vành trong của bánh răng.

mm

17

𝑚𝑐𝑠

18

dr1, dr2

Đường kính vịng chia của bánh răng.

mm

19

𝛿𝑟1 , 𝛿𝑟2

Góc cơn chia của bánh răng.

độ

Chiều dài côn chia.

mm

16

20

𝑅𝑑𝑒


vii

Chiều rộng vành răng.

mm

22

𝑏
h

Chiều cao răng.

mm

23

ha

Chiều cao làm việc của răng.

mm

24

hh1, hh2

Chiều cao đầu răng.

mm

25

hp1, hp2

Chiều cao chân răng.

mm

26

fce, fcs

21

Hệ số chiều cao răng tại mặt đầu.
độ

28

𝜈ℎ1 , 𝜈ℎ2 Góc đỉnh bánh răng.

29

δh1, δh2

độ

27

𝜈𝑝1 , 𝜈ℎ2 Góc chân bánh răng.
Góc côn đỉnh.

độ

Chiều dày răng của bánh răng nhỏ trên cung côn chia
30

31

𝑆𝑟1𝜋
𝑆𝑟1𝑠

trong tiết diện pháp tuyến trên khoảng cách bất kỳ
của đường sinh côn chia.

Chiều dày răng trên cung côn chia tại tiết diện pháp
tuyến trung bình.
Mơ đun pháp tuyến trung bình.

33

𝑚𝑛𝑠
ξ

Hệ số dịch chỉnh chiều cao.

34

ξφ

Hệ số dịch chỉnh tiếp tuyến.

32

mm

mm
mm

35

hh1k, hh2k Chiều cao đầu răng (đối với bánh răng điều chỉnh).

mm

36

hp1k, hp2k Chiều cao chân răng (đối với bánh răng điều chỉnh).

mm

Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Brinell.

37

HB

38

HRC

39

K

Hệ số mài mòn tương đối dụng cụ cắt.

40

hf

Lượng mòn mặt trước dụng cụ cắt.

m

41

U

Lượng mòn mặt sau dụng cụ cắt.

m

42

T

Tuổi bền dụng cụ cắt theo thời gian.

phút

43

MQL

Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Rockwell C.

Lưu lượng của dung dịch tưới nguội ở mức tối thiểu.

HB
HRC


viii

Central Composite Design - Dạng kế hoạch hỗn hợp

44

CCD

45

GA

Genetic Algorithm – Thuật tốn di truyền.

46

NM

Thuật tốn Nelder – Mead.

47

GRG

48



Góc sắc lưỡi dao.

độ

49



Góc trước lưỡi dao.

độ

50



Góc nâng lưỡi.

độ

51

az

Lượng dư gia cơng.

mm

tâm xoay.

Generalized Reduced Gradient – Thuật toán giảm
gradient tổng quát.

ix

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Ngun lý truyền động ổ trục sau ơ tơ .............................................. 7
Hình 1.2. Các bánh răng côn làm việc trong các bộ phận máy bay .................. 8
Hình 1.3. Chân vịt tàu thủy ............................................................................... 8
Hình 1.4. Thông số cơ bản của bánh răng côn cung trịn ................................. 9
Hình 1.5. Sự hình thành profin răng theo nguyên lý bao hình........................ 12
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý cắt bánh răng cơn cung trịn ................................. 13
Hình 1.7. Máy gia cơng bánh răng cơn 527B ................................................. 16
Hình 1.8. Máy gia cơng bánh răng cơn Phoenix- Gleason ............................. 17
Hình 1.9. Máy gia cơng bánh răng cơn Oelikon-Klingelnberg ...................... 17
Hình 1.10. Kết cấu đầu dao phay tinh 9 inch kẹp bằng cơ khí. ...................... 18
Hình 1.11. Thơng số hình học dao cắt trong ................................................... 19
Hình 1.12. Thơng số hình học dao cắt ngồi .................................................. 19
Hình 1.13. Đầu dao phay Klingelnberg .......................................................... 20
Hình 1.14. Đầu dao phay Oerlicon ................................................................. 21
Hình 1.15. Các điều kiện của sự ăn khớp cong............................................... 28
Hình 2.1. Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy ............. 35
Hình 2.2. Sự hình thành profin răng khi gia cơng bằng ngun lý bao hình ........ 37
Hình 2.3. Sự hình thành nhám trên bề mặt răng ............................................. 37
Hình 2.4. Đo nhám bằng phương pháp đầu dị ............................................... 38
Hình 2.5. Đo nhám bằng máy quang học........................................................ 39
Hình 2.6. Nhám bề mặt phụ thuộc vào tốc độ cắt ........................................... 41
Hình 2.7. Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến nhám bề mặt khi phay thép hợp kim
Ti-6242S .......................................................................................................... 42
Hình 2.8. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi phay hợp kim
Ti-6242S .......................................................................................................... 43
Hình 2.9. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi
phay AISI 316L SS ......................................................................................... 45

x

Hình 2.10. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi
phay thép 42CrMo4 trong trường hợp chiều sâu cắt tăng dần........................ 45
Hình 2.11. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám bề mặt khi
phay thép 42CrMo4 trong trường hợp chiều sâu cắt cố định bằng 1.25mm .. 45
Hình 2.12. Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến nhám bề
mặt khi phay SKD11 ....................................................................................... 46
Hình 2.13. Ảnh hưởng tương tác giữa vận tốc cắt và lượng chạy dao đến nhám
bề mặt khi phay SKD11 .................................................................................. 46
Hình 2.14. Ảnh hưởng tương tác giữa lượng chạy dao và chiều sâu cắt đến
nhám bề mặt khi phay SKD11 ........................................................................ 47
Hình 2.15. Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến nhám bề mặt tại những giá trị
khác nhau của vận tốc cắt khi phay thép AISI 304 ......................................... 48
Hình 2.16. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhám bề mặt tại những giá trị khác
nhau của lượng chạy dao khi phay thép AISI 304 .......................................... 48
Hình 2.17. Vùng sinh nhiệt trong q trình cắt............................................... 52
Hình 2.18. Mịn mặt sau dao phay bánh răng cơn cung trịn .......................... 53
Hình 2.19. Quan hệ giữa lượng mịn và thời gian .......................................... 54
Hình 2.20. Mịn mặt trước dao phay bánh răng cơn cung trịn ....................... 54
Hình 2.21. Mịn mặt trước và mặt sau dao phay bánh răng cơn cung trịn........... 56
Hình 2.22. Mịn tù lưỡi cắt dao phay bánh răng cơn cung trịn ...................... 56
Hình 2.23. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lượng mòn dao khi gia bằng dụng
cụ cắt có phủ lớp (Al,Cr)N .............................................................................. 58
Hình 2.24. Tuổi bền của dao khi gia cơng hợp kim Ti5533 ở những giá trị khác
nhau của chế độ cắt ......................................................................................... 59
Hình 2.25. So sánh tuổi bền của dao khi gia công hai loại hợp kim Ti5533 và
Ti6Al4V ở những giá trị khác nhau của chế độ cắt ........................................ 60

Hình 2.26. Lượng mịn mặt sau của dao khi phay Ti6Al4V) dao Walter
JDXTIZY4GWT/20*40*50R0 ....................................................................... 62


xi

Hình 2.27. Ảnh hưởng tương tác của lượng chạy dao và vận tốc cắt đến lượng
mịn dao khi gia cơng thép AISI 1020 bằng dao P20 ..................................... 63
Hình 2.28. Ảnh hưởng tương tác của chiều sâu cắt và lượng chạy dao đến lượng
mịn dao khi gia cơng thép AISI 1020 bằng dao P20 ..................................... 63
Hình 2.29. Ảnh hưởng tương tác của vận tốc cắt và chiều sâu cắt đến lượng
mòn dao khi gia công thép AISI 1020 bằng dao P20 ..................................... 64
Hình 2.30. Ảnh hưởng của vận tốc cắt và vật liệu dụng cụ cắt đến lượng mòn
dao khi gia cơng thép Inconel 718 .................................................................. 65
Hình 2.31. Tuổi bền của dao khi thay đổi độ cứng vật liệu gia công và vận tốc
cắt .................................................................................................................... 66
Hình 2.32. Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội đến lượng mịn dao khi gia
cơng thép Inconel 718 ..................................................................................... 67
Hình 2.33. Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội đến lượng mịn dao khi gia
cơng vật liệu Waspaloy ................................................................................... 67
Hình 2.34. Ảnh hưởng của phương pháp tưới nguội đến lượng mịn dao khi gia
cơng vật liệu Ti6Al4V ..................................................................................... 68
Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ....................................................... 71
Hình 3.2. Máy phay răng 525 ......................................................................... 77
Hình 3.3. Bản vẽ chi tiết mẫu thí nghiệm ....................................................... 79
Hình 3.4. Máy tiện CNC ................................................................................. 79
Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm ............................................................................... 79
Hình 3.6. Bản vẽ chi tiết bánh răng cơn cung trịn ......................................... 80
Hình 3.7. Mảnh hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN ....................... 81
Hình 3.8. Đầu dao phay tinh hệ Gleason ........................................................ 81

Hình 3.9. Thơng số hình học dao cắt trong ..................................................... 82
Hình 3.10. Thơng số hình học dao cắt ngồi .................................................. 82
Hình 3.11. Phát hiện lỗi trên biên dạng chi tiết .............................................. 83
Hình 3.12. Kính hiển vi tồn ảnh số (DHM) ................................................. 84


xii

Hình 3.13. Hình ảnh kiểm tra các lỗi trên bề mặt bằng kính hiển vi tồn ảnh số
(DHM) ............................................................................................................ 85
Hình 3.14. Nguyên lý đo nhám bằng công nghệ DHM .................................. 86
Hình 3.15. Phân tích nhám bề mặt bằng cơng nghệ DHM ............................. 86
Hình 3.16. Kính hiển vi kỹ thuật số VHX-6000 ............................................ 88
Hình 3.17. Bộ đầu đo kính hiển vi kỹ thuật số VHX-6000 ............................ 88
Hình 3.18. Sơ đồ thí nghiệm Box-Behnken 3 biến ......................................... 90
Hình 3.19. Bánh răng sau khi gia cơng ........................................................... 99
Hình 3.20. Mảnh cắt hợp kim cứng .............................................................. 100
Hình 3.21. Vùng xác định nhám trên mặt răng ............................................. 100
Hình 3.22. Vị trí xác định lượng mịn của dụng cụ cắt ................................. 101
Hình 3.23. Giới hạn mịn mặt sau của dụng cụ cắt theo thời gian ................ 102
Hình 3.24. Hình ảnh đo nhám trên mặt răng................................................. 103
Hình 3.25. Hình ảnh đo mịn dao .................................................................. 104
Hình 4.1. Ảnh hưởng của các thông số đến nhám bề mặt răng (Ra) ............ 109
Hình 4.2. Ảnh hưởng tương tác giữa các thơng số đến nhám bề mặt răng... 111
Hình 4.3. So sánh nhám bề mặt khi thí nghiệm và khi tính .......................... 113
Hình 4.4. Ảnh hưởng của các thơng số chính đến U .................................... 115
Hình 4.5. Ảnh hưởng tương tác giữa các thơng số đến lượng mịn dao ....... 117
Hình 4.6. So sánh lượng mịn dao khi thí nghiệm và khi tính ...................... 119
Hình 4.7. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu Ra ............................................... 123
Hình 4.8. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu U ................................................. 125

Hình 4.9. Đồ thị tối ưu hóa hàm đa mục tiêu ................................................ 128
Hình 4.10. Đồ thị thể hiện quan hệ giữa lượng mòn mặt sau của dụng cụ cắt với
nhám bề mặt răng theo thời gian ................................................................... 131


xiii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số thông số cơ bản của bánh răng cơn cung trịn ........................... 9
Bảng 1.2. Một số đặc tính của một số loại vật liệu dụng cụ cắt........................... 24
Bảng 1.3. Ảnh hưởng các nguyên tố đến tính năng cắt gọt của dụng cụ ............ 25
Bảng 2.1. Giá trị của một số thông số công nghệ đã được sử dụng .................... 62
Bảng 3.1. Thành phần hóa học chính của mẫu thí nghiệm ( %) .......................... 78
Bảng 3.2. So sánh ba phương pháp đo nhám ........................................................ 87
Bảng 3.3. Ma trận thí nghiệm dạng Box-Behnken 3 yếu tố................................. 91
Bảng 3.4. Giá trị của các thông số đầu vào tại các mức khi thí nghiệm.............. 91
Bảng 4.1. Các thơng số đầu vào và đầu ra của thí nghiệm................................. 106
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm...................................................................... 107
Bảng 4.3. Kết quả đo nhám bề mặt răng (Ra) ..................................................... 108
Bảng 4.4. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu Ra ................... 109
Bảng 4.5. Các hệ số của phương trình hồi quy đối với hàm mục tiêu Ra ......... 112
Bảng 4.6. Giá trị nhám bề mặt khi thí nghiệm và khi tính ................................. 113
Bảng 4.7. Kết quả đo mịn mặt sau dụng cụ cắt (U) ........................................... 114
Bảng 4.8. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu U ..................... 115
Bảng 4.9. Các hệ số của phương trình hồi quy đối với hàm mục tiêu U .......... 118
Bảng 4.10. Giá trị lượng mịn dao khi thí nghiệm và khi tính ........................... 119
Bảng 4.11. Thơng tin tối ưu hóa hàm mục tiêu Ra ............................................. 122
Bảng 4.12. Giá trị tối ưu của thông số V, S, t và giá trị hàm mục tiêu Ra ........ 123

Bảng 4.13. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu Ra..... 124

Bảng 4.14. Thơng tin tối ưu hóa hàm mục tiêu U............................................... 125
Bảng 4.15. Giá trị tối ưu của các thông số V, S, t và giá trị hàm mục tiêu U .. 126

Bảng 4.16. Kết quả thí nghiệm kiểm chứng giá trị tối ưu hàm mục tiêu U ...... 126
Bảng 4.17. Thơng tin tối ưu hóa hàm đa mục tiêu.............................................. 127


xiv

Bảng 4.18. Giá trị tối ưu của các thông số V, S, t và giá trị hàm mục tiêu Ra và U
................................................................................................................................ 128

Bảng 4.19. Kết quả kiểm chứng giá trị tối ưu hàm đa mục tiêu Ra và U.......... 129

Bảng 4.20. Lượng mòn mặt sau của dao theo thời gian (U) .............................. 130


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ truyền bánh răng cơn cung trịn được sử dụng nhiều trong các ngành
công nghiệp ô tô, máy kéo, tàu thủy, hàng không... Dùng để truyền chuyển động
giữa hai trục giao nhau hoặc không giao nhau trong không gian với nhiều ưu
điểm vượt trội như: làm việc với hiệu suất cao, khả năng chịu tải lớn, truyền
động êm, ít va đập và thực hiện tỷ số truyền lớn. Việc nghiên cứu, chế tạo bộ
truyền bánh răng cơn cung trịn đã được thực hiện bởi một số nước trên thế giới,
với phương pháp gia công khác nhau sẽ tạo ra biên dạng răng khác nhau (gọi
là hệ bánh răng), chẳng hạn như hệ Gleason (răng cung tròn), hệ Klingelnberg
(răng dạng đường thân khai kéo dài), hệ Oerlicon (Răng dạng cong Epicycloit

kéo dài) [23]. Độ chính xác bộ truyền bánh răng cơn cung trịn được đánh giá
qua nhiều chỉ tiêu, như: Chất lượng bề mặt, độ chính xác biên dạng, độ chính
xác ăn khớp, năng suất gia cơng, mịn dụng cụ cắt…Trong đó, nhám bề mặt
răng và mịn dụng cụ cắt là hai thơng số thường được chọn chỉ tiêu đánh giá
hiệu quả của q trình gia cơng [4], [6].
Ở Việt Nam, bộ truyền bánh răng cơn cung trịn cũng đã được sử dụng nhiều
trong những năm gần đây. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ đã được thực
hiện bởi một số nhà khoa học và một số doanh nghiệp… Tuy nhiên, chất lượng của
bộ truyền sản xuất trong nước chưa được cải thiện nhiều như nhám bề mặt răng, sai
số lớn,… và giá thành tương đối lớn. Nguyên nhân là do: nguyên lý tạo hình bề
mặt răng rất phức tạp, độ chính xác gia công phụ thuộc vào nhiều thông số (thông
số về hệ thống công nghệ, thông số về chế độ công nghệ) làm cho các nhà công
nghệ chưa giải quyết trọn vẹn việc gia cơng bánh răng cơn cung trịn đảm bảo
đồng thời cả hai chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật [4]. Mặt khác, dụng cụ cắt hầu hết
được nhập khẩu, với vật liệu làm dụng cụ cắt thường là thép gió, qua đó ảnh
hưởng đến chất lượng bề mặt gia công cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình
sản xuất. Phương pháp và trang thiết bị kiểm tra các thơng số của bộ truyền bánh
răng cịn hạn chế.


2

Khi gia cơng bộ truyền bánh răng cơn nói chung và bộ truyền bánh răng
cơn cung trịn nói riêng, nhám bề mặt, biên dạng răng và mòn dụng cụ cắt phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, như chế độ cắt, vật liệu chế tạo bánh răng, vật liệu làm
dụng cụ cắt,… Trong đó, theo các nghiên cứu [6], [22] các thơng số về chế độ
cắt có ảnh hưởng rất lớn đến nhám bề mặt răng và mòn của dụng cụ cắt. Việc
xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số chế độ cắt đến nhám bề mặt răng
và lượng mòn dụng cụ cắt sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn và điều khiển các thông
số công nghệ để gia cơng được bộ truyền bánh răng cơn cung trịn có giá trị

nhám nhỏ, dụng cụ cắt có tuổi bền cao. Xuất phát từ những đặc điểm và tình
hình nêu trên, tác giả chọn đề tài: “ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến
độ nhám bề mặt răng và lượng mịn dao khi cắt tinh bánh răng cơn cung tròn
bằng đầu dao hợp kim cứng”
2. Mục tiêu của đề tài
2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ đến nhám bề mặt răng
và lượng mịn dụng cụ cắt, tìm ra bộ thơng số cơng nghệ tối ưu nhằm nâng cao
nhám bề mặt răng và tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công tinh bánh răng cơn cung
trịn bằng đầu dao hợp kim cứng.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t)
đến nhám bề mặt răng và lượng mòn dụng cụ cắt;
- Xác định mối quan hệ tốn học giữa các thơng số công nghệ (V, S, t) với
nhám bề mặt răng và lượng mịn dụng cụ cắt;
- Xác định bộ thơng số công nghệ tối ưu (V, S, t) để đảm bảo giá trị nhám
bề mặt răng theo yêu cầu và lượng mịn dao cho phép khi cắt tinh bánh răng
cơn cung tròn bằng đầu dao hợp kim cứng theo phương pháp bao hình;


3

- Xác định được tuổi bền của dụng cụ cắt khi gia cơng bánh răng cơn cung
trịn đảm bảo nhám theo yêu cầu, từ đó chủ động thời gian thay dao góp phần
nâng cao năng suất và chất lượng gia công.
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu mối quan hệ giữa thông số chế độ cắt (V, S, t) đến độ nhám bề mặt
sườn răng của bánh răng được chế tạo bởi thép 20XM và lượng mòn dao khi cắt
tinh bánh răng cơn cung trịn theo phương pháp bao hình bằng đầu dao hợp kim
cứng có lớp phủ.

4. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ (V, S, t) đến độ nhám bề mặt
sườn răng và lượng mòn dụng cụ cắt;
- Bánh răng được chế tạo bởi thép 20XM; Vật liệu làm đầu dao là hợp kim cứng
có lớp phủ; Gia cơng theo phương pháp bao hình trên máy 525, sử dụng dung
dịch tưới nguội là dầu cơng nghiệp 32 với lưu lượng 15 lít/phút.
5. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được những mục tiêu kể trên, nội dung nghiên cứu chính của luận
án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ gia công bánh răng cơn cung trịn.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chất lượng bề mặt răng và lượng mòn dao
- Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhám bề mặt
răng và lượng mòn dao.
- Nghiên cứu xác định chế độ cắt tối ưu và tuổi bền của dụng cụ cắt.
6. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm.


4

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các hướng nghiên
cứu về công nghệ gia công bánh răng cơn cung trịn đang được các nhà khoa
học và các nhà cơng nghệ quan tâm; Phân tích những vấn đề cần thiết phải tiếp
tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng nghiên cứu.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Bằng thực nghiệm, xác định giá trị nhám bề mặt
răng của bánh răng cơn cung trịn và lượng mịn dao với thông số công nghệ đã
chọn. Sử dụng phần mềm Minitab để xác định mức độ ảnh hưởng của thông số
công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt răng và lượng mịn dao. Từ đó, xác định

bộ thơng số tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm, xác định tuổi bền của dụng
cụ cắt khi gia công đảm bảo độ nhám theo yêu cầu.
7. Ý nghĩa của đề tài
7.1. Ý nghĩa khoa học
- Xác định được mơ hình thực nghiệm để đánh giá chất lượng nhám bề mặt
răng của bánh răng cơn cung trịn và lượng mịn dao khi gia công trên máy 525.
- Bằng kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định mức độ ảnh hưởng của
thông số công nghệ (V, S, t) đến nhám bề mặt răng (Ra) và lượng mòn dao (U).
- Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu để nâng cao chất lượng nhám
bề mặt răng khi gia công bánh răng côn cung trịn theo phương pháp bao hình
trên máy 525.
- Xác định thời gian làm việc tới hạn cho phép (độ bền lâu T) của dụng cụ cắt
khi gia công bánh răng cơn cung trịn đảm bảo nhám bề mặt răng theo u cầu.
- Ứng dụng thành cơng thuật tốn để giải quyết bài toán tối ưu với hàm mục
tiêu Ra và U khi gia cơng bánh răng cơn cung trịn.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất khi gia công
bánh răng cơn cung trịn bằng vật liệu 20XM trên máy 525 với vật liệu làm
dụng cụ cắt là hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN.


5

- Sử dụng bộ thông số công nghệ tối ưu để gia cơng bánh răng cơn cung
trịn theo phương pháp bao hình sẽ nâng cao năng suất gia cơng và đảm bảo
nhám bề mặt răng của bánh răng theo yêu cầu.
- Chủ động về thời gian thay dụng cụ cắt trên cơ sở tuổi bền dụng cụ, tiết
kiệm được thời gian phụ trong q trình gia cơng góp phần nâng cao năng suất
gia cơng.
- Kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án có thể sử dụng làm tài liệu

tham khảo phục vụ đào tạo, nghiên cứu khoa học tại các trường, viện nghiên
cứu hay phục vụ sản xuất tại các doanh nghiệp.
8. Những đóng góp mới của đề tài
- Xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (V, S, t)
đến nhám bề mặt sườn răng và lượng mịn dao khi gia cơng tinh bánh răng cơn
cung trịn bằng đầu dao hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N) - Al2O3 -TiN, vật liệu
làm bánh răng là thép 20XM
- Xây dựng được phương trình hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa nhám bề
mặt răng (Ra) và lượng mịn dao (U) với thơng số cơng nghệ (V, S, t).
- Xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu (V, S, t) để đảm bảo giá trị
nhám bề mặt răng theo yêu cầu và lượng mòn dao cho phép trong phạm vi
nghiên cứu.
- Xác định được tuổi bền dụng cụ cắt khi gia công tinh bánh răng cơn cung
trịn bằng đầu dao hợp kim cứng phủ CVD Ti(C,N)-Al2O3-TiN, vật liệu bánh
răng là thép 20XM.
9. Bố cục của luận án
Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp
theo, luận án gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về công nghệ gia công bánh răng cơn cung trịn.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về chất lượng bề mặt răng và lượng mòn dao.
Chương 3. Xây dựng hệ thống thí nghiệm.
Chương 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận đánh giá


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG BÁNH RĂNG CƠN
CUNG TRỊN
1.1. Đặc điểm, phân loại và phạm vi sử dụng bánh răng cơn cung trịn

1.1.1. Đặc điểm
Bộ truyền bánh răng cơn cung trịn dùng để truyền chuyển động giữa hai
trục giao nhau hoặc không giao nhau trong không gian, được sử dụng nhiều
trong các ngành công nghiệp ô tô, máy kéo, tàu thủy, hàng không... So với bộ
truyền bánh răng côn răng thẳng, bộ truyền bánh răng côn cung trịn có nhiều
ưu điểm vượt trội như: Khả năng chịu tải lớn, làm việc êm, ít va đập, có khả
năng thực hiện tỷ số truyền lớn [4], [23], [115].
Nhược điểm của bánh răng cơn cung trịn là tạo ra lực chiều trục trong quá
trình làm việc, thành phần lực này phụ thuộc nhiều vào chiều dài của răng. Do
đó khơng nên chọn chiều dài của răng lớn, vì do mặt tựa của bánh răng là công
xôn, nếu chiều dài răng lớn, mô men uốn và độ lệch sẽ tăng lên.
1.1.2. Phân loại
Bánh răng cơn cung trịn được phân loại theo dạng đường cong của răng,
với mỗi dạng đường cong răng khác nhau thì có một phương pháp gia cơng
khác nhau bằng những thiết bị được chế tạo bởi các hãng khác nhau [4], [23].
Do đó, bánh răng cơn cung trịn còn được đặt tên theo tên gọi của hãng chế tạo
thiết bị gia công và được biết đến với tên gọi là hệ bánh răng. Theo đó, bánh
răng cơn cung tròn gồm các loại cơ bản sau .
- Bánh răng dạng cơn cung trịn (hệ Gleason).
- Bánh răng đường thân khai kéo dài (hệ Klingelnberg).
- Bánh răng dạng đường cong Epicycloit kéo dài (hệ Oerlicon).


7

Hiện nay ở nước ta thiết bị gia công bánh răng cơn cung trịn chủ yếu theo
hệ Gleason. Vì vậy trong nghiên cứu này chỉ đề cập đến dạng răng cơn cung
trịn hệ Gleason.
1.1.3. Phạm vi sử dụng
1.1.3.1. Ứng dụng trong hệ thống lái của ô tô

Bánh răng côn cung trịn đầu tiên có ý nghĩa quan trọng với ngành công
nghiệp xe hơi trong những năm đầu thế kỷ 20. Vào thời điểm đó, truyền động
trục sau sử dụng bộ bánh răng vi sai là bước đột phá trong ngành cơng nghiệp
ơ tơ [72]. Hình 1.1 là một điển hình với bộ truyền bánh răng cơn cung trịn được
lắp trên trục sau ô tô.
Ngày nay, việc sử dụng bộ bánh răng vi sai về cơ bản vẫn không thay đổi
trong tất cả các xe hạng nặng và cỡ trung. Khái niệm truyền động xe dựa trên
hai nguyên tắc thiết kế khác nhau: thứ nhất, động cơ được gắn ngang với hướng
lái hệ dẫn động cầu trước. Thứ hai, động cơ được gắn dọc theo hướng lái sử
dụng hệ dẫn động bánh trước hoặc bánh sau. Xe có động cơ ngang và dẫn động
bánh trước cho phép sử dụng rất hiệu quả khơng gian có sẵn để lắp bộ bánh
răng vi sai.

Hình 1.1. Ngun lý truyền động ổ trục sau ơ tô [72]


8

1.1.3.2. Ứng dụng trong ngành sản xuất máy bay
Mặc dù số lượng bánh răng cơn cung trịn được sử dụng trong ngành công
nghiệp ô tô là rất lớn, tuy nhiên trong công nghiệp sản xuất máy bay, bánh răng
côn cung trịn cũng đóng một vai trị quan trọng [72]. Các ứng dụng điển hình
bao gồm các động cơ cánh quạt chính và cánh quạt đi cho máy bay trực
thăng, bộ khởi động và hệ thống thủy lực cho tuabin máy bay hoặc bộ truyền
động cánh cho cánh máy bay (hình 1.2).

Hình 1.2. Các bánh răng cơn làm việc trong các bộ phận máy bay [72]
1.1.3.3. Ứng dung trong tàu thủy
Nguyên lý của bộ đẩy cánh quạt được minh họa trong hình 1.3. Động cơ
được lắp đặt bên trong tàu, điều khiển trục chân vịt thông qua bộ bánh răng côn

cung trịn. Ưu điểm của truyền động bộ bánh răng cơn cung trịn là rất tin cậy
và an tồn trong q trình hoạt động của tàu thủy [72].

Hình 1.3. Chân vịt tàu thủy [72]


9

1.2. Thông số cơ bản của bánh răng côn cung trịn
Một số thơng số cơ bản của bánh răng cơn cung trịn được thể hiện trên hình
1.4 và trình bày tóm tắt trong bảng 1.1.
L m1
Lk1

L h1

n

d

de

di

p2

d

b

r2

d

n2

hh2

hp2

d r2
d b2

ßs

h1


h n1

h2

hn

L m2

c

R

R

S

d r1

d b1

h1

L b1

V
S=S
d
R

R ds

OR

b/2

r

ß

i

s

H

o2

R in
Rn

S hn

e
tn
R en

Ps

Hình 1.4. Thơng số cơ bản của bánh răng cơn cung trịn [23]
Bảng 1.1. Một số thông số cơ bản của bánh răng cơn cung trịn [23]
TT

1
2
3
4

Tên gọi
Góc nâng trên vành ngồi của bánh
răng.
Góc nâng trên vành trung bình của
bánh răng.

Góc nâng trên vành trong của bánh
răng.
Góc xoắn răng tại vành ngồi của
bánh răng.

Ký Đơn
hiệu vị
𝜔𝑒
𝜔𝑠
𝜔𝑖
βe

Công thức

độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑒 =
độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑠 =

2
2
𝑟𝑛2 +𝑅𝑑𝑒
−𝑅𝑜𝑛

(1.1)

2
2
−𝑅𝑜𝑛
𝑟𝑛2 +𝑅𝑑𝑠

(1.2)

2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑒

2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑠

2
2
𝑟𝑛2 + 𝑅𝑑𝑖
− 𝑅𝑜𝑛
độ 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑖 =
(1.3)
2𝑟𝑛 𝑅𝑑𝑖

độ βe = 900 – ωe

(1.4)