Nghiên cứu xác định chế độ cắt khi gia công chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Hải An, là học viên lớp của Cao học Kỹ thuật tàu thủy khóa
2006 - 2009, xin cam đoan nội dung luận văn do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS Trần Gia Thái, Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha trang.
Tất cả các tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực,
hợp lệ và chính xác, không vi phạm pháp luật.

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên xin gửi đến thầy TS Trần Gia Thái với tất cả lòng biết
ơn sâu sắc vì sự hướng dẫn tận tình, truyền đạt kiến thức và đã động viên tôi hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường, đặc biệt là các thầy cô
trong khoa Kỹ thuật tàu thủy và Bộ môn Chế tạo máy trường Đại học Nha Trang đã
tận tình giúp đỡ tôi suốt thời gian học Cao học và trong quá trình thực hiện luận văn.

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè, các bạn cùng khóa Cao
học Kỹ thuật tàu thủy 2006, đặc biệt là các đồng nghiệp của Chi cục Đăng Kiểm Số 5
đã hỗ trợ, truyền thụ những kinh nghiệm quí báu, giúp đỡ tôi về vật chất lẫn tinh thần
để tôi có được kết quả như ngày hôm nay.

Xin chân thành cảm ơn.
Học viên Cao học



Nguyễn Hải An
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

Lời cám ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 1
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: 2
1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC: 2
1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 5
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu: 5
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu: 5
1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 6
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY 7
2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy 7
2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm: 14
2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU: 18
2.2.1.Tổng quan: 18
2.2.2. Một vài khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công
cắt gọt: 18
2.2.3.Phương pháp xác định chế độ cắt tối ưu: 20
Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 25
3.1. XÂY DỰNG QUY TRÌNH GIA CÔNG CHÂN VỊT TRÊN MÁY
PHAY CNC: 25
3.1.1. Xác định dạng sản xuất: 25
3.1.2. Phân tích chi tiết gia công: 25
3.1.3. Lập phương án gá lắp: 26

3.1.4.Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 29
3.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHÂN VỊT 3D TRONG MÔI TRƯỜNG
CAD/CAM: 35
3.2.1.Thuật toán và chương trình vẽ 3D mô hình cánh chân vịt : 35
3.2.2.Nghiên cứu chuyển mô hình chân vịt 3D trong môi trường
CAD/CAM 37
3.2.3.Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm
CAD/CAM 45
3.3.XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU CÁC THÔNG SỐ CỦA
CHẾ ĐỘ CẮT 52
3.3.1.Các chỉ tiêu tối ưu và hàm mục tiêu 52
3.3.2.Xây dựng hàm mục tiêu 54
3.3.3.Xây dựng các hàm giới hạn 60
3.3.4. Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt. 64
3.3.5.Giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu : 65
3.4.SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG CHÂN VỊT
TỐI ƯU VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN GIA CÔNG KHÁC. 68
3.4.1. Các thông số gia công 68
3.4.2. Mô phỏng 3D cánh chân vịt gia công 69
3.4.3. Thực hiện quá trình gia công 69
3.4.4. Kết quả khảo sát 71
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74
Tài liệu tham khảo 75
Phụ lục 76





Danh mục các ký hiệu

D - đường kính chân vịt (m)
R - bán kính chân vịt (m)
R - bán kính bất kỳ của mặt cắt chân vịt (m)
H - bước xoắn chân vịt
S - diện tích hình trụ chân vịt S= D
2
/4 (m
2
)
S
p
- diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m
2
)
S
p
’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m
2
)
S
o
- diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m
2
)
b, b
m
- chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)
d
p

- đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m)
e, e
o
- chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m)
e
ự
- chiều dày đỉnh cánh (m)
m, m’ - độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m)
Danh mục các bảng

Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen .15
Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh. 16
Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh 16
Bảng 2.4 : Tọa độ profin cánh chân vịt seri B-Wageningen tính bằng % chiều dày lớn
nhất của profin 17
Bảng 3.1 : Thứ tự các nguyên công gia công mặt đẩy 30
Bảng 3.2: Thứ tự các nguyên công gia công mặt hút của chân vịt 34
Bảng 3.3 : Thời gian gia công chân vịt 56
Bảng 3.4 : Phân tích thống kê 58
Bảng 3.5 : Cấp chính xác của chân vịt 63
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay 4
Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định 7
Hình 2.2 : Nguyên lý tạo mặt xoắn ốc chân vịt 8
Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định 8
Hình 2.4 : Nguyên lý tạo cánh chân vịt 9
Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc 10
Hình 2.6 : Các hình chiếu cánh chân vịt 11
Hình 2.7 : Các kích thước hình học chân vịt 12

Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh. 15
Hình 3.1 : Đồ gá lắp chân vịt khi gia công trên máy CNC 27
Hình 3.2 : Gá đặt chân vịt gia công mặt đẩy (a) và mặt hút cánh chân vịt (b) 28
Hình 3.3 : Hình ảnh gia công chân vịt 29
Hình 3.4 : Đánh số bề mặt gia công 29
Hình 3.5 : Sơ đồ gá đặt gia công mặt đẩy chân vịt 30
Hình 3.6: Trình bày dao phay cầu và các tùy chọn về kích thước 31
Hình 3.7: Sơ đồ gá đặt gia công mặt hút của cánh chân vịt 34
Hình 3.8 : Sơ đồ gá đặt gia công tại các vị trí bị che khuất giữa 2 cánh. 34
Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán chương trình vẽ tự động chân vịt từ các
thông số thiết kế 36
Hình 3.10 : Giao diện của chương trình 37
Hình 3.11 : Mô hình 3D chân vịt dựng trong phần mềm AutoCad. 38
Hình 3.12: Chọn đường bao cánh chân vịt. 38
Hình 3.13: Tạo đầu mút cánh chân vịt 39
Hình 3.14: Mô hình cánh chân vịt hoàn chỉnh trong môi trường CAD. 39
Hình 3.15: Mô hình chân vịt 3D trong phần mềm Pro/E 40
Hình 3.16 : Menu Export Step 40
Hình 3.17 : Chi tiết chân vịt 41
Hình 3.18 : Thiết lập đơn vị cho chương trình 41
Hình 3.19: Chọn các đường bao prophin cánh trên mặt cánh chân vịt 42
Hình 3.20: Chọn đường bao cánh chân vịt 42
Hình 3.21 : Xử lý sự nứt vỡ cánh 43
Hình 3.22: Xử lý phần mút cánh chân vịt 43
Hình 3.23: Một cánh chân vịt đã được phủ mặt 43
Hình 3.24 : Liên kết các mặt trên cánh lại với nhau 44
Hình 3.25: Bo cánh chân vịt 44
Hình 3.26 : Xây dựng mô hình và hoàn thiện chân vịt 45
Hình 3.27: Chân vịt chi tiết và chân vịt phôi 47
Hình 3.28: Chân vịt phôi và chân vịt chi tiết chân vịt gia công trong cùng một

hệ tọa độ 47
Hình 3.29 : Chọn máy gia công 48
Hình 3.30: Lựa chọn dụng cụ cắt 49
Hình 3.31 : Tính các thông số của chế độ cắt khi khoan – phay 50
Hình 3.32 : Nhập các thông số chế độ cắt 50
Hình 3.33: Chân vịt sản phẩm sau khi gia công 51
Hình 3.34: Thời gian gia công chân vịt 51
Hình 3.35: Chân vịt phôi và chi tiết lồng nhau 55
Hình 3.36: Quan hệ giữa lượng chạy dao ngang với độ nhám bề mặt 63
Hình 3.37 : Mô phỏng 3D cánh chân vịt khi gia công trên Pro –Wildfire 4.0 69
Hình 3.38 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số của trường 70
Hình 3.39 : Gia công cánh chân vịt với bộ thông số đã chạy tối ưu 70
Hình 3.40 : Hai cánh chân vịt đã gia công hoàn thiện 71
Hình 3.41 : Máy đo độ nhám và kỹ thuật đo độ nhám bề mặt hai cách chân vịt 72
Hình 3.42 : Kết quả đo độ nhám của 2 cánh chân vịt 73
1


Chương 1 - ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU:
Như đã biết, tàu thủy là công trình kỹ thuật phức tạp gồm ba thành phần chính là
máy - vỏ tàu - chân vịt, còn gọi là liên hợp tàu, trong đó chân vịt là bộ phận tiếp nhận
công suất của động cơ, tạo ra lực đẩy để khắc phục sức cản và đẩy tàu chuyển động.
Do đó chân vịt có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của tàu, nhất là về mặt tốc độ nên
vấn đề tự động hóa tính toán, thiết kế và chế tạo chính xác chân vịt theo các thông số
thiết kế có vai trò và ý nghĩa quan trọng, cả về mặt lý thuyết và trong thực tế sản xuất.
Vấn đề này thật ra cũng đã được những nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển
giải quyết bằng công nghệ thiết kế và chế tạo trên máy chuyên dụng hoặc máy CNC,
tuy nhiên vì khá nhiều lý do về mặt công nghệ, giá thành, phương thức sản xuất v v…
nên công nghệ chế tạo hiện đại này hầu như vẫn chưa áp dụng ở nước ta hiện nay.

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật nói chung và ngành đóng tàu nói riêng,
công nghệ chế tạo chính xác các chi tiết có hình dạng phức tạp như chân vịt tàu thủy
trên máy CNC đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng dụng.
Khi gia công trên máy CNC các chi tiết có hình dạng phức tạp nói chung và chân vịt
nói riêng, một trong những vấn đề quan trọng là lựa chọn được chế độ gia công hợp lý,
ví dụ như tốc độ chạy dao, lượng ăn dao, hành trình chạy dao, quỹ đạo chạy dao v v…
nhằm đảm bảo thỏa mãn điều kiện đặt ra như thời gian, giá thành, độ bóng v v…
Từ các trình bày trên nhận thấy, vấn đề tự động hóa chế tạo chân vịt nói chung, và
xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công chân vịt trên máy phay CNC nói riêng có vai
trò và ý nghĩa thực tế quan trọng, nhất là khi nước ta đã và đang bắt đầu đóng các loại
tàu có đòi hỏi chân vịt có độ chính xác cao như tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v Kết
quả nghiên cứu của đề tài còn là cơ sở để giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp
lý khi gia công trên máy phay CNC đối với các chi tiết hình dạng phức tạp khác, một
nhu cầu của thực tiễn sản xuất hiện nay nhưng chưa được giải quyết triệt để.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển, hầu hết chân vịt được
sản xuất hàng loạt theo seri mẫu đã thử nghiệm, do đó thường áp dụng công nghệ chế
tạo tự động chân vịt, với quy trình có thể tóm tắt như sau :

2


- Thiết kế chân vịt 3D trên các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng hoặc
các phần mềm thông dụng.
- Chế tạo khuôn đúc phôi chân vịt và gia công tinh trên các máy chuyên
dụng hoặc các máy CNC.
- Gia công nguội, đánh bóng hoàn thiện sản phẩm.
Tuy nhiên, công nghệ chế tạo tự động chân vịt này đã được thực hiện từ lâu
nhưng thường được bán giá cao, kèm theo máy chuyên dụng do các Công ty sản xuất

và thường định hướng lựa chọn dạng cánh chân vịt đã được chế tạo sẵn của Công ty.
Trong trường hợp này, chế độ gia công hợp lý thường đã được cài đặt sẵn trong máy
nên thường không thể áp dụng được khi gia công những chân vịt có hình dạng khác,
nhất là khi gia công trên máy phay CNC 3 trục như ở nước ta hiện nay.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Ở nước ta hiện nay, do hầu hết chân vịt, kể cả những chân vịt cỡ lớn hoặc
đòi hỏi độ chính xác cao, thường được chế tạo một cách đơn lẻ bằng phương pháp thủ
công. Đến năm 2008, Công ty 189 của Bộ Quốc Phòng (Hải Phòng) là đơn vị đầu tiên
của nước ta mua một máy gia công chân vịt nhưng do máy chỉ chế tạo hàng loạt theo
những mẫu nhất định với giá thành quá cao nên hầu như chưa được áp dụng rộng rãi.
Riêng trong thời gian gần đây cũng đã có một số công trình nghiên cứu về vấn đề này,
trong đó có đề tài của TS Trần Gia Thái, nghiên cứu quy trình chế tạo chân vịt trên
máy CNC bằng khuôn đa năng để phù hợp với tình hình sản xuất đơn lẻ ở Việt Nam
và cũng từ đề tài này chúng tôi mới thực hiện đề tài như đã nêu.
1.3. THỰC TRẠNG CÔNG TÁC CHẾ TẠO TRONG NƯỚC:
Quá trình chế tạo chân vịt bằng phương pháp thủ công dựa theo bản vẽ chân vịt
bắt đầu bằng việc đúc phôi trong khuôn gỗ hoặc khuôn cát với lượng dư gia công lớn,
không đồng đều, sau đó mới tiến hành gia công thô và gia công tinh các cánh chân vịt
bằng cách cắt định hình các cánh chân vịt và đo đạc cắt bỏ sơ bộ lượng dư gia công
trên mặt đẩy của cánh chân vịt trước, sau đó mới tiến hành tương tự trên mặt hút cánh.
Việc loại bỏ sơ bộ lượng dư trên bề mặt cánh bằng cách đục bằng tay nhờ hệ khí nén,
trước hết là đục các rãnh dọc theo đường tâm cánh ở độ sâu xác định theo dưỡng mẫu
sau đó tạo rãnh vòng theo các bán kính prôfin cho trên bản vẽ với độ sâu như rãnh dọc.
Nếu như lượng dư gia công nhỏ hơn hoặc bằng khoảng 5% so với chuẩn thì dùng lưỡi
đục mỏng và sắc đục từ mép cánh vào bên trong mayơ, có chú ý chiều sâu rãnh vòng.
3


Nếu lượng dư gia công lớn hơn 5%, thường đục rãnh dọc với khoảng cách giữa chúng
bằng khoảng (20 - 25) mm, sau đó mới dùng đục mỏng để loại bỏ cho hết lượng dư.

Hầu hết công việc gia công thô, sơ bộ ban đầu này đều phải thực hiện một cách từ từ
và để lại lượng dư khoảng (0,5 - 1) mm dành cho việc gia công cơ trên các máy khác.
Công đoạn gia công thô nói trên thường chiếm khoảng (60 - 80) % toàn bộ thời gian
gia công hoàn chỉnh một chân vịt, do đó cần phải cải tiến công nghệ và khuôn đúc để
đảm bảo cho lượng dư gia công là ít nhất hoặc sử dụng các máy gia công hiện đại hơn.
Sau gia công thô, chân vịt được tiếp tục gia công trên những máy công cụ khác như
máy tiện, máy phay vạn năng v v…, sau đó là nguyên công nguội và đánh bóng tay.
Đây là công đoạn mất nhiều thời gian, công sức nhất và phụ thuộc tay nghề công nhân.
Sau khi chế tạo, sử dụng dưỡng mẫu để kiểm tra bề dày prôfin cánh tại các bán kính r
và dùng tam giác bước để kiểm tra góc nghiêng cánh nên kết quả thường ít chính xác.
Chất lượng, độ chính xác mặt cánh chân vịt phụ thuộc nhiều vào tay nghề công nhân.
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngành đóng tàu trên thế giới đã có
những bước tiến vượt bậc, nhất là trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo chân vịt tàu thủy
đều đã áp dụng công nghệ gia công lập trình điều khiển số để chế tạo trên máy CNC.
Tuy nhiên như đã nói, công nghệ này có giá thành cao và thuộc bản quyền các công ty
nên cũng chưa được áp dụng rộng rãi.
4


Một cách tổng quát có thể tóm tắt quy trình chế tạo chân vịt thủ công ở nước
ta hiện nay theo sơ đồ mô tả trên hình 1.1, trong đó nội dung cụ thể của các công đoạn
được trình bày trong tài liệu [1].

Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chế tạo chân vịt trong nước hiện nay


Chuẩn bị cơ sở cho việc
chế tạo
Dụng cụ đúc

Lò nồi nấu vật liệu

Lập nhà xưởng
Vật liệu đúc

Tạo mẫu chân vịt đúc

Chế tạo mẫu đúc

Lập bản vẽ thiết kế đúc

Đúc chân vịt

Phá khuôn và làm sạch vật đúc

Nấu và rót vật liệu

Làm khuôn đúc

Gia công củ chân vịt

Cạo xỉ hàn đắp

Gia công chân vịt sau khi
đúc

Mài cánh chân vịt

Đánh bóng bề mặt

Gia công nhiệt: ram vật liệu


Gia
công
cơ
khí


Hoàn thiện sản phẩm

Đóng mác chế tạo và ngày sản xuất

Kiểm tra tính cân bằng của chân vịt

Kiểm tra các thông số

, H/D


5

1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu:
Như đã nêu, mục tiêu đề tài là nghiên cứu xác định phương án gia công tối
ưu, nghĩa là đi xác định chế độ cắt tối ưu cho từng nguyên công trong quá trình gia
công, cơ sở để xây dựng toàn bộ quy trình gia công hợp lý chân vịt tàu trên máy phay
CNC.
1.4.2. Phương pháp và nội dung nghiên cứu:
Về mặt phương pháp, có thể giải quyết bài toán xác định chế độ cắt hợp lý
khi gia công trên máy CNC các chi tiết phức tạp nói chung và chân vịt tàu thủy nói
riêng bằng cách xây dựng các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc cụ thể theo lý thuyết tối
ưu, sau đó giải bài toán này để xác định chế độ gia công hợp lý trong các điều kiện cụ
thể. Trong trường hợp này, hàm mục tiêu hay nói cách khác là chỉ tiêu tối ưu cần
hướng tới thường chính là thời gian gia công hay giá thành sản phẩm, còn các hàm
ràng buộc thường là các điều kiện gia công cần đạt về độ chính xác, độ bóng bề mặt
cánh v v… Về nguyên tắc, các hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc trong bài toán tối
ưu nói chung thường được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với các số liệu
thực nghiệm trong quá trình thực hiện gia công thực tế các chân vịt tàu thủy trên máy
phay CNC. Như vậy, để giải quyết được vấn đề này cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết
chân vịt, đồng thời xây dựng phương án mô phỏng quá trình gia công ảo của chân vịt
tàu thủy trên máy CNC bằng các phần mềm CAD/CAM thông dụng nhằm mục tiêu
thiết lập hàm mục tiêu dưới dạng chỉ tiêu tối ưu về thời gian gia công và giá thành sản
phẩm, sau đó mới đưa bài toán về dạng bài toán tối ưu hóa thông thường như đã biết
để giải, trên cơ sở đảm bảo thời gian và lượng dư gia công trong trường hợp cụ thể là
nhỏ nhất.
Như vậy, phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài này là sự kết
hợp giữa phương pháp suy diễn lý thuyết và phương pháp thực nghiệm giải quyết vấn
đề đặt ra, bắt đầu từ việc thu thập, phân tích và xử lý các số liệu thực nghiệm thống kê
cần thiết, cơ sở đưa ra các giải pháp cụ thể và chế tạo thực nghiệm để kiểm chứng
phương án đó.

6


Từ các trình bày trên có thể tóm tắt các nội dung cần phải thực hiện trong đề
tài như sau :
1. Tính toán, thiết kế và vẽ mô hình 3D chân vịt tàu thủy trong môi trường CAD
thông dụng.
2. Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAM
3. Xây dựng hàm mục tiêu các thông số của chế độ cắt khi phay chân vịt.
4. Tối ưu hóa các bước công nghệ và chế độ cắt.
1.4.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, chúng tôi chỉ thực hiện đối với các chân
vịt theo mô hình seri B - Wagenninger, loại chân vịt hiện đang được áp dụng rất rộng
rãi trên các tàu đánh cá và trênmột số các loại tàu thông dụng khác hiện nay ở Việt
Nam. Sau đó, nếu có điều kiện sẽ mở rộng kết quả nghiên cứu cho các chân vịt đặc
biệt khác bằng giải pháp chép hình như chân vịt các tàu cao tốc, chân vịt tàu cánh
ngầm v v… Đồng thời xuất phát từ điều kiện cụ thể của thực tế sản xuất hiện nay và
điều kiện hiện tại đề tài được tiến hành nghiên cứu thực hiện trong các điều kiện cụ thể
của Trường Đại học Nha Trang như sau :
- Máy gia công là máy phay CNC hiệu DMU 60 T.
- Vật liệu gia công là hợp kim đồng.
- Dụng cụ gia công là dao phay ngón, với lưỡi cắt mặt đầu kích thước  30 mm và
dùng các mảnh cắt xoay với vật liệu APMT 103508 PDER phủ ACZ 350.
- Làm mát quá trình gia công bằng dung dịch trơn nguội Emunxi 4% phun trực tiếp
vào khu vực gia công.
7


Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHÂN VỊT TÀU THỦY
2.1.1. Đặc điểm hình học cánh chân vịt tàu thủy
Chân vịt có cấu tạo gồm một số cánh gắn liền với moay ơ, gọi là may ơ chân
vịt. Các cánh chân vịt là một phần của mặt xoắn ốc nên khi nghiên cứu đặc điểm hình
học cánh chân vịt cần nghiên cứu đặc điểm hình học của đường xoắn ốc và mặt
xoắn ốc.
a) Đường xoắn ốc
Đường xoắn ốc là quỹ đạo chuyển động của một điểm A trên hình trụ bán
kính r, thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc theo trục hình
trụ và chuyển động quay xung quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc không đổi
(Hình 2.1).








Hình 2.1 :Khai triển đường xoắn ốc chân vịt có bước cố định.
Khoảng cách tịnh tiến dọc theo trục hình trụ gọi là bước chân vịt, ký hiệu H.
Góc của bước xoắn  được xác định theo công thức :

tg =
r
π
2
H
(2.1)
8

b) Mặt xoắn ốc:
Mặt xoắn ốc là bề mặt được tạo thành khi có đoạn thẳng ab thực hiện cùng
lúc hai chuyển động, chuyển động xoay quanh trục hình trụ bán kính r với tốc độ
 = 2r và chuyển động tịnh tiến dọc theo trục hình trụ với vận tốc không thay đổi
(hình 2.2). Đoạn ab được gọi là đường sinh của mặt xoắn ốc.










Hình 2.2 : Nguyên lý tạo mặt xoắn ốc chân vịt.
Như vậy, có thể xem mặt xoắn ốc là tập hợp các đường xoắn ốc bước xoắn
H. Do đó, tương ứng đường xoắn ốc tạo thành mặt xoắn ốc có bước cố định hay thay
đổi, mặt xoắn ốc tạo thành theo nguyên lý này cũng có thể có bước cố định hoặc thay
đổi. Hình 2.3 minh họa mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt bước cố
định, tương ứng với đường xoắn ốc có bước cố định.

Hình 2.3 : Mặt xoắn ốc khi chân vịt hoạt động đối với chân vịt có bước cố định.
c) Đặc điểm mặt cánh chân vịt:
Mặt cánh chân vịt tàu hình thành từ giao tuyến giữa hai mặt xoắn ốc giao
nhau, với mặt cánh quay về hướng chuyển động của tàu gọi là mặt hút và mặt kia là
b

a

9


mặt đẩy. Mép cánh hướng về chiều quay chân vịt gọi là cạnh dẫn và mép kia gọi là
cạnh theo.
- Tiết diện (mặt cắt) cánh chân vịt: Giao tuyến giữa hình trụ bán kính r đồng trục
với trục chân vịt và cánh chân vịt là tiết diện (mặt cắt) của cánh chân vịt, thường gọi là
profin cánh chân vịt (hình 2.4) Profin cánh chân vịt hiện nay thường có dạng lưu tuyến
với chiều dày lớn nhất là e
max
và các chiều dày khác của profin sẽ được lấy theo tỷ lệ %
e
max
tùy thuộc bán kính r. Tỷ lệ này được rút từ quá trình thử nghiệm các mô hình
chân vịt trong bể thử, ví dụ mô hình chân vịt Wageningen hoặc Gawn là hai loại được
dùng khá phổ biến hiện nay.

Hình 2.4 : Nguyên lý tạo cánh chân vịt
- Mặt khai triển và mặt duỗi thẳng: Do cánh chân vịt là mặt xoắn ốc nên để có thể
hiểu phương pháp vẽ chân vịt trình bày ở phần sau, trước tiên cần khảo sát phương
pháp khai triển một mặt xoắn ốc. Như đã trình bày, cánh chân vịt là một phần mặt
xoắn ốc, cong hai chiều nên chỉ có thể khai triển gần đúng cánh chân vịt, tức khai triển
mặt xoắn ốc bằng phương pháp elip. Trên hình 2.5, đoạn xoắn ốc ACB là vết cắt giữa
hình trụ bán kính r với mặt xoắn ốc làm cánh chân vịt và dùng mặt phẳng KCM cắt
10


tiếp tuyến với đường ACB tại điểm C. Mặt phẳng này cắt hình trụ bán kính r và sẽ cho
ta một elíp có trục dài là đoạn KCM. Xoay đoạn KCM về mặt phẳng thẳng góc với
trục hình trụ sẽ nhận được đoạn K’CM’, sau đó chiếu lên hình chiếu phía trên sẽ nhận
được elíp với chiều dài thật K
1
’C
1
M
1
’.

Hình 2.5 : Khai triển elíp đường xoắn ốc.
Cung A
1
’C
1
B
1
’ xác định được ở đây thực tế chưa phải là đường khai triển của
đường xoắn ốc ABC mà chỉ là đoạn A’CB’ nằm trên elíp (thực tế nếu cánh chân vịt
không rộng thì cũng như đường khai triển của đường xoắn ốc ACB vì sai số là rất ít).
Nối tất cả các điểm mút A
1
’, B
1
’ ở các bán kính r khác nhau sẽ có hình dáng của cánh
khai triển của chân vịt,và diện tích của nó gọi là diện tích khai triển của cánh chân vịt.
Trên đường thẳng tiếp tuyến với cánh tại điểm C
1
, nếu duỗi thẳng cung A

1
’C
1
= A
1
”C
1

và cung C
1
B
1
’ = C
1
B
1
” thì đọan A
1
”C
1
B
1
” chính là đường xoắn ốc ABC duỗi thẳng
Nếu nối tất cả điểm mút A
1
”, B
1
” ở các bán kính r khác nhau sẽ được hình dáng cánh
duỗi thẳng có diện tích gọi là diện tích duỗi thẳng, cũng là diện tích thật cánh chân vịt.
Nếu cánh chân vịt hẹp, diện tích khai triển cánh cũng gần bằng diện tích duỗi thẳng.

Vì sai số giữa cánh khai triển và cánh duỗi thẳng không lớn nên trên bản vẽ kỹ thuật
chỉ yêu cầu thể hiện các hình chiếu bình thường và hình chiếu cánh khai triển là đủ.






Tương tự khi chiếu hai điểm A’, B’
trên mặt cắt KCM bằng cách làm
như trên ta sẽ nhận được hai điểm
A
1
’, B
1
’ nằm trên elíp thật K
1
’C
1
M
1
’.
Hai điểm A, B nằm trên mặt hình trụ
nếu chiếu lên hình chiếu phía trên ta
sẽ được hai điểm A
1
, B
1
tương ứng
nằm ngay trên đường tròn bán kính r.

Nếu dóng ngang song song với K’M’
cũng sẽ nhận được điểm A
1
’ và B
1
’.

11










Hình 2.6 : Các hình chiếu cánh chân vịt
d) Các đặc điểm hình học cánh chân vịt:
- Tỷ lệ bước xoắn H/D: Tỷ lệ bước xoắn chân vịt là tỷ số giữa bước xoắn H và
đường kính chân vịt D, thường nằm trong phạm vi (0,5 - 2,0) và giá trị càng lớn, hiệu
suất chân vịt càng giảm.
- Tỷ lệ mặt đĩa : Tỷ lệ  là tỷ số diện tích duỗi thẳng S
o
và diện tích hình tròn
ngoại tiếp chân vịt. Tỷ lệ mặt đĩa càng nhỏ thì hiệu suất chân vịt càng cao, nhưng
thường không dưới 0,35 và nên chọn giá trị đủ nhỏ sao cho đảm bảo điều kiện sức bền
cánh và không sủi bọt.

 =
S
S
o

=
4
D
S
z
2
o

= (0,3 – 1,2) (2.2)
1.Hình chiếu tiêu chuẩn
2.Hình chiếu cánh khai triển
3.Hình chiếu duỗi thẳng
12


e) Kích thước và đặc điểm hình học của chân vịt:
Các kích thước và đặc điểm hình học chính của chân vịt trình bày trên
hình 2.7.

Hình 2.7 : Các kích thước hình học chân vịt.
Các ký hiệu cần thiết
D - đường kính chân vịt (m)
R - bán kính chân vịt (m)
r - bán kính bất kỳ của mặt cắt chân vịt (m)
H - bước xoắn chân vịt
S - diện tích hình trụ chân vịt S= D
2
/4 (m
2
)
S
p
- diện tích hình chiếu cánh chân vịt (m
2
)
S
p
’ - diện tích khai triển các cánh chân vịt (m
2

)
S
o
- diện tích duỗi thẳng cánh chân vịt (m
2
)
b, b
m
- chiều rộng và chiều rộng lớn nhất của cánh (m)
d
p
- đường kính may ơ chân vịt tại giữa (m)
e, e
o
- chiều dày và chiều dày ảo của cánh xác định ở tâm trục (m)
e
ự
- chiều dày đỉnh cánh (m)
m, m’- độ nghiêng và độ uốn của mặt cánh (m)
f) Vật liệu chế tạo chân vịt:
Các loại vật liệu dùng chế tạo chân vịt gồm có hợp kim đồng, thép cácbon
đúc, thép không gỉ và gang, tuy nhiên cho đến nay chân vit gang hầu như không sử
dụng. Vật liệu chân vịt phải thỏa mãn được các yêu cầu về cơ lý, thành phần hóa học
13


và lựa chọn còn tùy thuộc vào kiểu loại, phạm vi hoạt động của tàu và đường kính
chân vịt. Với tàu thông thường, có hoạt động ở vùng băng thưa và nếu được đằng
kiểm đồng ý thì có thể dùng đồng thanh đặc biệt có đặc tính cơ học thấp hơn để chế
tạo chân vịt. Một số hợp kim phổ biến dùng để tạo chân vịt như sau:

- Đồng mangan – sắt
Loại này có tính khử kém, nhưng có thể rạn nứt dưới tác dụng của ngoại lực.
Dưới tác động lực tĩnh và lực chu kỳ, hệ số sức bền của nó thấp hơn đồng pha nhôm.
Chân vịt bằng vật liệu này cần được bảo vệ trước dòng điện phân chạy ở vòm đuôi tàu.
Khi tháo lắp không được đốt nóng, càng không được dùng tia lửa điện hở để đốt nóng.
Trong sữa chữa chân vịt, nếu buộc phải nung nóng để hàn đắp hoặc để kiểm tra v v…
thì sau đó phải ram ở nhiệt độ 350 – 400
0
C. Que hàn phải đúng như vật liệu chân vịt.
- Đồng – nhôm – mangan:
Loại vật liệu này có sức bền cao hơn vật liệu trên và không bị gỉ nhưng cũng bị
xâm thực ở vùng cánh nên nếu không có biện pháp bảo vệ sẽ có hiện tượng khử kẽm.
Vật liệu này thường dùng cho chân vịt cấp cao như tàu lướt, tàu cao tốc, tuần tra …
Que hàn đắp khi sửa chữa phải dùng mác vật liệu và phải ram ở nhiệt độ 500 – 550
0
C.
Thời gian ram còn tùy thuộc vào đường kính chân vịt.
- Đồng – nhôm – sắt và loại đồng – mangan – nhôm – kẽm:
Đây là các loại vật liệu có nhiều đặc tính tốt nhất so với các vật liệu hợp kim màu
thường được dùng để chế tạo chân vịt cho các tàu biển chạy với tốc độ lớn hơn 15 hl/h,
phổ biến nhất là để chế tạo chân vịt cho các loại tàu biển lớn chạy ở các vùng có băng.
Khi sử dụng ký hiệu các loại đồng của người Nga cần lưu ý là những chỉ số kèm theo
ký hiệu là tỷ lệ phần trăm các thành phần kim loại được pha chế trong hợp kim đồng.
Trong hầu hết các trường hợp, để bảo vệ chân vịt tránh hiện tượng xâm thực mặt cánh
do tính chất dòng điện phân xuất hiện tại vùng chân vịt hoạt động, người ta thường gắn
tại vùng đuôi tàu, gần trục chân vịt những cục kẽm có đặc điểm hoạt tính hơn đồng, do
đó khi có dòng điện phân, kẽm sẽ bị phân cực đầu tiên nhờ đó bảo vệ chân vịt.
- Thép cacbon:
Đây là loại thép dễ đúc và dễ gia công cơ nhưng lại có tính chống rỉ kém nên
thường dùng để chế tạo chân vịt cho các loại tàu thông thường và các tàu chạy sông,

trường hợp đặc biệt mới dành cho tàu biển.

14


- Thép không gỉ:
Có sức bền cao, chống ăn mòn tốt nhưng sức bền mỏi do ăn mòn lại không cao do
đó thường được dùng để chế tạo loại chân vịt cao cấp và thông thường trên các tàu.
Trong chế tạo, nếu hàn khuyết tật thì tiến hành sau khi ram đến gia công nhiệt xong.
Trong sữa chữa được phép đốt nóng cục bộ đên nhiệt độ 1060
0
C

100
0
C trong 4 giờ
và làm nguội bằng không khí và sau khi hàn khuyết tật không phải gia công nhiệt trừ
khi hàn ở cánh.
- Thép mangan không gỉ:
Loại vật liệu này dùng để chế tạo chân vịt cấp cao cho các tàu đặc biệt và vật liệu
khi chọn tùy thuộc vào công dụng loại tàu, tốc độ và đường kính chân vịt.
2.1.2.Các mô hình chân vịt thử nghiệm:
Phương pháp nghiên cứu hiệu quả hiện nay là thử mô hình chân vịt trong bể
thử, với các thông số hình học chân vịt được thay đổi một cách hệ thống theo chương
trình thử nghiệm và kết quả thử mô hình sẽ là cơ sở nghiên cứu tính toán tính năng
chân vịt. Trên cơ sở đó, các nhà khoa học đã thực hiện khảo sát một cách có hệ thống
một loạt mô hình chân vịt làm việc tự do trong nước với kích thước thay đổi một cách
hệ thống. Sau đó mới tổng kết lại và công bố hàng loạt đồ thị thực nghiệm và rút ra
một loạt các kết luận ảnh hưởng của các kích thước hình học đến đặc tính hoạt động
của chân vịt. Có thể kể các chân vịt như thế như chân vịt seri B– Wageningen, chân vịt

Gawn v v…Riêng trong phạm vi của đề tài này chỉ giới thiệu chân vịt thuộc seri
B - Wageningen, chân vịt nhóm B do Viện nghiên cứu tàu thủy tại Wageningen của
Hà Lan công bố, hiện đã và đang được áp dụng rộng rãi cho các tàu đánh cá, tàu hàng,
tàu lai dắt v v
Hình 2.8 là hình dáng profin cánh chân vịt seri B-Wageningen loại 2, 3, 4 và 5 cánh.








15

Hình 2.8 : Chân vịt seri B - Wageningen loại 2, 3,4 và 5 cánh.
Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B - Wageningen được trình bày trong
bảng 2.1.
Bảng 2.1 : Đặc điểm các mô hình chân vịt seri B của Wageningen.
Số
cánh

Z
Tỷ lệ mặt đĩa

So/S
Hệ số
chiều dày
cánh e/D
Hệ số đư
ờng
kính moayơ
d
p
/D
Giảm bước
xoắn theo
chiều moayơ
(%)
Góc
nghiêng

cánh 

(độ)
Tỷ lệ bư
ớc
xoắn H/D

2
3
4
5
0,03
0,35 ; 0,50 ;
0,65
0,40 ; 0,55 ;
0,70
0,45 ; 0,60
0,055
0,050
0,045
0,040
0,180
0,180
0,167
0,167
0
0
20
0
15

o
15
o
15
o
15
o
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4
0,5 - 1,4

Riêng đối với chân vịt có tỷ lệ mặt đĩa S
o
/S =0,4 - 0,55 và 0,7 thì bước xoắn
H từ bán kính bằng 0,47R được giảm dần đến chân moayơ của chân vịt bằng khoảng
20%. Bảng 2.2, 2.3, 2.4 là tọa độ profin cánh cho tất cả chân vịt seri B - Wageningen.



16


Bảng 2.2 : Tọa độ cánh chân vịt seri B Wageningen loại 2, 3 cánh.

Bảng 2.3 : Tọa độ cánh chân vịt seri B- Wageningen loại 4 và 5 cánh.



r/R 0,2 0,3 0,4 0,5

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Từ trục
tâm đến
cạnh theo

28,68 32,67 36,62 40,53

44,18

46,97

48,22

45,46

14,87

Từ trục
tâm đến
cạnh dẫn

46,05 51,24 54,91 56,52

55,82

52,22

44,63

30,31

-
Chiều
rộng cánh
tính theo
% chiều
rộng lớn
nhất tại
0,6 R
Tổng
chiều
rộng cánh

74,73 83,91 93,53 97,05

100,0

99,19

92,85

75,77

-
Khoảng cách từ cạnh
dẫn đến điểm có
chiều dày lớn nhất
tính theo phần %
chiều rộng cánh

35,0 35,0 35,0 35,5 38,9 44,2 47,8 50,0

-
r/R 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0,7 0,8 0,9 1,0
Từ trục tâm đến
cạnh theo
29,18

33,32

37,30 40,78

43,92

46,68

48,35

47,00

20,14

Từ trục tâm đến
cạnh dẫn
46,90

52,64

56,32 57,60

56,08

51,40

41,65

25,35

-
Chi
ều rộng
cánh tính
theo %
chiều rộng
lớn nhất
tại 0,6 R
Tổng chiều rộng
cánh
76,08 85,96

93,62 93,38

100,0

98,08

90,00

72,35

-
Kho
ảng cách từ cạnh dẫn đến
điểm có chiều dày l
ớn nhất
theo phần % chiều rộng cánh

35,0 35,0 35,0 35,0 38,9 44,3 47,9

50,0 -



17

17

Bảng 2.4 : Tọa độ profin cánh chân vịt seri B-Wageningen tính bằng % chiều dày lớn nhất của profin.
Từ cạnh theo đến điểm có chiều dày lớn nhất
[%]
Từ cạnh dẫn đến điểm có chiều dày lớn nhất [%] Đường kính lượn mép cánh tính %
chiều dày lớn nhất
r/R
100 80 60 40 20 20 40 60 80 90 95 100
r/R mép cạnh
theo
mép
cạnh dẫn

Tung độ mặt hút
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9

53,35
50,95
47,70
43,40
40,20
39,40
40,95
45,15

72,65
71,60
70,25
68,40
67,15
66,90
67,80
70,00

86,90

86,80

86,55

86,10

85,40

84,90

85,30

87,00

96,45

96,80

97,00

96,95

96,80

96,65

96,70

97,00

98,60

98,40

98,20

98,10

98,10

97,60

97,00

97,00

94,50

94,00

93,25

92,40

91,25

88,80

85,30

87,00

87,00

85,80

84,30

82,30

79,35

74,90

68,70

70,00

74,40

72,50

70,40

67,70

63,60

57,00

48,25

45,15


64,35

62,65

60,15

56,80

52,20

44,20

34,55

30,10

56,95

54,90

52,20

48,60

43,35

35,00

25,45

22,00


Tung độ mặt đẩy
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9

30,00
25,35
17,85
9,70
5,10

18,20
12,20
6,20
1,75
10,90
5,80

1,50
5,45
1,70
1,55 0,45
0,05
2,30
1,30
0,30
5,90
4,60
2,65
0,70
13,45

10,85

7,80
4,30
0,80
20,30

16,55

12,50

8,45
4,45
0,40
26,20

22,20

17,90

13,30

8,40
2,45
40,00

37,55

34,50

30,40

24,50

16,05

7,40
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,95

đầu cánh
6,4
6,5
6,6
6,7
6,8
6,9
7,0
11,1
15,7

-
-
-
-
-
-
-
11,1
15,7
26,7