Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CADCAM trong thiết kế, chế tạo và kiểm tra bánh răng trụ thân khai

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

M CL C
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................ 8
MỞ ĐẦU.................... ......................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÁNH RĂNG ................................................................. 16

1.1. Các khái niệm chung ........................................................................................ 16
1.1.1. Các loại bánh răng..................................................................................... 16
1.1.2. Đƣờng thân khai. ....................................................................................... 18
1.1.3. Các thông số cơ bản của bộ truyền bánh răng ............................................ 19
1.1.4. Dịch chỉnh sự ăn khớp............................................................................... 20
1.1.5. Các hệ bánh răng. ...................................................................................... 22
1.1.6. Các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng trụ răng thẳng. ........................ 23
1.1.7. Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng........................................................ 23
1.2. Các phƣơng pháp gia công bánh răng trụ. ......................................................... 24
1.2.1. Phƣơng pháp định hình ............................................................................. 24
1.2.2. Phƣơng pháp bao hình ............................................................................... 27
1.3. Các chỉ tiêu kiểm tra bánh răng ........................................................................ 28
1.3.1. Độ chính xác động học .............................................................................. 28
1.3.2. Độ ổn định làm việc .................................................................................. 29
1.3.3. Độ chính xác tiếp xúc ................................................................................ 29
1.3.4. Độ chính xác khe hở mặt bên. ................................................................... 29
1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 29
CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ CAD/CAM ............................................................................ 31

2.1. Tổng quan về công nghệ Cad/Cam. .................................................................. 31
2.1.1. Khái niệm cơ bản về CAD ........................................................................ 31
2.1.2. Sản xu t với tr giúp của máy tính C
2.1.3. Hệ thống C D/C

.................................................. 33

................................................................................ 35

2.2. Giới thiệu phần mềm Mastercam. ..................................................................... 35
1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

2.2.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 35
2.2.2.

ô đun

astercam Design........................................................................ 39

2.3. Phƣơng pháp gia công phay trên máy CNC ...................................................... 44
2.3.1. Nguyên l phay CNC ................................................................................ 44
2.3.2. Dụng cụ cắt d ng cho phay CNC. ............................................................. 44
2.3.3. Đƣờng dụng cụ trong gia công CNC ......................................................... 47
2.4. Phƣơng pháp gia công tia l a điện .................................................................... 50
2.4.1. Nguyên l gia công tia l a điện ................................................................. 50

2.4.2. Gia công bằng xung định hình ................................................................... 51
2.4.3. Gia công bằng điện cực dây ...................................................................... 51
2.5. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 53
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG CAD TRONG THIẾT KẾ BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI . 54

3.1. Cơ sở xây dựng đƣờng thân khai trong CAD .................................................... 54
3.2. Cơ sở xây dựng phƣơng trình bề mặt bánh răng trụ thân khai răng nghiêng ...... 56
3.3. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Autolisp. ............................................................ 60
3.4. Chƣơng trình Autolisp vẽ bánh răng trụ thân khai răng thẳng. .......................... 61
3.4.1. Sơ đồ thuật toán vẽ đƣờng thân khai. ......................................................... 61
3.4.2. S dụng chƣơng trình để vẽ bánh răng mẫu. .............................................. 61
3.5. Chƣơng trình Autolisp vẽ bề mặt bánh răng trụ thân khai răng nghiêng. ........... 64
3.5.1. Sơ đồ thuật toán ........................................................................................ 64
3.5.2. S dụng chƣơng trình để vẽ bánh răng mẫu ............................................... 65
3.6. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 68
CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG CAM TRONG CHẾ TẠO BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI . 69

4.1. Qui trình công nghệ tổng quát chế tạo bánh răng trụ thân khai.......................... 69
4.2. Chế tạo bánh răng trụ thân khai bằng phƣơng pháp phay CNC. ........................ 70
4.2.1. Thông số cơ bản bánh răng cần chế tạo ..................................................... 70
4.2.2. Sơ đồ các nguyên công .............................................................................. 70
4.2.3. Tạo chƣơng trình NC phay biên dạng răng trên

astercam. ...................... 71

4.2.4. Thực nghiệm quá trình phay ...................................................................... 74
2


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

4.3. Chế tạo bánh răng trụ thân khai bằng phƣơng pháp cắt dây CNC. .................... 76
4.3.1. Thông số cơ bản bánh răng cần chế tạo ..................................................... 76
4.3.2. Sơ đồ các nguyên công .............................................................................. 76
4.3.3. Tạo chƣơng trình NC cắt dây biên dạng răng trên

astercam. .................. 77

4.3.4. Thực nghiệm quá trình cắt dây CNC. ........................................................ 79
4.4. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................ 81
CHƢƠNG 5. KIỂ

TR BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI ............................................. 82

5.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp phổ biến đo các thông số bánh răng................. 82
5.1.1. Đo đƣờng kính vòng chia .......................................................................... 82
5.1.2. Đo sai lệch khoảng pháp tuyến chung........................................................ 83
5.1.3. Đo độ đảo hƣớng tâm vành răng................................................................ 84
5.1.4. Đo sai số prôfin răng ................................................................................. 84
5.2. Giới thiệu về máy đo tọa độ.............................................................................. 85
5.3. Cơ sở hình học của phép đo tọa độ ................................................................... 86
5.3.1. Hệ tọa độ Đề các vuông góc ...................................................................... 87
5.3.2. Các phép biến đổi tọa độ ........................................................................... 88
5.4. Một số thuật toán kiểm tra các thông số bánh răng ........................................... 91
5.4.1. Tính sai số đƣờng kính vòng đỉnh răng ...................................................... 91
5.4.2. Sai số đƣờng kính vòng chân răng ............................................................. 91
5.4.3. Sai số chiều dày răng trên vòng tròn chia .................................................. 92
5.4.4. Sai số bƣớc ăn khớp .................................................................................. 93

5.5. Kiểm tra bánh răng trụ thân khai răng thẳng bằng máy đo tọa độ...................... 94
5.5.1. Thông số của bánh răng trụ răng thẳng cần đo ........................................... 94
5.5.2. Sơ đồ và quá trình đo ................................................................................ 94
5.5.3. X l số liệu.............................................................................................. 95
5.5.4. Kết quả x l số liệu. ................................................................................ 97
5.6. Kết luận chƣơng 5. ......................................................................................... 100
KẾT LUẬN VÀ MỘT SỐ KIẾN NGHỊ............................................................................ 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 104
PHỤ ỤC................... ....................................................................................................... 106
3


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn này là do sự tìm hiểu
và nghiên cứu của bản thân. Các tài liệu tham khảo, mọi kết quả nghiên cứu của các
tác giả khác nếu có đều đƣ c trích dẫn nguồn gốc cụ thể.
uận văn này cho đến nay chƣa đƣ c bảo vệ tại b t kỳ một hội đồng bảo vệ luận
văn thạc sỹ nào và chƣa đƣ c công bố trên b t kỳ một phƣơng tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên đây.
Hà Nội, tháng 09 năm 2012
Học viên

Nguyễn Phú Dũng

4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

LỜI MỞ ĐẦU
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Cơ Khí - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Viện Đào tạo sau Đại học - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Nghiên
cứu Cơ khí – Bộ Công Thƣơng đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy GS. TSKH Bành Tiến Long
và TS. Bùi Ngọc Tuyên đã hƣớng dẫn tác giả thực hiện đề tài này.
uận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả r t mong nhận
đƣ c những

kiến đóng góp, bổ sung của các thầy giáo, cô giáo, bạn đọc và đồng

nghiệp để luận văn này đƣ c hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Tác giả đề tài

Nguyễn Phú Dũng

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CMM: Coordinate Measuring Machine ( áy đo toạ độ 3 chiều).
C D: Computer ided Design (Thiết kế với tr giúp của máy tính).
CAM: Computer Aided Manufacturing (Sản xu t có tr giúp của máy tính).
CNC: Computer Numerical Control (Điều khiển số bằng máy tính).
EDM: Electric Discharge Machining (Gia công tia l a điện).
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam.

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

DANH M C CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các kiểu đƣờng dụng cụ.
Bảng 5.1: Cô sin chỉ phƣơng của hệ tọa độ mới.
Bảng 5.2: Sai số prôfin bánh răng phay CNC.
Bảng 5.3: Sai số prôfin bánh răng cắt dây CNC.

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

DANH M C CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 . Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
Hình 1.2: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng và răng chữ V

Hình 1.3: Bộ truyền bánh răng côn
Hình 1.4: Đƣờng thân khai
Hình 1.5: Sơ đồ ăn khớp của cặp bánh răng thân khai
Hình 1.6: Biên dạng răng
Hình 1.7: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng
Hình 1.8: Các bƣớc răng của bánh răng trụ răng nghiêng
Hình 1.9: Sơ đồ phay răng thẳng bằng dao phay đĩa mô đun và dao phay ngón
Hình 1.10: Phay răng thẳng trên máy phay vạn năng
Hình 1.11: Sơ đồ chuốt răng bánh răng thẳng
Hình 1.12: Sơ đồ phay lăn răng và dao phay lăn răng
Hình 1.13: Sơ đồ xọc bao hình
Hình 2.1:

ô hình ứng dụng

astercam ather

Hình 2.2:

ô hình ứng dụng

astercam

Hình 2.3:

ột số lệnh trong Mastercam Wire

Hình 2.4:

ô hình ứng dụng

astercam Wire

Hình 2.5:

ô hình ứng dụng

astercam Router

Hình 2.6:

enu Create và công cụ Surface trong menu Create

ill

Hình 2.7: Bề mặt lofted surfaces
Hình 2.8: Bề mặt Swept surfaces
Hình 2.9: Bề mặt Revolved surfaces
Hình 2.10:

enu nalyze

Hình 2.11:

enu Xform và menu Solids

Hình 2.12: Hộp thoại Extrude Chain
Hình 2.13: Hôp thoại Sweep chain
Hình 2.14 : Các thông số của dụng cụ
Hình 2.15:

ột số loại dụng cụ cắt thƣờng s dụng trong gia công bề mặt 3D
8


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Hình 2.16: Đƣờng dụng cụ gia công CONTOUR 2D
Hình 2.17: Đƣờng dụng cụ gia công 3D
Hình 2.18:

ột số kiểu đƣờng dụng cụ 2D

Hình 2.19: Hƣớng tiến dao một chiều và hai chiều
Hình 2.20: Bƣớc tiến ngang
Hình 2.21: Nguyên l gia công cắt dây
Hình 2.22: C u hình trục máy cắt dây

Hình 3.1: Sơ đồ tính các điểm trên đƣờng thân khai
Hình 3.2: Sơ đồ vẽ biên dạng răng thân khai
Hình 3.3:

ô tả chuyển động xoắn vít của một mặt helicoid

Hình 3.4:

inh họa mối quan hệ của 2 hệ trục tọa độ Oxyz và O1x1y1z1

Hình 3.5: Sơ đồ tính prôfin bánh răng thân khai răng nghiêng
Hình 3.6: Hộp thoại oad/Unload pplications
Hình 3.7: Giao diện hộp thoại chƣơng trình
Hình 3.8: Biên dạng bánh răng m10; Z17;   20o trong Autocad
Hình 3.9: Bản vẽ bánh răng 3D trong

astercam XII

Hình 3.10:

ô hình lƣới cặp bề mặt đối tiếp bánh răng trụ răng nghiêng

Hình 3.11:

ô hình Surface cặp bề mặt đối tiếp bánh răng trụ răng nghiêng

Hình 3.12:

ô hình bề mặt một rãnh răng

Hình 3.13:

ô hình bề mặt 17 rãnh răng

Hình 3.14:

ô hình 3D wireframe bánh răng nghiêng

Hình 3.15:

ô hình bánh răng sau khi tô bóng trong Mechanical Desktop

Hình 3.16:

ô hình bánh răng trụ thân khai răng nghiêng trong Solidworks

Hình 4.1: Sơ đồ gá đặt nguyên công 3
Hình 4.2: Sơ đồ định vị nguyên công 4
Hình 4.3: Biên dạng răng trong môi trƣờng

astercam

Hình 4.4: Hộp thoại Define tool- Machine Group 1
Hình 4.5: Hộp thoại Contour (2D)
Hình 4.6: Hộp thoại

achine Group Properties
9


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Hình 4.7: Mô hình đƣờng dụng cụ phay biên dạng răng
Hình 4.8: Hộp thoại Post processing
Hình 4.9:

ô phỏng quá trình phay bánh răng trụ thân khai

Hình 4.10: Dao phay ngón
Hình 4.11: Sơ đồ định vị khi phay răng
Hình 4.12: Chế độ cắt khi phay thô
Hình 4.13: Thực nghiệm phay biên dạng răng
Hình 4.14: Thẻ Wire Parameter-hộp thoại Contour
Hình 4.15: Thẻ Contour-hộp thoại Contour
Hình 4.16: Hộp thoại

achine Group Properties

Hình 4.17:

ô hình đƣờng dụng cụ cắt dây biên dạng răng

Hình 4.18:

ô phỏng quá trình cắt dây bánh răng trụ thân khai

Hình 4.19: Thực nghiệm cắt dây biên dạng răng
Hình 5.1: Sơ đồ đo đƣờng kính vòng chia
Hình 5.2: Sơ đồ đo khoảng pháp tuyến chung
Hình 5.3: Sơ đồ đo độ đảo hƣờng tâm vánh răng
Hình 5.4: Sơ đồ đo sai số prôfin răng.
Hình 5.5:

áy đo tọa độ C

Hình 5.6: Hệ tọa độ Đề các vuông góc
Hình 5.7: Xác định chiều dày răng trên vòng chia
Hình 5.8: Xác định bƣớc ăn khớp

Hình 5.9: Sơ đồ hệ trục tọa độ bánh răng cần đo
Hình 5.10: Thực nghiệm đo bánh răng trên máy đo tọa độ
Hình 5.11: Sơ đồ xác định  xi và  xi .

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong chế tạo máy, truyền động bánh răng chiếm một vị trí r t quan trọng, chúng
là những cơ c u đóng vai trò chủ yếu trong hầu hết các máy, có ảnh hƣởng trực tiếp
đến ch t lƣ ng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ của máy.
Bánh răng thƣờng đƣ c gia công trên các máy cắt răng chuyên d ng. Việc gia
công bánh răng trên các máy này đòi hỏi ngƣời th đứng máy phải kiến thức sâu về
l thuyết bánh răng, có khả năng tính toán các thông số hình học của bánh răng,
phân tích sơ đồ động của máy cắt răng và tính toán các thông số điều chỉnh máy.
Trong quá trình thiết kế, chế tạo bánh răng, nhiều khi chúng ta gặp phải những
bánh răng có mô đun hoặc góc áp lực phi tiêu chuẩn với số lƣ ng ít. Việc đầu tƣ
thiết bị và dụng cụ cắt chuyên dùng để gia công những bánh răng loại này nhìn
chung là không hiệu quả.
Hiện nay công nghệ CAD/CAM-CNC đang đƣ c nghiên cứu và ứng dụng khá
rộng rãi. Khá nhiều nhà máy, phân xƣởng cơ khí tại Việt Nam cũng đã đầu tƣ các
máy CNC. Đặc điểm gia công trên máy CNC đó là năng su t và độ chính xác cao,
rút ngắn đƣ c chu kỳ sản xu t.
công nghệ C D/C

ột v n đề đƣ c đặt ra đó là nếu ứng dụng đƣ c

-CNC vào lĩnh vực gia công bánh răng thì sẽ đem lại r t nhiều

l i ích:
- Thứ nh t: Ngƣời th đứng máy CNC hoàn toàn có thể lập trình gia công bánh
răng mà không cần tìm hiểu sâu về l thuyết bánh răng.
- Thứ hai: Với các bánh răng phi tiêu chuẩn và số lƣ ng ít, việc gia công trên
máy CNC sẽ có

nghĩa r t lớn về mặt kinh tế khi không cần đầu tƣ các thiết bị cũng

nhƣ dụng cụ chuyên d ng. Với các bánh răng có mô đun lớn chúng ta có thể tạo
phôi đúc định hình và gia công răng trên máy phay CNC; với các bánh răng mô đun
nhỏ ta lựa chọn phƣơng pháp cắt dây trên máy cắt dây CNC.
Thực tế có r t nhiều loại bánh răng, trong số đó bánh răng trụ thân khai là loại
bánh răng phổ biến nh t. Xu t phát từ yêu cầu tìm ra giải pháp công nghệ trong việc
chế tạo các bánh răng trụ thân khai phi tiêu chuẩn, tác giả đã lựa chọn đề tài:
11


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Cad/Cam trong thiết kế, chế tạo và kiểm tra bánh
răng trụ thân khai.”
2. Lịch sử nghiên cứu.
 Tình hình sản xu t, chế tạo bánh răng trong nƣớc.
Cơ khí là một lĩnh vực rộng lớn và phức tạp, có quan hệ mật thiết với nhiều lĩnh

vực khoa học kỹ thuật. Sự phát triển của ngành Cơ khí đóng vai trò nền tảng và có
ảnh hƣởng lớn đến sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng nhƣ các ngành công
nghiệp khác. Phát triển công nghiệp Cơ khí đòi hỏi vốn lớn, thời gian đầu tƣ dài, kỹ
thuật cao và đội ngũ lao động lành nghề.
Gia công bánh răng là một lĩnh vực cắt gọt kim loại phức tạp trong ngành cơ khí.
Hiện nay, tại nhiều nƣớc trên thế giới ngƣời ta đã xây dựng các nhà máy hoặc phân
xƣởng chuyên chế tạo bánh răng với trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao. Trong
khi đó công nghệ chế tạo bánh răng ở Việt Nam vẫn còn kém phát triển, năng su t
và ch t lƣ ng th p. Nhiều loại bánh răng trụ cỡ lớn, các loại bánh răng phức tạp nhƣ
bánh răng côn xoắn, các bánh răng yêu cầu độ chính xác cao thậm trí một số loại
bánh răng trụ răng nghiêng đều phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài.
Phần lớn các máy gia công bánh răng ở Việt Nam đều đã cũ, độ chính xác và
năng su t không cao. Hiện nay, tại một số nhà máy ngƣời ta đã đầu tƣ các trang thiết
bị để gia công các loại bánh răng cỡ lớn, các bánh răng đặc biệt tuy nhiên tính h p
tác, hỗ tr nhau giữa các nhà máy là r t th p.


ột số công trình nghiên cứu về bánh răng ở Việt Nam.
Bài báo khoa học: “Chương trình Autolisp tạo đường cong thân khai đường tròn

tích hợp vào Autocad” của tác giả Nguyễn Độ - Trƣờng Đại học Bách khoa Đà
Nẵng. Trong bài báo, tác giả đã trình bày chƣơng trình utolisp tạo đƣờng cong thân
khai của đƣờng tròn một cách tổng quát, nhanh, chính xác và theo hƣớng ngƣ c
hoặc c ng chiều kim đồng hồ ở vị trí góc bắt đầu vẽ và góc quay kết thúc của bán
kính đƣờng tròn cơ sở.
Bài báo khoa học: “Xây dựng chương trình Autolisp biểu diễn bánh răng Xicloid
2D, 3D thường dùng trong cơ khí.” của tác giả Nguyễn Độ- Trƣờng Đại học Bách
12

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

khoa Đà Nẵng. Bài báo xây dựng một chƣơng trình

utolisp tích h p vào autocad

nhằm biểu diễn bánh răng xicloid 2D và 3D. Biên dạng răng của bánh răng xicloid
dựa trên cơ sở các đƣờng cong epicycloid và hypocycloid – là các đƣờng cong tạo ra
bởi đƣờng tròn lần lƣ t lăn không trƣ t quanh bên ngoài và bên trong của đƣờng
tròn khác. Hiện nay bánh răng xicloid 2D và 3D đƣ c vẽ r t chậm và khó khăn theo
phƣơng pháp truyền thống. Chƣơng trình autolisp này giúp vẽ nhanh và chính xác
bánh răng xicloid.
Bài báo khoa học: “Thiết lập đoạn lượn chân răng có lợi cho việc gia công bánh
răng trên máy công cụ CNC” của tác giả Nguyễn Văn Tiến - Đại học Đà Nẵng. Bài
báo đã trình bày phƣơng pháp tính toán thiết lập cung tròn thay thế đoạn lƣ n chân
răng của bánh răng thân khai. Thực hiện thành công việc thay thế đoạn lƣ n chân
răng bằng một cung tròn sẽ tạo điều kiện thuận l i cho việc lập trình gia công bánh
răng trên máy công cụ CNC, rút ngắn đƣ c khá nhiều thời gian gia công và nâng cao
độ chính xác gia công cung lƣ n chân răng.
Các bài báo nêu trên có liên quan mật thiết tới quá trình định hƣớng nghiên cứu
của tác giả. Bài báo “Xây dựng chương trình Autolisp biểu diễn bánh răng Xicloid
2D, 3D thường dùng trong cơ khí” đã xây dựng đƣ c một chƣơng trình hoàn thiện
để vẽ bánh răng xiclôid. Tuy nhiên đây là loại bánh răng ít phổ biến. Bài báo
“Chương trình Autolisp tạo đường cong thân khai đường tròn tích hợp vào
Autocad” mới chỉ xây dựng đƣ c chƣơng trình vẽ đƣờng thân khai của đƣờng tròn.
Sau khi có đƣờng thân khai, ngƣời vẽ vẫn phải thực hiện hiện thêm nhiều thao tác vẽ
khác để hoàn thiện một bản vẽ biên dạng bánh răng trụ thân khai răng thẳng hoàn
chỉnh. Bài báo “Thiết lập đoạn lượn chân răng có lợi cho việc gia công bánh răng

trên máy công cụ CNC” đã trình bày phƣơng pháp thay thế đoạn lƣ n chân răng từ
một đƣờng cong phức tạp thành một cung tròn có sức bền tƣơng đƣơng, tạo điều
kiện thuận l i cho quá trình phay CNC.
Nối tiếp những công trình nghiên cứu nêu trên, tác giả đã tiến hành tìm hiểu ngôn
ngữ lập trình

utolisp và xây dựng một chƣơng trình vẽ biên dạng bánh răng trụ

thân khai một cách đầy đủ và hoàn thiện hơn.
13


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

3. Mục đích, đối tƣợng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn


ục đích
- Đƣa ra phải pháp hữu hiệu trong việc thiết kế chế tạo các bánh răng trụ thân

khai phi tiêu chuẩn.
- Khai thác, mở rộng khả năng công nghệ của các máy CNC.
 Đối tƣ ng nghiên cứu
- Nghiên cứu về bánh răng trụ thân khai.
- Nghiên cứu về công nghệ CAD/CAM-CNC.
 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu l thuyết bánh răng. Tìm hiểu các phƣơng pháp gia công bánh
răng truyền thống.

- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình

utolisp. S dụng ngôn ngữ lập trình

utolisp

để xây dựng chƣơng trình vẽ bánh răng trụ thân khai chạy trên nền utocad.
- Tìm hiểu công nghệ CAD/CAM-CNC, ứng dụng phần mềm Mastercam tạo
chƣơng trình NC gia công bánh răng trụ thân khai trên máy phay CNC và máy cắt
dây CNC.
- Xây dựng phƣơng pháp kiểm tra bánh răng trụ thân khai trên máy đo tọa độ
CMM.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
4.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận
Tìm hiểu các tài liệu, tổng h p và phân tích các công trình khoa học trong và
ngoài nƣớc có liên quan để làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài.
4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Xây dựng chƣơng trình tự động vẽ bánh răng trụ thân khai. S dụng phần mềm
Mastercam tạo chƣơng trình NC gia công bánh răng trụ thân khai răng thẳng bằng
phƣơng pháp phay và cắt dây CNC sau đó tiến hành gia công thực nghiệm kiểm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
5.1. Ý nghĩa khoa học

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Xây dựng đƣ c phƣơng pháp ứng dụng công nghệ Cad/Cam trong thiết kế, chế
tạo bánh răng trụ thân khai.
Xây dựng đƣ c phƣơng pháp ứng dụng máy đo tọa độ để kiểm tra sai số prôfin
của bánh răng thân khai.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Tạo chƣơng trình

utolisp giúp vẽ chính xác biên dạng của các bánh răng trụ

thân khai.
Chế tạo thành công bánh răng trụ thân khai răng thẳng trên máy phay và máy cắt
dây CNC. Đa dạng hoa các phƣơng pháp gia công bánh răng.
Nâng cao năng su t, giảm chi phí đối với việc thiết kế và gia công bánh răng trụ
thân khai trong một số trƣờng h p.
6. Bố cục của luận văn.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và các danh mục, tài liệu tham khảo, các
phụ lục của luận văn, nội dung của luận văn bao gồm 5 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về bánh răng
Chƣơng 2: Công nghệ Cad/Cam.
Chƣơng 3: Ứng dụng C D trong thiết kế bánh răng trụ thân khai.
Chƣơng 4: Ứng dụng C

trong chế tạo bánh răng trụ thân khai.

Chƣơng 5: Kiểm tra bánh răng trụ thân khai.

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÁNH RĂNG
1.1. Các khái niệm chung
1.1.1. Các loại bánh răng
Cơ c u bánh răng là một cơ c u khớp cao d ng để truyền chuyển động giữa hai
trục xác định nhờ sự ăn khớp trực tiếp giữa hai khâu có răng gọi là bánh răng.
Tùy theo hình dạng răng, phƣơng của răng so với đƣờng sinh, prôfin răng, ngƣời
ta chia bộ truyền bánh răng thành các loại sau đây:
Bộ truyền bánh răng trụ: Bánh răng là hình trụ tròn xoay, đƣờng sinh thẳng. Bộ
truyền bánh răng trụ có các loại:
-

Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: Phƣơng của răng tr ng với đƣờng sinh
của mặt trụ.

a)

b)

Hình 1.1 . Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
( a - Ăn khớp ngoài; b- Ăn khớp trong)
-

Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng: Phƣơng của răng nghiêng với đƣờng
sinh của mặt trụ một góc β.

16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Hình 1.2: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng và răng chữ V
-

Bộ truyền bánh răng răng chữ V: Bánh răng đƣ c tạo thành từ hai bánh răng
nghiêng có góc nghiêng bằng nhau nhƣng ngƣ c chiều nhau.

Bộ truyền bánh răng côn: Bánh răng có dạng hình nón cụt. Bao gồm các loại:
-

Bộ truyền bánh răng côn răng thẳng: Đƣờng răng thẳng tr ng với đƣờng sinh
của mặt nón chia.

-

Bộ truyền bánh răng côn răng nghiêng: Đƣờng răng thẳng, nằm nghiêng với
đƣờng sinh của mặt nón.

a)

b)
Hình 1.3: Bộ truyền bánh răng côn
( a- Răng thẳng; b – Răng cung tròn)

-

Bộ truyền bánh răng côn răng cung tròn: Đƣờng răng là một cung tròn.
17


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Bộ truyền bánh răng Nôvicov: Biên dạng răng là một phần của đƣờng tròn.
Bộ truyền bánh răng Xicloid: Biên dạng răng là một đoạn của đƣờng Xicloid.
Bộ truyền bánh răng thân khai: Biên dạng răng là một đoạn của đƣờng thân khai
của đƣờng tròn.
1.1.2. Đường thân khai.
1.1.2.1. Khái niệm đƣờng thân khai
Cho một đƣờng thẳng t lăn không trƣ t trên vòng tròn (O, r0). Khi đó quỹ đạo
của một điểm K b t kỳ nằm trên đƣờng thẳng t sẽ là một đƣờng thân khai. Vòng tròn
(O, r0) gọi là vòng tròn cơ sở của đƣờng thân khai.
1.1.2.2. Các tính ch t của đƣờng thân khai
- Đƣờng thân khai không có điểm nào nằm trong vòng tròn cơ sở.
- Pháp tuyến của đƣờng thân khai là tiếp tuyến của vòng tròn cơ sở.
- Tâm cong N của đƣờng thân khai tại điểm K nằm trên vòng tròn cơ sở và bán
kính cong NK có chiều dài bằng chiều dài cung N

o.

- Các đƣờng thân khai của c ng một vòng tròn cơ sở là các đƣờng cách đều và
có thể chồng khít lên nhau. Khoảng cách giữa hai đƣờng thân khai của c ng một
vòng tròn cơ sở trên pháp tuyến chung bằng chiều dài cung giữa gốc của chúng
trên vòng tròn cơ sở.
t

N



x

rx

x

O

Hình 1.4: Đường thân khai
18



ro

x

K

Mo


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

1.1.2.3. Phƣơng trình đƣờng thân khai
Ngƣời ta thƣờng d ng một hệ phƣơng trình tham số trong hệ tọa độ độc cực để
biểu diễn đƣờng thân khai.
qua điểm gốc

o

y n a đƣờng thẳng kẻ từ tâm O của vòng tròn cơ sở

của đƣờng thân khai làm trục tọa độ.

ột điểm K nào đó trên

đƣờng thân khai sẽ đƣ c xác định bằng hai tọa độ sau:
Bán kính véc tơ rx = OK
^

Góc tọa độ  x  KOM o
Từ K kẻ đƣờng tiếp xúc với vòng cơ sở tại N. Đặt NOK =  x . Góc  x gọi là góc
áp lực của đƣờng thân khai tại K.
Phƣơng trình của đƣờng thân khai dƣới dạng tham số là:
 x  tg x   x

ro

r

x

cos x



Góc  x gọi là hàm thân khai  x , k hiệu là inv  x .
1.1.3. Các thông số cơ bản của bộ truyền bánh răng
Trên hình 1.5 trình bày sơ đồ hai bánh răng tiêu chuẩn 1 và 2 ăn khớp với nhau.
Trong quá trình ăn khớp, các đƣờng tròn dw1 và dw2 lăn không trƣ t trên nhau và
đƣ c gọi là các đƣờng lăn. Điểm tiếp xúc giữa hai đƣờng tròn lăn gọi là tâm ăn khớp
P. Với bánh răng tiêu chuẩn (không dịch chỉnh) thì đƣờng lăn và đƣờng chia tr ng
nhau.
Đƣờng kính vòng chia d = m.Z.
Đƣờng kính vòng đỉnh của hai bánh răng lần lƣ t là da1 và da2.
d a  d  2 f 0 .m . Trong đó f 0 là hệ số chiều cao đỉnh răng. Thông thƣờng f0 = 1.

Đƣờng kính vòng chân của hai bánh răng lần lƣ t là df1 và df2.
d f  d  2 f ' .m . Trong đó f ' là hệ số chiều cao chân răng. Thông thƣờng f ' = 1,25.

Các vòng tròn db1 và db2 đƣ c làm cơ sở để tạo lên đƣờng prôfin thân khai của
bánh răng 1 và bánh răng 2. Chúng đƣ c gọi là vòng tròn cơ sở. Đƣờng thẳng tiếp
tuyến chung với hai vòng tròn cơ sở gọi là đƣờng ăn khớp. Góc tạo bởi đƣờng ăn
19


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

khớp và đƣờng thẳng vuông góc với đƣờng nối tâm hai bánh răng đƣ c gọi là góc ăn
khớp  .

Hình 1.5: Sơ đồ ăn khớp của cặp bánh răng thân khai

Hình 1.6: Biên dạng răng
1.1.4. Dịch chỉnh sự ăn khớp
Dịch chỉnh sự ăn khớp là s a lại sự ăn khớp làm cho những kích thƣớc ăn khớp
khác đi so với bình thƣờng. Nhờ dịch chỉnh mà ta có thể:
- Kh đƣ c sự cắt chân răng, xu t hiện khi cắt gọt bằng phƣơng pháp cắt lăn
những bánh răng không dịch chỉnh với số răng nhỏ.
- Tăng chiều dày chân răng và do đó tăng độ bền của răng.

20


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

- Cân bằng các trị số áp lực riêng và trƣ t riêng trong các bánh răng có số răng
nhỏ, do đó độ mòn của chúng sẽ đồng đều hơn trên cả dạng răng.
- Thích ứng trong khoảng cách tâm cho trƣớc khi nó không thỏa mãn hệ thức
A

m( Z1  Z 2 )
. Trong đó cho trƣớc Z1, Z2 và m.
2

Có hai phƣơng pháp dich chỉnh ăn khớp:
Dịch chỉnh chiều cao, theo tiêu chuẩn Đức gọi là dịch chỉnh V-0. Theo phƣơng
pháp này thì sự ăn khớp đƣ c dịch chỉnh về chiều cao. Cặp bánh răng dịch chỉnh về
chiều cao có những đặc điểm sau:
- Khoảng cách tâm

giữ nguyên không thay đổi. A 

m( Z1  Z 2 )
2

- Góc ăn khớp giữ nguyên không thay đổi.    0
- Vòng lăn của bánh răng tr ng với vòng chia. d = d0.
- Đƣờng kính vòng đỉnh răng de và vòng chân răng di đều khác với qui chuẩn
do đó chiều cao đầu răng và chân răng cũng thay đổi.
- Chiều cao của toàn bộ răng h giữ nguyên không thay đổi.
- Hệ số dịch dao  1 và  2 bằng nhau về giá trị nhƣng ngƣ c d u nhau. Bánh
răng nhỏ có hệ số dịch dao dƣơng còn bánh răng lớn có hệ só dịch dao âm.
1   2 .

Dịch chỉnh góc, gọi là dịch chỉnh V. Sự ăn khớp đƣ c dịch chỉnh về góc. Trong
cặp bánh răng dịch chỉnh góc, vòng chia do sự dịch dao không tiếp xúc với đƣờng
trung bình dạng sinh của thanh răng. Cặp bánh răng dịch chỉnh dóc có những đặc
điểm sau:
- Khoảng cách tâm khác với khoảng cách tâm quy chuẩn Av  A 

m( Z1  Z 2 )
.
2

- Góc ăn khớp của cặp bánh răng khác với góc dạng sinh của dao cắt.    0 .
- Vòng chia của cặp bánh răng không tiếp xúc với nhau và không tr ng với
vòng lăn. d  d 0 .

21

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

- Đƣờng kính vòng đỉnh răng d e, vòng chân răng d i, chiều cao đầu răng h ’ và
chiều cao chân răng h’’ đều khác với quy chuẩn.
1.1.5. Các hệ bánh răng.
Hệ mô đun: à hệ đƣ c d ng trong các nƣớc theo hệ mét. Đơn vị chiều dài trong
hệ mô đun là minimet. Trong hệ này, tỉ số của theo vòng chia trên  đƣ c tiêu
chuẩn hóa. Tỷ số đó gọi là mô đun và bằng m 

t



(mm).

Hệ pit: à hệ đƣ c d ng trong các nƣớc theo hệ put. Đơn vị chiều dài trong hệ pit
là put. Trong hệ này tỉ số của  trên bƣớc của vòng chia đƣ c qui chuẩn hóa và
bƣớc của vòng chia tính bằng put. Có những hệ pit khác nhau sau đây t y theo bƣớc
đƣ c chọn làm cơ sở trong hệ:
- Hệ pit đƣờng kính (p): à tỉ số giữa số răng của bánh răng trên đƣờng kính
vòng chia tính bằng put. p 

Z
.
d0

- Hệ pit vòng (P): à bƣớc giữa các răng trên vòng chia tính bằng put. Hệ pit
vòng đƣ c s dụng cho những bánh răng cỡ lớn có răng to.
- Hệ pit dây cung: à bƣớc giữa hai răng do trên dây cung của vòng chia giữa
hai răng kế tiếp và đƣ c tính bằng put.
Hệ mô đun kép và hệ pít kép: Để giảm số răng tối thiểu Z min đảm bảo bánh răng
không bị cắt chân răng, ngƣời ta dùng những hệ ăn khớp 200,, trong đó đối với mỗi
mô đun và pít có sự liên quan đặc biệt của kích thƣớc răng theo chiều cao răng.
Trong những hệ đó, các kích thƣớc của răng đƣ c xác định bằng hai mô đun cho
trong bản vẽ dƣới dạng phân số .

ô đun trên t số m1 là tỷ số của bƣớc trên vòng

chia (mm) chia cho  , d ng để tính vòng chia (d = m1.Z) và chiều dày răng.
dƣới mẫu số m2 d ng để xác định kích thƣớc của răng theo chiều cao.
Chiều cao đầu răng ha  m2 ;
Chiều cao chân răng hi  m2  c . Trong đó c là khe hở hƣớng tâm.
Chiều cao của toàn bộ răng h = ha  hi = 2m2 + c.

22

ô đun


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

1.1.6. Các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng trụ răng thẳng.
ô đun: à thông số cơ bản về kích thƣớc của bánh răng thân khai. T t cả các
kích thƣớc của bánh răng đều đƣ c tính theo mô đun.

bƣớc răng (mm).

ô đun m 

t



. Trong đó t là

ô đun đƣ c tiêu chuẩn hóa để giảm bớt số lƣ ng dao cắt bánh

răng. Với bánh răng nghiêng mô đun tiêu chuẩn là mô đun pháp mn, với bánh răng
côn răng thẳng là mô đun mặt mút lớn mte, với bánh răng côn răng không thẳng là
mô đun pháp trung bình mnm.
Số răng của bánh răng, k hiệu là Z.
Góc áp lực trên vòng chia:
r0  r. cos 

à thông số cơ bản về biên dạng răng. Ta có

1
mz cos . Do đó những bánh
2

răng có c ng số răng Z, nếu đƣ c cắt bằng
những dao có c ng một mô đun nhƣng góc áp
lực khác nhau, sẽ có bán kính vòng cơ sở khác
nhau và ví thế sẽ có biên dạng thân khai khác
nhau.

Khoảng dịch dao  - hệ số dịch dao x: Trong
quá trình tạo hình bánh răng thân khai bằng
phƣơng pháp bao hình, đƣờng trung bình của

Hình 1.7:Bộ truyền bánh răng
trụ răng nghiêng

thanh răng sinh không nh t thiết phải tr ng
với đƣờng chia. Khoảng cách giữa đƣờng
trung bình và đƣờng chia gọi là khoảng dịch
dao  . Hệ số x 


m

gọi là hệ số dịch dao.

1.1.7. Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng
Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng có
một bộ thông số tƣơng tự nhƣ bộ truyền bánh
răng trụ răng thẳng, đƣ c tính trên mặt đầu của

Hình 1.8: Các bước răng của

bánh răng.

bánh răng trụ răng nghiêng

ột số thông số đƣ c xác định trên
23

răng trụ răng nghiêng


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

mặt phẳng pháp tuyến n-n, vuông góc với phƣơng của răng.
Gọi  là góc nghiêng của răng trên mặt trụ chia, ta có:
Bƣớc ngang pt: Là bƣớc đo trong tiết diện vuông góc với trục bánh răng,
Bƣớc pháp pn: Là bƣớc đo trong tiết diện vuông góc với phƣơng của răng,
Mô đun ngang mt: Là môđun đo trong tiết diện vuông góc với trục bánh răng.
Mô đun pháp mn: Là môđun đo trong tiết diện vuông góc với phƣơng của răng
Góc nghiêng của răng trên mặt trụ cơ sở là  0 . Ta có tg 
Ta có quan hệ: pn = pt cos ; mn =

pn





pt . cos 



tg 0
.
cos

 mt cos

Đối với bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng, mô đun mn đƣ c tiêu chuẩn hóa.
1.2. Các phƣơng pháp gia công bánh răng trụ.
1.2.1. Phương pháp định hình
Phƣơng pháp định hình là phƣơng pháp cắt răng mà dụng cụ cắt có biên dạng lƣỡi
cắt là rãnh răng. Quá trình cắt răng không liên tục, khi cắt thì cắt từng rãnh răng một,
sau đó phân độ để gia công tiếp rãnh răng khác.
1.2.1.1. Phay định hình
Phay răng bằng phƣơng pháp định hình đƣ c tiến hành bằng dao phay định hình
mà prôfin của nó ph h p với prôfin của rãnh răng.
Đối với răng thẳng dao phay định hình d ng để gia công bánh răng là dao phay
đĩa mô đun hoặc dao phay ngón mô đun . Theo phƣơng pháp này thì dụng cụ cắt có
prôfin giống nhƣ prôfin của rãnh răng đƣ c gia công. Ta tiến hành cắt từng rãnh
360 o
răng, sau đó phân độ đi một góc
(Z là số răng).
Z

24


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NĂM 2012

Hình 1.9: Sơ đồ phay răng thẳng bằng dao phay đĩa mô đun và dao phay ngón
Phƣơng pháp này đƣ c thực hiện trên các máy phay vạn năng có trang bị đầu chia
độ. Khi gia công, phôi đƣ c gá trên đầu chia độ, đầu chia độ đƣ c đặt trên bàn máy

và đƣ c điều chỉnh ở độ cao sao cho rãnh răng có chiều sâu theo yêu cầu.
Khi phay bánh răng trụ răng nghiêng, việc gá dao và chi tiết cũng nhƣ phân độ để
cắt hết các răng giống nhƣ với răng thẳng, chỉ khác một điều là phải quay bàn máy
đi một góc ph h p với góc nghiêng của răng. Để tạo đƣ c răng nghiêng cần thực
hiện đồng bộ chạy dao của bàn máy và chuyển động quay của đầu phân độ bằng
cách nối trục vít me bàn máy thông qua bộ bánh răng thay thế với trục truyền động
của đầu phân độ.
Đặc điểm của phay đinh hình:
- Đạt độ chính xác th p (c p 7, 8), khó khăn trong việc điều chỉnh chính xác vị
trí tƣơng đối giữa dao và vật, năng su t th p.
- Thƣờng là sản xu t bánh răng cho bộ truyền tốc độ th p. Trong sản xu t hàng
loạt lớn và hàng khối, đối với những bánh răng có môđun lớn, phƣơng pháp này
chỉ d ng để gia công phá.
- Dao phải có biên dạng rãnh răng, tuy nhiên rãnh răng lại thay đổi theo mô
đun và số răng. Do vậy, để đảm bảo tính kinh tế, dao phay định hình đƣ c sản xu t
theo bộ 8, 15 hoặc 26 con với c ng mô đun và góc ăn khớp.

ỗi dao d ng để cắt

một loại bánh răng trong phạm vi số răng nh t định và có biên dạng răng gần đúng.
- Ƣu điểm của phƣơng pháp này là nguyên l đơn giản, việc cắt răng đƣ c thực
hiện trên máy vạn năng.

25