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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE
RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI KHI PHAY
LĂN RĂNG BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ ĐẢO HƯỚNG KÍNH
VÀ DÙNG DẦU BÔI TRƠN LÀM MÁT CÓ HẠT NANO

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PROFILE
RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ THÂN KHAI KHI PHAY
LĂN RĂNG BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ ĐẢO HƯỚNG KÍNH
VÀ DÙNG DẦU BÔI TRƠN LÀM MÁT CÓ HẠT NANO
Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

PGS.TS Hoàng Vị

Hà Nội – 2018


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

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Người hướng dẫn
Khoa học 1

PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Người hướng dẫn
Khoa học 2

PGS.TS Hoàng Vị

i

Nghiên cứu sinh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................. i
MỤC LỤC .......................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................ viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................ viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 1
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2
2.1 Mục đích ....................................................................................................................... 2
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................ 2
6. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................... 3
7. Bố cục của luận án .......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT RĂNG CỦA BÁNH
RĂNG TRỤ THÂN KHAI BẰNG PHAY LĂN RĂNG .................. 4
1.1 Sơ lược về quá trình phay lăn răng ............................................................................... 4
1.1.1 Sự hình thành biên dạng răng khi gia công bằng dao phay trục vít ...................... 4
1.1.2 Lực cắt khi phay lăn răng ...................................................................................... 5
1.1.3 Nhiệt cắt khi phay lăn răng ................................................................................... 6
1.2 Dao phay lăn răng ......................................................................................................... 7
1.2.1 Cấu tạo dao phay lăn răng ..................................................................................... 7
1.2.2 Độ chính xác dao phay lăn răng ............................................................................ 8
1.2.3 Mòn dao phay lăn răng ........................................................................................ 10
1.3 Máy phay lăn răng ...................................................................................................... 13
1.3.1 Cấu tạo máy phay lăn răng .................................................................................. 13
1.3.2 Độ chính xác máy phay lăn răng ......................................................................... 13
1.4 Sai số profile răng của bánh răng trụ .......................................................................... 16
1.4.1 Sơ lược về độ chính xác của bánh răng trụ ......................................................... 16
1.4.2 Sai số profile răng ............................................................................................... 16
1.4.3 Đo sai số profile răng của bánh răng trụ ............................................................. 18

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


1.4.3.2 Một số phương pháp đo sai số profile răng ...................................................... 19
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về quá trình phay lăn răng ............. 22
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................... 22
1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................................... 23
1.6. Khảo sát độ chính xác profile răng của bánh răng khi phay lăn răng trong điều kiện
Việt Nam ............................................................................................................... 26
1.6.1 Mục đích khảo sát ............................................................................................... 26
1.6.2 Đối tượng khảo sát .............................................................................................. 26
1.6.3 Điều kiện khảo sát ............................................................................................... 27
1.6.4 Kết quả và thảo luận ............................................................................................ 28
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ................................................................................................. 31
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ
CHÍNH XÁC PROFILE RĂNG ................................................ 31
2.1 Cơ sở xác định sai số profile răng của bánh răng khi gia công .................................. 32
2.2 Một số thông số ảnh hưởng tới sai số profile răng khi phay lăn răng......................... 35
2.2.1 Ảnh hưởng của độ chính xác dao phay lăn răng .................................................. 35
2.2.2 Ảnh hưởng của sai số gá đặt dao phay lăn răng ................................................... 36
2.2.3 Ảnh hưởng của điều kiện cắt tới sai số profile răng ............................................. 38
2.2.4 Ảnh hưởng của chế độ bôi trơn làm mát tới sai số profile răng ........................... 40
2.3 Nghiên cứu phương pháp giảm sai số profile răng dạng nhấp nhô bề mặt ................. 42
2.3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 42
2.3.2 Điều kiện và tiến trình khảo sát........................................................................... 43
2.3.3 Xử lý kết quả và thảo luận .................................................................................. 43
2.4 Nghiên cứu phương pháp giảm sai số profile răng dạng song hình sin của bánh răng
sau khi phay lăn răng ............................................................................................. 51
2.4.1 Cơ sở lý thuyết ......................................................................................................... 51

2.4.2 Thí nghiệm kiểm chứng ........................................................................................... 53
2.4.2.1 Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................... 53
2.4.2.2 Phương pháp điều chỉnh ................................................................................... 54
2.4.3 Kết quả và thảo luận ............................................................................................ 56
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................................................. 60
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ
TỐI ƯU CỦA DẦU CÔNG NGHIỆP CÓ TRỘN BỘT NANO ..... 61
3.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................... 61
iii


3.2. Hệ thống thí nghiệm ................................................................................................. 61
3.3 Thiết kế thí nghiệm Taguchi ...................................................................................... 69
3.4 Tối ưu hóa nhiều mục tiêu sử dụng Fuzzy logic kết hợp với phương pháp Taguchi . 96
3.4.1 Chuẩn hóa dữ liệu đầu vào .................................................................................. 97
3.4.2 Thiết lập hàm mờ và các quy luật mờ ................................................................. 98
3.4.3 Kết quả và thảo luận .......................................................................................... 102
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................... 103
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN
CỨU VÀO QUÁ TRÌNH PHAY LĂN RĂNG TRONG THỰC TẾ
SẢN XUẤT ............................................................................ 104
4.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 105
4.2 Điều kiện thực nghiệm và chỉ tiêu đánh giá ............................................................. 105
4.2.1 Điều kiện thực nghiệm ...................................................................................... 105
4.2.2 Chỉ tiêu đánh giá ............................................................................................... 106
4.3 Kết quả thử nghiệm và thảo luận .............................................................................. 106
4.3.1 Sai số profile răng của bánh răng ...................................................................... 106
4.3.2 Mòn dụng cụ cắt ................................................................................................ 111
4.3.3 Topography bề mặt ........................................................................................... 114
4.3.4. Đánh giá sự xâm nhập bột vào bề mặt phôi và dao.......................................... 114

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................................................... 115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 119

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
fα

Sai số profile tổng

ffα

Sai số dạng profile

fHα

Độ lệch của profile răng

rb

Bán kính vòng tròn cơ sở

Z

Số răng của bánh răng

m

Mô dul của bánh răng

P

Bước của thanh răng sinh

e2, e1

Độ đảo hướng kính của trục dao PLR

Ek

là vị trí điểm Pk theo phương dọc trục dao

Rk

bán kính của điểm tạo hình Pk trên răng cắt thứ k

θi

Góc xoay của điểm Pk so với vị trí đường tâm tạo hình

φ

góc xoay của trục dao

α

góc áp lực của bánh răng cần gia công

Sh

chiều dày răng đo trên đường chia

A

Sai lệch lớn nhất của bước giữa các răng dao phay lăn răng (µm)

Ψ

Góc lệch của tâm tạo hình so với vị trí sai lệch lớn nhất

ε1 , ε2

Góc lệch của vecto độ đảo so với đường tâm bao hình

∆R k

Sai lệch bán kính của điểm Pk

∆k

Độ đảo của trục dao tại vị trí răng cắt thứ k

εk

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

Smax

Chiều dày phoi lớn nhất

v


lmax

Chiều dài phoi lớn nhất

Zf

Số răng của bánh răng gia công

β

Góc xoắn của bánh răng

d0

Đường kính ngoài của dao

N

Số rãnh thoát phoi

f

Lượng chạy dao vòng

t

Chiều sâu cắt

θ

Góc chắn cung phoi có chiều dài L

μ

hệ số ma sát

F

Hệ số Fisher

Fy

Lực cắt theo phương y

Fz

Lực cắt theo phương z

Ra

Độ nhám bề mặt

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLGC

Vật liệu gia công

VLDCC

Vật liệu dụng cụ cắt

ISO

Tiêu chuẩn ISO

SCM420

Thép hợp kim crom và molipden

Al2O3

Oxit nhôm

PLR

Phay lăn răng

DCC

Dụng cụ cắt

FUTU1

Công ty cổ phần máy và phụ
tùng số 1, TP Sông Công

CNC

Computer numerical control

Điều khiển số bằng máy tính

ANOVA

Analysis of variance

Phân tích phương sai

S/N

Signal-to-Noise ratio

Tỷ số tín hiệu nhiễu

DOF

Degrees of freedom

Bậc tự do

Adj SS

The adjusted sum of squares

tổng bình phương điều chỉnh

Seq SS

Sequential sums of squares

tổng bình phương liên tiếp

Adj MS

Adjusted mean squares

bình phương trung bình điều
chỉnh

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1 Thông số kỹ thuật của dao PLR (Dragon, Inc.) .................................................. 27
Bảng 1. 2 Chế độ công nghệ của quá trình phay lăn răng .................................................. 28
Bảng 1. 3 Sai số profile răng trong thí nghiệm khảo sát (µm) ............................................ 28
Bảng 2. 1 Lượng mòn mặt sau và kết quả phân tích hồi quy .............................................. 51
Bảng 2. 2 Thông số cơ bản của dao PLR -05 ...................................................................... 54
Bảng 2. 3 Độ đảo hướng kính của trục dao PLR khi gia công trên máy PLR CNC GE15A. ........ 56
Bảng 2. 4 Độ đảo hướng kính của trục dao PLR khi gia công trên máy PLR YBS3120..... 56

Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của dao phay phay lăn răng dùng trong thí nghiệm.............. 62
Bảng 3. 2 Kích thước phoi lớn nhất khi phay lăn răng và chế độ cắt khi phay bằng dao
phay đơn lưỡi cắt ................................................................................................................. 66
Bảng 3. 3 Kết quả đo độ nhớt (cSt) ở 400C của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al2O3 67
Bảng 3. 4 Kết quả đo độ dẫn nhiệt (W.m/K) của dầu công nghiệp khi trộn bột nano Al2O3
............................................................................................................................................. 69
Bảng 3. 5 Các thông số khảo sát và mức giá trị tương ứng ................................................ 70
Bảng 3. 6 Bậc tự do của ma trận thí nghiệm ....................................................................... 70
Bảng 3. 7 Thiết kế thí nghiệm L18[]
Bảng 3. 8 Ma trận thí nghiệm ............................. 71
Bảng 3. 9 Giá trị lực cắt, nhiệt độ cắt, độ nhám và tỷ số S/N tương ứng............................ 78
Bảng 3. 10 Phân tích ANOVA cho giá trị lực cắt tổng R .................................................... 79
Bảng 3. 11 Giá trị trung bình của lực cắt R và mức độ ảnh hưởng của các thông số tới giá
trị lực cắt R .......................................................................................................................... 79
Bảng 3. 12 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị S/N của lực cắt R ............................ 82
Bảng 3. 13 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N..................... 82
Bảng 3. 14 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số Fz/Fy ................................................. 84
Bảng 3. 15 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ sỗ Fz/Fy ........................................ 84
Bảng 3. 16 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của Fz/Fy ............ 86
Bảng 3. 17 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của tỷ lệ Fz/Fy
............................................................................................................................................. 86
Bảng 3. 18 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị nhiệt độ cắt T .................................. 88
Bảng 3. 19 Mức độ ảnh hưởng của các thông số khảo sát tới giá trị nhiệt độ cắt.............. 88
Bảng 3. 20 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T ............ 90
Bảng 3. 21 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T ... 90
Bảng 3. 22 Phân tích phương sai ANOVA cho giá trị độ nhám trung bình ........................ 92
Bảng 3. 23 Mức ảnh hưởng của các thông số tới giá trị độ nhám trung bình .................... 92
Bảng 3. 24 Phân tích phương sai ANOVA cho tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của độ nhám Ra .. 94
Bảng 3. 25 Mức độ ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị độ nhám ........... 94
Bảng 3. 26 Dữ liệu chuẩn hóa cho các tỷ số S/N ................................................................ 97

Bảng 3. 27 Quy luật mờ ..................................................................................................... 100
Bảng 3. 28 Hệ số mờ và xếp hạng ảnh hưởng của các bộ thông số thí nghiệm ................ 102
Bảng 4. 1 Chế độ công nghệ trong thí nghiệm đánh giá ................................................... 105
Bảng 4. 2 Sai số profile lớn nhất trong 03 thí nghiệm đánh giá ....................................... 108

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Quá trình phay lăn răng ........................................................................................ 4
Hình 1. 2 Sơ đồ tính toán lực cắt khi phay lăn răng [23] ..................................................... 5
Hình 1. 3 Sơ đồ phân bố nhiệt trong vùng tạo phoi [32] ...................................................... 6
Hình 1. 4 Dao phay lăn răng ................................................................................................. 8
Hình 1. 5 Độ đảo hướng kính của dao phay lăn răng ........................................................... 8
Hình 1. 6 Độ thẳng mặt trước dao phay lăn răng ................................................................. 9
Hình 1. 7 Sơ đồ xác định sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng ............................... 9
Hình 1. 8 Sai số bước dọc của đường xoắn vít: Sai lệch hai răng cắt liền kề (a), Sai
lệch lớn nhất trong một bước chiều trục (b), Sai lệch lớn nhất trong ba
bước chiều trục ................................................................................................. 10
Hình 1. 9 Sai số chiều dày răng cắt của đao phay lăn răng ............................................... 10
Hình 1. 10 Các dạng mòn lưỡi cắt dao phay lăn răng ........................................................ 12
Hình 1. 11 Cấu trúc máy phay lăn răng(1.Thân máy, 2. Ụ đứng, 3. Ụ đứng phụ, 4.
Dẫn hướng ụ chống tâm, 5. Ụ chống tâm, 6 Trục gá phôi, 7. Dẫn hướng
chạy dao đứng, 8. Bàn dao, 9. Dẫn hướng chạy dao tiếp tuyến, 10. Cụm
trục chính .......................................................................................................... 13
Hình 1. 12 Sơ đồ kiểm tra độ đảo của trục gá phôi ............................................................ 14
Hình 1. 13 Sơ đồ kiểm tra độ đảo ổ trục chính máy ............................................................ 14
Hình 1. 14 Sơ đồ kiểm tra độ thẳng của băng máy chạy dao đứng..................................... 15
Hình 1. 15 Sơ đồ kiểm tra độ chính xác động học ............................................................... 15
Hình 1. 16 Sai số profile tổng cộng ..................................................................................... 17

Hình 1. 17 Sai số dạng profile ............................................................................................. 17
Hình 1. 18 Sai số góc profile ............................................................................................... 18
Hình 1.19 Tọa độ của một điểm bất kì trên biên dạng răng của bánh răng trụ thân khai ....... 18
Hình 1. 20 Biên dạng răng của bánh răng thân khai .......................................................... 19
Hình 1. 21 Phương pháp đo profile dựa trên vòng tròn cơ sở ............................................ 20
Hình 1. 22 Phương pháp đo profile sử dụng bộ khuếch đại dịch chuyển ........................... 20
Hình 1. 23 Phương pháp đo sai lệch profile sử dụng đầu dò linh hoạt .............................. 21
Hình 1. 24 Sơ đồ phân tích lượng dịch chuyển của đầu dò................................................. 21
Hình 1. 25 Máy đo bánh răng chuyên dụng ........................................................................ 22
Hình 1.26 Bánh răng Z21, m1.75mm (nguồn FUTU1) ....................................................... 27
Hình 1. 27 Sơ đồ gia công răng trên máy YBS3120 ............................................................ 27
Hình 1. 28 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng trong mỗi lần
dịch dao ............................................................................................................ 29
Hình 1. 29 Sai số profile răng có dạng gợn sóng ................................................................ 29
Hình 1. 30 Sai số profile răng có xuất hiện vết lõm ............................................................ 30
Hình 1. 31 Sai số profile răng có dạng nhấp nhô liên tục ................................................... 30

Hình 2. 1 Quá trình phay bánh răng trụ răng thẳng bằng dao phay lăn răng ................... 32
Hình 2. 2 Vị trí của một điểm bất kỳ trên lưỡi cắt thứ k sau khi dao quay đi một góc θi.......... 34
Hình 2. 3 Sai lệch bước răng (hob lead error) của dao phay lăn răng............................... 35
Hình 2. 4 Sơ đồ đo độ đảo trục dao khi phay lăn răng ....................................................... 37
Hình 2. 5 Sai số vị trí tâm quay của một điểm trên răng cắt thứ k khi xuất hiện đảo ......... 37
Hình 2. 6 Sai số profile răng khi trục dao phay lăn răng bị đảo hướng kính [64] ............. 38
Hình 2. 7 Sai lệch cơ bản của profile răng và đường răng khi phay lăn răng.................... 40
Hình 2. 8 Phương pháp chạy dao truyền thống và chạy dao đường chéo .......................... 40
Hình 2. 9 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 5 sản phẩm .... 44
ix


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

Hình 2. 11 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 100 sản phẩm ............... 44
Hình 2. 12 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 200 sản phẩm ............... 45
Hình 2. 13 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 300 sản phẩm ............... 45
Hình 2. 14 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 400 sản phẩm ............... 45
Hình 2. 15 Ảnh chụp mặt sau răng cắt của dao PLR sau khi gia công được 500 sản phẩm ............... 46
Hình 2. 16 Lượng mòn mặt trước dao phay lăn răng khi sử dụng dầu công nghiệp VG46................. 47
Hình 2. 17 Lượng mòn mặt trước dao PLR khi sử dụng dầu VG46+0,3% Al2O3-80nm..... 47
Hình 2. 18 Sai số profile răng của bánh răng khi PLR sử dụng dầu công nghiệp VG46 ........... 48
Hình 2. 19 Sai số profile răng khi PLR sử dụng dầu VG46 + 0,3% Al2O3-80nm ............... 49
Hình 2. 20 Ảnh hưởng của mòn mặt sau răng cắt tới sai số profile răng của bánh
răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công nghiệp VG46 và dầu nano
0,3%Al2O3-80nm ............................................................................................. 50
Hình 2. 21 Quan hệ giữa lượng mòn mặt sau và sai số profile răng của bánh răng
sau khi gia công ................................................................................................ 50
Hình 2. 22 Một số trường hợp đảo trục dao khi phay lăn răng .......................................... 52
Hình 2. 23 Máy phay lăn răng YBS3120 (a), máy phay lăn răng CNC GE15 (b) .............. 54
Hình 2. 24 Sai số bước răng dao phay lăn răng (a), vị trí sai số bước răng lớn nhất (b) ........... 55
Hình 2. 25 Điều chỉnh độ đảo trục dao phay lăn răng........................................................ 55
Hình 2. 26 Sai số profule răng khi phay lăn răng trên máy GE15: a,; b, có điều chỉnh
vị trí đảo của trục dao với e2≈5 µm và e1≈5 µm............................................... 57
Hình 2. 27 Sai số profile răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo
của trục dao với e2≈10 µm và e1≈10 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo của
trục dao với e2≈10 µm và e1≈10 µm ................................................................. 57
Hình 2. 28 Sai số profile răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo
của trục dao với e2≈16 µm và e1≈16 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo của
trục dao với e2≈16 µm và e1≈16 µm ................................................................. 57
Hình 2. 29 Sai số profule răng khi PLR trên máy GE15, không điều chỉnh vị trí đảo
của trục dao với e2≈20µm và e1≈20 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với
e2≈20µm và e1≈20 µm....................................................................................... 58
Hình 2. 30 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí

đảo của trục dao với e2≈5µm và e1≈3µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với
e2≈5µm và e1≈3µm............................................................................................ 58
Hình 2. 31 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí
đảo của trục dao với e2≈10µm và e1≈5µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với
e2≈10µm và e1≈5 µm......................................................................................... 58
Hình 2. 32 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí
đảo của trục dao với e2≈16µm và e1≈5µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo với
e2≈16 µm và e1≈5µm......................................................................................... 58
Hình 2. 33 Sai số profile răng khi PLR trên máy YBS3120: a, không điều chỉnh vị trí
đảo của trục dao với e2≈20 µm và e1≈10 µm; b, có điều chỉnh vị trí đảo
của trục dao với e2≈20 µm và e1≈10 µm .......................................................... 59

Hình 3. 1 Mô hình thí nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt ........................................... 62
Hình 3. 2 Dao phay có một răng cắt ................................................................................... 62
Hình 3. 3 Bộ thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt ................................................................. 63
Hình 3. 4 Cảm biến lực kisler 9257BA ................................................................................ 63
Hình 3.5 Chiều dày phoi lớn nhất khi phay lăn răng .......................................................... 64
Hình 3. 6 Kích thước phoi khi phay bằng dao phay một răng ............................................ 65

x


Hình 3. 7 Máy khuấy dung dịch........................................................................................... 66
Hình 3. 8 Thiết bị đo độ nhớt TV250, xuất xứ Hà lan ......................................................... 67
Hình 3. 9 Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 20nm với các tỷ lệ bột khác nhau .............. 67
Hình 3. 10 Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 80nm với các tỷ lệ bột khác nhau ............ 68
Hình 3. 11 Quan sát lắng đọng bột nano Al2O3 135nm với các tỷ lệ bột khác nhau .......... 68
Hình 3. 12 Sơ đồ phân tích lực cắt ...................................................................................... 72
Hình 3. 13 Sơ đồ đo độ nhám .............................................................................................. 73
Hình 3. 14 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu lực cắt tổng R ............................................... 76

Hình 3. 15 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu tỷ lệ lực cắt ................................................... 76
Hình 3. 16 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu nhiệt độ cắt T ................................................ 77
Hình 3. 17 Đánh giá độ sai lệch của dữ liệu độ nhám bề mặt Ra ....................................... 77
Hình 3. 18 Ảnh hưởng của các thông số tới lực cắt R ......................................................... 80
Hình 3. 19 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới giá trị lực cắt R ............................. 81
Hình 3. 20 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số S/N của các giá trị lực cắt R ................. 83
Hình 3. 21 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của lực cắt R .................. 83
Hình 3. 22 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới tỷ lệ lực cắt Fz/Fy ............................ 85
Hình 3. 23 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số lực cắt Fz/Fy ......................... 85
Hình 3. 24 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của tỷ lệ Fz/Fy ......... 87
Hình 3. 25 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của Fz/Fy ....................... 87
Hình 3. 26 Ảnh hưởng của các thông số tới giá trị trung bình của nhiệt độ cắt T.............. 89
Hình 3. 27 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới giá trị nhiệt độ cắt trung bình ....... 89
Hình 3. 28 Ảnh hưởng của các thông số tới tỷ số tín hiệu nhiễu S/N của giá trị nhiệt độ cắt
T ........................................................................................................................................... 91
Hình 3. 29 Ảnh hưởng tương tác của các thông số tới tỷ số S/N của giá trị nhiệt độ cắt T 91
Hình 3. 30 Ảnh hưởng của các thông số khảo sát tới giá trị độ nhám trung bình .............. 93
Hình 3. 31 Ảnh hưởng tương tác giữa các thông số tới giá trị độ nhám trung bình ........... 93
Hình 3. 32 Ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới tỷ số S/N của Ra ............................... 95
Hình 3. 33 Ảnh hưởng tương tác giữa các thông số tới tỷ số S/N của Ra ........................... 95
Hình 3. 34 Sơ đồ mô tả thuật toán giải mờ với hai biến đầu vào và 2 quy luật mờ ............ 99
Hình 3. 35 Mô hình mờ với 4 thông số đầu vào và 1 thông số đầu ra .............................. 100
Hình 3. 36 Hàm thành viên của lực cắt (a), tỷ lệ lực cắt (b), nhiệt độ cắt (c), độ nhám bề
mặt (d) và thông số đầu ra FRTS ...................................................................................... 101
Hình 3. 37 Ảnh hưởng của các thông số tới hệ số mờ ....................................................... 103

Hình 4. 1 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu dầu
công nghiệp VG46 .......................................................................................... 106
Hình 4. 2 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công
nghiệp trộn 0.3% bột nano Al2O3 với kích thước 20nm ................................. 107

Hình 4. 3 Sai số profile răng của bánh răng sau khi phay lăn răng sử dụng dầu công
nghiệp trộn 0.5% bột nano Al2O3 với kích thước 20nm ................................. 108
Hình 4. 4 Biểu đồ sai số profile răng khi gia công sử dụng dung dịch bôi trơn làm
nguội khác nhau .............................................................................................. 109
Hình 4. 5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh
răng gia công được khi sử dụng dầu VG46 .................................................... 109
Hình 4. 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh
răng gia công được khi sử dụng dầu VG-0,3%-20nm .................................... 110
Hình 4. 7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa sai số profile răng lớn nhất và số bánh
răng gia công được khi sử dụng dầu VG-0,5%-20nm .................................... 110

xi


Hình 4. 8 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong
500 bánh răng sử dụng dầu công nghiệp thông thường ................................. 111
Hình 4. 9 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong
500 bánh răng sử dụng dầu nano (trộn 0.3% bột nano Al2O3 - 20nm) .......... 112
Hình 4. 10 Hình ảnh mặt trước của lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công xong
500 bánh răng sử dụng dầu nano (trộn 0.5% bột nano Al2O3 - 20nm) .......... 112
Hình 4. 11 Hình ảnh mặt sau lưỡi cắt dao phay lăn răng sau khi gia công 500 bánh
răng sử dụng các dung dịch làm mát khác nhau ............................................ 113
Hình 4. 12 Biểu đồ so sánh mòn dao khi phay lăn răng sử dụng các dầu bôi trơn
khác nhau ........................................................................................................ 113
Hình 4. 13 Ảnh chụp bề mặt răng của bánh răng thứ 500 khi phay lăn răng trong 3
trường hợp: Dầu công nghiệp (a),dầu trộn 0.3% Al2O3 20nm (b), dầu
trộn 0.5% Al2O3 20nm (c) ............................................................................... 114
Hình 4. 14 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp VG46............ 114
Hình 4. 15 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp ...................... 115
Hình 4. 16 Kết quả phân tích EDX sau khi PLR sử dụng dầu công nghiệp ...................... 115

xii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ truyền bánh răng trụ thân khai được sử dụng rất phổ biến trong mọi lĩnh vực
kinh tế, đặc biệt là trong các thiết bị công nghiệp. Chất lượng của truyền động bánh răng
phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của các bánh răng. Tăng độ chính xác của bánh răng sẽ
làm tăng hiệu suất truyền dẫn, giảm rung động và giảm tiếng ồn trong truyền dẫn. Một số
lượng lớn bánh răng sử dụng trong ngành cơ khí được chế tạo theo phương pháp phay lăn
răng, một phương pháp có năng suất cao và được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản
xuất, các nhà máy, doanh nghiệp trong và ngoài nước. Quá trình phay lăn răng là quá trình
gia công hiệu quả nhất đối với các bánh răng ăn khớp ngoài có độ chính xác trung bình
(cấp 8-10) khi sử dụng dao thép gió và đạt độ chính xác cấp 6-8 khi sử dụng dao phay hợp
kim cứng [2][4][61]. Đặc biệt, trong điều kiện sản xuất còn thiếu trang thiết bị, quá trình
phay lăn răng không thể thiếu trong các phân xưởng sản xuất bánh răng.
Quá trình phay lăn răng là một quá trình gia công sử dụng dao phay lăn răng với
các chuyển động tạo hình phức tạp, theo phương pháp bao hình. Độ chính xác của bánh
răng sau khi phay lăn răng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như độ chính xác của dao, độ chính
xác máy và độ chính xác gá đặt. Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm mục đích
nâng cao độ chính xác của bánh răng thân khai nói chung và nâng cao độ chính xác profile
răng của chúng. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu lý thuyết tạo hình biên dạng
răng [13][12], cải tiến thiết kế của dụng cụ cắt [15][16][17], nghiên cứu ứng dụng các loại
vật liệu dụng cụ cắt mới [21][18] hoặc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số hình học dụng
cụ cắt tới độ chính xác của bánh răng… Các nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của
phương pháp phay lăn răng và cho thấy sự cần thiết phải cải thiện độ chính xác của bánh
răng sau khi phay lăn răng.
Trong nước, công nghệ chế tạo bánh răng cũng được tiếp cận từ khá lâu tuy nhiên
quá trình phay lăn răng không quan tâm nhiều đến sai số profile răng của bánh răng sau khi

phay lăn răng, vì quá trình phay lăn răng là một quá trình tạo hình phức tạp và cũng do
không có đầy đủ trang thiết bị đo phục vụ nghiên cứu. Tuy nhiên, với sự phát triển của nền
sản xuất hiện đại, hướng tới nâng cao tỷ lệ nội địa hóa trong công nghiệp sản xuất xe máy
và ô tô, thì việc kiểm soát, nâng cao độ chính xác bánh răng nói chung và độ chính xác
profile răng nói riêng đã và đang là một nhu cầu thiết yếu của nhiều doanh nghiệp chế tạo
cơ khí tại Việt Nam. Vì vậy nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của bánh răng trụ thân
khai, tiếp cận với nền sản xuất hiện đại, tác giả tập trung nghiên cứu:
“Nghiên cứu nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng trụ thân khai khi
phay lăn răng bằng cách điều chỉnh độ đảo hướng kính và dùng dầu bôi trơn làm
mát có trộn bột nano”

1


2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1 Mục đích
Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố tới sai số profile răng của bánh răng sau khi
phay lăn răng và đưa ra một số giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác profile răng của
bánh răng.
2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Sai số profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng.
Phạm vi nghiên cứu:
Quá trình phay lăn răng bánh răng trụ bằng dao phay lăn răng thép gió có phủ TiN
trong điều kiện sản xuất ở Việt Nam.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết được sử dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới sai số
profile răng của bánh răng trụ khi phay lăn răng, từ đó đề xuất biện pháp giảm sai số.
- Phương pháp khảo sát thực nghiệm được sử dụng để phân tích tổng hợp các
dạng sai số profile răng thường xuất hiện trong điều kiện thực tế và kiểm nghiệm kết

quả nghiên cứu.
- Phương pháp quy hoạch thí nghiệm được sử dụng để xác định thành phần trộn dầu
nano hợp lý.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với phân tích, đánh giá, so sánh và
luận giải các hiện tượng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Đề tài làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố tới sai số profile răng của bánh răng khi phay
lăn răng. Xây dựng được công thức xác định lượng xê dịch vị trí của điểm tạo hình trên
răng cắt ra khỏi bề mặt thanh răng sinh khởi thủy, từ đó đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố
tới sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng.
Đề xuất được các biện pháp nâng cao độ chính xác profile răng của bánh răng: Xây
dựng được công thức xác định độ đảo hướng kính của trục dao và vị trí đảo phù hợp với sai
số bước răng của dao phay lăn răng để có thể giảm sai số profile dạng gợn sóng hình sin;
Giảm mòn dao phay lăn răng bằng cách sử dụng dầu nano (dầu có trộn bột nano), từ đó
giảm sai số profile răng dạng nhấp nhô bề mặt.
Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Taguchi đề nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
công nghệ tới lực cắt, điều kiện ma sát, nhiệt độ cắt và độ nhám bề mặt trên mô hình thí
nghiệm sử dụng dao phay một răng cắt. Đồng thời kết hợp với phương pháp tối ưu sử dụng
Fuzzy logic để xác định được điều kiện công nghệ tối ưu.

2


Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng để: dự đoán nguyên nhân gây ra
sai số profile răng của bánh răng khi phay lăn răng và đề xuất các biện pháp giảm sai số
profile răng; dự đoán sai số profile răng gia công được, từ đó xác định thời điểm mài lại
dao hợp lý.
Phương pháp bôi trơn làm mát bằng dầu có trộn bột nano (dầu nano) có thể áp dụng

vào quá trình phay lăn răng trong điều kiện sản xuất của Việt Nam
Dùng làm tài liệu tham khảo cho các cơ sở đào tạo và nghiên cứu.
6. Những đóng góp mới của luận án
Luận án có những đóng góp sau:
Phân tích, đánh giá và tổng hợp được các dạng sai số profile răng chủ yếu của bánh
răng trụ thân khai khi phay lăn răng trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam.
Đề xuất phương pháp giảm sai số profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay
lăn răng bằng cách giảm lượng sai lệch vị trí điểm tạo hình trên răng cắt ra khỏi bề mặt
thanh răng sinh khởi thủy. Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, luận án đã phân tích và
đưa ra hai giải pháp giảm sai số profile răng của bánh răng trụ thân khai khi phay lăn răng:
Thứ nhất là điều chỉnh độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng phù hợp với sai số
bước răng của dao phay lăn răng; Thứ hai là giảm mòn dao phay lăn răng bằng cách sử
dụng dầu bôi trơn làm mát có trộn bột nano Al2O3.
Ảnh hưởng của vận tốc cắt, cỡ hạt nano và nồng độ hạt nano trộn vào dầu bôi trơn
làm mát đến lực cắt, điều kiện ma sát, nhiệt độ cắt và độ nhám đã được nghiên cứu trên mô
hình thí nghiệm sử dụng dao phay một lưỡi cắt. Thông số cỡ hạt và nồng độ hạt nano
Al2O3 tối ưu trộn vào dầu bôi trơn làm mát đã được xác định bằng phương pháp tối ưu hóa
Fuzzy Logic kết hợp với quy hoạch thực nghiệm Taguchi.
Thử nghiệm giải pháp điều chỉnh độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng và sử
dụng dầu có trộn bột nano với thông số tối ưu vào điều kiện phay lăn răng thực tế tại công
ty cổ phần phụ tùng máy số 1-TP Sông Công Thái Nguyên. Kết quả bước đầu khẳng định
hiệu quả nghiên cứu và cho thấy khả năng áp dụng vào điều kiện sản xuất thực tế.
7. Bố cục của luận án
Luận án được chia thành 04 chương:
Chương 1: Tổng quan về quá trình cắt răng của bánh răng trụ thân khai bằng phay
lăn răng
Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác profile răng
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số tối ưu của dầu công nghiệp
có trộn bột nano
Chương 4: Đánh giá khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quá trình phay lăn

răng trong thực tế sản xuất
Tiếp theo là phần kết gồm các kết luận và kiến nghị của luận án với những vấn đề
cần nghiên cứu tiếp. Cuối cùng của luận án là các tài liệu tham khảo, các công trình đã
công bố liên quan đến luận án và phần phụ lục.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CẮT RĂNG CỦA BÁNH RĂNG TRỤ
THÂN KHAI BẰNG PHAY LĂN RĂNG
1.1 Sơ lược về quá trình phay lăn răng
1.1.1 Sự hình thành biên dạng răng khi gia công bằng dao phay trục vít
Quá trình phay lăn răng là một quá trình gia công răng theo phương pháp bao hình,
nhờ nhắc lại sự ăn khớp cưỡng bức bằng cắt gọt dọc theo đường răng giữa dao trục vít (dao
phay lăn răng) với phôi bánh răng cần gia công (Hình 1. 1), nhằm mục đích hớt bỏ lớp kim
loại ở rãnh răng để tạo hình bề mặt răng [1][2][5]. Đảm bảo độ chính xác của răng chủ yếu
là đảm bảo độ chính xác profile răng, độ chính xác bước răng, độ đồng tâm của vòng chia
với tâm quay của răng.
Quá trình phay lăn răng sử dụng dao phay lăn răng với chuyển động tạo hình phức
tạp, đồng thời điều kiện cắt và tiết diện cắt luôn luôn thay đổi theo từng răng cắt và tại
cùng thời điểm thì có nhiều răng cùng tham gia cắt. Quá trình cắt khi phay lăn răng cũng
rất phức tạp, tại từng thời điểm mỗi răng cắt sẽ cắt đi một lượng phoi khác nhau và ở mỗi
điểm trên lưỡi cắt lại có tốc độ cắt cũng khác nhau và lượng chạy dao cũng khác nhau. Hơn
nữa, lưỡi cắt có hình dạng phức tạp, chuyển động tương đối của lưỡi cắt so với phoi cũng
rất phức tạp nên góc mài sắc cũng như góc cắt thường không đạt được những trị số của
điều kiện cắt lý tưởng.

Hình 1. 1 Quá trình phay lăn răng
Quá trình tạo hình bề mặt răng là quá trình nhắc lại sự ăn khớp của cặp truyền động
trục vít bánh răng một cách cưỡng bức. Trong đó trục vít được tạo hình thành dao gọi là

dao phay lăn răng và bánh răng đóng vai trò là phôi. Quá trình phay lăn răng được thể hiện
trong hình 1.1, bao gồm các chuyển động cần thiết: chuyển động quay của dao (n d) đóng
vai trò là chuyển động cắt chính, chuyển động quay của phôi (np) đóng vai trò là chuyển
động chạy dao vòng tương ứng với chuyển động quay của dao và chuyển động chạy dao
đứng (Tđ) giữa dao với phôi. Theo lý thuyết bao hình, bề mặt bánh răng được hình thành
chính là mặt bao của các vị trí liên tiếp của trục vít cơ sở, khi trục vít thực hiện chuyển

4


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

1 vòng quay của dao phay trục vít → 𝑍 vòng quay của phôi bánh răng
Với k là số đầu mối của dao phay trục vít và Z là số răng của bánh răng cần gia
công. Thông thường quá trình phay lăn răng sử dụng dao phay trục vít một đầu mối.
Khi dao phay trục vít thực hiện chuyển động quay sẽ lần lượt ăn khớp với tất cả các
răng của bánh răng. Do đó mỗi rãnh răng của bánh răng sẽ được gia công bởi tất cả các
răng của dao phay trục vít trên chiều dài tạo hình. Khi đó mỗi lưỡi cắt sẽ vẽ nên một quỹ
đạo tròn, hay tạo ra một bề mặt cắt và hình bao của các bề mặt tạo hình này sẽ hình thành
nên bề mặt răng của bánh răng cần gia công.
1.1.2 Lực cắt khi phay lăn răng
Trong gia công cắt gọt kim loại, lực cắt là một trong những thông số quan trọn để
đánh giá điều kiện cắt, vì dưới tác động của lực cắt phoi được tách ra, gây biến dạng (biến
dạng đàn hồi và biến dạng dẻo) và công biến dạng chuyển hóa thành nhiệt cắt. Trong vùng
gia công, lực cắt, lực ma sát và nhiệt cắt gây ra mòn bề mặt tiếp xúc và biến dạng lưỡi cắt
của dụng cụ, mà cụ thể là trên mặt trước và mặt sau. Ngoài ra lực cắt được sử dụng trong
các tính toán trong quá trình thiết kế máy, thiết kế công nghệ như tính công suất cắt, tính
đồ gá, tính bền…. Sự ổn định của lực cắt cũng là một vấn đề quan trọng nó ảnh hưởng đến

khả năng làm việc ổn định của hệ thống công nghệ, nó là một thông số quan trọng tác động
đến chất lượng và độ chính xác của quá trình gia công.
Quá trình cắt khi phay lăn răng rất phức tạp, không chỉ trạng thái của mỗi răng cắt
là khác nhau mà trạng thái tại các điểm trên cùng một răng cắt cũng khác nhau. Vì chiều
dày cắt và chiều rộng cắt là không giống nhau tại mỗi thời điểm khác nhau, nên nó tạo ra
những vùng cắt thay đổi gây ra những thay đổi về động lực học. Vì vậy lực cắt khi phay
lăn răng thường được xác định bằng cách xác định vùng cắt, tính toán lực cắt trên mặt
phẳng cắt và lực cắt trên mỗi răng cắt, sau đó tính tổng lực cắt trên răng cắt tham gia vào
bóc tách vật liệu ở cùng thời điểm hay chính là lực tác dụng lên dao phay lăn răng [23][26], Hình 1. 2.

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

5


1.1.3 Nhiệt cắt khi phay lăn răng
Trong quá trình cắt kim loại nói chung, năng lượng bị tiêu tốn vào việc tạo phoi và
thắng lực ma sát giữa phôi và dụng cụ. Nhiệt cắt sinh ra trong quá trình cắt răng là do công
sinh ra làm biến dạng vật liệu gia công và công sinh ra do ma sát. Biến dạng dẻo của vật
liệu gia công trong vùng tạo phoi, vùng biến dạng thứ hai và tương tác ma sát giữa vật liệu
gia công với các mặt của dụng cụ trong quá trình cắt sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ ở vùng
gần lưỡi cắt dẫn đến giảm sức bền của dao ở vùng này gây phá hủy bộ phận đến toàn bộ
khả năng làm việc của lưỡi cắt. Nhiệt độ cắt trong dụng cụ tăng khi cắt với vận tốc cắt cao
và lượng chạy dao lớn hoặc vật liệu gia công có nhiệt độ nóng chảy cao là nguyên nhân
làm giảm năng xuất cắt gọt [31]-[39]. Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng khoảng 98%-99%
công suất cắt biến thành nhiệt từ ba nguồn nhiệt, vùng tạo phoi (quanh mặt phẳng trượt
AB), mặt trước (AC) và mặt sau (AD) (Hình 1. 3). Nhiệt từ ba nguồn này truyền vào dao,
phoi, phôi và môi trường với tỷ lệ khác nhau phụ thuộc vào chế độ cắt và tính chất nhiệt
của hệ thống dao, phoi, phôi và môi trường 0. Thực tế vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng
lớn nhất đến tỷ lệ này, khi vận tốc cắt đủ lớn phần lớn nhiệt cắt truyền vào phoi.

Gọi Q là tổng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình cắt:
Q = Qmặt phẳng trượt + Qmặt trước + Qmặt sau

(1.1)

Theo định luật bảo toàn năng lượng thì nhiệt lượng này sẽ truyền vào hệ thống
phoi, phôi, dao và môi trường theo công thức sau:
Q = Qphoi + Qphôi + Qdao + Qmt

(1.2)

Hình 1. 3 Sơ đồ phân bố nhiệt trong vùng tạo phoi [32]
Nhiệt sinh trong vùng biến dạng thứ nhất (QAB)
Nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng phần lớn công sinh ra trong vùng biến
dạng thứ nhất biến thành nhiệt. Tốc độ sinh nhiệt trong vùng biến dạng thứ nhất có thể gần
đúng trên mặt phẳng cắt theo công thức sau:
𝑑𝑤
𝑑𝑡

= 𝑄1 = 𝑘𝐴𝐵 . 𝐴𝑆 . 𝑉𝑆

(1.3)

Trong đó: kAB là ứng suất cắt trung bình trong miền biến dạng thứ nhất
AS là diện tích của mặt phẳng trượt
VS là vận tốc của vật liệu trên mặt phẳng trượt

6

Chỉ một phần nhiệt (β.Q1) truyền vào phôi, phần còn lại (1-β).Q1 truyền vào thể
tích của phoi tạo ra sự tăng nhiệt độ ∆T trong vùng biến dạng thứ nhất. Hệ số β có thể lớn
đến 50% khi tốc độ thoát phoi thể tích thấp, vật liệu cắt có hệ số dẫn nhiệt cao. Khi tốc độ
thoát phoi thể tích cao thì β giảm đến 10%-15%. Hệ số β được xác định bằng đồ thị thực
nghiệm của Boothroyd thông qua hệ số nhiệt RT.
Nghiên cứu của Trent [28] cũng đã chỉ ra rằng phần lớn nhiệt sinh ra trong vùng
biến dạng thứ nhất truyền vào phoi và bị mang đi theo phoi mà không truyền vào dụng cụ
cắt.
Các công trình của Trent [28], Zorev [30], Doyle [31], Wright [34], Loladze [32],
Tay [33] cũng kết luận rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước của dụng cụ do ma sát giữa phoi
và mặt trước và biến dạng dẻo của các lớp phoi sát với mặt trước (vùng biến dạng thứ hai)
sinh ra. Nghiên cứu của Jun và Smith thì cho rằng nhiệt sinh ra trên mặt trước chỉ khoảng
20% tổng số nhiệt sinh ra trong quá trình cắt, nhưng khoảng 50% lượng nhiệt này truyền
vào dụng cụ. Lượng nhiệt này đóng một vai trò rất quan trọng đối với tuổi bền của dụng
cụ. Cho đến nay bản chất tương tác ma sát trên mặt trước và quy luật chuyển động của lớp
phoi dưới cùng còn nhiều tranh cãi nên chưa có một công thức duy nhất để tính tốc độ sinh
nhiệt trên mặt trước. Đồng thời nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng nhiệt sinh ra do
ma sát trượt của phoi với mặt trước là không đáng kể, mà nhiệt sinh ra do biến dạng dẻo
với mức độ lớn và tốc độ cao của các lớp phoi gần mặt trước là nguồn nhiệt chính tạo nên
nhiệt độ cao trong dụng cụ cắt. Ông đã đưa ra công thức để tính nhiệt độ phân bố trên mặt
trước theo phương thoát phoi. Nhưng các nghiên cứu Li và đồng nghiệp [35], cũng như
nghiên cứu của Tay và đồng nghiệp [33], lại cho rằng thành phần nhiệt sinh ra do ma sát
trượt của phoi trên mặt trước là đáng kể và đưa ra các công thức tính tốc độ sinh nhiệt
riêng trên mặt trước khác nhau dựa trên các mô hình khác nhau về phân bố vận tốc của lớp
phoi dưới cùng trên mặt trước.
Nhiệt sinh ra trên vùng tiếp xúc giữa mặt sau và bề mặt gia công (QAD). Nhiệt sinh
ra trên mặt sau của dụng cụ chỉ có ý nghĩa khi lượng mòn mặt sau đủ lớn. Do mòn mặt sau
được coi là phẳng nên ứng suất trên mặt tiếp xúc coi như phân bố đều. Mòn mặt sau được
đánh giá qua chiều cao trung bình vùng mòn mặt sau.
Đặc điểm của quá trình cắt khi phay lăn răng là số lượng lưỡi cắt và chiều dài

lưỡi cắt tham gia cắt lớn. Do đó gây biến dạng vật liệu gia công và ma sát lớn làm phát
sinh nhiệt trong vùng cắt lớn. Gây ra mòn răng cắt của dao do tác động của nhiệt, đặc
biệt nhiệt cắt gây biến dạng profin lưỡi cắt ảnh hưởng lớn đến độ chính profin bánh
răng gia công. Vì vậy một trong những biện pháp nhằm giảm sự tác động của nhiệt cắt
là sử dụng dao phay lăn chế tạo từ những vật liệu có độ bền nhiệt cao và sử dụng dung
dịch trơn nguội để giảm nhiệt.
1.2 Dao phay lăn răng
1.2.1 Cấu tạo dao phay lăn răng
Dao phay lăn răng là dụng cụ cắt dùng để gia công các bánh răng ăn khớp ngoài
theo phương pháp bao hình. Dao phay lăn răng thường có cấu tạo như Hình 1. 4. Về kết
cấu, dao phay lăn răng có thể liền khối hoặc ghép mảnh. Các thông số cơ bản của dao phay
7


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

Hình 1. 4 Dao phay lăn răng
1.2.2 Độ chính xác dao phay lăn răng
1.2.2.1 Độ đảo hướng kính của dao
Độ đảo hướng kính của đỉnh răng chính là sai lệch bán kính lớn nhất được đo tại
hai gờ kiểm tra của dao phay lăn răng, Hình 1. 5. Độ đảo hướng kính của dao sau khi chế
tạo cùng với sai số lắp ghép, độ chính xác của ổ trục chính và sai số của trục gá dao sẽ gây
ra độ đảo hướng kính của trục dao phay lăn răng và ảnh hưởng tới sai số profile răng của
bánh răng khi phay lăn răng.

Hình 1. 5 Độ đảo hướng kính của dao phay lăn răng
1.2.2.2 Độ thẳng của mặt trước
Do sai số chế tạo dao, mặt trước của răng dao bị sai lệch vị trí và mặt trước không
thẳng làm cho lưỡi cắt xê dịch khỏi bề mặt của trục vít cơ bản, gây ra sai lệch profile và

gây ra sự không đối xứng của profile răng bánh răng sau khi gia công, Hình 1. 6.
Sai số về độ thẳng mặt trước của răng cắt (độ hướng kính của mặt trước) sinh ra do
quá trình chế tạo dao phay lăn răng hoặc sau khi dao mài lại, nó phụ thuộc vào độ chính
xác của dao phay lăn răng và quá trình mài lại.

8


Hình 1. 6 Độ thẳng mặt trước dao phay lăn răng
Khi góc trước âm được tạo ra do trong quá trình gia công hoặc mài lài mặt trước đã
hớt vật liệu nhiều ở phần đỉnh răng. Nếu gia công bánh răng bằng dao phay lăn răng có góc
trước âm sẽ gây ra sai số profile răng, làm răng của bánh răng sau gia công bị nhỏ ở đỉnh
và to ở chân răng. Và ngược lại, răng của bánh răng sau khi gia công sẽ bị nhỏ chân và to ở
đỉnh răng khi sử dụng dao phay lăn răng có góc trước dương [1][2].
1.2.2.3 Sai số profile lưỡi cắt
Sai số profile lưỡi cắt được xác định bằng khoảng cách giữa hai profile lý thuyết
(đường thẳng) tiếp áp với profile thực, như Hình 1. 7. Lưỡi cắt của dao phay lăn răng góp
phần trực tiếp tạo hình răng của bánh răng trong quá trình gia công. Do đó sai số profile
lưỡi cắt tăng sẽ làm tăng sai số profile răng bánh răng được gia công.

Hình 1. 7 Sơ đồ xác định sai số profile lưỡi cắt của dao phay lăn răng
1.2.2.4 Sai số bước răng dao phay lăn răng
Sai số bước răng dao phay lăn răng được xác định thông qua vị trí răng cắt đo theo
phương dọc trục, bao gồm 3 thông số (Hình 1. 8):

- Sai số bước răng đo giữa hai răng liền kề: là sai lệch bước răng giữa hai răng cắt
liền kề, dọc theo đường xoắn vít trên toàn bộ chiều dài dao, như hình 1.8a.
- Sai số bước răng tổng đo trong một bước dọc của dao: Là sai lệch bước răng lớn nhất
giữa hai răng cắt bất kỳ, dọc theo đường xoắn vít, trong phạm vi một bước dọc trục.
- Sai số bước răng tổng đo trong 3 bước dọc trục: là sai lệch bước răng lớn nhất giữa

hai răng cắt bất kỳ, dọc theo đường xoắn vít, trong phạm vi 3 bước dọc trục.

9


a,

b,

c,

Hình 1. 8 Sai số bước dọc của đường xoắn vít: Sai lệch hai răng cắt liền kề (a), Sai lệch
lớn nhất trong một bước chiều trục (b), Sai lệch lớn nhất trong ba bước chiều trục
1.2.2.5 Sai số chiều dày răng
Sai số chiều dày răng dao phay lăn răng ảnh hưởng đến chiều dày các răng của
bánh răng sau khi gia công (Hình 1. 9). Đối với dao phay lăn răng có lưỡi cắt thẳng thì sai
số chiều dày răng chỉ ảnh hưởng đến chiều cao chân răng và ảnh hưởng tới khe hở ăn khớp
của truyền động bánh răng.

Hình 1. 9 Sai số chiều dày răng cắt của đao phay lăn răng
1.2.3 Mòn dao phay lăn răng
Trong hầu hết các quá trình cắt kim loại, khả năng cắt của dụng cụ sẽ giảm dần và
sau một khoảng thời gian dụng cụ sẽ không tiếp tục cắt được do mòn hoặc hỏng hoàn toàn
[36]. Mòn dụng cụ là chỉ tiêu đánh giá khả năng làm việc của dụng cụ bởi vì nó hạn chế
tuổi bền của dụng cụ. Mòn dụng cụ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất
lượng bề mặt và toàn bộ khía cạnh kinh tế của quá trình gia công.
1.2.3.1 Các cơ chế mòn của dụng cụ cắt
Các nghiên cứu của Shaw [37] đã cho thấy mòn dụng cụ có thể do dính, hạt mài,
khuếch tán, oxy hóa và mỏi. Các cơ chế mòn này xảy ra đồng thời trong quá trình cắt tuy
nhiên tùy theo điều kiện cắt cụ thể mà một cơ chế nào đó chiếm ưu thế. Ngoài ra dụng cụ

còn bị phá hủy do bị mẻ dăm, nứt và biến dạng dẻo. Theo Loffer trong cắt kim loại, nhiệt
độ cắt hay vận tốc cắt là nhân tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tồn tại của cơ chế mòn và
phá hủy dụng cụ. Trong dải vận tốc cắt thấp và trung bình của quá trình cắt liên tục, cũng

10


như cắt gián đoạn cơ chế mòn do dính và mòn do hạt mài chiếm ưu thế. Khi tăng vận tốc
cắt, mòn do hạt mài và hóa lý trở nên chiếm ưu thế đối với cắt liên tục và chủ yếu gây ra
mòn mặt trước. Sự hình thành các vết nứt do ứng suất nhiệt biến đổi theo chu kỳ là cơ chế
mòn chủ yếu dẫn đến sự vỡ lưỡi cắt khi cắt không liên tục.
Mòn do dính
Các nghiên cứu của Boothroyd [39] và Loladze [38] đã cho thấy mòn do dính sẽ
phát triển mạnh đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao. Các vùng dính bị trượt cắt và tái tạo
liên tục theo chu kỳ thậm trí trong khoảng thời gian cắt ngắn. Hiện tượng mòn có thể gọi là
dính mỏi. Khả năng chống mòn dính mỏi phụ thuộc vào sức bền tế vi của lớp bề mặt dụng
cụ và cường độ dính của nó với vật liệu gia công. Cường độ dính được đặc trưng bởi hệ số
cường độ dính ka, là tỷ số giữa lực dính riêng và sức bền của vật liệu gia công tại một nhiệt
độ xác định. Với đa số các cặp vật liệu thì ka tăng từ 0,25 đến 1 trong khoảng nhiệt độ từ
9000C-13000C. Nghiên cứu của Loladze [38] kết luận rằng độ cứng của mặt dao đóng vai
trò rất quan trọng trong cơ chế mòn do dính.
Khi tăng tỷ số độ cứng giữa vật liệu dụng cụ và vật liệu gia công từ 1,47 đến 4,3
mòn do dính giảm đi khoảng 300 lần. Nghiên cứu của Trent [28] đã chỉ ra rằng vật liệu
dụng cụ thép gió bị biến dạng dẻo mạnh dưới tác dụng của ứng suất tiếp trên vùng mòn
mặt trước trong khoảng nhiệt độ tới 9000C. Khi mặt dưới của phoi dính chặt vào mặt trước,
thì ứng suất tiếp cần thiết để tạo ra sự trượt của các lớp phoi bị biến cứng cũng đủ để gây ra
sự trượt của các lớp vật liệu dụng cụ và gây ra mòn do dính. Điều này cũng phù hợp với
quan điểm của Loladze [32] cho rằng mức độ biến cứng của các lớp dưới của phoi thép các
bon khi biến dạng dẻo với tốc độ cao ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
Mòn do hạt mài

Cơ chế mòn dụng cụ cắt do hạt mài được Loladze nghiên cứu và chỉ ra rằng dạng
mòn này có nguồn gốc từ các tạp chất cứng trong vật liệu gia công như oxides và nitrides
hoặc những hạt cacbit của vật liệu dụng cụ trong vùng tiếp xúc giữa vật liệu dụng cụ và vật
liệu gia công tạo nên các vết cào xước trên bề mặt dụng cụ [32]. Môi trường xung quanh
có ảnh hưởng lớn đến cường độ của mòn do hạt mài, ví dụ khi gia công cắt trong môi
trường có tính hóa học mạnh, lớp bề mặt bị yếu đi và các hạt mài có thể cắm sâu hơn ở
vùng tiếp xúc và tăng tốc độ mòn. Loladze cũng cho rằng khả năng chống mòn do hạt mài
tỷ lệ thuận với các tính chất đàn hồi và độ cứng của hai bề mặt ở chỗ tiếp xúc.
Tuy nhiên, Trent lại cho rằng các hạt mài riêng rẽ không đóng vai trò quan trọng
đối với mòn dụng cụ. Theo ông thì các hạt cabides trong thép gió bị suy yếu do hiện tượng
khuyếch tán bị tách ra và kéo trên bề mặt tạo nên các rãnh mòn. Đồng thời, Theo ông khi
phoi trượt trên mặt trước của dụng cụ thì mòn do mài sẽ có chiếm ưu thế.
Mòn do khuếch tán
Nhiệt độ cao phát triển trong dụng cụ đặc biệt là trên mặt trước khi cắt tạo phoi dây
là điều kiện thuận lợi cho hiện tượng khuếch tán giữa VLDC và VLGC. Colwell [41] đã
đưa ra nghiên cứu của Takeyama cho rằng sự tăng đột ngột của tốc độ mòn tại nhiệt độ
9300C khi cắt bằng dụng cụ carbides có liên quan đến một cơ chế khác đó là hiện tượng

11