Xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc của bộ truyền bánh răng côn thẳng có gờ chặn khi gia công trên máy phay CNC tt

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu.
Với ưu điểm là có thể giảm sự phá hủy bởi ứng suất uốn lên đến
10%, bánh răng côn răng thẳng có gờ chặn (BRCG) đang được ứng
dụng trong một số ngành công nghiệp sản xuất ô tô, tàu hoả, thiết bị
mỏ, vũ trụ, chế tạo máy công cụ và các thiết bị hàng không. Tuy
nhiên với kết cấu gờ chặn ở đầu và chân răng thì việc gia cơng
BRCG bị hạn chế bởi các phương pháp gia công truyền thồng như là:
bào răng, phay răng, mài răng, chuốt răng,…
Ngày nay, để giải quyết các vấn đề hạn chế khi gia công bánh
răng bằng các phương pháp gia công truyền thống thì các nhà khoa
học trong và ngồi nước đang tập trung nghiên cứu ứng dụng công
nghệ CNC vào gia cơng bánh răng. Tuy nhiên các cơng trình nghiên
cứu này vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề chưa giải quyết được hoặc giải
quyết chưa triệt để như là: đảm bảo độ chính xác thiết kế, đảm bảo
tiêu chí vết tiếp xúc, nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố cơng
nghệ đến chất lượng và năng suất gia cơng,….
Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp thiết kế và sự ảnh hưởng
của các thông số công nghệ trong gia công trên máy phay CNC 3
trục đến quá trình chế tạo BRCG là vấn đề cần thiết và cấp bách. Để
giải quyết vất đề này, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng phương
pháp thiết kế và công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc của
bộ truyền bánh răng cơn thẳng có gờ chặn khi gia cơng trên máy
phay CNC”
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
a) Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu phương pháp gia công BRCG khi gia công trên máy
phay CNC 3 trục.
- Xây dựng giải pháp thiết kế tạo dữ liệu đầu vào cho q trình gia
cơng BRCG trên máy phay CNC bằng phương pháp bám biên dạng.
- Xây dựng quy trình đánh giá chất lượng gia công BRCG bằng các

thông số hình học vi mơ và kích thước vết tiếp xúc.
- Xây dựng các phương trình thực nghiệm biểu thị mối quan hệ giữa
các thông số công nghệ (S, F, z) với độ nhám (Ra), sai lệch hình
dạng profile răng (ff) và kích thước vết tiếp xúc (bc, hc) của bộ
truyền BRCG Z11-16 m8.
1


- Xây dựng giải pháp công nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc
khi gia cơng tinh bộ truyền BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC 3
trục.
b) Đối tượng nghiên cứu
- Truyền động BRCG.
- Kích thước vết tiếp xúc.
- Chất lượng BRCG khi gia công trên máy phay CNC 3 trục.
c) Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu tạo hình bề mặt các dạng bánh răng côn răng thẳng
(BRCT): BRCG, BRCT có tinh chỉnh và khơng tinh chỉnh.
- Nghiên cứu chất lượng gia công tinh BRCG trên máy phay CNC.
- Nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cắt cắt tinh BRCG Z16-11 m8 để đạt
được năng suất cao và kích thước vết tiếp xúc tốt.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a) Ý nghĩa khoa học
- Kết quả của đề tài là cơ sở để thiết kế, gia công và đánh giá chất
lượng BRCG khi gia công trên máy phay CNC.
- Kết quả của đề tài là tài liệu để lựa chọn bộ thông số công nghệ khi
cần nâng cao năng suất và chất lượng chế tạo BRCG Z11-16 m8 khi
gia công trên máy phay CNC 3 trục.
- Đã xác định được mối quan hệ giữa bộ thông số (S, F, z) đến chất
lượng bộ truyền BRCG (độ nhám bề mặt, kích thước vết tiếp xúc và

sai lệch hình dạng profile răng) khi gia cơng tinh trên máy phay CNC
3 trục.
- Kết quả của đề tài là cơ sở cho các nghiên cứu liên quan như:
Nghiên cứu điều chỉnh vết tiếp xúc, nghiên cứu tối ưu hóa q trình
gia cơng bánh răng, nghiên cứu vể tinh chỉnh các bề mặt bánh răng
côn,…
b) Ý nghĩa thực tiễn
- Sản phẩm bộ truyền BRCG Z11-16 m8 được chế tạo theo kết quả
luận án đã được sử dụng để thay thế các thiết bị nhập ngoại trong các
xe có tải trọng lớn ở các mỏ khai thác than lộ thiên tại tỉnh Quảng
Ninh.
- Sản phẩm bộ phần mềm thiết kế bánh răng được xây dựng trong
luận án đã được ứng dụng để thiết kế các bộ truyền BRCG tại công
ty chuyên sản xuất bánh răng chất lượng cao Cơ khí Hồng Lĩnh.
2


- Kết quả của luận án có thể được sử dụng vào thực tế sản xuất để
đánh giá chất lượng gia cơng hoặc phân tích và dự đốn sự thay đổi
vết tiếp xúc khi gia công các BRCG trên máy phay CNC
- Kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu là tài liệu để lựa chọn bộ thông
số gia công tinh trên máy phay CNC 3 trục khi gia cơng tinh bộ
truyền BRCG Z11-16 m8.
4. Các đóng góp mới của đề tài.
- Đã xây dựng được chương trình tự động tính tốn thiết kế bộ truyền
BRCG.
- Đã xây dựng được phương trình xác định sai số thiết kế hình dạng
profile của đường thân khai.
- Đã xây dựng được quy trình đánh giá chất lượng BRCG trên máy
ZE800

- Đã xây dựng được công thức thực nghiệm giữa chế độ gia công với
chất lượng vết tiếp xúc của BRCG Z11-16 m8 khi gia công tinh trên
máy phay CNC 3 trục
- Đã xây dựng được chương trình xác định điểm tiếp xúc trên bộ
truyền BRCT
- Kết quả của luận án là đã đưa ra được một giải pháp tổng thể về
thiết kế và biện pháp công nghệ để đảm bảo chất lượng thiết kế và
gia công BRCG.
5. Cấu trúc luận án.
Luận án được trình bày gồm 4 chương và 1 phụ lục
6. Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa phương
pháp nghiên cứu lý thuyết để thu thập các thông tin khoa học và sử
dụng các tư duy khoa học để rút ra những luận điểm khoa học cần
thiết cho luận án. Cùng với đó là phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm để làm rõ bản chất cũng như chứng minh các quy luật đã
được đưa ra trong các giả thuyết. Sử dụng các công cụ toán học kết
hợp tin học và kết quả thực nghiệm để xây dựng các mối quan hệ
giữa các yếu tố, tìm ra các quy luật biến đổi.
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu về truyền động BRCT, từ đó
lựa chọn 1 loại bánh răng có khả năng tải lớn là BRCG để làm đối
tương nghiên cứu. Việc nghiên cứu tập trung chủ yếu là sự ảnh
hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chế tạo BRCG và
các biện pháp đảm bảo vết tiếp xúc của bộ truyền.
3


- Nghiên cứu thực nghiệm là chủ động tác động vào các yếu tố
cơng nghệ gia cơng một cách có hệ thống, thu thập thông tin đối
tượng để rút ra được quy luật biến đổi giữa các thông số.

NỘI DUNG LUẬN ÁN
Chương 1. Tổng quan về truyền động bánh răng cơn răng thẳng
1.1.Vị trí truyền động bánh răng cơn răng thẳng.
Truyền động BRCT là dạng truyền động đơn giản nhất trong
truyền động bánh răng côn, bộ truyền BRCT thường được sử dụng
để truyền chuyển động và momen giữa 2 trục giao nhau, thơng
thường góc hợp trục () là 900.
1.2. Phân loại bánh răng côn răng thẳng
Dựa vào kết cấu tại đỉnh và đáy răng của BRCT mà chúng ta có:
Bánh răng cơn răng thẳng khơng có gờ chặn (bên trái hình1.6) và
bánh răng cơn răng thẳng có gờ chặn (bên phải hình 1.6)

Hình 1.6 Bánh răng cơn răng thẳng có gờ và khơng có gờ chặn.
1.3. Đặc trưng bánh răng cơn răng thẳng có gờ chặn
Với kết cấu gờ chặn ở cuối và đầu răng, BRCG có khả năng tải
tốt hơn BRCT khơng có gờ chặn cùng thơng số, các nghiên cứu của
Ligata.H và Zhang.H.H đã chứng minh được rằng BRCG có thể
giảm sự phá hủy bởi ứng suất uốn từ 8%÷10%[10]. Tuy nhiên dạng
bánh răng này lại tồn tại hai nhược điểm lớn là:
 Không thể chế tạo được bằng các phương pháp gia công răng
truyền thống như: phay định hình, bào răng,…mà khơng để
xảy ra hiện tượng phá hủy kết cấu gờ chặn hai đầu
 Bề mặt răng sẽ dễ bị phá hủy bởi hiện tượng tróc rỗ bề mặt,
nguyên nhân là do có kết cấu gờ chặn sẽ làm cho dung dịnh
bơi trơn khó thốt ra khỏi bề mặt răng hơn (hình 1.7).
1.4. Các phương pháp gia công bánh răng côn răng thẳng.
4


1.4.5. Phương pháp gia công bám biên dạng SSM.

Phương pháp SSM là phương pháp tạo hình bề mặt răng thơng
qua việc gia công bề mặt răng từ dữ liệu số hóa bề mặt cho trước, ưu
điểm của phương pháp này là có thể gia cơng các bề mặt răng với
các loại dụng cụ vạn năng (dao phay ngón, dao cầu,...) với nhiều
chủng loại và dải kích thước khác nhau. Ngồi ra việc gia cơng bằng
phương pháp SSM có thể khắc phục được hiện tượng cắt lẹm chân
răng khi đầu dụng cụ cắt đi vào chân răng khi gia công trên các máy
gia công răng truyền thống [4].
Đặc biệt phương pháp này thường được ứng dụng để gia công
các bề mặt răng có sự tinh chỉnh bề mặt hoặc thay đổi về hình dạng
để tối ưu hóa khả năng làm việc. Ví dụ: Bánh răng tối ưu hóa chân
răng, BRCG

Hình 1.14 Mơ tả quy trình gia cơng răng.
Theo tiêu chuẩn DIN 8589-3 thì quy trình chế tạo bánh răng trên
máy CNC về cơ bản là tương đương với sự tổng hợp của hai quy
trình chế tạo khác:
 Chế tạo khn mẫu (Manufacture of moulds and dies): Bởi sự
tương đồng về vật liệu, độ cứng và cấp chính xác gia cơng
 Chế tạo cánh quạt (Manufacture of impellers): bởi sự tương
đồng về hình học.
1.4.5.1. Quá trình tạo dữ liệu đầu vào
Quá trình chế tạo bánh răng trên máy phay CNC đòi hỏi người
thiết kế phải cung cấp biên dạng hình học cần gia công dưới dạng tọa
độ (CAD System). Các biên dạng hình học này có thể được xây dựng
bằng cách sử dụng các phần mềm chuyên dùng về thiết kế bánh răng
như: Kisssoft, WZL gear toolbox, ZAKgear,,… hoặc sử dụng cơ sở
lý thuyết tạo hình để xây dựng theo phương pháp thủ cơng. Hình
5

1.15 chỉ cho chúng ta quá trình cần thiết để xây dựng nên dữ liệu đầu
vào cho một quá trình gia công bánh răng trên máy phay CNC.
DIN
AGMA
ISO

Gear data

Gear Geometry

Correction of
Gear geometry

CAD/CAM System

NC Code
Correction of
tool length and
diamẹter
Gear Measurement

Hình 1.15 Lưu đồ quá trình tạo dữ liệu đầu vào
1.4.5.2. Quá trình lựa chọn dụng cụ cắt.
Đối với việc gia công bánh răng trên máy phay CNC, q trình
gia cơng được khuyến khích chia làm 3 giai đoạn là: Cắt thơ Cắt
bán tinh  Cắt tinh. Ứng với từng giai đoạn chúng ta nên dùng các
loại dụng cụ khác nhau. Để quá trình gia cơng ổn định, đường kính
dụng cụ cắt nên càng lớn càng tốt và độ dài dụng cụ càng ngắn càng
tốt. Tuy nhiên các kích thước và hình dạng này sẽ bị hạn chế bởi các

yếu rố: khả năng cơng nghệ, hình dáng hình học của bánh răng và
phương pháp gá đặt.
1.4.5.3. Quá trình xử lý tham số
Để đưa ra được quy trình gia cơng bánh răng trên máy phay
CNC chúng ta cần đặc biệt quan tâm tới các bước xác định bộ tham
số: Lineness, Trajectory và Indexing procedure [11]:

Hình 1.16 Các phương án hướng dịch chuyển dụng cụ
 Trajectory (Hướng dịch chuyển dụng cụ): Tham số này sử dụng
để xác định quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt khi tạo hình bề
6


mặt răng (hình 1.16). Quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt được
chia làm ba phương pháp với các đặc trưng khác nhau: (1) Theo
hướng profile răng; (2) Theo hướng bề rộng răng (đối với BRCT
là theo hướng vng góc với hướng profile răng) và (3) Theo
hướng chéo của răng.

Hình 1.17 Các phương án chia lượng dư
 Lineness (Lượng dịch dao): Tham số này ảnh hưởng lớn đến
thời gian gia công và sự phân bố độ nhám bề mặt gia cơng. Với
tham số này chúng ta có thể ổn định cấu trúc bề mặt (độ nhám
đồng đều trên toàn bề mặt răng) bằng cách điều chỉnh bước tiến
dụng cụ cắt không đổi theo chiều dọc biên dạng răng
(S=const). Để cấu trúc bề mặt thay đổi đồng biến chúng ta có
thể điều chỉnh bước tiến dao không đổi theo chiều sâu cắt dọc
biên dạng răng (z = const) và để bề mặt có cấu trúc tự do thì
chúng ta khơng ràng buộc đại lượng dịch chuyển vào hướng của
profile (hình 1.16).

Hình 1.18 Các phương án dịch chuyển dụng cụ
 Indexing procedure(Chế độ đường chạy dao): Trong gia công
bánh răng trên máy CNC chúng ta có thể lựa chọn hai phương
pháp cắt là: cắt từng răng và cắt tất cả các răng trên cùng một
7


chiều sâu cắt. Nếu chúng ta sử dụng chế độ cắt theo từng răng
(steady indexing) thì sẽ rút ngắn được thời gian gia cơng nhưng
sẽ gây ra sai số tích lũy giữa răng đầu và răng cuối; Còn nếu sử
dụng chế độ cắt tất cả các răng trên cùng 1 chiều sâu (unteady
indexing) thì q trình gia cơng có thể loại bỏ được sai số tích
lũy nhưng sẽ kéo dài thời gian gia cơng. Ngồi ra khi lập trình
gia cơng chúng ta có thể lựa chọn kiểu gia cơng có đinh vị mới
(NP) hoặc khơng có định vị mới (NNP) cho q trình gia cơng.
Qua nghiên cứu đặc trưng của các phương pháp gia cơng BRCT
nói chung, chúng ta có thể kết luận rằng: việc gia công BRCG là khả
thi phương pháp gia công bám biên bề mặt với ưu điểm của phương
pháp gia công là độ linh hoạt cao và cho chất lượng gia công tốt. Qua
nghiên cứu, chúng ta có thể xây dựng được q trình gia cơng BRCG
bằng phương pháp SSM trên máy phay CNC 3 trục với các bước
theo thứ tự như sau: (1) Xác định các thông số của BRCG; (2) Xây
dựng biên dạng răng theo yêu cầu thiết kế; (3) Lựa chọn vật liệu gia
công; (4) Lựa chọn máy và dụng cụ gia công theo thơng tin hình học;
(5) Lựa chọn tham số gia công (Lineness, Trajectory và Indexing
procedure); (6) Xử lý dữ liệu CAM; (7) Kết xuất tới máy phay CNC
và (8) Đo kiểm và đánh giá chất lượng
1.8. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Qua phân tích và đánh giá các cơng trình nghiên cứu có liên quan

đến luận án, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu về BRCT chủ yếu
được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu ngồi nước, cịn đối với các
nghiên cứu về BRCT ở trong nước thì cịn rất hạn chế. Chủ yếu là do
việc thiếu tài liệu cũng như các trang thiết bị chuyên dùng để phục
vụ nghiên cứu.
Gần đây các nghiên cứu và áp dụng phương pháp gia công bánh
răng trên máy phay CNC 3 trục đang từng bước được phổ biến hơn
trên thế giới. Các nghiên cứu có liên quan đến chế tạo BRCG trên
máy phay CNC 3 trục chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực sau:
*) Các nghiên cứu về tạo hình bề mặt bánh răng côn răng thẳng của
tác giả S.Khalilpourazary, A.Dadvand, T.Azdast, [7], N. Hur, M.
Park, H.W.Lee [13], S.H.Chang, John J.Coy, R. L. Huston [14],
Cihan Ozil [15], Y.C.Tsai, P.C.Chin [6].
*) Nghiên cứu đặc trưng của bánh răng cơn có vai chặn của tác giả
Ligata. H, Zhang. H.H [10], Hermann J. Stadtfeld [9]
8


*) Nghiên cứu ứng dụng gia công CNC vào gia công bánh răng của
F. Klocke, M. Brumm, J. Staudt [11], K. Kawasaki, K. Shinma [16,
17], C.Ozil, A.Nan, L. Ozler [18]
*) Nghiên cứu về đặc trưng của vết tiếp xúc trong gia công bánh răng
của tác giả Nguyễn Hồng Sơn [19], Faydor L.Litvin, Jiao Zhang
[20], M.Kolivand, H.Ligata, G.Steyer, K. Bennedict, Fui Chen [21]
Hướng nghiên cứu đề tài
Từ các kết quả nghiên cứu và phân tích ở trên tác giả nhận thấy,
với hướng nghiên cứu tập trung xây dựng phương pháp thiết kế và
cơng nghệ để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc cho bộ truyền BRCT có
gờ chặn khi gia cơng trên máy phay CNC 3 trục là có tính mới và
thời sự cao. Mục tiêu của luận án là tập trung giải quyết việc đảm

bảo thiết kế và công nghệ để thỏa mãn yêu cầu độ chính xác tiếp xúc
thiết kế đồng thời nâng cao chất lượng bề mặt và năng suất gia công
với phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong
gia công.
Kết luận chương 1
1. BRCG có khả năng tải tốt hơn so với BRCT khơng có gờ và việc
gia cơng BRCG bằng các phương pháp gia công truyền thống mà
không phá hủy kết cấu gờ chặn là bất khả thi.
2. Để gia công được BRCG thì phương pháp gia cơng SSM trên máy
phay CNC 3 trục là phương pháp khả thi,có tính linh hoạt và đem lại
chất lượng cao.
3. Quy trình gia cơng BRCG trên máy phay CNC 3 trục cần tuân
theo 3 bước chính: Tạo dữ liệu đầu vào, lựa chọn dụng cụ gia công
và xử lý thông số.
4. Hướng nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế và công nghệ
để đảm bảo độ chính xác tiếp xúc cho bộ truyền BRCG khi gia công
trên máy phay CNC 3 trục là hợp lý.
Chương 2. Đánh giá chất lượng bánh răng côn răng thẳng qua
thơng số hình học và vết tiếp xúc
2.1. Đánh giá chất lượng bánh răng qua các thơng số hình học.
Để đơn giản hóa q trình này, một số thơng số đã được lựa chọn
để đánh giá bánh răng côn răng thẳng và được chia làm 2 loại là [24]:
 Thông số kích thước hoặc thơng số vĩ mơ
 Thơng số vi mô.
9


2.1.2. Thơng số vi mơ

Hình 2.3 Sơ đồ các lỗi vi mô và ảnh hưởng của chúng đến khả

năng làm việc
Thơng số vi mơ có hai loại thơng số chính là: Thơng số hình dạng
và thơng số vị trí. Sự ảnh hưởng của các sai số này đến khả năng làm
việc của của bánh răng được thể hiện rõ trong hình 2.3. Các ngun
nhân chính gây ra các sai số của thông số vi mô là: sự rung động hệ
thống công nghệ, khuyết tập của dụng cụ và máy gia công, biến dạng
dẻo của vật liệu, ảnh hưởng của thông số công nghệ gia công, ….
Đối với BRCG việc kiểm tra các giá trị sai lệch về hình dạng cả ở
thông số vĩ mô và vi mô bằng phương pháp vật lý là rất khó chính
xác vì sự thay đổi về modul răng trong suốt chiều dài đường sinh.
Việc kiểm tra cần được thực hiện trên máy có trang bị thiết bị đo
răng chuyên dung và nên kiểm tra cách mặt đáy 60% chiều rộng răng
2.1.3. Kiểm tra BRCG trên máy ZE800
Như đã trình bày ở nội trên chúng ta sẽ lựa chọn modul kiểm tra
là modul (mdo) có giá trị được xác định theo công thức:
0.6 B
(2.4)
mdo  m(1 
)
L

Hình 2.19 Vị trí đầu đo trong đo pitch
10


*) Đối với kiểm tra sai số pitch: Việc đo kiểm sai số pitch sẽ được
kiểm tra như bánh răng trụ thẳng với modul quy đổi:
mdo
(2.5)
m 

qd

Cos( )

Hình 2.20 Vị trí đầu đo trong đo profile
*) Đối với kiểm tra sai số profile: Việc đo kiểm profile có thể tiến
hành theo cách: Chúng ta sẽ gá bánh răng côn nghiêng một góc có
giá trị bằng 900 trừ đi góc cơn chia của bánh răng ().

Hình 2.21 Vị trí đầu đo trong đo lead
*) Đối với kiểm tra sai số lead: Việc kiểm tra sai số lead của bánh
răng côn răng thẳng là sự kết hợp của phương pháp đo profile với
trục xoay của trục A theo thơng số góc nghiêng bề mặt là góc
nghiêng đầu răng () và được xác định trong bảng 1.1
2.2. Đánh giá chất lượng bánh răng cơn răng thẳng qua tiêu chí
vết tiếp xúc.
Việc kiểm tra chất lượng bánh răng cơn răng thẳng khó thực hiện
thơng qua đo kiểm từng kích thước riêng biệt vì hình dáng bề mặt
răng khơng đồng đều nhau. Do đó khi kiểm tra chất lượng của bộ
truyền bánh răng côn răng thẳng, các cơ sở sản xuất thường kiểm tra
chất lượng của chúng thông qua chất lượng vết tiếp xúc dưới điều
kiện làm việc tải trọng nhẹ [27, 28].
11


2.2.3. Yêu cầu kỹ thuật về vết tiếp xúc
Theo tiêu chuẩn JISB1741, để đánh giá chất lượng vết tiếp xúc
của bộ truyền BRCG chúng ta cần đánh giá thông qua 2 chỉ tiêu: Vị
trí tâm vết tiếp xúc và diện tích bao phủ vết tiếp xúc [2831].

Hình 2.25 Kích thước vết tiếp xúc bánh răng cơn.
Trong đó thì vị trí tâm tiếp xúc lý tưởng là giao điểm giữa đường
lăn của răng với biên dạng profile tại vị trí cách bề mặt đáy lớn bằng
60% chiều dày răng. Đối với diện tích bao phủ vết tiếp xúc, người ta
sử dụng 2 chỉ số là: Chiều cao vết tiếp xúc (bc) và chiều dài vết tiếp
xúc (hc) như trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Tỷ lệ phần trăm vết tiếp xúc của bánh răng cơn răng thẳng
Cấp chính xác
Tỷ lệ phần trăm vết tiếp xúc
Vết tiếp Bánh răng côn
% theo bề
% theo chiều sâu
xúc
(JIS B1702)
rộng bánh
răng
1, 2
A
 50%
 40%
3, 4
B
 35%
 30%
5, 6
C
 25%
 20%
- % vết tiếp xúc theo chiều sâu răng được xác định: (bc/be).100%
- % vết tiếp xúc theo bề rộng răng được xác định: (hc/he).100%

2.2.5. Ứng dụng Matlab để xây dựng vết tiếp xúc.

Hình 2.30 Biên dạng bộ truyền bánh răng trên Matlab
12


Ứng dụng Matlab để giải phương trình (2.16) cho cặp BRCG
Z11-16 m8 cho ta kết quả biên dạng như trên hình 2.30
Giải hệ phương trình (2.22) với điều kiện giữ nguyên biên dạng
bánh răng 2 theo tiêu chuẩn và điều chỉnh biên dạng bề mặt bánh
răng 1 với một đại lượng  ta sẽ thu được kết quả của các điểm tiếp
xúc ban đầu như trên hình 2.33.

Hình 2.33 Mơ tả tiếp xúc của hai bề mặt răng
Thông qua kết quả chạy mô phỏng chúng ta nhận thấy rằng khi
thay đổi biên dạng bề mặt răng theo sai số đầu vào thì vết tiếp xúc sẽ
có xu hướng thay đổi theo quy luật là: Khi sai số  là dương thì vết
tiếp xúc có xu hướng dịch về đầu răng và ngược lại sai số góc  là
âm vết tiếp xúc có xu hướng dịch chuyển về chân răng.
2.2.6. Tinh chỉnh bề mặt để nâng cao tiếp xúc.
Trong sản xuất sẽ là lý tưởng nếu sản xuất được các sản phẩm
khơng có khuyết tật về hình dạng. Tuy nhiên trong gia công bánh
răng việc này là không thể tránh khỏi, kể cả ngay khi việc gia cơng
đạt độ chính xác theo lý thuyết thì chất lượng bộ truyền vẫn bị ảnh
hưởng bởi khả năng đàn hồi của vật liệu làm bánh răng và độ lệch
làm việc do tải trọng trên bánh răng có thể gây ra. Ngồi ra, tại điểm
bắt đầu và điểm kết thúc của sự ăn khớp cũng có thể là nguyên nhân
13

gây nên sự thay đổi nhanh chóng trong tải trọng trên mỗi răng. Vì
những lý do trên để tránh những thiếu sót này người ta thường cố
tình làm sai các hình dạng răng và gọi là tinh chỉnh bề mặt răng.

Hình 2.35 Tinh chỉnh theo phương
Đối với bánh răng cơn răng thẳng thì phương pháp tinh chỉnh bề
mặt răng để nâng cao chất lượng vết tiếp xúc thường được áp dụng là
phương pháp: Sửa đổi theo dạng tang trống (hình 2.35) và sửa đổi
răng profile đồng nhất theo chiều rộng (hình 2.36)

Hình 2.36 Tinh chỉnh theo profile
Kết luận chương 2
1. Đã xây dựng được quy trình đánh giá chất lượng BRCG trên máy
ZE800. Qua đó làm cơ sở để đánh giá độ chính xác của quy trình chế
tạo BRCG trên máy phay CNC 3 trục theo phương pháp SMS đã
nghiên cứu ở chương 1.
2. Đã xây dựng được công cụ xác định sự thay đổi điểm đầu tiếp xúc
trong lý thuyết của bộ truyền BRCT trên phần mềm Matlab. Với
công cụ đã xây dựng được, tác giả đã chứng minh được sự ảnh
hưởng của sai lệch hình dạng đến chất lượng vết tiếp xúc trong bộ
truyền BRCG, qua đó làm cơ sở lý thuyết để lựa chọn được các
thông số đầu vào để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố công
nghệ đến chất lượng sản phẩm trong nội dung chương 4.
3. Đã nghiên cứu được phương pháp đánh giá chất lượng BRCG
thông qua vết tiếp xúc để làm cơ sở lý thuyết xây dựng mối quan hệ
giữa chúng.
14


4. Nghiên cứu các dạng tinh chỉnh bề mặt để nâng cao chất lượng

tiếp xúc trong BRCG để làm cơ sở thiết kế bộ phần mềm tự động
thiết kế BRCT ở nội dung chương 3.
Chương 3. Xây dựng phần mềm thiết kế bộ truyền bánh răng
cơn răng thẳng có gờ chặn.
3.2.1. Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế dữ liệu 2D

Hình 3.14 Thứ tự thành lập bản vẽ
Quá trình xây dựng bản vẽ 2D được mô tả như trên hình 3.14 và
trình tự chi tiết của quá trình xây dựng bản vẽ chi tiết mơ hình 2D
của chương trình ADP được thể hiện ở lưu đồ thuật tốn hình 3.13
với các bước như sau: (1) Đầu tiên chương trình sẽ nhận các giá trị
thông số đầu vào và kiểm tra các điều kiện tiên quyết của chúng; (2)
Sau đó chương trình sẽ sử dụng các cơng thức trong bảng 1.1 để tính
tốn tọa độ các điểm đặc biệt như trong bảng 3.1; (3) Sử dụng các
câu lệnh vẽ để liên kết các điểm lại với nhau theo quy luật định sẵn;
(4) Thiết lập các đối tượng vẽ và (5) Xây dựng khung và ghi các
thông số.
3.2.2. Xây dựng chương trình tính tốn thiết kế dữ liệu 3D
3.2.2.1. Xây dựng thuật toán xác định số lượng điểm cần thiết khi
tạo đường thân khai

15


Theo hình 3.16, nếu chúng ta gọi i là khoảng cách lớn nhất của
các điểm nằm trên cung tròn thân khai Pi Pi1 đến đường thẳng (c) đi
qua hai điểm Pi và Pi+1, thì i chính là khoảng cách giữa đường thẳng
(c) với đường thẳng tiếp tuyến của cung tròn Pi Pi1 và thỏa mãn điều
kiện song song với (c) vì đường thân khai là một đường khả vi.

Hình 3.16 Sai lệch profile cực đại .
Sử dụng toán học giải tích ta xác định được sai lệch cực đại i:
(3.13)
Y Y
Y Y
Y Y
{r0 . 1  [arctg (

i 
(

i 1

i

X i 1  X i

)]2 .sin[arctg (

i 1

i

X i 1  X i

)

i 1

i

X i 1  X i

]

Yi 1  Yi
Y Y
Y Y
Y Y
Y Y
).r0 . 1  [arctg ( i 1 i )]2 .cos[arctg ( i 1 i )  i 1 i ]  Yi  i 1 i . X i }
X i 1  X i
X i 1  X i
X i 1  X i X i 1  X i
X i 1  X i

(

Yi 1  Yi 2
) 1
X i 1  X i

Từ giá trị I chúng ta có thể xác định được số lượng điểm cần
thiết khi xây dựng đường thân khai với sai lệch cho phép.

Hình 3.23 Quá trình xây dựng mơ hình 3D.
Trình tự xây dựng dữ liệu mơ hình 3D được trình bày rõ trong lưu
đồ thuật tốn hình 3.21. Q trình xây được chia làm 2 giai đoạn:
16

 Giai đoạn 1: Xây dựng rãnh răng
 Giai đoạn 2: Xây dựng thân của bánh răng và hợp khối.
Giai đoạn 1 được hiểu như sau: Đầu tiên chúng ta đi xác định tọa
độ (Xi,Yi) của các điểm thuộc 2 biên dạng răng ứng với modul m và
m’ theo công thức (1.28). Sau khi thu được ma trận điểm biên dạng
chúng ta sẽ xoay ma trận điểm trên theo góc  quanh trục X với cơng
thức (3.16). Sau đó đối xứng chúng qua trục X theo phép nhân ma
trận. Sau cùng là dịch chuyển biên dạng lớn về vị trí I như trên hình
3.23a và thay đổi từ tọa độ 2 chiều về 3 chiều.
Giai đoạn 2: Trong mặt phẳng OXY ta dựng thân răng với tọa độ
điểm được xác định trong bảng 3.1 và 3.2. Sau đó sử dụng phép xoay
theo trục X góc 90 độ với ma trận A, sau đó dùng lệnh REVOLVE
để thu được thân bánh răng. Cuối cùng ta xây dựng kích thước lỗ
then bằng hoặc then hoa nếu có như hình 3.23b.
3.4. Ứng dụng phần mềm để gia công BRCG Z11-16 m8.
Với kết quả thu được từ chương trình ADP tính tốn theo bảng
thơng số 3.4. Chúng ta sẽ tiến hành gia công bộ truyền BRCG Z1611 m8 theo quy trình đã nghiên cứu ở chương 1 và kiểm tra độ chính
xác chế tạo theo nội dung đã nghiên cứu ở chương 2 như sau:
+ Phương pháp gia công: SSM với hướng chạy dao chéo profile,
lượng dịch dao với z = const và chế độ chạy dao là chế độ NNP.
+ Máy gia công: máy phay CNC 3 trục TONADO HCMC-11000
+ Dụng cụ gia cơng: Dao cắt thơ là dao phay ngón hợp kim 5,
dao phay bán tinh là dao phay ngón 4 và dao phay tinh là dao phay
cầu R2 (Quá trình gia cơng có sử dụng dung dịch tưới nguội)
+ Chế độ gá đặt: Trong gia công chi tiết được gá song song với
bàn máy để hạn chế sai lệch bước và trong đo kiểm sẽ được gá
nghiêng một góc để mặt phẳng chứa profile song song với bàn máy
khi đo kiểm (hình 3.28)

Hình 3.28 Gá đặt khi gia cơng và đo kiểm bánh răng
17


Sau khi gia công xong (thời gian gia công khoảng 280 phút/1 bộ
Z16-11m8) chúng ta tiến hành đo kiểm và thu được các kết quả kiểm
tra về độ chính xác kích thước vi mơ theo tiêu chuẩn của DIN như
sau:
 Sai lệch profile đạt độ chính xác cấp 4 với ff = 8.7 m
 Sai lệch Lead đạt chính xác cấp 1 với f =2.9m
 Sai lệch pitch đạt chính xác cấp 1 với Fp =4.4m
 Độ nhám trung bình hai bề răng bên trái và phải là Ra = 0.334
m, Ra = 0.195 m.
Độ chính xác về kích thước vết tiếp xúc theo tiêu chuẩn của JIS
như sau:
 Chiều rộng vết tiếp xúc đạt 18.60 mm tương đương với 62%
 Chiều dài vết tiếp xúc đạt 4.88 mm tương đương với 43%
Đạt chính xác cấp 1 (theo JIS)
Kết luận chương 3
1. Đã xây dựng được bộ chương trình APD tự động tạo cơ sở dữ liệu
đầu vào cho quá trình gia cơng BRCG khi sử dụng phương pháp gia
cơng SSM theo tiêu chuẩn của DIN.
2. Đã xây dựng được phương trình xác định sai số thiết kế về hình
dạng profile khi thiết kế BRCT bằng phương pháp số hóa, qua đó
xây dựng được phương pháp đảm bảo độ chính xác sai lệch profile
khi thiết kế BRCG bằng đồ họa.
3. Kết quả gia công thử nghiệm cho thấy: Với phương pháp gia cơng
BRCG đã lựa chọn thì sai lệch hình dạng profile có ảnh hưởng lớn
nhất đến cấp độ chính xác chế tạo của BRCG.
4. Thời gian gia công cho 1 bộ bánh răng Z16-11m8 khi gia công

trên máy phay CNC với chế độ công nghệ như trong bảng 3.6 là
tương đối lớn (xấp xỉ 280 phút). Việc này ảnh hướng lớn đến tính
kinh tế của phương pháp và để giải quyết vấn đề này chúng ta cần
nghiên cứu tối ưu hóa chế độ gia cơng để giảm thiểu thời gian gia
công trong khi vẫn đảm bảo được các tiêu chí về chất lượng.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố
công nghệ đến chất lượng bề mặt của bánh răng côn răng thẳng
trên máy phay cnc

18


4.2.2. Quy trình thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu
Quy trình thực hiện việc tối ưu hóa bộ thơng số cơng nghệ gia
cơng được trình bày cụ thể như trong lưu đồ hình 4.9. Để hỗ trợ cho
việc xử lý số liệu, xây dựng mơ hình hồi quy và giải bài tốn tối ưu
một cách có độ tin cậy cao, tác giả sử dụng phần mềm SIMULIA
iSight của hãng Dassault Systèmes Simulia.

Thay đổi mơ hình và loại
bỏ kết quả sai lệch

No

Nghiên cứu cơ sở
lý thuyết

Xác định các thông
số công nghệ

Đo kiểm các thông
số

Quy hoạch thực
nghiệm để lấy số liệu

Lựa chọn và xây
dựng hàm hồi quy

Xây dựng và giải bài
toán tối ưu

Kiểm tra độ tin cậy
mơ hình

Yes

Phân tích và diễn giải
kết quả

Hình 4.9 Quy trình thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu
4.2.2. Phương pháp thực hiện

Hình 4.11 Sơ đồ thiết kế thí nghiệm
Chế độ gia cơng: Trajectory: Theo hướng chéo profile; Lineness:
Chế độ z = const; Indexing procedure: Chế độ NNP
Giái hạn miền thông số nghiên cứu: Tốc độ quay trục chính:
10000vịng/phút S 6000vịng/phút; Bước tiến dao: 2200mm/phút
 F  550mm/phút; Chiều sâu cắt dọc: 0.2mm  z  0.05mm.
Thiết bị đo độ nhám bề mặt là máy SurftestSJ-301 theo phương

pháp đo độ nhám vng góc với phương gia công.

19


Hình 4.14 Quá trình đo nhám trên máy SurftestSJ-301
Máy dùng để kiểm tra sai lệch hình dạng profile là máy ZE800
Vết tiếp xúc được thu thập thông qua máy chuyên dùng 5A725
Dụng cụ để gia công tinh là dao phay cầu R2 với hai lưỡi cắt có
ký hiệu GSBNH202003506 của hãng NACHI Nhật Bản.
Các biến thiết kế thí nghiệm được xây dựng như trên hình 4.19

Hình 4.19 Quan hệ các biến đầu vào
Sau khi thực nghiệm để xử lý các thơng số theo thiết kế thí
nghiệm, chúng ta thu được các phương trình hồi quy về quan hệ giữa
các biến đầu vào và đáp ứng đầu ra như sau:
Giữa độ nhám bề mặt Ra với bộ thông số (Z, S, F):
Ra  1.006510 - 0.573373X 1 +0.000316X 2 - 0.000211X 3 + 6.75X 12
-3.305785.108 X 22 +1.068359.108 X 32  0.005079X 1 X 2 +5.678838.105 X 1 X 3

(4.29)

-2.410197.108 X 3 X 2

Giữa sai lệch hình dạng profile ff với bộ thông số (Z, S, F)
f fa  3,808333+ 22.406132X 1  0.001618X 2 -0,000372X 3 - 48,749999X 12
- 2,789256.107 X 22  2,656249.108 X 32  0.002272X 1 X 2 - 0.000518X 1 X 3
-1,385129.107 X 3 X 2

Giữa chiều dài vết tiếp xúc bc với bộ thông số (Z, S, F)

20

(4.30)


bc  17.423437  76.620435 X 1 - 0.004051X 2 + 0,0023003X 3 + 185X 12
+ 9,917355.107 X 22 - 1,095703.107 X 32  0,000795X 1 X 2 - 0,001484X 1 X 3

(4.31)

-4,685904.108 X 3 X 2

Giữa chiều rộng hc vết tiếp xúc với bộ thông số (Z, S, F):
hc  7.944791-18.054307X 1 -0.003445X 2 + 0.000614X 3 - 33,75X 12
+ 7.128099.107 X 22 -3.164062.108 X 32  0.0015909X 1 X 2 + 0.000199X 1 X 3

(4.32)

-5.977613.108 X 3 X 2

Trong đó: X1 - Là chiều sâu cắt dọc; X2 - Là bước tiến dung cụ và
X3 - Là tốc độ quay trục chính.
Từ các phương trình hồi quy đã thu chúng ta có các kết quả quan
hệ dưới định dạng contour hoặc 3D giữa các thơng số như sau:

Hình 4.26 Đồ thị quan hệ giữa ffa với S và F ở chế độ Z= 0.05mm

Hình 4.33 Đồ thị quan hệ giữa bc với S và F ở chế độ Z= 0.05 mm

Hình 4.39 Đồ thị quan hệ giữa hc với Z và F ở chế độ S=6000v/p

21


Hình 4.48 Đồ thị quan hệ giữa Ra với Z và S ở chế độ F= 550mm/p
4.2.4. Tối ưu hóa bài toán.
Với các kết quả đã đạt được, chúng ta thấy rằng khi muốn đạt
được kích thước vết tiếp xúc tốt thì chiều sâu cắt dọc phải bé. Tuy
nhiên chiều sâu cắt dọc bé sẽ làm cho quãng đường dịch chuyển
dụng cụ khi gia công tăng, điều này đồng nghĩa với việc thời gian gia
công sẽ lớn. Việc này gây xung đột lợi ích giữa chất lượng với năng
suất gia công. Để giải quyết vấn đề này một cách hợp lý nhất chúng
ta nên đưa bài toán về tối ưu hóa đa mục tiêu với các nhiệm vụ riêng
biệt. Trong đó hợp lý nhất là bài tốn đi tìm cực đại bộ giá trị (bc, hc,
F, Z) với điều kiện Ra và ff phải thỏa mãn yêu cầu về độ bóng và
cấp chính xác gia cơng. Bài tốn sẽ được miêu tả theo dạng đi tìm 
= [z, S, F] để:
 Tối thiểu hóa thời gian gia cơng (tối đa hóa z và tối đa hóa F);
 Tối đa hóa vết tiếp xúc (cực đại lc và cực đại hc).
Đồng thời thỏa mãn điều kiện: Ra  [Ra], ff  [ff]6000  S 
10000, 550  F  2200 và 0.05  Z  0.2
Để giải bài toán này chúng ta sử dụng thuật tốn NSGA-II để tìm
kết quả tối ưu, sau khi chạy thuật toán với bộ tham số (20-20-0.9-1020) khi khơng có ràng buộc thì kết quả nhận được là bộ thông số gia
công tối ưu như trên hình 4.50.

Hình 4.50 Đồ thị Pareto tối ưu trong trường hợp không ràng buộc
Trong trường hợp chúng ta cần chế tạo bộ truyền có độ nhám bề
mặt Ra  0.63m và độ chính xác hình dạng profile đạt cấp cấp 4 (ffa
 6m) chúng ta loại bỏ nhưng điểm không khả thi (những điểm
nghiệm màu đỏ trên hình 4.51) và chương trình đề xuất bộ nghiệm ở

lượt chạy thứ 2352 với (Z=0.058 mm, F=1818 mm/p, S=9102 v/p)
và cho ta kết quả dự đoán (bc=19.90 mm, hc=5.35 mm, ffa=3.44 m,
Ra =0.542 m). Chạy thử bộ thông số đề xuất chúng ta thu dược kết
22


quả thực sai lệch với thơng số tính tốn lần lượt là: bc 7%, hc 6%, ff
3% và Ra 6%. Sai lệch này là chấp nhạn được trong gia công cơ khí.

Hình 4.51 Đồ thị Pareto tối ưu trong trường hợp có ràng buộc
Kết luận chương 4
1. Đã xây dựng được các hàm hồi quy thực nghiệm giữa các thông số
công nghệ (F, S, z) với độ nhám bề mặt (Ra), sai lệch hình dạng
(ffa), kích thước vết tiếp xúc (bc, hc) khi gia công tinh bộ truyền
BRCG Z16-11 m8 khi gia cơng trên máy phay CNC 3 trục, đây
chính là cơ sở để các nhà thiết kế có thể lựa chọn phướng án khi gia
công BRCG trên máy phay CNC 3 trục và là tiền đề cho việc nghiên
cứu các loại bánh răng khác.
2. Đã xây dựng được giải pháp để đảm bảo được yêu cầu về kích
thước vết tiếp xúc khi gia công BRCG Z11-16m8 trên máy phay
CNC.
3. Đã tìm ra được giải pháp xử lý xung đột về lợi ích giữa năng suất
gia cơng với chất lượng gia công khi gia công BRCG trên máy phay
CNC.
.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Xây dựng được quy trình gia cơng BRCG trên máy phay CNC 3
trục bằng phương pháp gia công SSM.
2. Xây dựng được phương trình xác định sai lệch hình dạng của
đường thân khai trong thiết kế bằng đồ họa.

3. Xây dựng được quy trình kiểm tra độ chính xác về các kính thước
vi mơ trên máy ZE800 cho BRCG
4. Xây dựng được cơng cụ tính tốn sự thay đổi điểm tiếp xúc trong
BRCT khi có sai số trên phần mềm Matlab.
5. Xây dựng được chương trình APD để tạo cơ sở dữ liệu đầu vào
cho q trình gia cơng BRCG..
6. Xây dựng được phương pháp đảm bảo độ chính xác thiết kế về sai
lệch hình dạng profile khi thiết kế BRCG.
23


7. Xây dựng được công thức hồi quy thực nghiệm (4.29) để biểu diễn
mối quan hệ giữa các yếu tố gia công đến độ nhám bề mặt khi gia
công tinh BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC.
8. Xây dựng được công thức hồi quy thực nghiệm (4.30) để biểu diễn
mối quan hệ giữa các yếu tố gia công đến độ sai lệch hình dạng
profile khi gia cơng tinh BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC.
9. Xây dựng được công thức hồi quy thực nghiệm (4.31) để biểu diễn
mối quan hệ giữa các yếu tố gia công đến chiều dài vết tiếp xúc khi
gia công tinh BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC.
10. Xây dựng được công thức hồi quy thực nghiệm (4.32) để biểu
diễn mối quan hệ giữa các yếu tố gia công đến chiều rộng vết tiếp
xúc khi gia công tinh BRCG Z16-11 m8 trên máy phay CNC.
11. Xây dựng được bộ thông số gia công tinh BRCG Z16 m8 trên
máy phay CNC ứng với từng điều kiện đầu vào về kích thước vết
tiếp xúc của bộ truyền.
PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Nghiên cứu, phát triển chương trình Matlab về xác định dữ liệu
điểm tiếp xúc để mô hình hóa vết tiếp xúc và tìm ra quy luật hiệu
chỉnh dụng cụ gia công hoặc bề mặt để tối ưu vết tiếp xúc

2. Nghiên cứu mở rộng các yếu tố thực nghiệm khác như vật liệu gia
công, dụng cụ gia cơng, ….
3. Nghiên cứu và phân tích dữ liệu bằng phương pháp khác như hệ
thống logic mở hoặc Nơron để tăng cường khả năng dự đoán sự ảnh
hưởng của các yếu tố cơng nghệ ra ngồi miền nghiên cứu cho phép.
4. Sử dụng các phương pháp đánh giá có trọng số để xếp loại các
phương án gia công từ dự liệu tối ưu hóa đa mục tiêu.

24