Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cam của trục cam DS60 động cơ Diesel bằng phương pháp bao hình và các giải pháp công nghệ bề mặt nâng cao chất lượng của cam

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


6
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu trong phòng Thí nghiệm, về phương pháp xây dựng phương trình
các đường cong và bề mặt trong công nghệ tái tạo ngược từ những điểm thí nghiệm
có được từ chi tiết mẫu, nghiên cứu khả năng cắt của dao phay ngón phủ PVD
(AlTiN) gia công thép hợp kim 40X đã qua nhiệt luyện đạt 50HRC 55HRC, kiểm
tra chất lượng bề mặt của chi tiết bằng máy đo độ nhám. Sử dụng máy đo 3 chiều
CMM nhằm kiểm tra sai số biên dạng chi tiết với mẫu đo ban đầu.
5. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết
+ Ứng dụng công nghệ tái tạo ngược vào:
- Thu thập tọa độ các điểm thông qua các phương pháp đo trong kỹ thuật tái
tạo ngược.
- Xử lý dữ liệu tìm ra phương trinh đường cong biên dạng chi tiết.
- Xây dựng bản vẽ chi tiết.
+ Thí nghiệm gia công biên dạng bằng phương pháp phay sau nhiệt luyện bằng dao phủ
PVD (TiAlN).
+ Kiểm tra độ chính xác hình dáng hình học, chất lượng bề mặt sau gia công từ đó đưa
ra đánh giá và so sánh với các phương pháp gia công cơ khác.
+ Phân tích đánh giá hiệu quả của phương pháp gia công phay với phương pháp mài.
6. Dự kiến kế hoạch thực hiện
Từ ngày 30/07/2008 đến ngày 30/01/2009
7. Tài liệu tham khảo
1. Bùi Quý Lực, Phương pháp xây dựng bề mặt cho CAD/CAM, NXB Khoa học và
kỹ thuật.
2. Trịnh Quang Vinh, Trần Văn Lầm, Phan Quang Thế, Vũ Quý Đạc (2000),
Giáo trình Nguyên lý máy, Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
3. Nguyễn Trọng Bình (2003), Tối ưu hoá quá trình gia công cắt gọt, NXB
Giáo dục.
4. Lê Công Dƣỡng (1996), Vật liệu học, NXB Khoa học kỹ thuật.
5. B.N. Arzamaxov (2004), Vật liệu học, NXB Giáo dục.
6. Trần Văn Địch (2004), Công nghệ CNC, NXB Khoa học và kỹ thuật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


7
7. Trần Hữu Đà, Nguyễn Văn Hùng, Cao Thanh Long (1998), Cơ sở chất
lượng của quá trình cắt, Trường Đại học KTCN Thái Nguyên.
8. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Trần Sỹ Tuý (2001), Nguyên lý gia công
vật liệu, NXB Khoa học kỹ thuật.
9. Trần Mao, Phạm Đình Sùng (1998), Vật liệu cơ khí, NXB Giáo dục.
10. Trần Ngọc Hiền, Lập trình và điều khiển máy CNC với Mastercam Đại
học GTVT.
11. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh (2006), Lập trình Matlab và ứng
dụng, NXB khoa học kỹ thuật.
12. NUMERICAL METHODS FOR ENGINEERINGS (Steven C. Chapra
.Ph.D-Proessor of civil Engineering The University of Colorado ; Raymond
P.Canale. Ph.D-Professor of Civil Engineering The University of Michigan).
13. Operation's manual for machining center Fanuc Series O-MD, Oi Mate-TC
14. Advanced Modelling for CAD/CAM System. (Heidelberg 1991)
15. Mastercam Version 9.0 User Guide, Software Mastercam Version 9.0, 9.1.
Mechanical Design Solutions 1,2,3. Catia V5R16.

Duyệt BGH Khoa sau Đại học






TS. Nguyễn Văn Hùng
Hƣớng dẫn
khoa học





PGS.TS Phan Quang Thế
Học viên






Ngô Ngọc Vũ

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay để gia công tinh các bề mặt tròn xoay trong chế tạo máy thường dùng
các phương pháp gia công phổ biến như mài và tiện cứng.
Đối với các bề mặt định hình không phải là mặt tròn xoay thường dùng phương
pháp mài chép hình, gia công tia lửa điện, phay bao hình trên trung tâm phay CNC
Trong thực tế khi sản xuất loạt lớn, hàng khối thường sử dụng mài chép hình và phay
bao hình, với phương pháp gia công tia lửa điện chỉ sử dụng đối với các bề mặt phức
tạp, đòi hỏi độ chính xác vì giá thành gia công cao và tốn nhiều thời gian [4].
Mài chép hình là phương pháp gia công tinh theo biên dạng chi tiết mẫu trên các
máy mài chuyên dùng. Mài chép hình có ưu điểm là cho năng suất và chất lượng cao
[7]. Tuy nhiên có nhược điểm là độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết phụ
thuộc rất nhiều vào độ chính xác của chi tiết dùng làm chi tiết mẫu trong suốt quá trình
gia công, vào độ chính xác của máy mài và chất lượng của đá mài. Phương pháp này
thực hiện bằng cách chi tiết mẫu được lắp lên một trục riêng và thực hiện chuyển động
quay, chi tiết gia công được lắp lên trục chính, bề mặt chi tiết luôn tiếp xúc với bề mặt
đá mài. Trục chính mang chi tiết gia công có một đầu tỳ luôn tiếp xúc với bề mặt chi tiết
mẫu để khi gia công, trục chính sẽ chuyển động tịnh tiến ra vào nhằm tạo ra chuyển
động chép hình trên chi tiết gia công. Có một số chi tiết khi chế tạo dùng phương pháp
này như: mài chép hình biên dạng cam, biên dạng răng của các bánh răng . . .
Một cách giải quyết khác đối với gia công tinh các bề mặt định hình không tròn
xoay, không cần sử dụng chi tiết mẫu trong quá trình gia công đó là phương pháp phay
bao hình trên trung tâm phay CNC. Phương pháp này có ưu điểm là :
- Có thể thực hiện chuyển động bao hình theo toạ độ biên dạng chi tiết.
- Phương pháp này có thể tạo ra trực tiếp biên dạng các chi tiết mà không cần
qua chi tiết mẫu và độ chính xác chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của máy và biên dạng
ban đầu của mẫu.
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là do lượng kim loại hớt đi nhiều
và gia công thép đã qua nhiệt luyện nên đòi hỏi phải gia công trên máy có độ chính xác
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5
cao và dụng cụ cắt phải tốt. Có thể khắc phục bằng cách sử dụng các máy phay CNC và
dụng cụ phủ PVD, CVD hay CPN. . . để gia công.
Để thực hiện phương pháp này, biên dạng chi tiết mẫu sẽ được thiết kế dựa vào
công nghệ tái tạo ngược. Công việc này được thực hiện như sau:
+ Xác định tọa độ các điểm trên biên dạng chi tiết mẫu bằng các phương pháp đo
tọa độ.
+ Xây dựng phương trình các đường cong của biên dạng chi tiết mẫu trên cơ sở
dữ liệu điểm thu thập đươc [14].
+ Xây dựng bản vẽ thực của chi tiết mẫu từ phương trình đường cong.
+ Sử dụng công nghệ CAD/CAM/CNC thiết kế và gia công.
+ Kiểm tra độ chính xác hình dáng hình học bằng cách so sánh mô hình CAD và
sản phẩm.
Với phương pháp này có thể sử dụng để gia công các chi tiết có biên dạng phức
tạp mà nhiều khi phương pháp mài chép hình không gia công được hay khó gia công.
Xuất phát từ đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cam của trục cam DS60
động cơ Diesel bằng phương pháp bao hình và các giải pháp công nghệ bề mặt
nâng cao chất lượng của cam” được chọn làm đề tài trong luận văn này. Chi tiết cam
sẽ được sử dụng như một chi tiết điển hình trong nghiên cứu sử dụng phương pháp
phay bao hình ứng dụng công nghệ tái tạo ngược trong thiết kế và chế tạo.
Cam sử dụng trong nghiên cứu này là cam bơm nhiên liệu trong các động cơ
Diesel do công ty Diesel Sông Công chế tạo. Loại cam này đang chế tạo bằng phương
pháp chép hình trên máy mài chép hình của Nga (3M344) theo biên dạng cam mẫu, sau
khi chế tạo xong mới được lắp lên trục cam. Quy trình chế tạo Cam là mài chép hình
thô, nhiệt luyện sau đó mài tinh là công đoạn cuối cùng. Đây là phương pháp gia công
cam truyền thống được sử dụng chủ yếu trong công nghệ chế tạo cam bơm nhiên liệu
nói chung và ở công ty Diesel nói riêng. Cam mẫu được sử dụng để mài biên dạng cam
theo nó. Vì vậy, việc chế tạo cam mẫu là một trong những bước quyết định trong chế
tạo cam. Cam mẫu phải có độ chính xác cao phù hợp với máy mài hiện có. Trên cơ sở
máy mài của Nhà máy, cam mẫu phải có kích thước lớn gấp 4 lần cam thật, nhằm để
đảm bảo độ chính xác. Biên dạng của cam mẫu được xây dựng dựa trên biên dạng cam
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6
khởi thủy ban đầu có kích thược giống với kích thước cam thật. Như vậy, việc chế tạo
cam theo phương pháp chép hình đã có sai số khi chế tạo cam mẫu.
Với phương pháp phay bao hình:
+ Phương pháp phay sau nhiệt luyện không phụ thuộc hoàn toàn vào cam mẫu,
độ chính xác của đá mài mà chỉ phụ thuộc vào chất lượng ban đầu của cam mẫu về
hình dáng hình học.
+ Biên dạng chi tiết được thiết kế bằng phương pháp tái tạo ngược cho độ chính
xác cao.
+ Áp dụng được các công nghệ hiện đại như công nghệ CAD/CAM/CNC, công
nghệ tái tạo ngược thay cho các công nghệ gia công truyền thống mà vẫn đảm bảo
được các tính chất cơ bản của chi tiết.
Với đề tài này, ngoài sử dụng cho chế tạo cam bơm nhiên liệu của động cơ
Diesel còn có thể mở rộng để ứng dụng chế tạo các chi tiết có biên dạng phức tạp mà
phương pháp mài chép hình không thực hiện đươc hay thực hiện không hiệu quả.
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn chủ yếu trong phạm vi thiết kế, chế tạo
cam bơm nhiên liệu của đông cơ Diesel DS60 trên máy phay CNC sử dụng dao phay
ngón phủ PVD (TiAlN) với vật liệu Cam là thép hợp kim 40X đã qua nhiệt luyện đạt độ
cứng trong khoảng 50HRC 55HRC. Biên dạng cam được thiết kế nhờ vào công nghệ
tái tạo ngược sử dụng các phương pháp đo và phương pháp toán giải tích.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ngày nay công nghệ CAD/CAM/CNC và công nghệ tái tạo ngược đang được
ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất các sản phẩm cơ khí chất lượng cao, nhờ vào các
công nghệ này mà chúng ta có thể sản xuất được những sản phẩm cơ khí chất lượng có
tính kinh tế và kỹ thuật cao. Bên cạnh đó không thể không kể đến tầm quan trọng của
các loại dụng cụ mới như dụng cụ phủ PVD, CVD . . . đã đem lại hiệu quả kinh tế cao
trong ngành cơ khí chế tạo.
Các kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học:
- Nghiên cứu kết hợp công nghệ CAD/CAM/CNC và công nghệ tái tạo ngược.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7
- Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp xây dựng đường cong trong thiết kế
CAD/CAM nhằm xây dựng phương trình biên dạng cam và mở rộng cho các
chi tiết có biên dạng phức tạp.
- Nghiên cứu khả năng cắt của dao phay ngón phủ PVD (TiAlN) gia công thép
hợp kim 40X đã qua nhiệt luyện đạt độ cứng 50HRC 55HRC trên trung
tâm phay CNC kiểu VMC 85S.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Từ các kết quả nghiên cứu tác giả đánh giá được khả năng cắt của dao phay ngón
phủ PVD gia công thép hợp kim 40X đã qua nhiệt luyện đạt độ cứng 50HRC 55HRC
trên các trung tâm phay CNC, mà ở đây tác giả ứng dụng trực tiếp vào chế tạo Cam của
đông cơ DS60 nhằm thay thế cho phương pháp mài chép hình đã được sử dụng từ lâu
tại công ty Diesl Sông Công.
Ứng dụng được các công nghệ mới như công nghệ tái tạo ngược, công nghệ
CAD/CAM/CNC vào sản xuất các sản phẩm cơ khí chất lượng cao. Và đặc biệt ứng
dụng kỹ thuật khớp đường cong trong việc xây dựng phương trình biểu diễn biên dạng
cam từ đó có thể mở rộng để xây dựng phương trình của các đường cong và bề mặt
phức tạp trong công nghệ tái tạo ngược.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Ứng dụng công nghệ tái tạo ngược vào:
- Thu thập tọa độ các điểm thông qua các phương pháp đo trong kỹ thuật tái
tạo ngược.
- Xử lý dữ liệu tìm ra phương trinh đường cong biên dạng chi tiết.
- Xây dựng bản vẽ chi tiết.
+ Thí nghiệm gia công biên dạng bằng phương pháp phay sau nhiệt luyện bằng dao phủ
PVD (TiAlN).
+ Kiểm tra độ chính xác hình dáng hình học, chất lượng bề mặt sau gia công từ đó đưa
ra đánh giá và so sánh với các phương pháp gia công cơ khác.
+ Phân tích đánh giá hiệu quả của phương pháp gia công phay với phương pháp mài.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

8
MỤC LỤC


Danh mục các từ viết tắt 1
Danh mục các sơ đồ, bảng biểu 2
Phần mở đầu 4
Chương I : Quá trình cắt kim loại 8
1.1. Bản chất vật lí của quá trình cắt gọt kim loại 8
1.1.1. Cơ chế tạo phoi 8
1.1.2. Ma sát trong quá trình cắt kim loại 9
1.1.3. Lực tác dụng lên mặt trước và mặt sau của dụng cụ 10
1.1.4. Nhiệt trong quá trình cắt kim loại 11
1.2 Dụng cụ phủ PVD 12
1.2.1. Phủ bay hơi lý học 12
1.2.2. Đặc tính của lớp phủ 15
1.2.3. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát giữa vật liệu gia công và dụng
cụ cắt 16
1.3. Chất lượng lớp bề mặt sau gia công cơ 16
1.3.1. Khái niệm chung về lớp bề mặt 16
1.3.2. Bản chất của bề mặt 17
1.3.3. Tính chất lý hoá của lớp bề mặt 18
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ 21
1.4.1. Độ nhám bề mặt và phương pháp đánh giá 21
1.4.2. Độ sóng bề mặt 24
1.4.3. Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ 24
1.5. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công cơ 27
1.5.1. Ảnh hưởng của các thông số hình học của dụng cụ cắt 27

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9
1.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ cắt 28
1.5.3. Ảnh hưởng của lượng chạy dao 28
1.5.4. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 29
1.5.5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công 29
1.5.6. Ảnh hưởng của rung động hệ thống công nghệ 30
Chương II : Tổng quan về quá trình phay 31
2.1. Khái niệm chung 31
2.2. Lực cắt khi phay 31
2.2.1. Các yếu tố của chế độ cắt và lớp kim loại bị cắt khi phay 31
2.2.2. Phay thuận và phay nghịch 38
Chương III : Thiết lập phương trình biên dạng của Cam theo phương pháp
thực nghiệm và giải tích 42
3.1. Tổng quan về cơ cấu Cam 42
3.1.1. Các thông số hình học và động học của cơ cấu cam 42
3.1.2. Chuyển động của cần 43
3.1.3. Một vài quy luật chuyển động của cơ cấu cam 44
3.2. Thiết kế biên dạng cam lý thuyết 47
3.3. Thành lập phương trình Cam thực bằng phương pháp giải tích kết hợp với
thực nghiệm 48
3.3.1.Cơ sở toán học của các đường cong 2D dùng trong kỹ thuật 48
3.3.2. Kỹ thuật khớp đường cong (Curve fitting) 50
3.3.3. Ứng dụng xây dựng phương trình đường cong Cam 52
3.4. Thiết kế biên dạng cam từ cam bằng thực nghiệm 61
Chương IV : Nghiên cứu chế tạo Cam từ biên dạng thiết kế 64
4.1. Kỹ thuật tái tạo ngược 64
4.2. Các phương pháp quét hình 65
4.2.1.Phương pháp quang học 65
4.2.2. Phương pháp cơ học 67
4.2.3. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM 68
4.3. Công nghệ CAD/CAM 69

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

10
4.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD 69
4.3.2. Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính CAM 71
4.4.Gia công cam bằng thép hợp kim 40X độ cứng 54-55HRC bằng dao phay
ngón phủ TiAlN 73
4.4.1.Máy đo 3 chiều CMM trong thiết kế biên dạng Cam 74
4.4.2.Máy gia công 74
4.4.3. Kết cấu dao phay 75
4.4.4. Phôi gia công 76
4.4.5. Dụng cụ đo kiểm 76
4.4.6. Dung dịch trơn nguội 76
4.4.7.Thiết kế chương trình gia công 76
4.5. Chế độ cắt khi phay và kết quả thí nghiệm 79
4.6. Phân tích bề mặt sau gia công và cơ chế mòn của dao dùng gia công 79
5. Kiểm tra hình dáng hình học sau gia công 82
Chương V : Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 83
Tài liệu tham khảo 84

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật - - Chuyên nghành CN CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

11

CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng anh Tiếng việt
CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo toạ độ 3 chiều
RE Reverse engineering Kỹ thuật tái tạo ngược
Co-or. Sys Coordinate System Hệ toạ độ
VMC Vertical machining center Trung tâm gia công đứng
CAD Computer Aided Design Thiết kế với trợ giúp của máy tính
CAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất có trợ giúp của máy tính
CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính
PVD Physical Vapour Deposition Phương pháp phủ vật lý
CVD Chemical Vapour Deposition Phương pháp phủ hóa học
TiAlN Alumilum Nitơrit Titan Hợp chất phủ
CW Cutting Wire Máy cắt dây

Xem chi tiết: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cam của trục cam DS60 động cơ Diesel bằng phương pháp bao hình và các giải pháp công nghệ bề mặt nâng cao chất lượng của cam