ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU NGUYỄN THỊ HẢI THÁI NGUYÊN, NĂM 2012 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơ cấu bánh cấu phổ biến truyền động khí Các cấu bánh truyền thống (bánh trụ, bánh côn, trục vít bánh vít, bánh răng) nghiên cứu hoàn chỉnh mặt lý thuyết phương pháp chế tạo Tuy nhiên với cấu bánh truyền thống có độ cứng vững cao, chế tạo đơn giản có bậc tự nên khả linh hoạt Cơ cấu cầu phát minh Pan Cunyun Shang Jianzhong vào năm 1990 cấu có nhiều bậc tự do, khả linh hoạt cao truyền chuyển động truyền lực khơng gian.Về ngun lí, cấu hoạt động khớp cầu không gian với khả truyền động ăn khớp Trên giới cấu cầu ứng dụng cấu địi hỏi tính linh hoạt độ xác cao truyền động khớp cổ tay, cánh tay rôbốt, máy dẫn đường cho tên lửa, hệ thống điều khiển ăngten vệ tinh, cấu phun sơn… Theo tài liệu công bố gần [1]… [7], cấu cầu nghiên cứu hoàn thiện mơ hình truyền động, mơ hình tốn học, cấu trúc động lực học Việc thiết kế chế tạo hoàn chỉnh cấu cầu chưa công bố Trong tài liệu nghiên cứu công bố cấu cầu: tác giả S.-C Yang đưa mơ hình tốn học cầu loại vành liên tục bậc tự [1]; tác giả Li Ting Pan Cunyun nghiên cứu máy mài ứng suất tiếp xúc cấu cầu [2]; đặc tính tiếp xúc cặp bánh cầu kết nghiên cứu hai tác giả Li-Chi Chao Chung-Biau Tsay[3] Các nghiên cứu đưa mơ hình đặc điểm động học cấu cầu mà chưa đưa thiết kế cụ thể để chế tạo cặp truyền động cầu Từ lý nêu trên, tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế, mô chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1.Ý nghĩa khoa học Sự khác biệt cấu cầu bánh truyền thống đường thân khai cầu Sự hình thành đường thân khai sở để hình thành yếu tố hình học cấu cầu Tuy vậy, phương trình biên dạng vành cầu thân khai có quan hệ với bánh trụ trịn Qua đó, ta xác định phương trình biên dạng cầu Nhận thấy bề mặt vành cầu bề mặt không gian có cấu tạo hình học phức tạp, profile đường thân khai phẳng, dựa sở để chế tạo cấu cầu Các nghiên cứu cầu chưa hoàn thiện, việc thiết kế chế tạo cầu cần thiết Chế tạo cầu đạt độ xác cao vấn đề lớn mà nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Vì mục tiêu chủ yếu đề tài thiết kế chế tạo cặp cầu đảm bảo độ xác yêu cầu 2.2.Ý nghĩa thực tiễn Thiết kế cấu cầu làm sở cho việc chế tạo cầu có ý nghĩa lớn Nếu thành cơng chế tạo cầu nước Đây điều kiện quan trọng để phát triển sản phẩm ứng dụng kỹ thuật Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết khớp nối mềm dùng cấu cầu - Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu - Mô trình chế tạo khớp nối mềm dùng cấu cầu - Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu - Kiểm tra độ xác Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nội dung nghiên cứu kết dự kiến đề tài Chương 1: Tổng quan cấu cầu Chương 2: Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương 3: Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương 4: Đánh giá kết thực nghiệm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Sự hình thành cấu cầu 1.1.1 Sự hình thành bề mặt vành cầu thân khai Trên hình 1.3 mơ tả nguyên tắc hình thành bề mặt vành thân khai Ở C đường tròn sở, KK đường sinh, N S hai giao điểm mặt cầu sở với trục quay, KK trục quay nằm mặt phẳng với đường tròn sở Hình 1.3.Sự hình thành bề mặt vành thân khai 1.1.2 Sự hình thành cấu cầu vành thân khai 1.2 Đặc điểm kết cấu lắp ráp cấu cầu Hình 1.6 Mặt nón ăn khớp cấu cầu Mặt cầu sở Hình 1.5 Sơ đồ lắp ghép cấu cầu 1.3 Đặc điểm truyền động cấu cầu Khi cặp bánh cầu ăn khớp, điểm tiếp xúc hình cầu tạo nên dao động lắc ngang tuý từ đầu đến cuối Vì lý này, hai biên dạng tiếp xúc từ đầu đến cuối trình ăn khớp 1.4 Điều kiện ăn khớp cấu cầu Mơđun mặt sở góc áp lực phải nhau, giá trị tiêu chuẩn hoá: mn1 = mn2 = m αn1 = αn2 = α Ngoài hai cấu cầu ăn khớp phải đôi với cấu lồi cấu lõm 1.5 Điều kiện truyền động liên tục cấu cầu Độ dài đường thẳng tiếp xúc thực tế, khoảng cách pháp tuyến liền kề, công thức tính tốn độ trùng khớp, tất nhau: ε= B1B2 =  Z1 ( tgα a1 − tgα ') + Z ( tgα a − tgα ' )  / 2π   pb (1) Ở đây, B1B2 chiều dài đường ăn khớp thực, p b khoảng cách chuẩn cấu cầu Z1,Z2 số bánh tương ứng, αn1, αn2 góc áp lực hai bánh tương ứng, α góc ăn khớp 1.6 Phương trình tham số biên dạng ∑1 cấu cầu thứ x10 = rb [ sin(u ) − u cos(u )]   y10 = rb [ cos(u ) + u sin(u ]   z10 =  Ở u = θ k + α k gọi góc cuộn θ k = tgα k − α k gọi hàm số thân khai α k góc áp lực điểm k đường thân khai, r b bán kính đường trịn sở Trong hệ toạ độ Y-X phương trình tham số đường thân khai có thay đổi sau đây: Đường thân khai Vành thân khai Hình 1.7 Hệ tọa độ cấu cầu vành thân khai 1.7 Phân tích động học cấu cầu 1.7.1 Mơ hình tốn học chuyển động cấu cầu Trước tiên, quay trục ym đến trục ym (yn), thay đổi hệ trục ( O, x j , y j , z j ) thành hệ trục ( O, xm , ym , zm ) Thứ hai, quay trục ym đến trục ym (yn), thay đổi hệ trục ( O, xm , ym , zm ) thành hệ trục ( O, xn , yn , zn ) Cuối cùng, quay trục yn đến trục yj, thay đổi hệ trục ( O , xn , y n , z n ) thành hệ trục ( O, x j , y j , z j ) Kể từ hệ trục ( O, xi , yi , zi ) trục K khơng có quay với góc θ , mối quan hệ vị trí hệ toạ độ ( O, xi , yi , zi ) hệ toạ độ ( O, xm , ym , zm ) giống mối quan hệ vị trí hệ toạ độ ( O, x , y , z ) hệ toạ độ ( O, xn , yn , zn ) Từ công thức mối quan j j j hệ hai hệ toạ độ mô tả ma trận (29) Hình 1.9: Phép quay hai hệ trục toạ độ 1.7.2 Phân tích động học cấu cầu (a) 10  θ1 = arccos ( cosθ1x cos θ1z )     − sin θ1z  α = arcsin   − cos θ1x cos θ1z      θ2 = −iθ1  θ1z = arcsin  cos α cos ( θ / i )  −       sin ( θ / i )  θ1x = arccos    − cos α c sin ( θ / i )      1.8 Kết luận: Nội dung chương giải vấn đề sau: - Cơ cấu bánh cầu cấu truyền động không gian Về mặt nguyên lý cho phép truyền động bề mặt cầu với cấu bánh cầu tùy ý với tỉ số truyền xác định Tuy nhiên hạn chế mặt kết cấu nên nhà nghiên cứu giới đưa cấu hai bậc tự Để phát triển mơ hình ứng dụng bánh cầu cần có nghiên cứu - Các khảo sát đặc điểm kết cầu lắp ráp, đặc điểm truyền động, điều kiện ăn khớp đúng, điều kiện trùng khớp, phương trình tham số biên dạng bánh cầu nhằm làm sở cho việc thiết kế động học cho máy móc dùng để chế tạo bánh cầu - Việc phân tích động học cấu bánh cầu nhằm làm sở cho nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo bánh cầu xác, hiệu theo yêu cầu kỹ thuật 11 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU 3.1 Tính tốn, thiết kế cấu: 3.1.1 Tính tốn thơng số cấu: Đường kính vịng chia: d = m*Z =3*25=75 (mm) Đường kính vịng đỉnh: da= d + 2*m =75+2*3=81 (mm) Đường kính vịng chân: df = d – 2,5*m =75-2,5*3=67,5 (mm) Chiều cao : h = (2+2,5)* m/2=(2+2,5)*3/2=6,75 (mm) Biên dạng bánh thân khai hình 3.2 xây xựng cho bánh cầu lồi, trục xoay x-x qua tâm bánh trung điểm đỉnh x β Trục xoay Vòng đỉnh Đường thân khai Vòng chia Vòng sở Vòng chân α O x Hình 3.1 Biên dạng bánh thân khai 12 Các thông số tương tự cho cấu cầu lõm Chỉ khác lúc trục quay qua rãnh 3.1.2 Hình học cấu cầu: Truïc xoay Truïc xoay O O Như ta thấy biên dạng cong bánh cầu trục quay mặt cắt biên dạng thân khai, tất đường thân khai tạo thành vành cong 3.2 Các giải pháp chế tạo cầu: 3.2.1.Phương pháp chép hình Gia cơng chép hình cấu cầu có hai phương pháp tiện chép hình phay chép hình 3.2.1.1 Phương pháp tiện chép hình n1 Cơ cấu cầu Bánh cầu O n Dao tiện 13 fđộ T Hình 3.3 Sơ đồ tiện chép hình cấu cầu 3.2.1.2 Phương pháp phay chép hình Bánh cầu n1 O Cơ cấu cầu n fđộ S Dao phay nd Hình 3.4 Sơ đồ phay chép hình cấu cầu Phương pháp cho độ xác khơng cao, độ xác chi tiết gia cơng phụ thuộc chủ yếu vào độ xác chế tạo dụng cụ cắt độ xác q trình phân độ, định vị Phương pháp áp dụng sản xuất đơn loạt nhỏ, cho truyền có độ xác khơng cao 3.2.2 Phương pháp bao hình 3.2.2.1 Phương pháp tiện bao hình Bánh cầu Cơ cấu cầu Dao O n2 14 T Hình 3.5 Sơ đồ tiện bao hình cấu cầu 15 3.2.2.2 Phương pháp phay bao hình phay bao hình n1 O Cơ cấu cầu Bánh cầu n2 T Dao phay nd Hình 3.7 Sơ đồ phay bao hình cấu cầu Phay bao hình cấu cầu cho suất cao có nhiều lưỡi cắt đồng thời tam gia cắt đồng thời đem lại chất lượng cho bề mặt chi tiết gia cơng 3.2.2.3 Phương pháp mài bao hình 3.2.3 Phân tích lựa chọn phương pháp: Trong điều kiện sản xuất loạt nhỏ sử dụng giải pháp tiện chép hình cấu cầu trung tâm tiện CNC Để đảm bảo độ xác, dao tiện chép hình theo biên dạng rãnh máy cắt dây Tuy nhiên, biện pháp gia cơng thơ, độ xác chất lượng bề mặt phụ thuộc nhiều yếu tố, đó, giải pháp tiện chép hình nên sử dụng nguyên công gia công thô Điều cần ý giải pháp công nghệ để đảm bảo chất lượng đồng tồn bề mặt gia cơng 3.3 Thiết kế, chế tạo dao tiện: 3.3.1 Những vấn đề tiện chép hình 16 3.3.2 Thiết kế dao tiện chép hình cắt mơđuyn m = 3, Z tđ = 25: 3.3.2.1 Vật liệu dụng cụ cắt: *) Vật liệu phần cắt: Sử dụng hợp kim cứng hai các-bít T15K6 *) Vật liệu phần thân dao: Sử dụng thép các-bon dụng cụ Y10 để làm phần thân dao 3.2.2.2 Thiết kế phần thân khai hiệu dụng prôfin: Biết thông số sau cấu cầu cần gia công sau: Mô đun: m = Số răng: Ztđ = 25 Góc prơfin dạng bánh răng: α∂ = 200 3.3.2.4 Xác định góc độ dao: a) Góc trước: Góc trước: γ = 0º - Để đơn giản việc chế tạo giữ prơfin khơng đổi q trình mài sắc dao b) Góc sau: Đối với dao hợp kim cứng, lượng chạy dao S ≤ 0,25mm/vịng, dao tiện có góc sau α = 12º Hình ảnh dao tiện sau: 17 Hình 3.13 Mảnh dao tiện chép hình 3.3.3 Chế tạo dao tiện: Mảnh dao sau cắt máy cắt dây hàn với thân dao Hình ảnh cắt mảnh dao tiện định hình sử dụng để cắt cấu cầu sau: Hình 3.14 Quá trình cắt dây tạo biên dạng phần cắt dao tiện định hình 3.4 Chế tạo thực nghiệm: 18 3.4.1 Gá dao: Để đảm bảo biên dạng thân khai không bị biến dạng, dao tiện phải gá ngang tâm Với lần phân độ gia công rãnh đặt thêm phiến tì định vị 3.4.2 Phôi Phôi thực nghiệm cho gia công phơi hợp kim nhơm Sau số hình ảnh phôi ban đầu phôi sau tiện cầu máy tiện CNC: 19 3.4.3 Chế độ cắt tiện máy CNC: 3.4.3.1 Chiều sâu cắt tiện: Để đạt nhám bề mặt gia công Ra = 0,8, chiều sâu cắt tiện t = 0,1 - 0,4 mm Chọn t = 0,2 mm 3.4.3.2 Lượng chạy dao (bước tiến) S, mm/vòng: Lượng chạy dao S = 0,04 - 0,085mm Chọn lượng chạy dao S = 0,05 mm 3.4.3.3 Tốc độ cắt: Quan hệ tốc độ cắt số vịng quay trục chính: n D t t Hình 3.17: Sự biến thiên đường kính gia cơng tốc độ trục theo thời gian 3.5 Nhận định kết quả: 20 3.5.1.Thuận lợi: So với phương pháp khác sử dụng để gia công cấu cầu phương pháp tiện chép hình có số ưu điểm bật sau: - Nguyên lý gia công tương đối đơn giản - Dụng cụ cắt chế tạo dễ dàng phương pháp cắt dây mà đảm bảo xác biên dạng thân khai - Chi tiết sau gia công phương pháp tiện định hình đảm bảo độ xác biên dạng thân khai đảm bảo độ xác ăn khớp - Chi phí gia cơng tương đối thấp 3.5.2 Khó khăn: Tuy vậy, tiện chép hình dùng việc gia cơng thơ cịn tồn hạn chế sau: - Trong trình cắt, biên dạng dao phức tạp bề rộng cắt lớn, góc độ dao thay đổi liên tục, lực cắt, nhiệt cắt lớn, chất lượng bề mặt chi tiết gia công chưa cao không đồng bề mặt bề mặt - Độ xác ăn khớp thấp việc định tâm quay cấu cầu chưa xác, gây lực ép lên bề mặt làm trầy xước mặt - Góc sau dao thay đổi liên tục trình gia cơng, ngun nhân làm giảm xác biên dạng thân khai Tuy nhiên, lượng sai số nằm phạm vi cho phép - Ảnh hưởng sai số gá đặt định vị đến độ xác hình học lớn 21 Để khắc phục tình trạng trên, trình cắt máy tiện CNC, điều chỉnh chế độ cắt với vận tốc không đổi suốt q trình gia cơng để đảm bảo chất lượng đồng toàn bề mặt răng, đồng thời sử dụng dung dịch tưới nguội để giảm nhiệt cắt Với ưu điểm hạn chế trên, tiện chép hình cấu cầu máy CNC nên dùng cho nguyên công gia công bán tinh, để nâng cao chất lượng bề mặt cấu cầu, thể dùng phương pháp mài nghiền 22 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết nghiên cứu: Nghiên cứu cấu bánh cầu cho khớp nối mềm cho thấy cấu bánh cầu có khả chuyển động linh hoạt khơng gian, có nhiều ứng dụng thực tế Mơ hình thiết kế với bậc tự do, cho phép điều chỉnh góc theo tọa độ cầu phạm vi giới hạn cấu cầu Việc nghiên cứu, đề xuất phương pháp chế tạo bánh cầu cần tập trung nghiên cứu để đưa giải phương pháp gia công đạt hiệu Các nghiên cứu trình bày đạt mục tiêu đề tài với kết sau: • Mơ hình hóa hình học bề mặt bánh cầu, đặc điểm truyền động cấu bánh cầu • Đưa phương án thiết kế mơ hình cấu bánh cầu theo hai tham số modul số kết hợp với việc xây dựng biên dạng thân khai hình học giải tích, đảm bảo độ biên dạng cấu • Thiết kế hồn chỉnh cấu bánh cầu phần mềm Catia V5R20 • Đề xuất số giải pháp gia công chế tạo chi tiết bánh cầu • Chế tạo thành cơng khớp nối linh động dùng cấu cầu, truyền bánh cầu chế tạo phương pháp tiện chép hình đạt yêu cầu kỹ thuật 4.2 Hướng phát triển đề tài Một số hướng nghiên cứu cần thiết để tiếp tục phát triển đề tài: 23 • Gia cơng tinh bánh cầu phương pháp mài nghiền bao hình • Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm bánh cầu theo phương pháp phay chép hình • Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm bánh cầu theo phương pháp phay mài bao hình • Phát triển ứng dụng khớp nối mềm định hướng linh hoạt dùng cấu cầu khớp cầu định tâm cấu để nâng cao độ xác ăn khớp 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến (1970), Nguyên lý máy, Nhà xuất Đại học trung học chuyên nghiệp, Hà Nội [2] PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển (2001), Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Nhà xuất Giáo dục Tiếng Anh [1] S.-C Yang, Mathematical Model of a Ring-Involute-Teeth Spherical Gear with a Double Degree of Freedom, Department of Mechanical Engineering, Kunshan University of Technology, Da Wan Road, Tainan Hsein, [2] Li Ting , Pan Cunyun, On grinding manufacture technique and tooth contact and stress analysis of ring-involute spherical gears, School of Mechatronics and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China [3] Li-Chi Chao, Chung-Biau Tsay, Contact characteristics of spherical gear, Department of Mechanical Engineering, National Chaio Tung University, Hsinchu 30010, Taiwan [4] Shyue-Cheng Yang, Chao-Kuang Chen, Ke-Yang Li, A geometric model of a spherical gear with a double degree of freedom, J Mater Process Technol.123 (2002) 219–224 [5] Journal of Materials Processing Technology 95 (1999) 169±179, Rapid prototyping and manufacturing technology applied to the forming of spherical gear sets with skew axes 25 [6] Mechanism and Machine Theory 44 (2009) 1807–1825, On grinding manufacture technique and tooth contact and stress analysis of ring-involute spherical gears [7] Sande GAO, Atsushi KATO and Xiaochu TANG Iwaki Meisei University,Japan Liaoning Shihua University, China-a new type of spherical involute gear 26 ... Nghiên cứu lý thuyết khớp nối mềm dùng cấu cầu - Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu - Mô trình chế tạo khớp nối mềm dùng cấu cầu - Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu - Kiểm tra độ xác Phương... hợp với thực nghiệm Nội dung nghiên cứu kết dự kiến đề tài Chương 1: Tổng quan cấu cầu Chương 2: Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương 3: Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương... giải pháp công nghệ chế tạo bánh cầu xác, hiệu theo yêu cầu kỹ thuật 11 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU 3.1 Tính tốn, thiết kế cấu: 3.1.1 Tính tốn thơng số cấu: Đường kính