Các phương pháp gia công bánh răng phổ biến hiện nay

Bánh răng là một bộ phận cơ khí có hình dạng hình tròn, được thiết kế với các răng hoặc các khấc đều nhau xung quanh và dùng để truyền động cơ học giữa các trục khác nhau. Bánh răng có thể được sử dụng để thay đổi hướng, tốc độ, hoặc mô-men xoắn trong các hệ thống cơ khí.

Phân loại bánh răng

• Bánh răng thẳng: Các răng của bánh răng này được cắt theo hướng song song với trục quay. Bánh răng thẳng thường được sử dụng trong các hệ thống truyền động đơn giản và có hiệu suất cao, nhưng có thể gây ra tiếng ồn khi hoạt động.
• Bánh răng xoắn ốc: Các răng của bánh răng xoắn ốc được cắt theo một góc so với trục quay. Phương pháp này giúp bánh răng hoạt động êm ái hơn so với bánh răng thẳng, nhưng lại có chi phí chế tạo cao hơn.
• Bánh răng côn: Bánh răng côn có các răng hình nón và được sử dụng trong các hệ thống truyền động mà ở đó các trục quay cắt nhau theo một góc, thường là góc vuông. Ví dụ như trong các bộ truyền động của ô tô.
• Bánh răng hành tinh: Bánh răng này bao gồm một bánh răng trung tâm (hay còn gọi là bánh răng mặt trời), các bánh răng quay xung quanh bánh răng trung tâm (gọi là bánh răng hành tinh), và một vòng ngoài gọi là vòng răng. Bánh răng hành tinh thường được sử dụng trong các bộ truyền động phức tạp.
• Bánh răng vít: Bánh răng vít có hình dạng giống như một vít, và nó tương tác với bánh răng trục vít. Phương pháp này giúp truyền động giữa các trục nằm ở góc vuông với nhau.

Kết cấu và các thông số cơ bản của bánh răng

Tùy theo cấu trúc của thiết bị, máy móc hay động cơ mà các bánh răng sẽ được thiết kế với những kết cấu riêng. Có loại thì bánh răng được chế tạo liền khối với trục, có loại thì khoét lõm, loại thì để rỗng tâm,… Trong gia công chế tạo bánh răng, cũng có một số quy tắc chung để tối ưu hóa cho hoạt động của bánh răng, như:

• Nếu đường kính ngoài d < 150mm, bánh răng thường được chế tạo liền khối và không khoét lõm.
• Nếu d < 600mm, bánh răng thường được khoét lõm xuống để giảm khối lượng.
• Nếu d > 600mm, bánh răng thường được chế tạo vành riêng bằng thép tốt, sau đó ghép vào moay ơ, cho chất lượng tốt hơn.

Về những thông số của bánh răng, có rất nhiều thông số để phục vụ cho quá trình gia công, thiết kế và lắp đặt máy. Tuy nhiên có một số thông số cơ bản bắt buộc người chế tạo cần phải nắm rõ, gồm:

• Vòng đỉnh: là đường tròn đi qua đỉnh răng ( da=m(z+2) )
• Vòng đáy: là vòng tròn đi qua đáy răng ( da=m(z-2.5) )
• Vòng chia: là đường tròn tiếp xúc với một đường tròn tương ứng của bánh răng khác khi 2 bánh ăn khớp với nhau ( d=m.Z )
• Số răng: Z=d/m
• Bước răng: là độ dài cung giữa 2 profin của 2 răng kề nhau đo trên vòng chia ( P=m. π )
• Modun: là thông số quan trọng nhất của bánh răng ( m = P/π )
• Chiều cao răng: là khoảng cách hướng tâm giữa vòng đỉnh và vòng chia ( h=ha + hf=2.25m )
• Chiều dày răng: là độ dài cung tròn giữa 2 profin của một răng đo trên vòng tròn chia ( St = P/2 = m/2 )
• Chiều rộng rãnh răng: là độ dài cung tròn đo trên vòng chia của một rãnh răng ( Ut= P/2 = m/2 )

Cấp chính xác của bánh răng

Cấp chính xác của bánh răng được đánh giá theo các chỉ tiêu sau:

• Độ chính xác động học: được đánh giá bằng sai số góc quay của bánh răng sau 1 vòng làm việc, sai số này do hệ thống công nghệ gây ra.
• Độ ổn định khi làm việc: được đánh giá bằng sai số chu kỳ, tức là giá trị trung bình của sai số truyền động – bằng tỷ số giữa sai lệch lớn nhất và số bánh răng. Dao động của tốc độ quay sẽ gây ra rung động và tiếng ồn của truyền động.
• Độ chính xác về mặt tiếp xúc: được đánh giá bằng vết tiếp xúc của biên dạng răng, có ảnh hưởng đến mức độ tập trung tải trọng trên các vùng khác nhau của bề mặt răng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ của bộ truyền.
• Độ chính xác khe hở mặt bên: là khe hở giữa các cạnh răng trong bộ truyền, liên quan đến hiện tượng kẹt răng khi hoạt động.

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), bánh răng được quy định độ chính xác với 12 cấp, được đánh số lần lượt từ 1 đến 12 với mức độ chính xác giảm dần, trong đó cấp 1 là cấp chính xác nhất, cấp 12 là kém chính xác nhất.

Đối với độ chính xác khe hở, các mức độ khe hở được đánh dấu với các ký tự A, B, C, D, E, H, trong đó H là khe hở bằng 0.

 Yêu cầu kỹ thuật của bánh răng

Ngoài các yêu cầu về độ chính xác khi gia công bánh răng, quy trình công nghệ chế tạo bánh răng cần đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật sau:

• Độ không đồng tâm giữa mặt lỗ và đường kính vòng chia nhằm trong khoảng 0,05÷0,1 mm.
• Độ không vuông góc giữa mặt đầu và tâm lỗ nằm trong khoảng 0,01÷0,015 mm trên 100mm đường kính lỗ.
• Mặt lỗ và các cổ trục của trục răng được gia công đạt độ chính xác cấp 7, độ nhám bề mặt Ra=1,25÷0,63
• Các bề mặt khác được gia công đạt cấp chính xác 8÷10, độ nhám bề mặt Rz=40÷10
• Sau nhiệt luyện đạt độ cứng 55÷60HRC, các bề mặt không gia công độ cứng thường đạt được 180÷280 HB.

Vật liệu chế tạo bánh răng

Vật liệu chế tạo bánh răng phụ thuộc vào điều kiện làm việc của chúng, chẳng hạn như tải trọng phải chịu, lực hay ứng suất phải chịu, độ mài mòn, chu kỳ làm việc…

Bánh răng nhỏ nên được chọn vật liệu tốt hơn bánh răng lớn vì số chu kỳ làm việc của bánh răng nhỏ nhiều hơn bánh răng lớn. Bánh răng cấp chậm cần vật liệu tốt hơn bánh răng cấp nhanh vì bánh răng cấp chậm chịu tải (momen xoắn) lớn hơn cấp nhanh. 

Những bánh răng phải chịu mài mòn nhiều cần chọn vật liệu có độ cứng cao hơn. Bánh răng chịu tải trọng nhỏ thì thép hóa tốt sẽ là vật liệu làm bánh răng. Bánh răng hoạt động với tốc độ lớn, chịu tải nặng cần được làm bằng thép thấm cacbon.

Đối với các bánh răng thông thường, vật liệu được lựa chọn thường là thép hợp kim crom như 15Cr, 15CrA, 40Cr, 45Cr hoặc crom-niken và crom-molipden như 40CrNi, 35CrMoA, 18CrMnTi.

Đối với các bánh răng chịu tải trung bình và nhỏ được chế tạo bằng thép cacbon chất lượng cao như C40, C45 và gang. 

Đối với các bánh răng chạy với tốc độ cao mà không gây ra tiếng ồn được làm bằng chất dẻo, vải ép, da ép.

Với công nghệ hiện nay, các bánh răng đã được chế tạo bằng các vật liệu bột gốm và bột kim loại, giúp chống mài mòn tốt hơn và cũng dễ sản xuất hàng loạt với số lượng lớn hơn.

Các Phương pháp ra công bánh răng phổ biến

Gia công bánh răng nhờ phương pháp định hình

Về phương pháp gia công bánh răng định hình này bạn có 3 cách để áp dụng. Đó là:

Phay răng bằng phương pháp định hình được tiến hành bằng dao phay định hình mà profin của nó phù hợp với profin của rãnh răng. Dao phay định hình dùng để gia công bánh răng là dao phay đĩa module hoặc dao phay ngón module

Gia công bánh răng trụ bằng dao phay định hình

Phương pháp này được sử dụng nhiều trên máy phay vạn năng có trang bị dụng cụ phân độ. Khi gia công, chi tiết được gá vào ụ phân độ, dao được gá sao cho đường kính ngoài (dao phay đĩa module) hoặc mặt đầu (dao phay ngón) trùng với đường sinh cao nhất của chi tiết. Sau đó, điều chỉnh dao ở độ cao sao cho rãnh răng có chiều sâu theo yêu cầu (tùy theo module răng gia công). Tiến hành gia công bằng cách gia công 1 răng thì dùng đầu phân độ để quay chi tiết 1 góc 360°/z rồi tiếp tục gia công răng tiếp theo cứ thế cho đến hết.

* Đặc điểm của phay định hình:

• Đạt độ chính xác thấp (cấp 7,8) khó khăn trong việc điều chỉnh chính xác vị trí tương đối giữa dao và chi tiết.
• Trong sản xuất hang loạt lớn và hàng khối, đối với những bánh răng có modun lớn, phương pháp này chỉ dùng để gia công phá.

• Bào răng định hình được thực hiện trên máy bào răng với dao định hình cũng có profin giống profin rãnh răng hoặc dao thông thường với dưỡng. Khi gia công các rãnh răng thì cũng dùng đầu phân độ theo từng răng.

Phương pháp này được dùng chủ yếu để gia công thô các bánh răng ăn khớp ngoài và tronng có modun lớn.

​Gia công bánh răng trụ bằng chuốt định hình

Gia công bánh răng bằng phương pháp chuốt định hình cho năng suất và độ chính xác cao, thường dùng ở dạng sản xuất hang loạt lớn và hàng khối. Theo phương pháp này, dao chuốt có profile của bánh răng. Có thể chuốt một rãnh hoặc nhiều rãnh cùng một lúc. Sau mỗi hành trình của dao, một hoặc một số rãnh răng được gia công, muốn gia công các rãnh khác thì chi tiết được quay đi một góc nhờ cơ cấu phân độ.

Phương pháp chuốt toàn bộ các rãnh cùng một lúc rất ít được sử dụng vì lúc đó kết cấu  dao rất phức tạp, khả năng thoát phoi kém, lực cắt lớn.

Dụng cụ cắt là một bộ dao định hình với từng nấc được lắp vào đầu chuốt. Lượng nâng của mỗi lưỡi cắt phụ thuộc vào chiều dày lớp phoi được cắt Sz, loại vật liệu bánh răng và tốc độ cắt v, lượng nâng này được chọn như với dao chuốt thường.

Lớp vật liệu phải cắt được phân chia theo tổng số các lưỡi cắt của dụng cụ, nên tuổi thọ,tuổi bền của dao lớn. Song chi phí cho dụng cụ rất lớn nên chuốt chỉ dùng cho sản xuất lớn, bánh răng có module lớn và bánh răng không gia công nhiệt không mài.

Gia công bánh răng côn:

Phương pháp định hình theo phương pháp này thì dụng cụ cắt có profin của rãnh răng được gia công, trong trường hợp này là dao phay module (đĩa và ngón). Công việc gia công sẽ được thực hiện trên máy phay vạn năng có ụ phân độ. Chi tiết được gá vào ụ phân độ đã nghiêng đi một góc phù hợp với góc côn ở chân răng. Mỗi một rãnh răng được phay qua 3 bước:

• Phay phần vật liệu 1 của rãnh, chiều rộng này tối đa bằng chiều rộng đầu nhỏ của rãnh răng.
• Phay tiếp phần vật liệu 2 bằng cách quay bánh răng đi một góc ϕ.
• Phay phần còn lại bằng cách quay bánh răng một góc ϕ về phía ngược lại. Góc nghiêng δ của trục ụ chia độ được xác định căn cứ vào góc côn chân răng trên bản vẽ.

Phương pháp này thường dùng trong sản xuất đơn chiếc và lọat nhỏ để gia công các bánh răng có cấp chính xác 9 ÷ 11; gia công các bánh răng có module lớn.

Gia công bánh răng nhờ Phương pháp bao hình

Phương pháp bao hình là phương pháp cắt răng mà dụng cụ cắt không cần có biên dạng lưỡi cắt là rãnh răng. Quá trình cắt răng diễn ra liên tục , khi cắt dụng cụ cắt sẽ lăn tương đối trên vành của bánh răng gia công và khi đó quỹ tích các đường bao của dụng cụ cắt là profin thân khai của răng bánh răng gia công

Gia công bào răng định hình được thực hiện trên các máy bào răng với dao định hình có profin giống profin rãnh răng hoặc dao thông thường với dưỡng. Tương tự như phay định hình, đầu phân độ theo từng răng cũng được dùng. 

Phương pháp bào định hình chủ yếu được dùng để gia công thô các bánh răng ăn khớp ngoài và trong có modul lớn.

Phương pháp gia công chuốt định hình

Dao chuốt có profin của bánh răng, trong quá trình gia công thì có thể chuốt một rãnh hoặc nhiều rãnh cùng một lúc. Sau mỗi hành trình của dao, một hoặc một số rãnh răng được gia công, để gia công các rãnh khác thì chi tiết được quay đi một góc nhờ cơ cấu phân độ. Cũng có thể chuốt toàn bộ các rãnh cùng một lúc nhưng do kết cấu dao phức tạp, khả năng thoát phoi kém và yêu cầu lực cắt lớn nên cách này ít được sử dụng.

Dụng cụ cắt là một bộ dao định hình với từng nấc được lắp vào đầu chuốt. Lượng nâng của mỗi lưỡi cắt phụ thuộc vào chiều dày lớp phoi được cắt Sz, loại vật liệu chế tạo bánh răng và tốc độ cắt…, lượng nâng này được chọn như với dao chuốt thông thường. 

Lớp vật liệu phải cắt được phân chia theo tổng số các lưỡi cắt của dụng cụ nên tuổi thọ, độ bền của dao chuốt thường lớn. Tuy nhiên chi phí đầu tư cho dụng cụ lớn nên phương pháp này chỉ dùng cho sản xuất hàng loạt số lượng lớn, bánh răng có module lớn và bánh răng không gia công nhiệt không mài. Ưu điểm của phương pháp chuốt định hình là cho năng suất và độ chính xác cao.

Phương pháp phay lăn răng

Đây là một trong những phương pháp gia công bao hình, chuyển động quay của dao phay và chuyển động quay của chi tiết phải nằm trong xích truyền động của bao hình. Dao phay sử dụng trong phương pháp này có cấu tạo khá phức tạp nên giá thành khá cao.

Phương pháp phay lăn răng được dùng trên những máy phay chuyên dùng, dao phay quay cắt liên tục, có thể phay thuận hoặc phay nghịch.

Phương pháp gia công xọc bao hình

Bánh răng được tạo hình bằng các chuyển động lên xuống của đầu dao để gia công hết bề rộng răng, chuyển động tiến dao hướng kính để gia công đạt chiều cao răng và chuyển động nhường dao. 

Phương pháp xọc bao hình mang đến độ chính xác cao, dễ chế tạo, có thể gia công bánh răng nhiều bậc mà khoảng cách giữa các bậc nhỏ, tuy nhiên thì năng suất lại không cao.

Các Phương pháp gia công khác

 

Mài bánh răng (Grinding):

• Mài bánh răng là phương pháp sử dụng đá mài để hoàn thiện các chi tiết bánh răng. Phương pháp này thường được áp dụng để chế tạo bánh răng có độ chính xác cao và bề mặt mịn.
• Thường được dùng cho các bánh răng cần có độ cứng cao hoặc yêu cầu độ chính xác cao.

Gia công cắt dây (Wire EDM):

Gia công cắt dây (Wire Electrical Discharge Machining) là một phương pháp sử dụng dây kim loại rất mỏng để cắt các chi tiết bánh răng có hình dạng phức tạp. Phương pháp này rất chính xác và được sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao.

 

Ép khuôn (Forging):

Đây là phương pháp sử dụng nhiệt và áp lực để tạo hình bánh răng từ vật liệu thép hoặc kim loại khác. Sau khi ép, bánh răng có thể được gia công thêm bằng phương pháp phay hoặc mài để đạt độ chính xác yêu cầu.

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho các bánh răng cỡ lớn, như trong các hệ thống truyền động của ô tô hoặc máy công nghiệp.

Đúc (Casting):

Phương pháp đúc được áp dụng khi sản xuất các bánh răng có kích thước lớn, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp nặng. Bánh răng sau khi đúc có thể cần gia công thêm để đạt được độ chính xác yêu cầu.

Các bánh răng đúc thường được sử dụng cho các ứng dụng có lực tác động lớn, như trong các máy móc công nghiệp.

Gia công bằng laser (Laser Cutting):

Phương pháp sử dụng tia laser để cắt các chi tiết bánh răng có độ chính xác cao và khả năng tạo hình phức tạp. Phương pháp này có thể được sử dụng cho các vật liệu mềm hoặc cứng và cho các ứng dụng yêu cầu độ chi tiết cao.

Tiện bánh răng (Turning):

Đây là phương pháp sử dụng máy tiện để cắt các bánh răng. Phương pháp này thường được sử dụng cho các bánh răng có kích thước nhỏ và trung bình, với các yêu cầu về độ chính xác không quá cao.

Phương pháp gia công bánh răng In 3D

In 3D, sản xuất bồi đắp xây dựng một vật thể ba chiều, từng lớp một, từ mô hình CAD 3D. Do tính chất của quy trình, máy bồi đắp có thể tạo thành các thiết kế phức tạp với cấu trúc mạng được mô hình hóa để đạt được mức giảm khối lượng mà các phương pháp thông thường không dễ dàng đạt được. Loại hình học này thường được tạo bằng cách sử dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết 3D và thiết kế máy tính tổng quát.

Bánh răng thông thường và không tròn có thể được chế tạo bằng quy trình sản xuất bồi đắp và máy in 3D chất lượng cao có giá cả tương đối phải chăng và được cung cấp rộng rãi. Do tính sẵn có này, nó trở thành sự lựa chọn cho các dự án sửa chữa và cơ khí như đồ chơi giáo dục hoặc các thiết bị khác cần các bánh răng có đầy đủ chức năng. Bạn cũng có thể bao gồm các tính năng bổ sung và thậm chí kết hợp hình học với các hình dạng bánh răng để thêm trục, chốt hoặc rãnh tùy chỉnh vào cùng một khối.

Gia công bánh răng không dùng dụng cụ cắt

Gia công bánh răng không dùng dụng cụ cắt: tạo hình bánh răng tạo ra bánh răng mà không cần sử dụng dụng cụ cắt sử dụng các phương pháp cán, đúc, luyện kim bột.

Có ba phương pháp thiết yếu mà các nhà sản xuất có thể sử dụng để chế tạo bánh răng không sử dụng dụng cụ cắt, đó là: cán, đúc và luyện kim bột. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án.

Cán là một lựa chọn phổ biến để sản xuất số lượng lớn bánh răng với độ chính xác cao với chi phí thấp. Quá trình này bao gồm việc ép kim loại giữa hai con lăn cho đến khi nó có hình dạng mong muốn. Các bánh răng thu được có độ bền và độ bền tuyệt vời, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng nặng.

Đúc là một phương pháp tạo hình bánh răng trong đó kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn và để nguội trước khi lấy ra khỏi khuôn. Kỹ thuật này tạo ra các bánh răng có hình dạng phức tạp mà khó hoặc không thể sản xuất bằng các phương pháp khác. Tuy nhiên, bánh răng đúc có thể có độ chính xác kích thước thấp hơn so với bánh răng được chế tạo bằng các kỹ thuật khác.

Luyện kim bột bao gồm việc nén bột kim loại trong khuôn dưới áp suất cao để tạo thành các hình dạng phức tạp như bánh răng. Quá trình này cũng cho phép các nhà sản xuất tạo ra các bộ phận có đặc tính khác nhau bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim vào hỗn hợp trong quá trình nén.