Truyền động bánh răng: Nguyên lý và Ứng dụng của phương pháp cắt theo biên dạng và phương pháp tạo hình trong gia công bánh răng

Time : 2025-11-01

Bánh răng là các thành phần cốt lõi của hệ thống truyền động cơ khí, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện gió, ô tô, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Có nhiều phương pháp gia công bánh răng khác nhau. Trong đó, Phương pháp tạo hình (Generating Method) là một trong những quy trình chủ lưu để sản xuất bánh răng với hiệu suất cao và độ chính xác cao, trong khi phương pháp cắt theo biên dạng (Form Cutting) là phương pháp truyền thống, tạo hình răng thông qua việc cắt trực tiếp hoặc định hình theo mẫu. Khác với phương pháp tạo hình, biên dạng của dụng cụ cắt theo biên dạng trực tiếp quyết định hình dạng rãnh răng, do đó phù hợp với sản xuất đơn chiếc, bánh răng module lớn hoặc gia công biên dạng răng đặc biệt. Bài viết này trình bày chi tiết về nguyên lý gia công, các phương pháp điển hình và ứng dụng công nghiệp của cả hai kỹ thuật, cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thực hành.

01 Nguyên lý cơ bản của Phương pháp tạo hình

Phương pháp tạo hình là một quá trình tạo hình theo biên dạng, trong đó bao quanh biên dạng răng bánh răng thông qua chuyển động ăn khớp liên tục giữa dụng cụ và phôi. Khái niệm cốt lõi là mô phỏng quá trình ăn khớp thực tế của một cặp bánh răng, trong đó dụng cụ và phôi di chuyển theo tỷ số truyền lý thuyết để dần dần cắt nên biên dạng răng.

1.1 Cơ sở Toán học

Nguyên lý bao hình : Quỹ đạo chuyển động của lưỡi cắt trên các dụng cụ (như dao tiện lăn răng hay dao chuốt bánh răng) tạo thành một loạt các đường cong liên tục, và đường bao của các đường cong này hình thành nên biên dạng răng lý thuyết (ví dụ: thân khai, cycloid).
Phương trình ăn khớp : Đảm bảo mối quan hệ chuyển động tương đối giữa dụng cụ và phôi để duy trì độ chính xác của biên dạng răng.

1.2 Đặc điểm Chính

Độ chính xác cao : Có khả năng gia công các biên dạng răng phức tạp (ví dụ: thân khai, bánh răng biên dạng cung tròn).
Hiệu quả cao : Cắt liên tục cho phép sản xuất hàng loạt.
Tính linh hoạt cao : Một dụng cụ duy nhất có thể gia công các bánh răng có số răng khác nhau (miễn là chúng có cùng module).

1.3 Các Quy Trình Phương Pháp Tạo Hình Điển Hình

1.3.1 Phay lăn răng

Nguyên tắc : Sử dụng chuyển động ăn khớp giữa dao phay lăn (có hình dạng giống con vít) và phôi bánh răng, hoàn thành việc cắt thông qua chuyển động chạy dao theo phương dọc trục.
Mối Quan Hệ Chuyển Động : Chuyển động quay của dao phay lăn (chuyển động cắt chính) + Chuyển động quay của chi tiết (chuyển động tạo hình) + Chạy dao theo phương dọc trục.
Ưu điểm : Hiệu suất cao, phù hợp cho sản xuất hàng loạt (ví dụ: bánh răng ô tô); có thể gia công bánh răng thẳng, bánh răng nghiêng, bánh vít, v.v.
Ví dụ ứng dụng : Gia công bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời trong hộp giảm tốc dùng cho tua-bin gió.

1.3.2 Xọc răng

Nguyên tắc : Sử dụng dao xọc răng (có hình dạng tương tự như một bánh răng) để thực hiện chuyển động cắt lên xuống xen kẽ trên chi tiết đồng thời quay theo tỷ lệ ăn khớp.
Mối Quan Hệ Chuyển Động : Cắt chuyển động lên xuống theo phương đứng của dao phay lăn răng + Chuyển động quay tạo hình giữa phôi và dụng cụ.
Ưu điểm : Có thể gia công các cấu trúc phức tạp như bánh răng trong và bánh răng kép; độ nhám bề mặt răng tốt hơn so với phay lăn (Ra 0,8–1,6 μm).
Hạn chế : Hiệu suất thấp hơn phay lăn; chi phí dụng cụ cao hơn.
Ví dụ ứng dụng : Gia công các vòng răng trong hộp số và các bánh răng nhỏ chính xác.

1.3.3 Xọc lược răng (Gear Shaving)

Nguyên tắc : Dao xọc lược và phôi quay ăn khớp dưới áp lực nhẹ, cải thiện độ chính xác biên dạng răng nhờ tác dụng cạo của các cạnh cắt trên dao. Đây là quá trình hoàn thiện được dùng để sửa đúng sau khi phay lăn hoặc xọc răng.
Ưu điểm : Có thể hiệu chỉnh sai số biên dạng răng và nâng cao độ êm ái khi truyền động của bánh răng; độ chính xác gia công đạt cấp DIN 6–7.
Ví dụ ứng dụng : Gia công tinh bánh răng hộp số ô tô.

1.3.4 Mài răng

Nguyên tắc : Sử dụng đá mài định hình hoặc đá mài con sâu để mài bề mặt răng thông qua chuyển động tạo hình, chủ yếu dùng để hoàn thiện các bánh răng đã tôi cứng.
Ưu điểm : Độ chính xác cực kỳ cao (lên đến cấp DIN 3–4); có thể gia công các bánh răng bề mặt cứng (HRC 58–62).
Hạn chế : Chi phí cao và hiệu suất thấp, thường được sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao.
Ví dụ ứng dụng : Bánh răng động cơ hàng không vũ trụ và bánh răng cấp tốc độ cao trong hộp số tuabin gió.

02 Nguyên lý cơ bản của Phương pháp Cắt theo biên dạng

Cốt lõi của phương pháp Cắt theo biên dạng là hình dạng dụng cụ phù hợp với hình dạng rãnh răng của bánh răng, trực tiếp sao chép biên dạng răng thông qua chuyển động cắt của dụng cụ. Các đặc điểm chính bao gồm:

Phụ thuộc cao vào dụng cụ : Độ chính xác biên dạng răng phụ thuộc trực tiếp vào độ chính xác đường viền dụng cụ.
Không có chuyển động tạo hình : Quá trình gia công không mô phỏng sự ăn khớp của bánh răng, chỉ dựa vào chuyển động tương đối giữa dụng cụ và phôi.
Sự linh hoạt cao : Có khả năng gia công các biên dạng răng phi tiêu chuẩn (ví dụ: răng cung tròn, răng hình chữ nhật).

2.1 Cơ Sở Toán Học

Nguyên Lý Biên Dạng : Hình dạng hình học của lưỡi cắt của dụng cụ phù hợp hoàn hảo với khoảng răng của bánh răng.
Chuyển Động Phân Độ : Sử dụng các thiết bị phân độ (ví dụ: đầu chia) để gia công từng răng một, đảm bảo bước răng đồng đều.

2.2 Ưu Điểm và Nhược Điểm

Ưu điểm

Thiết bị đơn giản : Có thể thực hiện được trên các máy phay thông thường.
Phù Hợp Cho Sản Xuất Đơn chiếc, Lô Nhỏ Hoặc Sửa Chữa : Lý tưởng cho các tình huống tùy chỉnh và bảo trì.
Có Khả Năng Gia Công Bánh Răng Module Siêu Lớn : Ví dụ như bánh răng được sử dụng trong máy móc khai thác mỏ.

Nhược điểm

Độ chính xác thấp : Thường là cấp DIN 9–10.
Hiệu suất thấp : Yêu cầu gia công từng răng một.
Khả năng linh hoạt của dụng cụ kém : Cần sử dụng các dụng cụ chuyên dụng cho từng module.

2.3 Các quá trình cắt định hình điển hình

2.3.1 Phay bánh răng

Nguyên tắc : Sử dụng dao phay đĩa hoặc dao phay ngón; dao quay để cắt, và phôi được chia độ từng răng thông qua đầu phân độ.
Mối Quan Hệ Chuyển Động : Chuyển động quay của dao (chuyển động cắt chính) + Chuyển động chạy dao dọc trục của phôi + Chuyển động phân độ.
Các kịch bản ứng dụng : Sản xuất bánh răng trụ răng thẳng và răng nghiêng theo đơn chiếc hoặc loạt nhỏ; các bánh răng module lớn (module ≥20 mm) hoặc bánh răng sửa chữa.
Nghiên cứu trường hợp : Bánh răng cấp tốc độ thấp của hộp giảm tốc tàu thủy (module 30, vật liệu: 42CrMo) được gia công bằng dao phay đầu ngón kết hợp với chia độ CNC, đạt độ nhám bề mặt răng Ra 3.2 μm.

2.3.3 Chuốt bánh răng

Nguyên tắc : Sử dụng dao chuốt (dụng cụ nhiều răng có dạng bậc) để chuốt toàn bộ khoảng trống giữa các răng trong một lần chạy dao.
Mối Quan Hệ Chuyển Động : Chuyển động tịnh tiến của dao chuốt (cắt) + Chi tiết gia công cố định.
Ưu điểm : Hiệu suất cực kỳ cao (hoàn thành một khoảng trống giữa hai răng mỗi hành trình); độ chính xác tương đối cao (đạt cấp DIN 7).
Hạn chế : Chỉ phù hợp cho sản xuất hàng loạt bánh răng trong hoặc ngoài; chi phí chế tạo dao chuốt cao, lý tưởng cho các đơn hàng số lượng lớn với cùng một thông số kỹ thuật.
Ví dụ ứng dụng : Sản xuất hàng loạt vòng đồng tốc ô tô (thời gian chu kỳ <10 giây/mẫu).

2.3.3 Mài theo biên dạng

Nguyên tắc : Sử dụng đá mài định hình (có biên dạng phù hợp với khoảng trống giữa các răng) để mài các bánh răng đã tôi cứng.
Mối Quan Hệ Chuyển Động : Chuyển động quay của đá mài + Chuyển vị chi tiết.
Ưu điểm : Có thể gia công các bánh răng độ cứng cao (HRC >60); độ chính xác lên tới cấp DIN 4 (sai số biên dạng răng <5 μm).
Các lĩnh vực ứng dụng : Gia công tinh bánh răng động cơ hàng không vũ trụ và bánh răng hộp giảm tốc chính xác.

03 So sánh và Ứng dụng công nghiệp của hai phương pháp

So sánh giữa Phương pháp bao hình và Phương pháp cắt định hình

Tiêu chí so sánh	Phương pháp bao hình	Phương pháp cắt định hình (ví dụ: Phay răng, Chuốt răng)
Nguyên lý gia công	Tạo biên dạng răng bằng chuyển động ăn khớp giữa dụng cụ và chi tiết	Cắt trực tiếp biên dạng răng theo đường viền của dụng cụ
Độ chính xác	Cao (cấp độ DIN 6–8)	Tương đối thấp (cấp độ DIN 9–10)
Hiệu quả	Cao (cắt liên tục)	Thấp (gia công từng răng)
Các kịch bản ứng dụng	Sản xuất hàng loạt, biên dạng răng phức tạp	Sản xuất đơn chiếc/lô nhỏ, bánh răng module lớn

Ứng dụng công nghiệp của phương pháp tạo hình

3.1 Hộp số cho ngành điện gió

Yêu cầu : Mô-men xoắn cao, tuổi thọ dài (≥20 năm).
Kết hợp quy trình : Phay lăn răng (gia công sơ bộ) → Xử lý nhiệt → Mài bánh răng (hoàn thiện).

Trước: Cách mà việc chuẩn bị trước khi thấm carbon không đúng gây ra hiện tượng độ sâu lớp thấm không đồng đều dẫn đến hỏng hóc ở bánh răng

Tiếp theo: Lễ kỷ niệm 20 năm thành lập Ocean Industry đang diễn ra sôi nổi: Chia sẻ niềm vui, nhìn lại quá khứ và hướng tới tương lai

Tất Cả Danh Mục

Tin tức