Tổng quan nghiên cứu

Máy gia công CNC 5 trục là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất cơ khí chính xác, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chế tạo máy bay, động cơ đốt trong, ô tô, thiết bị công nghiệp nặng, khuôn mẫu, y sinh, dầu khí và dệt may. Theo phân tích của Technavio, thị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu dự kiến tăng trưởng với tốc độ kép hàng năm (CAGR) gần 7% trong giai đoạn dự báo đến năm 2021. Đặc biệt, khu vực Châu Á - Thái Bình Dương chiếm đa số thị phần nhờ sự phát triển công nghiệp nhanh chóng tại các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Indonesia và Đài Loan.

Tại Việt Nam, ngành cơ khí chế tạo máy vẫn chủ yếu dựa vào máy vạn năng truyền thống, chưa phát triển mạnh mảng máy công cụ CNC 5 trục do giá thành cao và khó khăn trong bảo trì, bảo dưỡng. Do đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay CNC 5 trục với kết cấu khung H nhằm giảm chi phí, nâng cao hiệu suất và độ chính xác là cấp thiết. Mục tiêu của đề tài là hoàn thiện mô hình máy phay CNC 5 trục đồng thời với giá thành hợp lý, kế thừa và cải tiến từ mô hình máy 3 trục cũ, đồng thời ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC để tối ưu hóa đường chạy dao tạo bề mặt 3D.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, chế tạo và kiểm tra chất lượng mô hình máy phay CNC 5 trục đầu - đầu kết cấu khung H, phát triển thêm hai cụm trục xoay B và C, đồng thời tối ưu hóa kết cấu 3 trục cơ bản X, Y, Z. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy công nghiệp chế tạo máy CNC nội địa, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, đồng thời nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh của doanh nghiệp trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ bản trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy và điều khiển số CNC, bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển số (NC và CNC): Hệ thống điều khiển số CNC bao gồm bộ MMI (giao diện người-máy), bộ NCK (điều khiển số kernel) và PLC (điều khiển logic khả trình). Hệ thống dẫn động servo và vít-me bi được sử dụng để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến chính xác.

  • Thiết kế kết cấu máy công cụ: Tính toán lực cắt, công suất động cơ trục chính, lựa chọn vít-me bi, bulông và thiết kế thân đỡ trục chính dựa trên các ứng suất kéo, cắt và mô-men xoắn theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Các công thức tính toán ứng suất Von-mises, lực dọc trục, mô-men xoắn và lực quán tính được áp dụng để đảm bảo độ bền và độ cứng vững của kết cấu.

  • Hộp số Harmonic và hộp số hành tinh: Hộp số Harmonic với độ rơ rất nhỏ (<1 arcmin) và tỷ số truyền lớn được sử dụng cho trục B, trong khi hộp số hành tinh được áp dụng cho trục C nhằm tạo mô-men xoắn lớn và độ chính xác cao trong chuyển động xoay.

  • Phương pháp gia công phay: Các phương pháp phay mặt, phay ngón và phay đổ xuống được phân tích với các thông số kỹ thuật như tốc độ cắt, bước tiến, chiều sâu cắt, lực cắt và công suất cần thiết để lựa chọn động cơ phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế máy công cụ CNC, phần mềm CAD/CAE, CAD/CAM/CNC và các báo cáo nghiên cứu trước đó.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm CAD để thiết kế mô hình 3D các cụm trục X, Y, Z, B, C; phần mềm CAE để mô phỏng bền kết cấu; phần mềm CAM/CNC để lập trình và mô phỏng gia công. Các phép tính cơ học và động học được thực hiện để đánh giá lực cắt, mô-men xoắn, ứng suất và độ cứng vững.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình máy được phát triển dựa trên kế thừa từ máy 3 trục hiện có, cải tiến thêm 2 trục xoay B và C. Các chi tiết được thiết kế và chế tạo thử nghiệm để kiểm tra chất lượng và hiệu suất.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn thiết kế lý thuyết, xây dựng mô hình CAD, mô phỏng CAE, chế tạo và lắp ráp, kiểm tra chất lượng và đánh giá sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoàn thiện mô hình máy phay CNC 5 trục kết cấu khung H: Mô hình có kích thước bao 1700x1000x2000 mm, phạm vi gia công 700x440x230 mm, khối lượng cụm lắp Z-B-C là 32.4 kg. Thiết kế đảm bảo độ cứng vững, giảm thiểu chuyển vị, đồng thời tối ưu hóa hành trình di chuyển trục Z.

  2. Lựa chọn động cơ và hộp số phù hợp: Động cơ bước size 86 kết hợp hộp số hành tinh tỷ số truyền 1:50 cho trục C, động cơ bước size 57 kết hợp hộp số Harmonic tỷ số truyền 1:180 cho trục B. Công suất động cơ trục chính được tính toán dựa trên lực cắt và công suất gia công, ví dụ công suất làm việc/cắt phay mặt là 1.32 kW, công suất động cơ trục chính 1.34 kW.

  3. Tối ưu hóa đường chạy dao và công nghệ gia công 5 trục đồng thời: Sử dụng phần mềm CAD/CAM-CNC để lập trình và mô phỏng gia công, giúp tạo bề mặt 3D chính xác, giảm thời gian gá đặt chi tiết nhiều lần, nâng cao hiệu suất gia công.

  4. Kiểm tra chất lượng và mô phỏng bền kết cấu: Phân tích ứng suất Von-mises, lực dọc trục, mô-men xoắn và lực quán tính cho thấy kết cấu thân đỡ trục chính và bulông đảm bảo chịu lực tốt, không xảy ra hiện tượng xé tấm đỡ hay quá tải bulông. Mô phỏng CAE cho thấy tần số dao động tự nhiên và biên độ dao động trong giới hạn an toàn.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cải tiến từ máy 3 trục sang máy 5 trục với kết cấu khung H giúp nâng cao độ chính xác và khả năng gia công các chi tiết phức tạp. Việc lựa chọn hộp số Harmonic và hành tinh cho các trục xoay B, C đảm bảo mô-men xoắn lớn và độ rơ thấp, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật cao của máy CNC 5 trục. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, mô hình này có chi phí hợp lý hơn so với các máy nhập khẩu, đồng thời dễ dàng bảo trì và phát triển thêm.

Phân tích lực cắt và công suất động cơ dựa trên các thông số vật liệu hợp kim nhôm và dụng cụ cắt thép gió cho thấy công suất động cơ trục chính phù hợp với yêu cầu gia công, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ máy. Mô phỏng CAE giúp phát hiện và khắc phục các điểm yếu về kết cấu, giảm thiểu hiện tượng rung lắc và dao động không mong muốn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm gia công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực cắt theo từng trục, bảng so sánh công suất động cơ các phiên bản máy, biểu đồ tần số dao động tự nhiên và biên độ dao động theo phần mềm Ansys để minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thử nghiệm và đánh giá thực tế: Thực hiện gia công thử các chi tiết phức tạp trên máy phay CNC 5 trục để đánh giá hiệu suất, độ chính xác và độ bền trong điều kiện vận hành thực tế. Thời gian: 6 tháng; Chủ thể: Nhà máy cơ khí chế tạo máy.

  2. Nâng cấp phần mềm CAD/CAM-CNC tích hợp: Phát triển hoặc mua bản quyền phần mềm hỗ trợ tối ưu hóa đường chạy dao, giảm thời gian lập trình và tăng độ chính xác gia công. Thời gian: 3 tháng; Chủ thể: Phòng R&D và kỹ thuật.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành máy CNC 5 trục, bảo trì hệ thống điện - điều khiển và xử lý sự cố để nâng cao năng lực nhân sự. Thời gian: 2 tháng; Chủ thể: Trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  4. Nghiên cứu phát triển các phiên bản máy nâng cao: Tiếp tục nghiên cứu cải tiến kết cấu, vật liệu và hệ thống điều khiển để phát triển các phiên bản máy có khả năng gia công đa dạng hơn, tăng tốc độ và độ chính xác. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp cơ khí chế tạo máy: Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển máy CNC 5 trục nội địa, giảm chi phí nhập khẩu, nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.

  2. Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ: Sử dụng luận văn làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển các công nghệ máy công cụ CNC tiên tiến, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển số.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Tham khảo để hiểu rõ quy trình thiết kế, tính toán và chế tạo máy CNC 5 trục, từ đó áp dụng vào giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  4. Nhà cung cấp phần mềm CAD/CAM-CNC và thiết bị điều khiển: Nắm bắt yêu cầu kỹ thuật và xu hướng phát triển máy CNC 5 trục để cải tiến sản phẩm, đáp ứng nhu cầu khách hàng trong ngành chế tạo máy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phay CNC 5 trục có ưu điểm gì so với máy 3 trục truyền thống?
    Máy 5 trục cho phép gia công các chi tiết phức tạp với nhiều mặt và góc độ khác nhau trong một lần gá đặt, tăng độ chính xác và giảm thời gian gia công so với máy 3 trục chỉ gia công theo ba phương X, Y, Z.

  2. Tại sao chọn kết cấu khung H cho máy phay CNC 5 trục?
    Kết cấu khung H giúp tăng độ cứng vững, giảm chuyển vị và rung lắc trong quá trình gia công, đồng thời tối ưu hóa không gian và hành trình di chuyển của các trục, đặc biệt là trục Z.

  3. Hộp số Harmonic và hộp số hành tinh có vai trò gì trong máy CNC 5 trục?
    Hộp số Harmonic cung cấp tỷ số truyền lớn với độ rơ rất nhỏ, phù hợp cho trục B cần độ chính xác cao. Hộp số hành tinh tạo mô-men xoắn lớn và độ bền cao cho trục C, giúp máy vận hành ổn định và chính xác.

  4. Làm thế nào để tối ưu hóa đường chạy dao trong gia công 5 trục?
    Sử dụng phần mềm CAD/CAM-CNC chuyên dụng để lập trình đường chạy dao, tối ưu hóa chuyển động của các trục, giảm thời gian gia công và tăng chất lượng bề mặt sản phẩm.

  5. Chi phí và lợi ích khi tự chế tạo máy CNC 5 trục so với nhập khẩu?
    Tự chế tạo giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu, dễ dàng bảo trì, sửa chữa và tùy chỉnh theo yêu cầu sản xuất, đồng thời phát triển năng lực công nghệ nội địa, trong khi máy nhập khẩu thường có giá cao và khó chủ động trong bảo trì.

Kết luận

  • Hoàn thiện thành công mô hình máy phay CNC 5 trục đầu - đầu kết cấu khung H với phạm vi gia công 700x440x230 mm và khối lượng cụm lắp Z-B-C 32.4 kg.
  • Lựa chọn và thiết kế hệ thống động cơ bước kết hợp hộp số Harmonic và hành tinh đảm bảo mô-men xoắn lớn, độ chính xác cao và độ bền kết cấu.
  • Áp dụng công nghệ CAD/CAM-CNC tối ưu hóa đường chạy dao, nâng cao hiệu suất gia công và giảm thời gian gá đặt chi tiết.
  • Mô phỏng CAE và tính toán lực cắt, ứng suất giúp đảm bảo độ cứng vững và an toàn kết cấu máy trong quá trình vận hành.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai sản xuất thử nghiệm, nâng cấp phần mềm, đào tạo nhân lực và nghiên cứu phát triển phiên bản máy nâng cao trong tương lai.

Next steps: Triển khai gia công thử nghiệm, hoàn thiện phần mềm điều khiển, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

Call to action: Các doanh nghiệp và trung tâm nghiên cứu nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy phát triển công nghiệp chế tạo máy CNC nội địa, nâng cao năng lực cạnh tranh và đổi mới công nghệ.