Đồ án cải tiến thiết kế và sản xuất đuôi máy CNC gia công bánh răng tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute research design improvement and manufacture tailstock of cnc gear bobbing machine, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả

• Tác giả: Luong Nguyen Quoc Dien
• Người hướng dẫn: Me. Le Linh
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Cải Tiến Thiết Kế Và Sản Xuất Đuôi Máy CNC Gia Công Bánh Răng
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER I: OVERVIEW
• 1.1. ELEMENTARY THEORY OF GEAR HOBBING
• 1.2. ELEMANTARY THEORY OF HOBBING MACHINE
• 1.3. CNC GEAR HOBBING MACHINE
• 2. CHAPTER II: RESEARCH SITUATION
• 2.1. EVALUATION CRITERIA FOR GEAR
• 2.2. THE FACTORS AFFECTS TO THE PRECISION OF CNC MACHINE
• 3. CHAPTER III: SUBJECT OF URGENCY AND SUBJECT DETERMINE
• 3.1. SUBJECT OF URGENCY
• 3.2. OBJECTS AND SCOPE OF THE RESEARCH
• 4. CHAPTER IV: OVERVIEW OF TAILSTOCK OF CNC GEAR HOBBING MACHINE
• 4.1. THE TAILSTOCK DEVELOPMENT PROCESS
• 5. CHAPTER V: ANALYSING TO SELECT THE IDEAL ALTERNATIVE DESIGN
• 5.1. SELECTION OF THE ROTARY TABLE STRUCTURE
• 5.2. SELECTION OF THE CENTER TAIL STOCK STRUCTURE
• 5.3. SELECTION OF THE FIXTURE
• 6. CHAPTER VI: DESIGN
• 6.1. DESIGN THE ROTARY TABLE
• 6.2. DESIGNING THE FIXTURES FOR CLAM AND UNCLAMP MECHANISM
• 6.3. DESIGN ROTARY CYLINDER FOR CLAMP AND UNCLAMP MECHANISM
• 6.4. DESIGN HEAD OF TAILSTOCK
• 6.5. DESIGN STRUCTURE BODY OF TAILSTOCK
• 7. CHAPTER VII: CALCULATE
• 7.1. CALCULATE SHEAR FORCE OF THE KNIFE ON WORKPIECE
• 7.2. CALCULATION OF CAPACITY FOR CONVEYING AND SELECT MOTOR FOR ROTARY TABLE
• 7.3. CALCULATE THE BELT CONVEYOR FOR ROTARY
• 7.4. CALCULATE THE SELECTION OF THE SLIDER FOR THE CENTER COLUMN
• 7.5. CALCULATE REQUIRED CLAMPING FORCE
• 8. CHAPTER VIII: TESTING WITH INVENTOR PROFESSIONAL SOFTWARE 2015
• 8.1. SUSTAINABILITY FOR GLASS
• 8.2. CHECKING FOR ROTARY TABLE
• 8.3. PURCHASE FOR STANDARD DETAILS AND HARD TO PROCESS, FABRICATE
• 8.4. PROCESSING THE REMAINING DETAILS
• 10. CHAPTER X: CONCLUSION AND SUGGESTION

Tóm tắt

I. Thiết kế đuôi máy CNC gia công bánh răng

Phần này tập trung vào thiết kế đuôi máy CNC, một thành phần quan trọng trong quá trình gia công bánh răng CNC. Các khía cạnh được xem xét bao gồm: thiết kế bện vững, lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng, và tối ưu hóa hiệu suất bánh răng. Các phương pháp tối ưu hóa thiết kế như phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và mô phỏng gia công được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và độ bền của thiết kế. Đặc biệt, việc lựa chọn mô đun bánh răng và loại bánh răng (ví dụ: bánh răng trụ, bánh răng côn, bánh răng xoắn) phù hợp sẽ tác động trực tiếp đến hiệu quả gia công. Chính xác gia công là một yếu tố then chốt, liên quan đến dung sai gia công và kiểm tra chất lượng bánh răng. Mục tiêu là đạt được gia công chính xác cao và tăng năng suất. Nghiên cứu này cũng xem xét các tiêu chuẩn chất lượng như tiêu chuẩn chất lượng ISO.

1.1. Phân tích thiết kế hiện trạng

Phần này trình bày phân tích chi tiết về thiết kế hiện trạng của đuôi máy CNC, bao gồm hình học, vật liệu, và các thông số kỹ thuật. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để đánh giá độ bền và khả năng chịu tải của cấu trúc. Kết quả phân tích cho thấy những điểm yếu trong thiết kế hiện tại, chẳng hạn như độ cứng không đủ, khả năng chịu lực kém, hoặc độ chính xác không đáp ứng yêu cầu. Những hạn chế này sẽ được đề cập cụ thể, cùng với các số liệu và hình ảnh minh họa. Mô phỏng gia công cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả và xác định các vấn đề tiềm ẩn trong quá trình gia công. Dữ liệu từ mô phỏng, bao gồm lực cắt, mô men xoắn và độ rung, được sử dụng để hỗ trợ việc cải tiến thiết kế. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo bánh răng cũng được đánh giá dựa trên các tính chất cơ lý, khả năng chống mài mòn, và chi phí. Lựa chọn vật liệu phù hợp sẽ đóng góp vào việc nâng cao độ bền và tuổi thọ của bánh răng.

1.2. Cải tiến thiết kế

Dựa trên kết quả phân tích ở phần trước, phần này trình bày các giải pháp cải tiến thiết kế đuôi máy CNC. Các thay đổi về hình học, vật liệu, và thông số kỹ thuật sẽ được mô tả chi tiết. Thiết kế bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp được sử dụng để minh họa các cải tiến. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được thực hiện lại để đánh giá độ bền và khả năng chịu tải của thiết kế cải tiến. Kết quả so sánh giữa thiết kế cũ và thiết kế mới cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ bền, độ cứng và độ chính xác. Việc áp dụng các công nghệ gia công tiên tiến như gia công phay CNC, gia công tiện CNC, và gia công mài CNC được xem xét để đạt được độ chính xác cao. Các giải pháp nhằm giảm thiểu dung sai gia công và cải thiện chính xác gia công cũng được đề xuất. Cuối cùng, việc lựa chọn vật liệu tối ưu được đề xuất dựa trên phân tích chi phí và hiệu quả.

II. Sản xuất đuôi máy CNC

Phần này tập trung vào quá trình sản xuất đuôi máy CNC, bao gồm các giai đoạn từ chuẩn bị vật liệu đến hoàn thiện sản phẩm. Quá trình này nhấn mạnh vào việc áp dụng các kỹ thuật sản xuất hiện đại để đảm bảo chất lượng và hiệu quả. Việc lựa chọn vật liệu và quản lý chuỗi cung ứng được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa chi phí và thời gian sản xuất. Tự động hóa sản xuất được tích hợp để nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi. Các phương pháp kiểm tra chất lượng được thực hiện ở từng giai đoạn sản xuất để đảm bảo sản phẩm đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật. An toàn lao động được đặt lên hàng đầu trong suốt quá trình sản xuất. Xử lý bề mặt và bảo dưỡng máy móc cũng được quan tâm để kéo dài tuổi thọ của sản phẩm. Phần này còn đề cập đến phân tích rủi ro và quản lý dự án để đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra trơn tru và hiệu quả.

2.1. Quá trình gia công

Mô tả chi tiết các giai đoạn gia công, bao gồm các công đoạn như phay, tiện, mài, hàn… Gia công phay CNC, gia công tiện CNC và các phương pháp gia công khác được sử dụng để tạo hình chính xác cho các chi tiết. Các tham số gia công như tốc độ cắt, tiến dao, độ sâu cắt được tính toán và tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng bề mặt và hiệu suất gia công. Sử dụng phần mềm thiết kế CAD/CAM để lập trình và điều khiển máy CNC. Giảm chi phí sản xuất được xem xét bằng cách tối ưu hóa quá trình gia công, lựa chọn công cụ cắt phù hợp, và giảm thiểu phế liệu. Kiểm tra chất lượng được thực hiện sau mỗi công đoạn gia công để phát hiện và khắc phục kịp thời các lỗi. Các phương pháp kiểm tra bao gồm kiểm tra kích thước, hình dạng, và độ nhám bề mặt. Gia công nhiệt luyện có thể được sử dụng để cải thiện độ cứng và độ bền của vật liệu.

2.2. Lắp ráp và kiểm tra

Trình bày quá trình lắp ráp các chi tiết đã gia công thành sản phẩm hoàn chỉnh. Các phương pháp lắp ráp chính xác và hiệu quả được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của sản phẩm. Kiểm tra chất lượng toàn diện được thực hiện sau khi lắp ráp, bao gồm kiểm tra chức năng, độ bền, và độ chính xác của sản phẩm. Các phương pháp kiểm tra bao gồm kiểm tra hình học, kiểm tra độ rung, và kiểm tra khả năng chịu tải. Quản lý chất lượng toàn diện (TQM) được áp dụng để đảm bảo chất lượng sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn chất lượng. Ứng dụng phần mềm CAM để mô phỏng quá trình lắp ráp và xác định các vấn đề tiềm ẩn. Việc bảo dưỡng máy móc được thực hiện định kỳ để đảm bảo hiệu quả và độ bền của thiết bị sản xuất. An toàn lao động trong quá trình lắp ráp được đặc biệt chú trọng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chiến lược công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển của các ngành công nghiệp phụ trợ như chế tạo ô tô, thiết bị máy móc công nghiệp. Việc chủ động nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế và sản xuất máy công cụ CNC có độ chính xác cao trong nước là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm sự phụ thuộc vào máy móc nhập khẩu nguyên chiếc từ các quốc gia phát triển (Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Hoa Kỳ).

Thực tế tại Việt Nam, máy phay lăn răng CNC thương mại nhập khẩu thường có giá thành rất cao và chi phí bảo trì, thay thế linh kiện tốn kém. Mặt khác, các cơ sở đào tạo chuyên ngành cơ khí trên cả nước dù được đầu tư nhưng số lượng máy phay lăn răng CNC chuyên dụng phục vụ thực hành, nghiên cứu còn hạn chế. Nhóm nghiên cứu tiền nhiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) đã bước đầu xây dựng mô hình máy phay lăn răng CNC 3D, lập trình gia công bánh răng trụ thẳng và bánh răng nghiêng trên vật liệu mềm (nhựa, đồng). Tuy nhiên, mô hình trước đó còn tồn tại hạn chế về độ cứng vững và mức độ tự động hóa của cơ cấu định vị, kẹp chặt phôi.

Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Nghiên cứu cải tiến thiết kế và chế tạo đuôi máy (ụ động) máy phay lăn răng CNC" (Research, Design Improvement and Manufacture Tailstock of Gear Hobbing CNC Machine) được thực hiện với các mục tiêu và phạm vi cụ thể:

1. Mục tiêu nghiên cứu:

   • Nghiên cứu cải tiến thiết kế cụm ụ động (tailstock) và bàn quay trục C nhằm nâng cao độ cứng vững, tính ổn định và mức độ tự động hóa trong quá trình định vị, kẹp chặt phôi gia công bánh răng.
   • Hoàn thiện hồ sơ tính toán, bản vẽ thiết kế chi tiết và bản vẽ lắp ráp cụm ụ động trên phần mềm chuyên dụng.
   • Kiểm nghiệm bền cơ học và mô phỏng hoạt động động học của cơ cấu.
   • Tiến hành chế tạo, lắp ráp thực tế cụm ụ động và phối hợp với hai nhóm đề tài khác để hoàn thiện tổng thể máy phay lăn răng CNC.
   • Đạt định hướng nâng cao tỷ lệ nội địa hóa (mục tiêu lên đến 90%), tối ưu hóa giá thành sản xuất so với thiết bị nhập ngoại.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

   • Đối tượng nghiên cứu: Cụm ụ động (tailstock), cơ cấu bàn quay phân độ (rotary table), hệ thống gá kẹp thủy lực (hydraulic fixture) và các bộ truyền dẫn động liên quan của máy phay lăn răng CNC.
   • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kỹ thuật, mô hình hóa 3D, phân tích ứng suất - biến dạng bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2015, tính toán động lực học - truyền động, gia công chế tạo thực tế tại xưởng và hoàn thành trong thời gian 20 tuần (4 tháng).
   • Thông số kỹ thuật định mức của máy:
     • Đường kính gia công phôi lớn nhất (Processing Diameter Max): Ø200 mm.
     • Mô-đun gia công lớn nhất (Module Max): 4 mm.
     • Góc xoay đầu dao lớn nhất (Rotation angle Max): $\pm 45^\circ$.
     • Tốc độ trục dao chính lớn nhất (Kingbolt Speed Max): 1500 vòng/phút.
     • Tốc độ bàn quay lớn nhất (Bench Speed Max): 200 vòng/phút.
     • Hệ thống điều khiển: CNC HCMUTE.
     • Kích thước phủ bì toàn máy: $2150 \times 2680 \times 2250$ mm.
     • Tổng khối lượng máy: 8500 kg.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý gia công

Đề tài vận dụng lý thuyết tạo hình bánh răng bằng phương pháp phay bao hình liên tục (gear hobbing). Quá trình cắt răng được thực hiện nhờ sự phối hợp đồng bộ giữa chuyển động quay của dao phay trục vít (hob) và chuyển động quay của phôi (bàn quay C), cùng chuyển động tịnh tiến dọc trục của đầu dao/bàn máy để cắt hết chiều rộng vành răng.

• Động học bao hình bánh răng: Mối quan hệ tốc độ quay giữa dao và phôi tuân theo tỷ số truyền: $$\frac{n_{\text{phôi}}}{n_{\text{dao}}} = \frac{K}{Z}$$ Trong đó: $K$ là số đầu mối của dao phay lăn vít; $Z$ là số răng cần gia công của phôi bánh răng.
• Góc nghiêng cài đặt dao khi phay bánh răng nghiêng: Được xác định theo công thức $\omega = \beta \pm \gamma$, trong đó $\beta$ là góc nghiêng của răng, $\gamma$ là góc nâng của ren dao phay, dấu $(-)$ áp dụng khi hướng nghiêng của dao và phôi cùng chiều, dấu $(+)$ áp dụng khi khác chiều.
• Tiêu chuẩn chất lượng bánh răng: Đánh giá độ chính xác gia công thông qua các chỉ tiêu: độ chính xác động học, độ ổn định khi làm việc, độ chính xác khe hở mặt bên và cấp chính xác gia công (thông thường đạt cấp IT07 – IT08).

Phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát các dòng máy phay lăn răng công nghiệp trên thế giới (như GHO-200, HERA-200 của S&T Hàn Quốc, Bourn & Koch của Mỹ, Schiess-Brighton của Đức) và kế thừa kết quả từ đề tài máy phay lăn răng của nhóm sinh viên khóa trước tại HCMUTE.
2. Phương pháp khảo sát thực tế: Tham quan, khảo sát trực tiếp quy trình công nghệ gá đặt và gia công bánh răng tại các đơn vị sản xuất: Nhà máy cơ khí Tam Bình Phương và Công ty Cổ phần VIKYNO.
3. Phương pháp đánh giá và lựa chọn phương án (Trade-off Analysis): Lập bảng ma trận so sánh định lượng các phương án kết cấu dựa trên các tiêu chí: độ chính xác, khả năng chịu mô-men, độ cứng vững, tính khả thi công nghệ khi chế tạo nội địa và giá thành.
4. Phương pháp thiết kế và mô phỏng số (CAD/CAE): Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2015 để thiết kế mô hình 3D, xuất bản vẽ kỹ thuật 2D, mô phỏng động học quá trình đóng/mở kẹp và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) kiểm tra độ bền tĩnh, ứng suất von Mises và độ dịch chuyển của kết cấu thân ụ động, bàn quay.
5. Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Tiến hành gia công cơ khí các chi tiết phi tiêu chuẩn, gia công thân cột đúc, mua sắm linh kiện tiêu chuẩn chính xác (ray dẫn hướng, xy lanh, vòng bi) và lắp ráp hoàn thiện module.

---

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống ụ động của máy phay lăn răng CNC được thiết kế bao gồm ba cụm chức năng chính: Cột thân ụ động (Tailstock column), Bàn quay phân độ trục C (Rotary table), và Cơ cấu gá kẹp phôi tự động (Fixture & Clamping mechanism).

1. Kết cấu thân cột ụ động (Tailstock Column): Thân cột được đúc nguyên khối bằng gang, kết cấu dạng hộp rỗng với chiều dày thành 30 mm nhằm triệt tiêu rung động và tối ưu hóa khối lượng. Cột ụ động được gắn hệ thống dẫn hướng tuyến tính bằng ray trượt vuông HIWIN đảm bảo chuyển động lên xuống chính xác, kết hợp xy lanh thủy lực tạo lực ép chống tâm ổn định vào trục gá phôi.
2. Hệ dẫn động bàn quay phân độ trục C (Rotary Table): Sử dụng động cơ Servo dẫn động qua bộ truyền đai răng (cogged belt). Kết cấu này giúp truyền mô-men xoắn êm ái ở khoảng cách trục lớn, giảm thiểu khe hở truyền động, tránh dao động cộng hưởng và có chi phí chế tạo phù hợp hơn so với bàn quay động cơ trực tiếp (direct-drive torque motor) hoặc bộ truyền trục vít - bánh vít dễ bị mài mòn.
3. Cơ cấu gá kẹp phôi tự động (Clamping Mechanism): Sử dụng cơ cấu kẹp bung dạng ống kẹp đàn hồi (collet chuck) kết hợp xy lanh thủy lực tác động kép. Phôi bánh răng được định vị 5 bậc tự do thông qua mặt đáy và lỗ chuẩn tâm, được kẹp chặt nhanh bằng áp lực dầu thủy lực, đảm bảo độ đồng tâm cao và hạn chế tối đa độ đảo hướng kính.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan (Overview)

• Trình bày vai trò của ngành cơ khí chế tạo máy và công nghiệp phụ trợ trong nền kinh tế Việt Nam.
• Hệ thống hóa lý thuyết bánh răng: phân loại bánh răng ăn khớp trục song song (răng thẳng, răng nghiêng, chữ V), ăn khớp trục giao nhau (bánh răng côn thẳng, côn xoắn), ăn khớp trục chéo (trục vít - bánh vít, bánh răng hypoid) và các thông số hình học tiêu chuẩn ($m, Z, d, D_a, D_i, \alpha = 20^\circ$).
• Nêu nguyên lý cắt răng bằng dao phay lăn trục vít, cấu tạo dao phay lăn (dao đơn mối, đa mối, dao liền khối, dao ghép răng) và các chuyển động tạo hình trên máy phay lăn răng thông thường và CNC.
• Trình bày sơ đồ nguyên lý vận hành: phương án đầu dao đứng yên - ụ động tịnh tiến và phương án đầu dao tịnh tiến - ụ động cố định.

Chương II: Tình hình nghiên cứu (Research Situation)

• Phân tích các tiêu chí đánh giá độ chính xác bánh răng (độ chính xác truyền động, độ ổn định làm việc, độ chính xác tiếp xúc và khe hở mặt bên).
• Nêu các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công trên máy CNC: độ cứng vững bệ máy, kích thước bàn làm việc, độ chính xác của cụm dẫn hướng vít me bi - ray trượt, động cơ servo và tính liên tục của quá trình cắt.
• Khảo sát các công nghệ phay răng hiện đại trên thế giới từ các hãng S&T (Hàn Quốc - máy GHO-200, HERA-200), Bourn & Koch (Hoa Kỳ), Schiess-Brighton (Đức).
• Tổng kết tình hình nghiên cứu máy phay lăn răng trong nước và đánh giá hạn chế của mô hình thử nghiệm trước đây tại HCMUTE.

Chương III: Tính cấp thiết và xác định đề tài (Subject of Urgency and Subject Determine)

• Phân tích thực trạng đầu tư thiết bị thực hành cơ khí tại các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật phía Nam (với hơn 10 trường đầu tư hàng chục tỷ đồng cho các giai đoạn thực hành cơ bản, nâng cao và gia công CNC).
• Xác định mục tiêu chế tạo máy phay lăn răng CNC nội địa có tỷ lệ nội địa hóa cao (90%), giảm giá thành so với nhập khẩu.
• Xác định nhiệm vụ trọng tâm của nhóm: thiết kế cải tiến, tính toán kết cấu, mô phỏng động học và chế tạo thực tế cụm đuôi máy (ụ động).

Chương IV: Tổng quan cụm ụ động máy phay lăn răng CNC (Overview of Tailstock of CNC Gear Hobbing Machine)

• Phân tích chức năng cụ thể của cụm đuôi máy: tạo chuyển động quay trục C, đảm bảo lực kẹp chặt phôi, duy trì độ đồng tâm giữa mũi chống tâm và bàn quay, tăng cường độ cứng vững cho hệ thống gá đặt trong quá trình phay.
• Khảo sát quá trình phát triển của cơ cấu đuôi máy qua ba cấp độ:
  1. Phương án thủ công (Manual): Dùng cơ cấu trục ren - tay quay hoặc thanh răng - bánh răng, kẹp phôi bằng đai ốc thủ công trên máy cơ truyền thống.
  2. Phương án bán tự động (Semi-automatic): Phôi được đặt bằng tay nhưng kẹp chặt và đẩy đầu chống tâm tự động bằng hệ thống thủy lực/khí nén.
  3. Phương án tự động hoàn toàn (Automatic): Tích hợp cánh tay cấp/thoát phôi tự động, kẹp thủy lực, mài răng tích hợp và đo kiểm chất lượng sau gia công.

Chương V: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế (Analysing to Select the Ideal Alternative Design)

Chương này thực hiện phân tích đa phương án cho ba cụm kết cấu then chốt của ụ động:

1. Lựa chọn kết cấu truyền động bàn quay (Rotary Table)

Tiêu chí đánh giá	Phương án 1: Bàn quay điện từ (Direct Drive)	Phương án 2: Trục vít - Bánh vít	Phương án 3: Bộ truyền đai răng (Cogged Belt) - ĐƯỢC CHỌN
Độ chính xác cao	x
Khả năng chịu mô-men	x	x	x
Chịu tải trọng lớn	x	x	x
Dễ chế tạo, lắp ráp			x
Độ ổn định vận hành	x	x	x
Tính thẩm mỹ	x	x	x
Giá thành thấp			x

Lý do chọn: Phương án 3 (Đai răng kết hợp Servo) đảm bảo tính mềm dẻo, vận hành êm ở tốc độ cao, kết cấu đơn giản, chi phí gia công hợp lý và hoàn toàn khả thi với điều kiện chế tạo trong nước.

2. Lựa chọn kết cấu dẫn động cột chống tâm (Center Tailstock)

Tiêu chí đánh giá	Phương án 1: Ụ chống tâm cố định	Phương án 2: Thanh răng - Bánh răng	Phương án 3: Xy lanh thủy lực - ĐƯỢC CHỌN
Độ chính xác cao			x
Khả năng chịu xoắn		x	x
Khả năng chịu tải trọng		x	x
Dễ gia công chế tạo	x	x
Độ ổn định kẹp			x
Tiết kiệm thời gian gá			x
Giá thành thấp	x	x

Lý do chọn: Phương án 3 (Dẫn động và ép bằng xy lanh thủy lực kết hợp ray trượt dẫn hướng vuông) đáp ứng lực kẹp lớn, ổn định liên tục, thời gian đóng mở nhanh, phù hợp tiêu chuẩn tự động hóa của máy CNC công nghiệp.

3. Lựa chọn cơ cấu đồ gá kẹp phôi (Fixture)

• Phương án 1 - Mâm cặp 3 chấu: Dễ gá nhưng lực kẹp cục bộ lớn dễ làm biến dạng phôi mỏng, tốn thời gian rà gá.
• Phương án 2 - Trục gá định hình siết bu-lông: Độ cứng vững cao, giá thành thấp nhưng tính chuyên dụng cao, không linh hoạt khi đổi quy cách phôi.
• Phương án 3 - Ống kẹp đàn hồi (Collet chuck) thủy lực (ĐƯỢC CHỌN): Độ cứng vững rất cao, giảm thiểu triệt để sai lệch độ đồng tâm giữa phôi và đồ gá, tạo lực kẹp phân bố đều, gia tăng cấp chính xác cho bánh răng sau gia công.

Chương VI: Thiết kế (Design)

• Thiết kế hình học chi tiết từng cụm: Cụm bàn quay hộp rỗng, cụm xy lanh xoay kẹp/mở, cụm đầu chống tâm xoay (Head of tailstock) và kết cấu thân cột ụ động (Body of tailstock).
• Xây dựng bản vẽ lắp tổng thể máy, bản vẽ lắp cụm đuôi máy và hệ thống đồ gá chi tiết trên phần mềm CAD.

Chương VII: Tính toán (Calculate)

• Tính toán lực cắt ($P_z, P_y, P_x$): Phân tích lực tác dụng của dao phay lăn lên phôi khi phay bánh răng thẳng và bánh răng nghiêng (nghiêng trái và nghiêng phải).
• Tính chọn công suất và động cơ dẫn động bàn quay: Xác định công suất cản khi cắt, mô-đun xoắn cần thiết để lựa chọn động cơ servo phù hợp.
• Tính toán bộ truyền đai răng: Xác định các thông số hình học của đai răng, bước răng, chiều rộng đai và lực căng đai đảm bảo không bị trượt bước khi quay đồng bộ.
• Tính chọn ray dẫn hướng và con trượt: Tính toán lực và mô-men uốn tác dụng lên thanh trượt để chọn mã ray dẫn hướng tuyến tính HIWIN phù hợp với tải trọng làm việc.
• Tính toán lực kẹp yêu cầu: Xác định áp suất dầu và đường kính piston xy lanh thủy lực nhằm sinh ra lực ép dọc trục đủ lớn giữ chặt phôi chống lại lực cắt đẩy ngược.

Chương VIII: Kiểm nghiệm bằng phần mềm Inventor Professional 2015 (Testing with Inventor Professional Software 2015)

• Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho các chi tiết chịu lực chính (thân cột ụ động, bàn quay).
• Đặt điều kiện biên, tải trọng cắt và lực kẹp tính toán từ Chương VII vào mô hình.
• Phân tích trường ứng suất von Mises, hệ số an toàn bền và độ biến dạng dịch chuyển (displacement) để khẳng định kết cấu đạt độ cứng vững yêu cầu làm việc.

Chương IX & X: Chế tạo, Kết luận và Hướng phát triển (Fabrication, Conclusion and Suggestion)

• Quy trình mua sắm linh kiện tiêu chuẩn (ray trượt HIWIN, vòng bi đỡ chặn, phụ kiện thủy lực) và gia công cơ khí các chi tiết đúc, phay, tiện còn lại tại xưởng.
• Tổng kết các kết quả đạt được sau 20 tuần thực hiện và đề xuất các giải pháp hoàn thiện máy trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được:

   • Hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ thiết kế cải tiến kỹ thuật cụm đuôi máy (ụ động) cho máy phay lăn răng CNC bao gồm thuyết minh tính toán, bản vẽ 3D, bản vẽ chi tiết gia công và bản vẽ lắp ráp cụm.
   • Ứng dụng thành công phần mềm Autodesk Inventor Professional 2015 trong việc tính toán động học, mô phỏng hoạt động kẹp/mở phôi và phân tích bền kết cấu chịu lực.
   • Lựa chọn và tích hợp thành công giải pháp truyền động bàn quay trục C bằng đai răng kết hợp động cơ servo, cụm dịch chuyển đầu chống tâm bằng xy lanh thủy lực trên ray trượt vuông HIWIN, và cơ cấu kẹp phôi tự động bằng Collet chuck thủy lực.
   • Chế tạo thực tế hoàn chỉnh cụm ụ động và lắp ráp ăn khớp đồng bộ với toàn bộ thân máy phay lăn răng CNC công nghiệp có thông số gia công bánh răng đến $\varnothing 200$ mm, mô-đun lớn nhất 4 mm.

2. Đóng góp so với các nghiên cứu trước:

   • Khắc phục triệt để nhược điểm của mô hình máy phay lăn răng tiền nhiệm tại HCMUTE (vốn dùng ụ chống tâm cố định kẹp tay, độ cứng vững thấp, chỉ cắt được vật liệu mềm như đồng, nhựa).
   • Nâng cao tính tự động hóa thông qua hệ thống kẹp chặt và chống tâm bằng thủy lực, rút ngắn thời gian phụ trợ gá đặt phôi.
   • Đóng góp một module hoàn chỉnh vào dự án nghiên cứu chế tạo máy phay lăn răng CNC 5 trục nội địa hóa tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Do giới hạn về thời gian thực hiện đồ án (20 tuần) và kinh phí chế tạo của sinh viên, hệ thống chưa tích hợp được cánh tay robot cấp phôi tự động hoàn toàn (Auto supply workpiece).
  • Chưa tích hợp cơ cấu đo kiểm chất lượng biên dạng răng tự động trực tiếp trên máy ngay sau nguyên công phay.
  • Cụm bàn quay sử dụng bộ truyền đai răng tuy tối ưu về giá thành nhưng độ chính xác góc quay chưa đạt mức tuyệt đối như dòng động cơ mô-men quay trực tiếp (Torque motor/Direct Drive) trên các máy CNC cao cấp nước ngoài.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nghiên cứu ứng dụng động cơ quay trực tiếp (Direct drive motor) cho trục bàn quay C khi có đủ điều kiện kinh phí.
  • Thiết kế tích hợp cơ cấu cấp/thoát phôi tự động bằng cánh tay robot hoặc ổ tích phôi cấp liệu liên tục.
  • Nghiên cứu tích hợp đầu mài răng hoặc đầu cạo răng tinh (gear shaving/grinding) trên cùng bệ máy để mở rộng khả năng gia công tinh sau khi phay thô.

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng sử dụng:
  • Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy đang thực hiện đồ án môn học (Đồ án Chi tiết máy, Đồ án Công nghệ Chế tạo máy), khóa luận tốt nghiệp về thiết kế máy công cụ CNC.
  • Kỹ sư thiết kế máy tại các doanh nghiệp chế tạo thiết bị cơ khí, phụ tùng ô tô - xe máy có nhu cầu tham khảo kết cấu đồ gá kẹp phôi thủy lực và cụm phân độ trục C.
• Phần nội dung giá trị nhất:
  • Quy trình phân tích, so sánh lựa chọn phương án kết cấu cơ khí (Chương V).
  • Phương pháp tính toán lực cắt phay lăn răng và phương pháp tính chọn linh kiện dẫn hướng tuyến tính, xy lanh kẹp thủy lực (Chương VII).
  • Quy trình mô phỏng và kiểm nghiệm bền phần tử hữu hạn (FEA) trên Autodesk Inventor Professional (Chương VIII).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án này do ai thực hiện, thuộc đơn vị nào và hoàn thành vào thời gian nào?
Đồ án do nhóm sinh viên Lương Nguyễn Quốc Điền (MSSV: 13143079), Ngô Đức Thắng (MSSV: 13143326) và Trần Văn Đông (MSSV: 13143086), lớp 131434A thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Linh và ThS. Đặng Minh Phụng (phản biện: ThS. Trần Quốc Hùng) tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE), hoàn thành vào tháng 07/2017.

2. Các thông số kỹ thuật gia công chính của máy phay lăn răng CNC trong đề tài là gì?
Máy được thiết kế để gia công bánh răng có đường kính lớn nhất $\varnothing 200$ mm, mô-đun răng lớn nhất 4 mm, góc xoay đầu dao lớn nhất $\pm 45^\circ$, tốc độ trục chính dao lớn nhất 1500 vòng/phút, tốc độ bàn quay lớn nhất 200 vòng/phút, kích thước máy $2150 \times 2680 \times 2250$ mm và tổng khối lượng khoảng 8500 kg.

3. Tại sao nhóm tác giả lại chọn bộ truyền đai răng (cogged belt) cho bàn quay trục C thay vì bàn quay trực tiếp hay trục vít - bánh vít?
Nhóm lựa chọn bộ truyền đai răng kết hợp động cơ servo vì nó truyền được mô-men xoắn ở khoảng cách trục lớn, vận hành êm ái nhờ tính đàn hồi, kết cấu đơn giản, giảm hiện tượng trượt, chi phí gia công chế tạo thấp và hoàn toàn phù hợp với năng lực công nghệ và ngân sách thực hiện trong nước so với bàn quay điện từ đắt tiền hoặc trục vít - bánh vít dễ bị mòn nhiệt.

4. Giải pháp nâng hạ và kẹp chống tâm ụ động được lựa chọn trong đồ án là gì?
Nhóm tác giả chọn phương án dẫn động bằng xy lanh thủy lực kết hợp ray dẫn hướng tuyến tính dạng vuông (HIWIN). Phương án này cung cấp lực ép lớn và liên tục, định vị chính xác, thao tác kẹp/mở nhanh tự động, đảm bảo độ cứng vững khi gia công cắt gọt tải trọng lớn.

5. Cơ cấu kẹp phôi trên bàn máy sử dụng nguyên lý nào?
Đồ án sử dụng cơ cấu ống kẹp đàn hồi (collet chuck) kết hợp xy lanh thủy lực tác động kép, định vị phôi tại mặt phẳng đáy và lỗ tâm chuẩn, giúp triệt tiêu sai số độ đảo hướng kính và tăng độ chính xác đồng tâm khi gia công bánh răng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu cải tiến thiết kế và chế tạo đuôi máy máy phay lăn răng CNC" đã giải quyết thành công bài toán nâng cao độ cứng vững và tự động hóa quá trình định vị, kẹp chặt phôi bánh răng trên máy CNC thông qua việc kết hợp hệ thống xy lanh thủy lực, ray trượt tuyến tính HIWIN và bàn quay dẫn động đai răng servo. Kết quả nghiên cứu không chỉ hoàn thiện bộ hồ sơ thiết kế - tính toán - mô phỏng số chi tiết trên phần mềm Autodesk Inventor 2015 mà còn được hiện thực hóa bằng sản phẩm cơ khí chế tạo thực tế, đóng góp thiết thực vào mục tiêu làm chủ công nghệ sản xuất máy công cụ CNC tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING GRADUATION THESIS MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY RESEARCH, DESIGN IMPROVEMENT AND MANUFACTURE TAILSTOCK OF GEAR HOBBING CNC MACHINE Advisor: ME. LE LINH ME. DANG MINH PHUNG Students: LUONG NGUYEN QUOC DIEN Student’s ID: 13143079 Students: NGO DUC THANG Student’s ID: 13143326 Students: TRAN VAN DONG Student’s ID: 13143086 SKL 0 0 4 9 5 2 Ho Chi Minh City, July 2017 do an MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING  BACHELOR THESIS RESEARCH, DESIGN IMPROVEMENT AND MANUFACTURE TAILSTOCK OF GEAR HOBBING CNC MACHINE Advisor: ME. Le Linh ME.

Dang Minh Phung Students: Luong Nguyen Quoc Dien Student’s ID: 13143079 Ngo Duc Thang 13143326 Tran Van Dong 13143086 Ho Chi Minh, July 2017 do an HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING Website: fme.vn Email: [e-mail] Facebook: https://www.com/CKMSPKT https://www.com/Khoacokhichetaomay Capstone Project Proposal Advisor: M. Dang Minh Phung M. Le Linh Student 1: Luong Nguyen Quoc Dien Student ID: 13143079 Student 2: Ngo Duc Thang Student ID: 13143326 Student 3: Tran Van Dong Student ID: 13143086 1. Title of Capstone Project: - Researching design improvement and manufacture tail stock of gear hobbing CNC machine.

Initial Information: - Research domestical and international documents. - Reference design documents from previous group. Main Content: - Documents of researching design improvement, description, calculation and model of tail stock in gear hobbing CNC machine. - Manufacture tail stock of gear hobbing CNC machine.

Expected Results - Design improvement calculation description. - Design improvement portfolio: detail drawings, assembly drawings. - A tail stock of gear hobbing CNC machine model. Submission date: 15/07/2017 do an I 7.

Language: Report: English  Vietnamese  Oral presentation: English  Vietnamese  Dean Head of Department Advisor do an II GRADUATION PROJECT M. Le Linh ADVISOR M. Dang Minh Phung REVIEWER M. Tran Quoc Hung Student Student ID Class Ngo Duc Thang 13143326 131434A Luong Nguyen Quoc Dien 13143079 131434A Tran Van Dong 13143086 131434A RESEARCH, DESIGN IMPROVEMENT AND MANUFACTURE TAILSTOCK OF CNC GEAR HOBBING MACHINE 1.

The first parameter: DATA ENGINEERING SPECIALITY Processing Diameter Max Ø200 mm Module Max 4 mm Rotation angle Max Max ±45 Kingbolt Speed Max 1500 Revolution per minute Bench Speed Max 200 Revolution per minute System Control CNC HCMUTE Dimension 2150 x 2680 x 2250 Weight 8500kg do an III Advisor’s comments. do an IV Reviewer’s comments. do an V ACKNOWLEDGEMENT Graduation project is the product of knowledge and skills that we have accumulated during our studying in university. It creates a chance for us to bring out our knowledge into practical research and report it to experience experts to get their evaluate and review for our products, aiming to perform our ability in the field of mechanical engineering.

Graduation project is not only helping us to improve our knowledge and use it for the practical process but also reinforcing our sense of analysis and study. Step by step to make self-improvement, think about possible solutions for each of our struggles during the project. “Researching design improvement and manufacture tailstock of CNC gear hobbing machine” has been finished after 4 months of researching and manufacturing. It is not only the effort of our team but also the encouragement of the lecturers in Faculty of Mechanical Engineering and Department of Machinery Manufacturing Technology.

We would first like to thank my project advisors ME. Le Linh and ME. Dang Minh Phung who always stands by our side. The door of M.E Dang Minh Phung office was always open whenever we ran into a trouble spot or had questions or get stuck in researching and designing for the project, replace them with constructive comments that positively affect the project’s outcome.

He consistently allowed this paper to be our own work and steered us in the right direction whenever we needed it. We would also like to acknowledge M. Tran Quoc Hung as the reviewer of this project, and we gratefully indebted to his very valuable comments on this project.