Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, công tác chế tạo, sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị đòi hỏi nguồn cung cấp chi tiết thay thế có độ chính xác cao. Theo tác giả đồ án, phương thức sản xuất truyền thống trên các máy công cụ vạn năng thường phân tán nguyên công, năng suất hạn chế và phụ thuộc trực tiếp vào tay nghề của thợ gia công. Sự phát triển của các hệ thống thiết kế và chế tạo có sự trợ giúp của máy tính (CAD/CAM) kết hợp với máy công cụ điều khiển số (CNC) đã giải quyết triệt để các nhược điểm này, nâng cao năng suất và đảm bảo dung sai hình học nghiêm ngặt.

Trước yêu cầu công nghệ và xu thế sản xuất chính xác của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, học phần Đồ án môn học PBL4 "Chế tạo chi tiết máy bay với sự hỗ trợ của máy tính" được triển khai tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng nhằm trang bị kỹ năng tích hợp thiết kế 3D, lập trình gia công và mô phỏng số.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế mô hình hình học 3D của chi tiết cơ khí trên phần mềm chuyên dụng.
  2. Thiết lập quy trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh, bao gồm phân tích khả năng công nghệ, lựa chọn thiết bị gia công, định thứ tự các bước nguyên công và tính toán chế độ cắt.
  3. Mô phỏng quá trình gia công cắt gọt (bóc tách vật liệu) trên phần mềm CAM.
  4. Lắp ráp kiểm tra và xuất chương trình điều khiển số (file mã lệnh CN) phục vụ vận hành máy CNC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết càng phụ chịu lực mang tên "AFT BRACE" thuộc cụm kết cấu càng đáp của máy bay thương mại.
  • Phạm vi công nghệ và kỹ thuật: Phân tích kỹ thuật chi tiết, lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm, thiết kế mô hình 3D trên môi trường CAD, thiết lập các nguyên công phay - khoan - doa trên máy phay CNC 3 trục, tính toán các thông số cắt gọt và mô phỏng trên phần mềm PTC CREO Parametric 5.0 và SolidWorks.
  • Không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Cơ khí Hàng không, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, hoàn thành vào ngày 28 tháng 12 năm 2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế - gia công

Nghiên cứu áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết công nghệ chế tạo máy và công cụ thiết kế, lập trình số như sau:

Khung lý thuyết và vật liệu chế tạo

  • Đặc tính vật liệu hợp kim nhôm 2024: Chi tiết AFT BRACE sử dụng hợp kim nhôm 2024 (chứa 4,0% – 4,5% Cu và 1,5% – 2,0% Mg), có độ cứng nằm trong khoảng 120 – 140 HB. Đây là vật liệu không gỉ, độ bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, gia công cắt gọt thuận lợi và có khả năng chống ăn mòn hiệu quả khi được bảo vệ bằng lớp oxide hóa bề mặt, đáp ứng yêu cầu giảm trọng lượng và chịu lực của chi tiết càng đáp hàng không.
  • Lý thuyết chế độ cắt gọt kim loại: Chế độ gia công được xác định dựa trên các công thức giải tích chuẩn của ngành gia công cơ khí:
    • Vận tốc cắt: $v_c = \frac{\pi \cdot DC \cdot n}{1000}$ (m/phút)
    • Vận tốc tiến dao bàn: $v_f = n \cdot z \cdot f_z$ (mm/phút)
    • Trong đó: $DC$ là đường kính dao (mm), $n$ là tốc độ quay trục chính (vòng/phút), $f_z$ là lượng chạy dao răng (mm/răng), $z$ là số me cắt của dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình hóa hình học: Xây dựng biên dạng 2D (Sketch) và tạo hình khối 3D (Solid Modeling) thông qua các giải thuật đùn khối (Extrude), cắt khối (Extrude Cut) và bo tròn mép (Fillet).
  • Phương pháp phân tích công nghệ chế tạo: Phân chia cấu trúc chi tiết thành các bề mặt làm việc và bề mặt không làm việc để xác định chuỗi nguyên công gá đặt tối ưu hóa độ cứng vững.
  • Phương pháp mô phỏng số bóc tách vật liệu (Material Removal Simulation): Kiểm tra quỹ đạo dao, lượng dư và va chạm hình học trước khi chuyển đổi sang mã lệnh gia công thực tế.

Công cụ và nguồn dữ liệu

  • Phần mềm sử dụng: PTC CREO Parametric 5.0 (các phân hệ Part, Sketch, Manufacturing, Assembly, Drawing) và SolidWorks.
  • Nguồn dữ liệu kỹ thuật: Bản vẽ kỹ thuật gốc của chi tiết AFT BRACE, thông số catalogue của máy phay CNC 3 trục UHB 500 và thông số chế độ cắt chuẩn cho dao phay, dao khoan, dao doa vật liệu hợp kim nhôm.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT

Chương này tập trung vào việc nghiên cứu kết cấu cơ học và xây dựng mô hình số 3D của chi tiết càng đáp máy bay AFT BRACE:

  • Yêu cầu kỹ thuật: Các bề mặt làm việc chính (gồm các lỗ lắp ghép Ø10 mm và Ø20 mm) yêu cầu cấp chính xác kích thước IT6, độ nhám bề mặt $R_z = 10$. Các bề mặt còn lại không làm việc yêu cầu độ chính xác thấp hơn, đạt cấp IT10 với độ nhám $R_z = 20$. Các cạnh bên và giao tuyến mặt phẳng nghiêng có bán kính bo $R = 2$ mm.
  • Công cụ phần mềm: Tác giả phân tích các hệ thống CAD/CAM phổ biến (SolidWorks, CATIA, NX, I-deas, Pro/Engineer Wildfire) và chọn CREO 5.0 cùng SolidWorks vì tính kinh tế, linh hoạt và tương thích tốt. Các mô-đun chính của CREO được giới thiệu gồm: Sketch (vẽ biên dạng 2D), Part (tạo khối 3D dạng Solid, Shell, Surface), Assembly (lắp ráp kết cấu), Manufacturing (lập trình và mô phỏng gia công), Drawing (xuất bản vẽ 2D).
  • Quy trình dựng hình chi tiết 1:
    1. Khối chính: Vẽ phác thảo 2D bằng lệnh Line, Circle; sử dụng lệnh Extrude đối xứng về 2 phía mặt phẳng chuẩn để tạo khối có chiều dày 20 mm.
    2. Cắt khối lỗ: Dùng lệnh Extrude Cut vẽ biên dạng tròn đường kính Ø10 mm, cắt thủng một hướng qua chiều dày 20 mm.
    3. Bo cạnh viền: Dùng lệnh Fillet chọn đồng thời 2 cạnh biên để bo cong theo kích thước yêu cầu.
    4. Gia công vát nghiêng: Dùng lệnh Extrude Cut tạo biên dạng góc nghiêng 30 độ cắt xuyên toàn bộ chi tiết, thực hiện đối xứng cho mặt trên và mặt dưới.
    5. Tạo rãnh giảm khối lượng: Dùng lệnh Extrude Cut vẽ cung cong bán kính 10 mm, cắt sâu vào bề mặt 5 mm tại cả hai mặt trên và dưới của chi tiết.

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

Chương này lập kế hoạch chế tạo, lựa chọn thiết bị công nghệ và tính toán chế độ cắt chi tiết:

  • Lựa chọn máy công cụ: Đồ án chọn máy phay CNC 3 trục UHB 500 với các thông số kỹ thuật chính:
    • Vùng làm việc tối đa ($X \times Y \times Z$): $500 \times 400 \times 300$ mm
    • Tốc độ chạy dao nhanh tối đa ($X/Y/Z$): $15 / 15 / 12$ m/phút
    • Công suất trục chính: $N = 6,5$ kW; dải tốc độ: $n = 1 – 40.000$ vòng/phút
    • Khối lượng tải tối đa: 200 kg; lực cắt lớn nhất các trục: 2500 N
    • Độ chính xác định vị: 0,005 mm; độ chính xác lặp lại: 0,003 mm
    • Số vị trí dao trong đài gá: 13 vị trí; nguồn điện: 3 pha AC 380V/50Hz/25A
  • Quy trình phân chia lần gá và nguyên công (Chi tiết 1):
    • Lần gá 1: Phay khỏa mặt đầu.
    • Lần gá 2: Bước 1: Phay mặt đầu đối diện; Bước 2: Phay biên dạng ngoài; Bước 3: Phay hốc sâu 5 mm; Bước 4: Khoan và doa lỗ Ø20 mm.
    • Lần gá 3: Bước 1: Phay biên dạng còn lại; Bước 2: Phay hốc mặt sau.
    • Lần gá 4: Bước 1: Phay biên dạng; Bước 2: Khoan và doa lỗ Ø10 mm; Bước 3: Phay biên dạng nghiêng 30 độ; Bước 4: Phay biên dạng nghiêng còn lại.
  • Tính toán chế độ cắt:
Lần gá Bước công nghệ Chế độ gia công Lượng ăn dao $f_z$ (mm/răng) Vận tốc cắt $v_c$ (m/phút) Tốc độ trục chính $n$ (vòng/phút) Lượng chạy dao $v_f$ (mm/phút) Chiều sâu cắt $a_p$ / Chiều rộng cắt $a_c$ (mm)
Gá 1 & 2 Phay mặt đầu Phay thô 0,11 260 2586 1137,84 -
Phay tinh 0,13 345 3431 1784,00 -
Gá 2 Phay biên dạng Phay thô 0,095 285 3628 1378,00 $a_p = 0,5$
Phay tinh 0,10 380 4838 1933,00 $a_p = 0,5$
Gá 2 Phay hốc Phay thô 0,07 265 8435 1180,00 $a_c = 10$
Phay tinh 0,08 345 10981 1757,00 $a_c = 3$
Gá 2 Gia công lỗ Ø20 Khoan 0,34 90 1432 - -
Doa 0,10 105 167,11 - -
Gá 4 Gia công lỗ Ø10 Khoan 0,24 90 2864 - -
Doa 0,10 105 3342 - -

(Ghi chú: Các bước phay biên dạng nghiêng và biên dạng còn lại tại lần gá 3 và 4 áp dụng chế độ cắt tính toán tương tự bước phay biên dạng ở lần gá 2).

CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH GIA CÔNG CHI TIẾT

Tác giả thiết lập môi trường gia công CAM trên CREO 5.0 thông qua mô-đun Manufacturing (NC Assembly) với hệ đơn vị chuẩn mmns_mfg_nc:

  • Thiết lập phôi và gốc tọa độ: Gọi mô hình chi tiết vào phôi gia công qua tính năng Assemble Reference Model, thiết lập gốc tọa độ chuẩn (Automatic/Default) và tạo khối phôi tự động (Automatic Workpiece) để phân bổ lượng dư gia công.
  • Cấu hình trạm máy: Định cấu hình trung tâm gia công (Work Center) là máy phay 3 trục (Mill 3-axis), thiết lập gốc không của máy và mặt phẳng lùi dao an toàn.
  • Trình tự lập trình theo từng lần gá: Đối với mỗi nguyên công, tác giả tuân thủ việc xác lập bộ 3 tham số cốt lõi:
    1. Tool (Dụng cụ cắt): Khai báo kiểu dao, kích thước và đồng bộ tên dao giữa tab General và tab Setting.
    2. Reference (Đối tượng gia công): Tạo bề mặt gia công (Mill Surface) hoặc tạo khối thể tích cần cắt (Mill Volume) bằng lệnh Extrude rồi gán bề mặt nhận diện gia công (Machining Reference).
    3. Parameters (Thông số công nghệ): Cài đặt tốc độ cắt ($v_c$), tốc độ tiến dao ($v_f$), bước dịch dao ngang và kiểu đường chạy dao.

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG GIA CÔNG CHI TIẾT

  • Mô phỏng bóc tách vật liệu: Tác giả sử dụng chức năng Material Removal Simulation trong môi trường CREO 5.0 để kiểm tra quá trình phay mặt đầu, phay biên dạng bao quanh, phay bóc vật liệu hốc sâu 5 mm, chu trình khoan và doa hoàn thiện các lỗ Ø20 mm và Ø10 mm.
  • Mô phỏng lắp ráp và xuất mã: Kiểm tra sự tương quan lắp ráp giữa các bề mặt làm việc của chi tiết và xuất chương trình điều khiển số sang định dạng file CN (G-code) sẵn sàng nạp cho hệ điều khiển máy CNC UHB 500.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật gia công trong đồ án được phát triển theo chuỗi liên kết khép kín CAD – CAM – CNC, bao gồm các thành phần công nghệ sau:

Quy trình công nghệ tích hợp

  1. Pha thiết kế (CAD): Khởi tạo từ các lệnh cơ bản trong mô-đun Part của CREO 5.0/SolidWorks, mô hình hóa chi tiết AFT BRACE có chiều dày 20 mm, hệ thống góc nghiêng vát 30 độ và các hốc giảm tải đối xứng sâu 5 mm.
  2. Pha lập trình gia công (CAM): Xác lập 4 vị trí gá đặt độc lập để giải quyết toàn bộ các mặt phẳng và bề mặt lỗ. Hệ tọa độ gia công được gắn trực tiếp trên chi tiết; các bề mặt phay phẳng, phay hốc (Volume) và chu trình lỗ (Drill/Ream) được định nghĩa với quỹ đạo dao tối ưu hóa theo chiều sâu cắt $a_p = 0,5$ mm đối với phay biên dạng và chiều rộng cắt $a_c = 10$ mm / $3$ mm đối với phay hốc.
  3. Pha kiểm thử số và hậu xử lý (Post-Processing): Sử dụng công cụ Material Removal Simulation của CREO để chạy thử mô hình ảo, quan sát sự tiếp xúc giữa dao và phôi nhằm phát hiện va chạm hoặc phạm lẹm bề mặt. Sau khi kiểm tra thành công, dữ liệu quỹ đạo dao được chuyển đổi thành file CN hoàn chỉnh chứa hệ thống câu lệnh G-code/M-code điều khiển máy CNC.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xây dựng thành công mô hình 3D chính xác của chi tiết càng đáp máy bay AFT BRACE với đầy đủ các yếu tố hình học: chiều dày phôi 20 mm, các hốc đối xứng sâu 5 mm bán kính $R = 10$ mm, góc vát biên dạng 30 độ và hệ thống lỗ lắp ghép Ø10 mm, Ø20 mm.
  • Xây dựng bảng quy trình công nghệ 4 lần gá hoàn chỉnh trên máy phay 3 trục UHB 500, loại bỏ nhu cầu sử dụng các thiết bị tạo hình phức tạp nhiều trục không cần thiết.
  • Tính toán đầy đủ chế độ cắt gọt chi tiết cho hợp kim nhôm 2024: tốc độ trục chính biến thiên từ 167,11 vòng/phút (doa lỗ Ø20) đến 10.981 vòng/phút (phay tinh hốc); vận tốc cắt dao động từ 90 m/phút (khoan) đến 380 m/phút (phay tinh biên dạng).
  • Xuất dữ liệu chương trình gia công số file CN và mô phỏng trực quan toàn bộ quá trình cắt bóc vật liệu.

Giải pháp và kiến nghị công nghệ của tác giả

  • Ứng dụng mô-đun Manufacturing của CREO 5.0 để tự động hóa việc tính toán đường chạy dao và điều khiển máy phay, rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất so với phương pháp thủ công truyền thống.
  • Sử dụng giải pháp công nghệ kết hợp khoan mồi và doa hoàn thiện để bảo đảm độ chính xác cấp IT6 và độ nhám $R_z = 10$ cho hai lỗ làm việc chính Ø10 mm và Ø20 mm trên hợp kim nhôm 2024.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

Đồ án đóng vai trò kết nối kiến thức lý thuyết về công nghệ chế tạo máy với công cụ phần mềm thiết kế và chế tạo hiện đại, hoàn thành mục tiêu học phần PBL4 của chuyên ngành Cơ khí Hàng không tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Toàn bộ quá trình gia công và kiểm tra bóc tách vật liệu mới dừng lại ở mức độ mô phỏng số (Material Removal Simulation) trên phần mềm máy tính, chưa tiến hành gia công thực tế trên phôi nhôm 2024 thật tại xưởng máy.
  • Đồ án chưa thực hiện đo kiểm thực tế các thông số độ nhám bề mặt ($R_z = 10$ và $R_z = 20$) cũng như dung sai kích thước cấp IT6 bằng các thiết bị đo công nghiệp (như máy đo tọa độ CMM).
  • Chưa có phần phân tích ứng suất động học cơ học (FEA/CAE) chi tiết chịu tải khi càng đáp tiếp đất để đánh giá độ bền liên kết.

Hướng nghiên cứu mở rộng

  • Nạp chương trình gia công file CN vào hệ điều khiển của máy phay CNC 3 trục UHB 500 thực tế để tiến hành chế tạo mẫu thử nghiệm.
  • Đo đạc độ chính xác gia công thực tế, đánh giá mòn dao và tối ưu hóa các thông số cắt gọt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết AFT BRACE.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này có giá trị ứng dụng và tham khảo đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Cơ khí Hàng không và Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học CAD/CAM/CNC, đồ án công nghệ chế tạo máy hoặc các dự án học tập theo định hướng PBL.
  • Kỹ sư thiết kế và lập trình viên CAM: Tham khảo quy trình thiết lập chuẩn cho mô-đun Manufacturing trên PTC CREO Parametric 5.0, từ bước khai báo phôi, thiết lập hệ tọa độ máy, tạo mặt phẳng gia công (Mill Surface) và khối gia công (Mill Volume) đến lựa chọn dao và chế độ cắt hợp lý cho hợp kim nhôm 2024.

Câu hỏi thường gặp

Chi tiết "AFT BRACE" được chế tạo từ vật liệu gì và có cơ tính như thế nào?

Chi tiết được chế tạo từ hợp kim nhôm 2024 chứa khoảng 4% – 4,5% Đồng (Cu) và 1,5% – 2% Magie (Mg). Vật liệu này có độ cứng trong khoảng 120 – 140 HB, có độ bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, gia công cắt gọt dễ dàng và chống ăn mòn hiệu quả khi được mạ một lớp oxide bề mặt.

Máy công cụ CNC nào được chọn để gia công và thông số làm việc của máy ra sao?

Tác giả lựa chọn máy phay CNC 3 trục UHB 500. Máy có vùng làm việc tối đa $X \times Y \times Z$ là $500 \times 400 \times 300$ mm, công suất trục chính 6,5 kW, tốc độ trục chính điều khiển từ 1 đến 40.000 vòng/phút, lực cắt lớn nhất 2500 N, độ chính xác định vị trục 0,005 mm, độ chính xác lặp lại 0,003 mm và khay chứa dao gồm 13 vị trí.

Yêu cầu kỹ thuật về độ nhám và cấp chính xác của chi tiết AFT BRACE được phân chia như thế nào?

  • Các bề mặt làm việc chính (gồm lỗ Ø10 mm và lỗ Ø20 mm) yêu cầu cấp chính xác kích thước IT6 và độ nhám bề mặt $R_z = 10$.
  • Các bề mặt không làm việc còn lại yêu cầu cấp chính xác IT10 và độ nhám bề mặt $R_z = 20$.
  • Các cạnh bên và cạnh tại mặt phẳng nghiêng được bo tròn bán kính $R = 2$ mm.

Quy trình công nghệ gia công chi tiết được phân bổ qua bao nhiêu lần gá đặt?

Quy trình công nghệ gia công chi tiết 1 gồm 4 lần gá đặt riêng biệt:

  • Lần gá 1: Phay mặt đầu.
  • Lần gá 2: Phay mặt đầu đối diện, phay biên dạng, phay hốc và khoan/doa lỗ Ø20 mm.
  • Lần gá 3: Phay biên dạng còn lại và phay hốc mặt sau.
  • Lần gá 4: Phay biên dạng, khoan/doa lỗ Ø10 mm và phay hai biên dạng nghiêng 30 độ.

Quá trình kiểm tra quỹ đạo và chất lượng gia công trên phần mềm CREO 5.0 được thực hiện bằng công cụ gì?

Quá trình kiểm tra được thực hiện thông qua chức năng mô phỏng bóc tách vật liệu Material Removal Simulation trong mô-đun Manufacturing của CREO 5.0, cho phép giám sát trực quan quá trình ăn dao, kiểm tra lượng dư cắt gọt và xuất file chương trình gia công mã số (file CN).

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế – mô phỏng gia công chi tiết thuộc càng đáp của máy bay" đã giải quyết trọn vẹn quy trình kỹ thuật chế tạo chi tiết càng phụ AFT BRACE bằng vật liệu hợp kim nhôm 2024. Thông qua việc làm chủ công cụ CAD/CAM trên CREO Parametric 5.0 và SolidWorks, tác giả đã xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh, phân chia hợp lý 4 lần gá gia công trên máy phay CNC 3 trục UHB 500 và tính toán chi tiết toàn bộ chế độ cắt gọt. Kết quả mô phỏng bóc tách vật liệu và tạo lập file mã lệnh CN cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác chế tạo thực nghiệm các chi tiết kết cấu trong ngành hàng không.