Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp cơ khí chế tạo chính xác hiện đại, máy phay điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computerized Numerical Control) 3 trục là thiết bị chủ lực tại hơn 75% các xưởng gia công vừa và nhỏ trên toàn cầu. Tuy nhiên, theo các khảo sát kỹ thuật từ ngành khuôn mẫu và chế tạo ô tô, có đến 42% các chi tiết phức tạp yêu cầu gia công lỗ, rãnh hoặc phay mặt phẳng ở phương ngang vuông góc $90^\circ$ so với trục chính $Z$.

   [Trục chính CNC (Phương Z)]
                │
                ▼ (BT50 Holder)
      ┌──────────────────┐
      │  Thân Hộp Góc    │ ◄─── [Cụm Chống Xoay (Stop-block + Pin)]
      │ (Angle Head 90°) │
      └─────────┬────────┘
                │ (Bánh răng côn xoắn 90°, tỷ số 1:1)
                ▼
        [Dao phay/khoan] ──► Gia công ngang phương X/Y ($90^\circ$)

Vấn đề thực tiễn và bài toán kỹ thuật

Khi thực hiện gia công các bề mặt hoặc lỗ nghiêng $90^\circ$ trên máy CNC 3 trục tiêu chuẩn, các phương pháp truyền thống bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng:

  • Gá đặt lại phôi nhiều lần: Làm tăng thời gian phụ trợ từ $35% - 50%$, đồng thời gây sai số tích lũy chuẩn định vị từ $0.03\text{ mm}$ đến $0.08\text{ mm}$.
  • Sử dụng đồ gá nghiêng phức tạp: Đòi hỏi chi phí thiết kế, gia công đồ gá riêng biệt cho từng loại sản phẩm, làm kéo dài thời gian chuẩn bị sản xuất (lead-time).
  • Đầu tư máy phay 4 trục hoặc 5 trục: Chi phí đầu tư thiết bị rất cao (thường gấp 3 đến 5 lần máy 3 trục tiêu chuẩn), không khả thi cho môi trường đào tạo và các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án

Đề tài mã số CKM-83 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh do nhóm sinh viên Bùi Trung Kiên, Đặng Ngọc Thành Công, Lý Vĩ Đường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Hiếu tập trung vào các mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết kế và mô hình hóa 3D module Angle Head $90^\circ$ tương thích với chuẩn đầu côn trục chính BT50.
  2. Tính toán, thiết kế động học và động lực học cho bộ truyền bánh răng côn xoắn ($\beta = 35^\circ$) truyền chuyển động vuông góc êm dịu, chịu tải va đập và mô-men cắt lớn.
  3. Chế tạo thực tế các chi tiết cơ khí phi tiêu chuẩn (trục dẫn, trục bị dẫn, vỏ hộp, cụm chống xoay) đạt dung sai lắp ghép kỹ thuật.
  4. Lắp ráp, thử nghiệm gia công phay mặt đầu và khoan lỗ đường kính $\varnothing 8\text{ mm}$ trực tiếp trên máy CNC thực tế, kiểm soát độ đảo trục $\le 0.015\text{ mm}$.

Giải pháp kỹ thuật và phạm vi đề tài

Giải pháp đề xuất là phát triển module chuyển góc cơ khí độc lập, nhận mô-men trực tiếp từ trục chính thông qua cán dao BT50 và chuyển hướng $90^\circ$ bằng cặp bánh răng côn xoắn. Hệ thống sử dụng cụm chốt chống xoay (Stop-block, Space-block, Pin) định vị vào mặt bích máy CNC. Phạm vi đề tài tập trung vào máy phay CNC chuẩn đầu dao BT50, chế độ cắt thử nghiệm trên vật liệu kim loại với dao phay ngón $\varnothing 8\text{ mm}$ và mũi khoan $\varnothing 8\text{ mm}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để giải quyết bài toán gia công vuông góc, các giải pháp kỹ thuật trên thị trường được so sánh chi tiết:

Tiêu chí đánh giá Gá đặt lại phôi (Setup thủ công) Trang bị máy CNC 5 trục Đầu Angle Head công nghiệp (Big Daishowa, Gerardi) Mô hình Angle Head của đề tài
Chi phí đầu tư Thấp (chỉ tốn đồ gá phụ) Rất cao ($> 150.000\text{ USD}$) Cao ($4.000 - 8.000\text{ USD}$) Rất thấp ($\sim 15 - 20\text{ triệu VNĐ}$)
Độ chính xác vị trí Thấp ($\pm 0.05\text{ mm}$) Rất cao ($\pm 0.005\text{ mm}$) Cao ($\pm 0.01\text{ mm}$) Đạt chuẩn gia công ($\pm 0.015\text{ mm}$)
Thời gian chuẩn bị Lâu ($30 - 45\text{ phút/lần}$) Nhanh ($5 - 10\text{ phút}$) Nhanh ($2 - 5\text{ phút}$) Nhanh ($3 - 5\text{ phút}$)
Tính ứng dụng đào tạo Hạn chế, dễ sai hỏng Chi phí vận hành đắt đỏ Rủi ro va đập tốn kém Phù hợp, trực quan, dễ tháo lắp

Phân tích yêu cầu theo mô hình MoSCoW

  • Must-have (Bắt buộc): Chuyển đổi hướng trục quay $90^\circ$; kẹp dao vững chắc bằng Collet ER25; cơ cấu chống xoay cố định góc thân hộp; chịu được lực cắt khi khoan/phay $\varnothing 8\text{ mm}$.
  • Should-have (Cần có): Tích hợp vòng chia độ linh hoạt để xoay định vị góc quanh trục Z; cửa thăm bôi trơn và canh chỉnh khe hở ăn khớp bánh răng.
  • Could-have (Có thể mở rộng): Cơ cấu làm mát tưới nguội xuyên tâm trục chính; cảm biến rung động.
  • Won't-have (Không thực hiện): Khả năng thay dao tự động hoàn toàn (ATC) trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu.

Thiết kế hệ thống cơ khí

Kiến trúc động học và truyền động

Hệ thống Angle Head hoạt động theo chuỗi truyền động cơ học liên tục: $$\text{Trục chính CNC (BT50)} \xrightarrow{\text{Khớp nối then}} \text{Trục dẫn (Trục 1)} \xrightarrow{\text{Bánh răng côn xoắn (1:1)}} \text{Trục bị dẫn (Trục 2)} \xrightarrow{\text{Collet ER25}} \text{Dụng cụ cắt}$$

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC ANGLE HEAD 90 ĐỘ                     |
+-------------------------------------------------------------------------+
  [Trục chính BT50]
        │
        ▼ (Khớp nối then M12)
  [Trục dẫn 1 (Thép C45, Ø30)] ──► [Ổ bi đỡ chặn NSK 7206CTYN + 6206]
        │
        ▼ (Góc ăn khớp 90°, Góc xoắn β = 35°, Mô-đun m = 2 mm)
  [Bánh răng côn xoắn dẫn Z1 = 20] <===> [Bánh răng côn xoắn bị dẫn Z2 = 20]
                                                     │
                                                     ▼
  [Trục bị dẫn 2 (Thép C45)] ◄── [Ổ bi đỡ chặn NSK 7207AW + 7305AW]
        │
        ▼ (Chuẩn côn ER25 + Đai ốc Clamping)
  [Mũi Phay / Mũi Khoan Ø8 mm]

Công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật

  • Phần mềm thiết kế và mô phỏng: SolidWorks 2022 (CAD 3D, Assembly collision detection), AutoCAD 2021 (Bản vẽ chế tạo 2D), Mastercam 2022 (Lập trình đường chạy dao phay, tiện và cắt dây CNC).
  • Vật liệu chế tạo:
    • Trục 1, Trục 2, Cặp bánh răng côn xoắn: Thép hợp kim $C45$ nhiệt luyện tôi cải thiện đạt độ cứng $40 - 45\text{ HRC}$, giới hạn bền $\sigma_b \ge 600\text{ MPa}$.
    • Vỏ hộp (Housing), Mặt bích, Torque Support: Nhôm hợp kim $6061\text{-T6}$ được xử lý bề mặt Anodized, độ bền kéo $310\text{ MPa}$, khối lượng riêng nhẹ giúp giảm quán tính tải lên trục chính CNC.
  • Hệ thống ổ lăn siêu chính xác:
    • Trục 1: Cặp ổ bi đỡ chặn tiếp xúc góc NSK 7206CTYN kết hợp ổ bi tròn 6206.
    • Trục 2 (trục làm việc): Cặp ổ bi đỡ chặn NSK 7207AW và 7305AW với góc tiếp xúc $\alpha = 30^\circ$, hấp thụ đồng thời lực cắt hướng kính ($P_y$) và lực dọc trục ($P_0, P_x$).
  • Tiêu chuẩn lắp ghép: Bulong cấp bền 8.8 tiêu chuẩn DIN 912, đầu kẹp gá dao collet tiêu chuẩn Collet ER25 kẹp được chuôi dao $\varnothing 1 - \varnothing 16\text{ mm}$.

Phương pháp nghiên cứu và quy trình triển khai

Đề tài áp dụng quy trình phát triển kỹ thuật cơ khí theo mô hình chữ V (V-Model):

  1. Giai đoạn 1: Xác định thông số cắt gọt và tính toán tải trọng động lực học ($P_z, P_y, P_x, M_x$).
  2. Giai đoạn 2: Thiết kế mô hình CAD 3D, phân tích va chạm động học giữa các chi tiết quay trong không gian vỏ hộp.
  3. Giai đoạn 3: Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết phi tiêu chuẩn (Tiện CNC, Phay CNC, Cắt dây bánh răng EDM).
  4. Giai đoạn 4: Lắp ráp, căn chỉnh khe hở ăn khớp bánh răng, kiểm tra độ đồng tâm và thử nghiệm cắt gọt thực tế.

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán động lực học và chế độ cắt

1. Tính toán lực cắt khi khoan thép bằng mũi khoan HSS $\varnothing 8\text{ mm}$

Lực chiều trục khi khoan ($P_0$) và mô-men xoắn ($M_x$) được xác định theo công thức thực nghiệm: $$P_0 = 10 \cdot C_p \cdot D^{z_p} \cdot S^{y_p} \cdot k_p \quad (\text{N})$$ $$M_x = 10 \cdot C_M \cdot D^{z_M} \cdot S^{y_M} \cdot k_M \quad (\text{N}\cdot\text{m})$$

Trong đó:

  • $D = 8\text{ mm}$ (Đường kính mũi khoan).
  • $S = 0.12\text{ mm/vòng}$ (Lượng chạy dao).
  • Hệ số thực nghiệm đối với thép $C45$: $C_p = 68$, $z_p = 1.0$, $y_p = 0.7$, $C_M = 0.0345$, $z_M = 2.0$, $y_M = 0.8$.
  • Kết quả tính toán: Lực dọc trục $P_0 \approx 1245.8\text{ N}$; Mô-men xoắn cắt $M_x \approx 4.62\text{ N}\cdot\text{m}$.

2. Tính toán lực cắt khi phay ngón bằng dao phay $\varnothing 8\text{ mm}$ (4 me cắt)

Vận tốc cắt thực tế $v$ và lực tiếp tuyến chính $P_z$: $$v = \frac{\pi \cdot D \cdot n}{1000} = \frac{\pi \cdot 8 \cdot 1200}{1000} \approx 30.16\text{ m/phút}$$ $$P_z = \frac{10 \cdot C_p \cdot t^{x_p} \cdot S_z^{y_p} \cdot B^{u_p} \cdot z}{D^{q_p}} \cdot k_{mp} \approx 412.5\text{ N}$$

3. Chương trình gia công mẫu G-code trên hệ điều hành Fanuc (Trục phay ngang 90 độ)

Lưu ý kỹ thuật: Do bộ truyền bánh răng côn đảo chiều quay, trục chính máy CNC được lập trình quay theo lệnh M04 (ngược chiều kim đồng hồ) để đầu dao ra quay đúng chiều cắt thuận M03.

%
O0083 (CHUONG TRINH GIA CONG ANGLE HEAD 90 DEG - TEST CKM)
(DAO PHAY NGON D8 - VAT LIEU NHOM 6061)
G21 G90 G40 G49 G80
T01 M06 (Goi dau Angle Head BT50)
G00 G54 X50. Y0. S1200 M04 (Quay M04 de dao ra quay chieu cat phu hop)
G43 H01 Z20. M08
; Tiep can be mat va phay mat ben theo phuong ngang Y-Z
G01 Z-5. F250
G01 X-50. F180 (Phay ranh ngang 90 do)
G00 Z20.
; Chu trinh khoan lo ngang 90 do
G00 X0. Y-30.
G98 G81 X0. Y5. Z-5. R2. F80
G80 (Huy chu trinh khoan)
G00 Z100. M09
M05
G91 G28 Z0. Y0.
M30
%

Thử nghiệm và kiểm tra độ chính xác hình học

Quá trình kiểm tra nghiệm thu hình học của module Angle Head sau khi lắp ráp hoàn thiện được thực hiện bằng đồng hồ so chân gập độ chính xác $0.001\text{ mm}$ trên bàn map đá chuẩn:

                      [Đồng hồ so 0.001 mm]
                                │
                                ▼
  [Trục chính BT50] ────► [Vỏ Angle Head] ────► [Trục kẹp ER25] ──► [Thanh trụ chuẩn]
                                                      │
                                   ◄──────────────────┴──────────────────►
                                     Đo độ đảo tâm / Độ vuông góc X-Y
  • Độ đảo hướng kính trục kẹp dao (Spindle Runout):
    • Đo tại vị trí côn trong Collet ER25: $\Delta r_1 = 0.008\text{ mm}$.
    • Đo tại thanh chuẩn gá cách đầu kẹp $50\text{ mm}$: $\Delta r_2 = 0.014\text{ mm}$ (Đạt yêu cầu kỹ thuật $\le 0.020\text{ mm}$).
  • Độ vuông góc của trục ra so với trục Z máy CNC:
    • Phương X: Sai lệch $0.012\text{ mm} / 100\text{ mm}$.
    • Phương Y: Sai lệch $0.016\text{ mm} / 100\text{ mm}$.
  • Độ tăng nhiệt và rung động: Thử nghiệm chạy không tải ở $2000\text{ vòng/phút}$ trong 30 phút, nhiệt độ vỏ hộp ổn định ở mức $41.5^\circ\text{C}$, không xảy ra hiện tượng kẹt răng hay rơ lỏng ổ bi.

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

  1. Cải tiến cơ cấu định vị chống xoay tự lựa: Thiết kế cụm chốt định vị Pin kết hợp Space-block và Stop-block lắp trên mặt bích trục chính máy phay CNC, cho phép phân bố lực phản mô-men cắt đều lên thân máy, triệt tiêu hiện tượng xoay thân hộp khi chịu tải đột ngột.
  2. Ứng dụng bánh răng côn xoắn tối ưu góc nghiêng $\beta = 35^\circ$: Giúp tăng hệ số trùng khớp ăn khớp $\varepsilon_\gamma > 1.85$, giảm rung động và tiếng ồn $45%$ so với bánh răng côn răng thẳng thông thường, kéo dài tuổi thọ ổ bi đỡ chặn.
  3. Giải pháp vật liệu lai (Hybrid Structure): Sử dụng thép $C45$ nhiệt luyện cho toàn bộ trục truyền động và bánh răng chịu lực, kết hợp vỏ hợp kim nhôm $6061\text{-T6}$ Anodized giúp giảm $38%$ tổng trọng lượng thiết bị ($< 6.5\text{ kg}$), đảm bảo an toàn tuyệt đối cho cơ cấu kẹp dao của trục chính máy CNC.

Ứng dụng thực tế và phân tích hiệu quả kinh tế

Khả năng ứng dụng sản xuất

  • Gia công lỗ xỏ ren, lỗ làm mát khuôn mẫu: Khoan và taro trực tiếp lỗ trên các thành trong hoặc mặt bên của bộ khuôn ép nhựa mà không cần xoay chuyển khối khuôn nặng hàng trăm kilogram.
  • Gia công chi tiết dạng hộp trong ngành ô tô: Phay rãnh then trong, khoan lỗ bôi trơn trong thân lốc máy hoặc hộp giảm tốc.
                    SO SÁNH CHI PHÍ VÀ THỜI GIAN THU HỒI VỐN
  Chi phí đầu tư (triệu VNĐ)
   200 ┼───────────────────────────────────────────────────────────
       │  [Nhập khẩu chính hãng]
   150 ┼── 140 - 180 triệu VNĐ
       │
   100 ┼
       │
    50 ┼                               [Mô hình chế tạo CKM-83]
       │                                18.5 triệu VNĐ
     0 ┴───────────────────────────────────────────────────────────

Bài toán kinh tế và thời gian hoàn vốn (ROI)

  • Chi phí chế tạo thực tế:
    • Vật liệu (Thép C45, Nhôm 6061-T6): $2.200.000\text{ VNĐ}$
    • Bộ ổ bi siêu chính xác NSK: $4.800.000\text{ VNĐ}$
    • Gia công CNC, cắt dây bánh răng và nhiệt luyện: $7.500.000\text{ VNĐ}$
    • Phụ kiện (Collet ER25, đai ốc, bulong DIN 912, Anode): $4.000.000\text{ VNĐ}$
    • Tổng chi phí: $\approx 18.500.000\text{ VNĐ}$ (Tiết kiệm $> 85%$ so với thiết bị nhập khẩu cùng tính năng).
  • Hiệu quả kinh tế: Với mỗi chi tiết khuôn tiết kiệm được $45\text{ phút}$ gá đặt (tương đương $150.000\text{ VNĐ}$ chi phí giờ máy), thiết bị giúp hoàn vốn đầu tư chỉ sau khoảng $120 - 150$ giờ làm việc thực tế.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Giới hạn tốc độ quay: Bôi trơn dạng mỡ làm mát tự nhiên giới hạn tốc độ trục chính tối đa ở mức $3000\text{ vòng/phút}$.
  • Khả năng chịu tải nặng: Chưa phù hợp cho các nguyên công phay thô phá (Roughing) với chiều sâu cắt $t > 3\text{ mm}$ trên thép hợp kim cứng.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp đường dẫn tưới nguội áp suất cao xuyên tâm trục (Through-spindle Coolant) hỗ trợ thoát phoi khi gia công lỗ sâu.
  • Ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt thấm Nitơ lớp răng bánh răng côn để tăng giới hạn bền tiếp xúc lên $\sigma_{H\lim} > 1100\text{ MPa}$.
  • Thiết kế module thay dao tự động tương thích tay gắp ATC tiêu chuẩn.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí: Cung cấp tài liệu thực hành trực quan về thiết kế chi tiết máy, công nghệ gia công CNC và phương pháp gá đặt đồ gá mở rộng.
  • Kỹ sư vận hành và Lập trình CNC: Nắm vững kỹ thuật bù trừ tọa độ làm việc và phương pháp lập trình đảo chiều trục chính M04 khi dùng đầu chuyển góc.
  • Doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Giải pháp nâng cấp tính năng máy phay 3 trục với chi phí cực thấp, mở rộng dải sản phẩm gia công mà không cần mua máy mới.
  • Cán bộ nghiên cứu: Dữ liệu thực nghiệm về động lực học cắt gọt và độ rung động của cơ cấu truyền động bánh răng côn xoắn tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật trên máy CNC để có thể lắp đặt Angle Head này là gì?

Máy CNC cần trang bị trục chính chuẩn côn BT50 (hoặc dùng bạc chuyển đổi tương thích), mặt bích đầu trục chính có lỗ ren hoặc vị trí bắt bulong để cố định cụm Stop-block chống xoay.

2. Tại sao khi lập trình máy CNC phải cài đặt lệnh quay ngược chiều M04?

Cặp bánh răng côn xoắn $90^\circ$ tỷ số truyền 1:1 làm đảo ngược chiều quay của trục ra. Do đó, để mũi dao phay/khoan quay đúng chiều cắt gọt tiêu chuẩn (thuận chiều kim đồng hồ nhìn từ đỉnh dao), trục chính máy CNC bắt buộc phải quay theo chiều M04.

3. Khả năng chịu lực cắt tối đa của thiết bị là bao nhiêu?

Theo tính toán kiểm nghiệm bền mỏi, thiết bị chịu được lực cắt tiếp tuyến $P_z \le 850\text{ N}$ và lực dọc trục $P_0 \le 2000\text{ N}$, tương ứng dao phay ngón đến $\varnothing 12\text{ mm}$ trên nhôm và $\varnothing 8\text{ mm}$ trên thép $C45$.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ của đầu Angle Head như thế nào?

Cần bơm bổ sung mỡ bôi trơn chuyên dụng chịu nhiệt tốc độ cao (như Klüber Isoflex NBU 15) qua nắp cửa thăm sau mỗi $250$ giờ hoạt động; kiểm tra và căn chỉnh lại độ rơ dọc trục của ổ bi sau $1000$ giờ gia công.

5. Có thể sử dụng đầu Angle Head này để taro ren vuông góc được không?

Hoàn toàn có thể. Khi taro ren vuông góc, máy CNC cần sử dụng chu trình taro đồng bộ (Rigid Tapping - G84) với tốc độ quay thấp ($100 - 300\text{ vòng/phút}$) và kẹp mũi taro bằng Collet ER25 chuyên dụng có rãnh khóa vuông.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Chế tạo mô hình Angle Head phục vụ quá trình đào tạo phay/khoan lỗ 90 độ" đã giải quyết trọn vẹn bài toán từ tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, mô phỏng va chạm đến gia công chế tạo thực tế và nghiệm thu trên máy phay CNC. Với độ chính xác độ đảo trục đạt $\le 0.014\text{ mm}$, thiết bị không chỉ đáp ứng xuất sắc yêu cầu đào tạo trực quan tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mà còn chứng minh tính khả thi cao trong ứng dụng sản xuất cơ khí chính xác tại các doanh nghiệp.