Đồ Án Tốt Nghiệp: Chế Tạo Mô Hình Angle Head Phục Vụ Đào Tạo Phay/Khoan Lỗ 90 Độ

Chế tạo mô hình Angle Head là một phần quan trọng trong quá trình đào tạo phay và… 225 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Bùi Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Chế Tạo Mô Hình Angle Head Đào Tạo Phay/Khoan 90 Độ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHẾ TẠO MÔ HÌNH ANGLE HEAD PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO PHAY/KHOAN LỖ 90 ĐỘ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu sơ lược về Angle Head
• 2.2. Phân loại các đầu Angle Head
• 2.3. Ứng dụng của Angle Head
• 2.4. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2.4.2. Các nghiên cứu trong nước
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Phương pháp phay
• 3.1.1. Khả năng công nghệ
• 3.1.2. Thông số cắt gọt
• 3.2. Phương pháp khoan
• 3.2.1. Khả năng công nghệ
• 3.2.2. Thông số hình học và chế độ cắt
• 3.2.3. Lực cắt khi khoan
• 3.3. Bánh răng côn xoắn
• 3.3.1. Thiết kế bánh răng
• 3.3.2. Thiết kế trục
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
• 4.1. Yêu cầu của đề tài
• 4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện
• 4.3. Lựa chọn phương án
• 4.4. Trình tự công việc tiến hành
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT MÁY
• 5.1. Tính toán thông số làm việc
• 5.2. Chọn động cơ, phân phối tỉ số truyền
• 5.2.1. Thông số đầu vào
• 5.2.2. Phân phối tỉ số truyền
• 5.2.3. Thông số kỹ thuật hệ thống truyền động
• 5.3. Tính toán bộ truyền bánh răng côn xoắn
• 5.3.1. Thông số đầu vào
• 5.3.2. Chọn vật liệu
• 5.3.3. Xác định ứng suất cho phép
• 5.3.4. Xác định sơ bộ chiều dài côn ngoài
• 5.3.5. Xác định các thông số ăn khớp
• 5.3.6. Sai lệch tỉ số truyền hệ thống
• 5.3.7. Kiểm nghiệm bền
• 5.3.8. Lực tác dụng khi ăn khớp
• 5.4. Tính chọn nối trục
• 5.4.1. Thông số đầu vào
• 5.4.2. Lực tác dụng lên khớp nối
• 5.5. Tính toán thiết kế trục, chọn then
• 5.5.1. Thông số đầu vào
• 5.5.2. Chọn vật liệu
• 5.5.3. Tính toán, thiết kế trục theo điều kiện bền, chọn then
• 5.5.4. Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi
• 5.7. Chọn vỏ hộp và các chi tiết phụ
• 5.7.2. Nắp cửa thăm
• 5.7.3. Chọn bu-lông cho toàn bộ chi tiết
• 5.7.5. Collet nut clamping
• 6. CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ GIA CÔNG CHẾ TẠO CHI TIẾT
• 6.1. Phân tích các chi tiết gia công
• 6.1.1. Phân tích vật liệu chi tiết gia công
• 6.1.2. Phân tích chức năng và điều kiện làm việc
• 6.2. Yêu cầu kỹ thuật
• 6.3. Xác định dạng sản xuất
• 6.4. Chọn phôi và phương pháp tạo phôi
• 6.5. Thiết kế quy trình công nghệ
• 6.5.1. Xác định đường lối công nghệ
• 6.5.2. Chọn phương án gia công các bề mặt
• 6.5.3. Lập tiến trình công nghệ
• 6.5.4. Thiết kế nguyên công, tính toán chế độ cắt
• 6.5.5. Quy trình công nghệ
• 6.6. Phân tích chức năng làm việc cụm chống xoay
• 7. CHƯƠNG 7: LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 7.1. Tổng quan mô hình
• 7.2. Các chi tiết chính của mô hình
• 7.2.1. Độ song song và vuông góc
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Mô Hình Angle Head Đào Tạo Phay Khoan 90 Độ

Chế tạo mô hình Angle Head là một phần quan trọng trong quá trình đào tạo phay và khoan. Mô hình này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các thiết bị gia công cơ khí. Việc sử dụng mô hình này không chỉ nâng cao kỹ năng thực hành mà còn giúp sinh viên nắm vững lý thuyết. Mô hình Angle Head cho phép thực hiện các thao tác phay và khoan ở góc 90 độ, điều này rất cần thiết trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

1.1. Ý Nghĩa Của Mô Hình Angle Head Trong Đào Tạo

Mô hình Angle Head giúp sinh viên thực hành các kỹ thuật gia công cơ khí một cách hiệu quả. Nó cung cấp cái nhìn trực quan về cách thức hoạt động của máy móc, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng kiến thức vào thực tế.

1.2. Các Thành Phần Của Mô Hình Angle Head

Mô hình bao gồm các chi tiết như trục chính, đầu khoan và các bộ phận hỗ trợ khác. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình gia công.

II. Thách Thức Trong Việc Chế Tạo Mô Hình Angle Head

Việc chế tạo mô hình Angle Head không hề đơn giản. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua, từ việc thiết kế đến gia công các chi tiết. Một trong những vấn đề lớn nhất là đảm bảo độ chính xác trong các thông số kỹ thuật. Nếu không đạt yêu cầu, mô hình sẽ không hoạt động hiệu quả.

2.1. Độ Chính Xác Trong Thiết Kế

Độ chính xác là yếu tố quyết định đến hiệu suất của mô hình. Các thông số như kích thước, hình dạng và vật liệu cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định.

2.2. Khó Khăn Trong Gia Công Chi Tiết

Gia công các chi tiết phi tiêu chuẩn là một thách thức lớn. Cần có kỹ thuật và công nghệ phù hợp để đảm bảo các chi tiết được chế tạo chính xác và đạt tiêu chuẩn.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mô Hình Angle Head Hiệu Quả

Để chế tạo mô hình Angle Head, cần áp dụng các phương pháp thiết kế hiện đại. Việc sử dụng phần mềm CAD/CAM giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và gia công. Các bước thiết kế cần được thực hiện một cách tuần tự và logic để đảm bảo tính khả thi của mô hình.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm CAD CAM

Phần mềm CAD/CAM cho phép thiết kế mô hình 3D và lập trình gia công tự động. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác trong quá trình chế tạo.

3.2. Tính Toán Các Thông Số Kỹ Thuật

Cần tính toán các thông số như lực cắt, tốc độ quay và chế độ cắt để đảm bảo mô hình hoạt động hiệu quả. Việc này giúp tối ưu hóa quy trình gia công và giảm thiểu sai sót.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Hình Angle Head

Mô hình Angle Head không chỉ có giá trị trong đào tạo mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Nó giúp cải thiện quy trình gia công, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp có thể áp dụng mô hình này để nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.1. Tăng Năng Suất Gia Công

Việc sử dụng mô hình Angle Head giúp tăng tốc độ gia công và giảm thời gian chết. Điều này mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các doanh nghiệp.

4.2. Cải Thiện Chất Lượng Sản Phẩm

Mô hình giúp đảm bảo độ chính xác cao trong gia công, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng. Điều này rất quan trọng trong ngành chế tạo máy.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Mô Hình Angle Head

Mô hình Angle Head sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong đào tạo và sản xuất. Với sự phát triển của công nghệ, mô hình này sẽ ngày càng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho sinh viên và doanh nghiệp.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ chế tạo sẽ ngày càng hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của mô hình. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục được thực hiện để cải tiến thiết kế và quy trình chế tạo.

5.2. Cơ Hội Nghề Nghiệp Cho Sinh Viên

Sinh viên có cơ hội làm việc trong các lĩnh vực liên quan đến chế tạo máy và công nghệ gia công. Mô hình Angle Head sẽ là một phần quan trọng trong quá trình học tập và làm việc của họ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghệ kỹ thuật cơ khí chế tạo máy, việc gia công các bề mặt phẳng dọc, rãnh hẹp hoặc khoan lỗ vuông góc 90° so với phương trục chính Z của máy công cụ truyền thống thường gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Để thực hiện các nguyên công này, quy trình gia công thông thường buộc phải thay đổi phương án định vị, lật mặt phôi, sử dụng đồ gá chuyên dụng phức tạp, hoặc chuyển đổi sang các máy công cụ khác như máy phay ngang hay máy phay nhiều trục (4 hoặc 5 trục). Việc gá đặt lại phôi qua nhiều bước làm gia tăng sai số chuẩn, kéo dài thời gian chuẩn bị sản xuất và làm tăng đáng kể chi phí gia công. Sự xuất hiện của đầu gia công đổi hướng (Angle Head) cho phép mở rộng khả năng công nghệ của máy phay CNC 3 trục tiêu chuẩn, giúp dao phay hoặc mũi khoan tiếp cận được các vị trí nghiêng hoặc vuông góc mà không cần tháo dỡ phôi hay trang bị máy móc chuyên dụng đắt tiền.

Đề tài “Chế tạo mô hình Angle Head phục vụ quá trình đào tạo phay/khoan lỗ 90 độ” (mã số đề tài: CKM-83) được nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện nhằm tạo ra thiết bị phụ trợ phục vụ đào tạo thực hành và nghiên cứu ứng dụng. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm chín nội dung:

1. Thiết kế hình dạng phần nối trục với đầu côn có khả năng tháo lắp linh hoạt, tương thích với các đầu côn khác nhau của trục chính máy CNC.
2. Lựa chọn sử dụng hệ thống ổ lăn đỡ chặn siêu chính xác và bộ truyền bánh răng côn xoắn nhằm tối ưu độ êm và khả năng chịu lực.
3. Thiết kế vòng kết nối trên cơ cấu chống xoay với thân hộp cho phép điều chỉnh thủ công để thân hộp có thể xoay quanh trục làm việc Z.
4. Xác định khoảng cách từ tâm đầu côn kẹp dao BT50 đến tâm cụm pin chống xoay phù hợp với mặt bích của máy CNC thử nghiệm.
5. Lựa chọn vật liệu phù hợp cho thân vỏ mô hình nhằm bảo đảm độ cứng vững và độ bền trong điều kiện hoạt động thử nghiệm.
6. Thiết lập cơ cấu bảo đảm khả năng khoan lỗ và phay trên mặt phẳng vuông góc với bàn máy.
7. Đo đạc và kiểm tra độ chính xác của các bề mặt gia công khoan và phay, đạt dung sai kích thước lỗ và sai lệch vị trí đường chạy dao.
8. Vận hành thử nghiệm mô hình với dụng cụ cắt gồm mũi khoan Ø8 mm và dao phay ngón Ø8 mm.
9. Đảm bảo mô hình đạt trạng thái vận hành êm ái, hạn chế rung lắc và sai lệch độ đảo dao.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cấu tạo cơ khí, nguyên lý truyền động đổi hướng 90°, công nghệ phay/khoan vuông góc và phương pháp tính toán kiểm nghiệm bền các chi tiết máy bên trong Angle Head. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc mô phỏng 3D trên phần mềm, tính toán chế độ cắt, thiết kế chế tạo các chi tiết phi tiêu chuẩn, gia công thân vỏ và trục, hoàn thiện cụm cơ cấu chống xoay, lắp ráp và thử nghiệm thực tế trên máy phay CNC sử dụng đầu côn BT50 tại xưởng thực hành của nhà trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý cơ bản của công nghệ chế tạo máy, nguyên lý chi tiết máy và cơ sở lý thuyết cắt gọt kim loại:

• Lý thuyết phay: Khảo sát khả năng công nghệ và độ nhám bề mặt (gia công thô đạt độ nhẵn cấp 3–4, $R_z = 80\ \mu\text{m}$, cấp chính xác 12–13; gia công tinh đạt $R_a = 2{,}5\ \mu\text{m}$; phay tinh mỏng đạt $R_a = 1{,}25\text{–}0{,}63\ \mu\text{m}$, cấp chính xác 7–8). Tính toán các yếu tố cắt gọt gồm lượng chạy dao phút ($S_f = S \cdot n$), lượng chạy dao vòng ($S$), lượng chạy dao răng ($S_z$), chiều sâu cắt ($B$), góc tiếp xúc ($\psi$), công thức vận tốc cắt ($v = \frac{C_v D^{q_v}}{T^m S_z^{Y_v} B^{U_v} Z^{p_v}} K_v$), lực cắt tiếp tuyến ($P_z$) và công suất cắt gọt ($P = \frac{P_z \cdot v}{60 \cdot 102}\ \text{kW}$).
• Lý thuyết khoan: Xác định chiều sâu cắt ($t = D/2$ đối với lỗ đặc), bước tiến dao ($S = 3{,}88 \cdot \frac{D^{0{,}81}}{\sigma_b^{0{,}94}}$), vận tốc cắt ($v = \frac{C_v D^{Z_v}}{T^m S^{Y_v}} K_v$), mô-men xoắn cắt gọt và lực chiều trục ($P_0 = C_p D^{Z_p} S^{Y_p} K_p$). Trong đó, lực chiều trục $P_0$ được phân bố thành: lực tác dụng lên lưỡi cắt chính chiếm 40%, lưỡi cắt phụ chiếm 3%, và lưỡi cắt ngang chiếm 57%.
• Bộ truyền bánh răng côn xoắn: Nghiên cứu cơ cấu truyền động giữa hai trục vuông góc 90° sử dụng bánh răng côn răng cong (góc xoắn răng $\beta = 35^\circ$), bảo đảm quá trình ăn khớp tiếp xúc liên tục từ từ, giúp bộ truyền êm ái, giảm chấn động và hạn chế rung lắc tốt hơn bánh răng côn răng thẳng.
• Tính toán trục và ổ lăn: Thiết kế trục theo điều kiện chịu momen xoắn và momen uốn kết hợp, kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi; tính chọn ổ lăn (ổ bi đỡ chặn góc tiếp xúc $\alpha$, ổ bi đỡ một dãy) dựa trên việc phân tích tải trọng hướng kính, tải trọng dọc trục và tải trọng tổng hợp.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, phân tích đánh giá các sản phẩm thương mại hiện có (Big Daishowa, Mimatic, Gerardi), khảo sát thực tế tại Công ty TNHH Alliance Global Services, thiết kế mô hình hóa trên phần mềm CAD (AutoCAD, SolidWorks), mô phỏng gia công cắt dây trên phần mềm Mastercam, và tiến hành chế tạo thử nghiệm cơ khí, đo kiểm hình học thực tế.

Thiết kế và triển khai

Quá trình nghiên cứu đã đưa ra hai phương án thiết kế để đánh giá và lựa chọn giải pháp tối ưu cho mô hình Angle Head:

Tiêu chí so sánh	Phương án 1	Phương án 2 (Được chọn)
Bộ truyền động	Cặp bánh răng côn thẳng	Cặp bánh răng côn xoắn ($\beta = 35^\circ$)
Cơ cấu kẹp dao	Sử dụng đầu kẹp Baby Chuck	Sử dụng ống kẹp Collet ER25 và đai ốc Collet Nut
Khả năng đổi góc gia công	Cố định phương gia công, không xoay được thân	Tích hợp vòng chia độ xoay quanh trục Z
Cơ cấu định vị chống xoay	Gắn cứng bu-lông trực tiếp với mặt bích	Cụm pin chống xoay rời gồm Torque Support, Space-block, Stop-block
Khả năng tháo lắp	Cồng kềnh, khó lắp lẫn giữa các máy	Nhỏ gọn, lắp trực tiếp qua đầu kẹp chuẩn BT50
Tính êm ái khi vận hành	Rung động lớn do va đập răng côn thẳng	Vận hành êm ái, truyền lực đều, hạn chế đảo dao

Phương án 2 được lựa chọn để triển khai chế tạo. Kiến trúc kỹ thuật của hệ thống bao gồm:

• Trục dẫn (Trục 1): Nhận chuyển động quay trực tiếp từ trục chính máy CNC thông qua đầu kẹp dao BT50 bằng kết cấu rãnh nối then và bu-lông liên kết. Trục được đỡ bằng cặp ổ lăn chịu lực gồm ổ bi đỡ chặn 7206CTYN và ổ bi đỡ 6206.
• Bộ truyền bánh răng côn xoắn: Góc trục $90^\circ$, tỉ số truyền $u = 1$, răng xoắn nghiêng góc $35^\circ$, có chức năng chuyển đổi phương quay của trục Z sang phương ngang. Bôi trơn thông qua mỡ tra tại cửa thăm trên thân hộp.
• Trục bị dẫn (Trục 2): Truyền momen quay từ bánh răng côn bị dẫn đến đầu kẹp dao. Đầu trục được gia công lỗ côn trong tương thích Collet ER25 và phần ren ngoài (M32x1,5 và M33x1,5) để siết đai ốc kẹp dao. Trục được định vị bởi cặp ổ bi đỡ chặn 7207AW và 7305AW nhằm tiếp nhận đồng thời lực cắt hướng kính và lực cắt dọc trục sinh ra trong quá trình phay/khoan.
• Cụm cơ cấu chống xoay: Ngăn chặn hiện tượng vỏ hộp Angle Head quay theo trục chính CNC. Cụm bao gồm cánh tay đỡ momen (Torque Support) gắn liền thân hộp, thanh định vị (Pin chống xoay), khối đệm (Space-block) và khối chặn (Stop-block) được cố định trên mặt bích đầu trục chính máy phay CNC. Vòng chia độ gắn trên thân cho phép người vận hành nới lỏng bu-lông và xoay hướng đầu dao $360^\circ$ quanh trục Z theo yêu cầu gia công.
• Quy tắc điều khiển vận hành: Do cơ cấu bánh răng côn xoắn làm đổi chiều chuyển động quay tương đối của dụng cụ cắt, chương trình gia công NC phải thiết lập lệnh quay trục chính theo mã lệnh G-code M4 (quay ngược chiều kim đồng hồ đối với trục chính máy) để bảo đảm dao phay và mũi khoan ở đầu ra quay đúng chiều cắt gọt của me dao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tế trong gia công cơ khí chính xác nhằm loại bỏ các khâu gá đặt trung gian và tối ưu hóa năng lực máy phay 3 trục. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc đóng góp tài liệu kỹ thuật, phục vụ giảng dạy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, và ý nghĩa thực tiễn trong việc tiết kiệm chi phí đồ gá chuyên dùng. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu cùng phương pháp luận và cấu trúc 7 chương của đồ án được xác lập cụ thể.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp kiến thức tổng quan về Angle Head, phân tích các chức năng chính, cấu tạo vỏ thân, bộ truyền động, đầu kẹp dao và bộ điều chỉnh góc. Tác giả phân loại các dạng đầu góc dựa theo tài liệu của hãng Big Daishowa (đầu 90° khoan/taro HMC32, đầu phay mặt đầu, đầu gia công chi tiết sâu dài, đầu nghiêng 45°, và đầu chuyển góc đa năng 180°). Chương này cũng điểm qua các nghiên cứu quốc tế của hãng Mimatic (Đức), Gerardi (Ý), nghiên cứu của Francesco và cộng sự (MDPI) về tối ưu hóa đầu phay bằng vật liệu nhẹ, đồng thời ghi nhận thực tế ứng dụng công nghệ CAD/CAM và thực trạng sử dụng đầu góc tại Công ty TNHH Alliance Global Services ở Việt Nam.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 trình bày các cơ sở tính toán lý thuyết:

• Công nghệ phay: Các dạng phay, góc tiếp xúc dao phay, bảng thông số độ nhám bề mặt (Bảng 3.1), công thức tính lượng chạy dao, vận tốc cắt, lực cắt tiếp tuyến $P_z$ và công suất cắt gọt.
• Công nghệ khoan: Khả năng tạo lỗ từ phôi đặc, thông số hình học lớp cắt (chiều sâu cắt $t$, bề rộng $b$, bề dày $a$), công thức thực nghiệm xác định bước tiến $S$, vận tốc cắt $v$, phân tích tỷ lệ các thành phần lực cắt khi khoan ($P_\gamma, P_0, P_x, P_n$).
• Thiết kế chi tiết máy: Khái niệm và nguyên lý ăn khớp của bánh răng côn xoắn ($\beta = 35^\circ$), quy trình tính ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn cho phép; nguyên lý thiết kế trục truyền; phân loại ổ lăn và cách xác định tải trọng hướng kính, tải trọng dọc trục và tải trọng tổng hợp.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Chương 4 phân tích các yêu cầu kỹ thuật thực tế đối với mô hình: độ an toàn, thao tác vận hành dễ dàng, đáp ứng khả năng gia công lỗ và rãnh vuông góc 90°. Tác giả đưa ra hai phương án thiết kế kết cấu, phân tích chi tiết ưu điểm và nhược điểm của từng phương án. Kết quả đánh giá dẫn đến việc lựa chọn Phương án 2 (dùng bánh răng côn xoắn, vòng chia độ và cụm chống xoay ngoài). Chương này khép lại bằng sơ đồ trình tự 12 bước thực hiện từ khâu chọn vật liệu, tính toán chế độ cắt, thiết kế chi tiết, chế tạo đến lắp ráp thử nghiệm.

Chương 5: Tính toán thiết kế các chi tiết máy

Chương 5 tập trung tính toán kỹ thuật cụ thể:

• Xác định thông số làm việc dựa trên động cơ máy CNC, tính toán phân phối tỉ số truyền hệ thống ($u = 1$).
• Tính toán bộ truyền bánh răng côn xoắn: Lựa chọn vật liệu thép thấm cacbon, tính ứng suất tiếp xúc và uốn cho phép, xác định chiều dài côn ngoài, thông số hình học ăn khớp, kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc, độ bền uốn và tính toán lực ăn khớp (lực vòng, lực hướng tâm, lực dọc trục).
• Tính toán trục và chọn then: Xác định đường kính sơ bộ, dựng biểu đồ nội lực (momen uốn $M_x, M_y$ và momen xoắn $M_z$) cho Trục dẫn (Trục 1) và Trục bị dẫn (Trục 2), kiểm nghiệm trục theo hệ số an toàn bền mỏi.
• Tính chọn ổ lăn: Lựa chọn ổ bi đỡ chặn NSK 7026CTYN, ổ bi đỡ 6206 cho trục dẫn; ổ bi đỡ chặn 7207AW và 7305AW cho trục bị dẫn.
• Tính toán kết cấu phụ trợ: Kích thước vỏ hộp, nắp cửa thăm bôi trơn, chọn bu-lông tiêu chuẩn DIN 912, đai ốc hãm, đai ốc Collet Nut ER25 và ống kẹp Collet ER25.

Chương 6: Phân tích chức năng và gia công chế tạo chi tiết

Chương 6 xây dựng quy trình công nghệ chế tạo:

• Phân tích vật liệu: Thép C45 dùng cho các trục và chi tiết chịu lực; nhôm hợp kim AL 6061-T6 dùng cho thân vỏ hộp, nắp hộp, Torque Support, Space-block và Stop-block.
• Xác định dạng sản xuất: Sản xuất đơn chiếc / loạt nhỏ.
• Lập tiến trình công nghệ gia công chi tiết phi tiêu chuẩn:
  • Trục dẫn: Tiện khỏa mặt đầu, khoan lỗ tâm, tiện thô và tiện tinh các ngỗng trục Ø20, Ø24, Ø30; khoan và taro ren M12x1,75; phay mặt ovan Ø24; phay rãnh then trên máy phay.
  • Trục bị dẫn: Tiện thô và tiện tinh các mặt trụ Ø25, Ø30, Ø32, Ø33, Ø35, Ø45; tiện ren M32x1,5 và M33x1,5; tiện lỗ côn trong chứa Collet ER25; phay rãnh then.
  • Bánh răng côn xoắn: Lập trình biên dạng cắt dây (wire-EDM) trên phần mềm Mastercam và mô phỏng chạy dao cắt dây cho cả bánh dẫn và bánh bị dẫn.
  • Vỏ hộp: Gia công phay các mặt bao quanh, khoan mồi Ø10, khoan mở rộng Ø20, gia công các lỗ lắp ổ lăn, khoan 4 lỗ ren Ø3,3 mm, vát mép (chamfer) hoàn thiện.
• Xử lý bề mặt: Anode hóa các chi tiết nhôm AL 6061-T6 (Space-block, Stop-block, Torque Support) để nâng cao độ cứng bề mặt và chống oxy hóa.

Chương 7: Lắp ráp thử nghiệm và đánh giá

Chương 7 mô tả quá trình hoàn thiện mô hình vật lý:

• Lắp ráp cụm trục 1 cùng các ổ lăn 7206CTYN, 6206 và mặt bích vào vỏ hộp; lắp ráp bánh dẫn; lắp cụm trục 2 với bánh bị dẫn, ổ bi 7207AW, 7305AW và vỏ hộp.
• Lắp đặt cụm chống xoay (Torque Support, Stop-block, Space-block, Pin định vị) và gắn đầu Angle Head lên trục chính BT50 của máy phay CNC.
• Đo kiểm hình học tĩnh: Dùng đồng hồ so kiểm tra độ đảo của đầu kẹp dao, kiểm tra độ song song và độ vuông góc của hệ thống theo cả hai trục tọa độ X và Y.
• Thử nghiệm cắt gọt thực tế: Vận hành gia công phay mặt/rãnh và khoan lỗ 90 độ trên mẫu phôi nhôm bằng dao phay ngón Ø8 mm và mũi khoan Ø8 mm; tiến hành đo đạc kích thước rãnh phay (Bảng 7.8, Bảng 7.9) và kiểm tra dung sai lỗ khoan sau gia công.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm sau:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình Angle Head 90° đáp ứng khả năng phay và khoan lỗ trên mặt phẳng vuông góc với bàn máy CNC.
• Hệ thống định vị chống xoay hoạt động ổn định trên máy phay CNC trang bị trục chính BT50 thông qua cụm chốt pin, Stop-block và Space-block chế tạo từ nhôm AL 6061-T6 đã qua xử lý anode bề mặt.
• Bộ truyền bánh răng côn xoắn ($\beta = 35^\circ$) truyền động êm, hạn chế hiện tượng rung lắc và không gây kẹt khớp trong quá trình quay.
• Dụng cụ cắt thử nghiệm gồm dao phay ngón Ø8 mm và mũi khoan Ø8 mm thực hiện thành công các đường phay rãnh và tạo lỗ 90° trên phôi thực nghiệm; kích thước bề rộng rãnh phay đo đạc đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra.
• Kiểm tra độ đảo trục và độ vuông góc theo phương X, Y cho kết quả nằm trong giới hạn cho phép đối với mô hình đào tạo.

Các giải pháp và kiến nghị vận hành do nhóm tác giả đề xuất:

• Cần chú ý cấp lệnh quay M4 (thay vì M3) trong mã lệnh G-code khi lập trình trên máy CNC để dao quay thuận chiều cắt do cơ cấu bánh răng côn làm đảo hướng quay.
• Thường xuyên mở nắp cửa thăm để kiểm tra độ ăn khớp và bổ sung mỡ bôi trơn định kỳ cho cặp bánh răng côn xoắn và các ổ lăn.
• Cần siết chặt các bu-lông hãm trên vòng chia độ trước khi vận hành gia công để tránh hiện tượng sai lệch góc cắt do rung động.

Về mặt đóng góp: Đồ án đã tự chủ thiết kế, tính toán sức bền, lập quy trình công nghệ chế tạo hoàn chỉnh một module Angle Head cơ khí chính xác trong nước. Sản phẩm đáp ứng yêu cầu trực quan phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu thực hành cho sinh viên cơ khí tại xưởng trường mà không cần đầu tư các bộ đầu góc công nghiệp nhập ngoại đắt đỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được nhóm tác giả ghi nhận trong văn bản:

• Mô hình hiện tại chỉ sử dụng được các dụng cụ cắt cỡ nhỏ (mũi khoan Ø8 mm, dao phay ngón Ø8 mm), chưa có khả năng chịu tải để làm việc với các loại dao phay, dao khoan đường kính lớn hoặc dao phay mặt đầu tải trọng nặng.
• Thao tác thay đổi góc làm việc quanh trục Z còn phụ thuộc vào việc căn chỉnh và siết khóa thủ công bằng tay trên vòng chia độ, chưa có cơ cấu tự động hóa xoay góc theo lệnh điều khiển số.
• Thiết kế cụm nối trục và mặt bích chống xoay hiện mới chỉ khảo sát và tương thích chuẩn xác với đầu kẹp BT50 và kích thước mặt bích của máy CNC cụ thể tại xưởng trường.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước vỏ hộp và nâng cao khả năng chịu tải của các ổ lăn, trục truyền để có thể mở rộng dải đường kính dao cắt lớn hơn.
• Cải tiến vật liệu và áp dụng công nghệ nhiệt luyện chuyên sâu (thấm cacbon, tôi cao tần) cho các chi tiết bánh răng và trục nhằm nâng cao độ bền mỏi và tuổi thọ làm việc.
• Nghiên cứu cơ cấu xoay tự động hoặc cơ cấu điều chỉnh góc nghiêng linh hoạt từ 0° đến 180° để phục vụ đa dạng các bề mặt gia công phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Công nghệ Chế tạo máy và Đồ án Tốt nghiệp kỹ sư.
• Kỹ sư thiết kế dụng cụ phụ trợ máy công cụ, xưởng gia công cơ khí muốn tự thiết kế các module đầu góc đổi hướng phụ trợ cho máy phay CNC 3 trục sẵn có.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Quy trình tính toán động học và kiểm nghiệm bền mỏi bộ truyền bánh răng côn xoắn và trục truyền động vuông góc (Chương 5).
• Tiến trình công nghệ gia công chi tiết trục bậc phức tạp, tiện lỗ côn trong và phương pháp lập trình mô phỏng cắt dây biên dạng bánh răng côn trên Mastercam (Chương 6).
• Kết cấu thiết kế cụm cơ cấu chống xoay (Torque Support, Stop-block, Pin định vị) kết hợp vòng chia độ định vị góc gia công trên đầu trục chính máy CNC (Chương 4, 6 và 7).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình Angle Head trong đồ án lựa chọn bộ truyền bánh răng côn xoắn thay vì bánh răng côn thẳng?
Bánh răng côn xoắn có góc nghiêng xoắn $\beta = 35^\circ$, giúp quá trình vào khớp của các răng diễn ra từ từ, diện tích tiếp xúc lớn hơn và truyền lực êm dịu hơn so với bánh răng côn thẳng. Kết cấu này giúp giảm thiểu độ rung lắc, giảm thiểu hiện tượng đảo dao khi quay ở tốc độ cao và tăng khả năng chịu momen xoắn trong quá trình phay/khoan.

2. Vì sao khi vận hành đầu Angle Head trên máy phay CNC lại phải lập trình tốc độ trục chính bằng mã lệnh G-code M4?
Do bộ truyền bánh răng côn đổi hướng trục làm đảo chiều quay tương đối từ trục dẫn sang trục bị dẫn. Để dụng cụ cắt (dao phay ngón hoặc mũi khoan) quay đúng theo chiều làm việc của các me cắt kim loại, trục chính của máy CNC cần được cấp lệnh quay ngược chiều kim đồng hồ (M4) thay vì chiều quay thuận (M3) thông thường.

3. Cụm cơ cấu chống xoay của Angle Head gồm những bộ phận nào và giữ vai trò gì?
Cụm chống xoay bao gồm cánh tay đỡ momen (Torque Support) gắn trên vỏ hộp, thanh chốt định vị (Pin chống xoay), khối đệm (Space-block) và khối chặn (Stop-block) gắn cố định vào mặt bích đầu trục chính máy CNC. Cụm này có chức năng giữ cố định thân vỏ Angle Head không bị quay tròn theo chuyển động của trục chính BT50, đồng thời truyền toàn bộ phản lực cắt về khung thân máy.

4. Thân vỏ hộp và các chi tiết trục của mô hình được gia công từ các loại vật liệu nào?
Các chi tiết trục dẫn và trục bị dẫn đòi hỏi khả năng chịu tải, chịu uốn xoắn và chống mài mòn nên được chế tạo từ thép cacbon C45. Phần thân vỏ hộp, nắp hộp và các chi tiết cơ cấu chống xoay (Stop-block, Space-block, Torque Support) được chế tạo từ hợp kim nhôm AL 6061-T6 nhằm giảm trọng lượng tổng thể của đầu góc, sau đó được xử lý bề mặt bằng phương pháp anode hóa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Chế tạo mô hình Angle Head phục vụ quá trình đào tạo phay/khoan lỗ 90 độ” đã giải quyết thành công bài toán thiết kế, tính toán sức bền và chế tạo hoàn chỉnh module đầu chuyển hướng 90° sử dụng bộ truyền bánh răng côn xoắn trên máy phay CNC. Kết quả thử nghiệm gia công phay và khoan thực tế với dao cắt Ø8 mm khẳng định tính khả thi của kết cấu, độ êm ái khi vận hành và độ chính xác hình học của hệ thống cơ khí. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật giá trị, đóng góp thiết thực cho công tác nghiên cứu, đào tạo thực hành chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay với sự phát triển của ngành công nghiệp cơ khí chế tạo, nhất là trong các qui trình gia công cần các công cụ gia công chính xác và linh hoạt như Angle Head là rất cần thiết và có nhu cầu ngày càng tăng ,với đề tài của đồ án tốt nghiệp Angle head đáp ứng nhu cầu thực tế của thị trường và có tiềm lực sẽ phát triển và sử dụng rộng rãi trong tương lai ,việc nghiên cứu và phát triển Angle Head có thể cải thiện hiệu quả cho sản xuất và mở rộng khả năng gia công, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, hỗ trợ hiệu quả năng suất hoạt động tốt hơn. Trước đây ,việc gia công các mặt mặt phẳng dọc hoặc các mặt nghiêng 90° của các chi tiết thường ta phải thêm một nguyên công như là thay đổi mặt gia công và thay đồ gá chuyên dụng khác hoặc thậm chí là thay đổi sang máy công cụ khác như là máy phay ngang (thường được sử dụng để gia công các bề mặt nghiêng, nhưng chỉ có thể gia công ở một số góc nhất định và không linh hoạt) hoặc máy mài và đánh bóng tay các bề mặt phức tạp hoặc chi tiết nhỏ thường phải được mài hoặc đánh bóng thủ công, đòi hỏi tay nghề cao,tỉ mỉ và cần nhiều thời gian. Để gia công ở các góc độ khác nhau, người ta dùng đế các máy công cụ có nhiều hơn 3 trục thường phải thiết kế và sử dụng các đồ gá chuyên dụng cho chi tiết để gia công ở đúng góc độ. Điều này làm tăng chi phí sản xuất và tốn rất nhiều thời gian mà phải đòi hỏi từ người thiết kế đến người gia công phải có kiến thức và tay nghề cao trong công việc, làm xảy ra các sai số chuẩn trong gia công khi phải thay đổi nhiều lần gá đặt.

Tuy nhiên ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, đặc biệt là sự ra đời của các đầu chuyển hướng (Angle Head), việc gia công các chi tiết ở góc độ phức tạp đã trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều. Nhờ khả năng gia công linh hoạt, đầu chuyển hướng giúp cố định chi tiết ở nhiều góc độ khác nhau mà không cần sử dụng các thiết bị gá phức tạp hay các máy công cụ 4 hay 5 trục. Nhờ vậy giảm thiệu được sai số trong quá trình gia công cơ khí, tiết kiệm được chi phí sản xuất và rút ngắn thời gian chuẩn bị, góp phần nâng cao hiệu quả công việc.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Về mặt ý nghĩa khoa học thì nghiên cứu và chế tạo Angle Head đóng góp vào sự phát triển của công nghệ kĩ thuật gia công cơ khí đặt biệt là trong cơ khí chế tạo và sản xuất hiện đại, nâng cao trình độ chuyên môn và kĩ năng của các chuyên viên trong ngành, nhìn chung lại thì việc chế tạo ra một Angle Head góp phần nâng cao hiểu biết về việc gia công cơ khí cắt gọt và thiết bị ,việc phát triển tạo ra một Angle Head có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều trường hợp và các lĩnh vực khác nhau, có nhiều loại Angle Head được sử dụng trong gia công 1 chế tạo và sản xuất với nhiều bậc tự do khác nhau. Việc trang bị kiến thức về Angle Head cho các sinh viên kỹ thuật khoa cơ khí chế tạo máy trường mình nói riêng và những người trong ngành cơ khí-chế tạo nói chung đều là rất quan trọng.