Đồ án CAD/CAM/CNC: Thiết kế Khuôn Đúc Phanh và Quy trình Gia công Chi tiết - Nguyễn Đăng Quang

Đồ án CAD/CAM/CNC thiết kế khuôn đúc phanh đầy đủ với bộ bản vẽ CAD và mô hình 3D chi tiết. Tài liệu tham khảo toàn diện cho sinh viên cơ khí và kỹ sư sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Đăng Quang
• Người hướng dẫn: Đỗ Lê Hưng Toàn
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế quy trình gia công chi tiết
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án CAD CAM CNC thiết kế khuôn đúc phanh

Đồ án CAD/CAM/CNC thiết kế khuôn đúc phanh là dự án học thuật quan trọng trong đào tạo kỹ sư cơ khí. Chủ đề này kết hợp ba công nghệ cốt lõi: CAD (thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính), CAM (chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính) và CNC (điều khiển số máy tính). Quá trình thiết kế khuôn đúc phanh yêu cầu bản vẽ CAD chi tiết và mô hình 3D chính xác. Phần mềm Creo Parametric thường được sử dụng để tạo các bản vẽ kỹ thuật. Khuôn đúc phanh là chi tiết quan trọng trong hệ thống phanh xe, đòi hỏi độ chính xác cao. Đồ án này giúp sinh viên nắm vững quy trình từ thiết kế đến gia công sản phẩm. Công nghệ CAD/CAM/CNC đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất. Ứng dụng thực tế của đồ án này rất rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô và cơ khí chính xác.

1.1. Vai trò của CAD trong thiết kế khuôn đúc phanh

CAD đóng vai trò nền tảng trong thiết kế khuôn đúc phanh. Phần mềm CAD cho phép tạo bản vẽ 2D và mô hình 3D chính xác. Creo Parametric là công cụ phổ biến được sử dụng trong đồ án này. Thiết kế CAD giúp xác định kích thước, dung sai và biên dạng chi tiết. Bản vẽ CAD bao gồm các mặt cắt, hình chiếu và chú thích kỹ thuật. Mô hình 3D giúp hình dung rõ ràng cấu trúc khuôn đúc. Quá trình thiết kế sử dụng các lệnh như Extrude, Revolve, Pattern và Mirror. CAD đảm bảo tính khả thi của thiết kế trước khi chuyển sang gia công.

1.2. Ứng dụng CAM và CNC trong chế tạo khuôn

CAM và CNC là bước tiếp theo sau khi hoàn thành thiết kế CAD. Công nghệ CAM chuyển đổi mô hình 3D thành chương trình gia công. Máy CNC thực hiện gia công chính xác theo chương trình đã lập trình. Máy phay CNC được sử dụng phổ biến để gia công khuôn đúc phanh. Quy trình bao gồm tạo dao cụ, xác định đường chạy dao và mô phỏng. Bộ điều khiển CNC xử lý nội suy bằng phần cứng và phần mềm. G-code là ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn cho máy CNC. Ứng dụng CAM/CNC giúp giảm thời gian sản xuất và tăng chất lượng sản phẩm.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật khuôn đúc phanh và bản vẽ CAD

Phân tích yêu cầu kỹ thuật là bước đầu tiên trong thiết kế khuôn đúc phanh. Sản phẩm phải đáp ứng các tiêu chuẩn về độ chính xác hình học và kích thước. Bản vẽ CAD cần thể hiện đầy đủ thông số kỹ thuật của khuôn đúc. Yêu cầu bao gồm độ nhám bề mặt, dung sai gia công và vật liệu chế tạo. Khuôn đúc phanh thường được chế tạo từ thép hợp kim có độ bền cao. Phân tích điều kiện làm việc giúp xác định thông số gia công tối ưu. Bản vẽ 3D cung cấp cái nhìn tổng thể về cấu trúc sản phẩm. Các chi tiết như lỗ gá, hệ thống làm nguội cần được thiết kế chính xác. Thiết kế khuôn đúc phải đảm bảo khả năng tháo lắp và bảo dưỡng. Đồ án CAD/CAM/CNC yêu cầu sinh viên phân tích toàn diện các yếu tố kỹ thuật.

2.1. Tiêu chuẩn kỹ thuật của khuôn đúc phanh

Khuôn đúc phanh phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Độ chính xác kích thước thường yêu cầu dung sai trong khoảng ±0.05mm. Độ nhám bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm đúc. Vật liệu khuôn phải chịu được nhiệt độ cao và áp suất đúc lớn. Hệ thống lỗ gá phải được bố trí hợp lý để định vị khuôn chính xác. Các khối phân bố đều trong lòng khuôn đảm bảo dòng chảy kim loại đều. Thiết kế phải tính đến hệ thống thoát khí và làm nguội. Bản vẽ CAD cần thể hiện đầy đủ các yêu cầu này.

2.2. Thiết kế bản vẽ 3D khuôn đúc bằng Creo Parametric

Creo Parametric là phần mềm chuyên dụng để thiết kế bản vẽ 3D khuôn đúc. Quy trình bắt đầu bằng việc tạo sketch 2D và thực hiện các lệnh tạo hình. Lệnh Extrude dùng để tạo khối cơ bản của khuôn đúc. Lệnh Pattern giúp tạo các chi tiết lặp lại như nhóm lỗ và khối phân bố. Lệnh Mirror tạo các chi tiết đối xứng qua trục tâm khuôn. Hệ thống lỗ gá được thiết kế bằng lệnh Hole Placement với các tham số chính xác. Mô hình 3D cho phép kiểm tra va chạm và đánh giá thiết kế. File 3D được xuất sang phần mềm CAM để lập trình gia công CNC.

III. Quy trình lập trình gia công CNC khuôn đúc phanh chi tiết

Lập trình gia công CNC là giai đoạn then chốt trong đồ án CAD/CAM/CNC. Quy trình bắt đầu bằng việc phân tích bản vẽ CAD và xác định nguyên công gia công. Nguyên công I thường là gia công thô, loại bỏ lượng dư lớn. Nguyên công II là gia công tinh, đạt kích thước và độ nhám yêu cầu. Phần mềm CAM hỗ trợ tạo đường chạy dao tự động dựa trên mô hình 3D. Lập trình viên cần chọn loại dao phù hợp và thông số cắt tối ưu. Mô phỏng gia công giúp kiểm tra lỗi trước khi chạy trên máy CNC thực tế. Chương trình gia công được xuất dưới dạng G-code hoặc M-code. Máy phay CNC 3 trục hoặc 5 trục được sử dụng tùy theo độ phức tạp. Quy trình này đảm bảo sản phẩm khuôn đúc đạt chất lượng cao nhất.

3.1. Xác định nguyên công và bước công nghệ gia công

Xác định nguyên công là bước quan trọng trong lập trình gia công CNC. Nguyên công I bao gồm gia công thô các bề mặt chính của khuôn. Nguyên công II thực hiện gia công tinh để đạt độ chính xác yêu cầu. Mỗi nguyên công gồm nhiều bước công nghệ nhỏ hơn. Bước công nghệ bao gồm phay mặt, khoan lỗ, doa lỗ và taro. Thứ tự gia công phải tuân thủ nguyên tắc từ thô đến tinh. Lựa chọn dao cụ phù hợp cho từng bước gia công rất quan trọng. Thông số cắt như tốc độ trục chính, lượng tiến dao cần được tính toán kỹ.

3.2. Mô phỏng và xuất chương trình gia công CNC

Mô phỏng gia công là bước kiểm tra chất lượng trước khi gia công thực tế. Phần mềm CAM cho phép mô phỏng toàn bộ quá trình gia công 3D. Mô phỏng giúp phát hiện va chạm dao cụ với chi tiết gia công. Kiểm tra đường chạy dao đảm bảo tính hợp lý và hiệu quả. Sau khi mô phỏng đạt yêu cầu, chương trình được xuất ra dạng G-code. G-code chứa các lệnh điều khiển máy CNC thực hiện gia công. Chương trình được truyền tải đến máy CNC qua cổng giao tiếp. Quá trình mô phỏng giúp tiết kiệm thời gian và giảm phế phẩm.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của đồ án CAD CAM CNC khuôn đúc

Đồ án CAD/CAM/CNC thiết kế khuôn đúc phanh mang lại kiến thức thực tiễn quý báu. Sinh viên được tiếp cận quy trình hoàn chỉnh từ thiết kế đến gia công sản phẩm. Bản vẽ CAD và mô hình 3D là nền tảng cho toàn bộ quy trình sản xuất. Công nghệ CAD/CAM/CNC giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mới. Chất lượng sản phẩm được đảm bảo nhờ độ chính xác cao của máy CNC. Ứng dụng thực tế rất rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô, xe máy. Khuôn đúc phanh được sử dụng phổ biến trong sản xuất phụ tùng xe. Đồ án này chuẩn bị hành trang cho sinh viên bước vào thị trường lao động. Nhu cầu kỹ sư CAD/CAM/CNC ngày càng tăng trong bối cảnh công nghiệp hóa. Kết quả đồ án là minh chứng cho khả năng ứng dụng kiến thức vào thực tế.

4.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu

Ngành công nghiệp sản xuất khuôn mẫu ứng dụng rộng rãi công nghệ CAD/CAM/CNC. Thiết kế khuôn đúc phanh là một trong nhiều loại khuôn được sản xuất. Công nghệ này được áp dụng trong sản xuất khuôn dập, khuôn ép nhựa, khuôn đúc. Bản vẽ CAD giúp lưu trữ và quản lý thông tin thiết kế hiệu quả. Mô hình 3D hỗ trợ kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo. Máy CNC đảm bảo gia công chính xác các chi tiết phức tạp. Ứng dụng thực tế giúp giảm giá thành và tăng năng suất sản xuất. Ngành khuôn mẫu Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với sự hỗ trợ của công nghệ.

4.2. Triển vọng phát triển và hướng nghiên cứu tiếp theo

Đồ án CAD/CAM/CNC mở ra nhiều hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo. Công nghệ in 3D có thể được tích hợp để tạo mẫu nhanh khuôn đúc. Trí tuệ nhân tạo đang được ứng dụng để tối ưu hóa quy trình gia công. Hệ thống CAM thông minh có thể tự động chọn thông số cắt tối ưu. Công nghệ gia công 5 trục cho phép tạo các chi tiết phức tạp hơn. Đào tạo kỹ sư CAD/CAM/CNC cần được đẩy mạnh đáp ứng nhu cầu thị trường. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thiết kế và mô phỏng số. Sự phát triển công nghệ sẽ tiếp tục nâng cao chất lượng sản phẩm khuôn mẫu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: MÁY CNC 1.1 Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm CNC – viết tắt của Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận cơ khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.2 Các thành phần cơ bản của máy CNC  Chương trình điều khiển  Hệ thống điều khiển  Máy công cụ SVTH: Nguyễn Đăng Quang 4 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn 1.1 Chương trình điều khiển Là tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì. Các câu lệnh được mã hóa ở dạng số và kí hiệu để máy có thể nhận dạng được, ví dụ chương trình gia công dưới đây.1 Chương trình được chuẩn bị bởi lập trình viên, trong đó người lập trình chỉ ra từng bước theo trình tự công nghệ. Đối với máy công cụ, các bước công nghệ là các chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi.

SVTH: Nguyễn Đăng Quang 5 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn 1.2 Hệ thống điều khiển Là thành phần thứ 2 của hệ thống điều khiển số. Bao gồm các bo mạch điện tử và phần cứng có thể đọc và biên dịch chương trình điều khiển và truyền đến máy công cụ. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển:  Bộ lưu trữ dữ liệu.  Bộ phân phối dữ liệu.

 Bộ liên hệ ngược.  Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên.3 Máy công cụ Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng như các motor và các bộ điều khiển cần thiết để máy hoạt động. Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đồ gá và các thiết bị phụ khác cần thiết cho việc gia công.3 Phân loại Theo các loại máy SVTH: Nguyễn Đăng Quang 6 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn Có thể chia thành các loại máy khoan, máy phay, máy tiện,… và các trung tâm gia công CNC. Các trung tâm có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau.

Máy tiện CNC Hình 1.3 Phân chia theo hệ điều khiển:  Các máy điều khiển điểm tới điểm. VD: Máy khoan, khoét, hàn điểm, máy đột…  Các máy điều khiển đoạn thẳng, các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện chuyển theo các trục.  Máy điều khiển đường, bao gồm các máy: Máy 2D, máy 3D, điều khiển 4D, 5D.4 Ưu, nhược điểm  Ưu điểm So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển, mà phụ thuộc nội dung và chương trình lập trình được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.

Sử dụng máy móc vào gia công và chế tác đem lại độ chính xác cao vượt trội so với chế tác thủ công. Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0,001mm. Hơn nữa, SVTH: Nguyễn Đăng Quang 7 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn tốc độ cắt và hiệu quả cao hơn thấy rõ. Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, những vật liệu hiện đại như kim loại cứng hay oxit có thể sử dụng tốt hơn.

Điểm cộng lớn cho máy CNC là thời gian gia công ngắn hơn, linh hoạt hơn trong lập trình, tiết kiệm thời gian điều chỉnh máy và đạt tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loạt các sản phẩm nhỏ. Máy tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm, thời gian hiểu chỉnh máy nhỏ và tiện lợi trong việc gia công hàng loạt.  Nhược điểm Máy CNC có những nhược điểm như giá thành chế tạo máy cao hơn. Quy trình bảo dưỡng và giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy do vậy cũng cao hơn bình thường.

Vì sử dụng máy tính lập trình, nên đòi hỏi người đứng máy phải có tay nghề cao và nắm rõ cách vận hành cũng như hoạt động, điều chỉnh máy. Dù vậy, sử dụng máy CNC trong gia công và chế tác vẫn đem lại những ưu điểm vượt trội trong sản xuất đại trà với khả năng hoạt động hiệu quả, tiết kiệm thời gian, nhân lực và giảm giá thành sản xuất.2 Máy tiện CNC Hình 1.4 SVTH: Nguyễn Đăng Quang 8 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn 1.1 Khái niệm Máy tiện CNC nằm trong hệ thống máy gia công cơ khí. Dùng để chỉ những hệ thống máy tiện cơ khí được điều khiển, lập trình bằng máy tính, điều này giúp những thao tác trên vật dụng gia công được điều khiển một cách chính xác. Cấu tạo của máy tiện CNC cũng giống như những máy tiện thông thường chủ yếu được dùng để chế tạo các chi tiết tròn xoay.

Người ta thường chia làm 2 loại: máy tiện CNC gỗ và tiện CNC kim loại.2 Cấu tạo máy tiện CNC Ưu thế của máy tiện CNC so với máy tiện truyền thống là có tích hợp hệ thống điều khiển số. Máy được thiết kế gồm 2 trục chính và hai đầu rơ-vôn-ve có thể thực hiện gia công đồng thời 2 dao để gia công cùng lúc hai chi tiết với 2 chương trình khác nhau. Ngoài ra, máy còn có hệ thống tự động kẹp và tháo chi tiết làm cho các trung tâm tiện CNC trở nên rất linh hoạt hơn.5 SVTH: Nguyễn Đăng Quang 9 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn 1.3 Cấu tạo các trục Số lượng trục trên các máy tiện từ 2-6. Theo quy ước thông thường cho máy bao gồm những phần sau:  Trục Z: nằm trùng với trục chính và nó có chiều dương hướng ra xa khỏi trục chính.

 Trục X: vuông góc với trục Z; đây là trục cho chuyển động ngang của bàn trục.  Trục C: trục có chuyển động quay quanh trục Z, có tác dụng xác định vị trí hướng trục cho công việc gia công tiếp theo.4 Hệ thống gá dao SVTH: Nguyễn Đăng Quang 10 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn Hình 1.7 Hệ thống gá và điều chỉnh dao được sử dụng cho máy giúp tăng năng suất và độ chính xác cho sản phẩm. Những nguyên cứu này này nhằm đạt hai mục tiêu chính:  Xác định chính xác vị trí dao  Thời gian thay dao ngắn vì có thiết bị định vị và kẹp chặt dao nhanh với chỉ một động tác 1.5 Hệ thống chi tiết gia công và vận chuyển phôi Hệ thống vận chuyển phôi và chi tiết được phát triển cho các máy tiện CNC. Những hệ thống vận chuyển phôi và chi tiết gia công phổ biến nhất là:  Có ổ tích phôi, nạp phôi trực tiếp vào máy  Một robot chuyển phôi vào máy từ một ổ tích phôi hoặc băng chuyền  Dàn cần cẩu kiểu cổng với tay robot chuyền phôi vào máy từ băng chuyền hoặc ổ tích phôi SVTH: Nguyễn Đăng Quang 11 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn Hình 1.6 Đặc điểm của từng loại máy tiện theo kích cỡ Đường Chiều dài Lỗ Công suất Số dao Cỡ kính tiện tiện lớn trục động cơ trục Số Hệ thống vận lớn máy lớn nhất nhất chính chính trục chuyền phôi nhất (mm) (mm) (mm) (mm) Nhỏ 200 300 30 7 2 8 Cánh tay robot Trung Cánh tay robot 600 700 90 25 3 12 bình lớn Magazine, Lớn 1200 10000 120 50 4 24 robot cỡ lớn 1.7 Phân loại theo mục đích sử dụng Thông thường chúng được phân loại như sau:  Máy tiện CNC mini: Dùng trong giảng dạy tại các trường dạy cơ khí (máy tiện CNC 2 trục)  Máy trung bình: Dùng ở các cơ sở gia công vừa và nhỏ (máy tiện CNC 3 trục)  Máy cỡ lớn : Dùng cho các công ty gia công lớn chuyên gia công các chi tiết phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao.

(máy tiện CNC 4 trục trở lên) Như ở bảng trên ta có thể thấy đặc điểm của máy, công suất, số lần chạy dao cũng thay đổi dựa theo quy mô của máy. SVTH: Nguyễn Đăng Quang 12 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn Hình 1.9 Máy tiện CNC vạn năng công suất cao Hình 1.10 Máy tiện CNC mini để bàn Hình 1.11 Máy tiện đưa phôi tự động SVTH: Nguyễn Đăng Quang 13 Đồ án môn học CAD/CAM/CNC GVHD: Đỗ Lê Hưng Toàn 1.8 Nguyên lý làm việc của máy tiện CNC Nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC cũng giống như máy CNC thông thường: gồm 1 bàn gá để kẹp phôi vật liệu, một trục chính quay tốc độ cao có gắn đầu cắt để cắt sản phẩm. Trục chính sẽ di chuyển theo chiều Z lên xuống, bàn máy giữ sản phẩm di chuyển theo trục X, kết hợp với trục Z đưa lưỡi cắt đến tất cả các bề mặt của sản phẩm. Máy tiện CNC hoạt động giống như một robot, cần được cung cấp các tín hiệu mà máy có thể hiểu và thực thi.

Đầu tiên cần có một bản thiết kế CAD 2D hoặc 3D, sau đó lập trình viên lập trình bằng phần mềm CAM, phần mềm này sẽ tạo ra các đường dẫn công cụ cho mô hình 3D hoặc 2D. Sau khi lập trình viên hoàn thành công việc lập trình của mình, chương trình được đưa vào bộ xử lý sẽ biến chương trình CAM thành mã G-Code mà máy có thể đọc. Mã G- Code được tải lên máy tiện CNC cùng với tất cả các công cụ cắt gọt cần thiết như dao phay ngón, dao lăn ren, mũi khoan,. Sau đó, máy sẽ được đưa vào chế độ tự động và khởi động chương trình, điều khiển tất cả các tính năng của máy như di chuyển, tốc độ tiến dao, tốc độ trục chính, công cụ cắt,.để gia công chi tiết.

Việc còn lại của người đứng máy là theo dõi quá trình vận hành nhằm đảm bảo mọi thứ đều đi đúng với lập trình và xử lí khi có sự cố xảy ra.9 Ưu điểm Gia công những biên dạng phức tạp: Máy CNC là thiết bị duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh những chi tiết phức tạp về mẫu mã như các bề mặt ba chiều có dạng uốn lượn… Mang lại hiệu quả kinh tế kĩ thuật cao:  Tăng tuổi thọ dao nhờ khả năng cắt tối ưu. Tiết kiệm được dụng cụ cắt gọt, đồ gá và các phụ tùng khác.