Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, tự động hóa sản xuất đóng vai trò then chốt nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm công nghiệp. Phương thức sản xuất linh hoạt đòi hỏi việc ứng dụng sâu rộng các hệ thống máy công cụ điều khiển số (CNC) kết hợp cùng các giải pháp phần mềm trợ giúp thiết kế (CAD) và trợ giúp chế tạo (CAM). Ứng dụng tích hợp CAD/CAM/CNC giúp giảm đáng kể khối lượng gia công thủ công, rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất, tăng độ chính xác hình học và nâng cao hiệu quả kinh tế đối với các chi tiết có bề mặt không gian phức tạp như khuôn mẫu.

Đồ án tốt nghiệp / Học phần Dự án PBL3: "Chế tạo với sự hỗ trợ của máy tính" tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, do sinh viên Phạm Đình Nhân thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Văn Trung (năm 2023), tập trung giải quyết bài toán thiết kế khuôn và lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy CNC.

Nội dung thuyết minh và nhiệm vụ thiết kế được xác định gồm 4 phần chính:

  1. Phân tích và thiết kế chi tiết mẫu, thực hiện phân khuôn (khuôn trên và khuôn dưới).
  2. Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết khuôn dưới.
  3. Lập trình và mô phỏng động học quá trình gia công cắt gọt.
  4. Xuất chương trình điều khiển số (file gia công) cho máy CNC.

Sản phẩm nghiên cứu là khay cơm bằng nhựa định hình dùng trong căn tin nhà máy, xí nghiệp, với kích thước cơ bản $335 \times 230 \times 30\text{ mm}$. Đối tượng gia công cơ khí trọng tâm của đồ án là chi tiết nửa khuôn dưới (Cavity/Core plate), được thực hiện gia công trong điều kiện sản xuất đơn chiếc.

Các sản phẩm đồ họa kỹ thuật bắt buộc đi kèm đề tài bao gồm:

  • 01 bản vẽ chi tiết khổ A3.
  • 01 bản vẽ quy trình công nghệ khổ A0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công cụ ứng dụng

Đề tài dựa trên cơ sở lý thuyết tích hợp hệ thống CAD/CAM/CNC trong kỹ thuật chế tạo máy:

  • CAD (Computer-Aided Design): Mô hình hóa hình học 3D, tạo lập bề mặt và xuất bản vẽ kỹ thuật.
  • CAM (Computer-Aided Manufacturing): Lập quỹ đạo chuyển động của dao, gán thông số công nghệ cắt gọt và xuất mã lệnh điều khiển số (G-code).
  • CNC (Computer Numerical Control): Công nghệ gia công cắt gọt kim loại trên máy công cụ điều khiển số 3 trục.
  • Phần mềm ứng dụng: Sử dụng bộ phần mềm PTC Creo Parametric với hai phân hệ chính:
    • Phân hệ thiết kế khuôn (Manufacturing Mold Cavity) sử dụng môi trường mẫu mmns_mfg_mold.
    • Phân hệ gia công CNC (NC Manufacturing).

Phương pháp nghiên cứu và giải pháp công nghệ

Tác giả áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm và tính toán công nghệ cơ khí:

  • Phương pháp mô hình hóa 3D: Thiết kế khối chi tiết khay cơm theo kích thước thực tế, tính toán hệ số co rút vật liệu nhựa và tạo mặt phân khuôn (Parting Surface), tách thể tích khuôn (Mold Volume).
  • Phương pháp tra cứu và tính toán chế độ cắt: Xác định chế độ cắt (vận tốc cắt $V_c$, tốc độ trục chính $n$, lượng chạy dao răng $f_z$, bước tiến dao phút $F$, chiều sâu cắt $a_p$) dựa trên tài liệu kỹ thuật tra cứu dao của hãng SECO và sổ tay công nghệ chế tạo máy.
  • Phương pháp mô phỏng số: Kiểm tra đường chạy dao 2D (Play Path) và mô phỏng bóc tách vật liệu 3D (Material Removal Simulation) để kiểm soát va chạm dao và kiểm tra lượng dư gia công trước khi xuất mã NC.

Thiết kế và quy trình công nghệ

1. Vật liệu sản phẩm và vật liệu làm khuôn

Khay cơm được sản xuất từ vật liệu nhựa phíp (tấm nhựa Bakelite), là vật liệu composit tạo ra bằng nhiệt và áp suất tác dụng lên các lớp giấy xenluloza, vải bông hoặc sợi thủy tinh ngâm tẩm nhựa phenol. Nhựa Bakelite có khả năng cách điện, chống chịu dầu, độ bền cơ học cao và độ bền nhiệt khoảng $130^\circ\text{C}$.

Chi tiết khuôn dưới làm việc dưới áp lực đóng khuôn và nhiệt độ ép nhựa định hình. Vật liệu chế tạo khuôn được lựa chọn là thép kết cấu carbon chất lượng tốt C45.

Thông số cơ tính / Thành phần hóa học Giá trị
Độ cứng $< 220\text{ HB}$
Giới hạn bền kéo ($\sigma_b$) $610\text{ MN/m}^2$ ($610\text{ MPa}$)
Giới hạn chảy ($\sigma_{ch}$) $360\text{ MN/m}^2$ ($360\text{ MPa}$)
Hàm lượng Carbon ($%C$) $0,42 - 0,50%$

2. Thiết bị gia công và đồ gá

Quá trình gia công cơ khí được thực hiện trên máy phay CNC 3 trục EMCO MILL 450 đạt tiêu chuẩn CE, kết hợp đồ gá vạn năng là êtô kẹp cơ khí phục vụ dạng sản xuất đơn chiếc.

Cụm thông số kỹ thuật Thông số chi tiết trên máy EMCO MILL 450
Bàn máy - Vùng kẹp: $700 \times 520\text{ mm}$ ($27,6 \times 20,5\text{ inch}$)
- Rãnh chữ T: $5 \times 18 \times 100\text{ mm}$
- Tải trọng tối đa: $200\text{ kg}$
- Khoảng cách từ bàn máy đến sàn: $786\text{ mm}$
Hành trình trục - Trục X: $600\text{ mm}$
- Trục Y: $500\text{ mm}$
- Trục Z: $500\text{ mm}$
- Khoảng cách mũi trục chính đến bàn máy: $100 - 600\text{ mm}$
Trục chính - Dải tốc độ quay: $50 - 10.000\text{ vg/ph}$
- Công suất trục chính: $13\text{ kW}$
- Momen xoắn: $83\text{ Nm}$
Động học & Lực cắt - Tốc độ dịch chuyển nhanh trục X, Y, Z: $24\text{ m/ph}$
- Tốc độ cắt làm việc: $10\text{ m/ph}$
- Lực cắt lớn nhất: $5.000\text{ N}$
Hệ thống dao - Đường kính dao lớn nhất: $\varnothing 80\text{ mm}$
- Chiều dài dao lớn nhất: $250\text{ mm}$
- Khối lượng dao lớn nhất: $8\text{ kg}$
- Thời gian thay dao tự động: $8,25\text{ s}$
Nguồn cấp & Kích thước - Điện áp/Nguồn: $415\text{ V}$, $50/60\text{ Hz}$, công suất $16\text{ kVA}$
- Áp suất khí nén: $6\text{ bar}$
- Kích thước máy: $2040 \times 2445 \times 2920\text{ mm}$
- Trọng lượng máy: $4.000\text{ kg}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này tổng quan về vai trò của công nghệ CAD/CAM/CNC trong nền sản xuất tự động hóa hiện đại:

  • Làm rõ bản chất của CAD (mô hình hóa 2D/3D), CAM (lập trình chuyển tiếp sang máy CNC) và CNC (máy công cụ điều khiển số).
  • Phân tích 8 ứng dụng cốt lõi của CAD/CAM: thiết kế sản phẩm, mô phỏng/phân tích kỹ thuật (động học, ứng suất, truyền nhiệt), lập tài liệu kỹ thuật, tạo mẫu thử nghiệm (máy in 3D/CNC), quản lý dữ liệu vòng đời sản phẩm (PLM), tích hợp CAD-CAM, tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng.
  • Trình bày chức năng của phần mềm PTC Creo trong tổ hợp CAD/CAM/CNC: thiết kế tham số 3D, tích hợp modul gia công, kiểm tra va chạm/xung đột hình học và xuất chương trình điều khiển máy phay CNC.

Chương 2: Phân tích và thiết kế chi tiết

Chương 2 trình bày quy trình lựa chọn sản phẩm mẫu, phân tích tính công nghệ và thiết kế phân khuôn trên môi trường Creo:

  • Sản phẩm mẫu: Khay cơm kích thước bao $335 \times 230 \times 30\text{ mm}$.
  • Quy trình 9 bước phân khuôn trên PTC Creo (Môi trường Mold Cavity):
    1. Khởi tạo môi trường: Tạo file Manufacturing > Mold Cavity, đơn vị chuẩn mmns_mfg_mold.
    2. Lấy chi tiết mẫu: Gọi file chi tiết khay cơm vào môi trường khuôn (Reference Model).
    3. Tạo phôi khuôn: Chọn Workpiece > Create Workpiece > Part Solid > Extrude tạo phôi hình chữ nhật kích thước $320 \times 180\text{ mm}$, đùn khối theo hai phía (Side 1 Blind, Side 2 Blind).
    4. Hệ số co rút: Dùng lệnh Shrinkage by Scale theo hệ tọa độ gốc.
    5. Tạo đường bóng: Dùng lệnh Silhouette Curve xác định biên bao lớn nhất của chi tiết.
    6. Tạo mặt phân khuôn: Dùng lệnh Parting Surface kết hợp lệnh kéo dài biên dạng Extend Curve.
    7. Tách thể tích khuôn: Dùng lệnh Refpart Cutout và Mold Volume > Volume Split dựa trên mặt phân khuôn vừa tạo.
    8. Đông đặc chi tiết khuôn: Sử dụng lệnh Mold Component > Select all volume để trích xuất nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới.
    9. Mô phỏng mở khuôn: Lệnh Mold Opening > thiết lập khoảng cách mở khuôn $100\text{ mm}$ cho mỗi nửa khuôn.

Chương 3: Lập quy trình công nghệ và chọn dao

Chương 3 xác định toàn bộ phương án gá đặt, chọn dao cắt hãng SECO và tính toán chế độ cắt chi tiết cho 2 lần gá của khuôn dưới.

Yêu cầu kỹ thuật bề mặt: Lòng khuôn, hốc và lỗ định vị yêu cầu phay tinh đạt độ nhám $R_a = 2,5\ \mu\text{m}$; lỗ định vị $\varnothing 20\text{ mm}$ gia công tinh đạt cấp chính xác H7.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG KHUÔN DƯỚI:

[Lần gá 1: Gia công mặt đáy định vị]

[Lần gá 2: Gia công mặt đầu, lòng khuôn và lỗ định vị]

Bảng tổng hợp lựa chọn dao cắt hãng SECO và chế độ cắt tính toán:

Lần gá / Bước Nguyên công / Bước gia công Mã hiệu dao SECO Thông số hình học dao $a_p$ (mm) $f_z$ (mm/răng) $V_c$ (m/ph) $n$ (vg/ph) $F$ (mm/ph)
Gá 1 - B1 Phay thô mặt đáy Dao phay mặt R220.320 Đầu dao phay khỏa mặt - - - 2.037 1.630
Gá 1 - B2 Phay tinh mặt đáy R220.53-0040-09-4A (Mảnh P3 SEEX09T3AFTN-ME06, phủ T350M) $DC = 40\text{ mm}$, $z = 4$ 0,5 0,13 360 2.865 2.865
Gá 2 - B1 Phay thô mặt trên Dao phay mặt R220.320 Đầu dao phay khỏa mặt - - - 2.037 1.630
Gá 2 - B2 Phay tinh mặt trên R220.53-0040-09-4A (Mảnh P3 SEEX09T3AFTN-ME06) $DC = 40\text{ mm}$, $z = 4$ 0,5 0,13 360 2.865 1.490
Gá 2 - B3 Phay phá thô lòng khuôn Dao phay ngón JHP993200D2C.3Z4-SIRA $DC = 20\text{ mm}$, $z = 4$, $APMXS = 42\text{ mm}$, $OAL = 100\text{ mm}$ 1,5 0,16 145 2.037 1.307
Gá 2 - B4 Phay bán tinh biên dạng hốc Dao phay ngón trụ/cầu JHP951120E2C.SIRA $DC = 12\text{ mm}$, $z = 4$, $APMXS = 26\text{ mm}$, $OAL = 80\text{ mm}$ 1,0 0,095 140 3.713 1.410
Gá 2 - B5 Phay tinh biên dạng hốc Dao phay ngón cầu JH97080-TRIBON $DC = 8\text{ mm}$, $z = 2$, $APMXS = 15\text{ mm}$, $OAL = 75\text{ mm}$ 0,5 0,16 205 8.156 2.610
Gá 2 - B6 Phay tinh mặt đáy hốc Dao phay ngón JHP993060-D2C.0Z4-SIRA $DC = 14\text{ mm}$, $z = 4$, $APMXS = 30\text{ mm}$, $OAL = 80\text{ mm}$ 0,5 0,14 195 4.433 2.482
Gá 2 - B7 Phay tinh góc bo biên dạng Dao phay ngón JHP993060-D2C.0Z4-SIRA $DC = 12\text{ mm}$, $z = 4$, $APMXS = 22\text{ mm}$, $OAL = 70\text{ mm}$ 0,5 0,08 165 4.376 1.400
Gá 2 - B8 Khoan 4 lỗ định vị Mũi khoan P7 SD1105A-1980-077-20R1 $DC = 19,8\text{ mm}$, góc đỉnh $140^\circ$, tưới nguội trong Toàn phần 0,34 100 1.592 $S_{ph} = 541$
Gá 2 - B9 Doa 4 lỗ định vị Mũi doa PMX5 - 20H7 - EB45 - RX200 $DC = 20\text{ mm}$, cấp tưới nguội trong, $OAL = 99\text{ mm}$ - 0,40 80 1.273 $S_{ph} = 509$

Ghi chú: Tốc độ chạy dao không cắt (chạy nhanh $G00$) khi gia công lỗ định vị được thiết lập là $250\text{ m/ph}$.

Chương 4: Lập trình và mô phỏng gia công

Chương 4 thực hiện thiết lập các bước lập trình gia công CAM trên PTC Creo:

  1. Thiết lập môi trường gia công: Khởi tạo file gia công hệ đơn vị mm, gọi chi tiết khuôn mẫu vào môi trường lắp ráp bằng liên kết Default.
  2. Khai báo phôi và máy: Tạo khối phôi bao quanh chi tiết; cấu hình máy phay CNC (nhập thông số hành trình Travel và thông số cắt Parameters).
  3. Xác định chuẩn công nghệ: Thiết lập hệ tọa độ gia công ACS1 (dùng các mặt phẳng chuẩn, đảo hướng Flip X, Flip Y cho trùng hướng trục máy CNC). Thiết lập mặt phẳng lùi dao an toàn (Clearance plane) tại cao độ $Z = 5\text{ mm}$, dung sai gia công $0,01\text{ mm}$.
  4. Khai báo các chu trình cắt gọt:
    • Phay thô và tinh mặt đầu: Dùng lệnh Face, lượng dư gia công tinh để lại $0,5\text{ mm}$.
    • Phay phá thô lòng khuôn: Dùng lệnh Volume Rough, lượng dư gia công để lại cho bước bán tinh là $1,0\text{ mm}$.
    • Phay bán tinh lòng khuôn/hốc: Dùng lệnh Surface Milling (thiết lập chu trình SEQ SETUP mang tên phaybantinhlongkhuon, chọn vùng bề mặt Surfaces), lượng dư để lại cho bước phay tinh là $0,2\text{ mm}$.
    • Mô phỏng đường chạy dao: Thực hiện mô phỏng chuyển động dao 2D (Play Path) và mô phỏng cắt gọt bóc tách phôi 3D (Material Removal Simulation).

Chương 5: Xuất file gia công

Chương này thực hiện hậu xử lý (Post-Processing) để chuyển đổi toàn bộ đường chạy dao đã lập trình và mô phỏng thành tập lệnh mã G-code tương thích với bộ điều khiển của máy phay CNC EMCO MILL 450.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Hoàn thành quy trình tách khuôn 9 bước trên PTC Creo từ mô hình 3D khay cơm kích thước $335 \times 230 \times 30\text{ mm}$, thu được kết cấu 3D hoàn chỉnh của nửa khuôn trên và nửa khuôn dưới.
  • Xây dựng bảng quy trình công nghệ 2 lần gá với 11 bước gia công cơ khí cụ thể cho chi tiết khuôn dưới bằng thép C45.
  • Lựa chọn chính xác 8 loại dụng cụ cắt chuyên dụng của hãng SECO (dao phay mặt khỏa đầu, dao phay ngón cán trụ, dao phay cầu ngón, mũi khoan và dao doa có tưới nguội trong).
  • Tính toán đầy đủ chế độ cắt ($n, V_c, f_z, F, a_p$) tương thích với dải tốc độ trục chính ($50 - 10.000\text{ vg/ph}$) và công suất ($13\text{ kW}$) của máy phay CNC EMCO MILL 450.
  • Lập trình thành công các chu trình phay khỏa mặt (Face), phay khối thô (Volume Rough), phay mặt cong (Surface Milling) trên Creo với mặt phẳng lùi dao $Z = 5\text{ mm}$ và kiểm tra đường chạy dao thông qua mô phỏng 2D/3D.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Đồ án chuẩn hóa quy trình ứng dụng giải pháp CAD/CAM khép kín (PTC Creo $\rightarrow$ EMCO MILL 450) cho loại chi tiết dạng khuôn dập/ép nhựa định hình có bề mặt phân khuôn phức tạp.
  • Cung cấp tài liệu thông số kỹ thuật thực tế phục vụ học tập, thiết kế đồ gá vạn năng (êtô) và tra cứu chế độ cắt thực nghiệm theo chuẩn danh mục dao của SECO.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đề tài tập trung chuyên sâu vào nửa khuôn dưới; kết cấu hệ thống cấp phôi, hệ thống làm nguội khuôn, hệ thống đẩy sản phẩm và nửa khuôn trên chưa được lập quy trình gia công chi tiết trong cùng tài liệu.
    • Quá trình gia công giả định trên phôi thép C45 tiêu chuẩn trong điều kiện sản xuất đơn chiếc bằng đồ gá êtô vạn năng, chưa khảo sát các phương án đồ gá chuyên dùng cho sản xuất hàng loạt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Hoàn thiện lập trình gia công cho nửa khuôn trên và các chi tiết phụ trợ của bộ khuôn (chốt dẫn hướng, bạc dẫn hướng, tấm đẩy).
    • Nghiên cứu tối ưu hóa quỹ đạo chạy dao High-Speed Machining (HSM) nhằm giảm thời gian gia công cắt gọt và kéo dài tuổi thọ dao cắt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án PBL3 này có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  1. Sinh viên chuyên ngành Cơ khí: Các ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện đồ án môn học CAD/CAM/CNC, đồ án công nghệ chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế khuôn mẫu.
  2. Kỹ sư lập trình CAM/CNC: Tham khảo quy trình phân khuôn thực tế trên PTC Creo (các lệnh Silhouette Curve, Parting Surface, Volume Split) và phương pháp tra cứu thông số dao SECO kết hợp máy phay CNC EMCO MILL 450.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết sản phẩm mẫu và vật liệu chế tạo khay cơm được xác định như thế nào?

Chi tiết mẫu là khay cơm bằng nhựa dùng trong căn tin nhà máy, xí nghiệp với kích thước bao $335 \times 230 \times 30\text{ mm}$. Vật liệu sản xuất khay là nhựa phíp (tấm nhựa Bakelite) tạo thành từ các lớp giấy xenluloza/vải sợi ngâm nhựa phenol ép nhiệt, chịu nhiệt đến $130^\circ\text{C}$, có tính cách điện và cơ tính cao.

2. Khuôn dưới được chế tạo từ loại vật liệu nào và có cơ tính ra sao?

Khuôn dưới được chế tạo từ thép carbon chất lượng tốt C45, có độ cứng $< 220\text{ HB}$, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 610\text{ MN/m}^2$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 360\text{ MN/m}^2$ và hàm lượng carbon từ $0,42 - 0,50%$.

3. Đồ án sử dụng dòng máy phay CNC nào và các thông số giới hạn chính là gì?

Tác giả chọn máy phay CNC 3 trục EMCO MILL 450 đạt tiêu chuẩn CE. Các thông số chính gồm: vùng kẹp bàn máy $700 \times 520\text{ mm}$, tải trọng bàn máy tối đa $200\text{ kg}$, hành trình các trục $X \times Y \times Z = 600 \times 500 \times 500\text{ mm}$, tốc độ trục chính $50 - 10.000\text{ vg/ph}$, công suất trục chính $13\text{ kW}$, tốc độ di chuyển nhanh $24\text{ m/ph}$, thời gian thay dao tự động $8,25\text{ s}$.

4. Lượng dư gia công cắt gọt được phân bổ như thế nào qua các bước phay trên phần mềm Creo?

  • Phay thô mặt đầu: để lại lượng dư $0,5\text{ mm}$ cho bước phay tinh mặt đầu.
  • Phay phá thô lòng khuôn (Volume Rough): để lại lượng dư $1,0\text{ mm}$ cho bước phay bán tinh.
  • Phay bán tinh lòng khuôn/hốc (Surface Milling): để lại lượng dư $0,2\text{ mm}$ cho các bước phay tinh biên dạng và đáy hốc.

5. Dao cắt sử dụng cho các bước gia công lỗ định vị là loại nào?

Gia công 4 lỗ định vị gồm 2 bước:

  • Bước khoan: Mũi khoan Seco mã P7 SD1105A-1980-077-20R1 đường kính $19,8\text{ mm}$, góc đỉnh $140^\circ$, tưới nguội trong, vận tốc cắt $V = 100\text{ m/ph}$, bước tiến dao $S_{ph} = 541\text{ mm/ph}$.
  • Bước doa: Mũi doa Seco mã PMX5 - 20H7 - EB45 - RX200 đường kính $20\text{ mm}$, tưới nguội trong, vận tốc cắt $V = 80\text{ m/ph}$, bước tiến doa $S_{ph} = 509\text{ mm/ph}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp / PBL3 của tác giả Phạm Đình Nhân đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế khuôn dưới cho sản phẩm khay cơm nhựa định hình và thiết lập quy trình công nghệ gia công CNC khép kín. Thông qua việc ứng dụng bộ phần mềm PTC Creo Parametric kết hợp với các dữ liệu tra cứu kỹ thuật chuẩn xác từ hãng dao SECO và máy phay EMCO MILL 450, nghiên cứu đã giải quyết đồng bộ từ khâu phân tích vật liệu, tách khuôn 3D, lập bảng nguyên công đến mô phỏng cắt gọt chi tiết. Kết quả của đề tài là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu chuyên môn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy và gia công khuôn mẫu hiện đại.