Đồ án tốt nghiệp: Tính toán và thiết kế máy khoan lỗ sâu Gundrill

Đồ án tốt nghiệp tính toán và thiết kế máy khoan lỗ sâu gundrill. Trình bày đầy đủ các bước tính toán, lựa chọn linh kiện, bản vẽ 2D, 3D chi tiết.

• Tác giả: Bùi Tiến Huy
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Luân
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Và Thiết Kế Máy Khoan Lỗ Sâu (Gundrill)
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Công Nghệ Khoan Lỗ Sâu Gundrill

Máy khoan lỗ sâu Gundrill là một thiết bị chuyên biệt trong lĩnh vực gia công cơ khí hiện đại, được sử dụng rộng rãi để tạo các lỗ khoan có độ sâu lớn với độ chính xác cao. Công nghệ khoan lỗ sâu này áp dụng phương pháp Gun drilling, cho phép khoan những lỗ có tỷ lệ chiều dài/đường kính rất lớn (L/D > 10). Đồ án thiết kế máy khoan Gundrill bao gồm các tính toán chi tiết từ việc lựa chọn vật liệu, thiết kế mũi khoan, cho đến việc lựa chọn các thành phần quan trọng như vít me, spindle, và hệ thống truyền động. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như các khuôn nhựa, ống dẫn lạnh, và các chi tiết cơ khí phức tạp.

1.1. Khái Niệm Lỗ Sâu Và Khoan Lỗ Sâu

Lỗ sâu được định nghĩa là các lỗ khoan có chiều dài vượt quá 5 lần đường kính của mũi khoan. Khoan lỗ sâu là quá trình gia công tạo ra các lỗ này với yêu cầu về độ thẳng, độ nhẵn mặt, và độ chính xác cao. Phương pháp Gun drilling là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất, sử dụng mũi khoan có cấu tạo đặc biệt với hệ thống thoát chip và làm mát tích hợp.

1.2. Phương Pháp Gun Drilling So Với BTA Và Ejector

Phương pháp Gun drilling sử dụng mũi khoan một chiều có lỗ thoát chip trên thân mũi. Phương pháp BTA (Boring and Trepannning Association) sử dụng ống ngoài để thoát chip. Phương pháp Ejector thoát chip qua lỗ trung tâm. Gun drilling nổi bật với khả năng khoan sâu, độ chính xác cao và chi phí hiệu quả cho các ứng dụng khoan lỗ sâu chính xác.

II. Các Thông Số Kỹ Thuật Và Tính Toán Thiết Kế

Quá trình tính toán A-Z trong thiết kế máy khoan lỗ sâu Gundrill bao gồm nhiều yếu tố kỹ thuật quan trọng. Trước tiên, cần lựa chọn vật liệu làm phôi phù hợp với yêu cầu ứng dụng cụ thể. Tiếp theo là tính toán mũi khoan, xác định các thông số như góc cắt, kích thước mũi, và vật liệu mũi. Điều quan trọng là lựa chọn đúng vít me bi HIWIN để truyền động chuyển động tuyến tính với độ chính xác cao. Cần tính toán ổ lăn cho các trục X, Y, Z đảm bảo độ bền và hiệu suất. Hệ thống thủy lực khi khoan cung cấp áp lực chuẩn xác cho quá trình gia công, trong khi việc lựa chọn động cơ phù hợp là yếu tố quyết định hiệu quả hoạt động.

2.1. Lựa Chọn Vật Liệu Và Thiết Kế Mũi Khoan

Vật liệu phôi được lựa chọn dựa trên yêu cầu ứng dụng cuối cùng. Cấu tạo mũi khoan Gundrill bao gồm phần mũi cắt, phần thân có lỗ thoát chip, và phần chuôi lắp trong spindle. Các lực tác dụng lên mũi khoan bao gồm lực cắt chính, lực ẩn, và lực ma sát. Tính toán chính xác các lực này đảm bảo tuổi thọ mũi và chất lượng bề mặt lỗ khoan.

2.2. Hệ Thống Truyền Động Và Động Cơ

Vít me bi HIWIN được tính toán dựa trên tải trọng, vận tốc, và độ chính xác yêu cầu. Spindle motor cung cấp tốc độ quay cho mũi khoan với công suất phù hợp. Bộ truyền đai răng truyền động từ motor chính đến trục khoan. Lựa chọn động cơ servo cho các trục X, Y, Z đảm bảo định vị chính xác và chuyển động mượt mà trong quá trình gia công.

III. Quy Trình Vẽ Thiết Kế 3D Và Bản Vẽ Chi Tiết

Sau khi hoàn thành tính toán kỹ thuật, bước tiếp theo là vẽ thiết kế 3D máy khoan lỗ sâu Gundrill bằng phần mềm NX CAD chuyên nghiệp. Bản vẽ 3D này thể hiện toàn bộ cấu trúc của máy bao gồm thân dưới máy, thân trên máy, hộp chứa trục chính, hệ dẫn hướng mũi khoan, và hệ thống thoát nước thủy lực. Mỗi thành phần được thiết kế chi tiết với các kích thước chính xác. Tiếp theo, cần vẽ bản vẽ lắp ráp 2D bằng AutoCAD để cung cấp hướng dẫn lắp ráp và gia công chi tiết. Các bản vẽ này bao gồm vị trí ổ bi, ray trục, vít me, băng bi cho từng trục X, Y, Z với các thông số kỹ thuật đầy đủ.

3.1. Thiết Kế 3D Bằng Phần Mềm NX

Bản vẽ 3D trên NX cho phép visualize toàn bộ máy khoan Gundrill trước khi gia công. Thiết kế bao gồm phần thân máy, hệ thống spindle chính, cơ cấu truyền động với các vít me và trục kẻ. Mô hình 3D giúp kiểm tra khả năng lắp ráp, không gian làm việc, và mối quan hệ giữa các bộ phận để đảm bảo máy hoạt động tối ưu.

3.2. Bản Vẽ Lắp Ráp 2D Chi Tiết

Bản vẽ 2D AutoCAD cung cấp các bản vẽ lắp ráp chi tiết cho từng bộ phận như băng bi và ray trục X, Y, Z, vít me và trục vít me, ổ lăn và khớp nối. Mỗi bản vẽ bao gồm kích thước chính xác, công sai lắp ghép, danh sách vật liệu, giúp nhà gia công thực hiện chế tạo máy một cách chính xác.

IV. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Công Nghệ

Đồ án thiết kế máy khoan lỗ sâu Gundrill đã hoàn thành tính toán A-Z từ việc lựa chọn thông số, tính toán các bộ phận chính, cho đến vẽ bản vẽ chi tiết. Máy khoan Gundrill thiết kế này có khả năng khoan lỗ sâu chính xác với độ dài/đường kính tỷ lệ lớn, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp hiện đại. Mặc dù vậy, vẫn tồn tại những vấn đề cần cải thiện như tối ưu hóa hệ thống làm mát, giảm rung động, và nâng cao độ bền các bộ phận. Hướng phát triển công nghệ trong tương lai sẽ tập trung vào tự động hóa cao hơn, tích hợp IoT, điều khiển AI, và sử dụng vật liệu tiên tiến để nâng cao hiệu suất và độ bền của máy khoan lỗ sâu.

4.1. Những Thành Tựu Trong Thiết Kế

Máy khoan Gundrill được thiết kế với các thông số kỹ thuật tối ưu bao gồm spindle tốc độ cao, hệ thống thủy lực chính xác, và điều khiển CNC hiện đại. Công nghệ khoan lỗ sâu áp dụng trong máy này đáp ứng yêu cầu gia công chính xác cho các sản phẩm công nghiệp như khuôn nhựa và ống dẫn chuyên biệt.

4.2. Những Vấn Đề Tồn Tại Và Hướng Phát Triển

Vấn đề còn tồn tại bao gồm cần tối ưu hóa hệ thống thoát chip, giảm rung động khi khoan độ sâu lớn, và cải thiện độ bền ổ bi. Hướng phát triển tương lai là tích hợp IoT để giám sát công nghệ khoan realtime, sử dụng AI dự đoán bảo trì, và phát triển vật liệu mũi khoan mới với độ bền cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu về lĩnh vực khoan lỗ sâu 1.1 Công nghệ khoan lỗ sâu trong và ngoài nước - Trong nước: • Ở nước ta , khoan lỗ sâu đang và sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp dân sinh và quân sự , rất nhiều các nhà máy , xí nghiệp đã được trang bị các thiết bị công nghệ khoan lỗ sâu phục vụ sản xuất như máy khoan kiểu nòng súng Gundrill máy khoan theo phương pháp BTA / STS , máy khoét , doa lỗ sâu. có thể gia cũng tới lỗ 950 mm và chiều dài tới 2900 mm. • Một số nơi đã trang bị các thiết bị khoan lỗ sâu kiểu STS với khả năng gia công cao đường kính gia công lên tới 80 mm , chiều dài gia công lên tới 300 mm. - Ngoài nước: • Công nghệ khoan lỗ sâu đã có lịch sử hơn 150 năm.

Thế giới đã bắt đầu nghiên cứu cơ bản công nghệ khoan lỗ sâu từ những năm 70 của thế kỷ trước. • Các nước có nền công nghiệp phát triển như Nga , Trung Quốc , Mỹ , Đức. đã có những nghiên cứu khá cơ bản từ rất lâu , tại Đức cũng đã có những viện nghiên cứu chuyên sâu về gia công lỗ sâu như ISF , cho thấy tiềm năng ứng dụng và phát triển của công nghệ gia công lỗ sâu là rất lớn. • Hiện nay cần cải thiện hơn về các vấn đề về thiết kế dụng cụ.

bội trơn thoát phoi , đảm bảo và nâng cao chất lượng gia công , đo lường , dự báo và tự động điều chỉnh quá trình gia công lỗ sâu.2 Lỗ sâu là gì - Lỗ khoan sâu là những lỗ có tỉ lệ chiều dài L và đường kính D trên 20 lần ( L/D > 20), với các nòng súng pháo tỉ lệ là từ 20 đến 100 có thể lên đến 150. - Thực tế chúng ta gặp nhiều lỗ sâu như: giải nhiệt laser, khuôn nhựa, ,nòng súng pháo,.1 Khuôn nhữa có lỗ sâu.2 Ống giải nhiệt cho đầu laser.3 Khoan lỗ sâu là gì - Khoan lỗ sâu là một phương pháp gia công cụ cắt dài, mỏng để tạo ra các lỗ kim loại các lỗ có tỷ lệ giữa chiều dài L và đường kính d tương đối lớn, thường L/d = 10  300. - Công nghệ khoan lỗ sâu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như đóng tàu, hàng không vũ trụ, khuôn mẫu, dầu khí… - Đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự thì công nghệ khoan lỗ sâu được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo nòng súng pháo - một trong những chi tiết quan trọng nhất trong công nghệ sản xuất vũ khí.4 Các điểm hoạt động trong quá trình gia công lỗ sâu - Độ đồng tâm giữa trục chính, ống dẫn hướng dao, và ống đỡ dao / giá đỡ phôi phải đáp ứng các yêu cầu. - Hình dạng của chip nên được giữ bình thường để tránh hình thành các dải thẳng.

- Khi sử dụng máy khoan với tốc độ cao hơn để gia công và gần hoàn thành lỗ xuyên, nên giảm tốc độ hoặc dừng lại để tránh làm hỏng mũi khoan. - Nhiệt cắt sẽ được tạo ra trong quá trình gia công lỗ sâu và nó sẽ không dễ dàng tản ra. - Cần cung cấp đủ dung dịch cắt để bôi trơn và làm mát dụng cụ. Hệ thống chất lỏng cắt cũng phải được mở và hoạt động bình thường.3 Quá trình khoan lỗ sâu bằng mũi khoan lỗ sâu gundrill.5 Những khó khăn khoan lỗ sâu - Khó tạo ra phoi cắt.

3 - Khó thoát phoi ra khỏi vùng cắt và thoát phoi ra khỏi lỗ. - Khó bôi trơn và làm nguội dụng cụ cắt.0 - Khó bảo đảm độ cứng vững,tránh rung động của hệ thống công nghệ nên khó bảo đảm độ thẳng theo yêu cầu và vị trí đúng đắn của tâm lỗ gia công. - Khó theo dõi kiểm tra chất lượng bề mặt gia công và sự làm việc của dụng cụ,đặc biệt là bảo đảm độ bền mòn của dụng cụ cắt trong suốt quá trình làm việc.6 Các phương pháp khoan lỗ sâu phổ biến hiện đang sử dụng trên thế giới 1.1 Phương pháp khoan nòng súng Gun drilling - Đây là phương pháp cổ điển, có lich sử hơn 150 năm. Nó được sử dụng để khoan các lỗ có phạm vi đường kính từ 0.95-35 mm với dung sai đường kính đạt tới IT9, độ nhám Ra đạt từ 0.

Tỷ lệ L/Dc tối đa có thể đạt tới 250 ( theo VDI 3208). - Ưu điểm của phương pháp Gundrill: • Chất lượng bề mặt và độ chính xác của các lỗ gia công rất tốt • Có thể sử dụng gia công các lỗ có đường kính nhỏ ( có thể tới 1mm) • Với thông số hình học của cùng một lưỡi dao có thể gia công nhiều loại vật liệu, nếu cần có thể thay đổi thông số hình học lưỡi cắt rất nhanh bằng cách mài lại • Thiết kế dụng cụ cắt rất đơn giản do đó chi phí cho dụng cụ giảm • Tuổi bền dụng cụ cắt cao: Các mũi khoan kiểu Gundrill có thể mài lại từ 8- 15 lần. Quá trình mài lại có thể thực hiện ngay tại phân xưởng gia công. • Tuổi bền dụng cụ cao do dung dịch cắt được cung cấp vào từ mặt trong của phôi • Ít nhạy cảm với sai số của bạc dẫn • Dễ dàng thay đổi dụng cụ để gia công các lỗ có đường kính khác nhau • Yêu cầu lưu lượng dung dịch cắt thấp • Máy khoan kiểu Gundrill và các trang thiết bị đi kèm của nó rẻ hơn so với hai hệ thống STS và Ejector - Những nhược điểm: • Năng suất thấp do tốc độ tiến dao chậm.

• Rất khó mài lại lưỡi cắt với mũi khoan cho lỗ dài và đường kính nhỏ. • Yêu cầu áp lực dung dịch cắt cao. • Chỉ gia công với tỷ lệ L/ D rất nhỏ. • Không kinh tế với những lỗ gia công lớn hơn 50 mm.4 Phương pháp Gun drilling 1.2 Phương pháp khoan BTA (Boring and Trepannning Association) và phương pháp khoan STS (Single Tube System) - Đây là phương pháp sử dụng cho các sản phẩm yêu cầu chất lượng cao.

Hệ thống này dựa trên nguyên lý dung dịch được cấp từ bên ngoài và phoi được thoát ra theo lỗ bên trong cần khoan. Theo nguyên lý này thì phần mang lưỡi cắt được lắp ghép với phần chuôi nhờ mối ghép ren. Phoi sẽ được thoát ở bên trong cần khoan do đó không cần phải có các lỗ khoan ở cán cần khoan như một số phương pháp khác vì vậy mà hệ thông này rất cứng vững. - Chất lượng sản phẩm cao gấp 5 lần so với phương pháp Gundrill, độ chính xác có thể đạt tới IT10, nên ứng dụng chủ yếu của phương pháp này là để gia công công đoạn cuối của những sản phẩm mà giá thành phôi rất đắt ví dụ như gia công lỗ trục cánh Turbine, trục máy nén, lỗ nòng của các loại pháo….

- Ưu điểm của phương pháp: • Năng suất gia công cao • Gia công lỗ có tỷ lệ L/D lớn • Đầu dụng cụ có kết cấu đặc biệt, cho phép tích hợp nhiều nguyên công khác nhau (khoan rộng lỗ, lăn ép, khoan vòng, khoét hốc…) • Về mặt lý thuyết, không có sự hạn chế nào về đường kính lỗ khoan lớn nhất • Các bộ phận khác nhau của lưỡi cắt có thể được lắp ghép bằng các mảnh hợp kim cứng. - Nhược điểm của phương pháp: • Nhạy cảm với độ chính xác lắp ghép của các chi tiết máy và dung sai của bạc dẫn • Tốn thời gian đáng kể cho việc thay đổi đường kính khoan • Quy trình công nghệ mài sắc lại dụng cụ phức tạp, chỉ làm với những dụng cụ chuyên dụng. Do đó, người ta thường không mài sắc lại để giảm chi phí dụng cụ. Việc điều chỉnh các mảnh hợp kim là rất phức tạp • Nhạy cảm cao với dạng phoi, một mũi khoan có thể phù hợp với loại vật liệu này nhưng không phù hợp với vật liệu khác.

Thậm chí chúng có cùng thành phần hóa học và cơ tính. 5 • Yêu cầu máy khoan thiết kế chuyên dụng, có độ chính xác cao, phức tạp trong bảo dưỡng và sửa dưỡng. • Yêu cầu lưu lượng dung dịch cắt cao, với kích thước thùng chứa lớn, bơm công suất cao, nhiều bộ lọc, chi phí cho dung dịch cắt cao… Hình 1.5 Phương pháp BTA 1.3 Phương pháp khoan Ejector - Phương pháp này khá giống với phương pháp khoan BTA, chỉ khác ở cách cung cấp dung dịch trơn nguội, kết cấu cần khoan theo phương pháp này gồm hai ống đồng tâm lồng vào nhau. Momen khoan chủ yếu được truyền tới đầu khoan qua ống bên ngoài.

Phương pháp này phù hợp với lỗ gia công với tỷ lệ L/D=50/1. - Phương pháp này được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp ô tô để gia công các lỗ trục máy, piston, thân động cơ Diesel, Xilanh thủy lực…Trong công nghiệp đóng tàu ứng dụng để gia công lỗ dầu trong động cơ thủy, trục khuỷu… - Ưu điểm của phương pháp: • Có thể sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đa năng. • Năng suất cao • Chỉ yêu cầu dung dịch cắt với áp lực thấp • Các bộ phận khác nhau của lưỡi cắt có thể được lắp ghép bằng các mảnh Carbit. • Dễ dàng thay đổi đầu khoan để thay đổi đường kính lỗ gia công, nhiều đầu khoan có thể dùng chung một chuôi gá đầu khoan.

- Nhược điểm của phương pháp: • Không thể sử dụng để gia công các lỗ có đường kính nhỏ hơn 20mm • Dễ bị ảnh hưởng bởi độ chính xác lắp ghép của các chi tiết máy và dung sai cuả bạc dẫn. • Không thể kiểm soát được sự kẹt phoi do thiết kế đặc biệt của chu trình thủy lực. Đây chính là nhược điểm lớn nhất của phương pháp Ejector/DTS.6 Phương pháp Ejector.2 Đặc điểm của công nghệ khoan sâu 1.1 Máy - Xuất phát từ những đặc điểm của lỗ là có chiều dài phôi lớn nên các máy sử dụng ở đây hầu hết là các máy chuyên dùng có thể gia công từ một phía hay hai phía với chiều dài băng máy đảm bảo sao cho băng máy lớn hơn 1.5 đến 2 lần chiều dài phôi. - Với những lỗ quá dài cò thể sử dụng phương pháp nối dài thêm băng máy hoặc dùng hai băng máy quay đuôi nối tiếp nhau.

Máy phải đảm bảo độ cứng vững trong quá trình gia công lỗ sâu.7 Máy khoan lỗ sâu 1.2 Dụng cụ cắt. - Dụng cụ cắt chuyên dùng cho gia công lỗ sâu khá đa dạng về chủng loại và kết cấu. Sự ra đời các vật liệu siêu cứng đã cho phép chế tạo ra những loại dao cắt nhiều lưỡi có tốc độ cao cho năng suất lớn.