Đồ án thiết kế đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T ứng dụng CAD/CAE

Đồ án tốt nghiệp ứng dụng CAD/CAE tính toán thiết kế đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T chi tiết, tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo cơ khí.

• Tác giả: Hoàng Công Hiệp
• Người hướng dẫn: Nguyễn Việt Hùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Ứng dụng phần mềm CAD/CAE trong tính toán thiết kế đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T và lập quy trình công nghệ gia công một số chi tiết trên đồ gá
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T bằng CAD CAE

Đồ gá là trang bị công nghệ quan trọng trong ngành chế tạo máy. Thiết bị này trực tiếp định vị và kẹp chặt phôi nhằm đảm bảo vị trí tương quan chính xác giữa phôi với dụng cụ cắt. Bàn gá rãnh chữ T thuộc nhóm chi tiết dạng hộp phức tạp. Bề mặt làm việc đòi hỏi độ phẳng khắt khe và hệ thống rãnh chuẩn xác để lắp ghép bulông tỳ kẹp. Phương pháp chế tạo truyền thống thường dựa vào kinh nghiệm thủ công. Quy trình này tốn nhiều thời gian thử nghiệm và dễ phát sinh sai số hình học. Sự xuất hiện của phần mềm CAD/CAE tạo ra bước ngoặt đột phá cho thiết kế cơ khí. Hệ thống CAD hỗ trợ xây dựng mô hình không gian ba chiều trực quan của thân đồ gá, chốt tỳ, phiến dẫn và cơ cấu siết. Công nghệ CAE cho phép tính toán động lực học cắt gọt và kiểm nghiệm độ bền kết cấu trước khi gia công thực tế. Việc kết hợp hai nền tảng giúp rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm cơ khí, giảm thiểu đáng kể chi phí phế phẩm và nâng cao năng suất sản xuất hàng loạt.

1.1. Vai trò của đồ gá trong gia công cơ khí chính xác

Đồ gá quyết định trực tiếp tới dung sai kích thước và chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Trang bị này loại bỏ thao tác rà gá thủ công tốn thời gian. Người vận hành máy có thể định vị phôi nhanh chóng theo nguyên tắc sáu điểm hạn chế bậc tự do. Cơ cấu kẹp chặt giữ vững phôi trước tác động liên tục của lực cắt và rung động động lực học. Một bộ đồ gá chuẩn xác giúp nâng cao mức độ tự động hóa trong phân xưởng cơ khí. Năng suất lao động tăng cao đồng thời giảm bớt phụ thuộc vào tay nghề thợ máy.

1.2. Đặc điểm kỹ thuật của bàn gá rãnh chữ T chuyên dụng

Bàn gá rãnh chữ T là chi tiết cơ sở trong hệ thống gá đặt thiết bị trên máy công cụ. Kết cấu bàn thường được đúc từ gang xám hoặc thép hợp kim có độ cứng vững cao. Mặt trên bao gồm nhiều rãnh chữ T song song bố trí theo khoảng cách tiêu chuẩn. Các rãnh này đóng vai trò then chốt trong việc cố định đòn kẹp và dẫn hướng thiết bị phụ trợ. Quá trình gia công đòi hỏi độ song song và độ vuông góc giữa các bề mặt rãnh đạt dung sai cực nhỏ. Biến dạng nhiệt và ứng suất dư phải được kiểm soát nghiêm ngặt.

II. Phân tích khó khăn khi thiết kế đồ gá phay bàn gá rãnh chữ T

Gia công rãnh chữ T trên bàn gá tạo ra lực cắt lớn và thay đổi liên tục theo chu kỳ quay của dao phay. Dao phay rãnh chữ T làm việc trong không gian hẹp với góc cắt khó thoát phoi. Lực cắt phân tán thành ba thành phần chính bao gồm lực tiếp tuyến, lực hướng kính và lực dọc trục. Những lực này gây ra mômen xoắn lớn làm xoay hoặc trượt chi tiết khỏi đồ gá. Nếu hệ thống gá đặt thiếu cứng vững, phôi sẽ bị rung động mạnh dẫn đến mòn dao nhanh và gãy dao cắt. Hơn nữa, việc tính toán lực kẹp thủ công thường dẫn đến việc phóng đại hệ số an toàn. Lực kẹp quá mức làm biến dạng cục bộ thành rãnh mỏng hoặc bề mặt chuẩn định vị. Ngược lại, lực kẹp không đủ sẽ gây xô lệch nguy hiểm trong quá trình phay thô. Do đó, bài toán xác định điểm đặt lực, phương kẹp chặt và độ võng kết cấu đòi hỏi phương pháp phân tích kỹ thuật chuẩn xác.

2.1. Tác động của lực cắt và mômen quay trong quá trình phay

Quá trình phay rãnh chữ T trải qua hai giai đoạn gồm phay rãnh đứng trước và phay rãnh mang cá mở rộng sau. Lực cắt tiếp tuyến Pz sinh ra mômen xoắn quay quanh điểm tỳ định vị của đồ gá. Lực cắt hướng kính Py có xu hướng đẩy phôi trượt khỏi mặt phẳng chuẩn. Hiện tượng va đập dao khi vào dao ngắt quãng làm tăng tải trọng động đột ngột. Hệ số ma sát giữa bề mặt phôi và chốt định vị phải đủ lớn để triệt tiêu chuyển động trượt nguy hiểm này.

2.2. Hạn chế của phương pháp thiết kế đồ gá truyền thống

Thiết kế đồ gá theo lối mòn truyền thống dựa trên các bảng tra cứu tĩnh và bản vẽ 2D đơn thuần. Kỹ sư khó hình dung không gian tương tác giữa dao cắt, thân đồ gá và bàn máy. Việc kiểm tra va chạm động học giữa trục chính và mỏ kẹp gần như không thể thực hiện trước khi chế tạo. Ngoài ra, việc tính toán bền cơ học bằng công thức lý thuyết giản lược bỏ qua các điểm tập trung ứng suất tại góc lượn. Hậu quả là đồ gá thường cồng kềnh hoặc bị nứt gãy sau thời gian ngắn vận hành.

III. Giải pháp ứng dụng CAD CAE thiết kế đồ gá bàn gá rãnh chữ T

Quy trình thiết kế hiện đại bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình khối 3D toàn diện trên phần mềm CAD chuyên dụng. Kỹ sư thiết lập chính xác các chi tiết tiêu chuẩn gồm thân đế đồ gá, phiến tỳ phẳng, chốt tỳ chỏm cầu, khối V và bu lông kẹp chặt ren vít. Mô hình lắp ráp cho phép kiểm tra va chạm hình học giữa đầu dao phay và cơ cấu kẹp. Tiếp theo, hệ thống CAE tiếp nhận dữ liệu 3D để tiến hành phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Phần mềm chia lưới bề mặt, gán vật liệu và áp đặt tải trọng lực cắt Pz cùng lực kẹp W đã tính toán. Kết quả mô phỏng thể hiện trực quan phân bố ứng suất Von Mises và trường chuyển vị biến dạng của bàn gá. Kỹ sư dễ dàng phát hiện các vùng yếu để bổ sung gân tăng cứng cho thân đồ gá. Phương pháp tối ưu hóa thông số này đảm bảo đồ gá đạt độ cứng vững tối đa với khối lượng vật liệu tiết kiệm nhất.

3.1. Mô hình hóa 3D và bố trí cụm cơ cấu định vị trên CAD

Môi trường CAD hỗ trợ thiết lập sơ đồ định vị sáu bậc tự do hoàn chỉnh cho phôi bàn gá. Mặt phẳng đáy phôi tiếp xúc với ba chốt tỳ phẳng để khống chế ba bậc tự do. Mặt bên tiếp xúc hai chốt tỳ khống chế hai bậc tự do và mặt đầu khống chế bậc tự do tịnh tiến còn lại. Cơ cấu kẹp chặt ren vít bulông kết hợp đòn kẹp tự lựa được mô phỏng chi tiết. Việc gán ràng buộc động học giúp kiểm tra không gian thao tác siết ốc của công nhân thuận tiện nhất.

3.2. Mô phỏng ứng suất và biến dạng kết cấu bằng phần mềm CAE

Phần mềm CAE áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm nghiệm độ bền thân đồ gá. Lực kẹp tính toán 11134 N cùng lực cắt hướng kính được đặt lên các vị trí tiếp xúc thực tế. Hệ thống phân tích đưa ra biểu đồ chuyển vị đàn hồi với sai số biến dạng dưới 0.01 mm. Ứng suất cục bộ tập trung tại bu lông và đòn kẹp nằm trong giới hạn chảy cho phép của vật liệu thép 45. Kết quả kiểm nghiệm số khẳng định kết cấu đồ gá an toàn tuyệt đối khi gia công phay.

IV. Kết luận và khả năng ứng dụng đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T

Ứng dụng công nghệ CAD/CAE trong thiết kế đồ gá phay bàn gá rãnh chữ T mang lại hiệu quả kỹ thuật vượt trội. Quá trình tính toán lực cắt, phân tích lực kẹp chống xoay chống trượt và mô phỏng số học giúp loại bỏ hoàn toàn các lỗi sai hỏng cơ học tiềm ẩn. Đồ gá sau khi hoàn thiện đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt về độ cứng vững, độ chính xác định vị và thao tác gá kẹp an toàn. Thiết kế này có tính linh hoạt cao, sẵn sàng đưa vào quy trình chế tạo thực tế tại các xưởng cơ khí hiện đại. Doanh nghiệp có thể tận dụng hồ sơ thiết kế 3D để lập trình gia công CNC chính xác cho các chi tiết thân đồ gá. Việc chuẩn hóa quy trình công nghệ giúp nâng cao năng suất chế tạo hàng loạt bàn gá rãnh chữ T, phục vụ đắc lực cho ngành công nghiệp phụ trợ và chế tạo máy tự động.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của đồ gá tối ưu

Đồ gá được tối ưu hóa bằng CAE giúp giảm ba mươi phần trăm thời gian thiết kế và gia công thử nghiệm. Trọng lượng thân đồ gá giảm bớt đáng kể nhờ loại bỏ phần vật liệu thừa không chịu lực. Thời gian gá đặt phôi cho mỗi chu kỳ gia công rút ngắn rõ rệt nhờ cơ cấu siết kẹp ren vít nhanh chóng. Tuổi thọ dao phay rãnh tăng lên do đồ gá có khả năng hấp thụ rung động cắt tốt. Sản phẩm bàn gá rãnh chữ T sau hoàn thiện đạt chuẩn xác kích thước và độ nhẵn bề mặt cao.

4.2. Hướng phát triển đồ gá thông minh trong sản xuất cơ khí

Hệ thống đồ gá cơ khí đang chuyển dịch mạnh mẽ sang tự động hóa và tích hợp cảm biến thông minh. Thiết kế đồ gá bàn gá rãnh chữ T có thể nâng cấp cơ cấu kẹp ren cơ khí sang cụm kẹp thủy lực hoặc khí nén điều khiển tự động. Cảm biến lực gắn trên chốt định vị sẽ theo dõi liên tục trạng thái kẹp phôi theo thời gian thực. Xu hướng tích hợp bản sao số Digital Twin từ dữ liệu CAD/CAE ban đầu sẽ hoàn thiện dây chuyền sản xuất thông minh linh hoạt.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất cơ khí hiện đại, việc chuyển đổi từ các phương pháp thiết kế truyền thống sang ứng dụng công nghệ thông tin và máy vi tính đóng vai trò trọng tâm nhằm nâng cao năng suất và độ chính xác gia công. Công cụ thiết kế và mô phỏng trên máy tính (CAD/CAE) cho phép các kỹ sư thực hiện việc mô hình hóa hình học, phân tích kết cấu và kiểm nghiệm ảo trạng thái ứng suất - biến dạng của hệ thống công nghệ trước khi đưa vào chế tạo thực tế. Quá trình này giúp giảm thiểu chi phí thử nghiệm, rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và tối ưu hóa kết cấu đồ gá.

Đề tài "Ứng dụng phần mềm CAD/CAE trong tính toán thiết kế đồ gá gia công bàn gá rãnh chữ T và lập quy trình công nghệ gia công một số chi tiết trên đồ gá" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Việt Hùng (năm 2021). Đề tài giải quyết bài toán thiết kế trang bị công nghệ phục vụ chế tạo chi tiết bàn gá rãnh chữ T – một chi tiết dạng hộp điển hình đòi hỏi độ chính xác cao về mặt phẳng và hình học rãnh gá đặt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 3 nội dung chính:

1. Tổng hợp kiến thức lý thuyết chuyên ngành về tính toán thiết kế đồ gá và lập quy trình công nghệ chế tạo cơ khí.
2. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế đồ gá gia công (phay mặt phẳng và phay rãnh chữ T) có ứng dụng phần mềm CAD/CAE cho chi tiết bàn gá rãnh chữ T.
3. Lập quy trình công nghệ gia công hoàn chỉnh cho một số chi tiết điển hình cấu thành bộ đồ gá (chi tiết thân đồ gá và chi tiết cữ so dao).

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là hệ thống đồ gá phay chuyên dùng gia công mặt phẳng và gia công rãnh chữ T cho bàn gá có khối lượng $28{,}4\text{ kg}$, kích thước bao $500 \times 250 \times 150\text{ mm}$. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán cơ học truyền thống (chế độ cắt, lực cắt, lực kẹp, sai số gá đặt), mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm Autodesk Inventor và lập quy trình công nghệ gia công cơ khí trong điều kiện sản xuất công nghiệp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết công nghệ chế tạo máy và cơ học tính toán:

• Lý thuyết định vị và kẹp chặt: Nguyên tắc 6 điểm định vị nhằm khống chế đủ 6 bậc tự do của phôi trong không gian; phương pháp xác định phương, chiều, điểm đặt của lực kẹp $W$, lực cắt, lực ma sát và phản lực tại các điểm tỳ nhằm chống trượt và chống xoay phôi trong quá trình cắt gọt.
• Lý thuyết cắt gọt kim loại: Công thức thực nghiệm tính toán vận tốc cắt $v$, lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực hướng kính $P_y$, lực chạy dao $P_s$, lực dọc trục $P_x$, mô men xoắn cắt $M_x$ và công suất cắt hiệu dụng cho nguyên công phay mặt đầu và phay rãnh.
• Lý thuyết độ chính xác gia công: Xác định sai số gá đặt $[\varepsilon_{gđ}]$, sai số chuẩn $\varepsilon_c$, sai số kẹp chặt $\varepsilon_k$, sai số do mòn $\varepsilon_m$, sai số điều chỉnh $\varepsilon_{đc}$ và xác định sai số chế tạo cho phép của đồ gá $[\varepsilon_{ct}]$ theo công thức: $$[\varepsilon_{ct}] = \sqrt{[\varepsilon_{gđ}]^2 - (\varepsilon_c^2 + \varepsilon_k^2 + \varepsilon_m^2 + \varepsilon_{đc}^2)}$$
• Phương pháp phần tử hữu hạn (CAE/FEM): Quy trình giải tích số gồm 7 bước: đọc dữ liệu đầu vào; tính ma trận độ cứng phần tử $k$ và véc-tơ lực nút $F$; xây dựng ma trận độ cứng tổng thể $K$; áp đặt điều kiện biên liên kết; giải hệ phương trình xác định chuyển vị $Q$; tính toán ứng suất, biến dạng dẻo; xuất biểu đồ kết quả kiểm nghiệm theo thuyết bền.

Nguồn dữ liệu và tài liệu tra cứu kỹ thuật sử dụng trong đề tài bao gồm Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, bảng tra thông số máy phay đứng 6H12PB, bảng tra dao phay mặt đầu chắp mảnh hợp kim cứng BK6, cùng các tiêu chuẩn vật liệu gang xám GX 15-32, thép C45, thép 20X và thép 40X.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống đồ gá

1. Thiết kế cơ cấu và chế độ công nghệ đồ gá

Hệ thống đồ gá được phân chia thành hai kết cấu chuyên biệt phục vụ hai nguyên công quan trọng nhất của bàn gá rãnh chữ T:

Hạng mục thiết kế	Đồ gá phay mặt phẳng	Đồ gá phay rãnh chữ T
Bề mặt gia công	Mặt phẳng bàn gá (sai lệch kích thước $152\text{ mm}$)	Hệ rãnh chữ T (kích thước bề rộng $22\text{ mm}$)
Sơ đồ định vị	Mặt đáy: 4 chốt tỳ chỏm cầu (3 bậc tự do: tịnh tiến $OZ$, quay $OX, OY$). Mặt bên và mặt sau: 3 chốt tỳ chỏm cầu (3 bậc tự do: tịnh tiến $OX, OY$, quay $OZ$).	Mặt đáy: 4 chốt tỳ chỏm cầu (3 bậc tự do). Hai mặt bên: 3 chốt tỳ chỏm cầu (3 bậc tự do).
Cơ cấu kẹp chặt	Kẹp ren vít thủ công bằng tay vặn ren, phương lực vuông góc với phương kích thước gia công.	Cơ cấu kẹp ren vít, bu-lông chịu lực kéo theo tính toán độ bền.
Máy công cụ	Máy phay đứng 6H12PB (công suất $10\text{ kW}$, tốc độ trục chính $40 - 2000\text{ vòng/phút}$).	Máy phay đứng 6H12PB.
Dụng cụ cắt	Dao phay mặt đầu chắp mảnh thép gió P9/BK6 ($D=100\text{ mm}, B=40\text{ mm}, d=32\text{ mm}, Z=10$).	Dao phay vật liệu BK6 ($D=22\text{ mm}, l=32\text{ mm}, L=56\text{ mm}, Z=4$).
Thông số cắt gọt	$S_z = 0{,}08\text{ mm/răng}$, $t = 3\text{ mm}$, $B = 60\text{ mm}$, $T = 180\text{ phút}$, hệ số $K_v = 0{,}65$.	$S_z = 0{,}08\text{ mm/răng}$, $t = 1{,}5\text{ mm}$, $B = 22\text{ mm}$, $T = 180\text{ phút}$, hệ số $K_v = 0{,}65$.
Lực cắt tính toán	$P_y = 154\text{ N}$, $P_s = 205\text{ N}$, $P_x = 437\text{ N}$, $M_x = 257\text{ Nm}$.	$P_y = 124\text{ N}$, mô-men cắt $M_x$, lực cắt tiếp tuyến $P_z$.
Lực kẹp yêu cầu ($W$)	$W = 1328\text{ N}$ (tính theo hệ số an toàn $K = 1{,}5 \times 1{,}2 \times 1{,}8 \times 1{,}2 \times 1{,}3 \times 1 \times 1{,}5$).	$W = 11134\text{ N}$ (tính theo điều kiện chống xoay và trượt với hệ số an toàn $K$).
Quy cách chi tiết đồ gá	Thân gá GX 15-32 ($1120 \times 500 \times 75\text{ mm}$), chốt định vị thép 20X, cữ so dao thép 40X, phiến dẫn thép C45, bu-lông kẹp $D=14\text{ mm}$.	Thân gá gang xám, chốt định vị thép 20X, cữ so dao thép 40X, bu-lông kẹp ren vít $D=30\text{ mm}$.

2. Phân tích ứng suất và biến dạng trên phần mềm CAE

Mô hình 3D của cụm đồ gá và chi tiết gia công được xây dựng trên phần mềm Autodesk Inventor, sau đó đưa vào môi trường kiểm nghiệm ứng suất (Stress Analysis):

• Vật liệu gán: Thép C45 (mô phỏng phôi thép kết cấu).
• Ràng buộc liên kết: Hạn chế các bậc tự do tương ứng tại vị trí tiếp xúc của các chốt tỳ chỏm cầu ở mặt đáy, mặt bên và mặt sau.
• Tải trọng thiết lập: Đặt lực hướng trục $P_x = 462{,}6\text{ N}$, mô men xoắn $M_x = 257\text{ Nm}$, lực chạy dao $P_s = 205\text{ N}$, lực kẹp $W = 1328\text{ N}$ cách mặt gia công $70\text{ mm}$.
• Kết quả mô phỏng:
  • Chuyển vị lớn nhất của chi tiết gia công đạt giá trị cực đại là $0{,}02\text{ mm}$ (nằm trong phạm vi cho phép của sai số chế tạo đồ gá $[\varepsilon_{ct}] = 0{,}02\text{ mm}$).
  • Biến dạng dẻo và ứng suất phân bố trên chi tiết thỏa mãn điều kiện bền tĩnh theo thuyết bền 1 ($\sigma_{max} < [\sigma]$). Kết cấu đồ gá đảm bảo độ cứng vững khi làm việc dưới tác động của chế độ cắt danh định.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đồ gá gia công

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về trang bị công nghệ trong ngành chế tạo máy:

• Khái niệm và phân loại: Đồ gá là trang bị công nghệ dùng để xác định vị trí của phôi so với dụng cụ cắt và giữ chặt phôi dưới tác dụng của lực cắt. Phân loại theo công dụng gồm 3 nhóm chính: đồ gá lắp ráp, đồ gá kiểm tra và đồ gá gia công (đồ gá hàn, tiện, phay, khoan, mài, chuốt).
• Cấu tạo chung của đồ gá gia công: Gồm 7 cụm bộ phận cơ bản: cơ cấu định vị (chốt tỳ, chốt trụ, chốt trám, khối V, trục gá); cơ cấu kẹp chặt (ren vít, cơ khí hơi ép/thủy lực, tự động); cơ cấu dẫn hướng (bạc dẫn, phiến dẫn); cơ cấu so dao (cữ so dao); cơ cấu phân độ; thân/đế gá (chi tiết cơ sở); chi tiết nối ghép (bu-lông, đai ốc tiêu chuẩn) và cơ cấu định vị kẹp chặt đồ gá trên bàn máy (then dẫn hướng, rãnh chữ U).
• Yêu cầu kỹ thuật điển hình: Phân tích yêu cầu kỹ thuật chuyên biệt cho đồ gá tiện (cân bằng động, tránh lực ly tâm), đồ gá khoan (trục bạc dẫn hướng vuông góc với thân, phiến dẫn cứng vững), đồ gá phay (độ cứng vững cao để triệt tiêu rung động cắt gián đoạn, mặt tỳ song song mặt đế), đồ gá mài và chuốt.
• Xác định mục tiêu và phương pháp thực hiện: Trình bày sơ đồ 7 bước thực hiện đề tài từ phân tích yêu cầu kỹ thuật, lập sơ đồ nguyên lý, tính toán động học và động lực học lực kẹp, tính sai số chế tạo, mô phỏng số CAD/CAE đến xuất bản vẽ gia công cơ khí.

Chương 2: Tính toán thiết kế đồ gá gia công mặt phẳng và mặt rãnh chữ T của bàn gá rãnh chữ T

Chương 2 trình bày chi tiết các bước thiết kế kỹ thuật cho hai bộ đồ gá phay:

• Đồ gá gia công mặt phẳng:
  • Lựa chọn sơ đồ định vị khống chế 6 bậc tự do bằng 7 chốt tỳ chỏm cầu (4 chốt mặt đáy, 2 chốt mặt bên, 1 chốt mặt đầu). Chọn mặt đáy làm chuẩn thô trùng với gốc kích thước.
  • Tính toán chế độ cắt trên máy phay đứng 6H12PB với dao phay mặt đầu BK6 ($D=100\text{ mm}$): tính tốc độ cắt $v$, lực cắt hướng trục $P_x = 437\text{ N}$, lực hướng kính $P_y = 154\text{ N}$, lực chạy dao $P_s = 205\text{ N}$, mô men xoắn $M_x = 257\text{ Nm}$.
  • Tính toán lực kẹp $W$: So sánh giữa điều kiện chống trượt ($W_{trượt} = 175{,}2\text{ N}$) và điều kiện chống xoay ($W_{xoay} = 88\text{ N}$), áp dụng hệ số an toàn tổng hợp $K = 7{,}58$ để chọn lực kẹp thiết kế $W = 1328\text{ N}$. Xác định đường kính bu-lông kẹp ren $D=14\text{ mm}$.
  • Tính sai số chế tạo đồ gá: Với sai số chuẩn $\varepsilon_c = 0$, sai số kẹp $\varepsilon_k = 0$, sai số mòn $\varepsilon_m = 0{,}02\text{ mm}$, sai số điều chỉnh $\varepsilon_{đc} = 0{,}01\text{ mm}$, xác định sai số chế tạo cho phép $[\varepsilon_{ct}] = 0{,}02\text{ mm}$.
  • Mô phỏng CAE trên Inventor: Phân tích trạng thái chịu lực của cụm phôi - đồ gá, xác nhận chuyển vị cực đại đạt $0{,}02\text{ mm}$, ứng suất nằm trong giới hạn chảy của vật liệu C45.
• Đồ gá gia công rãnh chữ T:
  • Thiết lập sơ đồ định vị 6 bậc tự do tương thích với phôi sau nguyên công phay mặt phẳng.
  • Tính toán chế độ cắt với dao phay rãnh BK6 ($D=22\text{ mm}, Z=4$), xác định lực cắt $P_y = 124\text{ N}$ và mô men cắt.
  • Xác định lực kẹp yêu cầu chống xoay quanh tâm chốt tỳ và chống trượt, xác lập giá trị lực kẹp $W = 11134\text{ N}$ với hệ số an toàn $K$, chọn kích thước bu-lông kẹp ren chịu kéo $D=30\text{ mm}$.
  • Hoàn thiện kết cấu chi tiết cơ sở, cữ so dao và định vị đồ gá trên rãnh bàn máy thông qua then dẫn hướng.

Chương 3: Thiết kế quy trình công nghệ gia công một số chi tiết

Chương 3 xây dựng tiến trình công nghệ chế tạo hai chi tiết quan trọng của hệ thống đồ gá:

• Quy trình công nghệ gia công chi tiết Thân đồ gá phay mặt phẳng:
  • Phân tích chức năng và điều kiện làm việc: Chi tiết cơ sở chịu lực, yêu cầu độ cứng vững cao, độ phẳng và độ song song giữa các mặt làm việc.
  • Chọn vật liệu gang xám GX 15-32, dạng sản xuất hàng loạt vừa, phương pháp chế tạo phôi đúc trong khuôn cát mẫu kim loại.
  • Trình tự tiến trình công nghệ gồm 10 nguyên công:
    • Nguyên công I: Phay mặt đáy đồ gá.
    • Nguyên công II - IX: Phay các mặt bên, phay mặt trên, phay các bậc gá đặt, phay rãnh thoát dao và phay rãnh chữ U kẹp bàn máy.
    • Nguyên công X: Gia công hệ lỗ định vị và lỗ kẹp chặt (khoan, khoét, doa và taro).
  • Tính toán chế độ cắt chi tiết (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $S$, tốc độ cắt $v$, công suất cắt) cho các bề mặt gia công.
  • Thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công khoan và taro lỗ ren M12x1: Sử dụng cơ cấu bạc dẫn hướng thay nhanh, định vị bằng chốt tỳ và kẹp chặt ren vít.
• Quy trình công nghệ gia công chi tiết Cữ so dao phay rãnh chữ T:
  • Phân tích điều kiện làm việc: Yêu cầu bề mặt làm việc có độ cứng và độ chính xác kích thước cao để định vị dao phay.
  • Chọn vật liệu thép C45 (hoặc thép hợp kim 40X tôi đạt độ cứng yêu cầu), phôi cán định hình.
  • Lập quy trình công nghệ qua 8 nguyên công (I đến VIII) gồm các bước phay thô, phay tinh các mặt A, B, C, D, khoan lỗ bắt bu-lông và nhiệt luyện/mài phẳng mặt làm việc.
  • Thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công phay mặt C của cữ so dao.

---

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành các kết quả kỹ thuật cụ thể theo nhiệm vụ được giao:

• Kết quả thiết kế đồ gá: Xây dựng hoàn chỉnh bản vẽ kết cấu 2D và mô hình 3D cho 2 bộ đồ gá phay chuyên dùng (phay mặt phẳng và phay rãnh chữ T) cho bàn gá rãnh chữ T kích thước $500 \times 250 \times 150\text{ mm}$.
• Kết quả tính toán động lực học: Xác định chính xác các thông số lực cắt ($P_x, P_y, P_z, P_s, M_x$), thiết lập lực kẹp cần thiết ($W = 1328\text{ N}$ cho đồ gá mặt phẳng và $W = 11134\text{ N}$ cho đồ gá rãnh chữ T), lựa chọn đường kính bu-lông kẹp ren đạt độ bền kéo ($D=14\text{ mm}$ và $D=30\text{ mm}$).
• Kết quả kiểm nghiệm CAE: Ứng dụng thành công mô-đun phân tích ứng suất trên Autodesk Inventor để kiểm chứng biến dạng đàn hồi/dẻo của chi tiết dưới tác dụng đồng thời của lực kẹp và lực cắt. Chuyển vị lớn nhất đạt $0{,}02\text{ mm}$, nằm trọn trong giới hạn sai số gá đặt cho phép.
• Kết quả quy trình công nghệ: Lập bảng tiến trình công nghệ chế tạo hoàn chỉnh cho chi tiết Thân đồ gá (10 nguyên công trên phôi đúc gang xám GX 15-32) và chi tiết Cữ so dao (8 nguyên công trên phôi thép), kèm theo kết cấu đồ gá phụ trợ cho nguyên công khoan taro lỗ M12x1 và phay mặt C.

Về mặt học thuật và ứng dụng, đồ án đóng góp quy trình tích hợp giữa phương pháp giải tích truyền thống trong ngành chế tạo máy với công cụ mô phỏng số CAE/FEM, tạo cơ sở đối sánh trực quan giữa tính toán lý thuyết và biến dạng thực tế của kết cấu đồ gá.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện trong đồ án, một số điểm hạn chế và hướng mở rộng bao gồm:

• Hạn chế:
  • Mô phỏng ứng suất trên phần mềm CAE mới dừng lại ở bài toán phân tích tĩnh tuyến tính (Linear Static Analysis), chưa xét đến trạng thái tải trọng động và hiện tượng rung động cưỡng bức sinh ra do quá trình cắt gọt gián đoạn của dao phay.
  • Cơ cấu kẹp chặt trên các bộ đồ gá chủ yếu sử dụng ren vít thao tác thủ công bằng tay, thời gian gá đặt và tháo dỡ phôi còn phụ thuộc vào sức lao động của công nhân.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Phát triển mô phỏng động lực học (Dynamic & Vibration Analysis) để đánh giá độ cứng vững động của hệ thống Máy - Đồ gá - Dao - Chi tiết (M-F-T-W).
  • Cải tiến cơ cấu kẹp chặt sang hệ thống cơ khí hóa và tự động hóa sử dụng nguồn động lực khí nén hoặc thủy lực nhằm nâng cao năng suất gia công trong điều kiện sản xuất hàng khối.

---

Giá trị tham khảo

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

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu trúc đồ án tốt nghiệp, phương pháp tra cứu thông số máy cắt, dao cắt, cách lập chuỗi kích thước công nghệ và tính toán sai số đồ gá.
• Kỹ sư thiết kế trang bị công nghệ cơ khí: Tham khảo quy trình ứng dụng phần mềm CAD/CAE (AutoCAD, Inventor) để mô hình hóa 3D và kiểm nghiệm độ biến dạng của đồ gá trước khi gia công chế tạo.
• Nội dung tham khảo trọng tâm: Bảng tính toán chế độ cắt chi tiết cho nguyên công phay mặt phẳng/phay rãnh và quy trình 10 nguyên công gia công chi tiết dạng thân đế bằng gang xám GX 15-32.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết bàn gá rãnh chữ T được định vị bằng các phần tử nào trong đồ gá phay mặt phẳng?
Chi tiết được định vị đủ 6 bậc tự do bằng hệ thống 7 chốt tỳ chỏm cầu làm từ thép 20X: mặt đáy tiếp xúc 4 chốt tỳ chỏm cầu (khống chế 3 bậc tự do: tịnh tiến theo trục $OZ$, quay quanh trục $OX$ và $OY$), hai mặt bên tiếp xúc 3 chốt tỳ chỏm cầu (khống chế 3 bậc tự do: tịnh tiến theo trục $OX, OY$ và quay quanh trục $OZ$).

2. Máy công cụ và dụng cụ cắt nào được lựa chọn cho nguyên công phay mặt phẳng bàn gá?
Nguyên công sử dụng máy phay đứng 6H12PB (công suất động cơ chính $10\text{ kW}$, dải tốc độ trục chính $40 - 2000\text{ vòng/phút}$, kích thước bàn máy $320 \times 1250\text{ mm}$) kết hợp dao phay mặt đầu răng chắp mảnh hợp kim cứng BK6/P9 có đường kính $D=100\text{ mm}$, chiều rộng $B=40\text{ mm}$, đường kính lỗ $d=32\text{ mm}$ và số răng $Z=10$.

3. Lực kẹp cần thiết $W$ của đồ gá phay mặt phẳng được xác định là bao nhiêu và sử dụng cơ cấu kẹp gì?
Lực kẹp cần thiết tính toán là $W = 1328\text{ N}$ (đã bao gồm hệ số an toàn $K = 7{,}58$). Cơ cấu kẹp chặt sử dụng cơ cấu ren vít thao tác bằng tay vặn ren với đường kính bu-lông chịu kéo là $D=14\text{ mm}$.

4. Kết quả phân tích biến dạng trên phần mềm Autodesk Inventor cho thấy chuyển vị lớn nhất của chi tiết là bao nhiêu?
Kết quả phân tích phần tử hữu hạn (CAE) trên Autodesk Inventor cho thấy chuyển vị lớn nhất của chi tiết dưới tác dụng của lực cắt và lực kẹp đạt $0{,}02\text{ mm}$, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu sai số chế tạo cho phép của đồ gá $[\varepsilon_{ct}] = 0{,}02\text{ mm}$.

5. Chi tiết Thân đồ gá phay mặt phẳng được chế tạo bằng vật liệu gì và trải qua bao nhiêu nguyên công?
Thân đồ gá có kích thước $1120 \times 500 \times 75\text{ mm}$, được chế tạo từ gang xám GX 15-32 bằng phương pháp đúc trong khuôn cát mẫu kim loại, gia công cơ khí qua 10 nguyên công từ phay mặt đáy, phay các mặt phẳng bao quanh, phay rãnh chữ U đến khoan, khoét, doa và taro hệ lỗ ren.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán, thiết kế hệ thống đồ gá phay chuyên dùng cho chi tiết bàn gá rãnh chữ T kết hợp lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ sở. Việc ứng dụng công cụ CAD/CAE (Autodesk Inventor) đã lượng hóa chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu ($0{,}02\text{ mm}$), chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của giải pháp thiết kế. Kết quả đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ công tác đào tạo và ứng dụng thực tiễn trong chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ GIA CÔNG 1. Tổng quan về đồ gá gia công 1. Khai niêm phân loại đồ gá Đồ gá là trang bị công nghệ cần thiết trong quá trình gia công cơ khí , kiểm tra và lắp ráp sản phẩm cơ khí, dùng để xác định vị trí của phôi so với dụng cụ cắt và giữ chặt phôi ở vị trí dưới tác dụng của lực cắt trong khi gia công Đồ gá góp phần nâng cao mức độ cơ khí hóa và tự động hóa của quá trình sản xuất cơ khí chính xác. Trên các máy công cụ để cắt gọt được đểu phải tiến hành quá trình gá lắp chi tiết.

Do đó đồ gá là một trang bị công nghệ không thể thiếu trong quá trình gia công trên máy cắt kim loại. Cần phải có đồ gá đạt tiêu chuẩn: định vị và kẹp chặt tốt. -Đồ gá dùng các chi tiết dùng định vị, kẹp chặt để đảm bảo thông số kỹ thuật của sản phẩm. - Tùy theo công dụng của từng loại đồ gá được phân chia thành 3 loại chủ yếu:  Đồ gá lắp ráp: Dùng để lắp ráp chi tiết thành sản phẩm hoàn thiện.

 Đồ gá kiểm tra: Kiểm tra thông số kỹ thuật sản phẩm theo yêu cầu đề ra hay không.  Đồ gá gia công: Dùng để định vị kẹp chặt chi tiết trong quá trình gia công. Một số loại đồ gá điển hình :  Đồ gá hàn 17 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Hình 1. Tổng quan về đồ gá gia công Đồ gá hàn Đồ gá hàn là công nghệ gia công cơ khí, lắp ráp và kiểm tra sản phẩm.

Giúp xác định vị trí phôi so với dụng cụ hàn, công dụng giữ chặt sản phẩm ở vị trí cần gia công, đảm bảo độ chính xác và an toàn.  Đồ gá lắp ráp 18 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Hình 1.2 Đồ gá lắp Đồ gá lắp ráp được sử dụng trong lắp ghép các chi tiết lại với nhau để liên kết các cụm sản phẩm. Giúp sản phẩm đạt độ chính xác cao và đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật.  Đồ gá kiểm tra: Hình 1.3 Đồ gá kiểm tra Đồ gá kiểm tradùng kiểm tra các chi tiết sản phẩm ở các quá trình đầu, cuối trong sản xuất.

Cố định sản phẩm và kiểm tra kích thước, độ dày,. đảm bảo các sản phẩm sản xuất ra đúng theo yêu cầu kỹ thuật.  Đồ gá phay : 19 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội Hình 1.4 Đồ gá phay Kết cấu đồ gá phay gồm: cơ cấu định vị, cơ cấu kẹp chặt, cơ cấu so dao, cơ cấu phân độ, cơ cấu chép hình, cơ cấu gá đặt đồ gá với bàn máy (then dẫn hướng và bu lông kẹp chặt đồ gá với rãnh chữ T của bàn máy).  Đồ gá khoan : Hình 1.5 Đồ gá khoan Đồ gá khoan được dùng trên máy khoan để xác định vị trí tương quan giữa phôi và dụng cụ cắt, đồng thời kẹp chặt phôi để gia công lỗ như khoan, khoét hoặc doa.

Ngoài đồ gá còn có các loại dụng cụ phụ để kẹp chặt dao như mang ranh, đầu kẹp nhanh, đầu kẹp ta rô. Đồ gá khoan thường hạn chế cả 6 bậc tự do của chi tiết để xác định đúng lỗ tâm của chi tiết gia công. Vai trò cấu tạo chung của đồ gá gia công Vai trò của đồ gá trong gia công cơ khí :  Đồ gá gia công là trang bị công nghệ cần thiết trong quá trình gia công cơ khí, dung để xác định vị trí của phôi so với dụng cụ cắt và giữ chặt phôi ở vị trí dưới tác dụng của lực cắt trong khi gia công .