Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy phay CNC 4 trục cỡ nhỏ - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy phay CNC 4 trục cỡ nhỏ. Trọn bộ file thuyết minh chi tiết và đầy đủ bản vẽ kỹ thuật cho sinh viên tham khảo.

• Tác giả: Lê Quang Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Hoành Sơn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Máy Phay CNC 4 Trục Cỡ Nhỏ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Phay CNC 4 Trục Cỡ Nhỏ

Máy phay CNC 4 trục cỡ nhỏ là thiết bị gia công hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, mẫu mã và chế tạo nhanh. Với khả năng hoạt động trên 4 trục tọa độ (X, Y, Z, A), máy có thể thực hiện các công việc gia công phức tạp với độ chính xác cao. Kích thước cỡ nhỏ giúp tiết kiệm không gian, phù hợp cho các xưởng nhỏ và vừa. Đồ án thiết kế chế tạo máy phay CNC 4 trục tập trung vào tối ưu hóa hiệu suất, độ tin cậy và chi phí sản xuất.

1.1. Định Nghĩa và Ứng Dụng

Máy phay CNC 4 trục là công cụ gia công tự động hoạt động theo chương trình điều khiển số. Nó được sử dụng phổ biến trong sản xuất các chi tiết máy, mẫu thử nghiệm, linh kiện điện tử và những sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao. Loại máy này giúp tăng năng suất lao động và giảm chi phí nhân công đáng kể.

1.2. Lợi Ích Của Máy Phay CNC 4 Trục

Máy phay CNC mang lại nhiều ưu điểm: độ chính xác cao (sai số < 0.1mm), khả năng tự động hóa toàn bộ quy trình, giảm lãng phí vật liệu, tăng tốc độ sản xuất. Kích thước nhỏ gọn tiết kiệm điện năng, dễ bảo trì và nâng cấp công nghệ.

II. Các Thành Phần Chính Trong Thiết Kế

Một hệ thống máy phay CNC 4 trục bao gồm nhiều thành phần thiết yếu hoạt động phối hợp chặt chẽ. Khung máy là nền tảng chịu lực, được thiết kế từ thép hoặc hợp kim nhôm có độ cứng cao. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ bước hoặc servo motor kết hợp với bi cuối. Các thanh ray thẳng đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. Phần đầu cắt gồm trục chính, chuỗi truyền lực và công cụ cắt đa dạng. Hệ thống điều khiển PLC hoặc máy tính công nghiệp điều hành toàn bộ quá trình.

2.1. Khung Máy và Hệ Thống Cơ Khí

Khung máy phay CNC 4 trục cỡ nhỏ thường được chế tạo từ hợp kim nhôm hoặc thép tấm hàn. Thiết kế phải đảm bảo độ cứng cao để chịu được lực cắt, giảm rung lắc. Các trục X, Y, Z được hỗ trợ bởi ray thẳng chuyên dụng và bi cuối tuyến tính để đảm bảo độ chính xác vị trí.

2.2. Hệ Thống Truyền Động và Động Cơ

Hệ thống truyền động sử dụng động cơ bước NEMA23 hoặc NEMA34 cho các trục XYZ, và trục A (quay) dùng động cơ servo. Các động cơ được kết nối với bi cuối dẫn để chuyển chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính. Điều này đảm bảo độ chính xác định vị ±0.05mm.

III. Quy Trình Thiết Kế và Chế Tạo

Quy trình thiết kế máy phay CNC 4 trục bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng. Trước tiên, phải xác định yêu cầu kỹ thuật như không gian làm việc, độ chính xác, công suất cắt. Tiếp theo là thiết kế 3D sử dụng phần mềm CAD như SolidWorks hay FreeCAD. Sau đó phân tích độ bền, tính toán lực cắt, chọn lựa linh kiện thích hợp. Giai đoạn chế tạo bao gồm gia công các chi tiết, lắp ráp, hiệu chỉnh và kiểm tra chất lượng. Cuối cùng tiến hành thử nghiệm máy với các chương trình CNC chuẩn.

3.1. Các Bước Thiết Kế Cơ Bản

Bước 1: Phân tích yêu cầu kỹ thuật và ngân sách. Bước 2: Vẽ sơ đồ khối và thiết kế chi tiết 3D. Bước 3: Tính toán lực, mô-men, công suất cần thiết. Bước 4: Chọn lựa động cơ, ray, bi cuối từ các nhà cung cấp. Bước 5: Thiết kế hệ thống điều khiển và lập trình CNC.

3.2. Lập Trình CNC và Điều Khiển

Lập trình CNC sử dụng ngôn ngữ G-code, định nghĩa đường đi dao cụ và tốc độ cắt. Hệ thống điều khiển sử dụng Mach3, GRBL, hoặc LinuxCNC tùy theo yêu cầu. Phần mềm CAM như Fusion 360 hay ArtCAM giúp chuyển đổi mô hình 3D thành mã G-code.

IV. Hướng Dẫn Triển Khai Đồ Án Hoàn Chỉnh

Để hoàn thành đồ án thiết kế chế tạo máy phay CNC 4 trục, sinh viên cần chuẩn bị các tài liệu kỹ thuật chi tiết. Bao gồm: bản vẽ thiết kế 3D, bảng tính lực cắt, danh sách linh kiện, sơ đồ điện, hướng dẫn lắp ráp, chương trình CNC mẫu, báo cáo kết quả thử nghiệm. Cần tham khảo các tiêu chuẩn gia công, quy chuẩn an toàn máy, và tài liệu kỹ thuật từ các nhà sản xuất linh kiện. Presentation đồ án nên minh họa rõ ràng quá trình từ khái niệm đến sản phẩm hoàn thành.

4.1. Tài Liệu Và Báo Cáo Cần Chuẩn Bị

Đồ án hoàn chỉnh bao gồm: báo cáo tổng quan (10-15 trang), bản vẽ kỹ thuật (15-20 trang), tính toán thiết kế (5-10 trang), danh sách vật tư và chi phí, hướng dẫn lắp ráp bước theo bước, chương trình CNC mẫu với giải thích chi tiết.

4.2. Đánh Giá và Kiểm Tra Chất Lượng

Các tiêu chí đánh giá: độ chính xác định vị đạt chuẩn, chất lượng bề mặt gia công, khả năng tái lập mã chương trình, độ bền máy qua thử nghiệm 100 giờ. Kiểm tra an toàn: bảo vệ khẩn cấp, cách ly điện, không có cạnh sắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CHỌN SƠ BỘ MÁY CNC VÀ THIẾT KẾ TRỤC A 1. Tính toán lựa chọn cụm trục vít me 3 trục X,Y,Z 1. Các thông số đầu vào  Loại máy CNC: phay, mài  Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT:  Phay mặt đầu  Dao có 6 lưỡi ( Z=6), đường kính D=80mm  Tiêu chuẩn quốc gia: JIS  Vật liệu : S45C  Grade 4040  Vận tốc cắt: v=100m/ph  Chiều sâu cắt: t=1,2mm  Lượng chạy dao: F=900mm/ph  Khối lượng lớn nhất của chi tiết 50kg  Trọng lượng bàn máy trục X: 200N  Vận tốc chạy dao lớn nhất khi không gia công: V1=15m/ph  Vận tốc chạy dao lớn nhất khi gia công: V2=10m/ph  Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a=0,5g=5 m/s2  Thời gian hoạt động: Lt=20000h.  Tốc độ vòng lớn nhất: Nmax=3000 rpm.

 Độ chính xác vị trí không tải:.  Độ lệch truyền động:.  Hệ số ma sát trơn: 1. Bước vít me Chọn l=5mm 1.

Lực cắt chính Để tìm lực cắt chính của máy ta sử dụng công cụ trên website: www.com Feed per cutting edge (Fz)- Lượng chạy dao răng  Tốc độ quay của động cơ quay dao:  Lượng chạy dao vòng:  Lượng chạy dao răng: 10 (mm/ răng) (Theo công thức trong cuốn Sổ tay CN-CTM tập 2-trang 26)  Working engagement (ae) & working engagement start (aei) Chọn ae & aei sao cho: ae + aei = Dc = 80mm Ta chọn: ae = 80mm, aei =0  Mayjor cutting adge angle (Kγ): thường chọn Kγ= 60° Sau khi tính toán, lựa chọn kết hợp với các thông số đề cho ta điền vào bảng của công cụ ta được kết quả Mc= 83Nm => Fm = 2. 1: Thông số cắt 1. Tính toán lựa chọn trục vít a. Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn Lực chống trượt (lực ma sát bi ổ lăn): Fa = f = µ.

( 300+150+500) = 5N = 0,5 kgf Các thông số được tính chọn :  Loại ổ bi  Cấp chính xác  Độ lệch vị trí vì nhiệt  Mô men động cơ b. Tính toán lực dọc trục 11 Hình 1. 2: Sơ đồ đặt lực Các thành phần trong công thức :  Lực cắt chính của máy : Fm = 2075N = 207,5 kgf  Lực cắt theo phương z ( phương thẳng đứng ) : Fmz = 0,5Fm = 1037.5N  Hệ số ma sát lăn của bi trên block : μ = 0,1  Khối lượng tổng cộng : m= M + Wy =100 kg  Lực ma sát bi ổ lăn : f = 5 N  Gia tốc trọng trường : g= 10 m/s2 Tính các lực dọc trục  Tăng tốc (sang trái): Fa1 = μ(mg+ Fmz ) + ma + f = 0,1.10 + 1037,5 ) + 5 = 2283,75 N  Giảm tốc (sang phải): Fa4 = μ(mg + Fmz) - ma + f = 0,1.5 + 5 = - 291,25N Lực dọc trục trung bình : Trong đó:  F1max, F2max: Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công  N1max, N2max: Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công 12  T1, T2: Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải Axial load(N) Rotation Time ratio(sec or %) speed(rpm) F1max =708,75 1500 30% F2max =2283,75 1000 70% Bảng 1. 1: Lực dọc trục và phần trăm tương ứng (Trong phần tính lực dọc trung bình này ta lấy Fi ở 2 trường hợp khi không gia công và khi gia công.

Với các tỉ lệ thời gian lần lượt 30% & 70%, ta xét trong giai đoạn ổn định của máy nên Ni là như nhau tại các thời điểm. Tính toán tải trọng tĩnh, tải trọng động Tải trọng tĩnh : Các công thức tính tương ứng: C0 = fs. Famax Trong đó: C0: tải trọng tĩnh fs: hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3 (chọn fs = 2) Famax: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vitme C0x = 2.2283,75 = 4567,5 N Tải trọng động : Với l = 5 mm => Vận tốc quay danh nghĩa là : Nm = V1/l = 15000/5 = 3000 ( vòng/ph) Ca = (60 ∗ Nm ∗ Lt) 1⁄3 ∗ Fma ∗ fw ∗ 10-2 = (60 * 3000 * 10000)1/3 * 194,8 * 1.  Chọn kiểu bi Nếu độ cứng cần được ưu tiên nhiều nhất, độ hao phí chuyển động không quá quan trọng , theo đó các thông số kích thước sẽ được chọn là :  Ổ bi loại lưu chuyển : bi bên ngoài  Kiểu : FDWC  Số dòng lưu chuyển : B× 3 hoặc B x 2 d.

Chọn bán kính trục vít 13 L= tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài đai ốc, ổ bi/2 + chiều dài vùng thoát = 300 + 100 + 200 =600mm Kiểu lăp ghép ổ đỡ là lắp chặt ở cả hai đầu -> f = 21,9 Chọn tốc độ quay cho động cơ khoảng 80% so với tốc độ quay giới hạn nên ta có : n=80%. Bán kính trục vít :  Chọn series Từ các kết quả tính toán trên :  Bước vít : 5mm Tải trọng động : 𝐶𝑜𝑥 = 4567,5𝑁  Đường kính trục : d ≥7,89mm Tải trọng tĩnh : 𝐶𝑎 = 4739,25𝑁    Ta chọn series :  Loại trục vit me : SFU1605-4  Đường kính trục : 16 mm  Bước vít : 5mm Hình 1. 3:Thông số vít me  Kiểm tra sơ bộ  Tuổi thọ làm việc : 14  Tốc độ quay cho phép: => Do vậy trục vit-me đảm bảo an toàn Để thuận tiện cho viêc chọn mua vật liệu chon vít me trục Z giống với trục X và Y. Bởi vì, trục Z chỉ chịu lực cắt chính nên sẽ đủ bền nếu X và Y đủ bền.

Tính toán chọn thanh dẫn hướng và con trượt a. Chọn thanh dẫn hướng và con trượt Hình 1. 4: Thông số thanh trượt Hệ số tải động: C= 14,7kN Hệ số tải tĩnh: C0= 16,5kN Chọn thanh trượt dẫn hướng cho cả ba trục có seri là: SSR 15KW 15 Thông số Bàn X Bàn Y Khối lượng phôi (kg) m1 = 80 m1 = 50 Khối lượng bàn máy (kg) m2 = 20 m2 = 30 Vận tốc khi không gia công v0 = 0,35 v0 = 0,35 (m/s) Gia tốc (m/s2 ) a1 = a2 = 5 a1 = a2 = 5 Bảng 1. 2: Thông số động học Các giai đoạn khi cho bàn X di chuyển trên hành trình: Ta có gia tốc a = 5m/s2 và vận tốc gia công gia công v = 0.35m/s ⇒ cần thời gian là t1 = t3 = v/a = 0.07s với đoạn di chuyển Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 12,25 mm ⇒ đoạn chuyển động đều: ls -(12,25x2) V (m/s) t1 t2 t3 t (s) Chuyển động Bàn X ls = 300 mm Bàn Y ls = 200 mm Nhanh dần (mm) 12,25 12,25 Đều (mm) 275,5 175,5 Chậm dần (mm) 12,25 12,25 Bảng 1.

3: Chuyển động của bàn máy Các khoảng cách định vị: Với bàn Y: Các khoảng cách định vị:  Nếu bàn Y nằm chính giữa bàn X thì sẽ không có các momen lật. Do vậy, trong khi tính toán nên để bàn Y ở vị trí xa nhất so với tâm của bàn X để được trường hợp hệ thống hoạt động khắc nghiệt nhất. 16  Khi tính cho bàn X, coi bàn Y và phôi là một khối duy nhất có khối lượng bằng tổng hai thành phần ( mo+ mx ) = 80kg.  Coi tâm bàn X, Y, dao cắt nằm trên cùng một đường thẳng.

Các khoảng cách định vị: (mm) Bàn X Bàn Y Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: l1 240 140 Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: l2 135 170 Theo phương z thì tâm phôi trùng tâm bàn máy: l3 0 0 Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy : l4 200 0 Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt bàn máy: l5 170 70 Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt phôi: l6 300 150 Hình 1. 5: Phân bố các trục Bàn máy Y đang di chuyển tăng tốc sang phải hay giảm tốc sang trái Bàn X tăng tốc về phía trước hoặc giảm tốc về phía sau. Tính toán lực riêng rẽ Chuyển động đều, lực hướng kính P 17 Chuyển động đều, lực hướng kính Pn (N) Bàn X Bàn Y 1102 459 1102 459 -83 459 -83 459 Bảng 1. 4: giá trị lực hướng kính bàn X, Y Chuyển động tăng tốc sang trái, lực Pnla1 Chuyển động tăng tốc sang trái, lực Pnla1 Bàn X Bàn Y 817 288 1387 630 202 630 -368 288 -167 0 Tải phụ: 167 0 167 0 -167 0 Chuyển động tăng tốc sang phải Pnra1 18 Chuyển động tăng tốc sang phải, lực Pnra1 Bàn X Bàn Y 1387 630 817 288 -368 288 202 630 167 0 Tải phụ: -167 0 -167 0 167 0 Chuyển động giảm tốc sang phải, lực Pnra3 Chuyển động giảm tốc sang phải, lực Pnra3 Bàn X Bàn Y 817 288 1387 630 202 630 -368 288 -167 0 Tải phụ: 167 0 19 167 0 -167 0 c.

Tính toán tải trọng tương đương Khi chuyển động đều: 𝑃𝐸1 = 𝑃1 Khi chuyển động đều: Bàn X Bàn Y 1102 459 𝑃𝐸2 = 𝑃2 1102 459 𝑃𝐸3 = 𝑃3 -83 459 𝑃𝐸4 = 𝑃4 -83 459 Tăng tốc sang trái: Tăng tốc sang trái: Bàn X Bàn Y 984 288 1554 630 535 630 369 288 Giảm tốc sang trái: Giảm tốc sang trái: Bàn X Bàn Y 1554 630 984 288 369 288 535 630 Tăng tốc sang phải: Tăng tốc sang phải: Bàn X Bàn Y 1554 630 984 288 369 288 535 630 20 Giảm tốc sang phải: Giảm tốc sang phải: Bàn X Bàn Y 984 288 1554 630 535 630 369 288 Kiểm tra hệ số tải tĩnh: Ray dẫn hướng chịu được tải trọng rung và va đập Tính toán tải trọng trung bình Tính toán tải trọng trung bình Bàn Bàn X Y 1124 467 1124 467 198 467 198 467 Bảng 1. 5: Tải trọng trung bình Tính toán tuổi thọ danh nghĩa. Chọn fw = 1,2: Tính toán tuổi thọ danh nghĩa: Ln Bàn X Bàn Y 64726 902459 64726 902459 11840845 902459 21 11840845 902459 Lớn hơn 20000h nên thanh trượt đủ bền 1. Tính chọn động cơ Chọn động cơ servo để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục Ox Các dữ liệu cho tính chọn động cơ: Hệ số ma sát lăn giữa thép và gang ta chọn 𝜇 =0,1  Chọn vit-me có bước h = 5mm   Gia tốc trọng trường g = 10 m/s 2  Khối lượng của phần đầu dịch chuyển là m = 100 kg  Góc nghiêng của trục α = 0 ̊.

 Tỉ số truyền giảm tốc i = 1.