Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình gia công cơ khí chính xác tại các nhà máy và xưởng sản xuất, taro là một nguyên công cơ bản nhằm tạo ren trong phục vụ việc liên kết, lắp ghép các chi tiết máy. Hiện nay, hai phương thức taro truyền thống được sử dụng phổ biến là taro thủ công bằng tay quay và taro trên máy khoan bàn/máy khoan đứng. Tuy nhiên, các phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật:

  • Taro bằng tay đòi hỏi nhiều thời gian, tốn sức lao động, năng suất thấp, độ đồng đều và độ vuông góc của ren phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề thợ, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ làm lệch hoặc gãy mũi taro trong lỗ phôi.
  • Taro bằng máy khoan thông thường có tính linh hoạt kém trong không gian làm việc, khó tiếp cận các vị trí gia công phức tạp trên các chi tiết có kích thước lớn, hành trình trục chính cố định và dễ gây nguy hiểm cho người vận hành khi quá tải mô-men xoắn.

Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài "Thiết kế chế tạo máy taro cần (Tapping Arm)" (Mã số đề tài: CKM-45) được nhóm nghiên cứu tại Khoa Cơ khí Chế tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện. Máy taro cần dạng bán tự động cho phép mở rộng không gian gia công, duy trì góc taro vuông góc cố định, kiểm soát mô-men xoắn và hỗ trợ thao tác nhanh chóng, giảm tải cho nhân công tại các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm:

  1. Xây dựng và phát triển hệ thống bán tự động hóa cho quy trình taro các sản phẩm có ren.
  2. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế mô hình máy taro cần nhỏ gọn, đảm bảo độ cứng vững, vận hành ổn định và đạt năng suất gia công cao.
  3. Chế tạo thực tế cụm cơ khí (thân trụ, cánh tay đòn, khớp nối, đầu kẹp) và tích hợp hệ thống điều khiển điện tử (động cơ bước, bộ điều khiển PLC, màn hình HMI, xi-lanh trợ lực).
  4. Tiến hành kiểm nghiệm thực nghiệm trên các mẫu phôi thực tế (thép carbon C45, hợp kim nhôm), kiểm soát lực cắt, thời gian gia công và đánh giá chất lượng biên dạng ren bằng dụng cụ đo tiêu chuẩn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy taro cần bán tự động, cơ cấu truyền động khâu - khớp - bản lề, cụm đầu kẹp taro chống quá tải và hệ thống điều khiển vị trí/tốc độ.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị gia công ren trong với bán kính làm việc của cánh tay đòn đạt 1000 mm; khả năng gia công trên các loại vật liệu phổ biến gồm kim loại (thép kết cấu, nhôm), gỗ và nhựa kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết nguyên lý máy - chi tiết máy, công nghệ cắt gọt kim loại và kỹ thuật điều khiển tự động hóa:

  • Cơ sở lý thuyết gia công ren và cắt gọt:

    • Khái niệm đường xoắn ốc hình thành trên bề mặt trụ đường kính $d$ với bước ren $P$, góc profin $\alpha$ ($60^\circ$ đối với ren hệ Mét theo TCVN 2247-77 và $55^\circ$ đối với ren hệ Inch).
    • Động học và chế độ cắt khi taro: Xác định vận tốc cắt $V$ theo công thức thực nghiệm: $$V = \frac{C_v \cdot D^{Z_v}}{T^m \cdot t^{X_v} \cdot S^{Y_v}} \cdot K_v \quad (\text{m/phút})$$ Trong đó $C_v$ là hệ số phụ thuộc vật liệu; $D$ là đường kính mũi taro; $T$ là tuổi bền dao; $t$ là chiều sâu cắt; $S$ là lượng chạy dao; $K_v$ là hệ số hiệu chỉnh chung.
    • Số vòng quay trục chính $n$: $$n = \frac{1000 \cdot V}{\pi \cdot D} \quad (\text{vòng/phút})$$
    • Lượng tiến dao (bước tiến ren) $F$: $$F = P \cdot n \quad (\text{mm/phút})$$
    • Cơ sở lựa chọn mũi khoan lỗ trước khi taro: Xác định đường kính lỗ khoan $d$ theo bước ren $P$ và đường kính danh nghĩa $D$ nhằm tránh quá tải gây gãy mũi taro hoặc làm thiếu chiều cao profin ren.
    • Lý thuyết cân bằng cơ cấu khâu - khớp - bản lề: Ứng dụng xi-lanh trợ lực khí nén/lò xo để triệt tiêu tự trọng của các cánh tay đòn và cụm động cơ, duy trì trạng thái lơ lửng ổn định giúp người vận hành thao tác nhẹ nhàng.

  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

    • Phương pháp kế thừa và phân tích tài liệu: Khảo sát các dòng máy taro trên thị trường (máy khoan bàn T50A, T80A; máy taro khí nén OP-08AK, OP-12AK) và các công trình nghiên cứu tiền nhiệm về ứng dụng mạng nơ-ron (ANN) dự đoán lực cắt, công nghệ in 3D và tự động hóa taro.
    • Phương pháp tính toán và thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm mô hình hóa 3D để thiết kế kết cấu từng cụm chi tiết (thân trụ, cánh tay 1, cánh tay 2, khớp động cơ); phân tích biểu đồ nội lực và kiểm nghiệm độ bền uốn, xoắn của các trục khớp nối từ trục 1 đến trục 10.
    • Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Gia công chế tạo máy thật, đấu nối tủ điện điều khiển với PLC và HMI; thực hiện gia công taro ren M8 và M12 trên phôi thép C45 và nhôm ở 3 chế độ (thủ công, tự động 1 chiều, tự động 2 chiều); sử dụng dưỡng kiểm ren trong (Thread Plug Gauge) dạng Go/No-Go để nghiệm thu sản phẩm.

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số ren tiêu chuẩn theo TCVN 2247-77, bảng tra mô-men xoắn cắt gọt kim loại, tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất động cơ bước 110CM20, màn hình giao diện YKHMI, tài liệu thực tế tại xưởng chế tạo và Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp CODIA.

Thiết kế và chế tạo hệ thống

Đồ án triển khai thiết kế cơ khí kết hợp tích hợp hệ thống điện - điều khiển hoàn chỉnh:

Kiến trúc cơ khí và động lực học

Kết cấu cơ khí của máy taro cần bao gồm các cụm bộ phận chính:

  1. Phần thân trụ (Base Column): Gá đặt cố định trên bàn máy hoặc chân đế, đóng vai trò làm trục xoay chính cho toàn bộ hệ thống cánh tay.
  2. Cánh tay đòn thứ nhất và thứ hai (Primary and Secondary Arms): Liên kết dạng khớp bản lề, cho phép mở rộng tầm với trong không gian làm việc với bán kính tối đa 1000 mm.
  3. Cơ cấu xi-lanh trợ lực: Gắn dọc theo các cánh tay đòn để cân bằng mô-men trọng trường của đầu máy gia công.
  4. Cụm khớp nối động cơ và đầu kẹp: Khớp định vị giữ động cơ luôn ở phương thẳng đứng vuông góc với bề mặt gia công; đầu kẹp tháo lắp nhanh chuẩn TORSION kết hợp hệ thống collet chống quá tải mô-men xoắn để bảo vệ mũi taro không bị gãy khi gặp sự cố kẹt phoi.

Hệ thống điều khiển và khí cụ điện

  • Bộ điều khiển trung tâm: Tích hợp khối điều khiển lập trình PLC kết hợp màn hình cảm ứng HMI (Model: YKHMI) hiển thị giao diện cài đặt tham số.
  • Cơ cấu chấp hành động lực: Động cơ bước công suất lớn (Model: 110CM20) kết hợp hộp giảm tốc giúp cung cấp mô-men xoắn cao ở dải tốc độ cắt thấp.
  • Nguồn cấp và phụ kiện điện: Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi DC, tủ điện hoàn thiện, công tắc nguồn, các nút nhấn điều khiển vận hành tiến/lùi, dừng khẩn cấp.

Thuật toán và chế độ vận hành

Chương trình điều khiển hỗ trợ 3 chế độ gia công linh hoạt:

  • Chế độ 1 (Manual - Thủ công): Người vận hành nhấn giữ nút quay thuận để taro ren và nhấn nút quay nghịch để rút dao ra khỏi lỗ.
  • Chế độ 2 (Auto 1 chiều - Bán tự động theo cữ/chiều sâu): Thiết lập chiều sâu taro trên màn hình HMI; máy tự động quay thuận cắt ren đến độ sâu cài đặt và dừng lại; người vận hành kích hoạt chiều nghịch để rút mũi taro.
  • Chế độ 3 (Auto 2 chiều - Tự động hoàn toàn chu kỳ): Máy tự động quay thuận cắt ren đạt đến độ sâu cài đặt, tự động đảo chiều quay với tốc độ định trước để rút mũi taro về vị trí ban đầu mà không cần can thiệp thủ công.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong ngành gia công cơ khí chế tạo máy. Nội dung nêu rõ ưu thế của máy taro cần so với phương pháp taro thủ công và máy khoan bàn thông thường. Chương 1 xác định rõ mục tiêu nghiên cứu là chế tạo máy taro bán tự động nhỏ gọn, tầm với 1000 mm, đảm bảo độ ổn định và an toàn; đồng thời phân định đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cơ sở phương pháp luận và cấu trúc tổng thể 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này tổng kết lịch sử phát triển của máy công cụ cắt gọt và phân tích chi tiết về khái niệm, ưu - nhược điểm, nguyên lý hoạt động của máy taro cần. Nội dung phân loại các mũi taro thông dụng:

  • Mũi taro ren thẳng: Thích hợp cho lỗ thông, phoi đẩy về phía trước, lực cắt thấp, ít mẻ răng.
  • Mũi taro rãnh xoắn: Thích hợp cho lỗ bít, phoi được kéo ngược về phía chuôi cán, tạo bề mặt ren bóng.

Chương 2 phân tích đặc tính cơ lý khi taro trên các nhóm vật liệu: thép đã nhiệt luyện (25–45 HRC), thép carbon (S45C, S50C, C45), thép hợp kim, inox (SUS304), titan, nhôm rèn/nhôm đúc (A5052, ADC12) và đồng. Đồng thời, tác giả tổng hợp thông số kỹ thuật của các dòng máy hiện hành và lược khảo 4 công trình nghiên cứu trong nước cùng 4 công trình nghiên cứu quốc tế liên quan đến kiểm soát lực cắt, hao mòn dao và tự động hóa nguyên công taro.

Dòng máy / Thiết bị Khả năng taro lớn nhất Hành trình trục chính / Kích thước Tốc độ trục chính (rpm)
Máy khoan bàn T-50A M8 (JT2) 45 mm 420 / 760 / 1340
Máy khoan bàn T-80A M16 (MT3) 65 mm 155 - 285 - 515
Máy taro khí nén OP-08AK M8 (nhôm: 2-8 mm, sắt: 2-4 mm) Dài 290 mm, khí nén 226 l/min 350
Máy taro khí nén OP-12AK M12 (nhôm/sắt: 3-12 mm) Khí nén 226 l/min 100

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 thiết lập nền tảng tính toán cơ học và công nghệ chế tạo:

  • Định nghĩa đường xoắn ốc, profin ren tam giác, các thông số hình học (đường kính đỉnh $d$, đáy $d_1$, trung bình $d_2$, bước ren $P$, số đầu mối $Z$, góc profin $\alpha$, góc nâng ren).
  • Tiêu chuẩn đường kính lỗ khoan chuẩn bị trước khi taro theo TCVN 2247-77 (ví dụ: ren M8 bước $P=1,25\text{ mm}$ khoan lỗ $\varnothing 6,8\text{ mm}$; M12 bước $P=1,75\text{ mm}$ khoan lỗ $\varnothing 10,25\text{ mm}$).
  • Công thức tính vận tốc cắt, số vòng quay trục chính và bước tiến dao $F = P \cdot n$.
  • Tổng hợp bảng tra mô-men xoắn cắt gọt thực nghiệm cho các kích thước ren:
Bước ren $P$ (mm) Đường kính đỉnh ren (mm) Dải mô-men xoắn cắt gọt (N.m)
0,50 3 - 20 0,7 - 12
0,75 6 - 30 3,6 - 40
1,00 6 - 52 5,6 - 116
1,25 8 - 14 12,0 - 32
1,50 10 - 52 21,0 - 212
1,75 12 34,0
2,00 14 - 52 51,0 - 323
2,50 16 - 22 102,0 - 136
3,00 24 - 52 200,0 - 600
  • Cơ chế thoát phoi, bôi trơn làm mát bằng dung dịch emunxi (dầu khoáng kết hợp phụ gia phân tán) và các nguyên nhân gây gãy mũi taro (lệch trục, không vuông góc, thiếu dung dịch tưới nguội, kẹt phoi).
  • Cơ sở lý thuyết về nguyên công khoan chuẩn bị phôi (kết cấu mũi khoan 2 rãnh xoắn góc nghiêng $20^\circ - 30^\circ$, góc đỉnh) và đặc tính vật liệu thép kết cấu (pha ferrite - cementite), hợp kim nhôm (tính chống ăn mòn nhờ lớp màng $Al_2O_3$).

Chương 4: Phương án thiết kế

Nội dung chương tập trung vào việc đề xuất, so sánh và lựa chọn các phương án kết cấu:

  • Thiết lập sơ đồ khối hoạt động toàn hệ thống và các tiêu chuẩn kỹ thuật (tính công nghệ, an toàn, hiệu quả kinh tế).
  • So sánh các phương án thiết kế cho từng cụm:
    • Thân trụ: Phương án sử dụng ống thép định hình kết hợp bạc dẫn hướng chịu lực xoay.
    • Cánh tay đòn 1 và 2: Kết cấu dạng thanh giằng song song kết hợp xi-lanh trợ lực nhằm tối ưu khối lượng và đảm bảo độ cứng vững không bị biến dạng khi chịu phản lực cắt.
    • Khớp nối động cơ: Cơ cấu điều chỉnh linh hoạt đảm bảo phương trục chính luôn thẳng đứng.
    • Đầu kẹp mũi taro: Lựa chọn loại đầu kẹp tháo lắp nhanh TORSION có cơ cấu ly hợp ma sát trượt bảo vệ chống quá tải mô-men xoắn.

Chương 5: Tính toán thiết kế

Chương 5 trình bày toàn bộ quá trình tính toán động học, động lực học và sức bền vật liệu:

  • Xác định chế độ cắt, công suất cắt và chọn động cơ bước kết hợp bộ truyền giảm tốc.
  • Phân tích trạng thái ứng suất, xây dựng sơ đồ nội lực và tính toán kiểm nghiệm bền chi tiết cho hệ trục từ trục 1 đến trục 10:
    • Trục 1 và trục 2 (khớp thân trụ và cánh tay 1).
    • Trục 3 và trục 4 (khớp gắn xi-lanh trợ lực và thanh giằng).
    • Trục 5 và trục 6 (khớp nối giữa hai cánh tay đòn).
    • Trục 7 và trục 8 (khớp cánh tay đòn 2).
    • Trục 9 và trục 10 (khớp nối đầu giá đỡ động cơ).

Chương 6: Chế tạo và thực nghiệm

Trình bày toàn bộ quy trình chế tạo cơ khí, gia công các chi tiết thân trụ, cánh tay đòn, khớp nối; quy trình lắp ráp hoàn thiện khung máy; đấu nối hệ thống điện điều khiển (PLC, màn hình YKHMI, nguồn tổ ong, động cơ 110CM20, xilanh trợ lực).

Chương 6 xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển và tiến hành thực nghiệm gia công thực tế:

  • Chuẩn bị phôi: Thép carbon C45 và hợp kim nhôm; khoan lỗ mồi đạt đường kính tiêu chuẩn.
  • Dụng cụ cắt: Mũi taro M8 và M12.
  • Thực nghiệm taro ở Chế độ 1 (thủ công), Chế độ 2 (tự động 1 chiều) và Chế độ 3 (tự động 2 chiều).
  • Kiểm tra nghiệm thu bước ren, độ sâu và độ chính xác của lỗ ren gia công bằng dưỡng kiểm ren trong Go/No-Go M8 và M12.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả chế tạo và thử nghiệm:

    • Chế tạo thành công mô hình máy taro cần bán tự động hoàn chỉnh với tầm với bán kính hoạt động đạt 1000 mm, kết cấu nhỏ gọn, khả năng cơ động cao.
    • Tích hợp thành công động cơ bước 110CM20 với bộ điều khiển PLC và màn hình cảm ứng HMI YKHMI, vận hành ổn định 3 chế độ gia công (Manual, Auto 1 chiều, Auto 2 chiều).
    • Thực nghiệm taro thành công ren M8 và M12 trên cả hai loại vật liệu thép C45 và hợp kim nhôm. Quá trình gia công diễn ra liên tục, máy không bị rung lắc, đầu kẹp TORSION hoạt động trơn tru.
    • Kết quả kiểm tra bằng dưỡng kiểm ren chuyên dụng (Go/No-Go M8 và M12) xác nhận các lỗ ren sau gia công đạt độ đồng tâm, profin ren sắc nét, không bị trầy xước, nứt vỡ hay lẹo dao.
    • Đề tài nhận được giấy xác nhận chuyển giao công nghệ từ Công ty TNHH Giải pháp Công nghiệp CODIA.

  • Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

    • Cung cấp một giải pháp thiết kế máy taro cần bán tự động nội địa hóa, thay thế cho các dòng máy nhập khẩu đắt tiền hoặc các loại máy khoan bàn có chức năng taro cồng kềnh.
    • Kết hợp đồng bộ giữa cơ cấu trợ lực khâu khớp cơ học và hệ thống điều khiển điện tử lập trình được, giúp chuẩn hóa quy trình gia công ren tại các cơ sở chế tạo vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:

    • Không gian làm việc tuy đạt bán kính 1000 mm nhưng vẫn đòi hỏi diện tích xung quanh bàn máy đủ rộng để cánh tay xoay chuyển linh hoạt.
    • Chi phí đầu tư ban đầu cho cụm điều khiển (PLC, HMI, động cơ bước mô-men lớn, đầu kẹp TORSION) cao hơn so với việc sử dụng máy khoan bàn thông thường.
    • Đòi hỏi người vận hành phải được hướng dẫn thao tác cơ bản trên màn hình giao diện điều khiển HMI để thiết lập đúng các thông số bước tiến và chiều sâu cắt.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Tích hợp thêm cảm biến phản hồi mô-men xoắn theo thời gian thực để tự động nhận biết tình trạng mòn dao hoặc quá tải kẹt phoi trước khi cơ cấu ly hợp ngắt.
    • Nghiên cứu mở rộng dải công suất động cơ để taro được các đường kính ren lớn hơn (M16 – M24) trên các vật liệu thép hợp kim có độ cứng cao hơn.
    • Phát triển hệ thống tự động bôi trơn/tưới nguội định lượng gắn trực tiếp tại đầu kẹp dao thay vì tra dầu thủ công trong quá trình taro.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử, Công nghệ Tự động hóa: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình tính toán, thiết kế cơ cấu khâu khớp cơ khí nhiều bậc tự do, phương pháp phân tích biểu đồ nội lực hệ trục (trục 1 đến 10) và tích hợp điều khiển PLC - HMI - Stepper Motor.
  • Kỹ sư thiết kế máy và xưởng cơ khí gia công: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tiễn về kết cấu cánh tay taro trợ lực cân bằng trọng lực, bảng tra cứu mô-men xoắn cắt gọt và giải pháp chống gãy mũi taro bằng đầu kẹp tháo lắp nhanh TORSION.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy taro cần trong đề tài có tầm với làm việc là bao nhiêu và gia công được trên những loại vật liệu nào?

Máy taro cần được thiết kế với tầm với bán kính hoạt động của cánh tay đòn là 1000 mm. Thiết bị được tính toán để gia công ren trên nhiều loại vật liệu phổ biến bao gồm kim loại (thép kết cấu C45, nhôm, đồng, inox), gỗ kỹ thuật và các loại nhựa công nghiệp.

2. Hệ thống điều khiển của máy taro cần sử dụng những thiết bị chính nào và hỗ trợ các chế độ gia công nào?

Hệ thống điều khiển của máy bao gồm bộ điều khiển lập trình PLC, màn hình cảm ứng HMI (YKHMI), bộ nguồn tổ ong và động cơ bước công suất lớn Model 110CM20 kết hợp hộp giảm tốc. Máy hỗ trợ 3 chế độ vận hành: Chế độ 1 (thao tác thủ công bằng nút bấm), Chế độ 2 (tự động tiến theo cữ chiều sâu cài đặt và lùi thủ công), Chế độ 3 (tự động chu kỳ hoàn toàn cả tiến cắt ren và lùi dao về vị trí ban đầu).

3. Giải pháp nào được tác giả áp dụng trên máy để phòng ngừa hiện tượng gãy mũi taro khi gia công?

Để chống gãy mũi taro, thiết kế áp dụng đồng bộ các giải pháp: tính toán chuẩn xác đường kính lỗ khoan mồi theo TCVN 2247-77, duy trì phương trục chính luôn vuông góc thông qua hệ khớp định vị cánh tay đòn, sử dụng đầu kẹp dao tháo lắp nhanh chuẩn TORSION có cơ cấu trượt ly hợp bảo vệ quá tải mô-men xoắn, và tưới dung dịch bôi trơn làm mát (nhũ tương emunxi/dầu đậu) trong quá trình cắt.

4. Kết quả thực nghiệm gia công ren của máy được kiểm tra, đánh giá bằng phương pháp nào?

Trong quá trình thực nghiệm, máy tiến hành taro tạo ren M8 và M12 trên phôi thép carbon C45 và phôi hợp kim nhôm. Độ chính xác kích thước, bước ren và biên dạng profin ren sau khi taro được kiểm tra trực tiếp bằng các bộ dưỡng kiểm ren trong (Thread Plug Gauge) Go/No-Go chuyên dụng tương ứng với ren M8 và M12.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo máy taro cần (Tapping Arm)" đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí tự động hóa quy trình gia công ren trong với bán kính làm việc 1000 mm. Nghiên cứu hoàn thành đầy đủ từ khâu tính toán sức bền hệ trục, thiết kế mô hình 3D, gia công lắp ráp cụm cơ khí cánh tay trợ lực đến tích hợp điều khiển PLC, màn hình HMI và động cơ bước 110CM20. Kết quả thực nghiệm taro ren M8, M12 trên thép C45 và hợp kim nhôm đạt yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 2247-77, khẳng định tính ổn định, độ an toàn và khả năng ứng dụng thực tế của thiết bị trong sản xuất cơ khí.