Luận văn: Nghiên cứu CAD CAM CNC trong thiết kế, gia công bề mặt phức tạp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ CAD CAM CNC trong thiết kế, gia công bề mặt phức tạp. Cung cấp kiến thức và quy trình gia công hiệu quả.

• Tác giả: Vũ Thành Sơn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu công nghệ CAD/CAM/CNC - Ứng dụng vào việc thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Công Nghệ CAD CAM CNC Trong Gia Công Bề Mặt Phức Tạp

Công nghệ CAD/CAM/CNC đã trở thành một phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí hiện đại. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các doanh nghiệp sản xuất tự động phát triển theo. Máy CNC (Computer Numerical Control) với sự hỗ trợ của máy tính đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang thời kỳ sản xuất hiện đại - thời đại của tự động hóa. Hiện nay, hầu hết các nhà máy, xí nghiệp, và khu công nghiệp tại Việt Nam đều được trang bị các máy công cụ CNC bao gồm máy phay, tiện, bào, mài, khoan với số trục điều khiển từ 2 đến 5 trục. Tuy nhiên, các cơ sở sản xuất chưa khai thác hết khả năng gia công trên máy do trình độ thuật kỹ còn hạn chế và chương trình điều khiển máy CNC thường được lập bằng tay mà chưa sử dụng phần mềm hỗ trợ.

1.1. Sự Phát Triển Của Công Nghệ CAD CAM Qua Các Thời Kỳ

Từ những năm 1950 đến nay, CAD/CAM/CAE đã trải qua quá trình hình thành và phát triển liên tục. Ban đầu, CAD và CAM được sử dụng độc lập để lập trình bộ phận với sự hỗ trợ của máy tính và các bản vẽ kỹ thuật. Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm CAD/CAM thống nhất, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất, bao trùm cả khâu thiết kế và sản xuất.

1.2. Nhu Cầu Ứng Dụng CAD CAM Cho Gia Công Bề Mặt Phức Tạp

Nhu cầu chế tạo các sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp ngày càng gia tăng, đặc biệt trong ngành da giấy, dệt, sản xuất hàng tiêu dùng, và chế tạo khuôn mẫu. Ứng dụng công nghệ CAD/CAM phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề được nhiều người quan tâm vì công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại mà còn góp phần nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí.

II. Công Nghệ CAD Trong Thiết Kế Cơ Khí

Công nghệ CAD (Computer-Aided Design) đóng vai trò quan trọng trong khâu thiết kế của quá trình sản xuất. CAD bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, mô hình hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chỉ tiết và kế hoạch. Sử dụng phần mềm CAD hiện đại như Cimatron E10, kỹ sư có thể tạo ra những thiết kế chính xác và chi tiết cho các bề mặt phức tạp. Thiết kế CAD không chỉ giúp visualize sản phẩm mà còn cung cấp thông tin chính xác cho khâu sản xuất tiếp theo. Qua quá trình thiết kế, CAD cho phép các kỹ sư phân tích các tính chất hình học, kiểm tra độ chính xác và tối ưu hóa thiết kế trước khi đưa vào sản xuất thực tế.

2.1. Giới Thiệu Về Phần Mềm CAD Cimatron E10

Cimatron E10 là một trong những phần mềm CAD hàng đầu được sử dụng rộng rãi trong thiết kế cơ khí. Phần mềm này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để tạo ra những thiết kế 3D phức tạp với độ chính xác cao. Cimatron E10 cho phép người dùng tạo bản vẽ kỹ thuật chi tiết, mô phỏng các quá trình gia công, và xuất các dữ liệu cần thiết cho khâu CAM.

2.2. Quy Trình Thiết Kế CAD Cho Bề Mặt Phức Tạp

Để thiết kế một bề mặt phức tạp hiệu quả, kỹ sư cần tuân theo quy trình chuẩn bao gồm: xác định yêu cầu kỹ thuật, tạo các mô hình hình học, phân tích độ chính xác, và tối ưu hóa thiết kế. Sử dụng CAD, các nhà thiết kế có thể nhanh chóng thay đổi thiết kế, kiểm tra các mối quan hệ hình học, và đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

III. Công Nghệ CAM Và Gia Công Trên Máy CNC

Công nghệ CAM (Computer-Aided Manufacturing) là bước tiếp theo trong quá trình sản xuất, nơi dữ liệu thiết kế từ CAD được chuyển đổi thành chương trình điều khiển máy CNC. Phần mềm CAM tự động tạo ra các lộ trình cắt (toolpath) tối ưu để gia công các bề mặt phức tạp với độ chính xác cao. Cimatron CAM cung cấp các tính năng để lập trình gia công hiệu quả, bao gồm lựa chọn dụng cụ, tính toán chiều sâu cắt, tốc độ và vận tốc cắt phù hợp. Gia công CNC sử dụng chương trình được tạo bởi CAM giúp giảm thời gian sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm, và tăng khả năng tái lập lại. Quá trình gia công được tối ưu hóa không chỉ về thời gian mà còn về chi phí nguyên vật liệu và dụng cụ cắt.

3.1. Giới Thiệu Phần CAM Của Cimatron

Phần CAM của Cimatron cung cấp các công cụ toàn diện để lập trình gia công trên máy CNC. Nó cho phép tạo ra các chương trình gia công tự động, tính toán đường dẫn cắt tối ưu, và kiểm tra va chạm dụng cụ. Cimatron CAM hỗ trợ nhiều loại chiến lược cắt khác nhau phù hợp với từng loại bề mặt phức tạp và vật liệu cụ thể.

3.2. Ứng Dụng CAM Để Gia Công Bề Mặt Phức Tạp

Khi áp dụng CAM để gia công các bề mặt phức tạp, kỹ sư phải xác định lộ trình cắt phù hợp, chọn dụng cụ chính xác, và thiết lập các thông số cắt tối ưu. Lập trình gia công bằng phần mềm CAM đảm bảo dụng cụ theo dõi chính xác bề mặt thiết kế, giảm lỗi gia công, và nâng cao độ bề mặt sản phẩm cuối cùng.

IV. Kiểm Tra Chất Lượng Và Đánh Giá Sản Phẩm Sau Gia Công

Chất lượng của sản phẩm gia công cơ khí không chỉ liên quan đến độ bền và độ bóng bề mặt, mà còn bao hàm cả độ chính xác vị trí tương quan và độ chính xác hình dáng hình học của chi tiết. Kiểm tra sản phẩm sau gia công là bước quan trọng để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Phải đo độ nhám bề mặt, độ chính xác hình học, và so sánh với bản vẽ thiết kế. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác gia công trên máy CNC bao gồm độ bị ịu của máy, chọn lựa dụng cụ, thông số cắt, và chất lượng định vị công cụ. Đánh giá toàn diện chất lượng sản phẩm giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và cải tiến quá trình sản xuất.

4.1. Phương Pháp Đo Độ Nhám Và Chính Xác Bề Mặt

Độ nhám bề mặt được đo bằng các thiết bị chuyên dụng như máy đo độ nhám (roughness tester). Độ chính xác hình học của chi tiết được kiểm tra bằng các dụng cụ đo chiều kích thước, độ thẳng, độ phẳng, và độ tròn. Các thông số đo được so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật được quy định trong bản vẽ thiết kế.

4.2. Các Nguyên Nhân Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Gia Công

Độ chính xác gia công CNC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: độ cứng của máy CNC, chất lượng và độ bị ịu của dụng cụ cắt, các thông số cắt không phù hợp, sai lệch định vị công cụ, và chất lượng tấm nguyên liệu. Việc kiểm soát các yếu tố này đảm bảo chất lượng sản phẩm cao và tính nhất quán giữa các lô sản xuất khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến để tải trong và ngoài nước và giới hạn nghiên cứu -_ Chương 2: Công nghệ CAD trong thiết kế cơ khí, -_ Chương 3: Gia công cơ khi có sử dụng công nghệ CÁM - _ Chương 4: Kết quả gia công và đánh giá chưng vẻ sản phẩm. Khi số lượng sản xuất tăng lên thì tỉ lệ phế phẩm cũng tăng cao, do do điển cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyên động của máy một cách tự động. Những nã lực ban đầu đễ “tư động hóa” các hoạt động nảy là sử dụng một loạt Cam để di chuyển dao cy hay ban lim việc qua những liên kết (linkage). Khi Cam quay, một liên kết lẫn theo bê mặt của mặt Cam (cam face), di chuyến công cụ cắt hay phôi qua một đấy các chuyển động.

Mãi Cam được đit hình đẻ diều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ, còn Cam quay diều khiến tốc đô cấp đao. Một số máy vẫn cỏn tên tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy S0. một cái tên đồng nghữa với gia công chính xác 'TThiết kế máy CNC hiện dai bét nguồn từ tác phẩm cua John T. Parsons cudi những năm 1940 và đầu những năm 1 950, John Parsons quân lý một hãng sân xuất.

hang không ở thành phố Traverse, Michigan. Sau Thé chiến II, Parsons tham gia sẵn xuất cảnh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phi gia công chỉnh xác các hình đạng phức tạp. Dồi mặt với tính phúc tạp ngày càng cao của hình đạng chỉ tiết và những vẫn dễ về toán học và kỹ thuật như vậy, Parsons da tim ra những biện pháp đề giám chỉ phi kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử đụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trưng ương của họ đề thực hiện một loạt các phép toàn cho một cảnh máy bay trực thăng mới.

Cuối củng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại cua IBM, nhé 46 IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiến bởi các thô dục lễ. Như vậy, thông qua việc sử dụng máy tỉnh TBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh din đường mức chính xác hem nhiều khi sử dụng các phép tỉnh bang lay va so dé. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt dường mức ty déng” cho không quản dễ tạo mắt cong cho cảnh máy bay.

Dé la hop đồng với Air Foree để sản xuất một chiếc máy được điều kh bằng thẻ lay băng từ có khả năng cắt các hình đạng đường ruức giống rhư những hình trong cảnh quạt và cảnh may bay, Sử dụng một dau doc thé may tỉnh và các bộ điêu khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kỉ lớm, phức lạp và đốt đỏ. Mặo dù vậy, nó lám việc một gách tự động và sẵn xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngảnh công thực hiện một cach cụ thể công việc. Việc chế tạo bao gồm các vân dễ liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sẵn xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối tra hoa dé ga va dung cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chỉ tiết cơ khi. CAE ——————> CAD/CAE ————> CAD - CAD/CAM/CAE _ CAD/CAM ‡ ~ CAM - CIM > FMS.

CNC NC > ' 1 1 ' - 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Tình 1. Quả trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE Như vậy, khái niệm CAD/CAM đủ đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng, Ban dâu CAD vả CAM dược sử dụng độc lập đễ mồ tá. việc lập trinh bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đề họa. Trong những năm gân đây, hai khái niệm này được nỗi kết với nhan để tạo ra khái niệm thông nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khân thiết kế và sản xuất.

Cụ thẻ trong khâu thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như ban vẽ, các mỏ hình học, phân tích các phản tử hữu hạn, bản ghi các chỉ tiết và kế hoạch, thông tin chương trinh NC. Trong khâu sẵn xuất, các ứng dụng của máy tính bao trừm trong lập kế hoạch quá trình, é én độ sẵn xuất, NC, ƠNGC, quân ly chất lượng, và lắp rấp. Sự xuất hiện 1C (1959), LSI (1965), vi xt ly (1974) va cac tién bộ kỹ thuật về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điền khiển số máy công cụ. Các bộ phận điển khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tỉnh va thudt ngit CNC (Computer Numerical Controi) được sử dụng tử đầu thập ký 70.

May CNC uu vigt hon máy NC thông thường về nhiều mặt như tốc đô xử lý cao, kết câu gọn.nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở linh năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy ƠNC ngày nay có màn hinh, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. Nhờ màn hình người đúng được thông báo thường xuyên về tình trạng của may, cảnh bảo các lỗi, cỏ rõ phỏng để kiểm tra trước quá trinh gia công. Máy ƠNG có thế làm việc đồng hộ với các thiết bị sân xuất khác ri robot, băng tải, thiết bị đo.

rong hệ thông sản xuất. Áp dụng diều khiển số và công nghệ thông tin vào điều khiển máy công cụ đã tạo ra cuộc cảch mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí, nhờ đó các sản phám được chế tạo ra ngày cảng chính xác hem, dep hơn, giá thành thấp hơn. Téng quan về CAD/CAM. Lịch sử phát triển của CAD/CAM liên quan trực tiếp tới sự phát triển sủa đổ hoa may tink.

Duong nhiên CAD/CAM bao ham một nội dung rộng lớn hơn dỗ hoạ máy tính, song hệ đổ hoạ máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphies) là bộ phận cơ bản của CAD. Lịch sử phát triển của đổ hoạ máy tính diễn biển qua nhiều thời kỳ: - Một trong những dự ân quan trọng đầu tiên trong lĩnh vue dé hoa máy tính Tà dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viên Công nghệ Massachusetts (MIT) vào giữa thập kỹ 50. APT là chữ viết tắt của thuật ngữ “Automatically Programcd Tool”, có nghĩa là "ng cụ lập trình tự động". Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho mày công cụ diều khiển số.

Mặc dủ sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực đỗ hoạ máy tính, nhưng việc sử dụng ngôn ngất APT trước đây lại ïL liên quam với đỗ họa máy lính - Một ý tưỡng khác, ra dời vảo khoảng cuối thập ky 50 cé tén 14 "but quang". Ý tưởng về bứt quang xuất hiện khi nghiên cứu cách xử lý đữ liệu ra đa của một đự án quốc phòng gọi là SAGE (Semi-Aufomatic Ground Environment system). Mục địch của dự án náy là triển khai một hệ thống phân tích đữ liệu rađa và làm rõ mục đích được coi là máy bay địch trên màn hình CRT (Catode Ray Tube - ống phòng chùm tia âm cực), Để tiết kiệm thời giản vào việc hiển Ủ máy bay dánh chặn của chủ nhà chóng lại máy bay dịch, người ta nghĩ ra bút quang, dung cu ding đề vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình và giúp cho CPU nhận biết vị trí cụ thể của màn hình vữa được bút quang liếp xúc. - Năm 1963 Ivan Sutherland công bó một số kết quả dầu tiên về dễ hoạ máy tinh, cho phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT - Nhiều tập đoản công nghiệp như General Motors, 18M, Lockheed- Georgia, Itek Corp, Mc.

đã bắt đảu thực hiện những, dự án về đỏ hoạ máy tỉnh từ những năm 60. Đến cuối thập kỷ 60 mét sé nhà cùng cap hệ thống, CAD/CAM đã được thành lập, trong đó phải kế đến hãng Calma vào năm 1969, Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chia khoá trao tay, trong đó gồm có hẳu hết hoặc toàn bộ phân cửng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng, Một số hãng, khác phát triển theo hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Pat Ilanratti ma công ty thành viên cña nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (vái phiên bân sau đó là ANVIL 4000), được cơi là gói phan mém CAD phé dung. Như vậy, khái niệm CAD (Computer Aided Design) có nghĩa là: Thiết kể với sự trợ giúp của raấy tình. Mục tiêu của lính vực CAD là: Tự động hoá từng bước, tiến tới tự động hoá cao trong quá trình thiết kế sản phẩm.

Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biếu điễn nhiều hình chiêu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức răng, Khái niệm CAM (Computer Aided Mannfacturing) có nghĩa là: Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính. Mục tiêu của lĩnh vực CAM là: Mô phỏng quá trinh chế tạo, lập Irinh chế tạo sân phẩm lrên các máy ƠNC. Kết quả của CAM Ba eu thé, đó là chỉ tiết cơ khi. Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà Sự xuất hiện 1C (1959), LSI (1965), vi xt ly (1974) va cac tién bộ kỹ thuật về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điền khiển số máy công cụ.

Các bộ phận điển khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tỉnh va thudt ngit CNC (Computer Numerical Controi) được sử dụng tử đầu thập ký 70. May CNC uu vigt hon máy NC thông thường về nhiều mặt như tốc đô xử lý cao, kết câu gọn.nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở linh năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy ƠNC ngày nay có màn hinh, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. Nhờ màn hình người đúng được thông báo thường xuyên về tình trạng của may, cảnh bảo các lỗi, cỏ rõ phỏng để kiểm tra trước quá trinh gia công.

Máy ƠNG có thế làm việc đồng hộ với các thiết bị sân xuất khác ri robot, băng tải, thiết bị đo. rong hệ thông sản xuất.