Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình công nghệ gia công cơ khí trên các máy cắt kim loại, đồ gá là trang thiết bị công nghệ giữ vai trò quyết định đến độ chính xác kích thước, hình dáng hình học, vị trí tương quan của chi tiết gia công cũng như năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc thiết kế và sử dụng đồ gá hợp lý giúp giảm thời gian phụ, giảm nhẹ cường độ lao động của công nhân, đồng thời mở rộng khả năng công nghệ của máy công cụ và hạ giá thành chế tạo. Đối với các chi tiết đối xứng hoặc dạng tròn xoay cần gia công lặp lại nhiều lần với yêu cầu tâm đối xứng không đổi, cơ cấu tự định tâm là giải pháp kỹ thuật kết hợp đồng thời hai chức năng định vị và kẹp chặt, đưa sai số chuẩn về giá trị nhỏ nhất hoặc bằng không.

Để làm rõ cơ sở thực tiễn và xu hướng phát triển kỹ thuật, tác giả đã tiến hành tổng hợp và phân tích 8 công trình nghiên cứu khoa học tiêu biểu trong và ngoài nước liên quan đến các giải pháp tự định tâm:

STT Tên bài báo / Công trình nghiên cứu Tác giả & Đơn vị công bố Nội dung và giải pháp kỹ thuật chính Kết quả công bố
1 Modification in Drilling Mechanism with Self Centering Fixture Arrangement Nhóm tác giả quốc tế Đồ gá tự định tâm dùng thủy lực kết hợp công tắc hành trình để điều chỉnh chiều sâu khoan trên máy khoan cần. Thời gian kẹp tối đa 8 giây, giảm 80% thời gian nhàn rỗi của máy so với gá kẹp thủ công.
2 Pneumatic Quick Self-Centering Clamp Nhóm tác giả quốc tế Thiết kế mâm cặp 4 chấu tự định tâm dẫn động bằng khí nén thông qua xi lanh tác động kép và van điện từ. Rút ngắn thời gian gá đặt, đảm bảo an toàn cho người vận hành khi gia công tốc độ cao trong doanh nghiệp nhỏ.
3 Design and Development of Clamping Fixture for Drilling of Boiler Tube Plate Nhóm tác giả quốc tế Cơ cấu tự định tâm dạng thanh răng - bánh răng kết hợp kẹp thủy lực để khoan tấm ống nồi hơi. Triệt tiêu rung động gia công, giảm thời gian chu kỳ từ 1 giờ xuống còn 15 phút.
4 Case Study On Circularity Deviation Deepa T S, Dr D N Shivappa Phân tích nguyên nhân sai số độ tròn khi gia công cánh tay luynet tự định tâm trên trung tâm phay đứng (VMC) bằng phương pháp ANOVA. Xác định sai số xuất phát từ chuyển động bàn máy dọc trục X; sau hiệu chuẩn máy, sai số nằm trong giới hạn dung sai.
5 Research on Numerical Control Machining Xiao Shan-hua, Yan Rui-Qiang (Yibin Vocational and Technical College) Thiết kế đồ gá và lập trình phay NC gia công ống thành mỏng hợp kim titan trên máy phay tiện HTC2050Z. Đạt độ chính xác kích thước $\Phi 6.096$, độ song song 0,01 mm, độ đồng tâm 0,02 mm và độ nhám bề mặt trong $Ra = 0,2\ \mu\text{m}$.
6 Research on 3D printed fixture components Nhóm tác giả quốc tế Ứng dụng công nghệ in 3D FDM để chế tạo nút tỳ và khối V cho đồ gá chịu tải trọng nhỏ. Độ nhám bề mặt theo hướng đùn sợi nhựa thấp hơn từ 6 đến 12 lần so với hướng ngang; hướng in quyết định độ nhám.
7 Experimental and Analytical Investigation of D-Type Self-Centering Steel Eccentrically Braced Frames with Replaceable Hysteretic Damping Devices Lewei Tong, Yunfeng Zhang và cộng sự (ASCE) Nghiên cứu khung kết cấu thép tự định tâm chịu tải trọng chu kỳ kết hợp cơ cấu giảm chấn tiêu tán năng lượng RHD. Khung có khả năng tự phục hồi vị trí sau biến dạng dẻo đến 2,5% drift; hư hỏng chỉ tập trung ở bộ phận giảm chấn thay thế.
8 Some key Techniques Research Based on Five-axis Matching of The Integral Impeller Chun-guang Gu, Zhu-ming Cao, Hong-mei Sun (Beijing Polytechnic) Nghiên cứu công nghệ đồ gá, dao cụ và tạo quỹ đạo chạy dao gia công 5 trục cho cánh quạt tích hợp động cơ hàng không. Kiểm soát biến dạng cánh quạt do lực cắt động gây ra, đảm bảo độ chính xác biên dạng khí động học phức tạp.

Từ khảo sát thực tế và yêu cầu sản xuất chi tiết cơ khí cụ thể, đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  • Mục tiêu nghiên cứu:

    1. Nghiên cứu các loại cơ cấu đồ gá tự định tâm hiện có trong tài liệu và trên thị trường.
    2. Nghiên cứu kết cấu và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm do doanh nghiệp đặt hàng để thiết kế đồ gá phù hợp.
    3. Đề xuất các phương án công nghệ và lập quy trình gia công các chi tiết thành phần của đồ gá.
    4. Tính toán chế độ cắt, lực cắt, lực kẹp và kiểm nghiệm độ bền cho cơ cấu đồ gá tự định tâm.
    5. Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D, chế tạo chi tiết, lắp ráp và tiến hành thử nghiệm gia công thực tế.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:

    1. Khảo sát nhu cầu sử dụng và kết cấu đồ gá tự định tâm tương đương.
    2. Lên phương án thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor.
    3. Lập quy trình công nghệ và gia công các chi tiết cấu thành.
    4. Lắp ráp hoàn thiện cụm cơ cấu đồ gá tự định tâm.
    5. Vận hành chạy thử nghiệm gia công trên máy công cụ và hiệu chỉnh sai lệch.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu đồ gá tự định tâm chuyên dùng gia công chi tiết "Trục nối trong cánh tay robot".
    • Vật liệu chi tiết gia công: Thép kết cấu C45.
    • Yêu cầu sản lượng sản xuất: 3.000 chi tiết/tháng (tương đương 100 chi tiết/ngày), yêu cầu gá đặt đồng thời ít nhất 2 chi tiết trong một lần kẹp gia công trên máy phay CNC.
    • Phạm vi giới hạn: Đề tài giới hạn ở việc tính toán thông số động học, lực cắt, lực kẹp, thiết kế mô hình 3D trên phần mềm chuyên ngành, gia công chế tạo các bộ phận cơ khí và lắp ráp thử nghiệm chức năng kẹp định tâm chi tiết thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ cấu tự định tâm được định nghĩa là cơ cấu thực hiện đồng thời hai chức năng định vị và kẹp chặt, có tác dụng đưa tâm đối xứng hoặc trục đối xứng của chi tiết gia công trùng với tâm đối xứng của đồ gá. Đặc điểm cấu tạo của cơ cấu là các bề mặt định vị đều là các bề mặt di động, chuyển động tịnh tiến hoặc quay với vận tốc và hành trình bằng nhau về tâm, do đó bề mặt định vị cũng đồng thời là bề mặt truyền lực kẹp. Khi mặt định vị của chi tiết có kích thước danh nghĩa $L \pm \Delta L$, chuyển động đồng tốc của các chấu định vị sẽ chia đều dung sai $\delta_L$ về hai phía, làm triệt tiêu sai số gá đặt chuẩn định vị ($\varepsilon_c = 0$).

Khóa luận tiến hành tổng hợp cơ sở lý thuyết, sơ đồ động học và công thức tính toán lực của 8 loại cơ cấu tự định tâm trong ngành chế tạo máy:

Loại cơ cấu tự định tâm Nguyên lý hoạt động và đặc điểm cấu tạo Thông số hình học và công thức tính toán chính Ưu điểm và phạm vi ứng dụng
Ren ốc trái chiều Sử dụng trục vít có hai đoạn ren ngược chiều nhau (một bên ren trái, một bên ren phải) điều khiển 2 khối V trượt đồng thời. Độ chính xác định tâm phụ thuộc bước ren và khe hở giữa trục vít với đai ốc. Điều chỉnh vị trí tâm bằng chạc điều chỉnh. Kết cấu đơn giản, có thể bố trí khối V theo phương đứng; dùng định vị chi tiết trụ ngoài.
Bằng chêm Lõi chêm có các mặt vát nghiêng góc $\alpha$, khi tịnh tiến trục chêm sẽ đẩy các con trượt bung đều ra ngoài hoặc khép vào. Góc nâng của chêm thường lấy $\alpha = 15^\circ$. Độ chính xác định tâm cao, độ cứng vững tốt; thích hợp định tâm theo mặt trụ trong.
Bằng đòn bẩy Sử dụng hệ thống đòn bẩy liên động truyền chuyển động từ cơ cấu dẫn động đến các mấu kẹp. Độ chính xác phụ thuộc độ chính xác gia công và độ hở lắp ghép của các chốt bản lề. Định vị được cả mặt ngoài và mặt trong chi tiết; hành trình kẹp linh hoạt.
Đường cong xoắn ốc (Ac-si-mét) Dùng đĩa quay có rãnh xoắn Archimedes ăn khớp với răng khía ở lưng các vấu kẹp (như mâm cặp 3 chấu). Phương trình đường xoắn cực: $r = a\theta$ với $a = \frac{t}{2\pi}$. Góc nâng $\tan \alpha = \frac{1}{2\pi \cdot r}$. Mâm cặp TC-25 có $D = 192,5\text{ mm}$, $d = 110\text{ mm}$, bước $t = 10\text{ mm}$, $a = 1,59\text{ mm}$. Bán kính đỉnh răng $R = \frac{D}{2} + (5 \div 10)\text{ mm}$, $R_1 = \frac{d}{2} - (3 \div 8)\text{ mm}$. Tính vạn năng cao, lực kẹp lớn. Nhược điểm: tiếp xúc đường giữa răng vấu và rãnh xoắn gây mòn nhanh.
Bằng khe chêm Tận dụng chính lực cắt trong quá trình gia công để ép các con lăn hoặc vấu kẹp vào khe hở hình chêm. Điều kiện tự hãm: $\alpha \le \varphi_1 + \varphi_2$. Lực kẹp con lăn: $W = N_1 = P \cdot \frac{D_2}{D_1} \cdot \tan\varphi_1$. Đường kính con lăn chọn $d = \frac{D_1}{8}$. Ứng suất dập: $\sigma = 200\text{ kG/mm}^2$ (với thép). Lực cắt càng lớn thì lực kẹp tự động tăng tương ứng; tự hãm chống xoay phôi.
Bằng lò xo đĩa Sử dụng cụm đĩa kim loại đàn hồi hình nón cụt ghép lồng vào nhau; khi chịu lực ép dọc trục, đường kính ngoài dãn ra, đường kính trong co lại. Độ chính xác định tâm đạt $0,01 \div 0,03\text{ mm}$. Góc nghiêng $\beta = 9^\circ \div 12^\circ$. Lực kẹp $Q = 1,33\tan\beta_1 \cdot W$ (với $\beta_1 = \beta - 2^\circ$). Số lượng đĩa: $n = \frac{k \cdot M_c}{M_x}$. Vật liệu: thép 50C2A, C45, Y7A tôi cứng $34 \div 37\text{ HRC}$. Lực kẹp lớn, thao tác nhanh, độ chính xác cao; định vị phôi qua lỗ trụ ngắn.
Ống kẹp co bóp đàn hồi (Collet) Ống xẻ rãnh dọc hình côn; khi bị kéo hoặc đẩy vào ổ côn, các mảnh máng biến dạng đàn hồi để kẹp phôi. Góc côn $\alpha$ giữa trạng thái tự do và kẹp chặt chênh nhau $30'$. Lực kẹp: $W = \frac{Q}{\tan(\alpha + \varphi_1) + \tan\varphi_2} - W_2$ (với $W_2 = \frac{3EJ \cdot f}{L^3}$). Vật liệu: thép 12XH3A, 15XA, 4XC, 9XC, Y6A-Y10A; nhiệt luyện phần làm việc đạt $55 \div 60\text{ HRC}$, phần đuôi $30 \div 35\text{ HRC}$. Kết cấu rất gọn, thao tác nhanh; ứng dụng rộng rãi trên máy tiện, máy phay kẹp phôi thanh hoặc trụ trơn.
Bằng chất dẻo Sử dụng khối chất dẻo thủy lực truyền áp suất đẳng hướng tác dụng lên các vành đàn hồi mỏng để kẹp phôi. Độ chính xác định tâm đạt từ $0,001$ đến $0,03\text{ mm}$. Triệt tiêu hoàn toàn khe hở lắp ghép, áp lực kẹp phân bố đều trên toàn bộ bề mặt định vị.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí: Tính toán lượng dư gia công cơ khí, xác định chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, tốc độ cắt $v$), tính toán lực cắt tiếp tuyến $P_z$, mô men xoắn trục chính $M_x$, công suất cắt $N_c$ và lực kẹp yêu cầu $W$.
    • Phương pháp mô hình hóa 3D: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để dựng hình các chi tiết máy, lắp ráp cụm cơ cấu đồ gá và kiểm tra tương quan hình học.
    • Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Gia công các chi tiết cơ khí trên máy công cụ, lắp ráp hoàn chỉnh cụm đồ gá tự định tâm, gá đặt phôi thực tế và chạy kiểm chứng trên máy phay CNC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu đồ gá trong sản xuất cơ khí chính xác, nhằm giảm nhẹ cường độ lao động, rút ngắn thời gian phụ và tăng năng suất. Tác giả tổng hợp, dịch thuật và phân tích 8 công trình khoa học quốc tế liên quan đến cơ cấu tự định tâm (kẹp thủy lực máy khoan, mâm cặp khí nén, cơ cấu thanh răng - bánh răng khoan tấm lò hơi, phân tích ANOVA sai số độ tròn trên máy VMC, phay chi tiết ống mỏng titan trên máy HTC2050Z, in 3D FDM chi tiết đồ gá, khung thép tự định tâm kháng chấn SCEBF và công nghệ gia công cánh quạt 5 trục). Từ đó, chương xác lập mục tiêu, nội dung thực hiện, giới hạn đề tài và phương pháp nghiên cứu.

Chương 2: Giới thiệu về cơ cấu tự định tâm

Chương 2 tập trung phân tích bản chất cơ học của quá trình tự định tâm. Nội dung đi sâu phân loại 8 nhóm cơ cấu tự định tâm phổ biến: cơ cấu trục vít hai đầu ren ngược chiều, cơ cấu chêm trượt vát góc $15^\circ$, cơ cấu hệ đòn bẩy tiếp xúc trong/ngoài, đĩa rãnh xoắn Archimedes (mâm cặp máy tiện tiêu chuẩn TC-25 với phương trình cực $r = a\theta$), cơ cấu tự xiết bằng con lăn trong khe chêm kèm điều kiện tự hãm $\alpha \le \varphi_1 + \varphi_2$, cơ cấu lò xo đĩa thép 50C2A/Y7A đạt độ chính xác $0,01 \div 0,03\text{ mm}$, ống kẹp đàn hồi (collet) xẻ 3 hoặc 4 rãnh bằng thép hợp kim tôi cứng $55 \div 60\text{ HRC}$, và cơ cấu thủy lực màng chất dẻo. Các công thức xác định lực kẹp, mô men ma sát và góc nâng hình học được lập luận chi tiết.

Chương 3: Đề xuất phương án, lựa chọn nguyên công cho chi tiết cụ thể

Chương 3 áp dụng tính toán cho sản phẩm thực tế là "Trục nối trong cánh tay robot" làm bằng vật liệu thép C45, phục vụ đơn hàng sản xuất 3.000 chi tiết/tháng (100 chi tiết/ngày). Yêu cầu kỹ thuật đặt ra: độ song song giữa mặt 6 và 8, mặt 5 và 7 không vượt quá $0,03\text{ mm}$; độ côn và ô-van trong khoảng $0,25 \div 0,5$ dung sai đường kính; độ nhám các bề mặt phay 5, 6, 7, 8 đạt $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$ để lắp bánh xe đa hướng; lỗ mặt 3 đạt $\Phi 8.09\text{ mm}$ (cấp chính xác 7, $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$); các bề mặt trụ 1, 2, 4 đạt độ bóng cấp 5 ($Rz = 20 \div 10\ \mu\text{m}$, cấp chính xác 8). Chương phân tích tiến trình công nghệ và phân chia các bước tiện, khoan, phay cho từng bề mặt chi tiết.

Chương 4: Tính toán xác định lượng dư trong nguyên công 4 của phương án đã chọn

Chương 4 thực hiện các bước tính toán lượng dư gia công cơ học cho nguyên công phay then/mặt phẳng trên chi tiết trục nối cánh tay robot. Tác giả xác định các yếu tố tạo thành lượng dư danh nghĩa, lượng dư giới hạn lớn nhất và nhỏ nhất cho các bước gia công thô và gia công tinh, làm cơ sở xác định kích thước trung gian của phôi qua từng bước công nghệ.

Chương 5: Tính toán chế độ cắt

Nội dung chương 5 đi vào tính toán thông số công nghệ gia công chi tiết thép C45 trên máy phay đứng CNC Taikan T-1375L. Quy trình chọn dao sử dụng dao phay ngón chuôi trụ thực hiện 3 bước làm việc. Các đại lượng động học và lực học được tính toán tuần tự bao gồm: chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao răng $S_z$, lượng chạy dao phút $S_m$, vận tốc cắt $v$, số vòng quay trục chính $n$, lực cắt tiếp tuyến chính $P_z$ (N), mô men xoắn trên trục chính máy phay và công suất cắt $N_c$ (kW) nhằm đảm bảo chế độ gia công nằm trong giới hạn công suất cho phép của máy Taikan T-1375L.

Chương 6: Tính toán và thiết kế đồ gá

Chương 6 giải quyết nhiệm vụ thiết kế cơ cấu đồ gá tự định tâm chuyên dùng. Dựa trên lực cắt $P_z$ và mô men xoắn đã tính ở chương 5, tác giả tính toán lực kẹp cần thiết $W$ có kể đến hệ số an toàn $K$, thiết kế kết cấu tự định tâm gá đặt đồng thời 2 chi tiết phôi trong cùng một chu kỳ gá. Toàn bộ bản vẽ kết cấu từng bộ phận (thân đồ gá, chấu kẹp định tâm, trục dẫn động, gối đỡ) và bản vẽ lắp ráp cụm đồ gá được thực hiện hoàn chỉnh trên phần mềm Autodesk Inventor.

Chương 7: Gia công các chi tiết và lắp ráp mô hình hoàn chỉnh

Chương này ghi nhận quá trình gia công chế tạo thực tế các chi tiết cấu thành đồ gá tại xưởng cơ khí, bao gồm các nguyên công tiện, phay, khoan lỗ và nhiệt luyện bề mặt làm việc. Sau khi hoàn tất gia công các chi tiết đơn lẻ, nhóm tiến hành lắp ráp cụm đồ gá hoàn chỉnh, kiểm tra độ đồng tâm, độ trơn tru khi truyền động vặn kẹp và đánh giá độ chính xác hình học của mô hình thành phẩm.

Chương 9: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu, mức độ hoàn thành các mục tiêu thiết kế - chế tạo đồ gá tự định tâm phục vụ gia công trục nối cánh tay robot, phân tích những điểm đạt được về khả năng kẹp 2 phôi cùng lúc, đồng thời nêu rõ các hạn chế kỹ thuật và đề xuất giải pháp cải tiến tự động hóa trong tương lai.


Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế và chế tạo hệ thống đồ gá tự định tâm chuyên dụng theo chu trình kỹ thuật hoàn chỉnh:

  • Đối tượng gá đặt và thông số công nghệ:

    • Chi tiết gia công: Trục nối trong cánh tay robot.
    • Vật liệu phôi: Thép C45.
    • Yêu cầu kỹ thuật gia công: Đảm bảo độ song song giữa mặt 5-7 và mặt 6-8 $\le 0,03\text{ mm}$; độ nhám bề mặt phay đạt $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$; kích thước lỗ định vị $\Phi 8.09\text{ mm}$ (cấp chính xác 7).
  • Trang thiết bị máy và dao cụ gia công:

    • Máy gia công: Máy phay đứng CNC Taikan T-1375L.
    • Dao cụ: Dao phay ngón chuôi trụ (End mill), dùng chung cho 3 bước gia công phay mặt đầu và phay rãnh.
    • Công cụ hỗ trợ thiết kế: Phần mềm CAD 3D Autodesk Inventor (thiết kế mô hình chi tiết, mô phỏng động học kẹp và xuất bản vẽ kỹ thuật).
  • Quy trình công nghệ và phân bố bề mặt gia công chi tiết trục nối:

Bề mặt chi tiết Thông số độ nhám yêu cầu Cấp chính xác / Dung sai Phương pháp gia công công nghệ
Mặt 1, Mặt 2, Mặt 4 $Rz = 20 \div 10\ \mu\text{m}$ (độ bóng cấp 5) Cấp chính xác 8 Tiện thô và tiện tinh
Mặt 3 (Lỗ trục) $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$ (độ bóng cấp 6) Kích thước $\Phi 8.09\text{ mm}$, cấp chính xác 7 Khoan và phay biên dạng
Mặt 5, 6, 7, 8 (Mặt phẳng đối xứng) $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$ (độ bóng cấp 6) Cấp chính xác 7, độ song song $\le 0,03\text{ mm}$ Phay mặt phẳng trên máy phay đứng CNC
  • Quy trình tính toán động lực học và chế độ cắt:

    1. Xác định lượng dư công nghệ cho từng bước chuyển tiếp trong nguyên công 4.
    2. Xác định các thông số cắt ($t, s, v$) tương thích với vật liệu thép C45 và dao phay ngón.
    3. Tính toán lực cắt tiếp tuyến $P_z$ (N), mô men cắt trục chính $M_c$ và kiểm tra công suất cắt $N_c$ (kW) trên máy phay đứng CNC Taikan T-1375L.
    4. Tính lực kẹp yêu cầu $W$ tác dụng lên phôi dựa trên điều kiện chống dịch chuyển và chống xoay phôi dưới tác dụng của lực cắt $P_z$ nhân hệ số an toàn $K$.
  • Chế tạo và lắp ráp thực nghiệm:

    • Gia công các chi tiết cơ khí của đồ gá (thân gá, vấu kẹp tự định tâm, trục vít điều khiển, bạc dẫn hướng).
    • Lắp ráp hoàn chỉnh bộ đồ gá có khả năng gá đồng thời 2 chi tiết (2 pcs/lần) đáp ứng sản lượng 3.000 chi tiết/tháng (100 chi tiết/ngày).
    • Chạy thử nghiệm gá đặt và gia công kiểm chứng trên máy phay CNC.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:

    • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, phân loại cấu tạo, phạm vi ứng dụng và công thức tính toán lực cho 8 cơ cấu tự định tâm điển hình trong chế tạo máy (ren ốc trái chiều, chêm vát $15^\circ$, đòn bẩy, đĩa xoắn Ac-si-mét mâm cặp TC-25, con lăn khe chêm, lò xo đĩa thép 50C2A/Y7A độ chính xác $0,01 \div 0,03\text{ mm}$, ống kẹp đàn hồi $55 \div 60\text{ HRC}$, và chất dẻo thủy lực).
    • Xây dựng hoàn chỉnh tiến trình công nghệ gia công chi tiết "Trục nối trong cánh tay robot" bằng thép C45, phân định rõ các bề mặt tiện ($Rz = 20 \div 10\ \mu\text{m}$), lỗ định vị $\Phi 8.09\text{ mm}$ ($Ra = 1,6\ \mu\text{m}$), và các mặt phẳng đối xứng yêu cầu độ song song $\le 0,03\text{ mm}$ ($Ra = 1,6\ \mu\text{m}$).
    • Hoàn thành việc tính toán thông số chế độ cắt, lực cắt $P_z$, mô men xoắn và công suất cắt $N_c$ trên máy phay đứng CNC Taikan T-1375L sử dụng dao phay ngón chuôi trụ.
    • Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor và chế tạo, lắp ráp thành công sản phẩm đồ gá tự định tâm thực tế có khả năng kẹp đồng thời 2 chi tiết/lần gia công.
  • Đóng góp thực tiễn của đề tài:

    • Giải quyết bài toán công nghệ cụ thể cho doanh nghiệp với chỉ tiêu sản lượng 3.000 sản phẩm/tháng (100 sản phẩm/ngày), giúp rút ngắn thời gian gá đặt, triệt tiêu sai số chuẩn định vị tâm và tăng năng suất gia công.
    • Cung cấp bộ dữ liệu tính toán lượng dư, lực cắt, công suất máy và hồ sơ bản vẽ kết cấu đồ gá tự định tâm phục vụ chế tạo thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:

    • Cơ cấu đồ gá chế tạo trong đồ án chủ yếu vận hành bằng cơ cấu trục vít/vấu kẹp cơ khí truyền thống, việc thao tác siết mở kẹp vẫn phụ thuộc vào lực tay của người công nhân, chưa tích hợp hệ thống dẫn động tự động hóa hoàn toàn.
    • Nghiên cứu và thử nghiệm mới chỉ áp dụng cho một đối tượng sản phẩm duy nhất là trục nối cánh tay robot với vật liệu thép C45, chưa kiểm nghiệm đánh giá độ mài mòn và độ ổn định kích thước của chấu kẹp trong điều kiện làm việc liên tục thời gian dài.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

    • Nghiên cứu cải tiến cơ cấu kẹp sang dẫn động tự động bằng khí nén (xi lanh tác động kép kết hợp van điện từ) hoặc thủy lực nhằm rút ngắn thời gian kẹp xuống dưới 8 giây như mô hình các bài báo khoa học đã khảo sát.
    • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D FDM để chế tạo nhanh các má kẹp chuyên dùng thay thế linh hoạt cho nhiều hình dạng phôi khác nhau.
    • Trang bị cảm biến hành trình, cảm biến áp lực kẹp để kiểm soát tự động lực kẹp và cảnh báo an toàn trong quá trình gia công tốc độ cao trên máy CNC.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cụ thể cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy và Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí: Dùng làm tài liệu tham khảo cho học phần Đồ án Công nghệ Chế tạo máy, Đồ án Thiết kế Đồ gá, Đồ án Tốt nghiệp kỹ sư. Các nội dung có giá trị sử dụng cao gồm:
    • Phương pháp tính toán lượng dư gia công cơ học (Chương 4).
    • Phương pháp tra cứu và tính toán chế độ cắt, lực cắt $P_z$, mô men xoắn và công suất cắt trên máy phay đứng CNC Taikan T-1375L (Chương 5).
    • Phương pháp tính toán lực kẹp và thiết kế kết cấu đồ gá tự định tâm trên phần mềm Autodesk Inventor (Chương 6).
  • Kỹ sư thiết kế đồ gá (Jig & Fixture Designer) và kỹ thuật viên công nghệ xưởng: Có thể tham khảo bảng tổng hợp công thức tính toán lực kẹp của 8 cơ cấu tự định tâm (ren trái chiều, đòn bẩy, khe chêm, đĩa xoắn Ac-si-mét, collet đàn hồi, lò xo đĩa, chất dẻo) tại Chương 2 để ứng dụng nhanh vào bài toán định vị và kẹp chặt phôi đối xứng trên máy công cụ thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng chi tiết gia công được áp dụng để thiết kế đồ gá trong đề tài là gì và sản lượng yêu cầu là bao nhiêu?
Chi tiết gia công là "Trục nối trong cánh tay robot", chế tạo từ vật liệu thép kết cấu C45. Yêu cầu sản xuất từ phía doanh nghiệp là 3.000 chi tiết/tháng (tương đương 100 chi tiết/ngày), với yêu cầu đồ gá phải kẹp được ít nhất 2 chi tiết trong một lần gá gia công trên máy phay CNC.

2. Chi tiết trục nối robot có các yêu cầu kỹ thuật then chốt nào cần đảm bảo khi gia công phay?
Khi gia công phay các mặt 5, 6, 7, 8, yêu cầu kỹ thuật bắt buộc gồm: độ song song giữa mặt 6 với mặt 8, giữa mặt 5 với mặt 7 không được vượt quá $0,03\text{ mm}$; độ côn, độ ô-van nằm trong giới hạn $0,25 \div 0,5$ dung sai đường kính trục; độ nhám bề mặt sau khi phay phải đạt $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$ để thuận tiện lắp ráp với bánh xe đa hướng.

3. Đồ án lựa chọn dòng máy CNC và dao cụ nào để tính toán chế độ cắt ở Chương 5?
Nhóm tác giả lựa chọn trung tâm gia công phay đứng CNC Taikan T-1375L và sử dụng 1 dao phay ngón chuôi trụ (End mill) để thực hiện 3 bước làm việc gia công cắt gọt chi tiết thép C45.

4. Những cơ cấu tự định tâm nào được phân tích lý thuyết và công thức tính toán trong khóa luận?
Đề tài hệ thống hóa 8 loại cơ cấu tự định tâm gồm: (1) Cơ cấu ren ốc trái chiều nhau, (2) Cơ cấu chêm trượt vát góc $15^\circ$, (3) Cơ cấu đòn bẩy, (4) Cơ cấu rãnh xoắn ốc Archimedes (mâm cặp TC-25), (5) Cơ cấu tự xiết trong khe chêm bằng con lăn, (6) Cơ cấu lò xo đĩa thép đàn hồi 50C2A/Y7A, (7) Ống kẹp co bóp đàn hồi (collet) xẻ rãnh, và (8) Cơ cấu tự định tâm dùng màng chất dẻo thủy lực.

5. Đồ án sử dụng công cụ phần mềm nào để hỗ trợ quá trình thiết kế cơ khí 3D?
Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để dựng hình 3D các chi tiết thành phần, mô phỏng cơ cấu tự định tâm và thiết kế bản vẽ lắp ráp cụm đồ gá hoàn chỉnh.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình đồ gá tự định tâm phục vụ gia công phay chi tiết trục nối trong cánh tay robot bằng thép C45. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tổng quan lý thuyết 8 cơ cấu tự định tâm, tính toán lượng dư, xác định chế độ cắt trên máy phay đứng CNC Taikan T-1375L và thiết kế 3D trên phần mềm Autodesk Inventor. Mô hình đồ gá thành phẩm đáp ứng khả năng kẹp đồng thời 2 chi tiết/lần, đảm bảo dung sai độ song song $\le 0,03\text{ mm}$ và độ nhám $Ra = 1,6\ \mu\text{m}$, đáp ứng tốt mục tiêu sản lượng 3.000 sản phẩm/tháng của doanh nghiệp.