Tổng quan nghiên cứu

Bộ truyền trục vít là một trong những bộ truyền được sử dụng phổ biến trong ngành cơ khí và các lĩnh vực công nghiệp khác nhờ ưu điểm kích thước nhỏ gọn, khả năng tải lớn, hiệu suất cao và độ tin cậy trong vận hành. Theo ước tính, tỷ số truyền của bộ truyền trục vít một cấp thường nằm trong khoảng từ 8 đến 80, với hiệu suất truyền động đạt khoảng 70-80%. Tuy nhiên, các bộ truyền trục vít truyền thống vẫn tồn tại nhược điểm như hiệu suất thấp do vận tốc trượt lớn, sinh nhiệt nhiều và chi phí vật liệu cao do bánh vít thường làm bằng kim loại màu để giảm ma sát.

Trong những năm gần đây, bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu mới (Roller CAM) đã được phát triển với nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu nhỏ gọn, khả năng mang tải cao, khe hở truyền động nhỏ, vận hành êm, ít rung động và độ chính xác truyền động cao. Tuy nhiên, do đây là công nghệ mới, các tài liệu và lý thuyết về thiết kế, tính toán chưa được công bố rộng rãi, chủ yếu chỉ xuất hiện dưới dạng các nghiên cứu chuyên ngành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu Roller CAM, bao gồm tổng hợp phương pháp tính toán thiết kế truyền thống, nghiên cứu cơ sở lý thuyết của bộ truyền kiểu mới, đề xuất phương pháp tính toán thiết kế trên phần mềm Creo 3.0 và quy trình gia công trên máy CNC. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bộ truyền trục vít bánh vít truyền thống và bộ truyền kiểu Roller CAM, với ứng dụng cụ thể cho hệ thống máy đóng gói.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần hoàn thiện hệ thống công thức, bảng biểu tính toán thiết kế, đồng thời đề xuất quy trình công nghệ gia công hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và sản xuất bộ truyền trục vít kiểu mới trong ngành cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết bộ truyền trục vít - bánh vít truyền thống: Bao gồm các thông số hình học cơ bản như đường kính mặt trụ chia, góc vít, số mối ren, tỷ số truyền, vận tốc vòng, vận tốc trượt và lực tác dụng trong bộ truyền. Các công thức tính toán chi tiết được sử dụng để xác định các thông số thiết kế, kiểm tra ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn của răng bánh vít, đảm bảo độ bền và hiệu suất làm việc.

  2. Lý thuyết cơ sở CAM và bộ truyền Roller CAM: Nghiên cứu cấu trúc hệ thống CAM, các loại đường cong cơ sở (đường cong hình sin biến đổi, hình thang biến đổi, vận tốc biến đổi liên tục), phương pháp xây dựng bề mặt CAM Globoidal và các thông số thiết kế cơ bản của bộ truyền Roller CAM. Lý thuyết này giúp mô hình hóa chính xác bề mặt trục vít và bánh vít kiểu mới, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả truyền động.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tỷ số truyền (u), vận tốc trượt (vs), góc vít (γ), hệ số tải trọng động (KHv), hệ số hao mòn vật liệu (Cv), góc áp lực CAM, và các thông số hình học của bề mặt CAM Globoidal.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, các bài báo khoa học, sách kỹ thuật và các nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến bộ truyền trục vít và CAM. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Tổng hợp và phân tích lý thuyết: Hệ thống hóa các công thức tính toán thiết kế bộ truyền trục vít truyền thống và bộ truyền kiểu Roller CAM, đồng thời nghiên cứu cơ sở lý thuyết về CAM và các đường cong chuyển động.

  • Mô hình hóa và thiết kế trên phần mềm Creo Parametric 3.0: Xây dựng mô hình tham số của bề mặt CAM và bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu mới, sử dụng các lệnh thiết kế nâng cao như Equation, Boundary Blend và Solidify để tạo hình chính xác.

  • Phân tích công nghệ gia công trên máy CNC: Lập trình gia công, thiết kế nguyên công, chọn dao cụ và thiết lập thông số gia công phù hợp với bộ truyền kiểu mới.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến 2015, với các bước chính gồm tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, lập trình gia công và thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bộ truyền trục vít truyền thống và bộ truyền kiểu Roller CAM được thiết kế và gia công thử nghiệm, nhằm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của quy trình đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phương pháp tính toán thiết kế bộ truyền trục vít truyền thống được hệ thống hóa đầy đủ với các bước xác định tỷ số truyền, vận tốc trượt, chọn vật liệu, tính toán ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn, kiểm tra độ bền và xác định kích thước chính. Ví dụ, vận tốc trượt được tính theo công thức ( v_s \approx 4.5 \sqrt{\frac{T_2}{n_1}} ) (m/s), giúp lựa chọn cấp chính xác và vật liệu phù hợp.

  2. Bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu Roller CAM có nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu nhỏ gọn, khe hở truyền động nhỏ, vận hành êm, ít rung động và độ chính xác cao. Các thông số thiết kế cơ bản như số điểm dừng, góc chia độ và chu kỳ thời gian được xác định chính xác, hỗ trợ thiết kế tối ưu.

  3. Phương pháp mô hình hóa bề mặt CAM trên phần mềm Creo 3.0 được hoàn thiện, sử dụng các lệnh thiết kế nâng cao để xây dựng các đường cong CAM phức tạp, từ đó tạo ra mô hình 3D chính xác của bộ truyền. Việc mô hình hóa tham số giúp dễ dàng điều chỉnh và tối ưu thiết kế.

  4. Quy trình công nghệ gia công bộ truyền kiểu mới trên máy CNC được đề xuất chi tiết, bao gồm phân tích chức năng chi tiết, lập thứ tự nguyên công, chọn chuẩn và dao cụ, thiết lập thông số gia công và lập trình mã lệnh G-Code. Ví dụ, dao phay rãnh số 1 và dao phay cầu số 2 được sử dụng với các thông số cắt phù hợp để đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết truyền động trục vít truyền thống và công nghệ CAM hiện đại, giúp khắc phục các hạn chế về hiệu suất và độ chính xác của bộ truyền truyền thống. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào thiết kế hoặc gia công riêng lẻ, luận văn đã tích hợp toàn diện từ tính toán thiết kế đến công nghệ chế tạo.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu quốc tế về CAM Globoidal, đồng thời mở rộng ứng dụng thực tế trong các máy đóng gói và cơ cấu phân độ gián đoạn. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vận tốc trượt, biểu đồ S, A, V, J của các đường cong CAM và bảng so sánh cấp chính xác, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp thiết kế và gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình thiết kế bộ truyền Roller CAM trong các hệ thống truyền động công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất và độ chính xác truyền động, đặc biệt trong các máy CNC và băng tải gián đoạn. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6-12 tháng, do các phòng thiết kế và kỹ thuật cơ khí thực hiện.

  2. Đầu tư trang bị máy CNC hiện đại và đào tạo kỹ thuật viên về công nghệ gia công CAM để đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Khuyến nghị thực hiện trong 12 tháng với sự phối hợp của bộ phận sản xuất và đào tạo.

  3. Phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán và mô hình hóa bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu mới tích hợp trên nền tảng Creo hoặc các phần mềm CAD/CAM khác, giúp tự động hóa quy trình thiết kế và giảm thời gian thiết kế. Thời gian phát triển khoảng 18 tháng, do nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ truyền Roller CAM cho các loại máy công nghiệp khác như máy nâng, máy cắt kim loại, nhằm tận dụng ưu điểm về khả năng tự hãm và độ bền cao. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm dự kiến 12-24 tháng, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và truyền động: Luận văn cung cấp hệ thống công thức, phương pháp tính toán và mô hình hóa chi tiết, giúp kỹ sư nâng cao hiệu quả thiết kế bộ truyền trục vít kiểu mới.

  2. Chuyên gia công nghệ chế tạo và gia công CNC: Quy trình công nghệ gia công chi tiết, lựa chọn dao cụ và lập trình CNC trong luận văn là tài liệu tham khảo quý giá để tối ưu hóa sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Nội dung luận văn giúp hiểu sâu về lý thuyết truyền động trục vít, CAM và ứng dụng phần mềm thiết kế hiện đại, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  4. Doanh nghiệp sản xuất máy móc công nghiệp: Áp dụng quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo bộ truyền Roller CAM giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu Roller CAM có ưu điểm gì so với bộ truyền truyền thống?
    Bộ truyền Roller CAM có kết cấu nhỏ gọn, khe hở truyền động nhỏ, vận hành êm, ít rung động và độ chính xác cao hơn, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc.

  2. Phần mềm Creo 3.0 được sử dụng như thế nào trong thiết kế bộ truyền?
    Creo 3.0 hỗ trợ mô hình hóa tham số bề mặt CAM phức tạp bằng các lệnh Equation, Boundary Blend và Solidify, giúp tạo mô hình 3D chính xác và dễ dàng điều chỉnh thiết kế.

  3. Làm thế nào để chọn vật liệu phù hợp cho bánh vít và trục vít?
    Vật liệu được chọn dựa trên vận tốc trượt và cấp chính xác, ví dụ khi vận tốc trượt từ 5 đến 25 m/s dùng đồng thanh thiếc, dưới 5 m/s dùng đồng thanh không thiếc hoặc gang, đảm bảo độ bền và giảm ma sát.

  4. Quy trình gia công bộ truyền trên máy CNC gồm những bước nào?
    Quy trình gồm phân tích chức năng chi tiết, lập thứ tự nguyên công, chọn chuẩn và dao cụ, thiết lập thông số gia công, lập trình mã lệnh G-Code và kiểm tra sản phẩm sau gia công.

  5. Bộ truyền Roller CAM có thể ứng dụng trong những loại máy nào?
    Bộ truyền này phù hợp với các máy CNC, máy đóng gói, băng tải gián đoạn và các cơ cấu phân độ gián đoạn, nơi yêu cầu độ chính xác cao và vận hành êm ái.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu Roller CAM, tích hợp lý thuyết truyền động truyền thống và công nghệ CAM hiện đại.
  • Phương pháp mô hình hóa trên phần mềm Creo 3.0 giúp tạo mô hình tham số chính xác, hỗ trợ tối ưu thiết kế và gia công.
  • Quy trình gia công trên máy CNC được đề xuất chi tiết, đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản xuất bộ truyền kiểu mới.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng bộ truyền Roller CAM trong các hệ thống máy công nghiệp hiện đại.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo trong các doanh nghiệp sản xuất cơ khí để nâng cao năng lực cạnh tranh.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế quy trình gia công và vận hành bộ truyền trên các hệ thống máy móc công nghiệp, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế tự động để rút ngắn thời gian thiết kế và nâng cao độ chính xác. Đề nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn.