Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Thép tấm là loại vật liệu giữ vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp chế tạo và dân dụng. Trong xây dựng, thép tấm cắt nhỏ liên kết bằng mối hàn, bu-lông hoặc đinh tán được dùng để tạo thành các dầm cầu và kết cấu chịu lực cỡ lớn. Trong ngành chế biến, vật liệu này được gia công làm bồn bể, thùng chứa. Trong công nghiệp điện, các lá thép mỏng được ghép thành stato của bơm nước, quạt điện hoặc chấn lưu đèn ống, máy biến thế. Ngoài ra, thép tấm còn là thành phần chính cấu tạo nên thân vỏ tàu thuyền, khung gầm và sàn xe ô tô, cũng như vỏ thân máy bay trong ngành hàng không. Kích thước thép tấm trên thị trường rất đa dạng: thép cán nóng có độ dày từ 3 mm đến 40 mm với chiều ngang 750 mm đến 2000 mm; thép cán nguội có độ dày từ 1 mm đến 1,2 mm với chiều ngang 914 mm đến 1250 mm.

Để đưa phôi thép thô vào dây chuyền sản xuất chi tiết, công đoạn cắt xén tạo phôi ban đầu là yêu cầu bắt buộc. Các cơ sở gia công vừa và nhỏ hoặc hộ gia đình hiện nay chủ yếu dùng máy cắt cầm tay mini chạy điện hoặc máy cắt gập tôn bằng tay. Các thiết bị thủ công này bộc lộ nhiều nhược điểm:

  • Mức độ bảo đảm an toàn lao động thấp, tiềm ẩn rủi ro tai nạn cho người thao tác.
  • Độ chính xác của đường cắt phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề người thợ.
  • Không thể duy trì chế độ làm việc liên tục ở quy mô sản xuất lớn.

Ngược lại, các dòng máy cắt thép tấm tự động dùng hệ thống thủy lực tại các nhà máy công nghiệp lớn cho năng suất cao, tiết kiệm tới 40% thời gian sản xuất và bảo đảm an toàn, nhưng lại có chi phí đầu tư rất lớn, kích thước cồng kềnh, không phù hợp cho các xưởng nhỏ hoặc phòng thực hành trường đại học. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm tự động" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cân bằng giữa chi phí chế tạo và các tính năng tự động hóa cơ bản.

Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu nguyên lý biến dạng dẻo và cơ chế phá hủy kim loại khi chịu áp lực cắt của lưỡi dao.
  2. Lựa chọn phương án kết cấu cơ khí tối ưu cho máy cắt công suất nhỏ (cơ cấu cắt, cơ cấu kẹp phôi và cơ cấu cấp phôi).
  3. Tính toán thông số động học, động lực học thủy lực và chọn nguồn động lực phù hợp.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC, tích hợp động cơ bước cấp phôi và màn hình giao tiếp HMI.
  5. Chế tạo mô hình thực tế, vận hành thực nghiệm kiểm chứng khả năng cắt thép tấm ở hai chế độ Manual và Auto.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy cắt thép tấm tự động bằng hệ thống thủy lực, điều khiển thông qua bộ lập trình PLC.
  • Phạm vi nghiên cứu: Cắt thép tấm có chiều dày 2 mm (giới hạn thực tế của mô hình chế tạo), có tích hợp cơ cấu cấp phôi tự động định cữ bằng động cơ bước; thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian 10 tuần (từ học kỳ I năm học 2022 đến tháng 2 năm 2023).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình cơ học biến dạng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết biến dạng dẻo của kim loại dưới tác dụng của tải trọng ngoại lực, bao gồm ba giai đoạn kế tiếp nhau:

  1. Giai đoạn biến dạng đàn hồi ($P < P_p$): Biến dạng tăng tuyến tính theo tải trọng và mạng tinh thể kim loại có khả năng phục hồi nguyên trạng sau khi dỡ tải.
  2. Giai đoạn biến dạng dẻo ($P_p \to P_{max}$): Hiện tượng trượt giữa các mặt tinh thể xảy ra chủ yếu, sinh ra ứng suất dư và làm biến đổi vĩnh viễn hình dạng của phôi mà không tự phục hồi.
  3. Giai đoạn phá hủy ($P \to P_{max}$ và đứt rời): Vết nứt vi mô xuất hiện tại mép làm việc của lưỡi dao, phát triển nhanh theo chiều sâu phôi và làm đứt rời vật liệu.

Dưới góc độ công nghệ gia công, quá trình biến dạng dẻo nguội làm thay đổi tính chất của thép: mật độ khuyết tật và độ xô lệch mạng tinh thể tăng, dẫn đến hiện tượng hóa già biến dạng (làm giảm độ dẻo, tăng độ bền và độ cứng của kim loại tại mặt trượt). Bề mặt mép cắt sau khi tách rời phân thành ba vùng rõ rệt:

  • Vùng I: Vùng uốn do biến dạng dẻo bao trùm lớp ngoài cùng.
  • Vùng II: Vùng nhẵn bóng do lưỡi dao ma sát và san phẳng lớp kim loại trượt.
  • Vùng III: Vùng nứt vỡ gồ ghề do vết nứt tự do phát triển với góc nghiêng $\theta$ so với phương vuông góc.

Chất lượng mép cắt phụ thuộc chặt chẽ vào khe hở $Z$ giữa hai lưỡi dao. Khe hở tối ưu $Z_{tu}$ được xác định theo biểu thức: $$Z_{tu} = (S - h) \cdot \tan\theta$$

Trong đó:

  • $S$ là chiều dày thép tấm (mm).
  • $h$ là chiều sâu ép vào của lưỡi dao trước khi xuất hiện vết nứt phá hủy, xác định theo công thức kinh nghiệm: $\frac{h}{S} = 0{,}76 - 0{,}035n$ ($n$ là số hành trình cắt trong một phút).
  • Đối với thép mỏng có chiều dày $S \le 4\text{ mm}$, giá trị khe hở tối ưu thực nghiệm được xác định trong khoảng $Z_{tu} = 0{,}03 \div 0{,}06\text{ mm}$.

Khi sử dụng lưỡi dao nghiêng một góc $\varphi$, lực cắt cực đại $P_{max}$ giảm đáng kể so với dao thẳng song song do lưỡi cắt chỉ tiếp xúc với phôi tại từng điểm, tính toán theo công thức: $$P_{max} = \frac{k_1 \cdot k_2 \cdot k_3 \cdot \sigma_b \cdot h^2}{2 \cdot \tan\varphi} \cdot (3 - 2\varepsilon_2)$$

Trong đó:

  • $\varphi$ là góc nghiêng giữa lưỡi dao trên và lưỡi dao dưới ($\varphi = 2^\circ \div 5^\circ$).
  • $\sigma_b$ là giới hạn bền của vật liệu phôi ($N/\text{mm}^2$).
  • $\varepsilon_2$ là độ sâu đứt tương đối ($\varepsilon_2 = Z_2 / h$).
  • $k_1$ là hệ số phụ thuộc độ cứng vật liệu ($k_1 = 0{,}7 \div 0{,}75$).
  • $k_2$ là hệ số mòn dao ($k_2 = 1{,}2 \div 1{,}3$).
  • $k_3$ là hệ số tăng khe hở giữa hai lưỡi dao.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả kết hợp chặt chẽ giữa tính toán thiết kế kỹ thuật và chế tạo thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - so sánh: So sánh các công nghệ cắt thép tấm (Oxi-gas, Laser, Plasma và cắt áp lực bằng lưỡi dao) và các cơ cấu truyền động (cơ cấu hình sin, tay quay con trượt, cơ cấu thủy lực; cơ cấu kẹp bằng trọng lực, lò xo nén, thủy lực) để chọn giải pháp khả thi nhất cho thiết bị dạy học.
  • Phương pháp thiết kế tính toán kỹ thuật: Xác định kích thước hình học kết cấu khung, tính toán tải trọng uốn, tính toán áp suất và lưu lượng thủy lực, tính thông số nguồn dẫn động và chọn linh kiện điều khiển điện.
  • Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống, đấu nối tủ điện điều khiển, lập trình PLC xuất xung và tiến hành cắt thử nghiệm thực tế trên thép tấm 2 mm với các kích thước phôi khác nhau.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế cơ khí và kết cấu máy

Hệ thống cơ khí được tổ hợp từ các cụm kết cấu chịu lực:

  • Khung máy: Kích thước tổng thể $700\text{ mm} \times 700\text{ mm} \times 1200\text{ mm}$, hàn từ thép hộp vuông $40\text{ mm} \times 40\text{ mm}$ (độ dày $1 \div 3\text{ mm}$) nhằm đảm bảo khả năng chịu tải trọng động, dễ tạo hình và chống xoắn vặn.
  • Dầm đỡ xi lanh: Sử dụng thép kết cấu hình chữ U kích thước $12\text{ mm} \times 120\text{ mm}$, chiều dài $700\text{ mm}$, được gia công khoan 8 lỗ bulông để gá cố định hai xi lanh thủy lực.
  • Tấm tăng cứng thành bên: Hai thanh thép tấm kích thước $5\text{ mm} \times 100\text{ mm} \times 400\text{ mm}$ được hàn gia cường hai bên khung máy, giảm thiểu hiện tượng biến dạng đàn hồi và cong vênh của khung khi lực cắt xuất hiện.
  • Cơ cấu trượt và gá dao: Hệ thống dẫn hướng sử dụng rãnh trượt chữ U định hướng chuyển động thẳng đứng của khung gá dao trên. Lưỡi dao dưới đặt nằm ngang cố định; lưỡi dao trên được gắn xiên với góc nghiêng $\varphi = 2^\circ \div 5^\circ$ để giảm tối đa lực ép yêu cầu.
  • Cơ cấu kẹp phôi: Kết hợp khối lượng kim loại trượt tự do trong rãnh và hệ thống lò xo chịu nén gắn trên khung gá dao trên. Khi gá dao trên hạ xuống, khối kẹp ép chặt phôi tấm xuống mặt bàn trước khi lưỡi cắt chạm vào vật liệu, hạn chế chuyển động xoay của phôi do mômen uốn sinh ra trong quá trình cắt.
  • Cụm cấp phôi tự động: Gồm hệ bàn đỡ, rãnh trượt dẫn hướng và thanh đẩy phôi tịnh tiến truyền động từ động cơ bước qua cơ cấu trục ren vít.
Bộ phận kết cấu Quy cách / Kích thước Vật liệu / Chi tiết Vai trò kỹ thuật
Khung máy chính $700 \times 700 \times 1200\text{ mm}$ Thép hộp vuông $40 \times 40\text{ mm}$ Chịu toàn bộ tải trọng tĩnh và động của hệ thống
Dầm treo xi lanh $12 \times 120 \times 700\text{ mm}$ Thép hình U (khoan 8 lỗ) Gá đặt và phân bổ phản lực của 2 xi lanh cắt
Tấm gia cường bên $5 \times 100 \times 400\text{ mm}$ Thép tấm cán nóng Giữ độ cứng vững thành bên, chống uốn khung
Cụm dao cắt Góc nghiêng $\varphi = 2^\circ \div 5^\circ$ Thép hợp kim làm dao Tạo chuyển động cắt điểm, giảm lực cắt
Cơ cấu kẹp Kết cấu hỗn hợp Lò xo nén + khối tự trọng Cố định phôi, triệt tiêu mômen xoay mép cắt
Cơ cấu đẩy phôi Thanh trượt tịnh tiến Động cơ bước + trục vít Định cữ chính xác chiều dài phôi cần cắt

Hệ thống truyền động thủy lực

Bộ phận truyền động lực cắt sử dụng hệ thống thủy lực dầu ép, bao gồm:

  • Bơm dầu: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài, đảm bảo cung cấp lưu lượng và áp suất dầu ổn định.
  • Van phân phối: Van đảo chiều $4/3$ điều khiển trực tiếp bằng hai cuộn nam châm điện để đổi hướng dòng dầu nâng và hạ piston xi lanh.
  • Các van phụ trợ: Van tràn (van an toàn) giới hạn áp suất cực đại của hệ thống; van tiết lưu hai chiều điều chỉnh tốc độ dòng dầu để kiểm soát vận tốc ăn dao; van một chiều duy trì áp suất và chống tụt áp; hệ thống ống dẫn áp lực cao và bể chứa dầu thủy lực.
  • Cơ cấu chấp hành: Hai xi lanh thủy lực lắp song song trên dầm chữ U, truyền lực đẩy tịnh tiến xuống gá dao trên.

Hệ thống điều khiển điện và tự động hóa

Hệ thống điện được bố trí bên trong tủ điện bảo vệ, liên kết với các thiết bị ngoại vi và bảng điều khiển:

  • Bộ điều khiển trung tâm (PLC): PLC Mitsubishi FX3U-14M, chịu trách nhiệm xử lý thuật toán logic, nhận tín hiệu hành trình, phát xung điều khiển động cơ bước và xuất lệnh đóng ngắt van thủy lực.
  • Động cơ đẩy phôi và bộ điều khiển: Động cơ bước OUKEDA Motor OK57STH56-3004AD8 kết hợp với Driver TB6600 (Driver Motor A Pasos 4A CNC NEMA). Driver được cài đặt cấu hình dòng điện và vi bước để tối ưu độ phân giải dịch chuyển của thanh đẩy phôi.
  • Khí cụ điện đóng cắt: Rơ-le công suất trung gian LY2N 24VDC điều khiển các cuộn hút van điện từ thủy lực; Khởi động từ Contactor HDC3 3P 32A đóng ngắt nguồn động lực cho mô tơ bơm dầu; Aptomat VANLOCK PS45N C32 bảo vệ quá tải và ngắn mạch.
  • Giao diện người - máy (HMI): Màn hình OP320-A kết nối với PLC FX3U qua cáp truyền thông CAB104. Giao diện được thiết kế bằng phần mềm OP20 Edit Tool, cho phép người dùng giám sát trạng thái, cài đặt chiều dài phôi cắt, thiết lập số lượng sản phẩm cần cắt và chuyển đổi chế độ làm việc (Auto / Manual).
[Bảng điều khiển HMI OP320-A / Nút bấm / Cóc đạp]
             [Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-14M]
     (Xung & Chiều DIR)             (Tín hiệu điều khiển Re-lay)
     [Driver TB6600]                   [Relay LY2N 24VDC]
[Động cơ bước OK57STH56]          [Van đảo chiều 4/3 Thủy lực]
       (Bàn đẩy phôi)               (2 Xi lanh tạo lực cắt dao)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu sử dụng thép tấm trong các ngành kinh tế kỹ thuật (xây dựng, chế tạo máy, công nghiệp ô tô, đóng tàu, điện công nghiệp). Tác giả tổng thuật và so sánh các phương tiện cắt hiện có từ thủ công (máy cầm tay mini, máy cắt tôn gập tay) đến tự động công nghiệp (máy cắt thủy lực lớn). Từ các bất cập về an toàn, độ chính xác của phương pháp thủ công và rào cản chi phí của máy công nghiệp, chương này xác lập sự cần thiết của đề tài, định vị mục tiêu thiết kế máy cắt thép tấm tự động cỡ nhỏ phục vụ đào tạo thực hành với đối tượng gia công là thép tấm 2 mm.

Chương 2: Thiết kế cơ khí

Chương 2 tập trung xây dựng cơ sở lý thuyết biến dạng cắt kim loại, phân tích các hiện tượng mặt trượt, biến dạng dẻo và hóa già biến dạng làm thay đổi cơ tính thép. Tác giả phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cắt phôi (Oxi-gas, Laser, Plasma, dao cắt) và quyết định lựa chọn giải pháp cắt bằng lưỡi dao nghiêng nhằm giảm tải áp lực cắt. Chương này cũng phân tích lựa chọn cơ cấu truyền lực cắt (chọn hệ thống thủy lực thay cho cơ cấu hình sin và tay quay con trượt), cơ cấu kẹp phôi (chọn kết hợp trọng lực khối trượt và lò xo nén). Phần tính toán động học và động lực học cung cấp đầy đủ thông số kết cấu khung máy thép hộp vuông 40 mm, dầm U 12x120 mm, tấm tăng cứng $5 \times 100 \times 400\text{ mm}$, tính toán lưu lượng bơm dầu bánh răng, đường kính ống dẫn dầu, thông số van đảo chiều 4/3, van tràn, van tiết lưu và kích thước bể dầu.

Chương 3: Thiết kế điện

Chương 3 trình bày việc tính toán, lựa chọn linh kiện và thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Các thiết bị được lựa chọn bao gồm: PLC Mitsubishi FX3U-14M, động cơ bước OUKEDA OK57STH56-3004AD8, Driver TB6600, relay công suất LY2N 24VDC, contactor HDC3 3P 32A, aptomat VANLOCK PS45N C32 và màn hình hiển thị HMI OP320-A. Nội dung chương cung cấp sơ đồ chân vào/ra (Input/Output) của PLC, sơ đồ đấu dây mạch động lực, sơ đồ mạch điều khiển và cách bố trí thiết bị trong tủ điện. Tác giả xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống, thuật toán phát xung điều khiển vị trí/tốc độ động cơ bước và các bước thiết kế màn hình giao diện người dùng bằng phần mềm OP20 Edit Tool.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm

Chương 4 ghi lại quá trình kiểm nghiệm tĩnh và kiểm nghiệm động của máy sau khi hoàn thiện chế tạo:

  • Kiểm tra tĩnh: Đánh giá độ vững chắc của khung bệ, độ kín khít của đường ống thủy lực và độ an toàn của tủ điện.
  • Kiểm tra động: Vận hành động cơ bước đẩy phôi và kiểm tra chu trình chuyển động tịnh tiến của piston xi lanh.
  • Thực nghiệm chế độ Manual: Người thao tác đẩy phôi bằng tay, điều khiển cắt phôi thép tấm; mép cắt đứt rời, tuy nhiên bề mặt vết cắt vẫn còn ba via nhỏ.
  • Thực nghiệm chế độ Auto: Cài đặt thông số trên HMI để cắt các mẫu phôi có chiều dài 2 cm (20 mm) và 4 cm (40 mm). Động cơ bước thực hiện đẩy phôi tự động, hệ thống kẹp và cắt tự động đếm số lượng thành phẩm.
  • Nhận diện các sai sót kỹ thuật thực tế: Phát hiện hiện tượng phôi cắt không đều kích thước, hiện tượng mép phôi chưa đứt hoàn toàn ở các góc và sự chịu lực chưa ổn định của cụm vòng bi đũa đỡ.

Chương 5: Kết luận

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đặt ra: máy hoạt động ổn định ở cả hai chế độ cắt, hệ thống thủy lực tạo đủ lực cắt thép 2 mm, cơ cấu điện và PLC hoạt động đúng giải thuật. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế về cơ khí và đề xuất phương hướng khắc phục, cải tiến để hoàn thiện thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

Đề tài đã chế tạo thành công mô hình máy cắt thép tấm tự động với các số liệu thực tế được ghi nhận:

  • Kích thước khung máy hoàn chỉnh: $700\text{ mm} \times 700\text{ mm} \times 1200\text{ mm}$, kết cấu vững chắc bằng thép hộp $40 \times 40\text{ mm}$.
  • Năng lực cắt: Cắt đứt hoàn toàn thép tấm có chiều dày $S = 2\text{ mm}$.
  • Khả năng vận hành: Thiết bị vận hành ổn định trên cả hai chế độ:
    • Chế độ Manual: Vận hành cơ cấu cắt độc lập thông qua công tắc/nút bấm, phục vụ các nhu cầu cắt đơn lẻ hoặc căn chỉnh máy.
    • Chế độ Auto: Hệ thống tự động cấp phôi thông qua động cơ bước OUKEDA OK57STH56 và driver TB6600, thực hiện kẹp phôi và kích hoạt xi lanh cắt với kích thước cài đặt thực nghiệm đạt 2 cm và 4 cm; hiển thị số lượng và trạng thái trực tiếp trên màn hình OP320-A.
Tiêu chí kỹ thuật Phương án lựa chọn trong đề tài Lý do lựa chọn và hiệu quả thực tế
Phương pháp cắt Lưỡi dao nghiêng ($\varphi = 2^\circ \div 5^\circ$) Giảm đáng kể lực cắt $P_{max}$, giảm rung động, phù hợp công suất nhỏ
Cơ cấu tạo lực cắt Hệ thống xi lanh thủy lực (2 xi lanh) Áp lực nén lớn, chuyển động êm, dễ đổi chiều hành trình bằng van $4/3$
Cơ cấu kẹp phôi Trọng lực khối kim loại kết hợp lò xo nén Kết cấu gọn, chi phí thấp, tự động kẹp đồng bộ cùng hành trình hạ dao
Cơ cấu đẩy phôi Động cơ bước + Driver TB6600 Định cữ chính xác chiều dài cắt theo số xung phát ra từ PLC
Bộ điều khiển chính PLC Mitsubishi FX3U-14M Độ bền công nghiệp cao, xử lý xung tốc độ cao ổn định
Giao diện vận hành Màn hình HMI OP320-A Cho phép nhập chiều dài, tốc độ và đếm sản phẩm trực quan

Đóng góp của đề tài

Theo tự đánh giá của nhóm tác giả, đề tài mang lại những đóng góp cụ thể:

  1. Chế tạo thành công một thiết bị máy cắt thép tấm tự động có chi phí chế tạo thấp, phù hợp với điều kiện đầu tư của các xưởng gia công cơ khí nhỏ và phòng thực hành tại các cơ sở đào tạo.
  2. Tích hợp liên ngành hoàn chỉnh giữa kết cấu cơ khí chính xác, bộ truyền động thủy lực công suất lớn và hệ thống điều khiển điện tử - tự động hóa (PLC và HMI).
  3. Đảm bảo an toàn lao động cho người sử dụng so với các phương pháp cắt thủ công hoặc máy cắt cầm tay do chu trình cắt được khép kín và tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của thiết bị

Từ quá trình chạy thử nghiệm thực tế tại Chương 4, tác giả đã chỉ ra các hạn chế kỹ thuật:

  • Hiện tượng phôi cắt không đều: Khi cắt tự động liên tục, kích thước phôi nhận được vẫn có sai số nhỏ so với thông số cài đặt trên HMI do độ rơ cơ khí của cụm vít me thanh đẩy và hiện tượng phôi bị trượt nhẹ trên mặt bàn đỡ.
  • Lỗi không đứt hoàn toàn mép phôi: Một số mẫu cắt xuất hiện tình trạng kim loại bị xé hoặc dính lại ở góc cuối mép cắt. Nguyên nhân do khe hở $Z$ giữa hai lưỡi dao chưa đạt giá trị tối ưu tuyệt đối trên toàn bộ chiều dài lưỡi hoặc do gá dao bị xoay/nghiêng nhẹ khi chịu lực cắt lớn.
  • Tải trọng lên cụm vòng bi đũa đỡ: Cơ cấu gá trượt chịu tải lớn làm vòng bi đũa đỡ nhanh bị mòn hoặc kẹt nếu không được bôi trơn và căn chỉnh thường xuyên.
  • Phạm vi chiều dày phôi: Máy mới chỉ kiểm nghiệm và cắt ổn định thép tấm dày 2 mm; chưa mở rộng thử nghiệm trên các dải độ dày lớn hơn (3 mm như mục tiêu ban đầu dự kiến).

Hướng nghiên cứu tiếp

Để hoàn thiện mô hình, tác giả đề xuất các giải pháp nâng cấp:

  • Cải tiến và gia cố độ cứng vững của cụm rãnh trượt dẫn hướng và khung gá dao trên nhằm triệt tiêu độ rơ ngang, ngăn ngừa biến dạng đàn hồi khi cắt.
  • Thiết kế cơ cấu căn chỉnh khe hở giữa hai lưỡi dao $Z_{tu}$ có độ chính xác cao hơn, giúp điều chỉnh khe hở linh hoạt từ $0{,}03\text{ mm}$ đến $0{,}06\text{ mm}$ tương ứng với từng loại vật liệu để xử lý triệt để lỗi không đứt phôi.
  • Nâng cấp cơ cấu kẹp và bàn cấp phôi tự động, bổ sung con lăn dẫn hướng hoặc cữ chặn bên hông để định vị phôi thẳng hàng, loại bỏ sai lệch kích thước cắt.
  • Nghiên cứu tăng công suất trạm bơm thủy lực và độ bền lưỡi cắt để gia công được các tấm thép có độ dày từ 3 mm trở lên.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí Chế tạo máy và Tự động hóa công nghiệp:

  • Tài liệu tham khảo đồ án chuyên ngành: Cung cấp quy trình hoàn chỉnh từ lý thuyết tính toán lực cắt bằng dao nghiêng, cơ sở biến dạng dẻo kim loại đến các bước tính chọn trạm nguồn thủy lực (bơm bánh răng, van điều khiển, ống dẫn và xi lanh).
  • Mô hình ứng dụng thực hành: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về việc tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U-14M để phát xung điều khiển Driver động cơ bước vi bước (TB6600), kết nối và thiết kế giao diện HMI đen trắng OP320-A qua phần mềm OP20 Edit Tool.
  • Kinh nghiệm thi công và gá đặt cơ khí: Cách thức gia công và xử lý kết cấu tăng cứng khung máy (dầm chữ U, tấm tăng cứng chống uốn) và cơ chế kẹp phôi tự trọng kết hợp lò xo nén là các giải pháp thực tế có thể ứng dụng trực tiếp cho các đồ án thiết kế máy ép, máy dập hoặc máy cắt kim loại cỡ nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp cắt bằng lưỡi dao nghiêng thay vì dao thẳng song song hoặc cắt Plasma, Laser? Phương pháp cắt bằng dao nghiêng ($\varphi = 2^\circ \div 5^\circ$) làm cho lưỡi dao chỉ tiếp xúc với phôi tại từng điểm, giúp giảm đáng kể lực cắt cực đại $P_{max}$ so với dao thẳng song song (cắt đồng thời toàn bộ chiều rộng phôi). Điều này giúp kết cấu khung máy không cần quá cồng kềnh, giảm rung động và giảm công suất trạm thủy lực. So với phương pháp Plasma hay Laser, dao nghiêng có chi phí chế tạo rẻ hơn rất nhiều, kết cấu cơ khí đơn giản, không tiêu hao khí phụ trợ hay thấu kính, phù hợp với năng lực chế tạo tại xưởng thực hành.

2. Hệ thống cấp phôi tự động của máy hoạt động dựa trên nguyên lý nào và dùng linh kiện gì? Cơ cấu cấp phôi sử dụng động cơ bước OUKEDA Motor OK57STH56-3004AD8 điều khiển qua Driver TB6600. Động cơ bước chuyển đổi các xung điện nhận từ ngõ ra tốc độ cao của PLC Mitsubishi FX3U-14M thành chuyển động quay chính xác của trục vít me, từ đó đẩy thanh chặn tịnh tiến một khoảng cách đúng bằng chiều dài phôi đã cài đặt trên màn hình HMI OP320-A.

3. Cơ cấu kẹp phôi của máy được cấu tạo như thế nào để vừa tiết kiệm chi phí vừa đảm bảo phôi không bị xô lệch? Nhóm tác giả không dùng thêm xi lanh kẹp thủy lực riêng biệt để tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa mạch dầu, mà kết hợp trọng lực của một khối kim loại trượt tự do trong rãnh gắn trên khung dao với các lò xo chịu nén. Khi khung dao trên đi xuống, khối kim loại và lò xo tiếp xúc và ép chặt phôi thép xuống mặt bàn trước khi lưỡi cắt chạm vào thép, ngăn chặn phôi bị quay hoặc xoắn do mômen uốn sinh ra.

4. Hai lỗi kỹ thuật điển hình gặp phải trong quá trình thử nghiệm cắt tự động là gì và do nguyên nhân nào? Hai lỗi được ghi nhận trong văn bản là:

  • Phôi cắt không đều: Do độ rơ cơ khí của trục truyền động cấp phôi và phôi bị xê dịch nhẹ khi trượt trên bàn đỡ.
  • Mép phôi cắt không đứt hoàn toàn: Do khe hở $Z$ giữa hai lưỡi cắt chưa đồng đều trên toàn bộ hành trình hoặc gá dao bị biến dạng đàn hồi nhẹ dưới phản lực cắt lớn làm mép phôi cuối bị nhai/dính.

5. Các thiết bị điện chính bên trong tủ điều khiển của máy gồm những linh kiện nào? Tủ điện bao gồm: bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U-14M, Driver động cơ bước TB6600, relay công suất trung gian Omron LY2N 24VDC, khởi động từ Contactor Chint HDC3 3P 32A, aptomat ngắt mạch VANLOCK PS45N C32 và cáp truyền thông CAB104 kết nối với màn hình HMI OP320-A.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm tự động" của sinh viên Ngô Nguyễn Trọng Nghĩa và Phạm Thành Long đã giải quyết thành công bài toán tích hợp cơ - điện - thủy lực để chế tạo thiết bị cắt thép tấm 2 mm quy mô nhỏ. Hệ thống vận hành đúng nguyên lý thiết kế với hai chế độ Auto và Manual, cho phép cài đặt kích thước phôi và đếm sản lượng tự động qua màn hình HMI kết hợp PLC Mitsubishi FX3U. Mặc dù còn một số hạn chế về độ rơ cơ khí và hiện tượng dính mép phôi khi cắt, công trình đã cung cấp đầy đủ số liệu tính toán, sơ đồ mạch và giải pháp chế tạo thực tiễn, đóng vai trò là học liệu và mô hình thử nghiệm có giá trị cho đào tạo kỹ thuật cơ điện tử.