Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp gia công chính xác ngày càng phát triển, máy CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các loại máy CNC hiện đại như máy CNC 4 trục, 5 trục và trung tâm gia công CNC đã giúp giảm tỷ lệ phế phẩm và tăng mức độ tự động hóa trong sản xuất. Tuy nhiên, chi phí vận hành các máy CNC hiện đại rất cao, tạo ra nhu cầu cấp thiết về các giải pháp máy CNC mini với chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cần thiết.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini 5 trục, với mục tiêu giảm thiểu chi phí chế tạo trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác và khả năng gia công các vật liệu mềm như nhựa tổng hợp, mica. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế, chế tạo và lập trình điều khiển mô hình máy CNC mini 5 trục với diện tích làm việc X 200mm, Y 200mm, Z 150mm, dung sai dưới 0,2 mm, tốc độ quay trục chính tối đa 3000 vòng/phút và tốc độ cắt tối đa 1000 mm/phút trong thời gian 3 tháng.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy sáng tạo và ứng dụng kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử và tin học trong đào tạo kỹ sư công nghệ chế tạo máy. Sản phẩm hoàn chỉnh không chỉ phục vụ giảng dạy mà còn có thể ứng dụng trong gia công các chi tiết có độ cứng thấp, góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong các trung tâm nghiên cứu và giáo dục về máy CNC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết điều khiển số CNC: Máy CNC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển số bằng máy tính, sử dụng các chương trình mã hóa để điều khiển chuyển động và hoạt động của các cơ cấu máy. Hệ thống điều khiển bao gồm đầu đọc, bộ giải mã, bộ xử lý tín hiệu và các thiết bị đầu vào/ra nhằm đảm bảo độ chính xác và tự động hóa cao.

  • Mô hình hệ tọa độ máy công cụ CNC: Hệ tọa độ gồm các trục X, Y, Z cho chuyển động tịnh tiến và các trục A, B, C cho chuyển động quay, được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Các điểm chuẩn như điểm M (điểm gốc máy), điểm W (điểm gốc chi tiết), điểm P (điểm chuẩn dao) và các điểm điều chỉnh dao được sử dụng để lập trình và điều khiển chính xác quá trình gia công.

  • Lý thuyết truyền động cơ khí: Bao gồm các cơ cấu truyền động vít me - đai ốc bi, thanh trượt vuông, và động cơ bước hoặc servo. Vít me đai ốc bi được lựa chọn do hiệu suất truyền động cao (90-95%), ma sát thấp và độ chính xác lớn. Thanh trượt vuông được ưu tiên vì độ cứng cao, chịu tải tốt và tuổi thọ lâu dài.

  • Mô hình hệ thống thay dao tự động (ATC): Hệ thống thay dao tự động giúp nâng cao hiệu quả gia công, giảm thời gian thay dao và tăng độ chính xác. Các loại mâm dao phổ biến gồm mâm dao dạng xích, nấm và phẳng, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về độ bền, tốc độ thay dao và khả năng chứa dao.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thu thập từ tài liệu chuyên ngành, catalog kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị như THK, Sumtor, ZhengYu, cùng các phần mềm thiết kế và lập trình như Autodesk Inventor 2020 và Mastercam 2020.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích kỹ thuật thiết kế cơ khí, tính toán kiểm nghiệm các bộ phận truyền động (thanh trượt, vít me, khung máy) bằng phần mềm MDSolids, mô phỏng lắp ráp và vận hành trên phần mềm Autodesk Inventor. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế mô hình máy CNC mini 5 trục phục vụ mục đích giáo dục và gia công vật liệu mềm.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và chế tạo diễn ra trong 3 tháng, bao gồm các bước: lên ý tưởng, thiết kế 3D, gia công chi tiết, lắp ráp, lập trình điều khiển bằng phần mềm Mach3, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh sai số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mô hình máy CNC mini 5 trục với diện tích làm việc X 200mm, Y 200mm, Z 150mm, dung sai gia công dưới 0,2 mm, tốc độ quay trục chính tối đa 3000 vòng/phút và tốc độ cắt tối đa 1000 mm/phút. Mô hình đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

  2. Lựa chọn vít me đai ốc bi cho hệ truyền động giúp đạt hiệu suất truyền động trên 90%, giảm ma sát và tăng độ chính xác. So với vít me đai ốc thường, vít me bi giảm thời gian khởi động trục vít me đáng kể, phù hợp với yêu cầu gia công chính xác.

  3. Ứng dụng thanh trượt vuông Hiwin làm cơ cấu dẫn hướng, đảm bảo độ cứng vững cao, chịu tải tốt và tuổi thọ lâu dài, phù hợp với các trục X, Y, Z của máy. Thanh trượt vuông có ưu điểm chống rung và dễ bảo trì so với các loại thanh trượt tròn hoặc mang cá.

  4. Lựa chọn động cơ trục chính Spindle ZhengYu 800W ER11 với công suất 800W, tốc độ quay tối đa 24.000 vòng/phút, độ sai lệch trục chính trong khoảng 1 μm, làm mát bằng nước, giúp gia công các vật liệu mềm hiệu quả. Động cơ bước được sử dụng cho các trục X, Y, Z với ưu điểm chi phí thấp và độ chính xác tương đối.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC mini 5 trục cho thấy sự phù hợp giữa các lựa chọn kỹ thuật và mục tiêu nghiên cứu. Việc sử dụng vít me đai ốc bi và thanh trượt vuông giúp tăng độ chính xác và độ bền của máy, đồng thời giảm chi phí bảo trì. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mô hình này có tính ứng dụng cao trong đào tạo và gia công các chi tiết có độ cứng thấp.

Biểu đồ so sánh hiệu suất truyền động giữa vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi minh họa rõ sự vượt trội của vít me bi về ma sát và thời gian khởi động. Bảng số liệu kỹ thuật động cơ spindle và động cơ bước cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn phù hợp với yêu cầu gia công.

Ngoài ra, việc tích hợp phần mềm điều khiển Mach3 giúp đơn giản hóa quá trình vận hành và lập trình, phù hợp với mục đích giáo dục và nghiên cứu. Tuy nhiên, do mô hình chỉ gia công vật liệu mềm, các cơ cấu truyền động như hộp số harmonic hay hộp số hành tinh không được sử dụng nhằm tiết kiệm chi phí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng mô hình máy CNC mini 5 trục trong đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết về công nghệ CNC cho sinh viên. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

  2. Nâng cấp hệ thống truyền động và động cơ để mở rộng khả năng gia công vật liệu cứng hơn như kim loại nhẹ, bằng cách bổ sung hộp số harmonic hoặc động cơ servo công suất cao. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp nâng cao hỗ trợ lập trình gia công phức tạp và tự động hóa cao hơn, giảm thiểu sai số và tăng năng suất. Thời gian thực hiện: 9-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các công ty phần mềm và viện nghiên cứu.

  4. Xây dựng hệ thống thay dao tự động hoàn chỉnh để tăng hiệu quả gia công và giảm thời gian chết máy, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nhỏ và vừa. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị CNC.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy: Nghiên cứu cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và vận hành máy CNC mini 5 trục, hỗ trợ giảng dạy và học tập.

  2. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy CNC: Tham khảo các giải pháp truyền động, lựa chọn động cơ và thiết kế cơ khí phù hợp với mô hình máy CNC mini, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và gia công cơ khí chính xác: Áp dụng mô hình máy CNC mini 5 trục để gia công các chi tiết nhỏ, phức tạp với chi phí đầu tư thấp, phù hợp với các đơn hàng nhỏ và trung bình.

  4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ CNC: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các sản phẩm máy CNC mini đa năng, phục vụ đào tạo và sản xuất thử nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy CNC mini 5 trục có thể gia công những loại vật liệu nào?
    Mô hình máy CNC mini 5 trục trong nghiên cứu chủ yếu gia công các vật liệu mềm như nhựa tổng hợp, mica với dung sai dưới 0,2 mm. Việc gia công vật liệu cứng hơn cần nâng cấp động cơ và hệ truyền động.

  2. Tại sao chọn vít me đai ốc bi thay vì vít me đai ốc thường?
    Vít me đai ốc bi có hiệu suất truyền động cao (90-95%), ma sát thấp, giảm hao mòn và tăng độ chính xác so với vít me đai ốc thường. Điều này giúp máy hoạt động ổn định và bền bỉ hơn.

  3. Phần mềm Mach3 có vai trò gì trong vận hành máy?
    Mach3 là phần mềm điều khiển máy CNC, giúp lập trình, điều khiển chuyển động các trục và thay đổi thông số gia công dễ dàng, phù hợp với mục đích đào tạo và nghiên cứu.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi lắp ráp máy?
    Quá trình lắp ráp được thực hiện với việc canh chỉnh độ song song và vuông góc giữa các trục, sử dụng các thiết bị đo chính xác và hiệu chỉnh sai số qua phần mềm điều khiển.

  5. Mô hình máy CNC mini 5 trục có thể ứng dụng trong sản xuất công nghiệp không?
    Mô hình phù hợp cho gia công các chi tiết nhỏ, vật liệu mềm và phục vụ đào tạo. Để ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, cần nâng cấp hệ truyền động, động cơ và hệ thống điều khiển để đáp ứng yêu cầu khắt khe hơn.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy phay CNC mini 5 trục với các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu gia công vật liệu mềm.
  • Lựa chọn vít me đai ốc bi và thanh trượt vuông giúp tăng hiệu suất truyền động và độ bền máy.
  • Động cơ spindle ZhengYu 800W ER11 và động cơ bước được sử dụng phù hợp với mục đích đào tạo và gia công.
  • Phần mềm điều khiển Mach3 hỗ trợ vận hành và lập trình hiệu quả, đơn giản.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp và ứng dụng mô hình trong đào tạo, nghiên cứu và sản xuất nhỏ, mở ra hướng phát triển tiếp theo cho công nghệ máy CNC mini.

Luận văn khuyến khích các đơn vị đào tạo và doanh nghiệp nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình, nâng cao tính năng và mở rộng ứng dụng trong thực tế sản xuất.