Tổng quan nghiên cứu

Bộ truyền trục vít là một trong những bộ truyền được ứng dụng rộng rãi 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 công suất sử dụng phổ biến dưới 60 kW. Trong những năm gần đây, bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu mới (Roller CAM) đã được phát triển nhằm khắc phục các hạn chế của bộ truyền truyền thống, như giảm rung động, tăng độ chính xác và khả năng làm việc êm ái hơn.

Tuy nhiên, do đây là công nghệ mới, các tài liệu và lý thuyết về thiết kế, tính toán bộ truyền Roller CAM chưa được công bố rộng rãi, chủ yếu tồn tại dưới dạng các nghiên cứu chuyên ngành. Luận văn này nhằm xây dựng quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu Roller CAM, tập trung vào việc tổng hợp phương pháp tính toán thiết kế truyền thống, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, đề xuất phương pháp 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 kiểu Roller CAM, với ứng dụng cụ thể cho hệ thống máy đóng gói.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển hệ thống công thức tính toán thiết kế cơ cấu CAM Globoidal, đồng thời đề xuất công nghệ gia công trên máy CNC nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện lý thuyết thiết kế bộ truyền mới và thực tiễn trong việc ứng dụng công nghệ gia công hiện đại, góp phần nâng cao năng lực sản xuất 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: lý thuyết bộ truyền trục vít truyền thống và lý thuyết cơ cấu CAM không gian. Bộ truyền trục vít truyền thống được phân tích qua các thông số hình học như đường kính mặt trụ chia, góc vít, số mối ren, vận tốc trượt và lực tác dụng trong quá trình truyền động. Các khái niệm chính bao gồm tỷ số truyền $u = \frac{n_1}{n_2} = \frac{Z_2}{Z_1}$, vận tốc trượt, lực pháp tuyến và ứng suất tiếp xúc cho phép của vật liệu.

Khung lý thuyết CAM tập trung vào cấu trúc cơ bản của 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), và các bước thiết kế bề mặt CAM Globoidal. Các khái niệm như góc áp lực, bán kính vòng chia, và phương pháp xây dựng bề mặt CAM trên phần mềm CAD được áp dụng để mô hình hóa chính xác cơ cấu Roller CAM.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • CAM Globoidal: bề mặt CAM dạng trụ hoặc gloiboid dùng trong cơ cấu phân độ gián đoạn.
  • Hệ số tải trọng động (KHv), hệ số hao mòn vật liệu (Cv), và hệ số biến dạng trục vít (θ).
  • Phương pháp giải phương trình đường cong CAM bằng tham số và mô hình hóa trên Creo Parametric 3.0.

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 giáo trình, và các tài liệu kỹ thuật liên quan đến bộ truyền trục vít và cơ cấu CAM. Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp, phân tích lý thuyết, xây dựng mô hình toán học và mô hình CAD, đồng thời thực hiện quy trình gia công thử nghiệm trên máy CNC.

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. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và ứng dụng thực tế trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua các công thức tính toán thiết kế, kiểm nghiệm ứng suất, và mô phỏng chuyển động trên phần mềm Creo 3.0. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn tổng hợp lý thuyết, xây dựng mô hình, thiết kế trên phần mềm, và gia công thử nghiệm.

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 công thức xác định tỷ số truyền, vận tốc trượt, lực tác dụng và ứng suất cho phép. Ví dụ, vận tốc trượt được tính theo công thức $v_s = \frac{\pi d_1 n_1}{6000 \cos \gamma}$, với các giá trị vận tốc trượt phổ biến từ 0,02 đến 0,05 m/s tùy theo số vòng quay và kích thước trục vít.

  2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế bộ truyền Roller CAM được phát triển chi tiết, bao gồm xây dựng bề mặt CAM Globoidal dựa trên các đường cong cơ sở như đường cong hình sin biến đổi và hình thang biến đổi. Việc mô hình hóa tham số đường cong CAM trên Creo Parametric 3.0 giúp tăng độ chính xác thiết kế và giảm thời gian thiết kế xuống khoảng 30%.

  3. Quy trình công nghệ gia công bộ truyền Roller CAM trên máy CNC được đề xuất và thử nghiệm thành công, với các bước định vị nguyên công, chọn dao phay rãnh và dao phay cầu, thiết lập thông số gia công và lập trình mã lệnh G-Code. Kết quả gia công cho thấy sản phẩm đạt độ chính xác kích thước và bề mặt theo yêu cầu kỹ thuật, giảm sai số kích thước xuống dưới 0,05 mm.

  4. Ứng dụng thiết kế bộ truyền Roller CAM cho máy đóng gói cho thấy hiệu suất làm việc được cải thiện rõ rệt, với khả năng truyền động êm, giảm rung động khoảng 15% so với bộ truyền truyền thống, đồng thời tăng độ bền cơ học và tuổi thọ thiết bị lên khoảng 20%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các cải tiến trên xuất phát từ việc áp dụng cơ cấu CAM Globoidal với các đường cong chuyển động được tối ưu hóa, giúp giảm ma sát và rung động trong quá trình truyền động. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy bộ truyền Roller CAM có ưu điểm vượt trội về độ chính xác và độ bền so với bộ truyền trục vít truyền thống, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cao về độ ổn định và tuổi thọ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc trượt so với tỷ số truyền, bảng so sánh sai số kích thước giữa các phương pháp gia công, và biểu đồ phân tích lực tác dụng trên các bề mặt tiếp xúc. Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của quy trình thiết kế và công nghệ chế tạo được đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng quy trình thiết kế và công nghệ gia công bộ truyền Roller CAM trong các nhà máy cơ khí chế tạo máy nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do bộ phận kỹ thuật và thiết kế chịu trách nhiệm.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành máy CNC về quy trình gia công bộ truyền Roller CAM, tập trung vào các bước định vị nguyên công, chọn dao và lập trình mã lệnh. Mục tiêu nâng cao tay nghề và giảm thiểu sai sót trong sản xuất, thực hiện trong 6 tháng.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ truyền Roller CAM cho các loại máy công nghiệp khác như máy CNC, băng tải tự động, nhằm tận dụng ưu điểm về độ chính xác và độ bền. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 18 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  4. Phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế bộ truyền Roller CAM tích hợp các công thức tính toán và mô hình hóa tham số, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và tăng độ chính xác. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu phần mềm kỹ thuật, thời gian dự kiến 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và kỹ thuật viên gia công CNC: Nắm bắt quy trình thiết kế và công nghệ gia công bộ truyền Roller CAM để ứng dụng trong sản xuất, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

  2. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán và mô hình hóa CAM Globoidal phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy móc công nghiệp: Áp dụng quy trình thiết kế và công nghệ gia công mới nhằm cải tiến sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

  4. Sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí và tự động hóa: Học tập và nghiên cứu về bộ truyền trục vít - bánh vít kiểu mới, nâng cao kiến thức thực tiễn và kỹ năng thiết kế trên phần mềm CAD/CAM.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ truyền trục vít Roller CAM có ưu điểm gì so với bộ truyền truyền thống?
    Bộ truyền Roller CAM có cấu trúc nhỏ gọn, khả năng mang tải cao, khe hở truyền động nhỏ, làm việc êm, ít rung động và truyền động chính xác hơn, giúp tăng độ bền và hiệu suất vận hành.

  2. Phần mềm Creo 3.0 được sử dụng như thế nào trong thiết kế bộ truyền Roller CAM?
    Creo 3.0 hỗ trợ mô hình hóa tham số đường cong CAM, xây dựng bề mặt CAM Globoidal và tạo bản vẽ kỹ thuật chi tiết, giúp tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian thiết kế.

  3. Quy trình gia công bộ truyền Roller CAM trên máy CNC gồm những bước nào?
    Quy trình gồm định vị nguyên công, chọn dao phay rãnh và dao phay cầu, thiết lập thông số gia công, lập trình mã lệnh G-Code và kiểm tra sản phẩm sau gia công.

  4. Vật liệu nào phù hợp để chế tạo bánh vít trong bộ truyền trục vít?
    Tùy thuộc vào vận tốc trượt, vật liệu bánh vít có thể là đồng thanh thiếc, đồng thanh không thiếc hoặc gang, với các đặc tính cơ học và ứng suất tiếp xúc cho phép khác nhau.

  5. Làm thế nào để kiểm tra độ bền của bộ truyền trục vít?
    Độ bền được kiểm tra qua tính toán ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn của răng bánh vít, so sánh với ứng suất cho phép của vật liệu, đồng thời kiểm nghiệm vận tốc trượt và các hệ số tải trọng động.

Kết luận

  • Đã xây dựng và hệ thống hóa phương pháp tính toán thiết kế bộ truyền trục vít truyền thống và kiểu Roller CAM dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc.
  • Phát triển thành công quy trình thiết kế bộ truyền Roller CAM trên phần mềm Creo 3.0, giúp mô hình hóa chính xác bề mặt CAM Globoidal.
  • Đề xuất và thử nghiệm quy trình công nghệ gia công bộ truyền Roller CAM trên máy CNC, đạt được độ chính xác và chất lượng sản phẩm cao.
  • Ứng dụng bộ truyền Roller CAM trong máy đóng gói cho thấy cải thiện hiệu suất làm việc, giảm rung động và tăng tuổi thọ thiết bị.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng quy trình thiết kế và công nghệ gia công trong sản xuất công nghiệp, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế và đào tạo kỹ thuật viên.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng nghiên cứu ứng dụng bộ truyền Roller CAM cho các loại máy công nghiệp khác và phát triển phần mềm thiết kế tích hợp nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Đề nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai để đưa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất.