Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong dây chuyền chế tạo cụm vỏ động cơ servo, chi tiết bích đáy đóng vai trò kết cấu bảo vệ, làm điểm tựa định vị các cụm chi tiết bên trong và là mặt bích lắp ghép động cơ vào vị trí làm việc. Để đảm bảo độ đồng tâm, độ ổn định vận hành và tăng tuổi thọ động cơ, các bề mặt của bích đáy sau quá trình đúc và gia công thô bắt buộc phải được làm sạch bavia triệt để.

Thực tế sản xuất tại Việt Nam ở thời điểm thực hiện đề tài cho thấy công đoạn loại bỏ bavia trên phôi đúc kim loại bích đáy động cơ servo hầu như vẫn tiến hành bằng phương pháp thủ công (dùng dũa, dao cạo, chổi kim loại). Quy trình này phụ thuộc lớn vào tay nghề công nhân, năng suất thấp, bề mặt sau xử lý không đồng đều và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Trong khi đó, các hệ thống máy mài công nghiệp nhập khẩu từ nước ngoài (như Nhật Bản) có giá thành quá cao, không khả thi đối với các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ. Từ yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và cơ khí hóa sản xuất, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế máy mài các bề mặt chi tiết bích đáy động cơ servo" được tác giả Võ Văn Chương triển khai dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Thiện Ngôn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (năm 2015).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 nội dung chính:

  1. Tìm hiểu cấu tạo, đặc điểm hình học và chức năng của chi tiết bích đáy động cơ servo.
  2. Khảo sát, đánh giá các phương pháp làm sạch bavia kim loại hiện hành.
  3. Nghiên cứu các phương pháp làm sạch bavia bằng nguyên công mài đai.
  4. Đề xuất và tính toán thiết kế cơ cấu cấp phôi, lấy phôi tự động.
  5. Đề xuất phương án và thiết kế cơ cấu mài bavia mặt trên và mặt dưới của bích đáy.
  6. Đề xuất phương án và thiết kế cơ cấu mài bavia 4 mặt cạnh bên của bích đáy, tích hợp hệ thống điều khiển và truyền dẫn khí nén.

Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết bích đáy động cơ servo dạng khối hộp đối xứng, kích thước tiết diện $47\text{ mm} \times 47\text{ mm}$, chiều cao $12\text{ mm}$, ở giữa có lỗ trụ lắp ổ bi và 4 góc có lỗ định vị bu-lông, khối lượng phôi $48{,}46\text{ g}$, khối lượng riêng vật liệu $7{,}19\text{ kg/dm}^3$.

Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc nghiên cứu công nghệ làm sạch bavia bằng phương pháp mài tiếp xúc đai nhám; tính toán động lực học cắt gọt, thiết kế kết cấu cơ khí cụm phễu rung cấp phôi, băng tải đai phẳng, cơ cấu kẹp xoay bằng robot khí nén, cụm đầu mài đai và hệ thống mạch khí nén điều khiển cho toàn máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp phương pháp luận phân tích công nghệ chế tạo máy, khảo sát thực tế nhà máy sản xuất chi tiết servo, áp dụng các mô hình cơ học gia công cắt gọt và giải thuật tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí truyền thống.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Tổng quan công nghệ làm sạch bavia: Phân tích so sánh 4 nhóm công nghệ chính gồm gia công điện hóa (bể điện phân và đầu cực tạo hình), phun bi áp lực (kiểu treo, băng tải, thùng quay, băng tải con lăn), phương pháp thủ công và bắn tia nước áp lực cực cao (UHP - áp lực $\ge 1800\text{ bar}$).
  • Lý thuyết mài phẳng bằng đai nhám: Đề tài ứng dụng nguyên lý mài định hình bằng hạt mài dán trên nền vải nhám tổng hợp (hạt Ceramic, Alumina Oxide, Silicon Carbide; keo Resin; nền vải Jeans/Twill). Vận tốc bề mặt đai mài $L$ được xác định theo biểu thức: $$L = \frac{\pi \times D \times \text{RPM}}{1000 \times 60} \quad (\text{m/s})$$ với $D$ là đường kính bánh dẫn (mm) và $\text{RPM}$ là số vòng quay trên phút của trục động cơ.
  • Mô hình lực cắt khi mài: Đánh giá các thành phần lực cắt tiếp tuyến ($P_z$), lực cắt hướng kính ($P_y$) và lực dọc trục ($P_x$). Khảo sát mô hình lực cắt của Giáo sư Lierath và Werner để xác định số lượng lưỡi cắt động, độ nhớt màng phoi và các yếu tố ảnh hưởng từ chế độ mài (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, vận tốc phôi và đặc tính mòn tự mài sắc của đá/đai). Tỷ số $P_y/P_z$ đối với vật liệu mềm dao động từ $1{,}3 \div 1{,}6$, đối với vật liệu nhiệt luyện dao động từ $2 \div 3$.
  • Cơ sở tính toán máy vận chuyển và cấp phôi: Áp dụng hệ thống công thức tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển để tính chọn động cơ điện, tỷ số truyền hộp giảm tốc, đường kính trục tang, tính toán máng xoắn phễu rung và cơ cấu kích rung điện từ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn chế tạo máy, catalogue thiết bị công nghiệp khí nén và vật liệu hạt mài.
  • Thu thập số liệu kích thước, khối lượng, sản lượng yêu cầu từ thực tế dây chuyền gia công chi tiết bích đáy.
  • Thiết kế tính toán kết cấu 3D, lập sơ đồ động học cơ cấu robot khí nén, xây dựng sơ đồ mạch khí nén cấp nguồn và đảo chiều chấp hành.

Thiết kế và tính toán hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy được thiết kế theo dây chuyền liên hoàn tự động, kết hợp giữa cơ cấu cấp phôi định hướng dạng phễu rung, băng tải trung gian, cánh tay kẹp xoay dẫn động khí nén và hai cụm mài đai nhám chuyên dụng.

1. Hệ thống phễu rung cấp phôi tự động

  • Kết cấu: Thân phễu bằng thép cacbon CT3, bên trong hàn cánh xoắn ốc dạng hình vành khăn bám sát thành phễu. Đế gắn 3 cụm nam châm điện kích rung tần số công nghiệp kết hợp hệ thống lò xo lá phẳng định góc nghiêng và đệm giảm chấn cao su.
  • Thông số: Dung tích nạp $400\text{ phôi/mẻ}$, khối lượng 1 phôi $48{,}46\text{ g}$. Phôi từ đáy rung chuyển động tản ra biên, leo theo đường xoắn ốc lên đỉnh máng định hướng để cấp từng chiếc vào băng tải tiếp liệu.

2. Hệ thống băng tải chuyển phôi

  • Kết cấu: Băng tải đai dẹt cao su tổng hợp, bề rộng đai $B_p = 50\text{ mm}$, chiều dày băng $\delta = 2\text{ mm}$, chiều dài vận chuyển $L_b = 200\text{ mm}$.
  • Thông số động lực: Vận tốc di chuyển $v = 0{,}05\text{ m/s}$, năng suất vận chuyển $\ge 10\text{ kg/h}$. Sử dụng động cơ điện 3 pha kiểu 4A50A2Y3, công suất $P_{dc} = 90\text{ W}$, tốc độ quay $n = 2742\text{ vòng/phút}$, qua hộp giảm tốc trục vít - bánh vít có tỷ số truyền $u_h = 10$, hiệu suất $\eta = 0{,}5 \div 0{,}6$.

3. Cụm đầu mài đai nhám

  • Thông số đai mài: Chiều rộng đai $b = 30\text{ mm}$, chiều dài đai $L_d = 300\text{ mm}$, vận tốc cắt của đai $v_d \approx 25\text{ m/s}$. Trục chủ động và bị động đường kính $d_1 = d_2 = 28\text{ mm}$ chế tạo bằng thép CT3, lực căng ban đầu tác dụng lên trục $F_r = 312\text{ N}$. Tốc độ động cơ truyền động trục mài $\approx 10.000\text{ vòng/phút}$.

4. Cánh tay robot kẹp xoay và hệ thống khí nén

  • Cơ cấu chấp hành: Gồm khâu tịnh tiến dọc trục $OZ$ (hạ xuống gắp và nhấc phôi), khâu tịnh tiến dọc trục $OY$ (đưa phôi tỳ vào bề mặt đai mài) và cơ cấu quay góc $90^\circ$ để chuyển đổi mài lần lượt 4 mặt cạnh bên của chi tiết.
  • Hệ thống điều khiển khí nén: Nguồn khí nén qua cụm van điều áp, bộ lọc tách nước ly tâm, phân phối qua hệ thống van điện từ đảo chiều tác động lên các xi lanh khí nén đơn và kép.
Bộ phận chức năng Thông số kỹ thuật / Loại kết cấu Vật liệu chế tạo Ghi chú vận hành
Phễu cấp phôi rung Chứa 400 phôi/lần, kích rung 3 nam châm điện Thép lá CT3, lò xo phẳng Năng suất cấp ổn định, tự định hướng phôi
Băng tải tiếp liệu $B = 50\text{ mm}, \delta = 2\text{ mm}, v = 0{,}05\text{ m/s}$ Cao su / Khung thép CT3 Động cơ 4A50A2Y3 (90 W), $u = 10$
Đầu mài đai nhám $b = 30\text{ mm}, L = 300\text{ mm}, v_d = 25\text{ m/s}$ Đai nhám hạt Alumina / CT3 Vận tốc trục $\approx 10.000\text{ v/ph}, F_r = 312\text{ N}$
Robot kẹp và xoay Tịnh tiến trục $OY, OZ$, góc quay $90^\circ$ Hợp kim / Xi lanh khí nén Mài tuần tự 4 mặt cạnh bên của bích đáy
Hệ thống khí nén Van lọc ly tâm, van điều áp, van điện từ Khí nén tiêu chuẩn Cung cấp động lực cho robot gắp xoay

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả chỉ ra tầm quan trọng của chi tiết bích đáy trong cụm động cơ servo, thực trạng gia công bavia thủ công kém hiệu quả tại Việt Nam, từ đó xác định mục tiêu thiết kế máy mài bavia chuyên dụng. Tác giả trình bày đối tượng nghiên cứu ($47\text{ mm} \times 47\text{ mm} \times 12\text{ mm}$), phạm vi, phương pháp luận nghiên cứu và bố cục 6 chương của toàn bộ đồ án.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 mô tả nhiệm vụ, chức năng và tổng thể kết cấu của máy mài bavia bích đáy động cơ servo gồm 7 cụm thành phần chính: (1) Phễu rung cấp liệu; (2) Hệ thống xi lanh khí nén; (3) Cánh tay gắp; (4) Băng tải I; (5) Cụm đai mài I; (6) Cụm đai mài II; (7) Băng tải II. Chương này phân tích nguyên lý làm việc liên hoàn giữa cụm cấp phôi, gắp xoay và các đầu mài, đồng thời điểm luận các nghiên cứu về xử lý bavia trong và ngoài nước.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 đi sâu vào bản chất công nghệ xử lý bavia và cơ sở lý thuyết máy công cụ:

  • Trình bày chi tiết vai trò của bích đáy và hình học chi tiết.
  • Phân tích ưu nhược điểm của 4 phương pháp làm sạch bavia (điện hóa, phun bi, thủ công, tia nước áp lực cao).
  • Tổng kết các phương pháp mài cắt kim loại (mài tròn ngoài có tâm/không tâm, mài định hình, mài lỗ).
  • Phân loại và so sánh các cơ cấu cấp phôi rời tự động (kiểu giá nâng, rãnh trượt, ống quay, ống hai nửa, đĩa quay, phễu rung). Đưa ra lập luận lựa chọn phễu cấp phôi dạng rung động là phương án tối ưu.
  • Đề xuất và so sánh các phương án mài mặt phẳng trên/dưới (băng mài từ trên đi xuống và hai băng mài cố định) cùng các phương án mài 4 mặt cạnh bên.
  • Khảo sát đặc tính kỹ thuật của đai nhám: Cấu tạo hạt mài, chất dính kết, nền vải, dải độ hạt ($24 \div 1400$), dải vận tốc khuyến nghị ($12 \div 16\text{ m/s}$ cho inox/hợp kim Ni-Cr) và tuổi thọ trung bình đai ($\sim 100\text{ sản phẩm/sợi}$).

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Chương 4 thiết lập các tiêu chí kỹ thuật bắt buộc của máy (năng suất cao hơn thủ công, vết mài nhẵn phẳng, tự động cấp liệu, đảm bảo an toàn). Tác giả so sánh chi tiết hai phương án thực hiện:

  • Phương án 1: Mài bavia hoàn toàn bằng cơ cấu cơ khí (dùng máng dẫn, tấm chặn và xi lanh gạt đổi hướng). Ưu điểm kết cấu đơn giản, giá rẻ nhưng tốc độ xử lý chậm, dễ kẹt phôi.
  • Phương án 2: Mài bavia kết hợp cánh tay robot khí nén (gắp, tịnh tiến và xoay phôi $90^\circ$). Tuy kết cấu nhiều xi lanh hơn nhưng thời gian xử lý nhanh, vận hành linh hoạt và độ chính xác cao. Tác giả chọn Phương án 2 làm giải pháp tối ưu để thiết kế chi tiết.

Chương 5: Tính toán, thiết kế máy mài các bề mặt chi tiết bích đáy động cơ servo

Chương 5 là nội dung trọng tâm về tính toán kỹ thuật:

  • Lựa chọn nguyên lý mài định hình bằng đai nhám bề mặt.
  • Thiết lập phương trình lực cắt mài phẳng ($P_z, P_y$), phân tích ảnh hưởng của chế độ cắt, góc trước âm ($\gamma < 0$), sự mòn hạt mài và hiện tượng tự mài sắc.
  • Tính toán thiết kế băng tải tiếp liệu: Xác định công suất cản ma sát, tính chọn động cơ điện 4A50A2Y3 ($P = 90\text{ W}, n = 2742\text{ v/ph}$), chọn hộp giảm tốc $u = 10$, xác định đường kính puli và kích thước dây băng ($50 \times 2\text{ mm}$).
  • Tính toán cụm đai nhám: Xác định vận tốc cắt $v = 25\text{ m/s}$, bề rộng đai $b = 30\text{ mm}$, tính đường kính trục $d_1 = d_2 = 28\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 300\text{ mm}$, lực căng đai $F_r = 312\text{ N}$.
  • Tính toán phễu rung: Thiết kế máng xoắn ốc cấp phôi cho mẻ nạp 400 chi tiết ($Q = 48{,}46\text{ g/phôi}$), tính toán kết cấu lò xo lá phẳng, nam châm điện kích từ và giảm chấn cao su.
  • Tính toán hệ thống robot và điều khiển khí nén: Xác định hành trình các khâu tịnh tiến ($OY, OZ$), khâu xoay $90^\circ$, tính chọn lực xi lanh dẫn động, thiết kế sơ đồ mạch van điều áp, van lọc ly tâm và van điện từ.

Chương 6: Kết luận và đề nghị

Tổng kết toàn bộ kết quả tính toán thiết kế của đồ án; khẳng định tính khả thi của hệ thống máy mài đai tự động trong việc thay thế lao động thủ công; đề xuất các hướng hoàn thiện và mở rộng đề tài trong chế tạo thực tế.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán thiết kế: Đã hoàn thành bộ hồ sơ tính toán động lực học, kết cấu cơ khí và mạch khí nén cho máy mài bavia bích đáy động cơ servo tự động, bao gồm:
    • Thiết kế hoàn chỉnh phễu rung cấp phôi tự động mẻ 400 chi tiết bằng thép CT3.
    • Thiết kế hệ thống băng tải chuyển phôi đai cao su vận tốc $0{,}05\text{ m/s}$ dẫn động bởi động cơ $90\text{ W}$.
    • Thiết kế cụm đầu mài đai nhám vận tốc $25\text{ m/s}$, bản rộng đai $30\text{ mm}$, chiều dài đai $300\text{ mm}$, lực căng trục $312\text{ N}$.
    • Thiết kế hệ thống robot khí nén 3 bậc tự do (tịnh tiến $OY, OZ$ và xoay $90^\circ$) để gá kẹp và định hướng mài 4 mặt cạnh bên.
  • Giải pháp đề xuất: Đề xuất giải pháp công nghệ mài tiếp xúc đai nhám hạt Alumina Oxide kết hợp cấp phôi rung động và kẹp xoay khí nén tự động, giải quyết triệt để vấn đề loại bỏ bavia cho chi tiết dạng hộp mỏng có phần nhô vành khăn.
  • Đóng góp của đồ án: Đóng góp một phương án thiết kế máy mài chuyên dụng dạng mô-đun hóa, chi phí chế tạo thấp bằng vật liệu phổ thông trong nước (thép CT3, khí nén tiêu chuẩn), có khả năng cơ khí hóa công đoạn xử lý bề mặt bích đáy servo, loại bỏ hoàn toàn phương pháp dũa/cạo thủ công năng suất thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Tuổi thọ của đai nhám còn giới hạn (trung bình đạt khoảng 100 sản phẩm trên mỗi sợi đai), đòi hỏi thời gian dừng máy để căn chỉnh và thay thế đai định kỳ.
    • Quá trình vận hành của phễu rung và cụm đai mài tốc độ cao gây ra tiếng ồn và bụi mài trong không gian xưởng.
    • Kết cấu đồ án tập trung vào tính toán thiết kế lý thuyết và mô phỏng nguyên lý, chưa chế tạo thực nghiệm toàn bộ dây chuyền để đo kiểm thực tế độ nhám bề mặt ($Ra, Rz$) và độ sai lệch kích thước sau mài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu cơ cấu căng đai tự động và thay thế đai mài nhanh nhằm giảm thời gian phụ.
    • Tích hợp buồng hút bụi mài kim loại và vỏ cách âm cho cụm phễu rung để đáp ứng tiêu chuẩn an toàn môi trường lao động.
    • Chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, thử nghiệm mài với các loại vật liệu bích đáy khác nhau để tối ưu hóa vận tốc đai và tuổi thọ hạt mài.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí. Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng trực tiếp gồm:

  1. Phương pháp tính toán thiết kế phễu cấp phôi rung động điện từ cho phôi dạng khối hộp rời rạc.
  2. Quy trình tính chọn công suất động cơ, tỷ số truyền và động học băng tải đai công nghiệp cỡ nhỏ.
  3. Cơ sở tính toán lực cắt mài phẳng, tốc độ dài đai nhám và thiết kế cụm trục căng đai.
  4. Sơ đồ nguyên lý và thiết kế hệ thống điều khiển tay gắp kẹp xoay dẫn động bằng khí nén.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước và khối lượng của chi tiết bích đáy động cơ servo được tính toán trong đề tài là bao nhiêu?
Chi tiết bích đáy có kích thước hình học dạng khối vuông $47\text{ mm} \times 47\text{ mm}$, chiều cao $12\text{ mm}$, khối lượng của 1 chi tiết phôi là $Q = 48{,}46\text{ g}$, và khối lượng riêng của vật liệu là $7{,}19\text{ kg/dm}^3$.

2. Tại sao tác giả lựa chọn phương án mài bavia sử dụng cánh tay robot khí nén thay vì phương án cơ khí hoàn toàn?
Phương án cơ khí hoàn toàn (dùng máng trượt và tấm chặn) tuy có chi phí thấp nhưng thời gian xử lý chậm và dễ gây kẹt phôi. Phương án sử dụng cánh tay robot khí nén (thực hiện gắp, tịnh tiến và xoay $90^\circ$) giúp chu kỳ mài 4 mặt cạnh bên diễn ra nhanh chóng, định vị chính xác và nâng cao đáng kể năng suất tổng thể của máy.

3. Động cơ và các thông số động lực học của hệ thống băng tải tiếp liệu được chọn như thế nào?
Băng tải sử dụng dây đai cao su bản rộng $50\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$, vận tốc làm việc $v = 0{,}05\text{ m/s}$. Động cơ kéo được chọn là loại 4A50A2Y3 có công suất $P = 90\text{ W}$, tốc độ quay $2742\text{ vòng/phút}$, kết hợp hộp giảm tốc có tỷ số truyền $u_h = 10$.

4. Vận tốc bề mặt và kích thước của đai nhám được xác định trong đồ án là bao nhiêu?
Cụm đầu mài sử dụng đai nhám có bề rộng $b = 30\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 300\text{ mm}$, đường kính các trục tang $d_1 = d_2 = 28\text{ mm}$. Vận tốc cắt bề mặt đai mài được chọn là $v \approx 25\text{ m/s}$, tương ứng với trục dẫn động quay ở tốc độ khoảng $10.000\text{ vòng/phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Võ Văn Chương đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống máy mài các bề mặt chi tiết bích đáy động cơ servo nhằm thay thế phương pháp gia công thủ công. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh các cụm chức năng từ cấp phôi tự động bằng phễu rung, vận chuyển đai phẳng đến cơ cấu gắp xoay khí nén và mài tiếp xúc đai nhám tốc độ cao. Kết quả tính toán kết cấu và mạch điều khiển cho thấy tính khả thi cao, mở ra hướng ứng dụng chế tạo các thiết bị làm sạch bavia quy mô vừa và nhỏ cho ngành chế tạo máy trong nước.