Tổng quan nghiên cứu

Máy phay CNC (Computer Numerical Control) là một trong những thành tựu quan trọng của khoa học kỹ thuật hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa sản xuất. Theo báo cáo của ngành, máy CNC giúp nâng cao độ chính xác và năng suất gia công, đồng thời giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quá trình vận hành. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế mô hình máy phay CNC mini 3 trục nhằm phục vụ công tác giảng dạy, học tập và sản xuất nhỏ lẻ tại các trường đại học kỹ thuật, đặc biệt là Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình máy phay CNC hoàn chỉnh với chi phí hợp lý, đảm bảo độ chính xác và tính ổn định trong quá trình gia công. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế cơ khí, hệ truyền động chạy dao, mạch điều khiển và bộ điều khiển động cơ cho máy phay CNC mini, với thời gian thực hiện trong khoảng hai năm học tập nghiên cứu. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc cung cấp một công cụ thực hành hiệu quả cho sinh viên ngành Cơ điện tử, đồng thời góp phần phát triển công nghệ CNC trong nước, giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Theo ước tính, việc ứng dụng máy phay CNC mini trong đào tạo giúp tăng hiệu quả học tập lên khoảng 30%, đồng thời giảm chi phí vận hành và bảo trì so với các máy CNC công nghiệp cỡ lớn. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển các thiết bị CNC nhỏ gọn, phù hợp với điều kiện sản xuất và đào tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết điều khiển số CNC: Giải thích nguyên lý hoạt động của máy CNC, bao gồm quá trình chuyển đổi chương trình gia công thành các chuyển động cơ học chính xác trên ba trục tọa độ X, Y, Z.
  • Mô hình truyền động vít me - đai ốc bi: Áp dụng để thiết kế hệ truyền động chạy dao, biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến chính xác, giảm ma sát và sai số.
  • Lý thuyết động lực học trục quay: Phân tích mômen xoắn, lực tác dụng lên trục động cơ và trục vít me nhằm đảm bảo tính ổn định và độ bền của hệ thống truyền động.
  • Khái niệm về tự động hóa sản xuất và độ chính xác gia công: Đánh giá hiệu quả của máy CNC trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Các khái niệm chính bao gồm: lực cắt, mômen xoắn, truyền động đai răng, hiệu suất động cơ, và các thông số kỹ thuật của dao phay.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, giáo trình kỹ thuật, số liệu thực nghiệm và mô phỏng gia công trên phần mềm CAD/CAM. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết và tính toán kỹ thuật: Tính toán lực cắt, mômen xoắn, công suất động cơ dựa trên các công thức chuẩn trong cơ khí chế tạo máy.
  • Thiết kế cơ khí và hệ truyền động: Lựa chọn vật liệu, thiết kế khung máy, hệ truyền động vít me-đai ốc và đai răng dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Thiết kế mạch điều khiển và bộ điều khiển động cơ: Sử dụng mosfet cho mạch công suất, lập trình điều khiển phối hợp các trục bằng Visual Basic.
  • Mô phỏng và kiểm nghiệm: Mô phỏng gia công trên phần mềm NC, kiểm tra độ bền trục vít me và hiệu suất hệ thống truyền động.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình máy phay CNC mini 3 trục, được thiết kế và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí kỹ thuật và khả năng chế tạo thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài gần hai năm, từ thiết kế đến hoàn thiện mô hình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lực cắt và công suất động cơ đầu cắt: Lực cắt khi gia công vật liệu nhôm được tính khoảng 291,55 N với dao phay ngón đường kính 2 mm và 264,6 N với dao đường kính 5 mm. Công suất động cơ đầu cắt được chọn tối thiểu là 104 W với mômen xoắn 0,66 N.m, tốc độ quay 1500 vòng/phút.

  2. Lực và mômen xoắn trên các trục Z, Y, X: Trục Z chịu lực dọc trục lớn nhất khoảng 585 N, mômen xoắn 0,714 N.m, công suất động cơ 32,1 W. Trục Y và X có lực tác dụng lần lượt 265 N và 274 N, mômen xoắn 0,658 N.m và 0,56 N.m, công suất động cơ tương ứng 11,57 W và 9,85 W.

  3. Thiết kế bộ truyền động đai răng: Môđun đai răng được chọn là 2 mm cho cả trục X và Y, với số răng bánh đai nhỏ lần lượt là 18 răng, bánh đai lớn 36 răng (trục X) và 27 răng (trục Y). Khoảng cách trục được xác định chính xác, đảm bảo lực vòng riêng trên đai nhỏ hơn giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn và độ bền.

  4. Kiểm nghiệm độ bền trục vít me: Trục vít me trục Z được kiểm nghiệm chịu lực dọc trục lớn nhất, kết quả cho thấy trục đủ an toàn với ứng suất dập và mômen xoắn tính toán, đảm bảo độ bền trong quá trình vận hành.

Thảo luận kết quả

Các kết quả tính toán và thiết kế cho thấy mô hình máy phay CNC mini 3 trục đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về lực cắt, mômen xoắn và công suất động cơ. Việc sử dụng vít me-đai ốc bi và truyền động đai răng giúp giảm ma sát, tăng độ chính xác và ổn định chuyển động chạy dao. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, mô hình này có công suất động cơ và lực cắt phù hợp với các máy CNC mini hiện có trên thị trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực cắt theo đường kính dao, bảng thông số công suất và mômen xoắn các trục, cũng như sơ đồ lực tác dụng lên vít me và thanh trượt. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự phân bố lực và hiệu suất của từng bộ phận trong hệ thống.

Ngoài ra, việc thiết kế mạch điều khiển sử dụng mosfet và lập trình Visual Basic cho phép điều khiển chính xác các trục, nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của máy. Kết quả mô phỏng gia công trên phần mềm NC cũng chứng minh tính khả thi của mô hình trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng vật liệu hợp kim nhôm cao cấp cho khung máy nhằm nâng cao độ cứng vững và giảm trọng lượng, dự kiến thực hiện trong vòng 6 tháng, do bộ phận thiết kế cơ khí đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển bằng vi xử lý thế hệ mới để cải thiện tốc độ xử lý và khả năng giám sát, giảm thiểu lỗi vận hành, hoàn thành trong 12 tháng, phối hợp giữa phòng nghiên cứu và phòng công nghệ thông tin.

  3. Phát triển phần mềm giao diện người dùng trực quan hơn dựa trên nền tảng Visual Basic hoặc các ngôn ngữ lập trình hiện đại, giúp người vận hành dễ dàng thao tác và giám sát quá trình gia công, thời gian thực hiện 9 tháng, do nhóm lập trình đảm nhận.

  4. Mở rộng nghiên cứu thiết kế máy phay CNC đa trục (4-5 trục) để nâng cao khả năng gia công các chi tiết phức tạp, dự kiến trong 18 tháng tiếp theo, phối hợp với các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất.

  5. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ CNC mini cho các trường đại học và doanh nghiệp vừa và nhỏ nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi, dự kiến triển khai trong 24 tháng, do ban quản lý dự án và các trung tâm đào tạo thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Cơ điện tử, Cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế máy phay CNC, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế và vận hành máy CNC mini phục vụ giảng dạy và nghiên cứu.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm trong các doanh nghiệp cơ khí: Tham khảo để áp dụng các giải pháp truyền động vít me-đai ốc và đai răng, tối ưu hóa thiết kế máy CNC nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí sản xuất.

  3. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động hóa: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu nâng cao hiệu suất và độ chính xác của máy CNC.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị CNC và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các dòng máy CNC mini phù hợp với nhu cầu đào tạo và sản xuất nhỏ lẻ, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phay CNC mini có thể gia công những loại vật liệu nào?
    Máy phay CNC mini được thiết kế chủ yếu để gia công vật liệu nhôm và các hợp kim nhẹ, với lực cắt khoảng 291 N và công suất động cơ phù hợp. Trong thực tế, máy cũng có thể gia công các vật liệu mềm khác như nhựa hoặc gỗ với điều chỉnh thông số phù hợp.

  2. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi thiết kế hệ truyền động?
    Độ chính xác được đảm bảo nhờ sử dụng vít me-đai ốc bi giảm ma sát, truyền động đai răng với số răng và môđun phù hợp, cùng với kiểm nghiệm độ bền trục vít me và tính toán mômen xoắn chi tiết. Các thông số này được tính toán dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và mô phỏng thực tế.

  3. Phần mềm điều khiển máy CNC được sử dụng là gì?
    Luận văn sử dụng Visual Basic để thiết kế giao diện điều khiển, phối hợp các trục động cơ và xây dựng các modul bộ nội suy. Phần mềm này giúp người vận hành dễ dàng nhập chương trình gia công và giám sát quá trình chạy máy.

  4. Có thể mở rộng mô hình máy phay CNC này cho các ứng dụng công nghiệp không?
    Mô hình hiện tại phù hợp cho đào tạo và sản xuất nhỏ lẻ. Để mở rộng cho ứng dụng công nghiệp, cần nâng cấp công suất động cơ, hệ thống điều khiển và thiết kế khung máy lớn hơn, đồng thời tích hợp thêm các trục gia công đa chiều.

  5. Thời gian hoàn thiện một mô hình máy phay CNC mini là bao lâu?
    Theo timeline nghiên cứu, quá trình thiết kế, tính toán, chế tạo và thử nghiệm mô hình kéo dài khoảng hai năm. Thời gian này có thể rút ngắn hoặc kéo dài tùy thuộc vào nguồn lực và công nghệ áp dụng.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công mô hình máy phay CNC mini 3 trục với công suất động cơ đầu cắt 104 W và các trục chuyển động có công suất phù hợp, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong gia công.
  • Hệ truyền động vít me-đai ốc bi và đai răng được lựa chọn tối ưu, giảm ma sát và sai số, đồng thời đảm bảo độ bền và an toàn vận hành.
  • Mạch điều khiển sử dụng mosfet và phần mềm Visual Basic giúp điều khiển chính xác, linh hoạt các trục động cơ.
  • Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm cho thấy mô hình phù hợp với mục tiêu đào tạo và sản xuất nhỏ lẻ, góp phần phát triển công nghệ CNC trong nước.
  • Đề xuất nâng cấp hệ thống điều khiển, vật liệu khung máy và mở rộng nghiên cứu máy CNC đa trục để đáp ứng nhu cầu công nghiệp trong tương lai.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp nâng cấp và mở rộng mô hình theo đề xuất, đồng thời đẩy mạnh đào tạo và chuyển giao công nghệ CNC mini cho các đơn vị liên quan. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đào tạo kỹ thuật.