Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông nghiệp tại Việt Nam, ngành cơ khí chế tạo máy đóng vai trò nòng cốt trong việc cơ giới hóa các khâu sản xuất và chế biến thực phẩm, thức ăn chăn nuôi. Việc ứng dụng máy móc vào chế biến thức ăn cho gia súc, gia cầm giúp người chăn nuôi chủ động nguồn dinh dưỡng tại chỗ từ các nông sản sẵn có (như ngô, khoai, sắn, đậu tương, gạo), giảm sự phụ thuộc vào cám công nghiệp thương mại, hạ giá thành chăn nuôi và kiểm soát được chất lượng thức ăn đầu vào.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ép cám viên trục vít" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế một thiết bị ép viên có kết cấu hợp lý, vận hành ổn định, chi phí chế tạo thấp và phù hợp với quy mô nông hộ và trang trại nhỏ.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Khảo sát tổng quan các loại máy chế biến thức ăn chăn nuôi hiện có trên thị trường và phân tích các nguyên lý ép viên thức ăn gia súc.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ép nén, ép đùn viên cám.
  3. Tính toán, thiết kế động học và động lực học cho máy ép cám viên dạng trục vít nhằm tạo ra sản phẩm cám viên có đường kính $4\text{ mm}$ và chiều dài từ $10\text{ mm}$ đến $20\text{ mm}$.
  4. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo chi tiết trục vít – bộ phận làm việc chính của máy – từ khâu chọn phôi, chọn chuẩn, phân chia nguyên công đến tính toán chế độ cắt và thời gian gia công.
  5. Đề xuất quy trình lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng thiết bị nhằm đảm bảo an toàn và tuổi thọ máy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu máy ép cám viên kiểu trục vít nằm ngang và quy trình công nghệ gia công chi tiết trục vít máy ép.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán phần cơ khí truyền động, thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks, xuất bản vẽ 2D trên AutoCAD và lập tiến trình công nghệ gia công cắt gọt cho chi tiết trục vít tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (thời gian thực hiện từ ngày 12/02/2024 đến ngày 18/06/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và nguyên lý ứng dụng

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết biến dạng dẻo và liên kết hạt vật liệu dưới tác dụng của áp lực cơ học và nhiệt ma sát:

  • Quy trình sản xuất thức ăn chăn nuôi chuẩn: Gồm chuỗi 11 công đoạn khép kín từ thu mua nguyên liệu, lưu kho, xử lý, định lượng cân, nghiền nhỏ, phối trộn, ép viên - sấy, cân thành phẩm, đóng bao đến nhập kho.
  • Công nghệ ép viên: Phân tích sự khác biệt giữa hai công nghệ:
    • Ép viên nén (pelleting): Hỗn hợp được gia nhiệt đến khoảng $85^\circ\text{C}$, độ ẩm $16%$ trong $5 - 20\text{ giây}$, nén qua khuôn lỗ tạo viên chìm (dành cho tôm, động vật ăn đáy). Chất lượng viên phụ thuộc vào: công thức thức ăn ($40%$), độ mịn nguyên liệu ($20%$), mức độ hồ hóa ($20%$), thông số khuôn ép ($15%$), và làm nguội - sấy ($5%$).
    • Ép đùn (extrusion): Xử lý dưới nhiệt độ cao $120 - 125^\circ\text{C}$ và áp lực lớn làm chín tinh bột, khi ra khỏi miệng đùn hạt phồng xốp có khối lượng riêng thấp ($0{,}25 - 0{,}3\text{ g/cm}^3$), tạo thành viên nổi cho cá.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp so sánh, lựa chọn phương án thiết kế: So sánh định tính và định lượng giữa 3 nguyên lý tạo viên (thủy lực, trục con lăn và trục vít) dựa trên các tiêu chí: năng suất, mức độ phức tạp kết cấu, chi phí chế tạo, tiếng ồn và khả năng ứng dụng thực tế.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy và chi tiết máy: Sử dụng lý thuyết sức bền vật liệu và nguyên lý máy để tính toán công suất cản, chọn động cơ, tính toán hệ thống truyền động đai, tính trục chịu tải trọng phức hợp (uốn và xoắn đồng thời) và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi.
  • Phương pháp công nghệ chế tạo máy: Tra cứu các bảng tiêu chuẩn công nghệ từ giáo trình "Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy" và "Thiết kế Đồ án Công nghệ Chế tạo máy" để xác định lượng dư gia công, chế độ cắt ($v, s, t$), công suất cắt và thời gian định mức ($T_0$) cho từng bước nguyên công tiện, phay, khoan.
  • Phương pháp mô hình hóa kỹ thuật: Sử dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ chi tiết 2D, sơ đồ gá đặt nguyên công; sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D tổng thể và mô hình phân rã chi tiết máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các máy chế biến thức ăn gia súc

Chương này khảo sát các dòng máy chế biến thức ăn chăn nuôi phổ biến, bao gồm: máy cắt/băm thức ăn xanh (cắt cỏ voi, rau củ), máy nghiền bột khô (sử dụng đĩa nghiền hoặc búa nghiền), và nhóm máy ép tạo viên. Tác giả tiến hành phân tích sâu 3 phương án kết cấu máy ép viên:

Phương án máy Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá lựa chọn
1. Máy dập viên thủy lực Năng suất và áp lực ép rất cao; tạo được viên kích thước lớn. Cơ cấu thủy lực phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao. Loại bỏ do không phù hợp hộ gia đình.
2. Máy nén viên trục con lăn Năng suất cao, tạo viên đồng đều, mẫu mã đẹp. Tiếng ồn lớn; kết cấu cơ khí phức tạp, chi phí cao, khó tháo lắp vệ sinh. Loại bỏ do khó khăn trong gia công chế tạo nhỏ lẻ.
3. Máy nén viên trục vít Làm việc êm, ít tiếng ồn; sản phẩm đồng đều; độ bền cao; kết cấu đơn giản, chi phí sản xuất thấp. Khó khăn nhất định trong việc tháo rửa, vệ sinh buồng ép. Được chọn để thiết kế và chế tạo.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết máy ép cám viên

Chương 2 trình bày vai trò của thức ăn viên trong dinh dưỡng động vật và phân tích cấu trúc của các phân hệ máy trong dây chuyền sản xuất:

  • Phân hệ nghiền: Đánh giá máy nghiền đĩa và máy nghiền búa (điều chỉnh kích thước hạt qua mắt sàng lưới thép).
  • Phân hệ trộn: Vai trò tạo hỗn hợp đồng nhất từ thành phần khô và ướt thông qua các kết cấu vít đứng, vít ngang hoặc cánh trộn ruy băng.
  • Phân hệ ép viên: Phân tích cơ chế nén dính vật liệu bột ẩm dưới áp lực cơ học qua khuôn ma trận, làm rõ các thông số công nghệ nhiệt độ ($85^\circ\text{C}$ đối với ép nén, $120 - 125^\circ\text{C}$ đối với ép đùn).

Chương 3: Tính toán thiết kế máy ép cám viên dạng trục vít

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán động lực học và sức bền cơ học cho máy ép:

  • Thiết kế sơ đồ động: Hệ thống dẫn động từ động cơ qua bộ truyền đai và cơ cấu truyền động tới trục vít nằm ngang.
  • Tính chọn động cơ:
    • Lực nén yêu cầu để tạo viên cám: $P = 70\text{ N}$.
    • Công suất tính toán của máy nén và hiệu suất truyền động: $\eta = 0{,}965$.
    • Động cơ được chọn: Công suất $N_{đc} = 0{,}75\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n_{đc} = 1450\text{ vòng/phút}$.
    • Tỉ số truyền động chung: $i = 1/10$, số vòng quay trục vít: $n = 140 - 145\text{ vòng/phút}$.
  • Tính toán thiết kế trục vít (trục quay):
    • Đường kính sơ bộ: $d \ge 22\text{ mm}$, chọn đường kính cổ trục lắp ổ lăn $d = 30\text{ mm}$, chiều dài toàn bộ trục $L = 430\text{ mm}$.
    • Lực tác dụng lên trục: Lực vòng $P_t = 3951\text{ N}$, lực hướng tâm $P_r = 1438\text{ N}$.
    • Phản lực tại các gối đỡ: $R_{by} = 2157\text{ N}$, $R_{ay} = 719\text{ N}$, $R_{bx} = 5926{,}5\text{ N}$, $R_{ax} = 1975{,}5\text{ N}$.
    • Momen uốn tổng: $M_u = 20603\text{ N}\cdot\text{mm}$; Momen xoắn: $M_x = 49396\text{ N}\cdot\text{mm}$; Momen tương đương: $M_{td} = 210417\text{ N}\cdot\text{mm}$.
    • Kiểm nghiệm hệ số an toàn: Hệ số an toàn uốn $n_\sigma = 5{,}7$; Hệ số an toàn xoắn $n_\tau = 16{,}8$; Hệ số an toàn tổng hợp $n = 5{,}3 > [n] = 1{,}5 - 2{,}5$ (đảm bảo độ bền mỏi).
  • Tính toán mâm quay: Đường kính mâm $d = 268\text{ mm}$, chiều dày $h = 25\text{ mm}$.

Chương 4: Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết trục vít

Chương này lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trục vít từ phôi thô đến thành phẩm:

  • Phân tích chi tiết: Chi tiết dạng trục bậc có ren vít, chiều dài $l = 321\text{ mm}$, đường kính lớn nhất $\varnothing 52\text{ mm}$ (tỷ lệ $l/d = 321/52 < 10$, đảm bảo độ cứng vững khi gia công). Vật liệu chế tạo: Thép hợp kim $40\text{X}$ ($HB = 127$, giới hạn bền $\sigma_b = 1000\text{ N/mm}^2$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 800\text{ N/mm}^2$).
  • Xác định dạng sản xuất: Sản lượng $N = 1000\text{ chi tiết/năm}$, thể tích chi tiết $V = 376391\text{ mm}^3$, khối lượng $Q \approx 2{,}96\text{ kg}$ (với khối lượng riêng $\gamma = 7{,}852\text{ kg/dm}^3$) $\rightarrow$ Dạng sản xuất Hàng loạt vừa.
  • Chọn phôi và chuẩn định vị:
    • Chọn phương pháp tạo phôi: Phôi dập nóng trong khuôn kín (lượng dư chiều dài $a = 2\text{ mm}$, lượng dư hướng kính $a = 2{,}5\text{ mm}$).
    • Chuẩn định vị: Chuẩn thô dùng mặt ngoài kết hợp lỗ tâm (mâm cặp 3 chấu và mũi tâm); Chuẩn tinh thống nhất dùng hai lỗ tâm côn ở hai đầu kết hợp tốc kẹp.

Chương 5: Lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng

Chương 5 cung cấp các hướng dẫn thực hành kỹ thuật:

  • Trình tự gá đặt khung bệ máy, cân chỉnh độ đồng tâm giữa trục động cơ và trục vít qua bộ truyền đai.
  • Quy trình vận hành: kiểm tra cấp ẩm nguyên liệu đầu vào, chạy thử không tải, nạp liệu liên tục và điều chỉnh dao cắt đầu đùn.
  • Quy trình bảo trì định kỳ: bôi trơn các ổ lăn, kiểm tra độ mòn của cánh vít và vệ sinh lưới/mâm ép sau mỗi ca làm việc.

Thiết kế kỹ thuật và quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo chi tiết trục vít máy ép cám được xây dựng chi tiết qua các nguyên công gia công cơ khí trên máy công cụ vạn năng:

Nguyên công Nội dung gia công Thiết bị / Máy Dụng cụ cắt Chuẩn định vị / Gá đặt Chế độ cắt chính ($t, s, v, n$)
NC 1 Phay 2 mặt đầu và khoan 2 lỗ tâm Máy phay - khoan tâm MP-71M - Dao phay mặt đầu hợp kim T15K6 ($D=80\text{ mm}, Z=5$)
- Mũi khoan tâm T15K6 ($d=5\text{ mm}$)		 2 khối V ngắn (khống chế 4 bậc tự do) + 1 chốt tỳ mặt đầu (1 bậc tự do) - Phay: $t=2\text{ mm}, s_z=0{,}13\text{ mm/răng}, n=200\text{ v/p}, v=201{,}8\text{ m/ph}$
- Khoan: $t=2{,}5\text{ mm}, s=0{,}2\text{ mm/vòng}, n=1500\text{ v/p}$
NC 2 Tiện thô nửa trục (các bậc $\varnothing 26, \varnothing 29, \varnothing 36{,}6, \varnothing 41{,}6, \varnothing 53$ và vát mép $4\times 45^\circ$) Máy tiện ren vít vạn năng T620 - Dao tiện ngoài thân cong T15K6
- Dao tiện ngoài thân thẳng T15K6		 Mâm cặp 3 chấu tự định tâm (2 bậc) + Chống tâm ụ động (3 bậc) $t = 1{,}7 - 2{,}0\text{ mm}$
$s = 0{,}36\text{ mm/vòng}$
$n = 280 - 550\text{ v/p}$
$v = 43{,}2 - 45{,}8\text{ m/ph}$
Thời gian cơ bản: $T_0 = 1{,}55\text{ phút}$
NC 3 Tiện thô nửa trục còn lại (các bậc $\varnothing 36{,}6, \varnothing 41{,}6$ và vát mép) Máy tiện T620 Dao tiện ngoài thân thẳng T15K6 Mâm cặp 3 chấu tự định tâm + Mũi tâm di động $t = 1{,}7\text{ mm}, s = 0{,}36\text{ mm/vòng}, n = 350 - 400\text{ v/p}, v = 44\text{ m/ph}$
Thời gian: $T = 0{,}3\text{ phút}$
NC 4 Tiện tinh nửa trục ($\varnothing 35, \varnothing 40, \varnothing 52$) Máy tiện T620 Dao tiện ngoài thân thẳng / thân cong T15K6 ($r=1\text{ mm}$) Chống tâm 2 đầu + Tốc kẹp truyền momen quay $t = 0{,}5\text{ mm}, s = 0{,}12\text{ mm/vòng}, n = 450 - 650\text{ v/p}, v = 69{,}15 - 73{,}5\text{ m/ph}$
NC 5 Tiện tinh nửa trục còn lại ($\varnothing 25, \varnothing 28$) Máy tiện T620 Dao tiện ngoài thân cong T15K6 Chống tâm 2 đầu + Tốc kẹp $t = 0{,}5\text{ mm}, s = 0{,}12\text{ mm/vòng}, n = 800 - 900\text{ v/p}, v = 70{,}4 - 70{,}7\text{ m/ph}$
NC 6 - 12 Tiện ren vít, phay rãnh then, khoan lỗ, nhiệt luyện trục Các máy phay, tiện, lò nhiệt luyện chuyên dụng Dao tiện ren, dao phay ngón, mũi khoan Khối V gá đặt mặt trụ ngoài hoặc chống tâm Theo quy chuẩn công nghệ chế tạo chi tiết máy

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  1. Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí: Hoàn thành tập bản vẽ 2D (bản vẽ chi tiết, sơ đồ các nguyên công gia công) và mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks cho máy ép cám viên trục vít đáp ứng kích thước viên ép thành phẩm đường kính $4\text{ mm}$, chiều dài $10 - 20\text{ mm}$.
  2. Tính toán động học và kết cấu máy chính xác:
    • Xác định được thông số động cơ: $0{,}75\text{ kW}$, tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$, tỷ số truyền $i = 1/10$.
    • Tính toán trục vít bằng thép $40\text{X}$ có đường kính cổ trục $30\text{ mm}$, chiều dài $430\text{ mm}$, kiểm tra độ bền mỏi đạt hệ số an toàn $n = 5{,}3$ (vượt yêu cầu an toàn quy định $[n] = 1{,}5 - 2{,}5$).
  3. Quy trình công nghệ gia công chi tiết điển hình: Xây dựng đầy đủ bảng tiến trình công nghệ chế tạo trục vít cho quy mô sản xuất hàng loạt vừa ($1000\text{ chi tiết/năm}$) sử dụng phôi dập nóng trong khuôn kín, xác định cụ thể máy gia công (MP-71M, T620), sơ đồ định vị kẹp chặt, dụng cụ cắt T15K6, chế độ cắt và thời gian gia công định mức cho từng nguyên công.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đề xuất cấu trúc máy ép trục vít nhỏ gọn, vận hành êm ái hơn so với máy ép dạng con lăn hoặc ép dập thủy lực, phù hợp trực tiếp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của các hộ chăn nuôi cá thể.
  • Đóng góp một bộ tài liệu thiết kế và quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí hoàn chỉnh, có tính ứng dụng thực tiễn cao trong chế tạo máy nông nghiệp vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận trong đồ án:
    • Để đơn giản hóa bài toán tính toán cơ học trong điều kiện làm đồ án, nhóm tác giả đã giả thiết bỏ qua lực quán tính và lực ma sát nhỏ tác dụng lên hệ thống trục.
    • Kết cấu trục vít nằm ngang có nhược điểm cố hữu là khó vệ sinh, bảo dưỡng buồng ép sau khi sử dụng.
    • Quá trình nhiệt luyện trục sau gia công cơ có thể gây ra một số biến dạng nhỏ đòi hỏi phải qua nguyên công mài sửa tinh.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu:
    • Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của các tỷ lệ phối trộn nguyên liệu (độ ẩm, độ mịn, hàm lượng tinh bột) đến năng suất ép thực tế của máy.
    • Tối ưu hóa profin cánh vít và nghiên cứu cải tiến cơ cấu tháo lắp nhanh buồng nén để thuận tiện hơn cho công tác vệ sinh, bảo dưỡng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy: Tham khảo phương pháp tính toán thiết kế máy chế biến thực phẩm/nông sản, phương pháp kiểm nghiệm trục theo tải trọng uốn - xoắn đồng thời.
  • Sinh viên làm đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy: Tham khảo trực tiếp cấu trúc lập quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục bậc (từ tính chọn phôi dập nóng, xác định chuẩn công nghệ đến tra bảng tính toán chế độ cắt trên máy phay, máy tiện vạn năng T620).
  • Kỹ thuật viên tại các xưởng cơ khí nông nghiệp: Có thể áp dụng các thông số bản vẽ 2D/3D và chế độ cắt thực tế để gia công sản xuất máy ép cám viên phục vụ thực tế chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn phương án máy ép cám dạng trục vít thay vì máy ép dạng con lăn hay dập thủy lực?
Trả lời: Qua so sánh ở Chương 1, máy dập thủy lực có hệ thống phức tạp và chi phí rất cao; máy ép trục con lăn gây tiếng ồn lớn và khó chế tạo. Máy ép dạng trục vít được chọn vì vận hành êm, ít tiếng ồn, kết cấu đơn giản, chi phí sản xuất thấp, dễ lắp đặt và tạo ra sản phẩm cám viên có độ đồng đều cao, phù hợp với năng lực chế tạo và quy mô nông hộ.

2. Động cơ dẫn động của máy có thông số kỹ thuật như thế nào và tỷ số truyền chung của hệ thống là bao nhiêu?
Trả lời: Dựa trên lực nén yêu cầu $P = 70\text{ N}$ và hiệu suất truyền động $\eta = 0{,}965$, động cơ được chọn có công suất $N_{đc} = 0{,}75\text{ kW}$, tốc độ quay $n_{đc} = 1450\text{ vòng/phút}$. Tỷ số truyền chung của toàn hệ thống là $i = 1/10$, cho tốc độ quay làm việc của trục vít khoảng $140 - 145\text{ vòng/phút}$.

3. Chi tiết trục vít được chế tạo từ vật liệu gì và dạng sản xuất được xác định như thế nào?
Trả lời: Trục vít được chế tạo từ thép hợp kim $40\text{X}$ ($HB = 127, \sigma_b = 1000\text{ N/mm}^2, \sigma_{ch} = 800\text{ N/mm}^2$). Với sản lượng dự kiến $N = 1000\text{ chi tiết/năm}$ và khối lượng chi tiết $Q \approx 2{,}96\text{ kg}$, dạng sản xuất được xác định là sản xuất hàng loạt vừa.

4. Phương pháp tạo phôi và hệ thống chuẩn định vị gia công trục vít được lựa chọn ra sao?
Trả lời: Phôi được chế tạo bằng phương pháp dập nóng trong khuôn kín (lượng dư chiều dài $2\text{ mm}$, lượng dư hướng kính $2{,}5\text{ mm}$). Khi gia công thô, chuẩn định vị là mặt trụ ngoài kết hợp lỗ tâm (gá trên mâm cặp 3 chấu tự định tâm và mũi tâm). Khi gia công tinh, chuẩn định vị thống nhất là hai lỗ tâm côn ở hai đầu trục kết hợp tốc kẹp chống xoay.

5. Kích thước viên cám thành phẩm theo yêu cầu thiết kế của máy là bao nhiêu?
Trả lời: Máy được thiết kế để tạo ra các viên cám có đường kính danh nghĩa $4\text{ mm}$ và chiều dài thành phẩm dao động trong khoảng từ $10\text{ mm}$ đến $20\text{ mm}$, đảm bảo độ kết dính chắc chắn và không bị vỡ vụn khi va chạm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ép cám viên trục vít" của sinh viên Nguyễn Đoàn Thiên Sinh và Nguyễn Hoàng Tú đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế một thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi quy mô vừa và nhỏ. Công trình cung cấp đầy đủ các cơ sở tính toán động học, kiểm nghiệm sức bền trục, cũng như xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ 12 bước gia công chi tiết trục vít từ phôi thép $40\text{X}$ dập nóng. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng tốt các yêu cầu học thuật của đồ án kỹ thuật cơ khí mà còn có tính ứng dụng thực tiễn cao trong sản xuất nông nghiệp tại địa phương.