Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành chế biến gỗ tại Việt Nam ngày càng phát triển, kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ trong 2 quý đầu năm 2016 đạt 3,21 tỷ USD, tăng 1,4% so với cùng kỳ năm trước, trong đó sản phẩm gỗ chiếm 2,33 tỷ USD, tăng 5%. Đây là ngành hàng xuất khẩu đứng thứ 7 trong các nhóm mặt hàng của Việt Nam. Tuy nhiên, quá trình gia công chi tiết nhỏ như bọ ke góc vẫn còn nhiều hạn chế do chủ yếu thực hiện thủ công, gây năng suất thấp, sai số lớn và nguy hiểm cho người lao động. Chi tiết bọ ke góc có kích thước nhỏ, gồm hai cạnh vát 45° và nhiều lỗ trên ba mặt, dùng để liên kết khung bàn ghế, cần 4 chi tiết cho mỗi sản phẩm. Việc gia công thủ công tiềm ẩn nguy cơ tai nạn do tay công nhân gần lưỡi cưa bàn.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo máy gia công bọ ke góc tự động, nhằm thay thế công đoạn thủ công, nâng cao năng suất, đảm bảo an toàn lao động và chất lượng sản phẩm đồng đều. Máy được thiết kế có khả năng tự động cấp liệu, xoay góc lưỡi cưa và cắt gọt, tối thiểu lượng phôi thừa. Nghiên cứu tập trung vào vật liệu gỗ sồi, kích thước phôi từ 400-500 mm, với năng suất dự kiến 1500 phôi/ca. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ tự động hóa trong ngành chế biến gỗ, góp phần giảm chi phí đầu tư và bảo trì so với máy nhập khẩu, đồng thời nâng cao an toàn lao động và hiệu quả sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cắt gọt gỗ, đặc biệt là lý thuyết cắt xiên và cắt thẳng góc, nhằm tối ưu hóa lực cắt và chất lượng bề mặt sản phẩm. Lý thuyết về lực và ứng suất trong quá trình cắt gọt được áp dụng để tính toán lực cắt, công suất cắt và chọn động cơ phù hợp. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Gia công cắt gọt gỗ: Phân loại theo hướng cắt (dọc, ngang, hỗn hợp), phương pháp cắt (cắt thẳng góc, cắt xiên), và chế độ cắt (tốc độ cắt, tốc độ ăn phôi).
  • Lực cắt và công suất cắt: Tính toán dựa trên vận tốc cắt, chiều rộng và chiều dày phoi, trở lực cắt, và các góc cắt của lưỡi cưa.
  • Thông số lưỡi cưa: Góc sắt, góc sau, bán kính cạnh cắt, vật liệu làm lưỡi cưa, ảnh hưởng đến độ bền và chất lượng cắt.
  • Cơ cấu máy gia công: Bao gồm các bộ phận động lực, truyền động, cắt gọt, cấp liệu, kẹp giữ phôi, và hệ thống điều khiển PLC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quan sát thực tế tại các xưởng mộc và tham khảo các máy móc có sẵn trên thị trường, kết hợp tra cứu tài liệu chuyên ngành và các luận văn liên quan. Dữ liệu thu thập bao gồm thông số kỹ thuật của gỗ sồi, lực cắt, công suất cắt, và các thông số vận hành máy. Cỡ mẫu nghiên cứu là các phôi gỗ kích thước từ 400-500 mm, với 20 mẫu phôi được lấy ngẫu nhiên để kiểm tra kích thước và dung sai.

Phân tích lực cắt và công suất cắt được thực hiện dựa trên các công thức vật lý và số liệu thực nghiệm, từ đó lựa chọn động cơ và cylinder khí nén phù hợp. Thiết kế máy được mô phỏng và lập trình điều khiển bằng PLC để đảm bảo quy trình gia công tuần tự và chính xác. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ 2016 đến 2017 tại TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn phương án gia công tối ưu: Ba phương án gia công bọ ke góc được phân tích về thời gian gia công, tỷ lệ phôi gỗ có ích và giá thành chế tạo. Phương án 2, với quy trình cắt vát 45°, xoay lưỡi cưa 90° và cắt lần lượt, đạt tỷ lệ phôi gỗ có ích 98,2%, thời gian gia công 19,2 giây cho một phôi dài 500 mm, và chi phí chế tạo thấp hơn so với phương án khác.

  2. Thiết kế cụm cấp phôi và kéo phôi: Phương án cấp phôi sử dụng cylinder đẩy phôi qua bộ chuyển hướng để dựng đứng phôi vào vị trí gia công, giúp lưu trữ lượng lớn phôi và cấp liệu liên tục. Cụm kéo phôi sử dụng cylinder rodless RMT đường kính 20 mm, đảm bảo độ thẳng góc và lực kẹp chặt phôi, phù hợp với tải trọng khoảng 7 kg.

  3. Hiệu suất máy đạt 67,5% yêu cầu ban đầu: Máy gia công bọ ke góc tự động được chế tạo và thử nghiệm cho thấy năng suất đạt khoảng 67,5% so với mục tiêu đề ra, với khả năng tự động cấp liệu, xoay góc lưỡi cưa và cắt gọt chính xác, giảm thiểu phôi thừa và đảm bảo an toàn lao động.

  4. Tính toán lực cắt và công suất cắt: Dựa trên lý thuyết và số liệu thực nghiệm, lực cắt và công suất cắt được xác định phù hợp với vật liệu gỗ sồi, tốc độ cắt từ 50-85 m/s, tốc độ ăn phôi khoảng 50 mm/s, giúp chọn động cơ motor và cylinder khí nén phù hợp, đảm bảo máy vận hành ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng tự động hóa trong gia công chi tiết nhỏ như bọ ke góc là khả thi và mang lại hiệu quả rõ rệt về năng suất và an toàn lao động. So với các máy nhập khẩu có giá thành cao và hạn chế về góc cắt, máy thiết kế trong nghiên cứu có thể cắt các phôi ngắn với góc tùy ý, tốc độ cao và chi phí hợp lý, phù hợp cho các xưởng mộc nhỏ và vừa.

Việc lựa chọn phương án gia công và thiết kế cụm cấp phôi, kéo phôi dựa trên các phân tích kỹ thuật và thực tế giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mặc dù năng suất đạt 67,5% so với yêu cầu, kết quả này là bước đầu quan trọng để hoàn thiện máy trong các nghiên cứu tiếp theo. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ phôi có ích và thời gian gia công của các phương án, cũng như bảng thông số kỹ thuật của máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hoàn thiện và tối ưu hóa thiết kế máy: Tiếp tục cải tiến cơ cấu cấp phôi và kéo phôi để nâng cao năng suất lên trên 80% trong vòng 12 tháng tới, do nhóm kỹ sư cơ khí và tự động hóa thực hiện.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển PLC: Tích hợp thêm cảm biến và tự động điều chỉnh hành trình cylinder để giảm sai số kích thước phôi, cải thiện độ chính xác gia công trong 6 tháng, do bộ phận điện tử và lập trình đảm nhiệm.

  3. Đào tạo vận hành và bảo trì máy: Tổ chức khóa đào tạo cho công nhân vận hành và bảo trì máy nhằm giảm thời gian ngừng máy và tăng tuổi thọ thiết bị, thực hiện trong 3 tháng, do phòng nhân sự và kỹ thuật phối hợp.

  4. Mở rộng ứng dụng máy cho các chi tiết gỗ nhỏ khác: Nghiên cứu và thiết kế thêm các module gia công cho chi tiết gỗ có kích thước và hình dạng đa dạng, nhằm tăng tính linh hoạt và mở rộng thị trường trong 18 tháng tới, do nhóm nghiên cứu phát triển sản phẩm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các doanh nghiệp chế biến gỗ: Đặc biệt là các xưởng mộc nhỏ và vừa, có thể áp dụng máy gia công tự động để nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và tăng tính an toàn lao động.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Có thể tham khảo phương pháp thiết kế, tính toán lực cắt, công suất và ứng dụng PLC trong điều khiển máy gia công.

  3. Các nhà sản xuất máy móc công nghiệp: Để phát triển các sản phẩm máy gia công gỗ tự động phù hợp với thị trường trong nước, giảm phụ thuộc vào máy nhập khẩu.

  4. Cơ quan quản lý và đào tạo kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo kỹ thuật cơ khí và tự động hóa, nâng cao chất lượng nguồn nhân lực ngành chế biến gỗ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy gia công bọ ke góc tự động có thể thay thế hoàn toàn công đoạn thủ công không?
    Máy có thể thay thế phần lớn công đoạn ra phôi bọ ke góc, nâng cao an toàn và năng suất. Tuy nhiên, một số công đoạn tinh chỉnh có thể vẫn cần sự can thiệp của công nhân để đảm bảo chất lượng.

  2. Tại sao chọn gỗ sồi làm vật liệu nghiên cứu?
    Gỗ sồi có đặc tính cơ lý phù hợp, phổ biến trong ngành đồ gỗ, có độ cứng và độ bền cao, giúp đánh giá chính xác hiệu quả máy trong điều kiện thực tế.

  3. Phương án gia công nào được chọn và vì sao?
    Phương án 2 được chọn vì đạt tỷ lệ phôi gỗ có ích cao nhất (98,2%), thời gian gia công hợp lý và chi phí chế tạo thấp, phù hợp với yêu cầu sản xuất.

  4. Hệ thống điều khiển PLC có vai trò gì trong máy?
    PLC điều khiển tuần tự các cơ cấu khí nén và motor, đảm bảo quy trình gia công diễn ra chính xác, tự động và an toàn, giảm thiểu sai sót do con người.

  5. Năng suất máy đạt bao nhiêu so với yêu cầu ban đầu?
    Năng suất máy đạt khoảng 67,5% so với mục tiêu ban đầu, là kết quả bước đầu để tiếp tục hoàn thiện và nâng cao hiệu quả trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công máy gia công bọ ke góc tự động, ứng dụng tự động hóa trong ngành chế biến gỗ.
  • Phương án gia công tối ưu giúp tăng tỷ lệ phôi gỗ có ích lên 98,2%, giảm hao phí vật liệu.
  • Máy đạt năng suất khoảng 67,5% so với yêu cầu, đảm bảo an toàn lao động và chất lượng sản phẩm.
  • Hệ thống điều khiển PLC và cơ cấu khí nén được thiết kế phù hợp, vận hành ổn định.
  • Đề xuất các giải pháp hoàn thiện máy và mở rộng ứng dụng trong tương lai, góp phần phát triển công nghệ chế biến gỗ trong nước.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp để thử nghiệm, hoàn thiện máy, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành nhằm nhanh chóng ứng dụng vào sản xuất thực tế.