Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chế biến gỗ Việt Nam giữ vị trí thứ 4 trong khu vực Đông Nam Á về xuất khẩu đồ gỗ và đã tiếp cận thị trường tại hơn 120 quốc gia, trong đó các thị trường lớn như EU, Hoa Kỳ và Nhật Bản chiếm hơn 70% tổng kim ngạch xuất khẩu. Tuy nhiên, thị phần đồ gỗ của Việt Nam trên trường quốc tế vẫn ở mức dưới 1%. Hoạt động sản xuất tại các cơ sở chế biến gỗ trong nước phần lớn có quy mô vừa và nhỏ, trang thiết bị đơn chiếc và quy trình gia công còn phụ thuộc nhiều vào thao tác thủ công hoặc các dòng máy công cụ đơn chức năng riêng biệt (máy tiện riêng, máy khoan riêng).

Thực trạng này dẫn đến việc phôi gỗ phải vận chuyển và gá đặt nhiều lần qua các máy khác nhau, làm kéo dài chu kỳ sản xuất, tăng nhân công và giảm độ chính xác đồng tâm của sản phẩm. Việc nhập khẩu máy móc chuyên dụng từ nước ngoài gặp trở ngại do chi phí đầu tư lớn, hạn chế về dải đường kính phôi gia công lớn, cũng như khó khăn trong công tác vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa.

Nhằm giải quyết bài toán công nghệ và kinh tế trên, đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình máy khoan và máy tiện gỗ chuyên dùng" được thực hiện bởi nhóm tác giả Bùi Văn Trầm, Hà Văn Đạt, Trần Trung Tín dưới sự hướng dẫn của KS. Nguyễn Tất Toản tại Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (hoàn thành tháng 01/2016).

Nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Thiết kế nguyên lý và hệ thống truyền động cho máy gia công gỗ liên hợp thực hiện cả 2 chức năng tiện và khoan trên cùng một trục làm việc, tích hợp cụm ụ trục chính có khả năng chuyển động tịnh tiến dọc.
  2. Xây dựng mô hình hình học 3D, thiết kế chi tiết máy và xuất tập bản vẽ kỹ thuật bằng phần mềm Autodesk Inventor.
  3. Tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm sức bền các chi tiết máy chính (động cơ, bộ truyền đai, trục chính rỗng, then, ổ lăn, bộ truyền thanh răng - bánh răng, kết cấu khung đế).
  4. Thiết kế dàn khung chuyên dụng để định vị và kẹp chặt phôi gỗ phục vụ nguyên công khoan lỗ lớn.
  5. Chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình vật lý thử nghiệm để kiểm chứng nguyên lý hoạt động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng gia công: Phôi gỗ thuộc nhóm V (nhóm gỗ có tỷ trọng trung bình, được sử dụng phổ biến trong xây dựng và đồ mộc dân dụng như Sồi, Dẻ, Trám, Thông...).
  • Phạm vi thông số kỹ thuật thiết kế:
    • Kích thước phôi gia công khoan: Đường kính $\Phi = 350 - 450\text{ mm}$, chiều dài $L = 2000\text{ mm}$.
    • Kích thước phôi gia công tiện: Đường kính $\Phi = 400 - 600\text{ mm}$, chiều dài $L = 1200\text{ mm}$.
    • Năng suất thiết kế: 10 cây/ngày (ca làm việc 8 giờ).
    • Cấp tốc độ quay trục chính: 3 cấp gồm 500 vòng/phút, 750 vòng/phút và 1000 vòng/phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết chuyên ngành

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cắt gọt gỗ, tính toán thiết kế máy công cụ và nguyên lý chi tiết máy, tập trung vào hai mảng chính:

  1. Lý thuyết vật liệu dụng cụ cắt gọt gỗ: Phân tích thành phần hóa học, cơ tính và phạm vi ứng dụng của các nhóm vật liệu chế tạo dao cắt trong ngành gỗ:

    • Thép cacbon dụng cụ: Hàm lượng cacbon $C \le 1,09%$, tạp chất có hại được khống chế nghiêm ngặt ($P < 0,03%$, $S < 0,03%$, $Mn \le 0,3%$, $Si < 3,5%$). Các mác thép khảo sát gồm Y7, Y8, Y9, Y10 và Y7A.
    • Thép hợp kim dụng cụ: Các mác thép được hợp kim hóa bằng Crom, Vonfram, Silic, Vanadi, Molipden, Coban như X14M, X12F, 9XC, B2, X6VF, 9X5VF, 5XBG, XBG, 9XF, 65XF nhằm tăng độ thấm tôi, khả năng chống mài mòn và độ bền nhiệt.
    • Thép gió (thép cao tốc): Hàm lượng Vonfram từ 6% đến 18% (các mác P9, P18, P9F2K5, P9K5), cho phép nâng tốc độ cắt gọt lên 3 đến 4 lần so với thép cacbon.
    • Hợp kim cứng (kim loại cứng): Hệ hợp kim Vonfram - Coban (như BK6M, BK6, BK8, BK10, BK13, BK20) có độ cứng đạt 85,0 - 88,0 HRC, ứng suất nén 1200 - 1600 $\text{N/mm}^2$, nâng tuổi thọ làm việc giữa 2 lần mài lên gấp 40 - 60 lần khi gia công gỗ cứng.

  2. Nguyên lý khoan và khoét gỗ:

    • Xác định vận tốc cắt lớn nhất: $V_{\max} = \frac{\pi D n}{60}\text{ (m/s)}$ và vận tốc trung bình $V_{tb}$.
    • Lượng ăn dao răng: $u_z = \frac{u}{1000 \cdot z}\text{ (mm/răng)}$, với $z$ là số lưỡi cắt tham gia cắt gọt và $u$ là tốc độ ăn dao.
    • Lực cắt khi khoan lỗ: $P = \frac{D \cdot u_z \cdot K}{4}\text{ (N)}$, trong đó $K$ là tỷ suất lực cắt phụ thuộc vào đường kính $D$ và chiều dày phoi $h$.
    • Công suất cắt gọt: $N = \frac{K \cdot u_z \cdot V}{408}\text{ (kW)}$.
    • Lực đẩy phôi khi khoan: $Q = P_m = (1,0 \div 1,6)P$.
    • Thông số hình học lưỡi cắt mũi khoan gỗ: Góc đỉnh $2\varphi = (116^\circ \div 120^\circ)$, góc nghiêng phụ $\alpha_1 = (2^\circ \div 4^\circ)$, góc nghiêng lưỡi cắt ngang $\Psi = 55^\circ$, góc xoắn rãnh thoát phoi $\omega = (25^\circ \div 30^\circ)$ hoặc $(8^\circ \div 12^\circ)$ tùy theo vật liệu gia công.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát các giáo trình tính toán hệ thống dẫn động cơ khí, sổ tay thiết kế cơ khí, lý thuyết cắt gọt gỗ và phân tích kết cấu các dòng máy tiện, máy khoan đứng hiện có trên thị trường.
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: So sánh các phương án bố trí động học (phương án tiện riêng, khoan riêng và phương án tích hợp chung trục chính) để lựa chọn phương án dẫn động tối ưu.
  • Phương pháp mô hình hóa và CAD/CAE: Xây dựng mô hình không gian 3D của toàn bộ kết cấu máy và cụm chi tiết trên phần mềm Autodesk Inventor; mô phỏng hoạt động động học trước khi chế tạo.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Gia công cơ khí các chi tiết phi tiêu chuẩn, lắp ráp mô hình vật lý và vận hành thử nghiệm kiểm tra tính ổn định.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa ngành chế biến gỗ. Phân tích sự cần thiết của việc thay thế quy trình thủ công đơn chiếc bằng máy liên hợp 2 chức năng tiện - khoan trên cùng một bệ máy. Xác định mục tiêu thiết kế 3D bằng Autodesk Inventor, tính toán hệ thống cơ khí, gia công lắp ráp mô hình thực nghiệm và quy định các yêu cầu kỹ thuật cơ bản: kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ bảo dưỡng, vận hành an toàn và đạt tuổi thọ cao.

Chương 2: Tổng quan

Nội dung chương tập trung vào bức tranh tổng thể của ngành lâm nghiệp và chế biến gỗ tại Việt Nam. Trình bày số liệu thống kê hiện trạng diện tích rừng cuối năm 1999 (độ che phủ đạt 27,0%) và diễn biến diện tích rừng qua các giai đoạn từ năm 1945 đến năm 2002 (tổng diện tích rừng đạt 11,78 triệu ha, độ che phủ tăng lên 35,8%).

Chỉ tiêu / Năm 1945 1976 1985 1995 1999 2002
Tổng diện tích rừng (nghìn ha) 14.300 11.169 9.892 9.302 10.995 11.785
Rừng tự nhiên (nghìn ha) 14.300 11.076 9.308 8.253 9.471 9.865
Rừng trồng (nghìn ha) 0 0,092 0,584 1,050 1,524 1,920
Độ che phủ (%) 43,0 33,8 30,0 28,2 33,2 35,8

Chương cũng hệ thống hóa bảng phân loại 8 nhóm gỗ tại Việt Nam dựa trên khối lượng riêng/tỷ trọng và cơ tính (từ nhóm I - gỗ quý vân đẹp như Lát hoa, Cẩm lai đến nhóm VIII - gỗ rất nhẹ, sức chịu lực rất kém như Sung, Côi, Ba bét). Đồng thời, tổng kết các nhược điểm của máy tiện, máy khoan nhập khẩu và đề xuất mục tiêu cải tiến chế tạo nội địa với ụ trục chính di trượt tịnh tiến.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày hệ thống lý thuyết về vật liệu chế tạo dụng cụ cắt gỗ (thép cacbon Y7 - Y10, thép hợp kim X14M, 9XC, thép gió P9, P18, hợp kim cứng BK6, BK8...). Phân tích cấu tạo hình học phần cắt mũi khoan gỗ gồm 5 lưỡi cắt (2 lưỡi cắt chính, 2 lưỡi cắt phụ, 1 lưỡi cắt ngang) và các góc độ cắt ($\varphi, \alpha_1, \Psi, \omega, \gamma, \alpha$). Thiết lập các công thức toán học xác định vận tốc cắt, lượng chạy dao, lực cắt $P$, công suất cắt $N$ và lực kẹp/đẩy phôi $Q$. Phân loại các kết cấu mũi khoan (định tâm, mũi khoan có cạnh xén, mũi khoan có trục đẩy tâm, mũi thìa, xoắn ốc, ruột gà, mũi mở) và nguyên lý mũi khoét gỗ nhiều răng ($z = 3 \div 4$ răng).

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Đánh giá ưu và nhược điểm của 3 phương án công nghệ:

  1. Máy tiện gỗ thông thường: Gia công được nhiều loại gỗ, kết cấu gọn nhưng chỉ tiện được một chức năng, năng suất thấp, phụ thuộc tay nghề thợ.
  2. Máy khoan gỗ đứng: Lỗ khoan chuẩn, độ cứng vững tốt nhưng máy cồng kềnh, giá thành cao, hành trình khoan ngắn, giới hạn đường kính khoan.
  3. Máy tiện và khoan kết hợp trên cùng 1 trục làm việc: Kết cấu tích hợp, hộp trục chính di trượt tiến - lùi linh hoạt, tiết kiệm diện tích và hạ giá thành chế tạo.

Nhóm tác giả quyết định lựa chọn phương án 3 làm giải pháp thiết kế cho đồ án.

Chương 5: Tính toán, thiết kế các thông số của máy

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán động học và động lực học:

  • Tính chọn công suất động cơ dẫn động chính: $P_{đc} = 15\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n_{đc} = 1460\text{ vòng/phút}$.
  • Thiết kế bộ truyền đai hình thang: Chọn đai loại B, đường kính bánh dẫn $d_1 = 280\text{ mm}$, bánh bị dẫn $d_2 = 200\text{ mm}$, chiều rộng vành bánh đai $B = 85\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 320\text{ mm}$, chiều dài tiêu chuẩn $l = 1400\text{ mm}$ (kiểm nghiệm $l = 1430\text{ mm}$), số đai $z = 3$, lực tác dụng lên trục $F_r = 2754\text{ N}$.
  • Thiết kế và kiểm nghiệm trục chính: Sử dụng vật liệu thép C45 ($\sigma_b = 600\text{ MPa}, [\tau] = 15 \div 30\text{ MPa}$). Lựa chọn phương án trục rỗng với đường kính ngoài $d_1 = 65\text{ mm}$, đường kính lỗ trong $d_2 = 42\text{ mm}$ (tỷ số $d_2/d_1 = 0,7$ thỏa mãn hệ số an toàn $K = 1,2$), đường kính ngõng trục lắp ổ lăn $d_k = 60\text{ mm}$, ngõng lắp puly $d_3 = 59\text{ mm}$, khoảng gối đỡ $l_{11} = 540\text{ mm}$. Biểu đồ mômen uốn xác định mômen uốn tổng lớn nhất tại tiết diện nguy hiểm $M_u = 328.414,5\text{ N}\cdot\text{mm}$.
  • Chọn then bằng: Kích thước then $b = 18\text{ mm}$, $h = 11\text{ mm}$, $t_1 = 7\text{ mm}$, $t_2 = 4,4\text{ mm}$. Ứng suất dập $\sigma_d = 21\text{ N/mm}^2 < [\sigma_d] = 80\text{ N/mm}^2$; ứng suất cắt $\tau_c = 7,7\text{ N/mm}^2 < [\tau_c] = 60\text{ N/mm}^2$.
  • Tính chọn và kiểm nghiệm ổ lăn: Chọn cặp ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46212 ($d = 60\text{ mm}, D = 110\text{ mm}, b = 22\text{ mm}, C = 45,4\text{ kN}, C_0 = 36,8\text{ kN}$). Tải trọng động tính toán $C_d = 31,8\text{ kN} < C$; tải trọng tĩnh quy ước $Q_0 = 1,887\text{ kN} < C_0$.
  • Thiết kế bộ truyền thanh răng - bánh răng: Môđun pháp $m_n = 3$, góc profin $\alpha = 20^\circ$, góc nghiêng răng $\beta = 15^\circ$, chiều cao răng $h = 6,75\text{ mm}$, chiều dài thanh răng $L = 2500\text{ mm}$. Bánh răng dẫn có số răng $z = 19$, đường kính vòng chia $d = 57\text{ mm}$, đường kính đỉnh $d_a = 63\text{ mm}$.
  • Kiểm nghiệm kết cấu dao khoan (các thân dao $\Phi 150, \Phi 260, \Phi 360$), thanh trượt, con trượt và kiểm tra độ bền, lực kẹp của bệ gá gỗ khi khoan.

Chương 6: Chế tạo, thử nghiệm

Trình bày quy trình gia công, lắp ráp thực tế các cụm chi tiết của mô hình: gia công hộp trục chính, nắp bích chặn ổ bi, ống nối trục - cán dao, trục tay quay, bộ hai nửa khối V gá đặt phôi, đế máy tiện gắn thanh trượt và thanh răng dài 2500 mm, bàn xa dao, các tấm trung gian bắt cơ cấu tay quay.

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về tính toán lý thuyết, thiết kế 3D và chế tạo mô hình thực tế. Đưa ra các định hướng hoàn thiện máy cho các nghiên cứu tiếp theo.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ khí

Kết cấu máy được thiết kế dưới dạng máy công cụ liên hợp, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ làm việc:

                      [Động cơ 15 kW (1460 v/ph)]
                       (Bộ truyền đai thang B, z=3)
                   [Ụ trục chính di động tịnh tiến]
                   (Trục rỗng Φ65/Φ42, Ổ lăn 46212)
                     (3 cấp tốc độ: 500/750/1000 v/ph)
[Chế độ Tiện gỗ]                                [Chế độ Khoan gỗ]
Phôi kẹp giữa mâm cặp/chống tâm                 Phôi kẹp chặt trên khối V
Ụ trục chính cố định trên băng máy              Ụ trục chính di chuyển tịnh tiến
Bàn xa dao di chuyển cắt gọt                    Đầu dao khoan chuyên dùng (Φ150-360)
Phôi max: Φ(400-600) x 1200 mm                  Phôi max: Φ(350-450) x 2000 mm

1. Cơ cấu dẫn động chính và truyền chuyển động

  • Nguồn động lực: Động cơ điện công suất $P = 15\text{ kW}$, tốc độ quay $n = 1460\text{ vòng/phút}$.
  • Bộ truyền đai thang: Puly 3 bậc dẫn động đai thang bản B, cho phép thay đổi 3 cấp tốc độ trục chính: $n_1 = 1000\text{ vòng/phút}$ (chế độ khoan lớn), $n_2 = 750\text{ vòng/phút}$, $n_3 = 500\text{ vòng/phút}$.
  • Thông số hình học bộ truyền đai:
Đại lượng thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Tiết diện dây đai - Bản B -
Đường kính bánh đai nhỏ $d_1$ 280 mm
Đường kính bánh đai lớn $d_2$ 200 mm
Tỷ số truyền thực tế $u_t$ 0,72 -
Chiều dài dây đai tiêu chuẩn $l$ 1400 (thực tế 1430) mm
Khoảng cách trục $a$ 320 mm
Chiều rộng vành bánh đai $B$ 85 mm
Số lượng dây đai $z$ 3 sợi
Lực căng tác dụng lên trục $F_r$ 2754 N

2. Cụm trục chính và gối đỡ

  • Kết cấu trục rỗng: Nhằm giảm tự trọng và nâng cao độ cứng vững chống uốn/xoắn, trục chính được chế tạo rỗng từ thép C45 với đường kính ngoài $d_1 = 65\text{ mm}$, đường kính lỗ trong $d_2 = 42\text{ mm}$, chiều dài nhịp gối đỡ $l_{11} = 540\text{ mm}$.
  • Hệ thống ổ lăn: Sử dụng cặp ổ bi đỡ - chặn ký hiệu 46212 có kích thước $d \times D \times b = 60 \times 110 \times 22\text{ mm}$, khả năng tải động danh định $C = 45,4\text{ kN}$, tải tĩnh $C_0 = 36,8\text{ kN}$, đảm bảo khả năng chịu lực hướng tâm lớn nhất $F_{rB} = 3774\text{ N}$ và lực dọc trục khi khoan.
  • Liên kết then: Sử dụng then bằng kích thước mặt cắt $18 \times 11\text{ mm}$, chiều sâu rãnh then trên trục $t_1 = 7\text{ mm}$, trên mayơ $t_2 = 4,4\text{ mm}$.

3. Cơ cấu di chuyển tịnh tiến và gá đặt phôi

  • Cơ cấu thanh răng - bánh răng ăn khớp: Bố trí thanh răng dài $L = 2500\text{ mm}$ chạy dọc theo thân đế máy kết hợp bánh răng dẫn $z = 19$ răng, môđun $m = 3$, góc nghiêng răng $\beta = 15^\circ$ nối với cụm tay quay để điều khiển bước tiến ăn dao tịnh tiến của toàn bộ ụ trục chính khi khoan.
  • Cơ cấu gá đặt phôi khoan: Dàn khung chuyên dụng gắn hệ thống hai nửa khối V định vị đồng tâm, kết hợp đòn kẹp ren vít để chống xoay và cố định vững chắc thân gỗ tròn có đường kính lên tới $450\text{ mm}$ và chiều dài $2000\text{ mm}$.
  • Cụm dao khoan chuyên dùng: Thiết kế thân dao dạng mở rộng với các cỡ đường kính lắp ghép $\Phi 150\text{ mm}, \Phi 260\text{ mm}, \Phi 360\text{ mm}$ gắn lưỡi cắt chuyên dụng phục vụ khoét rỗng lõi gỗ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Đã hoàn thành bộ hồ sơ tính toán cơ học và thiết kế kỹ thuật chi tiết của máy khoan và tiện gỗ chuyên dùng, kiểm nghiệm đầy đủ điều kiện bền uốn, bền dập, bền cắt và tuổi thọ ổ lăn theo tiêu chuẩn thiết kế máy công cụ.
  2. Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh trên phần mềm Autodesk Inventor, xuất tập bản vẽ lắp và các bản vẽ chế tạo chi tiết (trục chính, hộp trục chính, nắp bích, bàn xa dao, khối V, đế máy).
  3. Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh gồm: bệ thân máy gắn ray trượt và thanh răng $L = 2500\text{ mm}$, hộp trục chính di động, cụm gá đặt phôi khối V, hệ thống truyền động đai 3 cấp tốc độ và các đầu dao khoan chuyên dùng.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Tích hợp công nghệ: Đề xuất và hiện thực hóa thành công giải pháp kết hợp 2 nguyên công gia công gỗ nặng (tiện tròn định hình và khoan khoét lỗ sâu lớn) trên cùng một bệ máy và một trục dẫn động chính, giúp cắt giảm một nửa diện tích lắp đặt máy móc trong nhà xưởng.
  • Tối ưu hóa chi phí sản xuất: Giảm chi phí đầu tư máy móc ban đầu cho các cơ sở chế biến gỗ vừa và nhỏ; hạn chế thời gian phụ chuyển đổi phôi giữa các máy, góp phần nâng cao năng suất (thiết kế đạt 10 khúc gỗ/ca 8 giờ) và hạ giá thành sản xuất.
  • Tự chủ công nghệ chế tạo: Toàn bộ kết cấu máy được tính toán dựa trên vật liệu phổ thông trong nước (thép C45, kết cấu thép hàn định hình, các chi tiết tiêu chuẩn như then, đai thang B, ổ bi 46212), tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia công, bảo trì và sửa chữa tại chỗ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Đề tài mới dừng lại ở mức chế tạo và thử nghiệm mô hình thực nghiệm trong phạm vi xưởng trường; chưa triển khai kiểm nghiệm tải thực tế liên tục trong môi trường công nghiệp dài ngày.
  • Quá trình chạy dao khoan lỗ sâu và tịnh tiến ụ trục chính vẫn sử dụng cơ cấu truyền động tay quay thủ công thông qua cặp thanh răng - bánh răng, đòi hỏi lực tác động cơ học từ người vận hành.
  • Dao khoan khoét đường kính lớn ($\Phi 150 \div 360\text{ mm}$) là dao gia công chuyên dùng đơn chiếc, chưa được tiêu chuẩn hóa công nghiệp hàng loạt.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tự động hóa quá trình ăn dao bằng việc tích hợp động cơ bước hoặc hệ thống thủy lực/khí nén điều khiển bước tiến tịnh tiến của hộp trục chính.
  • Trang bị hệ thống điều khiển số hoặc biến tần để điều chỉnh dải tốc độ quay vô cấp thay vì chuyển đổi cấp puly đai cơ khí thủ công.
  • Hoàn thiện kết cấu cụm che chắn an toàn, hệ thống hút bụi gỗ tập trung và tối ưu hóa hình học lưỡi dao khoét nhằm tăng tốc độ thoát phoi khi khoan lỗ sâu dài 2000 mm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Công nghiệp, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán hệ thống dẫn động máy cắt gọt gỗ, phương pháp tính chọn công suất cắt gọt phôi phi kim loại, cách thiết kế và kiểm nghiệm trục rỗng chịu lực phức tạp, chọn ổ lăn đỡ chặn và thiết kế bộ truyền đai thang.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên thiết kế máy công cụ chế biến gỗ: Tham khảo giải pháp kết cấu tích hợp tiện - khoan trên cùng một trục chính, kết cấu cụm khối V gá kẹp phôi gỗ kích thước lớn và phương pháp gia công đầu dao khoan khoét chuyên dùng.
  • Các xưởng chế biến gỗ và sản xuất đồ mỹ nghệ: Cung cấp định hướng cải tiến thiết bị, tự chế tạo máy công cụ giá thành thấp phục vụ nhu cầu gia công cột gỗ, lục bình, ống gỗ tròn mỹ nghệ kích thước lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn phương án tích hợp cả tiện và khoan trên cùng một trục làm việc thay vì sử dụng hai máy riêng biệt?
Trả lời: Việc tích hợp hai chức năng giúp khắc phục nhược điểm của việc gia công đơn chiếc trên nhiều máy: giảm diện tích lắp đặt xưởng, giảm thời gian vận chuyển và gá đặt phôi nhiều lần, đảm bảo độ đồng tâm của phôi gỗ giữa nguyên công tiện ngoài và khoan khoét lõi, đồng thời giảm đáng kể chi phí đầu tư máy móc ban đầu cho các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ.

2. Động cơ điện và hệ thống truyền động đai của máy được tính chọn với các thông số kỹ thuật nào?
Trả lời: Động cơ được chọn có công suất $P_{đc} = 15\text{ kW}$, tốc độ quay $n_{đc} = 1460\text{ vòng/phút}$. Hệ thống dẫn động sử dụng bộ truyền đai thang loại B gồm 3 sợi đai ($z = 3$), đường kính puly dẫn $d_1 = 280\text{ mm}$, puly bị dẫn $d_2 = 200\text{ mm}$, chiều rộng vành puly $B = 85\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 320\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $l = 1400\text{ mm}$ (thực tế $1430\text{ mm}$), tạo ra 3 cấp tốc độ trục chính là 500, 750 và 1000 vòng/phút.

3. Kết cấu trục chính được thiết kế đặc biệt như thế nào để vừa chịu lực tốt vừa giảm khối lượng?
Trả lời: Trục chính được thiết kế dưới dạng trục rỗng làm bằng thép C45 ($\sigma_b = 600\text{ MPa}$), có đường kính ngoài $d_1 = 65\text{ mm}$ và đường kính lỗ trong $d_2 = 42\text{ mm}$. Tỷ số $d_2/d_1 = 0,7$ thỏa mãn hệ số an toàn $K = 1,2$, giúp giảm đáng kể trọng lượng của trục mà vẫn đảm bảo độ bền xoắn, độ bền uốn ($M_u \max = 328.414,5\text{ N}\cdot\text{mm}$) và tăng độ cứng vững khi làm việc.

4. Ổ đỡ trục chính sử dụng loại ổ lăn nào và kết quả kiểm nghiệm tải trọng ra sao?
Trả lời: Máy sử dụng cặp ổ bi đỡ - chặn cỡ nhẹ hẹp ký hiệu 46212 với kích thước ngõng trục $d = 60\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 110\text{ mm}$, bề rộng $b = 22\text{ mm}$. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy khả năng tải động tính toán $C_d = 31,8\text{ kN} < C_{\text{bảng}} = 45,4\text{ kN}$ và tải trọng tĩnh quy ước $Q_0 = 1,887\text{ kN} < C_{0\text{ bảng}} = 36,8\text{ kN}$, hoàn toàn đảm bảo an toàn chịu lực.

5. Cơ cấu nào được sử dụng để tịnh tiến ụ trục chính trong quá trình khoan và phôi gỗ được gá đặt như thế nào?
Trả lời: Bước tiến tịnh tiến của ụ trục chính được thực hiện thông qua bộ truyền thanh răng - bánh răng gắn dọc thân máy ($L = 2500\text{ mm}, m = 3, z = 19, \beta = 15^\circ$) kết hợp tay quay điều khiển. Phôi gỗ khi khoan được định vị và kẹp chặt cố định trên dàn khung riêng biệt thông qua hệ thống hai nửa khối V và đòn kẹp ren vít, giúp cố định phôi gỗ có đường kính $\Phi(350 - 450)\text{ mm}$ và chiều dài đến $2000\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình máy khoan và máy tiện gỗ chuyên dùng" của nhóm sinh viên Bùi Văn Trầm, Hà Văn Đạt và Trần Trung Tín đã giải quyết thành công bài toán tích hợp công nghệ tiện và khoan gỗ kích thước lớn trên cùng một hệ thống máy công cụ. Nghiên cứu đã hoàn thành đầy đủ các nội dung từ cơ sở lý thuyết cắt gọt gỗ, tính toán thiết kế động học - động lực học, xây dựng mô hình 3D trên Autodesk Inventor cho đến chế tạo mô hình thực nghiệm hoạt động ổn định. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp giải pháp công nghệ thiết thực cho ngành chế tạo máy công cụ phục vụ chế biến lâm sản trong nước.