Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí, đồ gá là một trong những trang bị công nghệ quan trọng, quyết định trực tiếp đến độ chính xác gia công, năng suất và hiệu quả kinh tế của quá trình chế tạo. Tuy nhiên, theo ghi nhận thực tế từ Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy và các ngành cơ khí nói chung thường nắm lý thuyết chưa sâu sắc, còn mơ hồ về kết cấu đồ gá. Nguyên nhân xuất phát từ việc thiếu điều kiện tiếp cận các mô hình đồ gá trực quan ngoài đời thực, trong khi các bản vẽ đồ gá trong các tập Atlat và sách giáo trình chuyên ngành thường trình bày dạng hình vẽ phẳng, độ tương phản và chi tiết kỹ thuật chưa rõ ràng.

Nhằm giải quyết khó khăn trên và cung cấp giáo cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy, nhóm tác giả đã thực hiện đề tài tốt nghiệp với mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  • Mục tiêu nghiên cứu: Cung cấp phương tiện trực quan, mẫu vật thực tế phục vụ công tác giảng dạy và học tập môn học Công nghệ chế tạo máy cũng như Đồ án công nghệ chế tạo máy; giúp người học hiểu rõ phương pháp gá đặt, nguyên lý định vị 6 bậc tự do và cơ cấu kẹp chặt trên mô hình thật.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu (theo thuyết minh đề tài):
    1. Tìm hiểu các yêu cầu kỹ thuật và sư phạm đối với đồ dùng dạy học chuyên ngành cơ khí.
    2. Nghiên cứu kết cấu chi tiết gia công Giá lắp bulong cong, phân tích chức năng làm việc, xác định dạng sản xuất và lựa chọn phương pháp tạo phôi phù hợp.
    3. Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí trên máy công cụ vạn năng (phân chia 6 nguyên công).
    4. Tính toán lượng dư gia công theo phương pháp giải tích cho nguyên công gia công then chốt (nguyên công 6 - khoét, doa lỗ $\varnothing 24$).
    5. Lập quy trình công nghệ và thiết kế các nguyên công gia công trên trung tâm phay CNC.
    6. Tính toán kết cấu, phân tích lực kẹp, mô phỏng ứng suất, chuyển vị và thiết kế chi tiết hệ thống đồ gá chuyên dùng cho các nguyên công (tập trung tính toán chuyên sâu cho 2 đồ gá ở nguyên công 3 và nguyên công 6).
    7. Chế tạo thực nghiệm 2 đồ gá bằng vật liệu nhẹ (hợp kim nhôm) để làm mô hình giảng dạy và tính toán sơ bộ giá thành.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Chi tiết "Giá lắp bulong cong" (thuộc nhóm chi tiết dạng càng, vật liệu gang xám GX 15-32) và hệ thống đồ gá chuyên dùng định vị, kẹp chặt chi tiết này trên máy phay đứng và máy phay CNC.
    • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, tính toán công nghệ, lập bản vẽ và gia công thực nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
    • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao nhiệm vụ từ ngày 15/02/2016 và hoàn thành bảo vệ vào tháng 06/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế công nghệ

Nghiên cứu áp dụng đồng bộ các nguyên lý công nghệ chế tạo máy, lý thuyết thiết kế đồ gá cắt gọt kim loại và kỹ thuật mô phỏng cơ học tính toán:

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng:
    • Nguyên lý chọn chuẩn công nghệ: Xác định chuẩn thô cho các bước gia công đầu tiên nhằm phân bố lượng dư đều; thiết lập hệ chuẩn tinh thống nhất gồm một mặt phẳng đáy (khống chế 3 bậc tự do) và hai lỗ vuông góc với mặt phẳng đáy (khống chế 3 bậc tự do) để triệt tiêu sai số tích lũy giữa các nguyên công.
    • Lý thuyết định vị và kẹp chặt 6 bậc tự do: Ứng dụng quy tắc định vị điểm tựa cứng (phiến tỳ phẳng khống chế 3 bậc tự do; chốt trụ khống chế 2 bậc tự do; chốt trám khống chế 1 bậc tự do; chốt côn tự lựa và khối V ngắn di động). Sử dụng lý thuyết cơ học tính lực kẹp từ cơ cấu ren vít và cơ cấu cam lệch tâm nhằm đảm bảo phôi không bị dịch chuyển, xoay hoặc biến dạng dưới tác dụng của lực cắt.
    • Phương pháp tính lượng dư giải tích Kovan: Xác định lượng dư gia công nhỏ nhất dựa trên chiều cao nhấp nhô tế vi bề mặt ($R_z$), chiều sâu lớp hư hỏng bề mặt ($T_a$), sai lệch vị trí không gian tổng cộng ($\rho$) và sai số gá đặt ($\varepsilon_{\text{gđ}}$).
    • Phần mềm hỗ trợ kỹ thuật: Sử dụng SolidWorks để dựng mô hình không gian 3D của chi tiết, tính toán thể tích vật thể ($V = 1{,}3\text{ dm}^3$) và ứng dụng mô-đun CAE để phân tích ứng suất Von Mises, biến dạng đàn hồi, chuyển vị và hệ số an toàn của thân đồ gá.
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đọc bản vẽ, phân tích tính công nghệ trong kết cấu chi tiết dạng càng có lỗ vuông góc và thân cong; so sánh ưu nhược điểm của các phương án công nghệ trên máy vạn năng và máy CNC.
    • Phương pháp tính toán giải tích: Tính sản lượng hàng năm theo công thức $N = N_0 \cdot (1 + (\alpha + \beta)/100)$ với lượng dự trữ $\beta = 5%$ và phế phẩm $\alpha = 5%$; xác định chế độ cắt ($t, s, v, n$), công suất máy ($N_c$) và thời gian gia công từng nguyên công ($T_0, T_{\text{tc}}$).
    • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Triển khai gia công cắt gọt thực tế 2 bộ đồ gá bằng phôi nhôm tại xưởng cơ khí, tiến hành lắp ráp, kiểm tra khả năng đóng/mở kẹp và định vị phôi chi tiết giá lắp bulong cong.
  • Nguồn dữ liệu:
    • Bản vẽ chi tiết giá lắp bulong cong do giáo viên hướng dẫn giao.
    • Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, bảng tra dung sai lắp ghép, chế độ cắt tiêu chuẩn.
    • Cơ sở dữ liệu và thông số dụng cụ cắt mảnh hợp kim cứng từ hãng Seco Tools.
    • Thông số kỹ thuật của máy phay đứng vạn năng 6H12 và máy phay CNC 3 trục EmcoMill 750.

Nội dung chính theo từng chương

Tìm hiểu về đồ dùng dạy học

Phần mở đầu đánh giá thực trạng công tác đào tạo thực hành cơ khí, khẳng định sự cần thiết của các giáo cụ trực quan trong việc truyền đạt kiến thức môn học Công nghệ chế tạo máy. Văn bản đề ra các tiêu chí bắt buộc khi thiết kế và chế tạo đồ dùng dạy học:

  • Tính chính xác công nghệ: Thể hiện đúng sơ đồ định vị đủ bậc tự do và hướng đặt lực kẹp.
  • Tính thẩm mỹ và tiện dụng: Mô hình có trọng lượng nhẹ, bề mặt gia công sáng đẹp, kết cấu thông thoáng giúp người học quan sát rõ từng chi tiết cấu thành (phiến tỳ, chốt định vị, thân đồ gá, cơ cấu cam, đòn kẹp).

Chương I: Nghiên cứu chi tiết gia công và tạo phôi

  • Phân tích chi tiết: Chi tiết thuộc dạng càng, chức năng dùng để lắp các bulong cong. Các bề mặt gia công chính gồm:
    • Mặt lỗ $\varnothing 24$ yêu cầu độ bóng Ra 1,25 (cấp chính xác IT7).
    • Hai mặt lỗ $\varnothing 15$ yêu cầu độ bóng Ra 1,25 (cấp chính xác IT7).
    • Bề mặt đáy kích thước $l = 52\text{ mm}$ yêu cầu độ nhám Rz 20.
    • Mặt phẳng đầu của trụ $\varnothing 52$ yêu cầu độ nhám Rz 20.
  • Xác định dạng sản xuất: Thể tích chi tiết tính bằng lệnh đo thể tích trên SolidWorks đạt $V = 1{,}3\text{ dm}^3$. Kết hợp khối lượng riêng của gang và sản lượng hàng năm ($N = 50$ nghìn chiếc/năm theo tính toán kế hoạch kèm hệ số phế phẩm $\alpha = 5%$, dự trữ $\beta = 5%$), tác giả xác định dạng sản xuất là hàng khối/hàng loạt lớn.
  • Tính công nghệ kết cấu: Chi tiết dạng thanh cong trong không gian, độ cứng vững theo phương ngang kém, dễ bị biến dạng uốn khi chịu lực cắt lớn; chiều dài các lỗ cơ bản khác nhau và các tâm lỗ vuông góc cần kết cấu gá đặt chuyên biệt.
  • Chọn phôi và phương pháp tạo phôi: Phân tích 6 phương pháp đúc (khuôn cát mẫu gỗ, khuôn cát mẫu kim loại, đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực, đúc khuôn vỏ mỏng, đúc liên tục). Kết luận chọn phương pháp đúc trong khuôn kim loại với mẫu bằng gỗ, vật liệu gang xám GX 15-32. Cấp chính xác vật đúc đạt cấp III, cấp chính xác kích thước phôi IT7, độ nhám bề mặt Rz = 80 µm. Lượng dư gia công mặt phẳng đáy là 3 mm, lượng dư gia công mặt lỗ là 2 mm.

Chương II: Quy trình công nghệ gia công trên máy vạn năng

Tác giả xây dựng và so sánh hai phương án thứ tự nguyên công, lựa chọn phương án 1 với mức độ phân tán nguyên công hợp lý gồm 6 nguyên công liên tục:

  • Nguyên tắc chuẩn định vị: Chọn chuẩn thô là mặt phẳng đáy, mặt lỗ thô $\varnothing 24$ và mặt bên. Chuẩn tinh thống nhất xuyên suốt các nguyên công chính là mặt phẳng đáy (hạn chế 3 bậc tự do) kết hợp với 2 lỗ $\varnothing 15$ vuông góc với mặt đáy (hạn chế 3 bậc tự do).
  • Trình tự gia công:
    1. Nguyên công 1: Phay mặt phẳng đáy I.
    2. Nguyên công 2: Phay mặt phẳng đáy II.
    3. Nguyên công 3: Khoan, doa 2 lỗ $\varnothing 15$.
    4. Nguyên công 4: Phay mặt phẳng đầu trụ $\varnothing 52$.
    5. Nguyên công 5: Phay mặt phẳng đầu trụ $\varnothing 52$ (đầu đối diện).
    6. Nguyên công 6: Khoét, doa lỗ $\varnothing 24$.

Chương III: Thiết kế nguyên công

Chương này tính toán chế độ cắt, chọn dao, tính công suất và xác định thời gian gia công cho từng nguyên công trên máy phay đứng vạn năng 6H12 (công suất động cơ 7 kW, hiệu suất $\eta = 0{,}75$, kích thước bàn máy $320 \times 1250\text{ mm}$):

Nguyên công Bề mặt gia công Dao cắt & Dụng cụ Chế độ cắt chính (Chiều sâu $t$, Lượng chạy dao, Tốc độ $V$, Vòng quay $n$) Công suất $N_c$ (kW) Thời gian nguyên công $T_{\text{tc}}$ (phút)
NC 1 Phay đáy I Dao phay mặt đầu BK6 ($D=60\text{ mm}, Z=16$) Phay thô: $t=2{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}2\text{ mm/răng}; V=36\text{ m/ph}; n=190\text{ v/ph}$
Phay tinh: $t=0{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}06\text{ mm/răng}; V=71\text{ m/ph}; n=375\text{ v/ph}$		 6,4 0,55
NC 2 Phay đáy II Dao phay mặt đầu BK6 ($D=60\text{ mm}, Z=16$) Phay thô: $t=2{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}2\text{ mm/răng}; V=36\text{ m/ph}; n=190\text{ v/ph}$
Phay tinh: $t=0{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}06\text{ mm/răng}; V=71\text{ m/ph}; n=375\text{ v/ph}$		 6,4 0,55
NC 3 Khoan, doa 2 lỗ $\varnothing 15$ Mũi khoan ruột gà thép gió $\varnothing 14{,}8$; dao doa $\varnothing 15$ Khoan: $t=7{,}4\text{ mm}; S=0{,}38\text{ mm/vg}; V=31{,}5\text{ m/ph}; n=753\text{ v/ph}$
Doa: $S=0{,}38\text{ mm/vg}; V=18\text{ m/ph}; n=375\text{ v/ph}$		 2,2 0,28
NC 4 Phay đầu $\varnothing 52$ Dao phay mặt đầu BK6 ($D=60\text{ mm}, Z=16$) Phay thô: $t=2{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}2\text{ mm/răng}; V=36\text{ m/ph}; n=190\text{ v/ph}$
Phay tinh: $t=0{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}06\text{ mm/răng}; V=71\text{ m/ph}; n=375\text{ v/ph}$		 6,4 0,30
NC 5 Phay đầu $\varnothing 52$ Dao phay mặt đầu BK6 ($D=60\text{ mm}, Z=16$) Phay thô: $t=2{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}2\text{ mm/răng}; V=36\text{ m/ph}; n=190\text{ v/ph}$
Phay tinh: $t=0{,}5\text{ mm}; S_z=0{,}06\text{ mm/răng}; V=71\text{ m/ph}; n=375\text{ v/ph}$		 6,4 0,30
NC 6 Khoét, doa lỗ $\varnothing 24$ Dao khoét $\varnothing 22, \varnothing 23{,}7$; dao doa $\varnothing 23{,}93, \varnothing 24$ (BK8) Khoét thô: $t=1\text{ mm}; S=1{,}3\text{ mm/vg}; V=86\text{ m/ph}; n=1180\text{ v/ph}$
Khoét tinh: $t=0{,}85\text{ mm}; S=1{,}3\text{ mm/vg}; V=97\text{ m/ph}; n=1180\text{ v/ph}$
Doa thô: $t=0{,}115\text{ mm}; S=1{,}2\text{ mm/vg}; V=15\text{ m/ph}; n=235\text{ v/ph}$
Doa tinh: $t=0{,}035\text{ mm}; S=1{,}2\text{ mm/vg}; V=15\text{ m/ph}; n=235\text{ v/ph}$		 4,9 1,00

Chương IV: Tính lượng dư

Tác giả áp dụng phương pháp giải tích để tính lượng dư cho bề mặt lỗ đối xứng $\varnothing 24$ qua 4 bước công nghệ: khoét thô, khoét tinh, doa thô và doa tinh.

  • Số liệu phôi và sai lệch không gian: Vật liệu gang xám GX 15-32 cấp chính xác III có $R_z + T_a = 600\ \mu\text{m}$.
    • Sai lệch cong vênh: $\rho_c = \sqrt{d^2 + l^2} \cdot \Delta_k = 243\ \mu\text{m}$ (với đường kính $d = 52\text{ mm}$, chiều dài lớn nhất $l = 196\text{ mm}$, độ cong giới hạn $\Delta_k = 1{,}2$).
    • Sai lệch khuôn đúc: $\rho_{lk} = 600\ \mu\text{m}$.
    • Sai lệch không gian tổng cộng của phôi: $\rho_{\text{phôi}} = \sqrt{\rho_c^2 + \rho_{lk}^2} = \sqrt{243^2 + 600^2} = 647\ \mu\text{m}$.
    • Giá trị còn lại qua các bước: sau khoét thô $\rho_1 = 32{,}35\ \mu\text{m}$; sau khoét tinh $\rho_2 = 6{,}47\ \mu\text{m}$; sau doa thô $\rho_3 = 1{,}294\ \mu\text{m}$; sau doa tinh $\rho_4 = 0$.
  • Sai số gá đặt: Sai số chuẩn xuất hiện do khe hở khi chi tiết xoay quanh 2 chốt định vị là $\varepsilon_k = 110\ \mu\text{m}$. Tổng sai số gá đặt ban đầu $\varepsilon_{\text{gđ}} = 119\ \mu\text{m}$. Sau khoét thô $\varepsilon_1 = 5{,}95\ \mu\text{m}$; sau khoét tinh $\varepsilon_2 = 1{,}19\ \mu\text{m}$; sau doa thô $\varepsilon_3 = 0{,}238\ \mu\text{m}$; doa tinh không khắc phục được sai số gá đặt ($\varepsilon_4 = 0$).
  • Tổng hợp lượng dư và kích thước giới hạn (Bảng 4.1 trong thuyết minh):
    • Lượng dư danh nghĩa nhỏ nhất: Khoét thô $2Z_{b\min} = 2498\ \mu\text{m}$; Khoét tinh $2Z_{b\min} = 166\ \mu\text{m}$; Doa thô $2Z_{b\min} = 73\ \mu\text{m}$; Doa tinh $2Z_{b\min} = 13\ \mu\text{m}$.
    • Tổng lượng dư nhỏ nhất: $2Z_{\min} = 2750\ \mu\text{m}$; tổng lượng dư lớn nhất: $2Z_{\max} = 3940\ \mu\text{m}$.
    • Kích thước giới hạn qua các bước gia công:
      • Phôi: $d_{\max} = 21{,}275\text{ mm}; d_{\min} = 20{,}075\text{ mm}$ (dung sai $1200\ \mu\text{m}$).
      • Khoét thô: $d_{\max} = 23{,}773\text{ mm}; d_{\min} = 23{,}613\text{ mm}$ (dung sai $160\ \mu\text{m}$).
      • Khoét tinh: $d_{\max} = 23{,}939\text{ mm}; d_{\min} = 23{,}819\text{ mm}$ (dung sai $120\ \mu\text{m}$).
      • Doa thô: $d_{\max} = 24{,}012\text{ mm}; d_{\min} = 23{,}952\text{ mm}$ (dung sai $60\ \mu\text{m}$).
      • Doa tinh: $d_{\max} = 24{,}025\text{ mm}; d_{\min} = 24{,}015\text{ mm}$ (dung sai $10\ \mu\text{m}$).

Chương V : Quy trình công nghệ gia công trên máy CNC

Tác giả đề xuất phương án tập trung nguyên công trên máy phay CNC 3 trục EmcoMill 750 kết hợp dao cắt hãng Seco Tools. Tiến trình gồm 3 nguyên công tập trung:

  • Nguyên công 1: Phay các mặt phẳng đáy I và mặt đầu $\varnothing 52$.
  • Nguyên công 2: Phay các mặt phẳng đáy II và khoan 2 lỗ $\varnothing 15$.
  • Nguyên công 3: Móc và doa lỗ $\varnothing 24$.

Chương VI: Thiết kế nguyên công trên máy CNC

Chương này tính toán thông số cắt gọt cụ thể cho Nguyên công 1 trên máy phay CNC EmcoMill 750 (hành trình các trục $X=750\text{ mm}, Y=550\text{ mm}, Z=500\text{ mm}$, công suất trục chính $20\text{ kW}$, tốc độ trục chính $50 - 15000\text{ vòng/phút}$, tốc độ chạy dao nhanh $30\text{ m/phút}$, ổ tích hợp 30 dao, đường kính gá dao tối đa $80\text{ mm}$):

  • Bước 1: Phay mặt đầu $\varnothing 52$:
    • Chọn đài dao phay mặt đầu Seco R220.44-15, đường kính dao $D = 100\text{ mm}$, số răng $Z = 12$, lắp mảnh hợp kim SNHF150412TN-M14 phủ MK1500, tuổi bền dao $T = 180\text{ phút}$.
    • Phay thô: Chiều sâu cắt $t = 3{,}5\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $f = 0{,}11\text{ mm/răng}$, vận tốc cắt $V = 373\text{ m/ph}$, số vòng quay trục chính $n = 1188\text{ v/ph}$, vận tốc chạy dao phút $S_{\text{ph}} = 1568\text{ mm/ph}$, công suất cắt $N_c = 5\text{ kW}$, thời gian máy $T_0 = 0{,}06\text{ phút}$.
    • Phay tinh: Chiều sâu cắt $t = 0{,}5\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $S_0 = 0{,}11\text{ mm/răng}$, vận tốc cắt $V = 392\text{ m/ph}$, số vòng quay $n = 1248\text{ v/ph}$, vận tốc chạy dao phút $S_{\text{ph}} = 1647\text{ mm/ph}$, công suất cắt $N_c = 2{,}8\text{ kW}$, thời gian máy $T_0 = 0{,}05\text{ phút}$.
  • Bước 2: Phay 2 mặt đầu còn lại: Tiếp tục sử dụng đài dao Seco R220.44-15 với chế độ cắt tương đương để hoàn thiện bề mặt.

Chương VII: Tính toán và thiết kế đồ gá

  • Thiết lập sơ đồ kết cấu đồ gá cho 6 nguyên công trên máy vạn năng và các nguyên công trên máy CNC.
  • Tập trung tính toán động học, lực kẹp và thiết kế chi tiết cho 2 bộ đồ gá:
    • Đồ gá Nguyên công 3 (Khoan, doa 2 lỗ $\varnothing 15$): Sử dụng phiến tỳ phẳng định vị mặt đáy (3 bậc tự do), chốt côn di động tại vị trí lỗ thô $\varnothing 24$ (2 bậc tự do) và khối V ngắn di động tỳ mặt bên (1 bậc tự do). Cơ cấu kẹp chặt sử dụng cam lệch tâm ép từ trên xuống, thao tác kẹp nhanh.
    • Đồ gá Nguyên công 6 (Khoét, doa lỗ $\varnothing 24$): Sử dụng phiến tỳ phẳng định vị mặt đáy (3 bậc tự do), 1 chốt trụ ngắn định vị lỗ $\varnothing 15$ thứ nhất (2 bậc tự do) và 1 chốt trám định vị lỗ $\varnothing 15$ thứ hai (1 bậc tự do). Cơ cấu kẹp chặt sử dụng đòn kẹp tác động lực xiết từ trên xuống theo phương vuông góc mặt định vị.
  • Phân tích kết cấu trên máy tính: Thực hiện tính toán mô phỏng trạng thái ứng suất (Hình 3.1), chuyển vị (Hình 3.2), biến dạng (Hình 3.3), xác định hệ số an toàn (Hình 3.4) và tối ưu hóa kết cấu đồ gá (Hình 3.5).
  • Quá trình chế tạo thực tế: Gia công và lắp ráp hoàn chỉnh 2 đồ gá thực nghiệm bằng vật liệu hợp kim nhôm.

Thiết kế và triển khai chế tạo đồ gá

Hệ thống đồ gá được phát triển từ khâu tính toán lý thuyết, mô phỏng cơ học đến gia công thực tế:

[Bản vẽ chi tiết & Chuẩn công nghệ]
[Thiết kế nguyên lý định vị & kẹp chặt]
[Mô phỏng CAE trên SolidWorks]
[Chế tạo thực nghiệm 2 bộ đồ gá bằng hợp kim nhôm]

Kiến trúc định vị và cơ cấu kẹp của hai đồ gá thực nghiệm

  • Đồ gá khoan doa 2 lỗ $\varnothing 15$ (Nguyên công 3): Thân đồ gá bố trí phiến tỳ phẳng đỡ mặt đáy khống chế 3 bậc tự do ($Z, \theta_X, \theta_Y$). Để định vị chính xác khoảng cách tâm đến lỗ $\varnothing 24$, một chốt côn di động được dẫn hướng tỳ vào mép lỗ $\varnothing 24$ để hạn chế 2 bậc tự do ($X, Y$), mặt bên tựa vào khối V ngắn di động để khống chế bậc tự do xoay còn lại ($\theta_Z$). Cơ cấu kẹp dùng cam lệch tâm tác động lực kẹp hướng thẳng góc vào mặt tỳ, cho phép gá tháo phôi nhanh trong sản xuất hàng loạt.
  • Đồ gá khoét doa lỗ $\varnothing 24$ (Nguyên công 6): Phôi đã có chuẩn tinh thống nhất hoàn chỉnh. Mặt phẳng đáy tỳ lên phiến tỳ khống chế 3 bậc tự do; 2 lỗ $\varnothing 15$ đã gia công tinh được định vị bằng 1 chốt trụ ngắn (hạn chế 2 bậc tự do tịnh tiến) và 1 chốt trám (hạn chế 1 bậc tự do xoay quanh tâm chốt trụ). Cơ cấu kẹp sử dụng đòn kẹp kết hợp bu-lông xiết, tạo lực ép vững chắc xuống thân càng, triệt tiêu mô-men xoắn sinh ra trong quá trình khoét và doa lỗ lớn $\varnothing 24$.

Công nghệ gia công và vật liệu chế tạo

  • Vật liệu mô hình: Nhóm tác giả lựa chọn hợp kim nhôm làm vật liệu chế tạo thân và đế đồ gá thay vì gang đúc hay thép carbon CT3. Ưu điểm của nhôm trong phạm vi đề tài là khối lượng nhẹ, khả năng gia công cắt gọt cao, bề mặt sáng bóng không gỉ sét, an toàn và thuận tiện khi vận chuyển, thao tác trên giảng đường.
  • Kiểm nghiệm bằng phần mềm CAE: Các chi tiết chịu lực chính của đồ gá (thân đồ gá, chốt tỳ, đòn kẹp) được đưa vào mô-đun mô phỏng của SolidWorks để đặt tải trọng lực kẹp và phản lực cắt gọt. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất phân bố tập trung dưới ngưỡng bền chảy của vật liệu nhôm, độ chuyển vị và biến dạng nằm trong giới hạn cho phép của dung sai gá đặt, bảo đảm hệ số an toàn kết cấu.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả định lượng và sản phẩm cụ thể:
    • Thiết lập hoàn chỉnh 02 phương án quy trình công nghệ cho chi tiết Giá lắp bulong cong: Quy trình trên máy phay vạn năng 6H12 gồm 6 nguyên công và quy trình trên máy phay CNC 3 trục EmcoMill 750 gồm 3 nguyên công tập trung.
    • Xây dựng bảng thông số chế độ cắt chuẩn xác cho từng bước công nghệ: bao gồm chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $S$, tốc độ cắt $V$, tốc độ quay trục chính $n$, công suất cắt $N_c$ và thời gian nguyên công $T_{\text{tc}}$ (tổng thời gian gia công trên máy vạn năng đạt xấp xỉ 2,98 phút/chi tiết; thời gian phay thô/tinh mặt phẳng đầu trên CNC chỉ mất 0,11 phút).
    • Hoàn thành bảng tính lượng dư giải tích chi tiết cho bề mặt lỗ $\varnothing 24$, xác định tổng lượng dư nhỏ nhất $2Z_{\min} = 2750\ \mu\text{m}$, tổng lượng dư lớn nhất $2Z_{\max} = 3940\ \mu\text{m}$ cùng chuỗi dung sai qua 4 bước công nghệ.
    • Hoàn thiện hồ sơ bản vẽ kỹ thuật gồm 06 bản vẽ A0 thể hiện bản vẽ lắp 2D, 3D của các đồ gá và tập bản vẽ chi tiết khổ A3 phục vụ chế tạo.
    • Chế tạo thành công 02 bộ sản phẩm đồ gá vật lý bằng hợp kim nhôm: Đồ gá khoan/doa 2 lỗ $\varnothing 15$ (kẹp cam) và Đồ gá khoét/doa lỗ $\varnothing 24$ (kẹp đòn kẹp).
  • Đóng góp của đồ án (theo tác giả tự nêu):
    • Cung cấp phương tiện trực quan sinh động, có thể cầm nắm, tháo lắp và quan sát thực tế tại Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, giúp sinh viên chuyển biến từ nhận thức lý thuyết trừu tượng sang thực tiễn cơ khí.
    • Khắc phục triệt để nhược điểm bản vẽ mờ, thiếu hình khối không gian trong các tài liệu Atlat đồ gá cũ bằng hệ thống bản vẽ 3D trực quan và mô hình vật lý chính xác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận trong văn bản:
    • Vật liệu chế tạo: Hai đồ gá thực nghiệm được chế tạo bằng vật liệu nhẹ (nhôm) nhằm mục đích chính làm giáo cụ dạy học trực quan, độ cứng vững bề mặt và khả năng chống mài mòn chưa đạt tiêu chuẩn để đưa vào vận hành cắt gọt tải nặng liên tục trong xưởng sản xuất công nghiệp.
    • Phạm vi chế tạo thực tế: Đề tài mới dừng lại ở việc chế tạo thực nghiệm 2 đồ gá (nguyên công 3 và 6); 4 đồ gá còn lại của quy trình công nghệ mới được hoàn thiện ở mức độ thiết kế bản vẽ kỹ thuật 2D và 3D.
    • Mức độ hạch toán kinh tế: Phần tính toán giá thành mới dừng lại ở mức dự toán sơ bộ theo quy mô đồ án tốt nghiệp, chưa hạch toán đầy đủ khấu hao dây chuyền sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Chế tạo hoàn thiện 4 bộ đồ gá còn lại bằng vật liệu tiêu chuẩn công nghiệp (thép $40\text{X}$, gang xám hoặc thấm than/nhiệt luyện bề mặt định vị) để thử nghiệm cắt gọt trực tiếp trên phôi thật.
    • Ứng dụng cơ cấu kẹp nhanh bằng khí nén hoặc thủy lực thay thế cho kẹp ren cơ khí nhằm hiện đại hóa và tự động hóa đồ gá phục vụ dạy học công nghệ cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn rõ ràng cho các nhóm đối tượng:

  • Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí: Tham khảo trực tiếp mô hình đồ gá vật lý và bộ bản vẽ 2D/3D phục vụ học tập, giảng dạy môn học Đồ gá, Công nghệ Chế tạo máy và làm Đồ án môn học Công nghệ Chế tạo máy (đặc biệt là đồ án về chi tiết dạng càng).
  • Kỹ sư công nghệ chế tạo: Tham khảo phương pháp tính toán lượng dư giải tích theo phương pháp Kovan (Chương IV) - một nội dung mang tính hàn lâm mẫu mực, có đầy đủ công thức tính sai lệch không gian $\rho_{\text{phôi}}$ và sai số gá đặt $\varepsilon_{\text{gđ}}$.
  • Người thiết kế quy trình gia công CNC: Tham khảo phương án chuyển đổi từ quy trình phân tán trên máy vạn năng sang quy trình tập trung trên trung tâm phay CNC 3 trục EmcoMill 750, đi kèm dữ liệu tra cứu chế độ cắt thực tế của dao đĩa Seco R220.44-15.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết Giá lắp bulong cong thuộc nhóm chi tiết nào và phương pháp tạo phôi được nhóm tác giả chọn là gì?
Chi tiết thuộc nhóm chi tiết dạng càng, chế tạo bằng vật liệu gang xám GX 15-32. Phương pháp tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn kim loại với mẫu bằng gỗ, cấp chính xác đúc cấp III, cấp chính xác kích thước phôi IT7, độ nhám Rz = 80 µm. Lượng dư đúc mặt đáy là 3 mm và mặt lỗ là 2 mm.

2. Chuẩn tinh thống nhất được xác lập trong quy trình công nghệ gồm các bề mặt nào?
Chuẩn tinh thống nhất gồm mặt phẳng đáy (khống chế 3 bậc tự do bằng phiến tỳ phẳng) kết hợp với 2 lỗ $\varnothing 15$ vuông góc với mặt đáy (khống chế 3 bậc tự do bằng 1 chốt trụ ngắn hạn chế 2 bậc và 1 chốt trám hạn chế 1 bậc).

3. Hai đồ gá được chế tạo thực tế bằng nhôm phục vụ cho những nguyên công nào và dùng cơ cấu kẹp gì?
Hai đồ gá được chế tạo thực tế gồm: Đồ gá Nguyên công 3 dùng cho việc khoan, doa 2 lỗ $\varnothing 15$ (sử dụng cơ cấu kẹp nhanh bằng cam lệch tâm) và Đồ gá Nguyên công 6 dùng cho việc khoét, doa lỗ $\varnothing 24$ (sử dụng cơ cấu kẹp bằng đòn kẹp bu-lông xiết).

4. Tổng lượng dư nhỏ nhất và lớn nhất của lỗ $\varnothing 24$ qua 4 bước gia công được tính ra là bao nhiêu?
Theo bảng tính lượng dư giải tích ở Chương IV, tổng lượng dư gia công nhỏ nhất là $2Z_{\min} = 2750\ \mu\text{m}$ (gồm khoét thô $2498\ \mu\text{m}$, khoét tinh $166\ \mu\text{m}$, doa thô $73\ \mu\text{m}$, doa tinh $13\ \mu\text{m}$) và tổng lượng dư gia công lớn nhất là $2Z_{\max} = 3940\ \mu\text{m}$.

5. Trung tâm gia công CNC và loại dụng cụ cắt nào được lựa chọn khi thiết kế nguyên công trên máy CNC?
Đồ án lựa chọn trung tâm gia công phay CNC 3 trục EmcoMill 750 (công suất trục chính 20 kW, tốc độ trục chính $50 - 15000\text{ vòng/phút}$) cùng đài dao phay mặt đầu Seco R220.44-15 đường kính $D = 100\text{ mm}$ (12 răng, mảnh hợp kim phủ MK1500 ký hiệu SNHF150412TN-M14).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế công nghệ và trang bị công nghệ cho chi tiết Giá lắp bulong cong thông qua việc lập quy trình gia công song song trên máy phay vạn năng 6H12 và máy phay CNC EmcoMill 750. Toàn bộ các thông số chế độ cắt, công suất máy và lượng dư giải tích cho lỗ $\varnothing 24$ được tính toán chặt chẽ, đi kèm mô phỏng cơ học độ bền của kết cấu đồ gá trên phần mềm máy tính. Việc hoàn thành chế tạo 02 bộ đồ gá vật lý bằng hợp kim nhôm cùng hệ thống bản vẽ chi tiết đã hiện thực hóa thành công mục tiêu cung cấp mô hình giáo cụ trực quan, phục vụ thiết thực cho công tác giảng dạy chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.