Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa sản xuất đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Kỹ thuật điều khiển số cùng các dòng máy công cụ CNC (NC/CNC) là trang thiết bị cơ bản đặc trưng cho nền sản xuất cơ khí chính xác hiện đại. Tại Việt Nam, việc làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo các cụm kết cấu và hệ thống phụ trợ cho máy CNC nhằm từng bước thay thế nhập khẩu, tối ưu hóa chi phí đầu tư là một đòi hỏi thực tiễn cấp bách. Trong đó, hệ thống thay dao tự động (Automatic Tool Changer - ATC) đóng vai trò quyết định trong việc giảm thiểu thời gian phụ trợ, rút ngắn chu kỳ gia công và nâng cao mức độ tự động hóa của trung tâm gia công đứng.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ khí / Cơ điện tử của tác giả Nguyễn Đắc Minh (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí, Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, thực hiện tháng 6/2021 dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Phương Giang) tập trung giải quyết bài toán: "Tính toán, thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy phay CNC 3 trục", lấy đối tượng nghiên cứu ứng dụng điển hình là máy phay CNC VMC65 do Công ty BKMECH chế tạo năm 2007.

Hệ thống nhiệm vụ và thông số kỹ thuật đầu vào được xác định cụ thể trong văn bản như sau:

  1. Thiết kế hệ thống thay dao cho máy phay CNC đứng 3 trục.
  2. Hệ thống tháo và kẹp dao trên trục chính: sử dụng xi lanh chuyển đổi khí nén – thủy lực.
  3. Cơ cấu thay dao: dạng không tay máy (KTM), thực hiện thay dao trực tiếp giữa đài dao và trục chính.
  4. Nguồn lực dẫn động tịnh tiến cụm chứa dao đến trục chính ($PO_1$): xi lanh khí nén.
  5. Nguồn lực dẫn động quay cụm chứa dao ($PO_2$): động cơ điện kết hợp cơ cấu phân độ.
  6. Sức chứa của đài gá dao: $N = 16$ vị trí dao.
  7. Chuẩn đầu côn chuôi dao: tiêu chuẩn BT30.
  8. Khối lượng tính toán của một dao: $M = 5\text{ kg}$ (dải khối lượng trung bình $5 \div 7\text{ kg}$).
  9. Đường kính lớn nhất của dao gia công: $D_{\max} = 120\text{ mm}$ ($R_{\max2} = 60\text{ mm}$).
  10. Thời gian thay dao giữa hai vị trí gần nhất: $T_1 = T_{\min} = 3\text{ s}$.
  11. Thời gian thay dao giữa hai vị trí xa nhất: $T_2 = T_{\max} = 7\text{ s}$.

Đối tượng nghiên cứu là cụm cơ khí hệ thống thay dao tự động kiểu tang trống (đĩa tròn) kết hợp cơ cấu Maltese (cơ cấu Man) và hệ thống dẫn động khí nén. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phần tính toán động học, động lực học, kết cấu cơ khí chi tiết và các bộ phận đỡ, kẹp, dẫn hướng trên máy phay đứng 3 trục VMC65.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Nghiên cứu vận dụng các khối kiến thức kỹ thuật cơ sở và chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, bao gồm:

  • Lý thuyết máy công cụ điều khiển số và hệ thống ATC: Khung phân loại các dạng tích trữ dụng cụ (đầu Revonve, ổ tích dao dạng dài, đĩa tròn, băng xích, nhiều tầng, dạng côn, dạng sao); nguyên lý thay dao có tay máy và không tay máy; hệ thống quản trị dữ liệu dụng cụ (mã hóa vị trí, mã hóa dụng cụ, công nghệ nhận dạng quang học, tiếp xúc và chip nhớ điện tử đọc-ghi dữ liệu 256 byte).
  • Lý thuyết nguyên lý máy và động học cơ cấu gián đoạn: Mô hình cơ cấu Maltese phẳng (đĩa chốt gạt $O_1$ và đĩa hình sao $N=16$ rãnh $O_2$) nhằm biến đổi chuyển động quay liên tục từ động cơ thành chuyển động quay gián đoạn, định vị chính xác góc chia $22{,}5^\circ$ của đài gá dao.
  • Lý thuyết tính toán thiết kế chi tiết máy và sức bền vật liệu: Công thức kiểm nghiệm tải trọng tĩnh của ổ lăn ($Q_T \le C_0$), tính toán ứng suất kéo của bu lông liên kết ($\sigma_k \le [\sigma]$), tính toán kiểm nghiệm độ bền kéo của trục đỡ tang rỗng làm từ thép C45 theo giáo trình "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" (Tập 1).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích kỹ thuật cơ khí: Thiết lập phương trình cân bằng tĩnh và động lực học để xác định kích thước hình học giới hạn của đài dao, lực dọc trục, mô men cản, tải trọng tác dụng lên cụm ổ lăn và trục đỡ.
  • Phương pháp tính toán động học chu trình: Phân rã thời gian chu trình thay dao tổng thể $T$ thành các khoảng thời gian thành phần (thời gian di chuyển xilanh $T_{xl}$, thời gian nhả kẹp dao trục chính $T_{nd}$, thời gian kẹp dao $T_{kd}$, thời gian phân độ đài dao $T_t$), từ đó xác lập phương trình động học vận tốc góc $\omega_1$, gia tốc góc $\varepsilon_{\max}$ của cơ cấu Maltese.
  • Phương pháp tra cứu tiêu chuẩn công nghiệp: Sử dụng bảng thông số tiêu chuẩn côn dao BT30, bảng dung sai lắp ghép trục - lỗ theo hệ thống TCVN/ISO ($125\text{Js8/h7}$, $\text{H8/js7}$), bảng tra cứu kích thước và khả năng tải của ổ lăn cỡ trung.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kết cấu của máy phay CNC 3 trục VMC65

Chương này khảo sát chi tiết cấu tạo tổng thể của máy phay cao tốc 3 trục VMC65 do Công ty BKMECH chế tạo năm 2007, làm đối tượng cơ sở để tích hợp cụm ATC:

  • Kích thước bàn máy: $770 \times 400\text{ mm}$.
  • Kích thước rãnh chữ T: $3 \times 18\text{T} \times 120$.
  • Khối lượng phôi lớn nhất cho phép: $M = 300\text{ kg}$.
  • Vận tốc chạy dao không tải lớn nhất: $V_1 = 20\text{ m/phút}$.
  • Vận tốc gia công lớn nhất: $V_2 = 15\text{ m/phút}$.

Hệ thống thay dao tự động của máy VMC65 được gá đặt trực tiếp trên cột đứng thông qua cụm giá đỡ. Cấu tạo chính gồm: giá đỡ, xi lanh khí nén dẫn động tịnh tiến sang trái/phải, động cơ dẫn động quay đài dao, cụm chuôi dao BT30, các chi tiết ngàm kẹp dao đàn hồi, cơ cấu Maltese tạo chuyển động phân độ và tang đài chứa 16 dao.

+-------------------------------------------------------------------------+
| Sơ đồ phân bố thành phần hệ thống thay dao trên cột đứng máy VMC65:     |
| [Giá đỡ trên cột] ---> [Xi lanh khí nén] ---> [Thanh trượt dẫn hướng]   |
|                                                      |                  |
| [Động cơ điện] ---> [Cơ cấu Maltese] ---------> [Tang đài dao (16 vị trí)]
+-------------------------------------------------------------------------+

Chương 2: Các hệ thống thay dao tự động dùng cho máy công cụ CNC

Tác giả tổng quan toàn diện các giải pháp kỹ thuật trang bị trên trung tâm gia công hiện đại:

  • Chức năng, ưu nhược điểm và yêu cầu: ATC giúp loại bỏ thao tác đổi dao thủ công, giảm lỗi thao tác và nguy cơ mất an toàn, cho phép gia công liên tục nhiều nguyên công trong một lần gá. Nhược điểm chính là vốn đầu tư ban đầu cao. Hệ thống phải đáp ứng độ cứng vững, định vị chính xác tâm dao với trục chính, chống bám bẩn bề mặt côn và đảm bảo an toàn tuyệt đối, không va chạm với phôi.
  • Phân loại ổ tích dụng cụ: Khảo sát đặc tính kỹ thuật của đầu Revonve (chứa 6–18 dao, thời gian thay 1–4 giây, dùng cho tiện/phay); ổ tích dạng dài; ổ tích dạng đĩa tròn (sức chứa 12–40 dao, thông dụng); ổ tích dạng vòng đồng tâm (24–100 dao); ổ tích dạng băng xích (chứa tới 140 dao); ổ tích nhiều tầng (40–100 dao); dạng côn và dạng sao.
  • Cơ cấu thay dao và chu trình hoạt động: So sánh cơ cấu dạng tay máy (sử dụng tay tóm xoay $90^\circ$ hoặc $180^\circ$ đổi vị trí dao song song giữa ổ tích và trục chính) và cơ cấu không tay máy (trục chính trực tiếp di chuyển tịnh tiến theo trục Z vào vị trí ngàm kẹp của đài dao dạng đĩa).
  • Hệ thống dụng cụ và quản trị dao trong CNC:
    • Yêu cầu độ tin cậy công nghệ (thông số cắt, thể tích phoi, tuổi bền) và độ tin cậy hình học (bù trừ sai lệch kích thước, vị trí lưỡi cắt).
    • Cấu tạo phần tử tiếp nhận: Chuôi côn định chuẩn, rãnh kẹp cho ngàm tay máy và vít kéo chốt định vị.
    • Quản lý dụng cụ: Sử dụng hệ thống đọc mã số 4 ký tự ($0001 \div 9999$) hoặc hệ thống đọc-ghi chip nhớ điện tử không tiếp xúc dung lượng 256 byte gắn trên thân dao.
    • Thiết lập quy trình hiệu chỉnh dao trước gia công ngoài máy (dùng kính hiển vi quang học hoặc đầu đo cảm ứng xác định tọa độ đỉnh dao so với điểm chuẩn E) và quy trình quản trị dữ liệu trong bộ điều khiển CNC (bù chiều dài trục Z, bù bán kính dao, bù lượng mòn dao). Một máy CNC tiêu chuẩn cần quản lý tối thiểu 3 bộ dao: bộ gá trên đài dao của máy, bộ trong phòng chuẩn bị đo kiểm và bộ trên xe cung ứng.

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy phay CNC – VMC65

Chương trọng tâm trình bày chi tiết các bước tính toán hình học, động học và động lực học:

1. Quy trình thay dao tự động (3 trường hợp)

  • Trường hợp 1 (Trục chính mang dao $i$ cần đổi sang dao $j$): Trục chính dừng quay và định vị góc quay trục chính $\rightarrow$ Trục Z chạy về vị trí thay dao $\rightarrow$ Đài dao quay đưa hốc trống $i$ vào vị trí $\rightarrow$ Xi lanh khí nén đẩy đài dao sang phải kẹp lấy dao $i$ $\rightarrow$ Bộ kẹp trục chính nhả chuôi dao $\rightarrow$ Trục Z lùi lên vị trí HOME $\rightarrow$ Đài dao quay đưa dao $j$ vào vị trí $\rightarrow$ Trục Z đi xuống vị trí thay dao $\rightarrow$ Bộ kẹp trục chính đóng chấu kẹp dao $j$ $\rightarrow$ Xi lanh kéo đài dao sang trái về vị trí chờ $\rightarrow$ Kết thúc.
  • Trường hợp 2 (Trục chính không mang dao, nạp dao $j$): Trục chính dừng $\rightarrow$ Trục Z lùi về vị trí HOME $\rightarrow$ Đài dao quay đưa dao $j$ vào vị trí $\rightarrow$ Xi lanh đẩy đài dao sang phải $\rightarrow$ Chấu kẹp trục chính mở $\rightarrow$ Trục Z đi xuống $\rightarrow$ Chấu kẹp đóng lại $\rightarrow$ Xi lanh lùi đài dao sang trái $\rightarrow$ Kết thúc.
  • Trường hợp 3 (Trục chính mang dao trùng với dao yêu cầu): Hệ thống giữ nguyên trạng thái, tiếp tục gia công.

2. Tính toán kích thước tang và ngàm kẹp đài dao

  • Chuẩn chuôi BT30: Bán kính chuôi kẹp $R_{\max1} = 23\text{ mm}$, chiều dài chuôi dao $L = 93{,}4\text{ mm}$.
  • Đường kính dao lớn nhất $D_{\max} = 120\text{ mm} \rightarrow R_{\max2} = 60\text{ mm}$.
  • Bán kính từ tâm dao đến trục tâm đài dao ($R$): $$C = 2(R_{\max} + 2)N = 2 \times (60 + 2) \times 16 = 1984\text{ mm}$$ $$R > \frac{C}{2\pi} = \frac{1984}{2\pi} = 315{,}8\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } R = 317\text{ mm} \implies C = 2\pi R = 1991{,}8\text{ mm}$$
  • Tính toán khe hở giữa các kẹp dao: $$L = \frac{C}{N} - 2R_{\max1} - 2h = \frac{1991{,}8}{16} - 2(23) - 2(8) = 62{,}49\text{ mm}$$ (trong đó $h = 8\text{ mm}$ là chiều dày kẹp dao loại BT30).
  • Bề dày đuôi tay kẹp dao $K$ (với chiều dày đuôi $h_đ = 7\text{ mm}$, chiều dài lò xo $l_{lx} = 25\text{ mm}$): $$K = 2h_đ + l_{lx} = 2(7) + 25 = 39\text{ mm}$$
  • Bán kính vòng trong tang đài dao ($R_2$): $$C_2 = N(K + c) = 16 \times (39 + 20) = 944\text{ mm} \implies R_{2\min} = \frac{944}{2\pi} = 150{,}25\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } R_2 = 145\text{ mm}$$
  • Chiều dài tay kẹp dao: $l_{tk} = R - R_2 + R_{\max1} = 317 - 145 + 23 = 195\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } l_{tk} = 193\text{ mm}$.
  • Bán kính vòng ngoài tang đài dao: $R_1 = R - R_{\max1} - \Delta R_1 = 317 - 23 - 10 = 284\text{ mm}$.
  • Bán kính rãnh điều khiển Maltese: $R_3 = R_2 - \Delta R_2 = 145 - 10 = 135\text{ mm}$.
  • Chiều cao tang đài dao: $H = E + f + H_{dp} = 93{,}4 + 11 + 45 = 149{,}4\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } H = 153\text{ mm}$.

3. Tính toán động học cơ cấu Maltese

  • Số rãnh $N = 16 \implies$ Góc giữa 2 rãnh: $\alpha = \frac{360^\circ}{16} = 22{,}5^\circ \implies \varphi_2 = 11{,}25^\circ$.
  • Góc ăn khớp ban đầu: $2\varphi_2 + 2\varphi_1 = 180^\circ \implies \varphi_1 = 78{,}75^\circ$.
  • Chiều dài cung điều khiển: $S = \frac{R_3 \cdot \pi \cdot 22{,}5}{180} = \frac{135 \cdot \pi \cdot 22{,}5}{180} = 53{,}01\text{ mm}$.
  • Đường kính đĩa chủ động $O_1$: $d_1 \approx \frac{S}{2} = 26{,}51\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } d_1 = 30\text{ mm}$.
  • Đường kính chốt gạt: $d = 12\text{ mm}$; đường kính trục tâm đĩa 1: $d_0 = 12\text{ mm}$.
  • Bán kính tay quay chốt gạt: $O_1A = R_3 \cdot \tan\varphi_2 = 135 \cdot \tan(11{,}25^\circ) = 26{,}85\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } O_1A = 27\text{ mm}$.
  • Khoảng cách tâm hai đĩa: $O_1O_2 = O_1H + O_2H = 6 + 133 = 139\text{ mm}$.
  • Chiều sâu rãnh đĩa hình sao: $C_{rãnh} = r + R_3 - O_1O_2 = 27 + 135 - 139 = 23\text{ mm} \rightarrow \text{Chọn } C_{rãnh} = 25\text{ mm}$.

4. Phân bổ thời gian và thông số động học

  • Phương trình thời gian thay dao tổng quát: $T = 2T_{xl} + T_{nd} + T_t + T_{kd}$.
  • Phân bổ bước quay đài dao: $$T_{t\min} = \frac{T_{\max} - T_{\min}}{\frac{N}{2} - 1} = \frac{7 - 3}{\frac{16}{2} - 1} = \frac{4}{7} \approx 0{,}57\text{ s}$$ $$T_{t\max} = T_{t\min} \times \left(\frac{N}{2} - 1\right) = 0{,}57 \times 7 = 4\text{ s}$$
  • Thời gian cho các hành trình phụ: $2T_{xl} + T_{nd} + T_{kd} = T_{\max} - T_{t\max} = 7 - 4 = 3\text{ s} \implies T_{xl} = T_{nd} = T_{kd} = 0{,}75\text{ s}$.
  • Thời gian chuyển động ($t_c$) và thời gian dừng ($t_d$) trong một bước phân độ $T_{t\min} = 0{,}57\text{ s}$: $$\begin{cases} t_c + t_d = 0{,}57\text{ s} \ \frac{t_c}{t_d} = \frac{\varphi_{01}}{\pi - \varphi_{01}} = \frac{1{,}375}{\pi - 1{,}375} = \frac{7}{9} \end{cases} \implies \begin{cases} t_c = 0{,}25\text{ s} \ t_d = 0{,}32\text{ s} \end{cases}$$
  • Vận tốc góc cần gạt đĩa 1: $\omega_1 = 11\text{ rad/s}$.
  • Tỷ số truyền động học: $\lambda = \frac{O_1A}{O_1O_2} = \frac{27}{139} \approx 0{,}194$.
  • Góc vị trí xảy ra gia tốc cực đại: $\varphi_1 = 37{,}56^\circ$.

Thiết kế kỹ thuật và tính toán hệ thống

1. Tổng hợp thông số hình học và cơ cấu phân độ

Bảng dưới đây tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi của tang đài dao và cơ cấu Maltese được xác lập qua tính toán:

STT Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn Đơn vị
1 Bán kính từ tâm dao đến trục tâm đài dao $R$ 317 mm
2 Bán kính vòng ngoài tang đài chứa dao $R_1$ 284 mm
3 Bán kính vòng trong tang đài chứa dao $R_2$ 145 mm
4 Bán kính vòng ngoài rãnh răng điều khiển Maltese $R_3$ 135 mm
5 Chiều cao tang đài chứa dao $H$ 153 mm
6 Chiều dài tay ngàm kẹp dao $l_{tk}$ 193 mm
7 Góc phân độ giữa hai rãnh liên tiếp $\alpha$ 22,5 độ
8 Chiều dài đoạn cung răng điều khiển $S$ 53,01 mm
9 Đường kính đĩa dẫn $O_1$ $d_1$ 30 mm
10 Đường kính chốt gạt cơ cấu Maltese $d$ 12 mm
11 Khoảng cách tâm hai đĩa Maltese $O_1O_2$ 139 mm
12 Chiều dài tay quay cần gạt $O_1A$ 27 mm
13 Chiều sâu rãnh đĩa hình sao $C_{rãnh}$ 25 mm

2. Tính toán chọn cụm ổ lăn đỡ đài dao

  • Khối lượng tổng thể cụm đài dao gồm: 16 dao ($m_1 = 16 \times 5 = 80\text{ kg}$), phụ kiện kẹp ($16\text{ kg}$), khối lượng tang tối ưu ($Q_3 = 220\text{ kg}$) $\implies$ Tổng khối lượng $Q = 316\text{ kg}$.
  • Lực dọc trục tác dụng lên ổ: $F_a = G = 316 \times 10 = 3160\text{ N}$. Lực hướng tâm $F_r \approx 0$.
  • Tải trọng tĩnh tính toán: $Q_T = X_0 F_r + Y_0 F_a = 0{,}5(0) + 1{,}08(3160) = 3412{,}8\text{ N} = 3{,}4128\text{ kN}$.
  • Kiểm nghiệm ổ đũa côn đỡ chặn: Ký hiệu 7312 ($d = 60\text{ mm}, D = 130\text{ mm}, D_1 = 137\text{ mm}, d_1 = 31\text{ mm}, B = 27\text{ mm}, C_1 = 33{,}5\text{ mm}, T = 3{,}5\text{ mm}, \alpha = 11{,}5^\circ$, khả năng tải tĩnh $C_0 = 96{,}3\text{ kN}$, khả năng tải động $C = 118\text{ kN}$). Do $Q_T = 3{,}4128\text{ kN} < C_0 = 96{,}3\text{ kN} \implies$ Ổ đũa côn hoàn toàn thỏa mãn khả năng tải tĩnh.
  • Lựa chọn ổ bi đỡ 1 dãy: Chọn ổ bi đỡ ký hiệu 312 (cỡ trung) tra theo Bảng P2.7 giáo trình:
    • Đường kính trong: $d = 60\text{ mm}$.
    • Đường kính ngoài: $D = 130\text{ mm}$.
    • Chiều rộng: $B = 31\text{ mm}$.
    • Bán kính góc lượn: $r = 3{,}5\text{ mm}$; đường kính bi: $22{,}4\text{ mm}$.
    • Khả năng tải động: $C = 64{,}1\text{ kN}$; Khả năng tải tĩnh: $C_0 = 49{,}4\text{ kN}$ (thỏa mãn $Q_T < C_0$).

3. Tính toán trục đỡ tang và bu lông liên kết

  • Bu lông lắp ghép trên trục đỡ: Chịu lực kéo thuần túy do trọng lượng $G = 3160\text{ N}$. Vật liệu thép có giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 280\text{ MPa}$. $$\sigma_k = \frac{G}{2Z \cdot F} \le [\sigma] \implies d \ge \sqrt{\frac{4G}{2Z \cdot \pi \cdot [\sigma]}} = \sqrt{\frac{4 \times 3160}{4 \times \pi \times 280 \times 10^6}} \approx 1{,}895\text{ mm}$$ $\implies$ Chọn 4 bu lông tiêu chuẩn M8 bố trí đối xứng qua tâm trục.
  • Trục đỡ tang: Đường kính ngoài $d = 60\text{ mm}$ (theo đường kính trong ổ lăn), đường kính trong khoét rỗng $d' = 20\text{ mm}$. Chiều dài trục $L = 210\text{ mm}$.
    • Vật liệu: Thép C45 ($\sigma_b = 550\text{ MPa}, \sigma_{ch} = 280\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E = 2 \times 10^4\text{ kN/cm}^2$).
    • Diện tích mặt cắt ngang: $F = \frac{\pi(60^2 - 20^2)}{4} = 2513{,}3\text{ mm}^2 = 25{,}13\text{ cm}^2$.
    • Ứng suất kéo: $$\sigma_k = \frac{G}{F} = \frac{3160 \times 10^{-3}}{25{,}13} \approx 0{,}126\text{ MPa} \le [\sigma] = 280\text{ MPa}$$ $\implies$ Trục đảm bảo tuyệt đối điều kiện bền kéo và cứng vững.
  • Quy chuẩn dung sai lắp ghép ổ lăn:
    • Vòng ngoài ổ lăn lắp với thân tang đài dao theo hệ thống trục: $125\text{Js8/h7}$.
    • Vòng trong ổ lăn lắp với trục đỡ tang theo hệ thống lỗ: $\text{H8/js7}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện chuỗi tính toán giải tích toàn diện: Xác lập đầy đủ hệ thống kích thước hình học cho đài gá 16 dao BT30, đáp ứng không gian lắp đặt giới hạn trên cột đứng máy phay VMC65 với bán kính đài dao $R = 317\text{ mm}$, chiều cao tang $H = 153\text{ mm}$.
  2. Thiết kế cơ cấu phân độ Maltese tối ưu: Tính toán chính xác cơ cấu 16 rãnh ăn khớp với tay quay $O_1A = 27\text{ mm}$, khoảng cách trục $139\text{ mm}$, phân bổ thời gian quay $t_c = 0{,}25\text{ s}$ và thời gian dừng $t_d = 0{,}32\text{ s}$, đáp ứng đúng ràng buộc thời gian thay dao $T_{\min} = 3\text{ s}$ và $T_{\max} = 7\text{ s}$.
  3. Đảm bảo độ bền và tiêu chuẩn hóa kết cấu: Kiểm nghiệm và lựa chọn thành công cụm ổ đũa côn 7312 và ổ bi đỡ 312 ($d = 60\text{ mm}, D = 130\text{ mm}$), 4 bu lông M8 và trục rỗng $\phi 60/\phi 20$ bằng thép C45 với hệ số an toàn cao ($\sigma_k = 0{,}126\text{ MPa} \ll 280\text{ MPa}$).

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Giải pháp thay dao không tay máy nhỏ gọn, kinh tế: Việc lựa chọn phương án KTM kết hợp phân độ gián đoạn Maltese giúp lược bỏ cụm tay gắp phức tạp và hệ thống điều khiển servo nhiều trục tốn kém, giảm chi phí chế tạo phù hợp với điều kiện sản xuất cơ khí trong nước.
  • Tài liệu hóa quy trình tính toán thiết kế máy CNC: Công trình đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh hỗ trợ sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử giải quyết bài toán thiết kế cụm cơ cấu tự động hóa trên máy công cụ điều khiển số.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong thuyết minh:

  • Hạn chế về tính toán động lực học phi tuyến và mô phỏng số: Đồ án chủ yếu tiếp cận theo phương pháp tính toán giải tích tĩnh và động học sơ bộ, chưa khảo sát dao động cưỡng bức, va đập tại thời điểm chốt $A$ bắt đầu đi vào rãnh của cơ cấu Maltese dưới tốc độ quay cao.
  • Phạm vi triển khai phần điều khiển: Chưa trình bày chi tiết sơ đồ mạch điều khiển logic PLC/CNC, thuật toán quản lý mã dao trong bộ nhớ vi điều khiển và sơ đồ mạng van điều khiển khí nén thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Tiến hành mô phỏng động lực học nhiều vật thể (MBD) và phân tích ứng suất động (FEA) trên các ngàm kẹp dao và đĩa Maltese.
    • Chế tạo mẫu thực nghiệm cụm đài dao và lắp đặt thử nghiệm trực tiếp trên máy phay VMC65 để đánh giá độ tin cậy kẹp giữ và độ chính xác lặp lại của vị trí dao khi cắt gọt.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế máy cắt kim loại, đồ án Chi tiết máy hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến máy CNC.
  • Nội dung giá trị nhất:
    1. Toàn bộ phương pháp và công thức tính toán kích thước hình học tang đài dao dạng đĩa (tránh va chạm dao trên đường kính $D_{\max} = 120\text{ mm}$).
    2. Phương pháp giải tích động học cơ cấu Maltese nhiều rãnh ($N = 16$) phục vụ cơ cấu phân độ tự động.
    3. Trình tự kiểm nghiệm bền tĩnh của cụm ổ đỡ chịu tải trọng dọc trục lớn trong máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu phân độ nào được sử dụng để quay đài dao và các thông số hình học then chốt là gì?

Hệ thống sử dụng cơ cấu Maltese (cơ cấu Man) phẳng gồm đĩa chủ động $O_1$ có 1 chốt gạt và đĩa bị động hình sao $O_2$ có 16 rãnh hướng tâm. Các thông số chính gồm:

  • Góc chia giữa hai rãnh: $\alpha = 22{,}5^\circ$.
  • Khoảng cách giữa hai tâm đĩa: $O_1O_2 = 139\text{ mm}$.
  • Bán kính tay quay cần gạt: $O_1A = 27\text{ mm}$.
  • Chiều sâu rãnh đĩa sao: $C_{rãnh} = 25\text{ mm}$.
  • Đường kính chốt gạt: $d = 12\text{ mm}$.

2. Tổng tải trọng tĩnh tác dụng lên cụm ổ đài dao là bao nhiêu và loại ổ lăn nào được lựa chọn?

Tổng khối lượng đài dao gồm 16 dao ($80\text{ kg}$), phụ kiện kẹp ($16\text{ kg}$) và tang đài dao ($220\text{ kg}$), tạo ra tải trọng dọc trục $F_a = G = 3160\text{ N}$. Tải trọng tĩnh tính toán là $Q_T = 3412{,}8\text{ N}$ ($3{,}4128\text{ kN}$). Đồ án lựa chọn ổ đũa côn đỡ chặn ký hiệu 7312 ($C_0 = 96{,}3\text{ kN}$) và ổ bi đỡ 1 dãy ký hiệu 312 ($d = 60\text{ mm}, D = 130\text{ mm}, B = 31\text{ mm}, C_0 = 49{,}4\text{ kN}$). Cả hai loại ổ đều vượt xa điều kiện bền tải tĩnh ($Q_T \ll C_0$).

3. Thời gian thay dao nhanh nhất và chậm nhất của hệ thống được phân bổ như thế nào?

Tổng thời gian thay dao được khống chế trong khoảng $T_{\min} = 3\text{ s}$ (hai dao liền kề) đến $T_{\max} = 7\text{ s}$ (hai dao xa nhất, quay 7 bước). Trong đó:

  • Thời gian tịnh tiến xi lanh khí nén ($T_{xl}$), thời gian nhả dao ($T_{nd}$) và thời gian kẹp dao ($T_{kd}$) đều bằng nhau và bằng $0{,}75\text{ s}$.
  • Thời gian phân độ một vị trí dao $T_{t\min} = 0{,}57\text{ s}$, bao gồm thời gian chuyển động $t_c = 0{,}25\text{ s}$ và thời gian dừng $t_d = 0{,}32\text{ s}$. Tốc độ góc của cần gạt là $\omega_1 = 11\text{ rad/s}$.

4. Vì sao hệ thống lựa chọn kiểu thay dao không tay máy (KTM)?

Cơ cấu thay dao dạng đĩa không tay máy (KTM) cho phép trục chính của máy CNC trực tiếp tiếp cận và gắp dao từ đài dao thông qua chuyển động phối hợp của trục Z và xi lanh khí nén. Phương án này tối giản hóa số lượng khâu khớp chuyển động, loại bỏ cụm tay máy xoay $180^\circ$ phức tạp, giúp kết cấu nhỏ gọn, tin cậy, dễ chế tạo và giá thành thấp, rất phù hợp với dòng máy phay đứng cỡ vừa như VMC65.

5. Hệ thống quản lý và nhận dạng dụng cụ cắt gọt trên máy CNC gồm những phương thức nào theo tác giả?

Tác giả tổng thuật 2 phương pháp nhận dạng điện tử:

  • Hệ thống đọc: Sử dụng chip mang mã nhận dạng 4 ký tự ($0001 \div 9999$); đầu đọc truyền mã về máy tính trung tâm để tra cứu dữ liệu dao.
  • Hệ thống đọc-ghi: Sử dụng chip nhớ dung lượng 256 byte gắn trực tiếp trên chuôi dao, lưu trữ độc lập toàn bộ dữ liệu kích thước, bán kính, chiều dài, tuổi bền và thông số cắt mà không cần phụ thuộc liên tục vào máy tính trung tâm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đắc Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán và thiết kế kỹ thuật cho hệ thống thay dao tự động dạng đĩa 16 dao BT30 ứng dụng trên máy phay CNC 3 trục VMC65. Bằng việc kết hợp hợp lý giữa cơ cấu phân độ Maltese phẳng, hệ dẫn động tịnh tiến khí nén và phương án thay dao trực tiếp không tay máy, công trình đã đưa ra một giải pháp kết cấu cơ khí nhỏ gọn, đảm bảo độ bền cứng vững và đáp ứng yêu cầu thời gian thay dao từ 3 đến 7 giây. Toàn bộ chuỗi dữ liệu tính toán từ kích thước tang dao, động học cơ cấu gián đoạn đến kiểm nghiệm bền trục, bu lông và ổ lăn cung cấp nguồn tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cho công tác đào tạo và nghiên cứu chế tạo máy công cụ điều khiển số.