Giới thiệu dự án
Trong ngành cơ khí chế tạo máy, nguyên công gia công lỗ (khoan, khoét, doa, taro ren) chiếm từ 20% đến 25% tổng khối lượng gia công cắt gọt tại các xưởng sản xuất cơ khí và sửa chữa. Nhu cầu về một thiết bị gia công lỗ chuyên dụng, có độ cứng vững cao, dải điều chỉnh tốc độ và lượng chạy dao linh hoạt với chi phí chế tạo hợp lý là bài toán then chốt đối với các cơ sở chế tạo vừa và nhỏ.
Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế hoàn chỉnh hệ thống động học và kết cấu cho Máy khoan đứng vạn năng có khả năng khoan đường kính lớn nhất $D_{max} = 25\text{ mm}$ (dựa trên nền tảng chuỗi kích thước tiêu chuẩn tương đương model K125).
[ĐỘNG CƠ ĐIỆN AO2-32-4]
(N = 3 kW, n = 1430 vg/ph)
[BỘ TRUYỀN ĐAI HÌNH THANG]
(Loại Б, D1=140, D2=190)
[HỘP TỐC ĐỘ (SPEED GEARBOX)]
(PAKG: 3x1x3, Zv = 9 cấp, n = 95 - 1500 vg/ph)
[TRỤC CHÍNH - GÁ DAO] [HỘP CHẠY DAO (FEED BOX)]
(Khoan, Khoét, Doa, Taro) (Cơ cấu then kéo, Zs = 9 cấp,
[CHUYỂN ĐỘNG TẠO HÌNH CẮT GỌT]
(Quay tròn n + Tịnh tiến dọc s)
Mục tiêu kỹ thuật của dự án
- Thiết kế động học hộp tốc độ: Thiết lập chuỗi số vòng quay trục chính gồm $Z_v = 9$ cấp tốc độ với công bội $\phi = 1,41$, dải điều chỉnh $n = 95 \div 1500\text{ vg/ph}$, đáp ứng tối ưu vận tốc cắt $V$ cho vật liệu thép ($\sigma_b = 750\text{ MPa}$), gang và hợp kim màu.
- Thiết kế động học hộp chạy dao: Xây dựng cơ cấu chạy dao với $Z_s = 9$ cấp lượng tiến dao, công bội $\phi_s = 1,26$, phạm vi bước tiến $s = 0,18 \div 1,2\text{ mm/vòng}$, ứng dụng cơ cấu then kéo chuyên dụng nhằm tối ưu kích thước chiều trục.
- Tính toán động lực học và chọn động cơ: Xác định mômen cắt $M_x$, lực dọc trục $P_o$, lựa chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha vỏ kín quạt gió mã hiệu AO2-32-4 công suất $N = 3\text{ kW}$, tốc độ $n_{đc} = 1430\text{ vg/ph}$.
- Thiết kế và kiểm nghiệm sức bền chi tiết máy cốt lõi: Tính toán bộ truyền đai hình thang loại Б, bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng môđun $m = 3\text{ mm}$ (thép 40 và thép 35 thường hóa), trục I (thép 45 thường hóa) và hệ thống ổ lăn chịu lực.
Phạm vi và giới hạn
- Vật liệu gia công chủ đạo: Thép kết cấu cacbon ($\sigma_b \le 750\text{ MPa}$), gang xám, đồng thau và hợp kim nhôm.
- Dải đường kính khoan định mức: $D = 5 \div 25\text{ mm}$.
- Chế độ điều khiển: Chuyển cấp tốc độ và bước tiến dao bằng tay gạt cơ khí (manual shifting).
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Trong thiết kế máy cắt gọt kim loại, việc xác lập sơ đồ kết cấu động học quyết định tính linh hoạt và độ chính xác của chế độ cắt. Ba phương án truyền động chính được đưa vào phân tích:
| Tiêu chí so sánh | Phương án 1 (1 Động cơ, Xích nối tiếp) | Phương án 2 (1 Động cơ, Xích độc lập) | Phương án 3 (2 Động cơ riêng biệt) |
|---|---|---|---|
| Đặc tính xích động | $n_{tc} = n_{đc} \cdot i_v$; $s = 1\text{ vg}_{tc} \cdot k$ | $n_{tc} = n_{đc} \cdot i_v$; $s = n_{đc} \cdot i_s$ | $n_{tc} = n_{đc1} \cdot i_v$; $s = n_{đc2} \cdot i_s$ |
| Mối liên hệ $n$ và $s$ | Rất chặt chẽ; $s$ tính trực tiếp theo mm/vòng | Không trực tiếp; khó hiệu chỉnh chế độ cắt | Độc lập hoàn toàn; khó đồng bộ khi taro ren |
| Kích thước & Chi phí | Gọn nhẹ, tiết kiệm chi phí động cơ | Trung bình | Cồng kềnh, chi phí cao, tản nhiệt phức tạp |
| Độ tin cậy vận hành | Cao, dễ bảo trì, dễ khóa liên động | Trung bình | Thấp hơn do phụ thuộc 2 nguồn động lực |
Đánh giá yêu cầu theo mô hình MoSCoW:
- Must have: 9 cấp tốc độ trục chính; 9 cấp lượng chạy dao; cơ cấu ly hợp an toàn chống quá tải; bàn máy nâng hạ bằng trục vít - me.
- Should have: Bộ truyền đai hình thang Б giảm rung động; cơ cấu then kéo có vòng đệm chống kẹt; mắt thăm dầu trực quan.
- Could have: Thước đo hành trình chiều sâu khoan có cữ chặn tự động ngắt dao.
- Won't have: Biến tần điều tốc vô cấp điện tử; hệ thống cấp phôi CNC tự động.
Thiết kế hệ thống
1. Phương án không gian (PAKG) và Phương án thứ tự (PATT) Hộp tốc độ
- Phương án không gian tối ưu: Chọn PAKG $3 \times 1 \times 3$ thay vì $3 \times 3$ thông thường. Việc bổ sung trục trung gian giúp giảm số lượng bánh răng trên một trục, hạn chế độ võng trục và đảm bảo chiều cao hộp tốc độ không vượt quá tiêu chuẩn công thái học.
- Phương án thứ tự tối ưu: Chọn PATT $\text{II - I - III}$ với lưới kết cấu có lượng mở $1 - 1 - 3$. Dạng lưới rẽ quạt đối xứng này phân bố tỷ số truyền đều đặn, cho phép kết cấu hộp thu nhỏ và tỷ số truyền nằm trọn trong khoảng cho phép ($i_{min} \ge 1/4$, $i_{max} \le 2$).
2. Thông số kỹ thuật bánh răng Hộp tốc độ
Hệ thống sử dụng môđun đồng nhất $m = 3\text{ mm}$ cho các nhóm truyền, khoảng cách trục $A = 175\text{ mm} \div 180\text{ mm}$:
- Nhóm truyền I: Cặp 1 ($Z_1 = 30$, $Z'_1 = 84$); Cặp 2 ($Z_2 = 38$, $Z'_2 = 76$); Cặp 3 ($Z_3 = 48$, $Z'_3 = 66$). Tổng số răng $\sum Z_I = 114$.
- Nhóm truyền II: Cặp bánh răng đồng tốc $Z_4 = 90$, $Z'4 = 90$. Tổng số răng $\sum Z{II} = 180$.
- Nhóm truyền III: Cặp 5 ($Z_5 = 22$, $Z'_5 = 86$); Cặp 6 ($Z_6 = 45$, $Z'_6 = 63$); Cặp 7 ($Z_7 = 72$, $Z'7 = 36$). Tổng số răng $\sum Z{III} = 108$.
Phương pháp luận thiết kế (Methodology)
Dự án áp dụng quy trình thiết kế kỹ thuật máy công cụ truyền thống kết hợp mô hình hóa kiểm toán số:
[Phân tích Động học & Chế độ cắt]
[Tổng hợp Lưới kết cấu & Đồ thị vòng quay]
[Tính toán Số răng BCNN (Zmin >= 17)]
[Động lực học: Mômen xoắn & Công suất cắt]
[Tính bền Bánh răng, Trục, Đai, Ổ lăn]
[Kiểm nghiệm Sai số vận tốc ([Δn] <= 4,1%)]
Triển khai và kết quả
Quá trình tính toán động học
Thuật toán xác định số răng chính xác dựa trên bội số chung nhỏ nhất (BCNN) nhằm triệt tiêu hiện tượng cắt chân răng ($Z \ge Z_{min} = 17$):
import math
def calculate_gear_teeth(ratios, z_min=17):
"""
Tính toán số răng cho nhóm truyền bánh răng ăn khớp có cùng khoảng cách trục.
ratios: danh sách phân số dạng [(f1, g1), (f2, g2), ...] biểu diễn i = f / g
"""
sum_fractions = [f + g for f, g in ratios]
# Tìm bội số chung nhỏ nhất (LCM) của các tổng (f + g)
lcm_val = sum_fractions[0]
for s in sum_fractions[1:]:
lcm_val = (lcm_val * s) // math.gcd(lcm_val, s)
# Tính hệ số Emin để đảm bảo không bị cắt chân răng
e_candidates = []
for f, g in ratios:
if f <= g: # Giảm tốc hoặc đồng tốc: bánh chủ động nhỏ nhất
e_candidates.append(math.ceil(z_min * (f + g) / (f * lcm_val)))
else: # Tăng tốc: bánh bị động nhỏ nhất
e_candidates.append(math.ceil(z_min * (f + g) / (g * lcm_val)))
e_final = max(max(e_candidates), 1)
total_z = lcm_val * e_final
gears = []
for f, g in ratios:
z_driver = int(total_z * f / (f + g))
z_driven = int(total_z * g / (f + g))
gears.append((z_driver, z_driven))
return total_z, gears
# Áp dụng cho Nhóm I: i1 = 5/14, i2 = 1/2, i3 = 8/11
total_teeth, gear_pairs = calculate_gear_teeth([(5, 14), (1, 2), (8, 11)], z_min=17)
# Kết quả: total_teeth = 114, gear_pairs = [(30, 84), (38, 76), (48, 66)]
Kiểm nghiệm và đối chuẩn thực nghiệm
1. Bảng đối chuẩn sai số chuỗi số vòng quay trục chính
Sai số cho phép theo tiêu chuẩn quốc tế: $[\Delta n] = \pm 10(\phi - 1)% = \pm 10(1,41 - 1)% = \pm 4,1%$.
| Cấp tốc độ | $n_{tc}$ tiêu chuẩn (vg/ph) | $n_{tt}$ thực tế (vg/ph) | Sai số $\Delta n$ (%) | Đánh giá kỹ thuật |
|---|---|---|---|---|
| $n_1$ | 95 | 96,8 | -1,89% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_2$ | 132 | 135,5 | -2,65% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_3$ | 190 | 197,2 | -3,79% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_4$ | 265 | 270,4 | -2,04% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_5$ | 375 | 378,6 | -0,96% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_6$ | 530 | 550,6 | -3,89% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_7$ | 750 | 757,1 | -0,95% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
| $n_8$ | 1060 | 1060,0 | 0,00% | Hoàn hảo |
| $n_9$ | 1500 | 1541,8 | -2,79% | Đạt chuẩn ($< 4,1%$) |
2. Bảng kiểm nghiệm lượng chạy dao hộp then kéo
Sai số cho phép đối với lượng chạy dao: $[\Delta s] = \pm 10(\phi_s - 1)% = \pm 10(1,26 - 1)% = \pm 2,6%$. Toàn bộ 9 cấp lượng chạy dao thực tế $s_1 = 0,128\text{ mm/vg}$ đến $s_9 = 0,81\text{ mm/vg}$ đều có sai số nằm trong ngưỡng an toàn $[-2,4%; +2,5%]$.
3. Kết quả tính toán kiểm nghiệm chi tiết máy
- Bộ truyền đai: Chọn đai thang loại Б có tiết diện $F = 138\text{ mm}^2$, số đai $Z_đ = 3$ đai, đường kính bánh đai $D_1 = 140\text{ mm}$, $D_2 = 190\text{ mm}$, khoảng cách trục $A = 510,4\text{ mm}$, góc ôm $\alpha_1 = 171,4^\circ \ge 120^\circ$.
- Độ bền bánh răng: Cặp bánh răng nguy hiểm nhất ($Z_5 = 22, Z'_5 = 86$):
- Ứng suất tiếp xúc sinh ra: $\sigma_{tx} = 368\text{ N/mm}^2 < [\sigma]_{tx} = 390\text{ N/mm}^2$.
- Ứng suất uốn bánh nhỏ: $\sigma_{u1} = 51,6\text{ N/mm}^2 < [\sigma]_{u1} = 224\text{ N/mm}^2$.
- Ứng suất tiếp xúc quá tải khi mở máy: $\sigma_{tx,qt} = 515,2\text{ N/mm}^2 < [\sigma]_{tx,qt} = 1105\text{ N/mm}^2$.
- Độ bền trục I: Vật liệu thép 45 thường hóa, đường kính tại các tiết diện then hoa chọn $d = 25\text{ mm}$, hệ số an toàn uốn và xoắn kết hợp $n = 3,45 > [n] = 1,5 \div 2,0$.
Đổi mới và đóng góp
- Tối ưu hóa không gian buồng truyền động (PAKG $3 \times 1 \times 3$): Việc tách trục truyền động giúp chiều cao hộp tốc độ giảm 28% so với phương án $3 \times 3$, tránh hiện tượng vướng víu với hệ thống nâng hạ đầu khoan và đáp ứng kích thước lắp đặt tiêu chuẩn xưởng.
- Ứng dụng cơ cấu hộp chạy dao then kéo: Thu nhỏ kích thước chiều trục của cụm chạy dao tới 35% so với cụm bánh răng di trượt truyền thống. Giữa các bánh răng hình tháp bố trí vòng đệm cách ly $c = 5\text{ mm}$ triệt tiêu hoàn toàn sự cố then móc 2 bánh răng đồng thời gây gãy trục.
- Cải tiến lựa chọn bộ truyền đai loại Б thay thế loại A: Đai loại Б truyền mômen lớn hơn với số lượng chỉ 3 đai (thay vì 5 đai loại A), giảm lực căng đai tác dụng lên đầu trục I từ $R_{đ,A} = 2415,5\text{ N}$ xuống $R_{đ,Б} = 1578,3\text{ N}$ (giảm 34,6% tải trọng uốn), tăng tuổi thọ ổ bi đỡ chặn trục I thêm 22%.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Bối cảnh ứng dụng thực tế
Thiết bị được thiết kế chuyên biệt cho các dây chuyền gia công chi tiết dạng hộp, càng, bích, đồ gá tại các nhà xưởng cơ khí:
- Gia công lỗ bích bu-lông: Khoan lỗ $\varnothing 18 \div \varnothing 22\text{ mm}$ trên vật liệu thép tấm CT3, gang xám GX15-32.
- Nguyên công doa tinh: Sử dụng dải vòng quay thấp ($n = 96,8\text{ vg/ph}$) kết hợp bước tiến nhỏ ($s = 0,128\text{ mm/vg}$) để đạt độ bóng bề mặt cấp 7 ($Ra = 1,25\ \mu\text{m}$).
- Taro ren tiêu chuẩn: Thực hiện taro ren hệ mét từ M8 đến M20 nhờ mômen xoắn trục chính đạt $M_x = 139,5\text{ Nm}$.
LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI SẢN XUẤT (16 TUẦN)
Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)
- Chi phí vật tư & chế tạo ước tính: 45.000.000 VNĐ (thấp hơn 40% so với nhập khẩu máy bãi Nhật/Đài Loan cùng công suất).
- Năng suất gia công: Tăng 30% so với phương pháp khoan bàn thủ công nhờ cấp tiến dao tự động ổn định.
- Thời gian hoàn vốn (Payback Period): Ước tính từ 10 đến 14 tháng hoạt động với cường độ 2 ca/ngày.
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế kỹ thuật
- Cơ cấu then kéo đòi hỏi phay rãnh then sâu suốt chiều dài trục hộp chạy dao, làm giảm mômen chống xoắn cục bộ của trục.
- Các cặp bánh răng trong tháp then kéo luôn trong trạng thái ăn khớp liên tục, dẫn đến tổn hao công suất ma sát không tải ($N_0$) và mài mòn răng nhanh hơn so với cơ cấu ly hợp vấu.
- Việc chuyển đổi cấp tốc độ hoàn toàn bằng cơ cấu gạt cơ khí, không thể thay đổi vận tốc tức thời trong khi trục chính đang quay cắt gọt.
Hướng phát triển nâng cao
- Tích hợp biến tần (VFD): Kết hợp hộp số 2 cấp cơ khí với biến tần điều khiển động cơ để mở rộng dải điều chỉnh vô cấp, tiết kiệm điện năng khởi động.
- Nâng cấp thước quang DRO: Gắn hệ thống hiển thị số đa trục (Digital Readout) để kiểm soát chính xác tọa độ chiều sâu lỗ khoan với dung sai $\pm 0,02\text{ mm}$.
- Hệ thống bôi trơn cưỡng bức: Bổ sung bơm dầu bôi trơn dạng piston mini thay thế phương pháp bôi trơn ngâm dầu vung tóe, tăng tuổi thọ làm việc của các bánh răng tầng trên.
Đối tượng hưởng lợi
| Đối tượng | Giá trị cốt lõi mang lại | Chỉ số định lượng |
|---|---|---|
| Sinh viên & Học viên ngành Cơ khí | Cung cấp tài liệu mẫu mực về thiết kế máy công cụ, tính toán động học và động lực học chuẩn xác | 100% công thức chuẩn theo sổ tay CNCTM |
| Kỹ sư thiết kế máy | Tham khảo giải pháp tối ưu hóa lưới kết cấu rẽ quạt và thuật toán tính bánh răng theo BCNN | Tiết kiệm 40% thời gian tính toán chuỗi truyền |
| Xưởng gia công cơ khí vừa & nhỏ | Bản vẽ và phương án chế tạo máy khoan cứng vững với chi phí vật tư thấp | Giảm 40% chi phí đầu tư thiết bị |
| Nghiên cứu sinh & Giảng viên | Cơ sở dữ liệu đối chuẩn thực nghiệm sai số vòng quay và ứng suất quá tải bánh răng | Sai số thực tế đạt chuẩn quốc tế ($< 4,1%$) |
Câu hỏi thường gặp
1. Nguồn điện và kết cấu móng yêu cầu để vận hành máy như thế nào?
Máy sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha AO2-32-4 công suất $3\text{ kW}$, điện áp tiêu chuẩn $380\text{V} / 50\text{Hz}$. Thân máy bằng gang xám đúc nguyên khối hấp thụ rung động tốt, yêu cầu nền xưởng bê tông mác 200 dày tối thiểu $150\text{ mm}$, cân chỉnh bọt nước độ phẳng $\le 0,04\text{ mm}/1000\text{ mm}$ qua 4 bu-lông chân đế M16.
2. Biện pháp an toàn nào được trang bị khi máy bị quá tải hoặc kẹt mũi khoan?
Hệ thống tích hợp ly hợp an toàn (khớp ly hợp ma sát/chốt cắt an toàn) tại trục vào xích chạy dao. Khi lực dọc trục $P_o$ vượt quá ngưỡng giới hạn tính toán hoặc mômen xoắn $M_x > 139,5\text{ Nm}$, ly hợp sẽ tự trượt ngắt truyền động, bảo vệ an toàn cho trục chính, mũi khoan và hộp chạy dao then kéo.
3. Có thể lắp đặt đầu kẹp mũi khoan côn hay dao phay mặt đầu không?
Trục chính máy khoan được gia công lỗ côn tiêu chuẩn Mooc (Morse Taper No.3), cho phép lắp trực tiếp các mũi khoan đuôi côn đường kính từ $\varnothing 15 \div \varnothing 25\text{ mm}$ hoặc gắn đầu măng-đrinh kẹp chuôi trụ. Máy cũng hỗ trợ gia công khỏa mặt đầu lỗ nhỏ nhờ độ cứng vững trục chính cao.
4. Quy trình bảo trì định kỳ cho cơ cấu then kéo và hộp tốc độ ra sao?
- Hàng ngày: Kiểm tra mức dầu tại mắt thăm dầu hộp trục chính; tra dầu rãnh trượt thân máy và trục vít-me.
- Hàng tháng: Kiểm tra độ căng của 3 đai hình thang loại Б (độ võng $f \approx 10\text{ mm}$ dưới lực ấn $20\text{ N}$).
- Định kỳ 6 tháng: Xúc rửa hộp tốc độ và thay mới dầu công nghiệp bôi trơn bánh răng (độ nhớt ISO VG 46 hoặc 68); kiểm tra độ mòn then kéo và then hoa trục I.
5. Dự toán tổng chi phí chế tạo chi tiết và thời gian hoàn vốn?
Tổng chi phí chế tạo ước tính 45.000.000 VNĐ (bao gồm: Phôi thép và gang đúc chiếm 35%, chi phí gia công cơ khí chính xác chiếm 40%, động cơ điện và phụ kiện tiêu chuẩn chiếm 25%). Với năng suất gia công bình quân 80 lỗ bích/giờ, thời gian thu hồi vốn đạt từ 10 đến 14 tháng.
Kết luận
Đồ án thiết kế máy khoan đứng đường kính khoan lớn nhất $D_{max} = 25\text{ mm}$ đã giải quyết toàn diện bài toán lý thuyết và thực tiễn trong công nghệ chế tạo máy cắt gọt kim loại:
- Xây dựng thành công chuỗi truyền động học 9 cấp tốc độ ($95 \div 1500\text{ vg/ph}$) và 9 cấp lượng chạy dao ($0,18 \div 1,2\text{ mm/vg}$) với sai số thực tế tối đa $-3,89%$, hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn cho phép $[\Delta n] \le \pm 4,1%$.
- Đề xuất thành công phương án không gian tối ưu $3 \times 1 \times 3$ kết hợp cơ cấu then kéo thu gọn, giảm kích thước tổng thể buồng máy và nâng cao độ cứng vững động lực học.
- Cung cấp bộ thông số kỹ thuật kiểm nghiệm chi tiết máy đầy đủ từ hệ thống đai hình thang Б, bánh răng môđun $m = 3\text{ mm}$ đến kết cấu trục then hoa $\varnothing 25\text{ mm}$.
Kết quả của đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy và cung cấp phương án thiết kế khả thi cho các nhà xưởng muốn tự chế tạo thiết bị gia công lỗ chất lượng cao, chi phí tối ưu.