Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, máy công cụ điều khiển số (CNC) đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm gia công cơ khí. Theo báo cáo ngành, máy CNC mini 4 trục đang được quan tâm rộng rãi do khả năng gia công vật liệu phi kim loại với độ chính xác cao và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, tại Việt Nam, ngành sản xuất máy CNC còn nhiều hạn chế, chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất công nghiệp và đào tạo kỹ thuật. Luận văn tập trung nghiên cứu, tính toán và thiết kế máy phay CNC mini 4 trục ứng dụng gia công vật liệu phi kim loại, nhằm phục vụ giảng dạy và sản xuất tại địa phương.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: phân tích, lựa chọn cấu trúc máy phay CNC 4 trục phù hợp; tính toán thiết kế các bộ phận cơ khí chính; thiết kế hệ thống điều khiển; lập trình và vận hành thử nghiệm máy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế máy phay CNC mini 4 trục với hành trình trục X, Y, Z lần lượt là 530 x 480 x 180 mm, trục xoay A có hành trình 450 x 300 mm, vận tốc chạy tối đa 9 m/phút khi không gia công và 6 m/phút khi gia công, công suất động cơ trục chính 15 kW, tốc độ vòng quay tối đa 24.000 vòng/phút.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển một sản phẩm máy CNC mini có giá thành hợp lý, phù hợp với trình độ công nghiệp địa phương, đồng thời hỗ trợ công tác đào tạo kỹ thuật cơ khí, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và tự chủ công nghệ trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết điều khiển số (Numerical Control - NC và Computer Numerical Control - CNC): Giải thích nguyên lý vận hành, cấu trúc hệ thống điều khiển, các vòng lặp điều khiển khép kín và xử lý tín hiệu từ cảm biến vị trí.
  • Mô hình kết cấu động học máy công cụ CNC: Phân tích các trục chuyển động (X, Y, Z, A), hệ tọa độ Descartes, quy tắc bàn tay phải để xác định chiều chuyển động và vị trí các bộ phận.
  • Khái niệm về thiết kế cơ khí và tính toán chi tiết máy: Bao gồm tính toán lực cắt, lựa chọn vít me, ổ bi, ray dẫn hướng, động cơ bước, mô men xoắn và ứng suất vật liệu.
  • Phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng: SolidWorks dùng để thiết kế 3D và kiểm nghiệm tính toán các bộ phận máy, SolidCAM hỗ trợ lập trình gia công.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ tọa độ máy CNC, trục chuyển động, lực cắt chính, mô men quán tính, tải trọng động và tĩnh, tuổi thọ ổ bi, hệ số ma sát, và nguyên lý điều khiển động cơ bước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ tài liệu chuyên ngành, catalog thiết bị của các hãng như TBI, Hiwin, KingMotor, cùng số liệu thực nghiệm tại xưởng cơ khí trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Phân tích lý thuyết và tính toán kỹ thuật: Tính toán lực cắt, mô men, tải trọng, lựa chọn thiết bị cơ khí và điện tử phù hợp.
  • Thiết kế mô hình 3D: Sử dụng SolidWorks để mô phỏng kết cấu, kiểm nghiệm ứng suất và độ bền các chi tiết.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển: Lựa chọn phần mềm điều khiển Mach3 CNC, driver động cơ TB6560, động cơ bước S7, và thiết kế mạch điều khiển.
  • Lắp ráp và thử nghiệm thực tế: Gia công chi tiết, lắp ráp máy, hiệu chỉnh và vận hành thử nghiệm để đánh giá hiệu suất và độ chính xác gia công.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2019, với cỡ mẫu là một máy phay CNC mini 4 trục được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, áp dụng phương pháp chọn mẫu theo tiêu chuẩn kỹ thuật và thực tiễn sản xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn cấu trúc máy phay CNC 4 trục: Phương án trục xoay A chuyển động quay trên mặt phẳng Oxz được chọn do đảm bảo độ cứng vững, khả năng gia công các chi tiết tròn và phức tạp. Hành trình trục X, Y, Z lần lượt là 530 x 480 x 180 mm, trục xoay A có góc quay 0°-180°, vận tốc chạy tối đa 9 m/phút khi không gia công và 6 m/phút khi gia công.

  2. Tính toán thiết kế bộ phận cơ khí: Lực cắt chính khi gia công nhôm được xác định khoảng 50 N. Lựa chọn vít me bước 5 mm, ổ bi lắp một đầu cổ định, một đầu tùy chỉnh, ray dẫn hướng tròn cho trục Y và ray dẫn hướng vuông cho trục X, Z với tải trọng động cho phép lần lượt 30 kN và 11 kN. Động cơ bước được chọn phù hợp với mô men khởi động 18 Nm, đảm bảo vận hành ổn định.

  3. Thiết kế hệ thống điều khiển: Phần mềm Mach3 CNC được sử dụng với driver TB6560 và động cơ bước S7, cho phép điều khiển chính xác các trục chuyển động. Mạch điều khiển được thiết kế với sơ đồ chân tín hiệu LPT, đảm bảo truyền tín hiệu ổn định và chống nhiễu hiệu quả.

  4. Thử nghiệm và đánh giá: Máy phay CNC mini 4 trục sau khi lắp ráp và hiệu chỉnh cho kết quả gia công các chi tiết phi kim loại như gỗ, nhựa, mica với độ chính xác vị trí ±0.03 mm, tốc độ vòng quay trục chính đạt 24.000 vòng/phút, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn cấu trúc trục xoay A trên mặt phẳng Oxz giúp tăng độ cứng vững và khả năng gia công chi tiết phức tạp, phù hợp với yêu cầu gia công vật liệu phi kim loại. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, máy CNC mini 4 trục thiết kế có chi phí thấp hơn khoảng 20-30% so với sản phẩm nhập khẩu, đồng thời đáp ứng tốt nhu cầu đào tạo và sản xuất nhỏ lẻ.

Việc sử dụng ray dẫn hướng tròn cho trục Y và ray vuông cho trục X, Z là hợp lý do tải trọng và yêu cầu độ chính xác khác nhau trên từng trục. Phần mềm Mach3 CNC và driver TB6560 cho phép điều khiển linh hoạt, giảm thiểu sai số vận hành, phù hợp với môi trường sản xuất nhỏ và vừa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lực cắt, mô men và tải trọng trên từng trục, bảng đánh giá kích thước gia công và độ chính xác, cũng như sơ đồ mạch điều khiển để minh họa hiệu quả thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng công nghệ mô phỏng: Áp dụng sâu rộng phần mềm SolidWorks và SolidCAM trong thiết kế và lập trình gia công để giảm thời gian thử nghiệm thực tế, nâng cao độ chính xác thiết kế trong vòng 1-2 năm tới, do các đơn vị đào tạo và doanh nghiệp cơ khí thực hiện.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển tích hợp: Nghiên cứu và tích hợp các bộ điều khiển CNC thế hệ mới có khả năng kết nối mạng, tự động hóa cao, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì trong vòng 3 năm, do các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị điện tử đảm nhiệm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, vận hành và bảo dưỡng máy CNC mini cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên trong 1-2 năm, do các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật phối hợp thực hiện.

  4. Mở rộng ứng dụng máy CNC mini: Khuyến khích sử dụng máy phay CNC mini 4 trục trong các ngành nghề chế tác mỹ nghệ, điêu khắc, sản xuất linh kiện phi kim loại tại các địa phương, nhằm tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất trong vòng 2-3 năm, do các doanh nghiệp vừa và nhỏ triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Hỗ trợ nghiên cứu, giảng dạy về thiết kế máy công cụ CNC, nâng cao kiến thức thực tiễn và kỹ năng thiết kế, vận hành máy CNC mini.

  2. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy CNC: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, giúp tối ưu hóa thiết kế máy phay CNC mini phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: Tham khảo để phát triển sản phẩm máy CNC mini giá thành hợp lý, đáp ứng nhu cầu gia công vật liệu phi kim loại, nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Các trung tâm đào tạo nghề kỹ thuật: Áp dụng mô hình máy CNC mini 4 trục làm thiết bị thực hành, giúp học viên tiếp cận công nghệ hiện đại, nâng cao tay nghề và khả năng ứng dụng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy phay CNC mini 4 trục có ưu điểm gì so với máy 3 trục?
    Máy 4 trục có thêm trục xoay A giúp gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp, đặc biệt là các chi tiết tròn và góc cạnh, nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác so với máy 3 trục.

  2. Phần mềm điều khiển Mach3 CNC có phù hợp với máy CNC mini không?
    Mach3 CNC là phần mềm phổ biến, dễ sử dụng, hỗ trợ điều khiển đa trục và tương thích với nhiều loại driver động cơ, rất phù hợp cho máy CNC mini trong môi trường sản xuất nhỏ và đào tạo.

  3. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác khi gia công trên máy CNC mini?
    Độ chính xác được đảm bảo nhờ thiết kế kết cấu vững chắc, lựa chọn ray dẫn hướng và vít me chất lượng, cùng với hiệu chỉnh phần mềm điều khiển và kiểm tra định kỳ các bộ phận cơ khí.

  4. Chi phí đầu tư cho một máy phay CNC mini 4 trục khoảng bao nhiêu?
    Theo ước tính, chi phí đầu tư máy CNC mini 4 trục tự thiết kế và chế tạo có thể thấp hơn 20-30% so với máy nhập khẩu cùng loại, phù hợp với ngân sách của các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

  5. Máy CNC mini 4 trục có thể gia công những vật liệu nào?
    Máy phù hợp để gia công vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, mica, và các vật liệu mềm khác, đáp ứng nhu cầu sản xuất mỹ nghệ, điêu khắc và linh kiện phi kim loại với độ chính xác cao.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy phay CNC mini 4 trục với hành trình trục X, Y, Z lần lượt 530 x 480 x 180 mm và trục xoay A 0°-180°, vận tốc chạy tối đa 9 m/phút.
  • Tính toán chi tiết các bộ phận cơ khí như vít me, ổ bi, ray dẫn hướng và động cơ bước đảm bảo độ bền, độ chính xác và hiệu suất vận hành.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm Mach3 CNC và driver TB6560 cho phép điều khiển chính xác, ổn định các trục chuyển động.
  • Máy đã được thử nghiệm thực tế, gia công các chi tiết phi kim loại với độ chính xác vị trí ±0.03 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng, nâng cao công nghệ và đào tạo kỹ thuật để phát triển sản phẩm máy CNC mini phù hợp với nhu cầu sản xuất và đào tạo trong nước.

Tiếp theo, cần triển khai các dự án ứng dụng thực tế, hoàn thiện hệ thống điều khiển tích hợp và tổ chức đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng máy CNC mini 4 trục. Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích nghiên cứu, áp dụng và phát triển công nghệ này để góp phần thúc đẩy ngành cơ khí Việt Nam phát triển bền vững.