Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành chế tạo máy hiện đại, việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa tích hợp giữa thiết kế hỗ trợ bởi máy tính (CAD), sản xuất hỗ trợ bởi máy tính (CAM) và gia công điều khiển số (CNC) là tiêu chuẩn kỹ thuật cốt lõi nhằm nâng cao độ chính xác, rút ngắn chu kỳ sản xuất và hạn chế các sai sót do can thiệp thủ công. Đồ án "Công nghệ CAD/CAM/CNC" do sinh viên Nguyễn Tuấn Điệp (lớp 17C1B) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Ngọc Hải tập trung vào việc thiết kế và lập quy trình công nghệ gia công cho chi tiết thân thuộc cụm mỏ cặp mài góc.

Vấn đề nghiên cứu và nhiệm vụ kỹ thuật được xác định cụ thể như sau:

  1. Phân tích kết cấu động học, chức năng làm việc và các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt của chi tiết thân (chi tiết số 14) trong cụm bản vẽ lắp mỏ cặp mài dao.
  2. Phân tích tính công nghệ của kết cấu, điều kiện làm việc thực tế để lựa chọn vật liệu chế tạo và phương pháp tạo phôi thích hợp cho dạng sản xuất đơn chiếc.
  3. Lựa chọn hệ thống phần mềm CAD/CAM/CNC tối ưu để mô hình hóa 3D và lập trình gia công.
  4. Xây dựng tiến trình công nghệ gia công cơ khí hoàn chỉnh trên trung tâm gia công CNC nhiều trục (máy phay 5 trục), phân chia nguyên công, xác định sơ đồ định vị và kẹp chặt.
  5. Tra cứu, tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt, vận tốc cắt, tốc độ quay trục chính, bước tiến dao) và lựa chọn dao cụ tiêu chuẩn theo catalog công nghiệp.
  6. Thiết lập môi trường mô phỏng gia công (Manufacturing Setup), tạo các chu trình phay/khoan/khoét/móc/vát mép trên phần mềm Pro/ENGINEER 4.0 và xuất mã lệnh điều khiển G-code.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là chi tiết thân của cơ cấu mỏ cặp dùng để kẹp chặt dao trên máy mài. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở dạng sản xuất đơn chiếc, sử dụng phôi đúc từ gang xám, gia công tinh hoàn thiện các bề mặt chức năng trên máy phay 5 trục CNC BL-Y600.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế công nghệ

Đồ án được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn công nghệ chế tạo máy:

  • Khái niệm và nguyên lý tích hợp CAD/CAM/CNC: Hệ thống CAD (Computer Aided Design) đóng vai trò xây dựng mô hình hình học 3D dạng tham số và phân tích kết cấu; hệ thống CAM (Computer Aided Manufacturing) đảm nhiệm việc lập kế hoạch đường chạy dao, tính toán quỹ đạo cắt và điều khiển sản xuất; hệ thống CNC (Computer Numerical Controlled) tiếp nhận dữ liệu số để điều khiển chuyển động đa trục của máy công cụ chính xác thay cho hệ thống đục lỗ NC truyền thống.
  • Tiêu chuẩn công nghệ và cấp chính xác gia công: Đồ án áp dụng hệ thống dung sai lắp ghép tiêu chuẩn với các cấp chính xác IT7 (cho các lỗ lắp ghép $\phi 34$, $\phi 30$, M6) và IT10 (cho các kích thước tự do còn lại); tiêu chuẩn độ nhám bề mặt gia công lỗ đạt $Ra = 1.25\ \mu\text{m}$; độ không đồng tâm và độ không vuông góc hình học.
  • Phần mềm thiết kế tham số Pro/ENGINEER 4.0 (PTC): Khung công cụ được lựa chọn dựa trên 5 chỉ tiêu: tính linh hoạt, tính khả thi, tính đơn giản, tính biểu diễn được và tính kinh tế. Hệ thống tích hợp toàn diện các module chức năng như Pro/DETAIL, Pro/ASSEMBLY, Pro/MANUFACTURING, Pro/FEATURE, Pro/MECHANICA, Pro/NC-Sequence.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế:
    • Phương pháp phân tích nguyên lý định vị 6 bậc tự do trong công nghệ chế tạo máy, sử dụng đồ gá eto trên bàn máy CNC.
    • Phương pháp tra cứu sổ tay công nghệ chế tạo máy và catalog dao cụ công nghiệp hãng SECO Tools (mã dao, chíp dao MP2500, DP3000, TP40, SIRON-A, SIRA) để xác định vận tốc cắt $V_c$, lượng chạy dao răng $S_z$, lượng chạy dao vòng $S$.
    • Phương pháp tính toán giải tích xác định tốc độ trục chính: $$n = \frac{V_c \cdot 1000}{\pi \cdot D_c}\quad (\text{vòng/phút})$$ và tốc độ tiến dao phút: $$S_{ph} = S_z \cdot n \cdot Z\quad (\text{mm/phút})$$
    • Phương pháp mô phỏng số kiểm tra đường chạy dao (Screen Play/Toolpath Simulation) nhằm loại bỏ nguy cơ va chạm dao cụ trước khi gia công thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Phân tích và thiết kế chi tiết

Chương I tập trung mô tả kết cấu cụm cơ cấu mỏ cặp mài góc, phân tích chức năng của chi tiết thân, xác định yêu cầu kỹ thuật và phân tích lựa chọn phần mềm CAD/CAM.

  1. Phân tích kết cấu và chức năng: Chi tiết số 14 trong bản vẽ lắp là chi tiết thân của mỏ cặp mài góc, giữ vai trò giá đỡ và liên kết các cụm má kẹp:

    • Má cố định 05 cùng miếng đệm được kẹp trên trục chính nhờ vít và có thể quay trong mặt phẳng nằm ngang một góc tùy ý.
    • Má động trượt dọc theo má 06 nhờ tay quay 02 lắp ở đầu nối trục 03.
    • Các bu lông 13 và đai ốc 14 chạy trong hai rãnh trượt của má 06.
    • Các má kẹp được cố định trên đế quay 12; đế quay 12 liên kết với thân 20 qua trục ngang 16, cho phép xoay cụm má kẹp một góc bất kỳ trong mặt phẳng thẳng đứng.
    • Cụm vòng trượt 19 và bu lông 18 cho phép mỏ cặp quay tự do trong mặt phẳng nằm ngang mà không cần xoay trục chính 15. Vít 17 dùng để cố định với trục 15, vít 27 dùng để cố định với trục ngang 16.

  2. Yêu cầu kỹ thuật chi tiết thân:

    • Lỗ $\phi 34$ và các lỗ ren M6 gia công đạt cấp chính xác IT7.
    • Lỗ $\phi 30$ gia công đạt cấp chính xác IT7.
    • Khoảng cách từ tâm các lỗ ren M6 đến tâm chuẩn chi tiết: dung sai $+0.015\ \text{mm}$.
    • Khoảng cách từ các lỗ $\phi 34$ đến tâm chi tiết: dung sai $+0\ \text{mm}$.
    • Khoảng cách từ các lỗ $\phi 30$ đến tâm chi tiết: dung sai $\pm 0\ \text{mm}$.
    • Các kích thước hình học tự do còn lại: gia công đạt cấp chính xác IT10.
    • Độ nhám bề mặt các lỗ làm việc: $Ra = 1.25\ \mu\text{m}$.
    • Độ không đồng tâm giữa mặt trụ $\phi 18$ và $\phi 30$ so với mặt chuẩn A không vượt quá $0\ \text{mm}$.
    • Độ không vuông góc của mặt trụ $\phi 47$ không vượt quá $0.2\ \text{mm}$.

  3. Vật liệu và dạng phôi: Chi tiết được chế tạo từ gang xám, thành phần hóa học gồm sắt chiếm trên 95% trọng lượng, hàm lượng carbon khoảng 2%. Gang xám có nhiệt độ nóng chảy thấp (1350°C), giá thành rẻ, tính đúc tốt, không đòi hỏi khắt khe về tạp chất. Với sản xuất đơn chiếc, phôi đúc ban đầu được lựa chọn với lượng dư gia công hợp lý, chuẩn tinh mặt đáy được chuẩn bị trước.

  4. Lựa chọn phần mềm: Tác giả so sánh các hệ phần mềm CAD/CAM hàng đầu: CATIA và Unigraphics NX (chuyên sâu cho hàng không, ô tô, tàu thủy), I-deas và Pro/Engineer Wildfire. Phần mềm Pro/Engineer 4.0 (Parametric Technology Corp) được lựa chọn do tính phổ biến tại Việt Nam (chiếm trên 75% thị phần thiết kế khuôn mẫu cơ khí), giá thành hợp lý, khả năng mô hình hóa tham số 3D mạnh mẽ và hệ thống module đồng bộ.

Tên Module Pro/E Chức năng chính được đồ án trình bày
Pro/DETAIL Tạo mô hình 3D và liên kết 2 chiều với bản vẽ 2D xưởng sản xuất
Pro/ASSEMBLY Lắp ráp chi tiết, cụm chi tiết, xử lý va chạm và cập nhật thay đổi
Pro/SHEETMETAL Thiết kế chi tiết dạng tấm vỏ và xuất chương trình NC gia công tấm
Pro/SURFACE Tạo bề mặt tự do (Free Form), xử lý bề mặt cong phức tạp
Pro/MANUFACTURING Xây dựng dữ liệu NC, mô phỏng gia công, định dạng dữ liệu CL
Pro/MESH Chia lưới phần tử hữu hạn (FEA), kết nối ANSYS, NASTRAN, ABAQUS
Pro/MECHANICA Mô phỏng động học, kiểm nghiệm ứng suất, biến dạng, dự đoán phá hủy
Pro/INTERFACE Trao đổi dữ liệu trung gian với hệ thống CAD khác (IGES, DXF, VDAFS)
Pro/FEATURE / DESIGN Quản lý thư viện phần tử thiết kế tiêu chuẩn, thiết lập sơ đồ khối
Pro/LIBRARY / VIEW Thư viện linh kiện tiêu chuẩn; quan sát tổng thể mô hình 3D
Pro/MOLD / DEVELOP Thiết kế khuôn mẫu; mở rộng lập trình qua ngôn ngữ C và FORTRAN

Chương II: Lập quy trình công nghệ gia công

Chương II xác lập quy trình công nghệ cơ khí, lựa chọn thiết bị gia công, phân chia các bước công nghệ và tính toán chế độ cắt chi tiết cho 2 nguyên công trên máy phay CNC.

  1. Thiết bị gia công: Máy phay 5 trục CNC BALIN MACHINERY BL-Y600 (Đài Loan) với các thông số kỹ thuật:

    • Hành trình trục X / Y / Z: $660\ \text{mm} \times 610\ \text{mm} \times 610\ \text{mm}$ (hoặc tùy chọn $760 \times 610 \times 560\ \text{mm}$).
    • Kích thước bàn làm việc: Đường kính $\phi 450\ \text{mm}$; rãnh chữ T: $12\ \text{mm} \times 900$ hoặc $14\ \text{mm} \times 450$.
    • Kích thước phôi gia công lớn nhất: $\phi 450 \times 300\ \text{mm}$; tải trọng phôi tối đa: 150 kg đến 300 kg.
    • Đầu trục chính: Kiểu côn BT40, đường kính ổ bi trong $70\ \text{mm}$, công suất động cơ $12\ \text{kW}$.
    • Tốc độ trục chính: $10.000\ \text{vòng/phút}$ (truyền động khớp nối) hoặc $15.000\ \text{vòng/phút}$ (truyền động trực tiếp).
    • Chuyển động quay trục A: Góc quay $150^\circ\ (-120^\circ / +30^\circ)$ hoặc $220^\circ\ (\pm 110^\circ)$, hỗ trợ quay $360^\circ$.
    • Tốc độ chạy dao nhanh (X/Y/Z): $30 / 30 / 24\ \text{m/phút}$; tốc độ cắt khi có tải: $1 - 10\ \text{m/phút}$.

  2. Phân chia nguyên công và phương án định vị:

    • Cả 2 nguyên công đều sử dụng sơ đồ định vị chuẩn: Mặt đáy hạn chế 3 bậc tự do, mặt bên thứ nhất hạn chế 2 bậc tự do, mặt bên thứ hai hạn chế 1 bậc tự do (định vị đủ 6 bậc tự do). Kẹp chặt chi tiết bằng eto chuyên dụng trên bàn máy CNC.
Nguyên công Bước công nghệ Nội dung bước gia công Mã hiệu dao cụ & Chíp dao Thông số hình học dao
Nguyên công 1 Bước 1 + 2 Phay thô và phay tinh mặt đầu Dao phay mặt đầu R220/5312; Hạt dao SEMX1204AFTN-M15 MP2500 $D_c = 40\ \text{mm}$, $Z = 6$, $L = 40\ \text{mm}$
Bước 3 Khoan lỗ $\phi 10$ Mũi khoan ruột gà tiêu chuẩn $\phi 10$ $D_c = 10\ \text{mm}$, $L = 89\ \text{mm}$
Bước 4 + 5 Phay thô và phay tinh lỗ $\phi 34$ Dao phay ngón R217.69-06 $D_c = 10\ \text{mm}$, $L = 60\ \text{mm}$
Bước 6 Phay mặt biên dạng ngoài Dao phay ngón Seco JABRO™ – SOLID2 – JS512 (mã 512051Z2.0-SIRON-A) $D_c = 5\ \text{mm}$, chuôi trụ
Nguyên công 2 Bước 1 + 2 Phá thô và phay tinh lòng chi tiết Dao Seco JHP993200E3C.3Z4-SIRA (mã B39JABROHPM) $D_c = 14\ \text{mm}$
Bước 3 Khoan lỗ $\phi 30$ Dao khoan Seco SD524-29-116-32R7; Hạt dao SCGX09T308-P2 DP3000 $D_c = 29\ \text{mm}$, $L = 100\ \text{mm}$
Bước 4 Móc lỗ $\phi 30$ Dao móc lỗ A75010CC0690; Hạt dao CCMT060202-F2 TP40 $D_c = 30\ \text{mm}$, $L = 100\ \text{mm}$
Bước 5 Vát mép góc tinh Dao vát mép JME562025G5R015.0Z2-SIRA $D_c = 5\ \text{mm}$
  1. Bảng tổng hợp chế độ cắt tính toán theo từng bước:
Nguyên công - Bước Chiều sâu cắt $t\ (\text{mm})$ Vận tốc cắt $V_c\ (\text{m/phút})$ Lượng tiến dao ($S_z$ hoặc $S$) Tốc độ trục chính $n\ (\text{vg/phút})$ Tốc độ tiến dao $S_{ph}\ (\text{mm/phút})$ Tốc độ chạy nhanh $(\text{mm/phút})$ Lượng dư còn lại $(\text{mm})$
NC1 - B1 (Phay thô mặt đầu) 1.00 398.0 $S_z = 0.07\ \text{mm/răng}$ 3169 1331 1500 0.5
NC1 - B2 (Phay tinh mặt đầu) 0.50 398.0 $S_z = 0.07\ \text{mm/răng}$ 3169 1331 1200 0.0
NC1 - B3 (Khoan lỗ $\phi 10$) 16.50 27.5 $S = 0.28\ \text{mm/vòng}$ 875 - 200 0.0
NC1 - B4 (Phay thô $\phi 34$) 2.50 35.0 $S_z = 0.03\ \text{mm/răng}$ 1115 - 150 0.5
NC1 - B5 (Phay tinh $\phi 34$) - 35.0 $S_z = 0.03\ \text{mm/răng}$ 1115 - 100 0.0
NC1 - B6 (Phay mặt biên) 6.25 350.0 $S_z = 0.22\ \text{mm/răng}$ 4456 - 3922 0.0
NC2 - B1 (Phá thô) 1.00 - - 3899 245 3501 0.5
NC2 - B2 (Phay tinh) - - - 2387 150 500 0.0
NC2 - B3 (Khoan lỗ $\phi 30$) - 165.0 $S = 0.15\ \text{mm/vòng}$ 1811 (NC: 1181) 272 (NC: 165) 272 Tưới nguội nhũ tương 6%
NC2 - B4 (Móc lỗ $\phi 30$) 0.25 155.0 $S = 0.4\ \text{mm/vg}\ (S_z=0.2)$ 1645 (NC: 1181) 658 (NC: 155) - Dung dịch nhũ tương
NC2 - B5 (Vát mép góc tinh) 0.149 117.0 $S_z = 0.05\ \text{mm/răng}$ 15000 1500 1500 Tiếp cận kính $0.125\ \text{mm}$

Chương III: Lập trình gia công

Chương III xử lý dữ liệu sau tính toán (Post-processing) nhằm xuất cấu trúc mã lệnh số G-code phục vụ điều khiển hệ thống CNC:

  • Mã G-code nguyên công 1: Khởi tạo hệ tọa độ gia công và hệ đơn vị (lệnh N5 G71 cài đặt đơn vị mm), thiết lập chiều cao an toàn bù dao (N170 G0 G43 Z50.), điều khiển bật trục chính quay thuận chiều kèm tốc độ quay (N165 S875 M03), lập trình nội suy cung tròn (N370 G3 X62.5) và nội suy đường thẳng (N705 G1 Y0.2).
  • Mã G-code nguyên công 2: Cài đặt bù chiều dài dao và định vị tọa độ tiếp cận (N5 G71, N40 G1 G43 X7.25), thực hiện các khối lệnh dịch chuyển cắt liên tục (N125 X7.25, N725 X7.25, N1325 X7.964) và kết thúc chương trình bằng ký tự %.

Chương IV: Mô phỏng gia công

Chương IV trình bày toàn bộ quy trình thiết lập môi trường gia công ảo trên module Pro/MANUFACTURING của Pro/ENGINEER 4.0:

  1. Khởi tạo và thiết lập mô hình gia công:

    • Dùng lệnh Assemble Reference Model để nạp file 3D chi tiết thiết kế.
    • Dùng lệnh Merge Workpiece để ghép mô hình phôi đúc.
    • Tạo hệ tọa độ gia công ACS1 bằng cách chọn Coordinate System và giao thoa 3 mặt phẳng chuẩn.
    • Khởi tạo Mfg Setup $\rightarrow$ NC Machine: Gán tọa độ gốc Machine Zero trùng với ACS1, nhập khoảng cách mặt phẳng an toàn lùi dao Retract Surface Value = 30 mm.
    • Khai báo thông số máy: Số vòng quay cực đại (Maximum speed) và công suất máy (Horsepower) tại thẻ Spindle; thiết lập giới hạn dịch chuyển bàn máy tại thẻ Travel.

  2. Thiết lập chu trình công nghệ (NC Sequences) cho Nguyên công 1:

    • Bước 1 (Phay thô mặt đầu): Chọn Mach Aux (Face). Khai báo dao T0001 ($D=40\ \text{mm}$). Cài đặt tham số: Cut_Feed = 398, Free_Feed = 1500, Step_Depth = 0.5, Step_Over = 35, Spindle_speed = 3169, Clear_dist = 15, Bottom_stock_allow = 0.5. Vẽ mặt gia công bằng Extrude, định hướng ăn dao (Direction Flip hướng lên), mô phỏng bằng Play Path $\rightarrow$ Screen Play.
    • Bước 2 (Phay tinh mặt đầu): Giữ nguyên chu trình Face, thay đổi Free_Feed = 1200, cài đặt lượng dư đáy Bottom_stock_allow = 0.
    • Bước 3 (Khoan lỗ $\phi 10$): Chọn Mach Aux (Holemaking) $\rightarrow$ Steps / Drill / Deep. Khai báo dao T0002 ($D=\phi 10$, Tool number: 2, Offset number: 2). Cài đặt Cut_Feed = 27.5, Spindle_speed = 875. Dùng HoleSet chọn các vị trí lỗ.
    • Bước 4 (Phay thô lỗ $\phi 34$): Chọn Mach Aux (Volume). Khai báo dao T0003 ($D=\phi 10$, Tool number: 3). Cài đặt Cut_Feed = 35, Free_Feed = 150, Step_Depth = 1, Step_Over = 8, Spindle_speed = 1115, Clear_dist = 5, Bottom_stock_allow = 0.5. Định nghĩa biên dạng gia công Mill Volume.
    • Bước 5 (Phay tinh lỗ $\phi 34$): Chu trình Volume với dao T0003, Free_Feed = 100, Bottom_stock_allow = 0.
    • Bước 6 (Phay mặt biên): Chọn Mach Aux (Profile). Khai báo dao T0004 ($D=\phi 5$, Tool number: 4). Cài đặt Cut_Feed = 350, Free_Feed = 3922, Step_Depth = 1, bật Lead_In & Lead_Out = YES với bán kính tiếp cận Lead Radius = 15, Spindle_speed = 4456, Clear_dist = 15. Chọn bề mặt gia công qua Surf Pick.

  3. Thiết lập chu trình công nghệ (NC Sequences) cho Nguyên công 2:

    • Tái lập hệ tọa độ gốc mới và thiết lập khoảng lùi dao an toàn Retract Surface Value = 30 mm.
    • Bước 1 (Phay thô lòng chi tiết): Chọn Volume, gán dao T0005 ($D=\phi 14$, Tool number: 5). Cài đặt Cut_Feed = 245, Free_Feed = 3501, Step_Depth = 1, Step_Over = 12, Spindle_speed = 3899, Clear_dist = 5, Bottom_stock_allow = 0.5.
    • Bước 2 (Phay tinh): Chu trình Volume với dao T0005, cài đặt Cut_Feed = 150, Free_Feed = 500, Spindle_speed = 2387, Bottom_stock_allow = 0.
    • Bước 3 (Khoan lỗ $\phi 30$): Chọn Holemaking (khoan sâu), nạp dao T0006 ($D=\phi 29$, Tool number: 6). Cài đặt Cut_Feed = 165, Free_Feed = 272, Spindle_speed = 1181. Chọn danh sách lỗ qua HoleSet.
    • Bước 4 (Móc lỗ $\phi 30$): Chọn Holemaking, gán dao T0007 ($D=\phi 30$, Tool number: 7). Cài đặt Cut_Feed = 155, Spindle_speed = 1181.
    • Bước 5 (Vát mép góc tinh): Chọn Profile, nạp dao T0008 ($D=\phi 5$, Tool number: 8). Cài đặt Cut_Feed = 117, Free_Feed = 1500, Step_Depth = 0.149, Spindle_speed = 15000.

Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ gia công

Toàn bộ quy trình công nghệ thiết kế và mô phỏng gia công được chuẩn hóa thành chuỗi tham số điều khiển trực tiếp trên module CAM của phần mềm Pro/ENGINEER 4.0:

Nguyên công Bước công nghệ Kiểu Sequence Mã dao (Tool ID) Đường kính $D_c\ (\text{mm})$ Tốc độ trục chính $S\ (\text{vg/p})$ Tốc độ cắt $F\ (\text{mm/p})$ Chạy dao nhanh Free Feed Chiều sâu cắt Step Depth Lượng dịch dao ngang Step Over Lượng dư đáy Stock Allow
NC 1 Bước 1: Phay thô mặt đầu Face T0001 40 3169 398 1500 0.5 35 0.5
Bước 2: Phay tinh mặt đầu Face T0001 40 3169 398 1200 0.5 35 0.0
Bước 3: Khoan lỗ $\phi 10$ Holemaking T0002 10 875 27.5 - - - 0.0
Bước 4: Phay thô lỗ $\phi 34$ Volume T0003 10 1115 35 150 1.0 8 0.5
Bước 5: Phay tinh lỗ $\phi 34$ Volume T0003 10 1115 35 100 1.0 8 0.0
Bước 6: Phay mặt biên Profile T0004 5 4456 350 3922 1.0 - 0.0
NC 2 Bước 1: Phay phá thô Volume T0005 14 3899 245 3501 1.0 12 0.5
Bước 2: Phay tinh Volume T0005 14 2387 150 500 1.0 12 0.0
Bước 3: Khoan lỗ $\phi 30$ Holemaking T0006 29 1181 165 272 - - 0.0
Bước 4: Móc lỗ $\phi 30$ Holemaking T0007 30 1181 155 - - - 0.0
Bước 5: Vát mép góc tinh Profile T0008 5 15000 117 1500 0.149 - 0.0

Trình tự kiểm thử và triển khai đường chạy dao được thực hiện tuần tự qua các bước:

  1. Mfg Setup: Xác lập máy công cụ 5 trục, gán gốc tọa độ phôi ACS1, khai báo mặt phẳng lùi dao an toàn $Z = 30\ \text{mm}$.
  2. Seq Setup: Thiết lập cấu hình công nghệ cho từng bước gồm khai báo dao (Tool), thông số cắt (Parameters), và biên dạng/bề mặt gia công (Surfaces/Volume/Holes).
  3. Toolpath Verification: Sử dụng công cụ Play Path $\rightarrow$ Screen Play kiểm tra trực quan va chạm hình học giữa dao, cán dao, phôi và đồ gá.
  4. Post-Processing: Chuyển đổi dữ liệu CL (Cutter Location) thành chương trình NC hoàn chỉnh theo mã lệnh G-code tiêu chuẩn quốc tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thành thiết kế mô hình 3D chính xác của chi tiết thân mỏ cặp mài dao trên phần mềm Pro/ENGINEER 4.0 dựa trên các thông số động học của bản vẽ lắp.
  • Xác lập quy trình công nghệ 2 nguyên công tối ưu cho trung tâm gia công 5 trục BALIN MACHINERY BL-Y600, giải quyết việc gia công các bề mặt phẳng, hốc sâu $\phi 34$, hệ thống lỗ $\phi 10$, $\phi 30$, lỗ ren M6 và biên dạng phức tạp mà máy công cụ truyền thống khó thực hiện hiệu quả.
  • Tính toán đầy đủ hệ thống chế độ cắt và xây dựng thư viện 8 loại dao cụ chuyên dụng dựa trên tiêu chuẩn catalog SECO Tools, đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về cấp chính xác IT7 và độ nhám $Ra = 1.25\ \mu\text{m}$.
  • Xây dựng thành công toàn bộ chu trình gia công ảo trên module Pro/MANUFACTURING, kiểm tra đường chạy dao không xảy ra va chạm và xuất tập lệnh G-code hoàn chỉnh phục vụ gia công thực tế.

Về mặt đóng góp, đồ án đã hệ thống hóa phương pháp ứng dụng phần mềm CAD/CAM tích hợp vào quy trình gia công chi tiết cơ khí phức tạp, làm rõ phương pháp kết nối giữa tính toán lý thuyết công nghệ chế tạo máy với việc thiết lập tham số điều khiển số trong công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản, đồ án có các điểm hạn chế và hướng mở rộng:

  • Hạn chế: Toàn bộ quá trình lập quy trình công nghệ được xây dựng trên giả định phôi đúc đã có sẵn bề mặt chuẩn tinh mặt đáy; đồ án tập trung vào lập trình mô phỏng trên máy tính và xuất mã G-code lý thuyết, chưa thể hiện kết quả kiểm chứng gia công thực tế trên phôi thật tại xưởng máy để đo kiểm sai số thực tế.
  • Hướng phát triển:
    • Mở rộng ứng dụng module Pro/MECHANICA hoặc liên kết với các phần mềm phần tử hữu hạn như ANSYS, NASTRAN để phân tích ứng suất, biến dạng đàn hồi và rung động của chi tiết thân mỏ cặp dưới tác dụng của lực kẹp và lực cắt.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa quỹ đạo chạy dao cao tốc (High Speed Machining - HSM) để rút ngắn thời gian gia công và tăng tuổi thọ dao cụ.
    • Xây dựng quy trình công nghệ và thiết kế đồ gá chuyên dùng cho dạng sản xuất hàng loạt vừa hoặc hàng loạt lớn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử, CAD/CAM/CNC: Nắm bắt quy trình từng bước khi thực hiện đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp, từ phân tích chức năng chi tiết, chọn vật liệu, tính toán chế độ cắt theo catalog dao công nghiệp đến khai báo chu trình gia công trên phần mềm CAD/CAM.
  • Kỹ sư lập trình CNC: Tham khảo các bảng thông số thiết lập chu trình Face, Volume, Profile, Holemaking trong Pro/ENGINEER, cùng các bộ thông số cắt thực tế của dao SECO khi gia công vật liệu gang xám.
  • Nghiên cứu cấu tạo đồ gá cơ khí: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kết cấu cơ cấu kẹp xoay đa hướng của mỏ cặp mài góc dụng cụ cắt.

Câu hỏi thường gặp

1. Chi tiết thân trong đồ án thuộc cụm máy nào, giữ chức năng gì và được chế tạo từ vật liệu nào?
Chi tiết thân (chi tiết số 14) thuộc cụm bản vẽ lắp "Mỏ cặp để mài góc", có chức năng làm khung đỡ và liên kết các má kẹp (má cố định 05, má trượt 06, đế quay 12) để kẹp chặt chi tiết trên máy mài dao. Vật liệu chế tạo là gang xám (sắt > 95%, carbon ~2%), có nhiệt độ nóng chảy 1350°C, tính đúc tốt và giá thành thấp.

2. Đồ án lựa chọn máy công cụ nào để gia công chi tiết và thông số trục chính ra sao?
Đồ án chọn trung tâm gia công 5 trục CNC BALIN MACHINERY BL-Y600 (Đài Loan). Trục chính sử dụng đầu côn BT40, đường kính ổ bi trong $70\ \text{mm}$, công suất $12\ \text{kW}$, tốc độ quay đạt $10.000\ \text{vòng/phút}$ (truyền động khớp nối) hoặc $15.000\ \text{vòng/phút}$ (truyền động trực tiếp), hành trình các trục X/Y/Z là $660/610/610\ \text{mm}$.

3. Quy trình công nghệ gia công chi tiết thân được phân chia thành mấy nguyên công và sơ đồ định vị kẹp chặt ra sao?
Quy trình công nghệ gồm 2 nguyên công chính trên máy phay 5 trục CNC. Cả hai nguyên công đều sử dụng sơ đồ định vị 6 bậc tự do: Mặt đáy hạn chế 3 bậc tự do, mặt bên hạn chế 2 bậc tự do và một mặt bên khác hạn chế 1 bậc tự do; lực kẹp chặt được thực hiện bằng eto.

4. Vì sao tác giả lựa chọn phần mềm Pro/ENGINEER 4.0 để thiết kế và lập trình gia công?
Pro/ENGINEER 4.0 được lựa chọn dựa trên 5 chỉ tiêu (tính linh hoạt, tính khả thi, tính đơn giản, tính biểu diễn được, tính kinh tế). Phần mềm thuộc hãng PTC, thiết kế theo tham số, chiếm hơn 75% thị phần người dùng tại Việt Nam trong lĩnh vực khuôn mẫu và gia công cơ khí, tích hợp đồng bộ các module từ thiết kế 3D, lắp ráp, phân tích đến mô phỏng xuất mã NC.

5. Dao cụ và chế độ cắt cho bước phay mặt đầu ở Nguyên công 1 được xác định như thế nào?
Sử dụng dao phay mặt đầu mã R220/5312 cùng chíp dao SEMX1204AFTN-M15 MP2500 ($D_c = 40\ \text{mm}$, số răng $Z = 6$). Chế độ cắt gồm chiều sâu cắt $t = 1\ \text{mm}$, lượng chạy dao răng $S_z = 0.07\ \text{mm/răng}$, vận tốc cắt $V_c = 398\ \text{m/phút}$, tốc độ quay trục chính $n = 3169\ \text{vòng/phút}$, tốc độ tiến dao cắt $S_{ph} = 1331\ \text{mm/phút}$ và tốc độ chạy dao nhanh $1500\ \text{mm/phút}$.

Kết luận

Đồ án công nghệ CAD/CAM/CNC của sinh viên Nguyễn Tuấn Điệp đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế và lập quy trình công nghệ gia công chi tiết thân mỏ cặp mài góc từ phôi đúc gang xám. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết công nghệ chế tạo máy, tra cứu catalog dao cụ tiêu chuẩn SECO và ứng dụng phần mềm Pro/ENGINEER 4.0, tác giả đã xây dựng quy trình 2 nguyên công tối ưu trên máy phay 5 trục BALIN BL-Y600. Kết quả mô phỏng NC Sequence và xuất mã G-code chuẩn xác khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của giải pháp công nghệ đã thiết kế.