Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành Công nghệ Chế tạo máy và Cơ khí giữ vai trò nòng cốt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, cung cấp máy móc, thiết bị phục vụ đời sống và sản xuất. Trong các xưởng cơ khí gia công, sản phẩm xây dựng dân dụng cũng như hạ tầng kỹ thuật, sắt thép ống tròn là loại vật tư phổ biến. Trên thị trường hiện nay, ống kim loại được cung ứng theo các chiều dài tiêu chuẩn của nhà sản xuất, đòi hỏi các đơn vị gia công phải thực hiện công đoạn cắt chia nhỏ phôi để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của từng sản phẩm.

Hiện tại, các phương pháp phân chia phôi ống tròn chủ yếu gồm cưa, mài và cắt. Trong đó, hai phương tiện thông dụng nhất tại các cơ sở sản xuất tại Việt Nam là máy cắt cầm tay và máy cắt sắt dạng bàn. Tuy nhiên, hai phương pháp này bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật:

  • Cắt bằng máy cắt cầm tay: Quy trình thực hiện hoàn toàn thủ công, năng suất thấp, đường cắt dễ bị lệch xiên, sinh ra lượng bavia lớn ở miệng cắt, đòi hỏi phải tốn thời gian và nhân công gia công sửa tinh lại.
  • Cắt bằng máy cắt bàn: Tốc độ phân cắt nhanh hơn nhưng sinh ra lượng ba vớ đáng kể, nhiệt cắt lớn làm biến đổi cơ tính và hình dạng mép cắt của vật liệu, đồng thời gây hao hụt phoi và ô nhiễm môi trường làm việc.

Các dòng máy cắt ống chuyên dụng có độ chính xác cao trên thị trường thường có giá thành lớn, vượt quá năng lực đầu tư của các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Do đó, các đơn vị này thường tìm kiếm máy bãi đã qua sử dụng từ Nhật Bản hoặc Trung Quốc, dẫn đến khó khăn trong công tác bảo dưỡng, thay thế linh kiện, đồng thời phần lớn các máy này vẫn dùng cơ cấu cấp phôi thủ công. Xuất phát từ thực tế đó, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã thực hiện đồ án: "Tính toán, thiết kế và chế tạo máy cắt ống lăn ma sát" nhằm tạo ra thiết bị cắt ống có cơ cấu cấp phôi tự động, không để lại bavia, không gây biến dạng bề mặt và giá thành phù hợp.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án được xác định theo 8 nội dung:

  1. Thu thập và tổng hợp thông tin liên quan đến các dòng máy cắt ống hiện có trên thị trường trong và ngoài nước;
  2. Xây dựng cơ sở lý thuyết, cơ cấu truyền động và nguyên lý hoạt động của máy cắt ống dạng lăn ma sát;
  3. Tính toán các thông số động lực học, bao gồm: tốc độ cắt của dao, công suất động cơ, lực đẩy xilanh khí nén, bộ truyền xích, trục và then;
  4. Thiết kế bản vẽ chi tiết các cụm kết cấu cơ khí và lập quy trình công nghệ gia công;
  5. Lập phương án và tiến hành gia công chế tạo các chi tiết máy bằng hệ thống máy công cụ tại xưởng trường;
  6. Thiết kế sơ đồ mạch điện cấp nguồn động cơ và hệ thống mạch điều khiển khí nén;
  7. Lắp ráp, vận hành thử nghiệm trên phôi thực tế, đánh giá kết quả gia công;
  8. Tổng hợp số liệu và lập báo cáo kỹ thuật tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy cắt ống kim loại hoạt động theo nguyên lý lăn ma sát có trang bị hệ thống đẩy và cấp phôi tự động.
  • Phạm vi vật liệu gia công: Ống tròn kim loại bằng thép carbon và inox 304 có đường kính ngoài từ Ø30 mm đến Ø70 mm; độ dày thành ống từ 1 mm đến 4 mm; giới hạn bền của vật liệu cắt đạt $\sigma_b \le 750\text{ MPa}$.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được thực hiện bởi nhóm sinh viên lớp DHCT15B, Khoa Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Hữu Phước, hoàn thành vào năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết tính toán chi tiết máy và công nghệ chế tạo máy chuẩn mực, tham chiếu qua các tài liệu chuyên ngành:

  • Giáo trình "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" (Tập 1 và Tập 2) của tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Uyển: Dùng để tính toán động học hệ dẫn động, chọn công suất động cơ điện, xác định thông số bộ truyền xích con lăn, tính toán phản lực gối đỡ, biểu đồ mômen uốn - xoắn, kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục theo hệ số an toàn $[s]$ và tính chọn mối ghép then bằng;
  • "Sổ tay công nghệ chế tạo máy" (Tập 1, Tập 2) và tài liệu "Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy": Dùng để xác định dạng sản xuất, lập quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục, dạng hộp, tấm đế, lựa chọn phương pháp định vị, kẹp chặt và chế độ cắt;
  • Giáo trình và tài liệu tra cứu kỹ thuật khí nén: Dùng để tính toán diện tích làm việc của piston, lực đẩy và lực kéo sinh ra của xilanh tác động kép ở áp suất làm việc xác định.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

  • Phương pháp lý thuyết: Sử dụng các phương trình giải tích sức bền vật liệu và nguyên lý máy để tính toán cân bằng tĩnh, phân tích lực tiếp tuyến, lực hướng tâm và mômen tác dụng lên các trục; ứng dụng phần mềm CAD/CAE Siemens NX 12 để mô hình hóa hình học 3D và kiểm nghiệm ứng suất tĩnh (FEA) đối với các kết cấu chịu lực chính (vỏ máy, cánh tay đòn, cần gạt);
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo phôi, tiến hành gia công cắt gọt các chi tiết trên máy tiện BEMATO MA-2160 và máy phay vạn năng BEMATO BMT-2500 tại xưởng thực hành của nhà trường; lắp ráp hoàn thiện cơ cấu cơ khí, đấu nối mạch điện và mạch khí nén; đưa máy vào vận hành cắt thực nghiệm trên hai nhóm vật liệu là ống thép và ống inox 304 để đánh giá độ chính xác hình học và chất lượng mép cắt.

Dữ liệu khảo nghiệm các dòng máy cắt ống trên thị trường được tác giả thống kê làm cơ sở đối chiếu thiết kế:

Tên thiết bị Xuất xứ Công suất động cơ Phạm vi đường kính ống cắt (mm) Độ dày thành ống tối đa (mm) Thông số dao / Tốc độ làm việc
Makita LW1401 Trung Quốc 2200 W Khảo sát chung Phụ thuộc đá mài Lưỡi cắt đĩa Ø355 mm
Máy cắt ống thép LT-325 - 1,5 kW (220V) 57 – 325 mm 3,5 – 8,5 mm Máy cắt ống chuyên dụng
Máy cắt ống thủy lực QG 8C-A - 750 W (220V) 57 – 219 mm 6,5 mm Vận tốc trục: 24 vòng/phút
EHC-60RU Nhật Bản 400 W (1 pha) Inox, sắt: 16 – 60,5 mm; Đồng: 16 – 54 mm Inox, sắt: 1,5 mm; Đồng: 1,4 mm Cắt ống kim loại và nhựa
TCNV-EPC325 Trung Quốc 750 W (220V) 80 – 325 mm 8,0 mm Vận tốc: 30 vòng/phút; Đĩa dao Ø198 mm

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo hệ thống

Căn cứ vào mục tiêu chế tạo máy cắt ống lăn ma sát nhỏ gọn, tự động hóa cấp phôi phục vụ xưởng cơ khí quy mô vừa và nhỏ, hệ thống được thiết kế và tính toán theo các cụm chức năng:

  1. Cơ cấu cắt và dẫn động chính:
  • Nguyên lý: Cắt phôi dựa trên sự tiếp xúc lăn nén ma sát giữa dao cắt đĩa và bề mặt thành ống tròn, làm biến dạng cục bộ cho đến khi đứt rời mà không sinh phoi mạt lớn và bavia.
  • Lưỡi dao cắt: Đường kính ngoài dao $D_{dao} = 145\text{ mm}$, chiều dày dao $b_{dao} = 3\text{ mm}$, vật liệu chế tạo là thép hợp kim làm khuôn dập nguội SKD11 có độ bền và tính chống mài mòn cao.
  • Động cơ trục chính: Vận tốc quay trục công tác được chọn $n = 41\text{ vòng/phút}$. Hiệu suất truyền động của toàn hệ thống $\eta = 0{,}89$. Công suất tính toán thực tế $P_{tt} = 0{,}305\text{ kW}$, công suất cần thiết $P_{ct} = P_{tt}/\eta = 0{,}343\text{ kW} = 343\text{ W}$. Nhóm thiết kế chọn động cơ bước Step 12V công suất định mức 500 W.
  1. Bộ truyền động xích con lăn:
  • Tỉ số truyền: $u = z_x = 1$, số vòng quay đĩa xích $n_1 = 41\text{ vòng/phút}$.
  • Chọn xích ống con lăn 1 dãy ($k_x = 1$), số răng đĩa xích $z_1 = z_2 = 20\text{ răng}$.
  • Hệ số điều kiện làm việc: $K = K_r \cdot K_a \cdot K_o \cdot K_{dc} \cdot K_b \cdot K_{lv} = 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1 \cdot 1{,}12 = 1{,}4$ (làm việc 2 ca).
  • Bước xích tiêu chuẩn: $p_c = 19{,}05\text{ mm}$.
  • Vận tốc trung bình của xích: $v = 0{,}26\text{ m/s}$. Lực vòng có ích: $F_t = 1923\text{ N}$.
  • Đường kính vòng chia đĩa xích: $d_1 = d_2 = 134{,}6\text{ mm}$.
  • Khoảng cách trục tính toán: $a = 190{,}11\text{ mm}$. Số mắt xích tính được $X = 40\text{ mắt}$ (chiều dài xích tương ứng $L = 635\text{ mm}$).
  • Kiểm tra độ bền: Hệ số an toàn của bộ truyền xích đạt $s = 19{,}45$, lớn hơn hệ số an toàn cho phép $[s] = 7{,}2$ với tải trọng phá hủy xích $Q = 29500\text{ N}$. Lực tác dụng lên trục từ bộ truyền xích là $F_r = 2211{,}45\text{ N}$.
  1. Tính toán trục, then và chọn ổ lăn:
  • Vật liệu trục: Thép C45 có giới hạn bền $\sigma_b \ge 600\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 260\text{ MPa}$, ứng suất uốn cho phép $[\sigma] = 50 - 63\text{ MPa}$.
  • Kích thước các đoạn trục thiết kế: Đường kính đoạn lắp bánh xích $d_x = 25\text{ mm}$; đường kính đoạn ngõng ngàm lắp ổ đỡ $d_B = 35\text{ mm}$; đường kính đoạn lắp dao cắt $d_{Fc} = 60\text{ mm}$.
  • Lực tác dụng tính toán: Lực cắt tiếp xúc $F_c = 981\text{ N}$; lực truyền động xích $F_t = 2211{,}45\text{ N}$; phản lực tại gối đỡ xác định được $A_y = 769{,}98\text{ N}$, $B_y = 3962{,}43\text{ N}$.
  • Kiểm nghiệm mỏi: Momen uốn tổng tại tiết diện lắp dao $M_{Fc} = 31184{,}19\text{ N}\cdot\text{mm}$; mômen xoắn $T = 79893{,}9\text{ N}\cdot\text{mm}$. Hệ số an toàn uốn $S_{\sigma} = 109{,}8$, hệ số an toàn xoắn $S_{\tau} = 70{,}7$. Hệ số an toàn tổng hợp về độ bền mỏi tại tiết diện dao đạt $S_j = 59{,}4 \ge [s] = 1{,}5 \div 2{,}5$ (đạt yêu cầu bền mỏi).
  • Mối ghép then: Sử dụng then bằng theo TCVN. Vị trí lắp đĩa xích sử dụng then kích thước $b \times h \times l = 8 \times 7 \times 25\text{ mm}$; vị trí lắp đĩa dao sử dụng then kích thước $18 \times 11 \times 3\text{ mm}$. Toàn bộ các then đều thỏa mãn độ bền dập ($\sigma_d \le [\sigma_d] = 100\text{ MPa}$) và độ bền cắt ($\tau_c \le [\tau_c]$).
  1. Cụm xilanh khí nén và hệ thống cấp phôi:
  • Nguồn áp suất khí nén: Áp suất nguồn cấp 8 bar (áp suất hiệu dụng tính toán sau khi trừ áp suất khí quyển là $p = 7\text{ bar}$).
  • Xilanh chính (ép dao/cánh tay đòn): Dòng SC tiêu chuẩn, đường kính nòng $D = 50\text{ mm}$, đường kính cần piston $d = 20\text{ mm}$, hành trình làm việc $L = 75\text{ mm}$ (mã hiệu SC50*75). Lực đẩy lý thuyết sinh ra đạt $F_{đẩy} = 1168\text{ N}$, lực kéo đạt $F_{kéo} = 981\text{ N}$.
  • Cơ cấu cấp phôi: Bánh lăn cấp phôi đường kính $D = 80\text{ mm}$. Xét trường hợp phôi ống nặng nhất (ống Ø70 mm dày 4 mm có khối lượng $m = 39\text{ kg}$, tương đương trọng lực $381\text{ N}$). Lực đẩy yêu cầu để thắng ma sát và tạo gia tốc $a = 0{,}35\text{ m/s}^2$ là $F = 40{,}43\text{ N}$; lực đẩy danh nghĩa yêu cầu $F_đ > 80{,}8\text{ N}$, chọn lực làm việc $F_đ = 100\text{ N}$. Động cơ kéo phôi chọn động cơ DC 12V công suất 50 W (công suất tính toán yêu cầu là 42 W).
  • Xilanh phụ cấp phôi: Chọn đường kính nòng $D = 20\text{ mm}$, đường kính cần $d = 8\text{ mm}$, hành trình $L = 50\text{ mm}$ (mã hiệu xilanh SC20*100). Lực đẩy sinh ra $187\text{ N} > 100\text{ N}$ và lực kéo đạt $157\text{ N} > 100\text{ N}$, đảm bảo khả năng kẹp đẩy phôi.
  1. Quy trình công nghệ chế tạo cơ khí:
  • Chế tạo các chi tiết cơ khí: Tấm đế, vỏ máy, cánh tay đòn, cần gạt, ổ đỡ trục, tấm đỡ ổ lăn, thanh truyền, thanh trượt, trục truyền động.
  • Phương pháp gia công: Tiện thô, tiện tinh, tiện then trên máy tiện BEMATO MA-2160; phay phẳng mặt đầu, phay rãnh định hình, khoan lỗ bu-lông trên máy phay vạn năng BEMATO BMT-2500. Độ nhám bề mặt gia công cổ trục đạt $R_a = 2{,}5 \div 0{,}63\ \mu\text{m}$.
  • Kiểm nghiệm kết cấu: Sử dụng mô-đun CAE của Siemens NX 12 phân tích trường ứng suất trên vỏ máy, cánh tay đòn và cần gạt dưới tải trọng tĩnh và động, bảo đảm không xảy ra biến dạng dư hoặc nứt vỡ trong quá trình làm việc.
  • Hệ thống điện và khí nén: Tích hợp sơ đồ mạch điện động cơ 12V, bộ nguồn, van điện từ đảo chiều khí nén, công tắc hành trình để thực hiện chu trình ép cắt và hồi về tự động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày cơ sở lý luận, nhu cầu thực tiễn của công đoạn cắt phôi ống tròn kim loại trong sản xuất cơ khí. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cắt thủ công, bán tự động và cắt đĩa mài truyền thống. Khảo sát 5 dòng máy cắt ống tiêu biểu trên thị trường (Makita LW1401, LT-325, QG 8C-A, EHC-60RU, TCNV-EPC325). Xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, thiết lập các yêu cầu kỹ thuật cần đạt cho thiết bị thiết kế mới.

Chương 2: Tính toán và chọn động cơ

Xác lập các thông số ban đầu của đối tượng gia công (ống thép, inox 304, kích thước Ø30 – Ø70 mm, chiều dày 1 – 4 mm, vật liệu dao SKD11 kích thước Ø145 $\times$ 3 mm). Tính toán động học hệ thống: hiệu suất bộ truyền $\eta = 0{,}89$, số vòng quay công tác 41 vòng/phút, công suất tính toán yêu cầu 343 W, lựa chọn động cơ bước Step 12V 500W. Phân tích lực cản kéo phôi, gia tốc dịch chuyển ống thép nặng 39 kg, lựa chọn động cơ cấp phôi DC 12V 50W. Tính toán thông số khí nén ở áp suất 7 bar: lựa chọn xilanh ép cắt SC5075 ($F_{đẩy} = 1168\text{ N}$) và xilanh kẹp cấp phôi SC20100 ($F_{đẩy} = 187\text{ N}$).

Chương 3: Thiết kế bộ truyền xích, trục và then

Tính toán thiết kế bộ truyền xích ống con lăn 1 dãy: xác định bước xích $p_c = 19{,}05\text{ mm}$, đĩa xích 20 răng, vận tốc xích $0{,}26\text{ m/s}$, lực vòng $1923\text{ N}$, khoảng cách trục $190{,}11\text{ mm}$, chiều dài xích 40 mắt, kiểm nghiệm hệ số an toàn xích $s = 19{,}45$. Chọn vật liệu trục bằng thép C45, lập biểu đồ phân bố mômen uốn - xoắn trên trục. Xác định kích thước các đoạn trục ($d_x = 25\text{ mm}$, $d_B = 35\text{ mm}$, $d_{Fc} = 60\text{ mm}$). Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi với hệ số an toàn tổng hợp $S_j = 59{,}4$. Tính chọn và kiểm nghiệm then bằng tại các mối ghép theo điều kiện bền dập và bền cắt; tính toán chọn ổ lăn đỡ trục.

Chương 4: Kiểm nghiệm độ bền các chi tiết của máy

Sử dụng phần mềm Siemens NX 12 để xây dựng mô hình khối và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho các bộ phận chịu lực chính của kết cấu máy: chi tiết vỏ máy, cánh tay đòn chịu lực ép cắt, chi tiết cần gạt điều khiển hành trình. Thiết lập điều kiện biên, đặt lực tập trung và lực phân bố tương ứng với lực sinh ra từ xilanh SC50*75 ($1168\text{ N}$) và phản lực cắt ($981\text{ N}$) nhằm xác nhận các chi tiết đều nằm trong vùng ứng suất đàn hồi an toàn.

Chương 5: Thiết kế quy trình công nghệ

Phân tích chức năng làm việc, điều kiện kỹ thuật và xác định dạng sản xuất của các chi tiết máy. Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi hàn, phôi thanh cán nóng. Lập quy trình công nghệ gia công các bề mặt định vị, bề mặt làm việc cho từng cụm chi tiết cơ khí trên hệ thống thiết bị thực tế của nhà trường: máy tiện BEMATO MA-2160 và máy phay BEMATO BMT-2500. Thiết kế nguyên công, tính toán sơ đồ định vị kẹp chặt 6 bậc tự do, tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $s$, tốc độ cắt $v$) và xác định thời gian gia công từng nguyên công.

Chương 6: Thiết kế, gia công chi tiết và sơ đồ mạch điện

Thực hiện gia công chế tạo thực tế các chi tiết: tấm đế, vỏ máy, cánh tay đòn, ổ đỡ, tấm đỡ ổ lăn, thanh truyền, thanh trượt theo bản vẽ thiết kế đã duyệt. Thiết kế sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng thể của máy, bản vẽ sơ đồ đấu nối mạch điện cấp nguồn cho động cơ bước và động cơ DC, sơ đồ bố trí mạch điện điều khiển khí nén vận hành xilanh. Tiến hành lắp ráp cơ khí hoàn chỉnh và chạy thử nghiệm cắt thực tế trên ống sắt và ống inox 304.

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí, chế tạo mẫu máy thực tế và vận hành thử nghiệm. Nêu rõ các đóng góp kỹ thuật của đồ án, chỉ ra những điểm còn tồn tại trong kết cấu và đề xuất định hướng phát triển, hoàn thiện máy trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế một mẫu máy cắt ống lăn ma sát với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh thiết bị cơ khí kết hợp điều khiển khí nén và điện tích hợp cơ cấu cấp phôi tự động, vận hành ổn định tại nguồn điện 12V và áp suất khí nén 7 – 8 bar.
  • Lực cắt và lực đẩy của hệ thống được tính toán chính xác: cụm ép cắt sử dụng xilanh SC5075 cung cấp lực ép $1168\text{ N}$, cụm cấp phôi sử dụng xilanh SC20100 cung cấp lực đẩy $187\text{ N}$ thắng hoàn toàn tải trọng phôi ống nặng 39 kg.
  • Thử nghiệm gia công thực tế trên ống thép carbon và ống inox 304 (đường kính Ø30 – Ø70 mm, chiều dày 1 – 4 mm) ghi nhận: dao cắt SKD11 đường kính 145 mm phân chia phôi ngọt, mép cắt phẳng đều, không bị hiện tượng móp méo tiết diện tròn của ống, không sinh ba vớ và không để lại bavia, đáp ứng tiêu chuẩn lắp ráp ngay mà không cần gia công cạo gọt thứ cấp.

Đóng góp so với các nghiên cứu và máy thương mại trên thị trường:

  • So với máy cắt đĩa mài bàn (Makita LW1401): Loại bỏ hoàn toàn khói bụi mài độc hại, giảm tiếng ồn, không làm biến đổi cơ tính vật liệu do quá nhiệt cục bộ và tiết kiệm nhân công gia công xử lý bavia sau cắt.
  • So với các dòng máy cắt ống công nghiệp nhập khẩu (TCNV-EPC325, QG 8C-A, LT-325): Thiết bị có kích thước nhỏ gọn hơn, chế tạo từ vật liệu và linh kiện sẵn có trong nước, chi phí đầu tư gia công thấp, tích hợp bộ cấp phôi tự động thay vì cấp phôi thủ công như phần lớn máy bãi trên thị trường, rất phù hợp với quy mô tài chính của các xưởng cơ khí nhỏ.

Các kiến nghị được tác giả nêu ra bao gồm việc tiếp tục chuẩn hóa quy trình lắp ráp, kiểm định tuổi thọ làm việc liên tục của dao SKD11 khi cắt ống inox 304 và cải tiến cơ cấu giữ phôi để tăng tính ổn định định vị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi gia công của máy hiện chỉ giới hạn trong dải đường kính ống từ Ø30 mm đến Ø70 mm và độ dày tối đa 4 mm, chưa thể ứng dụng cắt cho các ống kết cấu công nghiệp cỡ lớn (đường kính trên 100 mm hoặc độ dày thành ống từ 6 mm trở lên).
  • Là sản phẩm thiết kế và chế tạo đầu tay của nhóm sinh viên nên kinh nghiệm thực tế còn hạn chế; một số chi tiết gia công cơ khí còn phụ thuộc nhiều vào thiết bị gia công vạn năng cơ bản tại xưởng trường, chưa ứng dụng gia công CNC để tối ưu dung sai lắp ghép.
  • Hệ thống điều khiển mới dừng lại ở mạch relay và van khí nén cơ bản, chưa trang bị bộ điều khiển số thông minh để tự động điều chỉnh tốc độ ép cắt linh hoạt theo từng độ cứng vật liệu cắt.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Nâng cấp khung vỏ máy và cơ cấu kẹp nhằm mở rộng dải đường kính ống cắt lên các kích thước lớn hơn;
  • Tích hợp hệ thống điều khiển lập trình (PLC hoặc vi điều khiển) kết hợp cảm biến hành trình quang/tiệm cận để tự động hóa toàn bộ chu trình nạp phôi - kẹp - cắt - nhả phôi theo số lượng cài đặt trước;
  • Nghiên cứu nhiệt luyện và xử lý lớp phủ tăng cứng bề mặt lưỡi dao cắt nhằm nâng cao tuổi thọ của dao khi làm việc với các mác thép không gỉ có độ cứng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, đồ án Công nghệ Chế tạo máy hoặc đồ án tốt nghiệp chế tạo thiết bị cơ khí chuyên dụng;
  • Kỹ sư thiết kế máy, kỹ thuật viên tại các xưởng gia công cơ khí vừa và nhỏ có định hướng tự thiết kế, cải tiến hoặc chế tạo thiết bị cắt ống kim loại chuyên dùng với chi phí hợp lý.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao trong đồ án gồm:

  • Toàn bộ chuỗi tính toán giải tích động học và động lực học: lựa chọn công suất động cơ dẫn động chính và động cơ cấp phôi, tính toán bộ truyền xích ống con lăn, tính toán lực xilanh khí nén, phân tích lực uốn - xoắn trên trục và kiểm nghiệm độ bền mỏi;
  • Phương pháp ứng dụng phần mềm Siemens NX 12 để mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất tĩnh kết cấu cơ khí (FEA);
  • Tập hợp bản vẽ chi tiết cơ khí và phiếu quy trình công nghệ gia công hoàn chỉnh trên các máy công cụ phổ thông (tiện BEMATO MA-2160, phay BEMATO BMT-2500).

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cắt ống trong đồ án sử dụng loại dao cắt gì và có thông số kích thước như thế nào? Máy sử dụng dao cắt dạng đĩa lăn có đường kính ngoài 145 mm, chiều dày dao 3 mm, được chế tạo từ thép hợp kim SKD11 chuyên dụng làm khuôn dập nguội, có độ cứng và khả năng chống mòn cao.

  2. Động cơ dẫn động chính và động cơ cấp phôi của máy sử dụng loại nào, công suất bao nhiêu? Hệ dẫn động cắt chính sử dụng động cơ bước Step 12V công suất 500 W (với công suất tính toán yêu cầu là 343 W, vận tốc quay công tác 41 vòng/phút). Cơ cấu cấp phôi sử dụng động cơ DC 12V công suất 50 W (công suất tính toán yêu cầu là 42 W).

  3. Hệ thống khí nén của máy sử dụng những loại xilanh nào và cung cấp lực ép cắt là bao nhiêu? Hệ thống sử dụng áp suất khí nén tính toán 7 bar (từ nguồn cấp 8 bar) với hai loại xilanh dòng SC: xilanh ép cắt chính SC5075 (đường kính piston $D = 50\text{ mm}$, cần $d = 20\text{ mm}$, hành trình $L = 75\text{ mm}$) sinh lực đẩy $1168\text{ N}$ và lực kéo $981\text{ N}$; xilanh cấp phôi SC20100 sinh lực đẩy $187\text{ N}$ và lực kéo $157\text{ N}$.

  4. Bộ truyền xích dẫn động trục dao có những thông số tính toán cơ bản nào? Bộ truyền xích là loại xích ống con lăn 1 dãy, bước xích tiêu chuẩn $p_c = 19{,}05\text{ mm}$, số răng đĩa xích $z_1 = z_2 = 20\text{ răng}$, đường kính đĩa xích $134{,}6\text{ mm}$, chiều dài xích 40 mắt xích ($635\text{ mm}$), khoảng cách trục $190{,}11\text{ mm}$. Hệ số an toàn kiểm nghiệm của xích đạt $s = 19{,}45$, vượt chỉ số cho phép $[s] = 7{,}2$.

  5. Các chi tiết cơ khí của máy được gia công trên thiết bị máy công cụ nào và kiểm nghiệm kết cấu bằng phần mềm gì? Các chi tiết máy được gia công thực tế tại xưởng thực hành của trường trên máy tiện BEMATO MA-2160 và máy phay vạn năng BEMATO BMT-2500; các kết cấu chịu lực chính (vỏ máy, cánh tay đòn, cần gạt) được mô phỏng và kiểm nghiệm ứng suất tĩnh bằng phần mềm Siemens NX 12.

Kết luận

Đồ án "Tính toán, thiết kế và chế tạo máy cắt ống lăn ma sát" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ tính toán giải tích động lực học, mô phỏng kết cấu trên phần mềm đến chế tạo và vận hành mẫu máy thực tế. Thiết bị cắt phôi ống tròn kim loại bằng nguyên lý lăn ma sát kết hợp cấp phôi tự động, loại bỏ hoàn toàn bavia và biến dạng mép cắt trên dải kích thước ống từ Ø30 đến Ø70 mm. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và giá thành chế tạo, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo cơ khí cũng như ứng dụng tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.