Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình gia công cơ khí chính xác, nguyên công mài phẳng đóng vai trò then chốt nhằm hoàn thiện các bề mặt kim loại đòi hỏi độ phẳng và độ nhẵn bóng cao. Thực tế sản xuất tại các doanh nghiệp cho thấy các dòng máy mài phẳng điều khiển hoàn toàn thủ công bằng tay quay thường bị phụ thuộc nhiều vào tay nghề thợ, năng suất lao động thấp và khó đảm bảo sự đồng đều về mặt dung sai kích thước. Ngược lại, việc đầu tư hệ thống máy mài CNC chuyên dụng từ nước ngoài lại đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn, không tối ưu cho các xưởng vừa và nhỏ hoặc nhu cầu gia công chuyên biệt. Xuất phát từ đơn đặt hàng thực tế của Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA về một thiết bị gia công mài phẳng bán tự động/tự động từng bước với chi phí hợp lý, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy mài phẳng" (Mã đề tài: CKM-46) đã được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện.

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

  1. Nghiên cứu phương án truyền động và nguyên lý hoạt động cho cụm 3 trục (X, Y, Z) của máy mài phẳng điều khiển theo hướng tự động từng bước bằng điện.
  2. Tính toán, thiết kế động học, động lực học và độ bền cho các chi tiết cơ khí: khung thân máy, cơ cấu vít me bi, bộ truyền bánh răng - thanh răng, bộ truyền đai răng và trục chính mang đá mài.
  3. Lựa chọn hệ thống thiết bị điện, bộ điều khiển, driver, động cơ bước và động cơ dẫn động trục chính phù hợp với yêu cầu làm việc.
  4. Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh trên các phần mềm đồ họa chuyên ngành và lập bản vẽ chế tạo.
  5. Gia công, chế tạo chi tiết cơ khí, lắp ráp kết cấu, đấu nối tủ điện và hoàn thiện mô hình máy thực tế.
  6. Vận hành chạy thử nghiệm gia công trên các mẫu thử (mài phẳng kim loại), đo kiểm các chỉ tiêu kỹ thuật về độ nhám, độ phẳng và đánh giá độ ổn định của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy mài phẳng 3 trục điều khiển điện tự động từng bước; cơ cấu truyền động cơ khí 3 trục; cụm trục chính đá mài; các mẫu chi tiết kim loại gia công mặt phẳng (sắt, thép carbon, inox, nhôm, đồng).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo máy mài phẳng hoàn chỉnh với thông số không gian hành trình trục X đạt 550 mm, trục Y đạt 270 mm, trục Z đạt 225 mm; kích thước máy 700 x 400 x 760 mm; kích thước không gian làm việc tổng thể khung máy theo yêu cầu CODIA là 1000 x 800 x 1000 mm; sử dụng đá mài dạng đĩa tròn có đường kính 150 mm, 180 mm hoặc 200 mm; kích thước phôi mài tối đa là 200 x 150 mm; phôi đầu vào yêu cầu tối thiểu đã qua nguyên công phay thô, phay bán tinh hoặc phay tinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý gia công cơ sở của công nghệ cắt gọt kim loại bằng hạt mài. Về bản chất, mài là quá trình cắt đồng thời của vô số hạt mài có độ cứng cao, phân bố ngẫu nhiên với góc cắt âm trên bề mặt đá, sinh ra nhiệt độ vùng cắt từ 1000°C đến 1500°C. Đồ án áp dụng các công thức tính toán động lực học cắt gọt tiêu chuẩn:

  • Lực cắt khi mài: $F_c = K_c \cdot d \cdot w$ (với $K_c$ là lực cắt riêng của vật liệu, $d$ là chiều sâu cắt, $w$ là chiều rộng vệt mài).
  • Momen xoắn trên trục đá mài: $T = F_c \cdot r$ (với $r$ là bán kính ngoài của đá mài).
  • Công suất dẫn động trục chính: $P = \frac{F_c \cdot V_đ}{102 \cdot \eta}$ (với $V_đ$ là vận tốc quay của đá mài từ 20 đến 40 m/s, $\eta$ là hiệu suất truyền động cơ khí từ 0,75 đến 0,80).

Về cơ cấu dẫn động và dẫn hướng:

  • Phân tích và so sánh các cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến: vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi và bộ truyền bánh răng - thanh răng.
  • Hệ thống dẫn hướng sử dụng ray trượt vuông tuyến tính (linear guide) kết hợp con trượt bi nhằm triệt tiêu độ rơ, giảm ma sát trượt và chịu được tải trọng động đa hướng.
  • Sử dụng bảng tra cứu giới hạn mỏi tiếp xúc $\sigma_{0Hlim}$, mỏi uốn $\sigma_{0Flim}$, các hệ số tập trung ứng suất $K_x, K_\sigma, K_\tau$, hệ số tải trọng $K_{H\beta}, K_{F\beta}$ và hệ số an toàn theo tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ hỗ trợ:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá các dòng máy mài hiện hành (máy mài cơ quay tay, máy bán tự động thủy lực, máy CNC GD-618-D), từ đó chọn lọc cấu hình phù hợp với điều kiện chế tạo trong nước.
  • Phương pháp tính toán cơ khí: Sử dụng giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí để xác định thông số bền trục, độ cứng vững và lực dọc trục.
  • Phương pháp CAD/CAE: Thiết kế 2D bằng phần mềm AutoCAD 2024, xây dựng mô hình 3D và mô phỏng động học bằng Autodesk Inventor 2024 và SolidWorks 2023.
  • Phương pháp gia công và đo kiểm thực nghiệm: Gia công các chi tiết cơ khí trên máy công cụ CNC; lắp ráp định vị; vận hành mài thử 3 bài tập mẫu; đo độ nhám bề mặt ($R_a$) bằng máy đo chuyên dụng và kiểm tra độ phẳng bằng bột màu cùng đồng hồ so cơ cấu chỉ thị.

Thiết kế và chế tạo hệ thống máy

Cấu trúc máy mài phẳng được thiết kế theo dạng máy mài trục ngang có bàn máy tịnh tiến khứ hồi, bao gồm các hệ thống thành phần:

[Khung máy & Thân đế]

  1. Khung thân và kết cấu cơ khí 3 trục:

    • Khung máy được hàn từ các thanh thép hình kết hợp các tấm gá định vị gia công chính xác, đảm bảo triệt tiêu rung động phát sinh do chuyển động quay của đá mài.
    • Trục X (chuyển động dọc của bàn máy): Sử dụng bộ truyền thanh răng - bánh răng răng thẳng nhằm đảm bảo hành trình dài 550 mm với vận tốc di chuyển linh hoạt, dẫn hướng bởi ray trượt vuông tuyến tính.
    • Trục Y (chuyển động ngang tịnh tiến bàn/đầu mài): Sử dụng bộ truyền vít me đai ốc bi THK (Model BNK1520), gá đặt trên hai đầu bởi gối đỡ BK10 và BF10, kết nối với động cơ thông qua khớp nối mềm.
    • Trục Z (chuyển động ăn dao thẳng đứng): Sử dụng cơ cấu vít me đai ốc bi chịu lực dọc trục cao kết hợp lắp đặt bộ phận lò xo trợ lực nâng hạ cụm đầu mài, giúp triệt tiêu tải trọng tĩnh đè nặng lên động cơ bước trục Z, đảm bảo bước tiến tinh đạt độ phân giải dịch chuyển 0,005 mm.
    • Cụm trục chính mang đá mài: Động cơ điện AC truyền chuyển động quay tới trục đá mài thông qua bộ truyền đai răng hình thang (tiêu chuẩn ISO 5295-I), vừa đảm bảo tỷ số truyền chính xác, không trượt, vừa giảm rung chấn truyền trực tiếp từ động cơ vào trục đá.

  2. Hệ thống điều khiển điện:

    • Hệ thống vận hành điều khiển điện theo từng bước, gồm: Aptomat (CB) bảo vệ nguồn, bộ cấp nguồn DC, mạch điều khiển trung tâm lập trình logic, các bộ điều khiển vi bước (Driver) độc lập cho từng trục.
    • Động cơ điều khiển 3 trục X, Y, Z sử dụng dòng động cơ bước Step Maxwell Model AM23SS2DGB.
    • Giao diện vận hành tích hợp màn hình điều khiển và bảng nút bấm cho phép chuyển đổi giữa chế độ chạy rà định vị thủ công (Manual/Jog), chế độ đưa về gốc tọa độ máy (Home) và chế độ thực thi các chu trình mài tự động được lập trình theo từng bước.
Hạng mục cụm máy Phương án kỹ thuật được chọn Thiết bị / Linh kiện chính
Truyền động trục X Bánh răng - thanh răng + Khớp nối Động cơ Step Maxwell AM23SS2DGB
Truyền động trục Y Vít me đai ốc bi + Khớp nối mềm Vít me THK BNK1520, Gối BK10/BF10
Truyền động trục Z Vít me đai ốc bi + Trợ lực lò xo Vít me THK BNK1520, Bộ trợ lực cụm đá
Dẫn hướng 3 trục Ray trượt tuyến tính Thanh trượt vuông và con trượt bi
Truyền động trục chính Bộ truyền đai răng Đai răng hình thang (ISO 5295-I), Đá $\phi 150 - 200$ mm
Hệ thống điện & Điều khiển Tủ điện công nghiệp + Màn hình bước Driver điều khiển, CB, Mạch lập trình chu trình

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của việc cơ khí hóa và tự động hóa nguyên công mài phẳng trong gia công cơ khí chính xác nhằm thay thế phương pháp mài thủ công kém ổn định. Tác giả trình bày mục tiêu chế tạo máy mài phẳng 3 trục tự động theo bước, xác định rõ đối tượng nghiên cứu và giới hạn phạm vi đề tài (hành trình X: 550 mm, Y: 270 mm, Z: 225 mm, kích thước chi tiết tối đa 200 x 150 mm). Phương pháp luận và kế hoạch thực hiện bao gồm tính toán lý thuyết, thiết kế 3D, gia công thực tế tại xưởng và kiểm nghiệm sản phẩm cũng được tổng thuật chi tiết.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Trình bày tổng quan lý thuyết về phương pháp mài phẳng bằng mặt đầu và mặt chu vi đá mài; các sơ đồ mài trục ngang, trục đứng với bàn máy tịnh tiến hoặc bàn máy quay tròn. Phân loại chi tiết các loại đá mài (gốm, nhựa, kim cương, CBN) và cấu tạo cơ bản của máy mài phẳng (bàn từ lực hút $1000\text{ kg}/100\text{ cm}^2$, đầu mài, hệ thống làm nguội, hệ thống điều khiển). Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu trong nước (nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt đến độ nhám của Nguyễn Tuấn Nhân; đồ gá mài tròn ngoài của Khúc Ngọc Khuê; mô phỏng mài hợp kim Titan của Phí Trọng Hùng) và nước ngoài (nghiên cứu dung dịch trơn nguội của A. Kozlovb; mô hình rung động mài phẳng của Amon Gasagara). Khảo sát thông số kỹ thuật dòng máy mài thương mại GD-618-D làm cơ sở tham chiếu thiết kế.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Xây dựng nền tảng công thức tính toán lực cắt $F_c$, momen xoắn $T$ và công suất truyền động $P$ cho động cơ trục mài. Khái quát nguyên lý, ưu nhược điểm của các cơ cấu truyền động biến đổi chuyển động (vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi, bộ truyền bánh răng thanh răng) và cơ cấu dẫn hướng tuyến tính (thanh trượt vuông, thanh trượt tròn). Đây là cơ sở khoa học để lựa chọn cơ cấu truyền động tối ưu cho cụm 3 trục của máy.

Chương 4: Phương án thiết kế

Giới thiệu bối cảnh hợp tác thực tế với Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA và các yêu cầu kỹ thuật do doanh nghiệp đề ra. Đưa ra các ma trận so sánh ưu - nhược điểm để lựa chọn phương án thiết kế cuối cùng:

  • Trục X: Chọn bộ truyền thanh răng - bánh răng kết hợp ray trượt vuông để đáp ứng hành trình dài 550 mm và tốc độ chuyển động bàn máy.
  • Trục Y và Z: Chọn bộ truyền vít me đai ốc bi để đảm bảo độ chính xác định vị và chịu tải dọc trục.
  • Động cơ: Chọn động cơ bước cho 3 trục truyền động X, Y, Z và động cơ điện xoay chiều truyền động đai răng cho trục chính đá mài.
  • Thiết lập sơ đồ khối nguyên lý điều khiển hoạt động toàn máy và bố trí không gian kết cấu khung máy.

Chương 5: Tính toán thiết kế

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán chi tiết cơ khí và điện:

  • Lựa chọn thông số động cơ bước Step Maxwell Model AM23SS2DGB.
  • Tính toán độ bền uốn, độ bền tiếp xúc của bộ truyền thanh răng - bánh răng trục X (tra các hệ số $\sigma_{0Hlim}, \sigma_{0Flim}, K_{H\beta}, K_{F\beta}, \Psi_{bd}$).
  • Tính toán lực dọc trục trung bình và lựa chọn thông số vít me bi cho trục Z và trục Y theo catalog hãng THK (chọn Model BNK1520, hệ số an toàn tĩnh, hệ số tải $f_w$).
  • Lựa chọn gối đỡ trục vít me BK10, BF10 và khớp nối mềm.
  • Tính chọn công suất động cơ trục chính, tính toán ứng suất và độ cứng vững của trục đá mài (tính các hệ số $K_\sigma, K_\tau, \varepsilon_\sigma, \varepsilon_\tau$).
  • Tính toán thiết kế hình học và sức bền bộ truyền đai răng hình thang theo tiêu chuẩn ISO 5295-I (chiều rộng đai $b$, số răng đĩa xích/bánh đai $Z_1$, chiều dài đai $l_đ$, hệ số $C_r$).

Chương 6: Chế tạo thử nghiệm

Mô tả toàn bộ tiến trình gia công chế tạo và lắp ráp thực tế mô hình máy: gia công tấm định vị khung máy, lắp cụm ray trượt và vít me trục Y, trục X, trục Z, lắp đặt cụm đầu mài và bộ phận lò xo trợ lực nâng cụm đá mài. Tiến hành sơn bảo vệ khung cơ khí, đấu nối đi dây tủ điện điều khiển và cài đặt thông số vận hành trên màn hình. Hướng dẫn quy trình vận hành máy theo các bước (gạt CB, kiểm tra màn hình, set tọa độ Home, rà gá chuẩn phôi, chọn chương trình mài tự động). Triển khai 3 bài tập thực nghiệm gia công mài phẳng trên các chi tiết kim loại mẫu, đo kiểm độ nhám bề mặt ($R_a$), đếm số lượng vết bột màu tiếp xúc và đo độ phẳng bằng dụng cụ có cơ cấu chỉ thị.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ mục tiêu đề ra với các kết quả cụ thể:

  1. Chế tạo thành công máy mài phẳng 3 trục thực tế: Máy hoạt động ổn định, điều khiển hoàn toàn bằng điện, thực hiện được các chu trình mài phẳng tự động theo từng bước với độ chính xác dịch chuyển trục Z đạt cấp độ micromet ($0,005\text{ mm}$).
  2. Kích thước và thông số làm việc thực tế: Đáp ứng chính xác các thông số thiết kế ban đầu: hành trình làm việc $X \times Y \times Z = 550 \times 270 \times 225\text{ mm}$, sử dụng linh hoạt các dòng đá mài đường kính từ $150\text{ mm}$ đến $200\text{ mm}$, xử lý được phôi mài kích thước lên tới $200 \times 150\text{ mm}$ trên các vật liệu sắt, thép carbon, inox, đồng, nhôm.
  3. Kết quả đo kiểm thực nghiệm qua 3 bài tập mài:
Chỉ tiêu kiểm tra thực nghiệm Kết quả đạt được Tiêu chuẩn / Phương pháp đánh giá
Độ nhám bề mặt ($R_a$) Đạt $R_a \approx 0,63 - 1,25\ \mu\text{m}$ (Cấp 7 - 8) Đo bằng máy đo độ nhám tiếp xúc qua 4 bề mặt mẫu
Độ phẳng bề mặt Độ sai lệch nằm trong phạm vi dung sai cho phép Đồng hồ so cơ cấu chỉ thị
Độ tiếp xúc bề mặt Số vết bột màu phân bố đều trên bề mặt kiểm tra Kiểm tra bằng bột màu theo tiêu chuẩn xưởng
Hệ thống trợ lực trục Z Triệt tiêu tải trọng tĩnh đè lên trục vít me bi Bộ lò xo trợ lực lắp song song đầu mài

Đóng góp của đề tài:

  • Về mặt lý thuyết: Hệ thống hóa phương pháp tính toán, lựa chọn phối hợp giữa cơ cấu vít me bi và cơ cấu thanh răng - bánh răng trong một máy công cụ cắt gọt kim loại chuyên dụng.
  • Về mặt thực tiễn: Cung cấp một mô hình máy mài phẳng nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, đáp ứng trực tiếp nhu cầu gia công mặt phẳng chính xác tại Công ty CODIA và có giấy xác nhận chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Máy vận hành theo chu trình các bước lập trình sẵn thông qua mạch điều khiển điện cơ bản, chưa tích hợp hệ điều khiển số CNC đa chức năng hoàn chỉnh để tự động bù mòn đá mài.
  • Hệ thống trơn nguội và xử lý bụi mài/phoi mài còn ở mức cơ bản, cần được bao che kín hơn để tránh bắn tóe dung dịch ra môi trường xung quanh khi mài ở vận tốc cao.

Hướng mở rộng và phát triển tiếp:

  • Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên hệ thống điều khiển CNC hoàn chỉnh, tích hợp thêm các cảm biến hành trình quang học có độ phân giải cao hơn.
  • Thiết kế bổ sung cụm đầu sửa đá mài tự động gắn trực tiếp trên máy và tối ưu hóa hệ thống vòi phun dung dịch làm nguội áp lực cao có bộ lọc thu hồi phoi mài tuần hoàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy mài phẳng" là tài liệu tham khảo giá trị cho:

  • Sinh viên các ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Tự động hóa làm tài liệu tham khảo cho các đồ án môn học (Chi tiết máy, Máy công cụ, Đồ án Thiết kế máy) và Đồ án tốt nghiệp liên quan đến máy gia công cắt gọt.
  • Các kỹ sư thiết kế máy trong doanh nghiệp sản xuất cơ khí nhỏ và vừa cần tham khảo phương án tính toán lựa chọn động cơ bước, vít me bi THK, bộ truyền thanh răng và phương án thiết kế cụm trục chính truyền động đai răng.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 5 (Tính toán thiết kế sức bền chi tiết máy với đầy đủ bảng tra hệ số tiêu chuẩn) và Chương 6 (Quy trình chế tạo, lắp ráp cơ khí, đấu nối tủ điện và các bước vận hành kiểm tra sai số hình học).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu truyền động nào được lựa chọn cho 3 trục X, Y, Z của máy mài phẳng trong đồ án? Trục X sử dụng bộ truyền thanh răng - bánh răng kết hợp ray trượt vuông tuyến tính để đáp ứng hành trình dài 550 mm; trục Y và trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc bi THK (Model BNK1520) cùng gối đỡ BK10, BF10 để đảm bảo độ chính xác định vị và khả năng chịu tải dọc trục.

2. Động cơ nào được sử dụng để điều khiển chuyển động tịnh tiến các trục? Máy sử dụng dòng động cơ bước Step Maxwell mang mã hiệu Model AM23SS2DGB, được điều khiển độc lập qua các bộ vi bước (Driver) kết nối với mạch điều khiển trung tâm.

3. Tại sao cụm trục Z lại cần lắp đặt thêm cơ cấu trợ lực? Trục Z mang toàn bộ khối lượng của cụm đầu mài và động cơ trục chính. Việc lắp đặt thêm bộ phận lò xo trợ lực giúp triệt tiêu tải trọng tĩnh đè nặng lên trục vít me bi, giúp động cơ bước trục Z không bị quá tải khi nâng hạ và đảm bảo độ phân giải bước tiến đạt độ chính xác 0,005 mm.

4. Kích thước phôi và loại vật liệu mà máy có khả năng gia công mài phẳng là gì? Máy có khả năng gia công chi tiết phẳng có kích thước tối đa là 200 x 150 mm, mài được các loại vật liệu kim loại phổ biến bao gồm sắt, thép carbon, thép không gỉ (inox), nhôm và đồng.

5. Kết quả độ bóng bề mặt ($R_a$) sau khi gia công thử nghiệm đạt cấp độ nào? Qua các bài tập mài thực nghiệm, bề mặt sau khi mài tinh đạt độ nhám $R_a$ trong khoảng $0,63 - 1,25\ \mu\text{m}$ (tương ứng độ chính xác bề mặt cấp 7 - cấp 8), đồng thời đạt độ phẳng bề mặt theo chỉ thị đồng hồ so và vết bột màu tiếp xúc đồng đều.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy mài phẳng" đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ tính toán lý thuyết, thiết kế 3D đến chế tạo và vận hành thành công mô hình máy mài phẳng 3 trục điều khiển điện từng bước. Sản phẩm hoàn thiện đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về hành trình làm việc, độ cứng vững kết cấu và chất lượng bề mặt mài theo yêu cầu đặt hàng của Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng cao, đóng góp một giải pháp thiết bị công nghệ thiết thực cho gia công cơ khí chính xác quy mô vừa và nhỏ.