LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................. 1

MỤC LỤC........................................................................................................................ 2

DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................... 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................ 6

CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ HỆ THỐNG MÁY CNC...............................8

1.1  Tổng quan hệ thống.................................................................................................. 8

1.1.1  Khái niệm............................................................................................................... 8

1.1.2  Máy công cụ truyền thống và máy CNC................................................................ 8

1.1.3 Kết cấu máy CNC................................................................................................. 10

1.2 Thông số/ yêu cầu kỹ thuật của hệ thống................................................................ 13

1.2.1 Thân máy và đế máy............................................................................................. 13

1.2.2 Bàn máy................................................................................................................ 13

1.2.3 Cụm trục chính...................................................................................................... 13

1.2.4 Băng dẫn hướng:.................................................................................................. 13

1.2.5 Trục vít me đai ốc bi.............................................................................................. 14

1.2.6 Ổ tích dụng cụ....................................................................................................... 14

1.2.7 Động cơ của máy.................................................................................................. 14

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG................................................. 15

2.1 Tính toán chế độ cắt................................................................................................ 15

2.2 Tính toán thiết kế cụm vít me đai ốc bi............................................................ ........17

2.2.1 Cơ sở tính toán.................................................................................................... 17

2.2.2 Tính chọn trục vít me trục X, Y............................................................................. 19

2.3 Tính chọn ổ lăn....................................................................................................... 24

2.3.1 Cơ sở tính toán.................................................................................................... 24

2.3.2 Sơ đồ tính............................................................................................................ 25

2.3.3 Thông số ban đầu................................................................................................ 25

2.3.4 Chọn sơ bộ ổ lăn................................................................................................. 26

2.3.5 Kiểm nghiệm độ bền........................................................................................... 28

2.4 Tính toán thiết kế ray dẫn hướng........................................................................... 30

2.4.1 Cơ sở tính toán................................................................................................... 30

2.4.2 Tính chọn ray dẫn hướng trục X, Y..................................................................... 38

2.5 Tính chọn động cơ................................................................................................. 47

2.5.1 Cơ sở tính toán................................................................................................... 47

2.5.2 Sơ đồ tính........................................................................................................... 50

2.5.3 Tính chọn động cơ............................................................................................. 50

2.5.4 Kiểm nghiệm động cơ........................................................................................ 53

2.6 Tính chọn khớp nối............................................................................................... 55

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ THIẾT KẾ........................................................... 57

3.1 Bản vẽ lắp 2D/3D.................................................................................................. 57

3.2 Mô phỏng nguyên lý hoạt động............................................................................ 59

KẾT LUẬN................................................................................................................. 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................61

LỜI CẢM ƠN

Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Hiện nay ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa. Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt.

Những ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy thông thường:

- Nâng cao tính tự động

- Nâng cao tính tập trung nguyên công

- Nâng cao tính chính xác và đảm bảo chất lượng gia công

- Nâng cao hiệu quả kinh tế

Đề tài này đi sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ dẫn động bàn máy phay CNC nhằm ứng dụng vào giảng dạy, học tập và sản xuất một cách có hiệu quả.

Mục tiêu: Có thể chế tạo được bàn máy CNC hai trục đơn giản phục vụ cho sản xuất.

Mục đích: Hiểu kĩ hơn về công nghệ CNC phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu.

Em xin chân thành cảm ơn thầy : TS. …………. đã chỉ dậy em tận tình trong suốt quá trình làm đồ án “Thiết kế hệ thống cơ khí” này.

                                                                                                                                Hà Nội, ngày … tháng …năm 20…

                                                                                                                                   Sinh viên thực hiện

                                                                                                                                    ………………

CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ HỆ THỐNG MÁY CNC

1.1 Tổng quan hệ thống

1.1.1 Khái niệm

CNC là viết tắt của các từ Computer Numerical Control, đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thương gọi mã G. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT.

Các loại máy CNC phổ biến hiện nay là: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy khoan CNC, máy đột dập CNC.

1.1.2 Máy công cụ truyền thống và máy CNC

1.1.2.1 Giống nhau

Cấu trúc tổng thể: Nói chung tương tự nhau, cùng sử dụng bàn máy hình chữ thập nhằm nâng cao độ cứng vững cho máy.

Chức năng:

Dùng để gia công các bề mặt: mặt phẳng, mặt định hình…

Gia công các mặt rãnh: rãnh thẳng, rãnh nghiêng, rãnh xoắn…

1.1.2.2 Ưu nhược điểm máy CNC

Ưu điểm của máy CNC: so với các máy công cụ thường dùng, máy CNC có nhiều ưu việt hơn, thể hiện ở các điểm sau.

- Gia công được nhiều chi tiết phức tạp hơn.

- Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.

- Chi phí kiểm tra giảm.

- Chi phí do phế phẩm giảm.

- Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất.

Nhược điểm: giá thành, cho phí bảo dưỡng sửa chữa cao; yêu cầu trình độ hiểu biết sâu về vận hành và bảo quản máy.

1.1.3 Kết cấu máy CNC

Gồm 2 phần chính đó là:

- Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.

- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.

1.2 Thông số/ yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

1.2.1. Thân máy và đế máy

Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc.

Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều các hệ thống khác.

1.2.3 Cụm trục chính

Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để gọt phôi trong quá trình gia công.

Yêu cầu: tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao

1.2.5 Trục vít me đai ốc bi

Bao gồm vít me, đai ốc và bi. Các viên bi thép lăn trong rãnh giữa trục vít me và đai ốc. Khi vít me quay, các viên bi dịch chuyển nhờ ống lệch hướng đi vào trong hệ thống hồi bi của đai ốc và liên tục dịch chuyển về phía cuối của đai ốc, tại đây chứng ra khỏi hệ thống hồi bi và tiếp tục lăn trong rãnh giữa đai ốc và vít me.

1.2.5 Động cơ của máy

Từng cơ cấu chấp hành của máy CNC đều dùng những nguồn động lực riêng biệt.

Loại cơ bản:

- Động cơ tạo tốc độ cắt gọt.

- Động cơ tạo tốc độ dịch chuyển.

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

2.1 Tính toán chế độ cắt

Thông số ban đầu: Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, 𝐷 = 80𝑚𝑚, JIS, S45C,

𝑣 = 100𝑚/𝑝ℎ, 𝐹 = 900𝑚𝑚/𝑝ℎ.

Khi phay bằng dao phay mặt đầu, để đạt được năng suất, đường kính dao phay D cần phải lớn hơn chiều rộng phay B tức là D = (1.25 ÷ 1.5)B. Còn khi gia công phôi thép thì nhất thiết phải bố trí dao không đối xứng so với chi tiết gia công.

D = (1.25 ÷ 1.5)B ⇒ B = (0.67 ÷ 0.8)D = 53.3 ÷ 64 mm.

Chọn dao cắt là thẳng.

Chọn Working engagement (AE) : 60 Chọn Depth of cut (AP): 0.8

Chọn Peripheral effective cutting edge count (ZEFP): 8 Chọn Tool cutting edge angle (KAPR): 60

Chọn vật liệu có độ cứng 230𝐻𝐵.

Theo bảng 5.42 ta có lực cắt các thành phần là:

Lực ngang (lực chạy dao): 𝑃ℎ = (0.6 ÷ 0.8)𝑃𝑍 = 805.5 ÷ 1074 𝑁

Lực thẳng đứng: 𝑃𝑉 = (0.9 ÷ 1.0)𝑃𝑍 = 1208.25 ÷ 1342.5 𝑁

Lực hướng kính: 𝑃𝑦 = (0.3 ÷ 0.4)𝑃𝑍 = 402.75 ÷ 537 𝑁

Lực hướng trục: 𝑃𝑥 = (0.5 ÷ 0.55)𝑃𝑍 = 671.25 ÷ 738.4 𝑁

2.2 Tính toán thiết kế cụm vít me đai ốc bi

Có rất nhiều hãng để chúng ta có thể lựa chọn sử dụng cho việc tính toán và lựa chọn các sản phẩm phục vụ vào thiết kế, em chọn hãng PMI để tính toán cho sản phẩm của mình.

2.2.1 Cơ sở tính toán

2.2.1.1Tính tải trọng dọc trục

Trong điều kiện làm việc theo phương ngang (sang phải hoặc trái) để vận chuyển phôi, tải trọng dọc trục (Fa).

2.2.1.2 Tuổi thọ trục vít

Cho dù trục vít được sử dụng đúng cách, nó vẫn bị mòn và không thể sử dụng lâu hơn thời gian định trước. Tuổi thọ của nó được xác định bằng khoảng thời gian từ khi bắt đầu sử dụng đến khi hỏng.

Từ điều kiện làm việc (chế độ cắt thử nghiệm, khối lượng lớn nhất của chi tiết, trọng lượng bàn máy, vận tốc lơn nhất khi gia công và không gia công,...) em chọn chiều dài trục vít sơ bộ,sau đó tính chọn bước vít, tính hệ số tải trọng, xác định kiểu lắp ổ lăn. Chọn trục vít me sau khi đã tính chọn trục vít. Kiểm tra lại tuổi thọ làm việc, tải trọng tới hạn trục vít, tốc độ quay cho phép để thỏa mã đầu bài. Tuổi thọ làm việc tính được thông qua tải trọng động.

2.2.2.3 Tính chọn trục vít

2.2.2.3.1. Kiểu lắp ổ bi 1 đầu cố định và 1 đầu tùy chỉnh

Kiểu lắp ổ bi như hình 2.5.

2.2.2.3.4 Tính khả năng tải động

Khi máy không hoạt động, trọng lực bàn máy do ray dẫn hướng chịu tác dụng, nên có thể bỏ qua lực chống không tải của trục vít.

Vậy phải chọn 𝐶𝑎(𝑋) ≥ 4230. 𝑘𝑔𝑓 và 𝐶𝑎(𝑌) ≥ 5101.1𝑘𝑔𝑓.

2.2.2.3.6. Chọn vít me bi

Chọn series 32-10B2-FDWC cho trục X: 𝐶𝑎 = 4660 𝑘𝑔𝑓

Chọn series 40-10B2-FDWC cho trục Y: 𝐶𝑎 = 5220 𝑘𝑔𝑓

2.3 Tính chọn ổ lăn

2.3.1 Cơ sở tính toán

2.3.1.1 Khả năng tải động 𝑪𝒅

Ta có:

𝑄: tải trọng quy ước (kN)

𝐿: tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay

𝑚: bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, 𝑚 = 3 đối với ổ bi, 𝑚 = 10/3 đối với ổ đũa

𝐿ℎ là tuổi thị của ổ tính bằng giờ: 𝐿ℎ = 10⁶𝐿/(60𝑛)

2.3.1.2 Tải trọng động quy ước 𝑸

𝑄 = (𝑋𝑉𝐹𝑟 + 𝑌𝐹𝑎)𝑘𝑡𝑘𝑑

Trong trường hợp tính toán này, vì tải trọng hướng tâm 𝐹𝑟 nhỏ có thể bỏ qua do 2 ray dẫn hướng chịu lực nên công thức trở thành: 𝑄 = 𝑌𝐹𝑎𝑘𝑡𝑘𝑑. Với góc tiếp xúc: 𝛼 = 40^𝑜thì 𝑌 = 0.57

2.3.4 Chọn sơ bộ ổ lăn

Trong các hãng có mặt trên thị trường, em chọn hãng SKF cho tính toán của mình vì sự phổ biến và tuổi thọ của hãng.

Trục X: 7305 BECBPH có thông số 𝑑 = 25𝑚𝑚, 𝐷 = 62𝑚𝑚, 𝐵 = 17𝑚𝑚, 𝐶 = 26.5𝑘𝑁, 𝐶₀ = 15.3𝑘𝑁.

7305 BECBPH có thông số 𝑑 = 25𝑚𝑚, 𝐷 = 37𝑚𝑚, 𝐵 = 7𝑚𝑚, 𝐶 = 20.3𝑘𝑁, 𝐶₀ = 11.2𝑘𝑁.

2.4 Tính toán thiết kế ray dẫn hướng

Có rất nhiều hãng để chúng ta có thể lựa chọn sử dụng cho việc tính toán và lựa chọn các sản phẩm phục vụ vào thiết kế, em chọn hãng PMI để tính toán cho sản phẩm của mình.

2.4.1 Cơ sở tính toán

Để có được phiên bản phù hợp nhất với các điều kiện hoạt động của hệ thống ray dẫn hướng, khả năng chịu tải và tuổi thọ sử dụng phải được chú trọng nhất. Để kiểm tra khả năng chịu tải tĩnh có thể đánh giá qua tải trọng cơ bản (C0) để lựa chọn hệ số an toàn tĩnh. Tuổi thọ sử dụng thu được bằng cách tính toán tuổi thọ danh nghĩa dựa trên bảng tải trọng động cơ bản.

2.4.1.1. Khả năng tải tĩnh (𝑪𝟎)

Khả năng tải tĩnh C0 là tải trọng tĩnh mà tại vùng tiếp xúc với ứng suất lớn nhất mà tổng biến dạng dư bằng 0.0001 lần giá trị đường kính con lăn. Vì nếu biến dạng vượt quá giá trị cho phép sẽ làm cản trở chuyển động của hệ thống.

2.4.1.3. Hệ số an toàn tĩnh (𝒇𝑺)

Do trong quá trình nghỉ hoặc chuyển động có rung động và va chạm, hoặc quán tính khi khởi động và dừng máy, ray dẫn hướng có thể xuất hiện những ngoại lực không mong muốn. Vì vậy cần xem xét đến hệ số an toàn.

2.4.1.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa (𝑳)

Tuổi thọ danh nghĩa của ray dẫn hướng phụ thuộc tải trọng làm việc thực tế. Tuổi thọ danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên khả năng tải động và tải trọng làm việc thực tế. Tuổi thọ của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn bởi hệ số môi trường như độ cứng vững của đường ray, nhiệt độ môi trường, điều kiện chuyển động. Vì vậy, những thồng số này có trong tính toán tuổi bền danh nghĩa. Công thức tính toán tương ứng với loại xích bi và xích cuộn.

2.4.1.7 Hệ số ma sát (𝒎𝒊𝒏^−𝟏)

Ray dẫn hướng chuyển động thẳng bằng cách lăn gối đỡ trên ray. Với kiểu chuyển động này, lực ma sát của ray dẫn hướng có thể giảm xuống 1/20 đến 1/40. Lực cản ma sát được tính toán dựa trên tải trọng làm việc và lực cản của vòng đệm. Nói chung, hệ số ma sát sẽ khác nhau giữa các loạt, hệ số ma sát của loại bi là 0.002 tới 0.003 và của con lăn là 0.001-0.002.

2.4.1.8 Tính toán tải trọng làm việc

Tải trọng tác dụng lên hệ thmống dưuòng dẫn thẳng có thể thay đổi theo một số yếu tố như vị trí của trọng tâm của một vật, vị trí của lực đẩy và lực quán tính do tăng và giảm tốc trong quá trình khởi động và dừng.

Để chọn một hệ thống ray dẫn hướng chính xác, các điều kiện trên phải được xem xét để xác định độ lớn của tải trọng tác dụng.

2.4.1.10 Tính toán tải trọng trung bình

Khi một hệ ray dẫn hướng chịu tải biến thiên, tuổi thọ sử dụng có thể được tính toán dựa trên các tải biến thiên trong điều kiện hoạt động của hệ thống. Tải trọng trung bình (Pm) là tải trọng mà tuổi thọ hoạt động tương đương với hệ thống chịu tải trọng biến thiên.

2.4.2 Tính chọn ray dẫn hướng trục X, Y

2.4.2.1 Điều kiện hoạt động

Gia tốc tối đa 𝑎 = 0,4𝑔 = 4𝑚/𝑠², vận tốc lớn nhất 𝑣 = 18 𝑚/𝑝ℎ = 3/10 𝑚/𝑠. 

Điều kiện tính toán:

- Nếu bàn X nằm chính giữa bàn Y sẽ không có mômen lật. Do vậy, tính toán trường hợp bàn X ở vị trí xa nhất so với tâm bàn Y.

- Khi tính cho bàn Y, bàn X và phôi xem như là một khối.

2.4.2.4 Tính chọn ray dẫn hướn

2.4.2.4.1 Tính tải trọng tĩnh

Đối với máy công cụ hoạt động có va chạm thì hệ số an toàn tĩnh: 𝑓𝑠 ≥ 2.5.

Vậy tải trọng tĩnh yêu cầu:

Trục X: 𝐶0 ≥ 4769 × 𝑓𝑠 = 1913 × 2.5 = 4782,5𝑁 ≈ 5 𝑘𝑁

Trục Y: 𝐶₀ ≥ 11258 × 𝑓𝑠 = 6009 × 2.5 = 15022,5 𝑁 ≈ 16 𝑘𝑁

2.4.2.4.2 Tính tải trọng động

Vậy từ yêu cầu về tải trọng em chọn được ray dẫn hướng từ catalog của nhà sản xuất PMI như sau:

Trục X: MSA 25 LA có thông số: 𝐶 = 34.4 𝑘𝑁 và 𝐶₀ = 56.6 𝑘𝑁

Trục Y: MSA 35 A có thông số: 𝐶 = 52.0 𝑘𝑁 và 𝐶₀ = 75.5 𝑘𝑁

2.5 Tính chọn động cơ

Có rất nhiều hãng để chúng ta có thể lựa chọn sử dụng cho việc tính toán và lựa chọn các sản phẩm phục vụ vào thiết kế, em chọn hãng ANILAM để tính toán cho sản phẩm của mình.

2.5.1 Cơ sở tính toán

Công thức tính toán thể hiện trong bàng 3.32.

2.5.2 Sơ đồ tính

Từ điều kiện ban đầu (tốc độ quay lớn nhất, bước vít me, khối lượng dịch chuyển, lực cắt,...) em tính momen ma sát, momen chống trọng lực, momen gia công. Từ đó xác định được momen tĩnh và tốc độ định mức. Chọn động cơ và kiểm nghiệm với momen hiệu dụng.

2.5.3.1 Momen tĩnh (𝑴𝒔𝒕𝒂𝒕)

Công thức: 𝑀stat = 𝑀frict + 𝑀𝑤𝑧 + 𝑀mach

Trục X: 𝑀stat = 1.056 + 0 + 3.602 = 4.658 Nm

Trục Y: 𝑀stat = 1.374 + 0 + 4.426 = 5.8 Nm

2.5.3.6 Điều kiện chọn động cơ

𝑀0Motor ≥ 𝑀stat

𝑛Motor ≥ 𝑛Noml

Theo catalogue của hãng ANILAM, em chọn được động cơ AM 1400C cho cả 2 trục X và Y. (với bàn X và bàn Y không cần chọn động cơ có phanh)

2.6 Tính chọn khớp nối

Em chọn khớp nối trục chữ thập cho sản phẩm của mình. Do nối trục chữ thập có thể nối các đầu trục có độ lệch tâm lớn (≤ 0.05𝑑, d là đường kính trục) và có thể nối các trục có độ lệch dọc trục và độ lệch góc nhỏ (< 1⁰).

Sử dụng nối trục chữ thập đệm Techtolit.

⇒ 𝑝𝑚𝑎𝑥 = 0.0652 ∙ 0.025 ≈ 1.56𝑀𝑃𝑎 ≤ [𝑝]

Vậy khớp nối đảm bảo.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ THIẾT KẾ

3.1 Bản vẽ lắp 2D/3D

Thiết kế mô hình 3D

Sử dụng phần mềm NX, Part Design để thiết kế:

3.1.1 Bệ máy

Bệ máy như hình 3.1.

3.1.2 Bàn máy

Bàn máy thể hiện như bảng 3.3.

3.1.4. Hệ thống ray dẫn hướng, vít me bi, gối đỡ

Tạo bản vẽ 2D

Sử dụng Drawing của NX để xuất bản vẽ 2D từ 3D.

Tạo bản vẽ lắp

Tạo file Assembly của NX để ghép các chi tiết và xuất 2D.

3.2. Mô phỏng nguyên lý hoạt động

Sử dụng Motion Study của NX để mô phỏng chuyển động trục  X, trục Y.

1. Hướng dẫn thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1 - Trịnh Chất, Lê văn Uyển.

2. Hướng dẫn thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 2 - Trịnh Chất, Lê văn Uyển.

3. Catolog của hãng PMI - Ballscrews.

4. Catolog của hãng PMI - Linear Guideway.

5. Catolog của hãng ANILAM - Inverter Systems and Motors.

6. Chi tiết máy - Nguyễn Trọng Hiệp.

7. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 1 - Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn.

8. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2 - Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"