BCT
VMVDCCN
VMVDCCN
BCT
BCT
VMVDCCN

Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
46 Láng hạ đống đa hà nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc 5 trục
(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)

M số: kc 03.02/06-10 Pgs. TS. Vũ hoài ân

7521

Pgs. ts. Vũ hoài ân

Hà Nội, 11 2008
Bản thảo viết xong 11 2008
Tài liệu này đợc viết trên cơ sở kết quả thực hiện đề tài:
Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hóa.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục
(Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công dầm thép kết cấu)
1 Danh sách những ngời thực hiện

Họ và tên Chức danh Học vị Tham gia vào mục
Chủ nhiệm đề tài
PGS .TS. Vũ Hoài Ân Chủ nhiệm đề tài
Pgs.ts I, II, III
Cán bộ nghiên cứu
PGS TS. Trơng Hữu Chí Viện IMI
Psg.ts
II, III
TS. Trần Ngọc Hng Viện IMI
ts
III, VIII

công nghệ không phải thứ nào cứ có tiền là mua đợc đặc biệt là công nghệ cao. Cụ thể hơn
nhập khẩu máy công cụ CNC trong một số trờng hợp có nhiều bất cập nh: giá đắt, bảo trì,
bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy đợc kinh tế nội sinh, nhiều khi còn bị
cấm vận không nhập đợc nh một số máy CNC phục vụ quốc phòng
Ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có ngành chế tạo máy công cụ ở Việt nam đã có
truyền thống hơn 50 năm xây dựng và phát triển. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật đã hình thành cả
nhiều thế hệ. Tuy nhiên hầu hết các sản phẩm máy công cụ chế tạo ra đều là các máy phổ
thông vạn năng và có cấu trúc truyền thống.
Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp là một trong các cơ sở nghiên cứu, chế tạo các loại
máy công cụ. Trong hơn 35 năm qua Viện đã cung cấp cho thị trờng nhiều sản phẩm thiết kế
trong đó có nhiều mẫu máy công cụ, kể cả máy công cụ CNC.
Trong những sản phẩm đó có thể kể đến:
Đề tài
: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện T20 CNC.
Dự án
: Hoàn thiện công nghệ chế tạo máy phay hiện đại, điều khiển CNC đạt chất
lợng DMU 60T của hng DECKEL MAHO trên cơ sở hợp tác và tiếp nhận chuyển
giao công nghệ của hng DECKEL MAHO Đức.
Đề tài
: Hiện đại hóa mở rộng tính năng điều khiển tự động của máy tiện T20CNC.
Đề tài
: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện CNC băng nghiêng có thay dao tự động.
Tuy nhiên vẫn chỉ dừng ở các bộ điều khiển 2 trục, 3 trục. Đây là những bớc chuẩn bị
ban đầu cho việc thiết kế chế tạo máy CNC có nhiều trục, mà khởi đầu là đề tài KC.03.02/06-
10. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy CNC 5 trục (Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị gia công
dầm thép kết cấu).
Mục tiêu tổng quát của đề tài KC 03.02 là:
* Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị gia công dầm thép kết cấu trên cơ sở
tích hợp công nghệ gia công dầm thép kết cấu với công nghệ điều khiển CNC 5 trục tọa độ.
Vì thế báo cáo này đã tổng kết, đánh giá, khẳng định những khả năng làm chủ công nghệ
4
Báo cáo tổng kết đợc trình bày luôn bám sát với thực tế trong quá trình thực hiện công
việc thiết kế và chế tạo máy. Khi thiết kế các cụm chi tiết có phân tích,cất nhắc kỹ lỡng, hội
đủ tính kinh tế kỹ thuật và khả năng công nghệ. Trong từng phần của báo cáo đều có bản vẽ,
các hình ảnh thực tế minh họa đợc trình bày trong báo cáo.
ớc. 43
II.1. Năng lực về thiết kế sản phẩm 43
II.2. Năng lực về đầu t trang thiết bị 43
II.3. Năng lực về tin học và tự động hóa. 44
III. Lựa chọn gam cỡ máy. 45
III.1. Các yêu cầu khi chọn máy mẫu 45
III.2. Thông số kỹ thuật máy mẫu 45
III.3. Các thông số lựa chọn cho máy thiết kế 46
III.4. Biện pháp thực hiện. 47
IV. Tính toán thiết kế. 50
IV.1. Sơ đồ động 51
IV.1. Xác định các thông số công nghệ khi khoan 51
IV.1.1. Xác định lực cắt và mômen cắt khi khoan. 51
IV.1.2. Số vòng quay trên trục công tác 51
IV.1.3. Công suất cắt 51
IV.2. Chọn động cơ điện của đầu khoan. 51
6
IV.2.1. Công suất động cơ điện 51
IV.2.2. Số vòng quay của động cơ điện 52
IV.3. Sơ đồ động học của bộ truyền 52
IV.3 .1 Tỷ số truyền trên hộp. 52
IV.3.2. Công suất, số vòng quay và mômen xoắn trên các trục 52
IV.3.2.1. Công suất trên các trục 52
IV.3.2.2. Số vòng quay trên các trục. 52
IV.3.2.3. Mômen xoắn trên các trục 53
IV.4. Kiểm nghiệm các bộ truyền của hộp giảm tốc 53
IV.4.1. Tính toán và kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng. 53
IV.4.1.1. Chọn vật liệu bánh răng. 53
IV.4.1.2. Xác định ứng suất cho phép. 53
IV.4.1.3. Tính toán bộ truyền các cấp. 54

IV.6.2.1. Sơ đồ nguyên lý 79
IV.6.2.2. Nguyên lý hoạt động 79
IV.6.3.1. Tính toán cho trục W1. 80
IV.6.3.2. Tính toán cho trục W2. 84
IV.6.4. Tính toán cho bơm. 84
IV.6.5. Chọn van tràn. 84
IV.6.6. Tính kiểm tra 85
IV.6.6.1. Tính kiểm tra cho hệ thống kẹp chặt 85
IV.6.2. Tính lực kẹp cho quá trình kéo phôi 89
V. Quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết điển hình 92
V.1. Quy trình chế tạo đế máy. 92
V.2. Quy trình chế tạo thân máy.
94
V.3. Quy trình chế tạo đầu khoan 96
V.4. Quy trình công nghệ gia công trục chính 100
V.5. Quy trình công nghệ gia công ống trợt 102
VI. Hớng dẫn quy trình lắp ráp và kiểm tra 105
VI.1. Hớng dẫn quy trình lắp ráp các cụm chi tiết điển hình 105
VI.1.1. Quy trình lắp ráp hộp số 105
VI.1.1.1. Lắp các cụm thành máy. 105
VI.1.1.2. Mô phỏng bằng hình vẽ 3D 109
VI.1.2. Qui trình lắp ráp đế máy. 110
VI.1.3. Qui trình lắp ráp thân máy. 112
VI.1.4. Lắp ráp kẹp trái. 113
VI.1.5. Lắp ráp kẹp phải 114
VI.1.6. Lắp hệ thống dẫn phôi lên đế máy. 115
VI.1.7. Lắp hệ thống thuỷ lực 117
VI.1.8. Lắp ráp tổng thể. 118
VI.2. Quy trình kiểm tra 119
VI.2.1. Kiểm tra các thông số cơ bản của máy. 119


9
Bảng ký hiệu
a Số cặp bánh răng ăn khớp
a
w
Khoảng cách trục mm
b Số cặp ổ lăn
b
w
Chiều rộng vành răng mm
C
a
Tải trọng tĩnh N
C
oa
Tải trọng động N
d
1
, d
2
- Đờng kính chia mm
d
a1


J
BS
Mômen quán tính trục vít me kg.m
2

J
W
Mômen quán tính đầu khoan kg.m
2

J
RT
Mômen quán tính phần quay của động cơ kg.m
2
J
CU
Mômen quán tính của khớp nối kg.m
2
K - Độ cứng vững N/àm
K
H
- Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc
K
HI

- Hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng
K
H


K
y
- Hệ số tăng bền bề mặt trục.
K

,

K

- Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và xoắn.
M
x
Mômen xoắn N.m
M
F
Mômen của động cơ Nm
M
S
Mômen tải trọng trên trục vít me Nm
M
G
Mômen của lực quán tính Nm
M
P
Mômen do tải trọng Nm
m Môđun mm
m
1
Khối lợng đầu khoan kg
m

L Chiều dài giữa gối đỡ và đai ốc mm
L
1
Chiều dài vít me mm
u
ch
Tỷ số truyền chung trên hộp
u
1
, u
2
, u
3
Tỷ số truyền trên từng cấp
p áp suất cần thiết của bơm MPa
p
k
- áp suất làm việc MPa
P
đc
Công suất trên trục động cơ kW
P
I
, P
II
, P
III
, P
IV
Công suất trên các trục kW

f - Hệ số ma sát.
f
w
Hệ số tải trọng
i - Tỷ số truyền.
s
H
, s
F
Hệ số an toàn khi tính về tiếp xúc.
[s] - Hệ số an toàn cho phép.
s

i
Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp tại tiết diện.
s

i
- Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện.
S Lợng chạy dao mm/vg
V Tốc độ cắt m/ph
V
min
Vận tốc cắt nhỏ nhất mm/ph
V
max
Vận tốc cắt lớn nhất mm/ph
V
nhanh
Vận tốc chạy dao nhanh mm/ph


-1
Giới hạn mỏi xoắn MPa

a2
,
a2
,
mi2,

m2
- Biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện.
MPa


,

- Hệ số kể đến ảnh hởng của trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi
[] - ứng suất xoắn cho phép MPa
Y

- Hệ số kể đến trùng khớp ngang
Y

- Hệ số kể đến độ nghiêng của răng.
Y
F1
- Hệ số răng
y - Số năm sử dụng máy năm
t Thời gian thay đổi gia tốc

13 lời mở đầu
Đây là đề tài thuộc chơng trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nớc KC03/ 06-
10. Thông qua đấu thầu khoa học công nghệ năm 2006, kinh phí sử dụng nguồn vốn ngân sách
Nhà nớc và nguồn vốn đối ứng từ đơn vị thực hiện đề tài là Viện IMI.
Các thông tin chính liên quan đến đề tài nh sau:
1. Tên đề tài. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 5 trục

E-mail:
Địa chỉ: 46 Láng Hạ-Đống Đa-Hà Nội
14
Căn cứ theo hợp đồng số 02/2006/HĐ-ĐTCT-KC.03/ 06-10 giữa bên A là ban Chủ nhiệm
chơng trình KC. 03/ 06-10 và bên B là Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp. Theo nội dung của
hợp đồng thì bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:
Thiết bị máy móc: Hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một máy khoan dầm
CNC 5 trục đạt đợc các thông số:
Thông số kỹ thuật Kích thớc Ghi chú
Kích thớc phôi gia công trên máy Dài đến 24 m
Rộng 900 mm
Cao 500 mm

Hành trình máy
Trục X
Trục W1, W2
Z
Trục Y
900 (mm)
500 (mm)
300 (mm)
1000x n =12000(mm) Hành trình trục
Trục W1, W2
Trục Z

Trục X, W1, W2, Z

0,3 mm/12m
0,05 mm

Bộ điều khiển: Heidenhain hoặc tơng đơng Điều khiển 5 trục
Kích thớc máy WxDxH 2350x3050x2500 mm Không tính hệ
thống dẫn phôi

15
Tài liệu:
Hoàn thành đầy đủ toàn bộ các bản vẽ thiết kế kỹ thuật máy CNC 5 trục.
Bộ bản vẽ về quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết máy điển hình nh thân, bệ máy,đầu
khoan.
Quy trình công nghệ lắp ráp các cụm chi tiết và qui trình lắp ráp tổng thành.
Chơng trình cài đặt và điều khiển CNC.
Lý lịch máy, hớng dẫn sử dụng máy, hớng dẫn lập trình CAD/CAM
Báo cáo định kỳ, báo cáo tóm tắt, báo cáo tổng kết đề tài.
Toàn bộ báo cáo tổng kết này sẽ lần lợt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện đợc
trong quá trình hoàn thành đề tài. Nhóm đề tài luôn mong có sự đóng góp của Ban chủ nhiệm
chơng trình các nhà khoa học, các nhà quản lý, các bạn đồng nghiệp sau khi đọc bản tổng kết
này.
17
I. Các nghiên cứu trong và ngoài nớc.
I.1. Tình hình máy CNC trên thế giới.
Máy công cụ điều khiển CNC và những xu hớng phát triển máy công cụ CNC trên
thế giới.
Máy công cụ CNC hiện nay liên tục đợc cải tiến và hoàn thiện, đáp ứng ngày càng sát
với những đòi hỏi khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy. Việc nghiên cứu, tìm hiểu
các công nghệ chế tạo máy CNC, các bộ điều khiển CNC, các loại máy công cụ CNC của các
hãng nổi tiếng trên thế giới, tạo ra những cơ sở vững chắc, và những kinh nghiệm quý báu khi
nghiên cứu những vấn đề tơng tự.
Để có đợc các kinh nghiệm cần thiết phục vụ cho đề tài, cần phải nghiên cứu những xu
thế chung của các nhà nghiên cứu, các nhà điều khiển, các lập trình viên, các hãng chế tạo máy
CNC ngoài nớc đã tập trung giải quyết tốt các vấn đề xoay quanh nh.
a. Độ chính xác gia công của máy ngày càng đợc nâng cao: Nhờ sự phát triển đồng bộ
giữa các thiết bị đo điện tử, thiết bị dẫn động cơ khí nh vít me đai ốc bi kết hợp với tốc độ tính
toán nhanh của CPU cùng SENSOR cảm ứng và thớc quang học, cùng với độ tin cậy rất cao
của các bộ điều khiển CNC từ Nhật Bản và Đức. Vì vậy độ chính xác, phơng pháp đo và xử lý
khi đo trong máy CNC không còn là vấn đề khó đối với các hãng chế tạo máy CNC trên thế

- Khả năng cắt gọt của các loại dụng cụ: Cùng với sự phát triển của ngành dụng cụ cắt,
phơng pháp cắt gọt với các mảnh hợp kim cứng của dao cho tốc độ tiến dao khi phay có thể
lên đến 10m/phút. Với các biện pháp gá lắp phôi tự động, sử dụng nhiều Pallet đối với máy
phay, sử dụng nhiều mâm cặp đối với máy tiện, đầu rơvonve, tool magazine chứa nhiều dao đã
tạo nên năng suất gia công rất cao.
19
c. Máy có tuổi thọ kỹ thuật và độ ổn định cao: Máy CNC theo tiêu chuẩn của các nớc
G7, châu Âu nh các hãng Haas của Mỹ, Deckel Maho của Đức, hãng Mzak, Makino,
Hitachiseiki, Yasada của Nhật, Emco của áo có tuổi bền rất cao, các loại máy CNC của các
hãng này có thể sản xuất 3 ca liên tục nhiều năm mà không có lỗi nào từ nhà sản xuất.
Các biện pháp nâng cao tuổi bền của máy đợc chú trọng ở các khâu nh chế tạo tốt các
đờng trợt bằng các loại vật liệu đặc biệt hoặc kết cấu đặc biệt nh đờng trợt bi, đờng tr-
ợt động cơ tuyến tính.
Các loại vòng bi đặc biệt (hãng SKF, NSK, TNT, FAG) tự động bôi trơn, tự động kiểm tra
tích cực quá trình làm việc tránh đợc các sự cố khi máy vận hành. Sử dụng các phần mềm
thông minh do vậy tránh đợc nhiều lỗi do ngời sử dụng gây ra vì thế mà tăng đợc tuổi bền
của máy.

Hình 2: Cơ cấu đờng trợt băng bi.
d. Máy có số lợng và chủng loại đa dạng: Từ thực tế của công việc gia công cơ khí đã
thúc đẩy ngành chế tạo máy công cụ CNC phát triển nhanh và rất đa dạng về chủng loại và gam
cỡ máy.
Ví dụ, chỉ tính riêng cho một loại máy phay CNC của hãng Haas đã có tới hàng trăm sản
phẩm có gam cỡ và kiểu dáng khác nhau: máy phay CNC của hãng này loại nhỏ nh loại
Toolroom Mill có hành trình bàn xyz: 760x300x400 mm, loại lớn nh VS - 3 hành trình bàn
xyz: 3800x1270x1270 mm, côn trục chính sử dụng loại ISO - 50, điều khiển 5 trục, có thay
dao tự động
e. Máy đợc tích hợp nhiều chức năng: Để giảm số lần gá tăng độ chính xác của chi tiết gia
công, nhiều hãng chế tạo máy CNC đã chế tạo các loại máy CNC có nhiều chức năng trên cùng
một máy.

h. Cơ cấu thay dao tự động đa dạng: Việc bố trí các sensor theo nhiều cách tạo cho mỗi
một vị trí dao cụ đợc mã hóa bằng các bit khác nhau do vậy việc nhận biết và kiểm soát dụng
cụ trở nên đơn giản.
i. Số trục và các trục điều khiển trong máy CNC: Những quy định về trục điều khiển của
máy công cụ CNC nh sau: trục chuyển động thẳng thể hiện việc dịch chuyển của dao hoặc
phôi dọc theo 3 phơng tọa độ Đề các đợc định nghĩa là các trục: X,Y,Z.
21
Các trục chuyển động song song tơng ứng đợc định nghĩa là: U,V,W. Trục thực hiện
chuyển động quay quanh X đợc định nghĩa là trục A, tơng tự trục quay quanh Y là B, quay
quanh Z là C. Với các định nghĩa trên số trục của máy CNC thông thờng đợc thiết kế: máy
tiện có trục X, Z; X, Z, C hoặc nếu có 2 bàn dao X, Z, U, W, C. Trong máy phay và trung tâm
gia công, máy có số trục đơn giản nhất là X,Y,Z hoặc thông dụng hơn X,Y,Z,C. Để giải các bài
toán gia công trên mặt trụ, mặt cầu, các mặt cong nhiều bậc phức tạp trong thiết kế máy cần
phải thêm các trục quay phối hợp nh A, B, C.
k. Máy công cụ cắt cao tốc HSC (Hight Speed Cutting). Trong những năm cuối thế kỷ
20, các nớc công nghiệp trên thế giới có một hớng nghiên cứu phát triển máy công cụ CNC
cắt cao tốc HSC. Hớng này đã đạt đợc nhiều thành công và đã có nhiều máy HSC đợc đa
vào sản xuất để giải quyết các nhiệm vụ gia công rất đặc biệt.
Ví dụ: Hãng chế tạo ô tô Volkswagen AG đã áp dụng các máy HSC để:
- Chế tạo các điện cực Graphít và đồng cho gia công EDM.
- Gia công lòng khuôn trực tiếp từ thép đã tôi.
- Chế tạo mẫu thử bằng nhôm.
- Gia công các vật mẫu bằng chất dẻo.
CHLB Đức là một nớc công nghiệp phát triển cao nhng đã phải bỏ ra tới 60 năm để có
đợc thành công trong hớng phát triển máy công cụ HSC vào cuối thế kỷ 20. Đó là vì máy gia
công HSC không chỉ đợc hiểu là máy có tốc độ cắt cao mà ngời ta đã phải giải quyết thành
công cả 3 yếu tố sau đây đồng thời:
- Tốc độ cắt cực lớn: từ 1000 đến 5000m/phút tùy thuộc vật liệu gia công (số vòng quay
trục chính đạt 50.000 đến 160.000 vòng/phút).
- Lợng tiến dao cực lớn: từ 10.000 đến 40.000 mm/phút.

máy bay. Máy sử dụng 3 thanh điều khiển gọi là Tripod. Máy sử dụng 6 thanh điều khiển gọi là
HEXAPOD.
Sơ đồ nguyên lý của một máy HEXAPOD cho ở hình 4.

Hình 4: Máy HEXAPOD với 6 thanh điều khiển.
23
Đặc điểm của loại máy HEXAPOD là điều khiển đợc 5 bậc tự do của trục dụng cụ, có
thể gia công trong một lần gá cả 5 bề mặt trong không gian của phôi.
Nhợc điểm của máy HEXAPOD là tỷ lệ giữa không gian làm việc có ích và không gian
chung toàn máy tơng đối thấp.
Hình 5 là máy phay HEXAPOD model INQERSOLL của CHLB Đức với
* Các thông số kỹ thuật cơ bản sau:
Không gian gia công: 600 x 600 x 600mm
Định hớng trục chính: 15
o

Tốc độ cắt max: 50 m/s
Gia tốc max: 15m/ s
2
Công suất trục chính HSC: 27 KW
Máy đợc trang bị trục chính động cơ đảm bảo cắt cao tốc HSC.

Hình 5: Máy phay HEXAPOD Model INQERSOLL
đợc thiết kế để gia công với HSC.
ở các máy có động học song song PKM ngời ta phải phát triển một phần mềm chuyển
đổi từ hệ tọa độ dạng động học song song 6 thanh sang hệ tọa độ đề các vuông góc X, Y, Z. Có
nh vậy mới cụ thể hóa đợc việc lập trình gia công các phôi mà kích thớc của chúng đợc
cho ở dạng 3 trục tọa độ X, Y, Z vuông góc trong không gian.
Hiện nay, ở các nớc công nghiệp phát triển cao, các máy tripod và hexapod đã đợc chế
tạo và đa vào sử dụng trong công nghiệp ngày càng nhiều.