1
MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời nói đầu ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt vi
Danh mục các ký hiệu vii
Danh mục các bảng ix
Danh mục các hình x
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ PHẬN CƠ KHÍ
CỦA TRUNG TÂM GIA CÔNG ĐỨNG CNC 3 TRỤC
1.1 Sơ lược về trung tâm gia công 1
1.2 Tổng quan về các bộ phận trong trung tâm gia công đứng CNC 3 trục 2
Chương 2 LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ
BẢN
2.1 Chọn kết cấu máy 11
2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản 12
2.3 Chọn thước đo quang học cho các trục 13
2.4 Giới hạn phạm vi tính toán thiết kế 13
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỘT SỐ BỘ PHẬN CƠ KHÍ CƠ BẢN
3.1 Tính toán lực cắt, công suất cắt ứng với chế độ gia công cực đại 14
3.1.1 Gia công phay 15
3.1.2 Gia công khoan 19
3.1.3 Chọn lực tác dụng và công suất thiết kế 21
3.2 Chọn trục chính, động cơ trục chính và bộ truyền động
3.2.1 Chọn trục chính, bộ truyền động 22
3.2.2 Chọn động cơ trục chính 25
3.3 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Z
3.6.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và
động cơ AC servo trục X 80
3.6.5 Tính toán chọn thanh trượt-bạc trượt trục X 80
3.6.6 Hoàn thiện thiết kế bàn máy 81
3.7 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Y
3.7.1 Chọn vật liệu 83
3.7.2 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu 83
3.7.3Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngthân cụm trục Y 88
3.8 Vít me-đai ốc bi, động cơ AC servo, khớp nối, thanh trượt-bạc trượt trục Y
và hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y
3.8.1 Tính toán chọn vít me-đai ốc bi trục Y 89
3.8.2 Tính toán chọn động cơ AC servo trục Y 91
3.8.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục Y 92
3.8.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và
động cơ AC servo trục Y 93
3.8.5 Tính toán chọn thanh trượt-bạc trượt trục Y 93
3.8.6 Hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y 94
3
3.9 Thiết kế phần bệ máy và trụ đứng
3.9.1 Chọn vật liệu 96
3.9.2 Chọn bộ thay dao tự động 96
3.9.3 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu 96
3.9.3.1 Kiểm tra bền và biến dạng bệmáy 97
3.9.3.2 Kiểm tra bền và biến dạng trụ đứng 103
3.9.4 Tính toán mối ghép vít và hoàn thiện thiết kế bệ máy, trụ đứng
3.9.4.1 Tính toán mối ghép vít 108
3.9.4.2 Hoàn thiện thiết kế bệ máy và trụ đứng 114
3.10 Các thông số kỹ thuật sau khi thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản
CAE - Computer Aided Engineering
TH1 - Trường hợp 1
TH2 - Trường hợp 2
TH3 - Trường hợp 3
TH4 - Trường hợp 4 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
t
Chi
ều sâu lớp cắt
mm
B Chiều rộng lớp cắt mm
z Số răng dao, số răng trên vòng đai
D
,
,
,
,
,
,
Các thành ph
ầ
n l
ự
,
Các hệ số tính lực cắt
,
Mô men cản (mô men xoắn) N.mm
Công suất cắt kW
N
cmax
Công su
ấ
t c
ắ
t l
ớ
n nh
ấ
t
y dao c
ủ
a trung tâm
gia công đứng 3 trục
N
F
min
Lực nhỏ nhất N
P
max
Lực kéo lớn nhất của trục chính N
w,
m
s
Kh
ố
i lư
ợ
ng tr
ụ
c chính
kg
C
P
Chu vi vòng tròn bước răng pulley mm
mm
chi
ề
u dài vòng
đai
mm
P.D. đường kính vòng tròn bước răng mm
O.D.
đư
ờ
ng kính đ
ỉ
nh răng
mm
M
o
Mô men ho
ạ
t đ
g
Gia t
ố
c tr
ọ
ng trư
ờ
ng
m/s
2
P
s
Trọng lượng trục chính N
P
M
Trọng lượng động cơ trục chính N
m
Z
Kh
ối l
ư
ợng thân cụm trục Z
kg
P
ọ
ng lư
ợ
ng
t
ứ
c th
ờ
i
tr
ụ
c chính
khi có gia t
ố
c
N
δ
kh
ối l
ư
ợng ri
êng
kg/m
3
ỏ
nh
ấ
t
, trung bình
mm
ε Chuyển vị (biến dạng) mm
v
t
Vận tốc m/s
6
F
D
, F
D1
,F
D2
, F
D3
, F
Di
Lực động lực học dọc trục vít me N
p
bư
ớ
mm
T Mô men quay trục vít me bi N.mm
Góc ma sát lăn thay thế
o
f
t
H
ệ
s
ố
ma sát lăn thay th
ế
Góc tiếp xúc
o
t
i
Tỉ số thời gian chịu tải %
Tải trọng trung bình N
F
a
T
ả
i tr
ọ
ng tính toán
N
L
h
Thời gian làm việc giờ
L Tuổi thọ làm việc vòng
Tu
ổ
i th
ọ
làm vi
ệ
c
tri
ả
i tr
ọ
ng tương đương khi làm vi
ệ
c
N
D Đường kính ngoài của ổ bi mm
d Đường kính trong của ổ bi mm
B
B
ề
r
ộ
ng
ổ
bi
mm
V
V
ậ
n t
] Ứng suất cắt cho phép N/m
2
A
1
,D
1
,B
1
,C
1
,W
1
,U
1
,R
1
Kích thư
ớ
c rãnh ch
ữ
T theo tiêu chu
ẩ
n
mm
m
Tr
ọ
ng lư
ợ
ng bàn máy
N
m
thY
Khối lượng của thân cụm trục Y kg
P
thY
Trọng lượng thân cụm trục Y
N
m
bm
Kh
ố
i lư
ợ
ng b
ệ
máy
kg
Tr
ọ
ng lư
ợ
ng l
ớ
n nh
ấ
t c
ủ
a b
ộ
thay daoD
tb
Đường kính trung bình mm
V
e
Tốc độ trung bình của bạc trượt m/phút
V
, V
a
, V
b
Bảng 3.3: Kết quả tính toán theo các thông số tương ứng với bảng 3.2 18
Bảng 3.4: Các thông số và kết quả tính toán khi khoan 20
Bảng 3.5: Gang xám GG 30 (theo tiêu chuẩn DIN) 26
Bảng 3.6: Các thông số tạo lưới phần tử của thân trục Z
trong Module Solidworks Simulation 30
Bảng 3.7: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạngthân cụm trục Z 42
Bảng 3.8: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 45
Bảng 3.9: Các thông số của ổ bi 52
Bảng 3.10: Thép carbon C35 (DIN) 53
Bảng 3.11: Nhựa POM Acetal Copolymer 54
Bảng 3.12: Các thông số lưới phần tử của khớp nối
trong Module Solidworks Simulation 55
Bảng 3.13: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạng bàn máy 74
Bảng 3.14: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 76
Bảng 3.15: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạng thân cụm trục Y 88
Bảng 3.16: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 90
Bảng 3.17: Các thông số cơ bản của bộ thay dao tự động CTM40 - BP41 96
Bảng 3.18: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạngbệ máy 102
Bảng 3.19: Số liệu thống kê kiểm tra bền và biến dạngtrụ đứng 107
Bảng 3.20: Thông số kỹ thuật sau khi thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản và
tính toán lựa chọn các bộ phận khác 115 8
Hình 3.11: Lực dọc trục F tại bề mặt lắp ghép giữa trục chính và thân cụm trục Z 29
Hình 3.12: Lực P
M
tại bề mặt lắp ghép giữa tấm đế lắp động cơ và thân cụm trục Z 29
Hình 3.13: Mô hình tạo lưới các phần tử của thân trục Z 30
Hình 3.14: Kết quả về ứng suất 31
Hình 3.15: Kết quả về chuyển vị 32
Hình 3.16: Mô hình tính toán 33
Hình 3.17: Kết quả ứng suất 33
Hình 3.18: Kết quả chuyển vị 34
9
Hình 3.19: Mô hình đơn giản hóa trục chính và dao 34
Hình 3.20: Thép hợp kim 1.2842 đã đổi khối lượng riêng 35
Hình 3.21: Mô hình tính toán 36
Hình 3.22: Kết quả về ứng suất 36
Hình 3.23: Vùng chuyển vị ≥ 0,00865 mm 37
Hình 3.24: Mô hình tính toán 37
Hình 3.25: Kết quả ứng suất 38
Hình 3.26: Vùng chuyển vị ≥ 0,008 mm 38
Hình 3.27: Kết quả ứng suất 39
Hình 3.28: Vùng chuyển vị ≥ 0,003 mm 39
Hình 3.29: Kết quả ứng suất 40
Hình 3.30: Vùng chuyển vị ≥ 0,009 mm 40
Hình 3.31: Mô hình tính toán 41
Hình 3.32: Kết quả vùng ứng suất ≥ 3000000 (N/m
2
) 41
Hình 3.33: Kết quả vùng chuyển vị ≥ 0,0087 mm 42
Hình 3.34: Sơ đồ động lực học 44
Hình 3.62: Kết quả chuyển vị TH2 71
Hình 3.63: Lực tác dụng TH3 72
Hình 3.64: Kết quả ứng suất TH3 72
Hình 3.65: Kết quả chuyển vị TH3 72
Hình 3.66: Lực tác dụng TH4 73
Hình 3.67: Kết quả ứng suất TH4 73
Hình 3.68: Kết quả chuyển vị TH4 73
Hình 3.69: Sơ đồ tính toán 75
Hình 3.70: Kiểu bố trí ổ bi (sử dụng 2 cặp ổ bi đỡ chặn 79
Hình 3.71: Bàn máy 81
Hình 3.72: Lực và bề mặt khống chế 81
Hình 3.73: Kết quả ứng suất 82
Hình 3.74: Kết quả chuyển vị 82
Hình 3.75: Mô hình hóa sơ bộ thân cụm trục Y 83
Hình 3.76: Bề mặt khống chế 84
Hình 3.77: Mô hình phân tích TH1 85
Hình 3.78: Kết quả ứng suất TH1 85
Hình 3.79: Kết quả chuyển vị TH1 85
Hình 3.80: Mô hình phân tích TH2 86
Hình 3.81: Kết quả ứng suất TH2 86
Hình 3.82: Kết quả chuyển vị TH2 87
Hình 3.83: Mô hình phân tích TH3 87
Hình 3.84: Kết quả ứng suất TH3 87
Hình 3.85: Kết quả chuyển vị TH3 87
Hình 3.86: Sơ đồ tính toán 89
Hình 3.87: Thân cụm trục Y 94
Hình 3.88: Kết quả ứng suất 95
Hình 3.89: Kết quả chuyển vị 95
Hình 3.90: Mô hình hóa sơ bộ bệ máy và trụ đứng 97
Hình 3.91: Bề mặt khống chế (các mặt chân đế và lỗ lắp lulong nền 98
LỜI NÓI ĐẦU
Đề tài “Thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản của trung tâm gia công đứng
CNC 3 trục cỡ nhỏ” là một đồ án tốt nghiệp đại học, thời gian thực hiện 15 tuần, từ
20/02/2012 đến 02/06/2012. Đề tài này được lựa chọn, trướt hết vì mục đính vận
dụng các kiến thức tổng hợp trong chuyên ngành đã học vào việc tính toán thiết kế
các chi tiết máy công cụ, sau đó là để cho bản thân có động lực và cơ hội nghiên
cứu kỹ hơn về trung tâm gia công, máy phay CNC, tích lũy thêm kinh nghiệm để
phục vụ những yêu cầu công việc sau khi tốt nghiệp.
Các chi tiết cơ khí chính như thân cụm trục Z, thân cụm trục Y, bàn máy, trụ
đứng, bệ máy đã được thiết kế với sự trợ giúp của phần mềm CAD/CAE
(SolidWorks 2012). Một số chi tiết, bộ phận khác như cụm trục chính, thanh trượt-
bạc trượt, vít me-đai ốc bi, ổ bi… đã được tính toán lựa chọn phù hợp theo tiêu
chuẩn của các hãng sản xuất thiết bị trên thị trường hiện nay, cách làm này được
cho là giảm thời gian và chi phí đầu tư mà vẫn hiệu quả.
Ngoài tiêu chí về độ bền, biến dạng, công năng sử dụng, các chi tiết còn
được thiết kế với mục tiêu đảm bảo tính công nghệ trong chế tạo,lắp ráp và tối ưu
hóa kết cấu.
Tuy nhiên, đây mới là phiên bản thiết kế đầu tiên và người thực hiện nó rất ít
được tiếp cận thực tế với các chi tiết, bộ phận trong trung tâm gia công, máy phay
CNC; nhiều chi tiết, bộ phận chỉ được nghiên cứu qua hình ảnh, sách báo, tạp chí,
nên đề tài này chắc chắn còn nhiều vấn đề cần điều chỉnh và hoàn thiện. Và rất
mong nhận được ý kiến đóng góp xây dựng của các thầy và những người có kinh
nghiệm trong lĩnh vực này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình, hiệu quả của thầy phụ trách
hướng dẫn thực hiện đề tài TS. Nguyễn Văn Tường.
Người thực hiện đề tài
Phạm Đỗ Tùng
về cơ bản có các loại trung tâm gia công đứng (Vertical Machining Center - VMC ),
trung tâm gia công ngang (Horizontal Machining Center - HMC), trung tâm gia
công cao tốc (High Speed Machining Center - HSMC) với số trục điều khiển đồng
thời từ 3 đến 5 trục…
14
1.2 Tổng quan về các bộ phận của trung tâm gia công đứng CNC 3 trục
Sơ đồ các bộ phận của trung tâm gia công đứng 3 trục được sử dụng phổ biến
trong công nghiệp hiện nay, hình 1.2
Thanh trượt,
bạc trượt
tr
ụ
c X,Y,Z
Vít me, đai ốc bi
trục X,Y,Z
Bộ chứa
dao, thay
dao t
ự
đ
ộ
ng.
Hệ thống
bôi trơn,
làm mát
Hệ thống
cấp dung
dịch trơn
nguội
Các cảm biến, thiết bị
đo điện tử
(encoder rotation,
encoder line, công tắc
ứ
ng
B
ệ
máy
Thân c
ụ
m chuy
ể
n
động trục Z
Tr
ụ
c chính
Bàn máy
Thân c
ụ
m
chuyển
động trục Y
Ổ
ch
ứ
Với tốc độ ≤ 15000 (vòng/phút): trục chính truyền động đai răng thường được
sử dụng hơn do giá thành thấp hơn, linh hoạt hơn khi thiết kế, lựa chọn động cơ
Servo trục chính và bộ sinh lực đẩy thay dao phù hợp. Trục chính loại này có chốt
đẩy thay dao ở phía đầu trên cùng của trục chính và tự động kẹp chặt dao bằng cơ
cấu đàn hồi ở bên trong trục chính, nghĩa là trục chính luôn ở trạng thái kẹp chặt
dao, khi thay dao (lắp dao) thì cần có thêm bộ sinh lực đẩy (dùng pít tông - xylanh
khí nén hoặc thủy lực) lắp phía trên chốt đẩy.
17
Với tốc độ ≥ 15000 (vòng/phút): trục chính truyền động trực tiếp và trục
chính tích hợp thường được sử dụng hơn do có độ bền cao và độ tin cậy cao hơn khi
làm việc với tốc độ cao.
Đối với trục chính truyền động trực tiếp thường được tích hợp bộ sinh lực
thay dao (dùng khí nén hoặc dầu) bên trong, còn động cơ Servo được nối trục với
trục truyền động của trục chính bằng khớp nối đàn hồi.
Đối với trục chính tích hợp: bộ sinh lực thay dao - kẹp dao và động cơ Servo
được tính hợp bên trong thân của trục chính (trục chính đóng vai trò là một Roto
của động cơ). Trục chính loại này hoạt động với tốc độ quay rất lớn nên thường
dùng cho trung tâm gia công cao tốc.
f. Thanh trượt, bạc trượt: thanh trượt - bạc trượt bi (con lăn) tuần hoàn được
sử dụng do có hệ số ma sát rất nhỏ khoảng 0,004 ; nhỏ hơn 1/50 lần so với băng
trượt truyền thống [8, tr.9] . Các con lăn hoặc bi vừa lăn vừa di chuyển theo một
rãnh tuần hoàn khi làm việc. Do đó, cho phép bạc trượt di chuyển với tốc độ cao, có
thể lên đến 130 (m/phút) [8, tr.60]
Hình 1.6: Thanh trượt - bạc trượt con lăn tuần hoàn.
Hình 1.7: Thanh trượt - bạc trượt bi tuần hoàn
18
20
+ Tay máy thay dao có hành trình được tự động hóa bằng cơ cấu cam, nên có
độ tin cậy cao, chính xác và tốc độ nhanh.
Hình 1.12: Mô hình tay máy thay dao.
k. Hệ thống cấp, tháo phôi tự động:
Có 3 loại:
- Hệ thống cấp tháo phôi tự động dùng tay máy robot.
- Hệ thống pallet cấp tháo phôi tự động: loại nhiều pallet xoay, loại nhiều
pallet tuyến tính.
- Hệ thống kết hợp tay máy và pallet .
Hệ thống pallet: Các pallet mang hệ thống đồ gá đến vùng gia công cũng như
mang chúng ra khỏi vùng đó sau khi gia công xong. Pallet được định vị chính xác
tại đầu máy (ngay vùng gia công) và được khóa chặt tại vị trí đó để đảm bảo độ
chính xác lặp lại và độ an toàn. Trên pallet có các rãnh chữ T hoặc hệ thống các lỗ
cho việc lắp các bulông đồ gá. [5]
Trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) và
tế bào gia công linh hoạt FMC (Flexible Manufacturing Cell) người ta hay sử dụng
các trung tâm gia công với hai loại pallet sau: pallet đôi và bộ nhiều pallet. 21
- Pallet đôi:
Bao gồm loại xoay tròn và loại tịnh tiến. Có thể có hai dạng sau:
+ Hai pallet trên một máy đơn. Người vận hành máy sẽ tháo chi tiết gia công
hoặc lắp phôi trên một pallet trong khi một chi tiết khác đang được gia công trên
pallet kia.
(m/phút)
Hình 1.14: Một loại thước đo quang học thường dùng trong máy CNC
23
Chương 2 LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY
VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN
2.1 Chọn kết cấu máy
Trên thị trường, trung tâm gia công đứng 3 trục có nhiều kiểu kết cấu khác
nhau, theo số trục tịnh tiến điều khiển được (phương chuyển động) của trục chính
và bàn máy có thể chia thành 4 loại:
Bảng 2.1: Phân loại kết cấu trung tâm gia công đứng 3 trục.
STT
Lỗ côn trục chính BT40
Kích thước bàn máy mm 1000x500
Diện tích làm việc mm 900x450
Khối lượng phôi lớn nhất kg 1000
Dịch chuyển nhanh trục X/Y/Z m/phút 30/30/30
Hành trình trục X mm 900
Hành trình trục Y mm 450
Hành trình trục Z mm 600
Sai số vị trí mm ±0,003
Dẫn động các trục và trục chính Động cơ AC Servo
Bảng 2.2 được coi như là các yêu cầu kỹ thuật ban đầu cho việc tính toán thiết kế.
2.3 Chọn thước đo quang học cho các trục
Thước đo quang học được chọn thông qua các yếu tố như: sai số vị trí cho phép
±0,003 (mm), hành trình các trục XxYxZ: 900x450x600, tốc độ di chuyển nhanh 30
(m/phút) (bảng 2.3).
Dựa vào các bảng trong phụ lục 17 và 18, chọn 3 thước đo quang học KD200
của hãng ELAP có hành trình đo tương ứng với các trục X, Y, Z lần lượt là 1000,
500, 700 (mm)
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của thước đo quang học dòng KD200
Thông số Giá trị Đơn vị
Hành trình đo 250÷6500 mm
Độ phân giải 0,005 mm
Sai số đo (tại 20
o
C) ±0,003 mm
Tốc độ lớn nhất 60 m/phút
Gia tốc lớn nhất 30 m/s
2
Copyright: Tài liệu đại học ©