MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu về cặp trục vít là rất lớn, đặc
biệt là các trục vít sử dụng trong máy nén khí và máy bơm dầu. Tuy
nhiên, hiện tại ở Việt Nam chưa có cơ sở nào thiết kế, chế tạo được
cặp trục vít ăn khớp có biên dạng Cycloid đạt độ chính xác cao cần
thiết. Do vậy, tất cả các cặp trục vít ăn khớp biên dạng Cycloid dùng
trong các thiết bị công nghiệp hiện nay đều phải nhập khẩu.
Việc thiết kế biên dạng và biên dạng đối ứng của cặp trục vít
ăn khớp thoả mãn điều kiện ăn khớp, có độ kín khít và cấp chính xác
cao là hết sức phức tạp vì nó dựa trên lý thuyết bao hình ứng dụng
trong lý thuyết ăn khớp, chưa nói đến các tính toán tối ưu hoá biên
dạng của cặp trục vít máy nén khí.
Vì vậy, công việc thiết kế biên dạng cặp trục vít và biên dạng
dụng cụ gia công chúng hiện nay thường sử dụng những phần mềm
chuyên dụng đắt tiền, dựa trên những phương pháp còn chưa được
công bố hoặc công bố ở mức độ khái niệm vì đó là bí mật của các
hãng sản xuất.
Tương tự như vậy, việc xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ là
một vấn đề rất phức tạp về mặt toán học dựa trên lý thuyết bao hình
trong lý thuyết tạo hình bề mặt. Các tài liệu, sách giáo trình được
công bố chủ yếu sử dụng các phương pháp truyền thống như phương
pháp giải tích, phương pháp động học, … Tuy nhiên, trên thực tế có
nhiều mặt khởi thuỷ phức tạp mà khi xác định nó theo phương pháp
truyền thống là hết sức khó khăn và tốn kém thời gian cũng như độ
chính xác thấp. Vì thế, việc ứng dụng các kỹ thuật tính toán dựa trên
lập trình máy tính có thể làm thay đổi về phương pháp cũng như tạo
ra những công cụ trong công tác thiết kế mặt khởi thuỷ dụng cụ một
cách hiệu quả.
Tóm lại, công việc thiết kế và chế tạo các cặp trục vít ăn
khớp biên dạng Cycloid hiện nay là cần thiết và vẫn còn là mới đối

bao hình mô phỏng.
- Lập trình Gcode và thực nghiệm gia công cặp trục vít máy
nén khí trên máy CNC 4 trục theo phương pháp số.
4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của
luận án
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Tạo hình bộ đôi
động học trục vít - dụng cụ gia công.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Có nhiều phương pháp
tạo hình mặt xoắn vít như chép hình, bao hình có tâm tích, bao hình

2


không tâm tích, biến dạng dẻo... Luận án tập trung nghiên cứu
phương pháp gia công bao hình không tâm tích bằng dụng cụ dạng
đĩa và gia công số hoá trên CNC và đặc biệt cụ thể với cặp trục vít
Cycloid của máy nén khí. Luận án chưa quan tâm nhiều đến Chế độ
cắt, vật liệu, lực, nhám bề mặt, … vì đối tượng nghiên cứu của Luận
án tập trung vào tạo hình bề mặt đôi động học.
- Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết
với thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh phương pháp.
5. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn - những đóng góp mới của
luận án
Ý nghĩa khoa học:
Phương pháp thiết kế hỗn hợp được tìm ra và đề xuất đã tạo
ra biên dạng chính xác của cặp trục vít ăn khớp thoả mẵn điều kiện
ăn khớp và độ kín khít cần thiết cho máy bơm đồng thời kế thừa
được tính tối ưu của những thiết kế tiềm ẩn trong sản phẩm của các
hãng sản xuất mà chưa được công bố hoàn toàn, khắc phục được sai
số của phương pháp thiết kế ngược quen thuộc hiện nay.

Phương pháp thứ hai: Kiểm tra độ chính xác biên dạng khởi thuỷ
dụng cụ bằng mô phỏng gia công. Trong phương pháp này, NCS đã
xây dựng thành công chương trình con mô phỏng gia công và tiến
hành thử nghiệm.
- Đã tiến hành thực nghiệm gia công cặp trục vít Cycloid với
công nghệ CAD/CAM/CNC trên máy CNC 4 trục. Thời gian gia
công và độ chính xác biên dang cặp trục vít được thiết kế theo
phương pháp mới là tốt hơn nhiều so với thiết kế ngược truyền thống
và có thể áp dụng được với gia công loạt nhỏ.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRỤC VÍT MÁY NÉN KHÍ
Để có cái nhìn tổng quát về nội dung thực hiện của đề tài, ở
chương này tác giả đi khảo sát các công trình nghiên cứu và ứng
dụng trục vít cycloid trong nước và trên thế giới. Công việc khảo sát
tìm hiểu đặc trưng về phương pháp, các kết quả đạt được và những
tồn tại của các công trình nghiên cứu, từ đó đặt ra những định hướng
của đề tài.

4


1.1 Giới thiệu tổng quan về máy nén khí
1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trục vít Cycloid
trên thế giới
1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trục vít ở Việt Nam
Tại Việt Nam hiện nay, nhu cầu về cặp trục vít là rất lớn, đặc
biệt là các trục vít sử dụng trong máy nén khí. Tuy nhiên, hiện tại ở
Việt Nam chưa có cơ sở nào chế tạo được cặp trục vít ăn khớp có
biên dạng Cycloid đạt độ chính xác và yêu cầu kỹ thuật do: Các
nghiên cứu chưa sâu về lý thuyết ăn khớp của cặp trục vít có biên
dạng Cycloid ; Máy dùng để gia công thường là các máy chuyên

b) Phương pháp xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ gia công trục
vít biên dạng Cycloid dựa trên nguyên lý bao hình là hết sức phức
tạp, các tài liệu, sách giáo trình đã công bố chủ yếu sử dụng các
phương pháp truyền thống như phương pháp giải tích, phương pháp
động học…Có nhiều mặt khởi thuỷ phức tạp mà khi xác định nó theo
phương pháp truyền thống là hết sức khó khăn và tốn kém thời gian
cũng như độ chính xác thấp do việc giải những hệ phương trình vi
phân trong nhiều trường hợp là không thể trực tiếp, phải sử dụng
phương pháp số dựa trên những thuật toán và phần mềm chuyên
dụng đắt tiền và là bản quyền của các hãng sản xuất. Vì thế ở Việt
nam chưa có cơ sở nào thiết kế và gia công dụng cụ gia công cặp trục
vít biên dạng Cycloid.
c) Phương pháp gia công số hoá trên CNC cặp trục vít biên
dạng Cycloid ở Việt nam còn là mới mẻ, chưa có cơ sở nào sản xuất
hàng loạt và công bố chi tiết về vấn đề này.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TẠO HÌNH
BỘ ĐÔI ĐỘNG HỌC TRỤC VÍT CYCLOID – DỤNG CỤ
GIA CÔNG
2.1.Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt bề mặt trục vít Cycloid
2.2 Cơ sở lý thuyết tạo hình bề mặt Dụng cụ cắt
2.3 Các phương pháp truyền thống xác định mặt khởi thuỷ
Khi gia công một chi tiết bằng phương pháp cắt gọt, dụng cụ
thực hiện 2 chức năng: chức năng tạo hình bề mặt và chức năng cắt
bóc đi lượng dư gia công .Dụng cụ thực hiện cả 2 chức năng này
bằng chính các lưỡi cắt khi thực hiện tổ hợp cac chuyển động tương
đối với chi tiết.Trong trường hợp dụng cụ có nhiều lưỡi cắt, các lưỡi
cắt phân bố trên một bề mặt và bề mặt này gọi là bề mặt khởi thủy K
của dụng cụ có thể có một lưỡi cắt hay nhiều lưỡi cắt.

6

- Đối tượng cần thiết kế ngược:
Cặp trục vít máy nén khí.

7


Sau khi được xử lý và xuất sang File IGS, dữ liệu thiết kế
ngược dạng 3D solid được phân tích bằng phần mềm thiết kế 3D
INVENTOR như trên Hình 3.4 và
Hình 3.

Hình 3.4 Bản vẽ trục chủ động

Hình 3.5 Bản vẽ trục bị động

Hình 3.6 Sai lệch biên dạng trục chủ động
Dữ liệu thiết kế ngược có sai lệch khá lớn cả về bước dọc
trục lẫn biên dạng trên mặt cắt ngang (Hình 3.6), không cho phép sử
dụng để gia công vì dung sai yêu cầu của bộ truyền này đối với máy
nén khí chỉ là 12 µm. Vì thế cần thực hiện công việc tạo ra bản thiết
kế chính xác của cặp trục vít xuất phát từ dữ liệu thiết kế ngược này
như phần sau đây.
3.3 Phương pháp thiết kế hỗn hợp
Phương pháp NCS đề xuất và thực hiện bao gồm các công
đoạn sau:
i) Tạo dữ liệu thiết kế ngược, gọi là dữ liệu gốc

8




AB và HI là cung E-líp;
BC là đường Cycloid có vòng cơ sở là 30 mm, bán kính
vòng tròn lăn không trượt trên vòng cơ sở ( được gọi là epicycle)
được xác định là 33 mm (sau khi chạy chương trình vẽ tự động
đường Cycloid với các giá trị khác nhau của bán kính này thì cho
thấy bán kính 33 mm cho ra đường Cycloid chính xác nhất (xem
hình 3.8).

Hình 3. 8 Biên dạng Cycloid với các tham số r khác nhau
Các phân đoạn còn lại là các cung tròn tiếp xúc nhau, bán
kính của chúng được xác định bằng cách áp các cung tròn đi qua 3
điểm chọn trên đường biên dạng gốc của dữ liệu thiết kế ngược với
chế độ bắt chính xác điểm.
3.3.2 Xác định tự động biên dạng đối ứng của trục bị động

Đầu vào: Biên dạng trên tiết diện ngang của trục chủ động
Đầu ra: Biên dạng trên tiết diện ngang của bánh răng bị động
Thuật toán của chương trình tự động xác định biên dạng đối
ứng đảm bảo điều kiện ăn khớp của bộ truyền bánh răng trụ lăn
không trượt như trên bên.
Kết quả chạy chương trình theo thuật toán trên được chỉ ra
trên các Hình 3. 10, Hình 3. 11, Hình 3.

10


Hình 3. 10 Biên dạng hai trục chuẩn bị chạy chương trình (trên) và
đạng trong quá trình được tạo tự động (dưới)


hỗn hợp và đưa ra mô hình CAD 3D chính xác của cặp trục vít
máy nén khí AIRMAN PSD 50 làm đầu vào cho các chương tiếp
theo của luận án.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẶT KHỞI THUỶ
DỤNG CỤ DẠNG ĐĨA GIA CÔNG MẶT VÍT CYCLOID
4.1 Động học tạo hình dụng cụ dạng đĩa gia công mặt vít
Động học của quá trình tạo hình bề mặt xoắn ốc trụ có bước
không đổi sử dụng dụng cụ dạng đĩa liên quan đến ba chuyển động
sau (xem .
):

12


Hình 4. 1 Mặt khởi thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công mặt vít
I - chuyển động quay của phôi mà trên đó bề mặt xoắn ốc
cần được tạo ra;
II - Chuyển động tịnh tiến dọc theo trục phôi, phù hợp với
chuyển động quay I, có mục đích là để tạo ra chuyển động xoắn ốc
tạo ra bề mặt xoắn vít có tham số bước xoắn p;
III – Chuyển động cắt là chuyển động của dụng cụ quay
quay quanh trục của nó .
4.2 Nghiên cứu đề xuất phương pháp xác định mặt khởi
thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công mặt vít
Nguyên lý của phương pháp này là thực hiện mô phỏng quá
trình “gia công ngược”. Với mục đích này, “phôi dụng cụ” được tạo
ra ban đầu là một khối trụ và chi tiết (là trục vít, đóng vai trò dụng cụ
gia công “phôi dụng cụ”) được cho dưới dạng Solid 3D. Mô phỏng
quá trình “cắt ngược” này được thực hiện bằng toán tử Boolean: lấy
phôi dụng cụ trừ đi chi tiết để loại bỏ dần dần vật liệu không mong



Hình 4. 12 Tạo mặt khởi thuỷ dụng cụ hoàn chỉnh
gia công trục bị động
4.4. Kiểm tra độ chính xác của mặt khởi thuỷ dụng cụ
4.4.1. Kiểm tra độ tiếp xúc của dụng cụ và chi tiết

Dụng cụ dạng đĩa sau khi được xây dựng hoàn chỉnh như
Hình 4. 9và Hình 4. trong môi trường INVENTOR được xuất sang
dạng File *.SAT, sau đó, trong AutoCAD, chúng được định vị vào
chi tiết cần gia công (trục vít) theo đúng vị trí tương đối như khi tạo
biên dạng ban đầu. Sau đó lại xuất ngược lại cho INVENTOR để
kiểm tra độ chính xác. Kết quảcho thấy độ chính xác của dụng cụ gia
công trục chủ động, bị động có thể coi là tuyệt đối chính xác
4.4.2. Kiểm tra độ chính xác của dụng cụ bằng mô phỏng gia
công

NCS xây dựng chương trình con mô phỏng gia công, thuật
toán như sau Hình 4.16

15


Hình 4.16 Thuật toán gia công mô phỏng

Hình 4. 17 Thực hiện gia công mô phỏng một đoạn trên phôi
Kết quả Mô phỏng gia công trục chủ động

16


- Đã trình tóm tắt nguyên lý động học tạo hình dụng cụ dạng
đĩa gia công mặt xoắn vít;
- Đã nghiên cứu đề xuất hai phương pháp xác định mặt khởi
thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công mặt xoắn vít tổng quát: phương pháp
mặt cắt kế và phương pháp toán tử Boolean 3D;
- Đã lập trình thực hiện các phương pháp đề xuất và triển khai
thực nghiệm thiết kế thành công mặt khởi thuỷ cặp dụng cụ dạng đĩa
gia công cặp trục vít máy nén khí cụ thể.
- Đã xây dựng phương pháp và triển khai thực nghiệm gia
công mô phỏng để đánh giá độ chính xác thiết kế mặt khởi thuỷ cặp
dụng cụ dạng đĩa tạo hình cặp trục vít máy nén khí.
CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM GIA CÔNG CẶP
TRỤC VÍT CYCLOID VỚI CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC
Chương này trình bày về thực nghiệm gia công trên CNC cặp
trục vít được thiết kế theo phương pháp thiết kế ngược thuần túy (cặp
trục 01) và cặp trục vít được thiết kế theo phương pháp mới (cặp trục
số 02) được đề xuất trong chương 3 (phương pháp thiết kế hỗn hợp)
nhằm đánh giá:
- Khả năng gia công số hóa trên CNC 4 trục của cặp trục vít
máy nén khí
- Ảnh hưởng của mô hình thiết kế 3D cặp trục vít theo phương
pháp thiết kế ngược thuần túy và phương pháp thiết kế mới đến khả
năng gia công số hóa chúng bằng CNC.

18


5.1 Thực nghiệm gia công cặp trục vít mẫu (cặp số 01)
5.1.1 Quy trình thiết kế CAD/CAM cho cặp trục vít mẫu
5.1.2 Quy trình gia công trên máy CNC


20


5.2.3 Đánh giá độ chính xác bề mặt cặp trục vít số 02

Hình 5. 30 Kết quả so sánh bề mặt cặp trục vít số 02 so với mô hình
thiết kế bằng phương pháp mới.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 5
Những kết quả thực nghiệm chính và những kết luận tương
ứng trong chương này bao gồm:
1. Về những thông số phản ảnh chất lượng thiết kế và gia
công của cặp trục vít được thiết kế ngược thuần túy:
- Kết quả thu được thời gia công thực hết 61 giờ 35 phút.
- Sai số lớn trung bình của bề mặt chi tiết so với mô hình
thiết kế ngược thuần túy là 0.042 mm.
Số liệu trên đã xác nhận độ chính xác của phương pháp thiết
kế ngược hiện hành là thấp, sản phẩm được tạo ra từ mô hình này sẽ
không đảm bảo yêu cầu của máy nén khí.
Sai số gia công theo công nghệ CAD/CAM/CNC như trên
(0.042 mm) là chấp nhận được tuy nhiên thời gian gia công là lớn,
không kinh tế.
2. Về những thông số phản ảnh chất lượng thiết kế và gia
công của cặp trục vít được thiết kế theo phương pháp mới
- Kết quả thu được thời gia công thực hết 38 giờ 08 phút.
- Sai số bề mặt chi tiết so với mô hình thiết kế bằng phương
pháp mới: Sai số trung bình là 0,034 mm.
.
Như vậy, phương pháp thiết kế mới cặp trục vít (đã được đề
xuất trong chương 3) có độ chính xác cao, sau khi được gia công để

cụ mới thiết kế chính xác biên dạng cặp trục vít ăn khớp nói chung
và của máy nén khí nói riêng. Có thực nghiệm kiểm chứng về độ
chính xác (Thực nghiệm bằng phương pháp gia công thử nghiệm trên
máy CNC 4 trục)
2. Đã nghiên cứu xây dựng thành công phương pháp và công
cụ mới xác định mặt khởi thuỷ dụng cụ dạng đĩa gia công bao hình
không tâm tích mặt xoắn vít. Trên cơ sở đó đã tiến hành thử nghiệm

22


đánh giá độ chính xác của dụng cụ gia công dạng đĩa theo hai
phương pháp:
- Phương pháp thứ nhất: Kiểm tra độ tiếp xúc của dụng cụ gia
công và chi tiết, kết quả cho thấy độ chính xác của dụng cụ gia công
trục chủ động và bị động có thể coi là tuyệt đối chính xác.
- Phương pháp thứ hai: Kiểm tra độ chính xác bằng mô phỏng
gia công. Trong phương pháp này, NCS đã xây dựng thành công
chương trình con mô phỏng gia công và tiến hành thử nghiệm. Kết
quả thu được sai số gia công đối với trục chủ động lớn nhất là 0,018
mm còn đối với trục bị động là 0,021 mm.
3. Đã tiến hành thực nghiệm gia công cặp trục vít Cycloid
với công nghệ CAD/CAM/CNC trên máy CNC 4 trục nhằm
đánh giá độ chính xác biên dạng bề mặt. Kết quả được thể
hiện như sau:
- Về những thông số phản ảnh chất lượng thiết kế và gia
công của cặp trục vít được thiết kế ngược thông thường:
Thời gian công thực hết 61 giờ 35 phút; Sai số trung bình
của bề mặt chi tiết so với mô hình thiết kế ngược thuần túy là
0.042 mm

các Nhà khoa học.

24