BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN QUỐC HOÀN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM (CATIA)
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẪU ĐÚC
DÙNG CHO CÁC DOANH NGHIỆP ĐÚC GANG

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. Hoàng Văn Điện
2. PGS.TS. Nguyễn Viết Tiếp

Hà Nội – Năm 2010

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong Luận văn là do
bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS
Nguyễn Viết Tiếp và TS Hoàng Văn Điện. Ngoài phần tài liệu
tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là
trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào
khác.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2010

trường đại học Bách khoa Hà Nội; Ban Giám hiệu, khoa Cơ khí trường Cao
đẳng Cơ khí luyện kim đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình
học tập.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Viết
Tiếp - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, TS Hoàng Văn Điện - Hiệu

3


trưởng trường đại học Công nghiệp Hà Nội, đã tận tình hướng dẫn trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn thày, cô giáo, các bạn đồng nghiệp, các
doanh nghiệp đúc gang tại Thái Nguyên, các đơn vị sản xuất mà tác giả đã
đến khảo sát và làm thực nghiệm: Viện Nghiên cứu phát triển CNC về
KTCN- Đại học Thái Nguyên, Công ty phụ tùng máy số 1 – Thái Nguyên,
công ty THHH Nhà nước một thành viên Diesel Sông Công, doanh nghiệp tư
nhân cơ khí gang Hùng Vỹ đã tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề
tài.
Mặc dù đã cố gắng, song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên
chắc chắn Luận văn này không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận
được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận
văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Người thực hiện

Trần Quốc Hoàn

4


14

1.1.1. Giới thiệu chung

14

1.1.2. Công nghệ đúc bằng khuôn cát

14

1.1.3. Quy trình công nghệ đúc bằng khuôn cát

15

1.1.4. Các phương pháp làm khuôn cát

16

1.2. Tổng quan về mẫu đúc và công nghệ chế tạo mẫu

23

1.2.1. Yêu cầu:

23

1.2.2. Vật liệu làm mẫu.

23


2.1.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD)

35

2.1.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính (CAM)

37

5


2.1.3. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM.

40

2.1.4. Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất

41

2.1.5. Thiết kế và gia công tạo hình

42

2.2. Giới thiệu về phần mềm Catia

45

2.2.1. Thanh coâng cuï vaø menu:

47


TẠO MẪU ĐÚC
3.1. Một số chi tiết được đúc phổ biến ở một số doanh nghiệp

81

3.2. Quy trình thiết kế và chế tạo mẫu đúc:

82

3.3. Thiết kế mô hình CAD 3D của chi tiết

83

3.4. Thiết kế mẫu đúc:

85

3.5. Lập trình gia công mẫu

87

3.4. Xuất chương trình điều khiển máy CNC

89

3.5. Gia công mẫu

90
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Coordinate Measuring Machine

Máy đo toạ độ 3 chiều

Reverse engineering

Kỹ thuật tái tạo ngược

VMC

vertical machining center

Trung tâm gia công đứng

CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

Computer Intergrated


Cách thức Lập kế hoạch sản
xuất

Computer Aided Process

Lập quy trình có trợ giúp của

Planning

máy tính

CAQ

Computers Aided Quality Control

PP&C

Production Planning and control

DNC

Direct Numerical Control

Kiểm tra và quản lý chất
lượng sản phẩm
Lập kế hoạch sản xuất và điều
khiển
Điều khiển số trực tiếp

7


Máy dằn ép

20

Hình 1.6.

Sơ đồ Máy vừa dằn vừa ép

21

Hình 1.7.

Phương pháp kết cấu mẫu epôxi

27

Hình 1.8.

Máy tiện gỗ

29

Hình 1.9.

Làm khuôn thủ công trên nền xưởng

33

Hình 1.10


Hình 2.7.

Cấu trúc cây của Catia

49

Hình 3.1

Một số chi tiết được đúc tại các DN ở Thái Nguyên

81

Hình 3.2

Quy trình thiết kế, chế tạo mâu đúc

82

Hình 3.3

Bản vẽ kỹ thuật của chi tiết do khách hàng cung cấp

84

Hình 3.4

Mô hình CAD 3D của chi tiết đúc

85

44
45
47


Hình 3.9

Mô Phỏng quá trình phay thô

88

Hình 3.10

Mô phỏng quá trình phay tinh

88

Hình 3.11

Mô phỏng quá trình phay vét (Gia công lại)

89

Hình 3.12

Chương trình gia công CNC

89

Hình 3.13



PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
CAD/CAM - Thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính. Cùng với
sự phát triển của công nghệ thông tin, CAD/CAM đã được ứng dụng nhanh
chóng trong công nghiệp vì nó là công cụ giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản
phẩm có thể thay đổi mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia công tối ưu một cách
nhanh chóng, chính xác và linh hoạt.
Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được
phát triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả
việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong
những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái
niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính
trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất. Cụ
thể trong pha thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu
kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình, các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế
hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy
tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý
chất lượng và lắp ráp.
Nghề đúc ra đời cách đây khoảng sáu ngàn năm, được coi như là sự kết hợp
khéo léo giữa đồ gốm và nghệ thuật luyện kim. Đúc trong khuôn cát là một
phương pháp tạo hình đã lâu đời, nhưng cho tới nay nó vẫn chiếm vị trí quan
trọng trong kỹ nghệ đúc: 90% sản lượng vật đúc của thế giới sản xuất bằng
khuôn cát, phần còn lại do khuôn kim loại và các dạng đúc đặc biệt khác. Khuôn
cát được dùng nhiều vì dễ chế tạo, rẻ, vốn đầu tư ít. Hơn nữa khuôn cát lại rất
vạn năng, có thể đúc vật nhỏ từ 10g cho tới vật lớn có khối lượng hàng trăm tấn,
có thể dùng đúc bất kỳ hợp kim nào: thép, gang, đồng thanh, đồng thau, nhôm,
hợp kim niken, hợp kim nhôm, magê ....
Với chủ trương của Nhà nước về phát triển khu công nghiệp Gang thép Thái

a. Ý nghĩa khoa học:
Đề tài phù hợp với xu hướng phát triển của khoa học và công nghệ
CAD/CAM - CNC, công nghệ thiết kế, chế tạo mẫu đúc. Đóng góp thêm cơ sở lý
luận cho việc khai thác ứng dụng công nghệ CAD/CAM vào thực tế sản xuất.

11


b. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài đã được ứng dụng vào thực tế sản xuất tại một số doanh nghiệp đúc
gang tại Thái Nguyên, đáp ứng được nhu cầu ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất
nhằm tăng năng suất, chất lượng và giảm giá thành của các xưởng đúc gang. Qua
thực tế triển khai, bước đầu đã giúp được một số doanh nghiệp đúc gang vừa và nhỏ
nâng cao được năng suất lao động, giảm được tỷ lệ phế phẩm, đặc biệt nhóm phế
phẩm do sai số hình dáng, lệch, sai trọng lượng, sai kích thước...
3. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế và chế tạo mẫu đúc có
độ chính xác cao dùng trong đúc khuôn cát, sử dụng cho các doanh nghiệp đúc
vừa và nhỏ nhằm nâng cao độ chính xác về hình dáng, kích thước, trọng lượng
vật đúc.
Đề tài giới hạn trong việc ứng dụng phần mềm Catia vào thiết kế và chế tạo
mẫu đúc, sử dụng cho một số doanh nghiệp đúc gang.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhưng chủ yếu là
thực nghiệm.
* Đối tượng nghiên cứu: Sản phẩm mẫu đúc có hình dáng hình học phức tạp.
* Thiết bị thực nghiệm:
+ Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 ;
+ Trung tâm gia công VMC - 85S ;
+ Phần mềm CATIA;

biệt
Đúc thông thường: Là công nghệ có từ cổ xưa, đúc thông thường được thực
hiện với các khuôn cát.
Đúc đặc biệt: Là phương pháp khác đúc thông thường, đúc đặc biệt có sự khác
biệt về nguyên liệu và công nghệ làm khuôn, cách điền đầy và tạo hình vật đúc.
Đúc đặc biệt thường sử dụng khuôn kim loại. Thường có các dạng: Đúc trong
khuôn kim loại, Đúc áp lực, Đúc ly tâm, Đúc liên tục và một số công nghệ đúc đặc
biệt khác.
1.1.2 Công nghệ đúc bằng khuôn cát
Đúc khuôn cát có thể nói là một phương pháp đúc truyền thống. Với vật liệu
chủ yếu là cát, chất phụ gia đi kèm có thể tạo nên tên gọi riêng cho từng phương
pháp riêng biệt. Sau đây là các phương pháp đúc khuôn cát
1.1.2.1 Công nghệ đúc khuôn cát tươi
Khuôn cát tươi được dùng đầu tiên trong công nghệ khuôn cát. Vật liệu để làm
khuôn là cát + sét + nước. Khuôn cát tươi có đặc điểm dễ sử dụng, bề mặt vật đúc
sẽ mịn nếu cỡ hạt cát áo nhỏ. Nhưng do trong quá trình làm khuôn cần phải đánh
động mẫu để thoát mẫu, nên sản phẩm đúc sẽ có độ dôi gia công lớn. Đặc biệt dây

14


chuyền khuôn tươi đã được tự động hoá như dây chuyền DISAMATIC tại Công ty
cơ khí Đông Anh – hoàn toàn tự động.
1.1.2.2. Công nghệ khuôn khô
Trong công nghệ khuôn khô thì nếu như khuôn tươi được đem sấy trong lò sấy
khoảng

5h

trước

Để đúc 1 sản phẩm, chúng ta cần chế tạo sản phảm đó bằng polyesteron, sau đó cho
vào khuôn và đổ cát khô vào, kết hợp với việc hút chân không, khuôn sẽ cứng vững.
Khi rót kim loại vào khuôn, mẫu Polyesteron sẽ cháy và kim loại lỏng điền đầy
khuôn, công nghệ này cũng đang được ứng dụng tại nhiều doanh nghiệp đúc vừa và
nhỏ ở nước ta, như Viện Công nghệ Hà Nội, Cơ khí Duyên Hải, Hải phòng..,.
1.1.2.4. Công nghệ khuôn cát nhựa
Đây là công nghệ mới với cát đã được nhà máy xử lý bao bọc 1 lớp nhựa. Khi
sản xuất đem trộn cát với axit formaldehit, sẽ được khuôn cát nhựa đóng rắn nguội,
hoặc khuôn cát đem nung nóng sẽ được khuôn cát nhựa đóng rắn nóng.
1.1.2.5. Công nghệ Furan
Đây là dây chuyền công nghệ mà các công ty Nhật bản ưa chuộng vì cát sẽ
được trộn với nhựa Furan và axit, khuôn sẽ đóng rắn rất tốt, sản phẩm có độ nhẵn
bóng bề mặt nhưng vấn đề khó khăn là ô nhiễm môi trường làm việc vì mùi nhựa
Furan rất độc.
1.1.3. Quy trình công nghệ đúc bằng khuôn cát

15


Quá trình đúc được biểu diễn theo sơ đồ sau:
Hỗn hợp
làm khuôn

Mẫu
đúc

Hỗn
hợp làm
lõi


Phá khuôn, lõi

Làm sạch vật đúc

Kiểm tra

Phế phẩm

Thành phẩm

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình đúc khuôn cát

1.1.4. Các phương pháp làm khuôn cát
Đúc trong khuôn cát chiếm tỷ lệ khá cao (trên 80%) trong sản xuất đúc. Khuôn
đúc là nhân tố quan trong quyết định chất lượng của vật đúc. Thường 50 ÷ 60% phế
phẩm vật đúc là do khuôn đúc gây ra. Vì vậy việc tuân thủ yêu cầu kỹ thuật làm
khuôn và lõi là một trong những nhiệm vụ của người làm kỹ thuật đúc.
Tuỳ theo sản lượng của vật đúc, mức độ cơ khí hoá của xưởng đúc, việc làm
khuôn và lõi có thể được tiến hành theo một trong những hình thức sau:
1.1.4.1. Làm khuôn bằng tay
Làm khuôn bằng tay có những đặc điểm sau: Độ chính xác của khuôn không
cao, năng suất thấp, yêu cầu công nhân làm khuôn phải có tay nghề cao (nhất là với

16


những vật đúc phức tạp). Thích hợp khi chế tạo các vật đúc cực lớn hoặc rất phức
tạp về kết cấu.
Có nhiều phương án làm khuôn bằng tay như: Làm khuôn trên nền đất, làm
khuôn trong hai hoặc nhiều hòm khuôn, làm khuôn bằng dưỡng gạt, làm khuôn


1.1.4.2. Làm khuôn trên nền xưởng

Hình 1.3. Làm khuôn trên nền xưởng
Phương pháp này dùng rất phổ biến trong sản xuất đơn chiếc đối với vật đúc
trung bình và lớn khi thiếu hòm khuôn có kích thức cần thiết.
Quá trình làm khuôn trên nền xưởng: Trên nền xưởng đào lỗ có chiều sâu lớn
hơn chiều cao của mẫu khoảng 300 ÷ 400mm; đầm chặt đáy lỗ rồi đổ một lớp xỉ
hoặc sỏi dày 150 ÷ 200mm. Để tăng độ thoát khí, đặt hai ống nghiêng dẫn khí ra
ngoài, đổ lớp cát đệm sau đó đổ cát áo và đầm chặt một ít; ấn mẫu xuống để mặt
phân khuôn của mẫu trùng với mặt aa (mặt bằng của nền xưởng). Rắc lớp bột cách
và đặt hòm khuôn lên, cố định vị trí của hòm bằng chốt gỗ sát vào thành hòm, đặt
hệ thống rót và đậu ngót sau đó đổ vật liệu làm khuôn để làm khuôn trên, nhấc hòm
khuôn trên và cắt máng dẫn, rút mẫu ra và lắp khuôn trên vào, đặt cốc rót và cốc
đậu hơi, đặt tải trọng đè và rót kim loại.
1.1.4.3 Làm khuôn bằng dưỡng gạt
Làm khuôn bằng dưỡng gạt là cách làm khuôn không dùng mẫu, chỉ cần một
tấm gỗ để gạt lớp cát khuôn đã giã chặt. Dưỡng chuyển động theo một quỹ đạo nhất
định để tạo hình mặt khuôn.
Phương pháp này thích hợp khi chế tạo các chi tiết tròn xoay và đôi khi dùng chế tạo
các chi tiết đúc có đường kính lớn mà máy tiện cụt không gia công được mẫu.

18


Làm khuôn bằng dưỡng gạt có nhiểu kiểu, tùy theo hướng chuyển động của
dưỡng. Có thể dùng dưỡng tạo hình toàn bộ khuôn đúc cũng có thể dùng dưỡng tạo
hình một phần lỗ khuôn, phần còn lại phải dùng mẫu.

Hình …….


Hình 1.5 Máy dằn ép
Làm khuôn bằng máy là cơ khí hóa toàn bộ quá trình làm khuôn hoặc một số
nguyên công cơ bản như đầm chặt, rút mẫu … Làm khuôn bằng máy khắc phục
được các khuyết điểm của Phương pháp làm khuôn bằng tay nghĩa là nhận được vật
đúc có chất lượng tốt, năng suất cao gấp vài chục lần nhưng chỉ làm khuôn bằng
máy trong những trường hợp sau:
- Chỉ dùng mẫu để làm khuôn không dùng dưỡng gạt được. Thường dùng hòm
khuôn chứ không làm khuôn trên nền xưởng, không làm trong ba hoặc nhiều hòm
khuôn, chỉ dùng một loại vật liệu làm khuôn (không dùng riêng cát áo và cát đệm).
Làm khuôn bằng máy chỉ dùng cho sản xuất hàng loạt hoặc hàng khối.
Làm khuôn bằng máy dằn ép:
Sơ đồ làm khuôn trên máy vừa dằn vừa ép trình bày trên hình 1.6 . Mẫu 2 và
hòm khuôn 3 lắp trên bàn máy 1. Chày ép 9 cùng xà ngang quay khỏi vị trí trên
hòm khuôn. Sau đó đổ đầy hỗn hợp làm khuôn (hoặc thêm hòm khuôn phụ). Khí ép
theo rãnh 4, 5 vào xi lanh 8 và đẩy pittông 6 cùng bàn máy đi lên, khi lỗ khí 7 hở ra,
khí ép thoát ra ngoài, bàn máy lại rơi xuống.
Quá trình này thực hiện giai đoạn dằn như máy dằn. Sau khi dằn xong, quay
chày ép về vị trí trên hòm khuôn, đóng cửa vào rãnh 4, mở rãnh 10, khí ép sẽ nâng

20


pittông 8 cùng toàn bộ pittông 6 và bàn máy đi lên để thực hiện quá trình ép. Sau đó
quay chày ép để tiến hành lấy hòm khuôn ra, làm khuôn khác.
Độ đầm chặt hỗn hợp là khuôn bằng phương pháp này tương đối đều.

Hình 1.6. Sơ đồ Máy vừa dằn vừa ép

QUY TRÌNH LÀM KHUÔN TRÊN MÁY DẰN ÉP

- Lật hòm khuôn trên, lấy mẫu
và các bộ phận mẫu của hệ
thống rót ra khỏi khuôn.
- Sử dụng máy rung tấm mẫu để

4

rút mẫu ra khỏi khuôn.
- Lắp hòm khuôn trên vào vị trí.
Định vị hòm khuôn.
- Rút khuôn
Chuyển hòm khuôn tới vị trí chờ
rót

5

22


1.2. Mẫu đúc và công nghệ chế tạo mẫu
1.2.1. Yêu cầu:
Mẫu đúc là loại dụng cụ chính trong quá trình đúc. Chất lượng của vật đúc
phụ thuộc rất lớn vào vật liệu, thiết kế và kết cấu của mẫu đúc. Giá thành của mẫu
đúc và các thiết bị liên quan ảnh hưởng đến giá thành của vật đúc. Việc sử dụng
mẫu đúc và các thiết bị liên quan ảnh hưởng đến giá thành của vật đúc. Việc sử
dụng mẫu đúc có giá thành cao chỉ thực sự có ý nghĩa khi số lượng vật đúc thực sự
lớn. Khi chỉ cần một vài vật đúc chúng ta có thể sử dụng mẫu đúc làm bằng gỗ nhẹ.
Khi cần sản xuất một lượng lớn vật đúc và cần lặp lại ta có thể dùng mẫu đúc kim
loại hoặc nhựa Epoxy và được lắp trên tấm mẫu để làm khuôn trên máy.
Cần nhiều công việc chuẩn bị trước khi người thợ chế tạo mẫu đúc bắt đầu

- Dễ sửa chữa và có thể sử dụng lại.
- Có khả năng đạt được chất lượng bề mặt tốt.
Các loại vật liệu dùng để chế tạo mẫu đúc có thể phân loại: gỗ và các sản phẩm từ
gỗ, kim loại và các hợp kim, thạch cao, nhựa, cao su và các loại sáp.
1.2.2.1. Gỗ và các sản phẩm từ gỗ
Gỗ là loại vật liệu thông dụng nhất dùng để chế tạo mẫu đúc bởi nó đáp ứng
được nhiều trong số các yêu cầu đã nêu trên. Gỗ dễ gia công, đẽo gọt, ghép nối để
hình thành bất kỹ một hình khối nào, trọng lượng nhẹ dễ tìm, giá rẻ hơn các vật liệu
khác. Tuy nhiên mặt hạn chế của gỗ là nhậy cảm với độ ẩm, tạo nên co giãn, cong
vênh, độ bền thấp và khả năng chịu tác động của thời tiết không cao.
Gỗ chứa 50 - 60 % xenlulô 20 - 35 % linhin. Một lượng nhở hơn của
cacbonhydrat như: Pentosan, nhựa gôm, khoáng chất. Lớp tế bào có độ ngậm nước
cao vì phần tử chủ yếu, xenlulô bao gồm hàng loạt nhóm hydroxit mà ngậm nhiều
nước. Khi gặp hơi nước, lớp tế bào hấp thụ một lượng lớn hơi nước và nở ra. Đặc
tính này của gỗ làm giảm độ cứng chắc của gỗ và gây nên sự không ổn định về kích
thước.
Xử lý gỗ:
Để chống lại sự co giãn quá mức, gỗ cần được xử lý trước khi sử dụng nó.
Xử lý gỗ nhằm làm giảm thiểu sự dao động của độ ẩm bằng cách điều chỉnh hàm

24


lượng hơi nước trong gỗ càng gần tới giới hạn bình thường của môi trường càng tốt.
Chính xác hơn, gỗ được xử lý để làm cho nó:
- Ổn định về kích thước;
- Chắc hơn và nhẹ hơn;
- Chống mục nát;
- Để bảo quản, sơn hoặc đánh bóng.
Xử lý gỗ có thể được thực hiện bằng phương pháp tự nhiên hoặc nhân tạo.