ĐỒ án tốt NGHIỆP THIẾT kế – CHẾ tạo MODULE tạo HÌNH ỐNG CHO máy uốn ỐNG CNC

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài

Hiện nay, ống là sản phẩm thiết yếu trong cuộc sống con người, từ các sản phẩm đơn giản như bàn, ghế, cổng, cửa sổ đến những ứng dụng phức tạp như ống xả xe ô tô, ống nước của động cơ, sắt uốn làm cầu và ống dẫn hóa chất trong công nghiệp Việc sử dụng ống ngày càng phổ biến ở Việt Nam nhờ vào tính linh hoạt về hình dạng và cơ tính Mặc dù nhu cầu thị trường lớn, nhưng phần lớn sản phẩm ống hiện nay có nguồn gốc nước ngoài với giá thành cao.

Ngành công nghiệp nặng của nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất ống cho các ngành công nghiệp Tuy nhiên, phần lớn ống sản xuất trong nước vẫn phụ thuộc vào máy uốn thủ công và bán tự động, dẫn đến khả năng tạo hình hạn chế và năng suất thấp Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo máy uốn ống với khả năng tạo hình linh hoạt và năng suất cao là rất cần thiết, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng ống trong nước và góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp.

Lý do chọn đề tài

Nhận thấy tính cấp thiết và tầm quan trọng của việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy uốn ống, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài "THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MODULE TẠO HÌNH ỐNG" với mục tiêu tạo ra sản phẩm linh hoạt và có năng suất cao Sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Trọng Hiếu đã giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về nhu cầu của thị trường trong nước, từ đó phát triển một giải pháp phù hợp và hiệu quả.

HÌNH ỐNG CHO MÁY UỐN ỐNG CNC” làm đồ án tốt nghiệp của mình

1.3 Mục đích của đồ án:

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo hình ống và các hệ thống truyền động khác nhau nhằm đề xuất phương án thiết kế cho module tạo hình, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, công nghệ và tính kinh tế cao.

Sử dụng công nghệ máy tính tiên tiến kết hợp với động cơ servo cho phép điều khiển quá trình uốn theo ba trục, từ đó nâng cao độ chính xác và khả năng uốn các chi tiết có hình dạng phức tạp.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ sở lý thuyết về máy uốn kim loại

Uốn là quá trình gia công kim loại bằng áp lực, biến phôi hoặc một phần của phôi thành các hình dạng cong đều hoặc gấp khúc, bao gồm dạng phẳng, dây, thanh định hoặc ống.

Phôi thường được uốn ở trạng thái nguội, trong quá trình này, dưới tác động của các chi tiết uốn, phôi sẽ trải qua sự biến dạng dẻo tại từng vùng để tạo ra hình dáng cần thiết.

2.1.2 Lịch sử phát triển của máy uốn ống:

Máy uốn là thiết bị quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo, được sử dụng để uốn phôi liệu thành các sản phẩm hữu ích cho cuộc sống Sản phẩm này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm bớt sức lao động cần thiết trong quá trình chế tạo.

Máy uốn có rất nhiều loại và được dùng phổ biến ở rất nhiều nước trên thế giới trong đó có cả Việt Nam chúng ta

Máy uốn ống có nhiều loại như máy uốn ống bằng thủy lực, máy uốn ống bằng điện, máy uốn ống bằng điện thủy lực…

Máy uốn đã trải qua sự phát triển mạnh mẽ trong vài thập kỷ qua Trước đây, sản phẩm uốn chủ yếu được tạo ra bằng tay, nhưng theo thời gian, công nghệ đã tiến bộ, dẫn đến việc sử dụng máy uốn để giảm sức lao động Hiện nay, quy trình uốn đã phát triển từ bán tự động đến hoàn toàn tự động, bao gồm cả khâu cấp phôi.

2.1.3 Vật liệu làm phôi uốn:

Máy uốn hiện nay được thiết kế đa dạng, phù hợp với nhiều loại phôi uốn khác nhau như thanh rỗng, thanh đặc, thép hộp, thép cán, cũng như ống đặc và ống cán.

Hầu hết các kim loại phổ biến có thể uốn nguội nếu chúng có độ giãn đủ để đạt góc và bán kính mong muốn trước khi vượt quá ngưỡng chịu đựng Các vật liệu dễ tạo hình bao gồm thép cacbon thấp, thép không gỉ, nhôm, đồng thau và đồng Ngoài ra, các thao tác tạo hình đơn giản cũng áp dụng cho magie, titan, hợp kim đồng và niken Đặc biệt, các dụng cụ và kỹ thuật uốn chuyên dụng cho phép uốn các kim loại exotic và vật liệu chịu lửa.

Tại Việt Nam, người tiêu dùng chủ yếu sử dụng ống inox theo tiêu chuẩn ISO, đặc biệt là ống inox mác 3xx Trong đó, ống inox 304 là loại ống phổ biến với giá thành phải chăng, được ưa chuộng trên thị trường.

2.1.4 Các phương pháp uốn phổ biến:

Phương pháp này có ba chi tiết quan trọng chính cần phải có để uốn là khối tạo hình uốn, khuôn kẹp và khuôn ép

Khối tạo hình uốn ống

Hình 2 1: Nguyên lý uốn hình – quay

Trong phương pháp uốn hình – quay, phôi được gắn chặt vào khối tạo hình bằng khuôn kẹp Khi khối tạo hình quay, nó tạo hình ngược lại cho phôi thông qua khuôn ép Để ngăn chặn gãy phôi, có thể sử dụng trục gá bên trong Khuôn ép có thể được cố định hoặc di chuyển cùng phôi để giảm thiểu ma sát trượt.

Quá trình uốn ram sử dụng khuôn gắn trên thanh piston thủy lực, với rãnh trong khuôn được gia công theo đường viền mong muốn của ống và bán kính uốn Các khuôn hỗ trợ được thiết kế để phù hợp với bề mặt bên ngoài của ống, cho phép chúng xoay hoặc quay trên các chân lắp để duy trì sự hỗ trợ bên ngoài trong suốt quá trình uốn Phương pháp này không yêu cầu kẹp, giúp tăng tính hiệu quả và độ chính xác trong quá trình uốn.

Máy uốn ép lực dọc là phiên bản nâng cấp của máy uốn kiểu ram đơn giản, hoạt động nhanh hơn và linh hoạt hơn Phôi ống được đặt trên hai khối đỡ dạng cánh có chiều cao đồng nhất Hai khối tách rời có khả năng quay cùng với ống, và khi hoạt động, chúng sẽ lệch nhau ra dưới áp lực đẩy từ dưới ống, tiếp xúc với búa dập phía trên để tạo ra đoạn uốn.

Khuôn dạng cánh duy trì một mô men uốn không đổi, trong khi lực đẩy từ xi lanh đóng vai trò quan trọng trong việc giảm nếp nhăn khi thực hiện quá trình uốn.

Ngoài ra, còn có thể thiết kế khuốn được gắn trên piston nhỏ lại sẽ làm giảm được nếp nhăn khi uốn ở đoạn uốn bị nén lại

Hình 2 3: Nguyên lý cơ bản của uốn ép dọc

Uốn cuộn là phương pháp uốn đơn giản, cho phép tạo ra nhiều bán kính uốn đồng thời trên mặt phẳng thông thường Nguyên lý của ống uốn cuộn được thể hiện qua hình vẽ, trong đó ba con quay có cùng đường kính được sử dụng Các con quay này được sắp xếp theo hình chóp trong các mặt phẳng thẳng đứng hoặc nằm ngang.

Việc uốn cong trên máy uốn cuộn yêu cầu người vận hành phải có kỹ năng chuyên môn cao, bao gồm hiểu biết về các bộ phận của máy và khả năng giải quyết vấn đề để tạo ra sản phẩm đạt yêu cầu Người mới có thể bắt đầu với máy đơn giản và vật liệu đồng có bán kính lớn, nhưng trong trường hợp gặp khó khăn, cần có một nhà điều hành dày dạn kinh nghiệm để xử lý các vấn đề phát sinh một cách hiệu quả.

Tất cả các uốn cuộn sử dụng cùng một nguyên tắc cơ bản giống nhau áp dụng lực giữa ba con quay

6 ống Con lăn tạo hình

Hình 2 4: Nguyên lý uốn cuộn

Uốn vuốt trục đơn là phương pháp hiệu quả để tạo hình các kim loại như hợp kim niken và coban chịu nhiệt, cùng với các hợp kim tiên tiến như molypden, tantalum, columbium, vonfram và beryllium, mà khó có thể định hình bằng các phương pháp thông thường Phương pháp này cũng được ứng dụng để chế tạo các vật liệu mỏng như titan và René 41, vốn rất khó hình thành bằng bất kỳ quy trình nào khác.

Hình 2 5: Nguyên lý uốn vuốt

2.1.5 Những dữ kiện cần lưu ý khi thiết lập phép uốn:

• Bán kính đường tâm ống sau uốn:

Bán kính đường tâm là bán kính của đường tròn tâm đi qua góc uốn, đồng thời là bội số của đường kính ngoài của ống Bán kính này có thể được lựa chọn dưới dạng 3D hoặc 2D.

Tổng quan về các thiết bị uốn trên thị trường

2.2.1 Thiết bị uốn bằng tay:

Thiết bị uốn bằng tay là phương pháp uốn phổ biến hiện nay, sử dụng kỹ thuật uốn hình – quay, chủ yếu dựa vào sức người để uốn cong các ống kim loại có kích thước nhỏ Mặc dù phương pháp này tiết kiệm chi phí và phù hợp với nhiều người, nhưng tốc độ sản xuất, chất lượng và tính tự động vẫn còn hạn chế.

- Đây là phương pháp uốn linh hoạt và dễ uốn nhất

- Dễ vận hành, có thể cầm tay

- Có thể tạo các uốn cong lên đến 180°

- Kiểm soát chặt chẽ việc định hình vật liệu vì hình dạng uốn của nó uốn bám sát khối tạo hình uốn

- Có thể uốn được những bán kính nhỏ

- Đối với phương pháp uốn hình – quay bằng con lăn thì không thể uốn được ống với những bán kính nhỏ

- Không uốn được những hình dạng phức tạp

- Không thể tự động hóa

2.2.2 Máy uốn bán tự động:

Các lỗ để điều chỉnh bán kính uốn

Pít tông thủy lực Ống

Hình 2 8: Máy uốn ống bằng thủy lực

Máy uốn ống bằng thủy lực là thiết bị bán tự động, sử dụng nguyên lý nén để uốn ống, hoạt động bằng động cơ điện hoặc thủy lực Đây là một trong những phương pháp uốn ống lâu đời và đơn giản nhất Tuy nhiên, máy chỉ phù hợp để uốn ống có bề dày lớn, không thể uốn ống có dung sai nhỏ và không nên sử dụng cho ống làm bằng vật liệu thép không gỉ.

Con lăn giữ ống và lực từ pít tông thủy lực tác động vào tâm phôi giúp uốn ống thành đường cong Chúng ta có thể điều chỉnh các con lăn tại các lỗ có sẵn để đạt được bán kính uốn mong muốn.

Hình 2 9: Máy uốn ống bán tự động sử dụng 3 con lăn

Máy uốn cuộn 3 trục là thiết bị quan trọng trong ngành cơ khí và xây dựng, chuyên dùng để uốn các loại vật liệu như sắt, thép, đồng, nhôm, inox và các ống với kích thước đa dạng Thiết bị này thường được sử dụng để uốn ống có kích thước lớn, đáp ứng nhu cầu sản xuất và thi công khác nhau.

Uốn cuộn sử dụng ba con quay tạo hình có cùng đường kính, được sắp xếp theo hình chóp trong các mặt phẳng thẳng đứng hoặc nằm ngang Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là giữ ống giữa hai con lăn, với hai con lăn ở phía dưới và một con lăn ở phía trên Con lăn trên được điều chỉnh theo vị trí thẳng đứng, giúp tạo ra ống cong với bán kính mong muốn Ưu điểm của phương pháp này là tính chính xác và khả năng điều chỉnh linh hoạt.

- Phù hợp để uốn các loại ống có kích thước lớn

- Không phụ thuộc hết vào con người như phương pháp uốn thủ công

- Yêu cầu người sử dụng phải có chuyên môn

- Hình dạng của sản phẩm sau khi uốn còn hạn chế

- Chưa tự động hóa toàn toàn trong quá trình uốn

Hình 2 10: Máy uốn ống CNC

Hình 2 11: Máy uốn ống 3D CNC của hãng Nissin

Máy uốn ống CNC được thiết kế để giải quyết các vấn đề liên quan đến biên dạng phức tạp, cho phép sản xuất ống với độ chính xác cao và khả năng tự động hóa tối ưu Nhờ vào công nghệ máy tính hiện đại kết hợp với hệ thống cơ khí, máy uốn CNC kiểm soát quá trình uốn một cách chính xác, có khả năng uốn các hình dạng phức tạp mà không cần sự can thiệp của con người.

Nhược điểm là chi phí sản xuất cao, yêu cầu người vận hành phải có chuyên môn

THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MODULE TẠO HÌNH ỐNG

Ý tưởng thiết kế ban đầu

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế module tạo hình cho ống theo hệ tọa độ Descartes, dựa trên yêu cầu của đề bài Chúng tôi đã tham khảo các cơ cấu dẫn động phổ biến để áp dụng vào module và nghiên cứu nguyên lý uốn của các loại máy uốn trên thị trường Từ đó, nhóm đã đưa ra phương án thiết kế và tính toán cho mô hình bài toán.

3.2.1 Tham thảo cơ cấu dẫn động được sử dụng phổ biến hiện nay:

• Tham khảo hệ thống dẫn động của máy CNC:

Công nghệ CNC được ứng dụng phổ biến với nhiều mẫu mã và loại máy khác nhau, do đó mỗi loại máy có cấu tạo riêng biệt Tuy nhiên, nhìn chung, tất cả các loại máy CNC đều có những đặc điểm cấu tạo chung.

- Vít me – đai ốc bi:

Trục vít me – đai ốc bi là thiết bị truyền động cơ học tuyến tính, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến với độ chính xác cao và lực ma sát thấp Thiết bị này được ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trên các loại máy CNC.

Động cơ là linh kiện thiết yếu trong máy CNC, đảm nhiệm việc truyền động để thực hiện các hoạt động như chuyển động lên xuống và tịnh tiến Trong máy CNC, hai loại động cơ chính thường được sử dụng là động cơ servo và động cơ bước.

Ray trượt là linh kiện quan trọng trong hệ thống dẫn hướng, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và ray Với khả năng hoạt động chính xác và chịu tải tốt, ray trượt giúp máy móc di chuyển theo hướng một cách chính xác và hiệu quả.

Bộ điều khiển là trung tâm điều hành của máy CNC, quyết định khả năng tự động và sự hoạt động trơn tru của thiết bị.

• Tham khảo hệ thống dẫn động khác:

Bàn trượt vít me TLM150-S là một thiết bị có khả năng chịu tải lớn và hoạt động với độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ nhanh và tính tùy biến linh hoạt Hệ thống này bao gồm nhiều linh kiện cơ khí, như đã được trình bày trong hình 3.2.

Cụm dẫn động này thường được sử dụng trong các cơ cấu chấp hành của máy móc và hệ thống tự động hóa, với động cơ điện và bộ truyền vít me bi, giúp đáp ứng nhu cầu chuyển động tịnh tiến một cách chính xác.

3.2.2 Tham khảo nguyên lý uốn:

Đầu uốn của máy uốn hoạt động dựa trên nguyên lý của phương pháp uốn linh hoạt (Freeform bending process), kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn để tạo ra hình dạng chính xác.

15 cho máy uốn 3D CNC của hãng Nissin đã được nhắc đến ở phần cơ sở lý thuyết

Nguyên lý uốn của máy được mô tả trong Hình 2.3, trong đó ống được đẩy với vận tốc qua các cơ cấu giữ ống Trong quá trình này, gối đỡ tại đầu tạo hình di chuyển theo trục Oxy, dẫn đến việc đầu uốn quay tự lựa Đầu tạo hình được giữ cố định trong suốt quá trình uốn và có khả năng điều chỉnh góc uốn Độ lệch tâm U giữa tâm đầu uốn và bạc dẫn hướng quyết định bán kính uốn của ống; cụ thể, độ lệch tâm U nhỏ sẽ tạo ra bán kính uốn lớn, trong khi độ lệch tâm U lớn sẽ làm giảm bán kính uốn của ống.

3.2.3 Kết luận, lên phương án thiết kế cho module tạo hình ống:

Bài viết tham khảo cơ cấu dẫn động ba trục theo hệ tọa độ Descartes, kết hợp với hệ thống dẫn động bàn trượt vít me và ray trượt dẫn hướng Đồng thời, phương pháp uốn linh hoạt cũng được trình bày để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

Nhóm đã đề xuất thiết kế một module tạo hình ống với ba trục tọa độ X, Y và Z1, cho phép điều khiển độc lập từng trục Phương pháp này sử dụng kỹ thuật uốn linh hoạt để tạo hình ống một cách chính xác và hiệu quả.

Thiết kế, chọn phương án thiết cho trục Z1

Hình 3 4: Sơ bộ hành trình di chuyển Z1

Trục Z1 có nhiệm vụ đỡ các cơ cấu liên kết với bạc tạo hình theo phương

X và Y (như hình vẽ), đồng thời có vai trò tăng khoảng cách giữa 2 bạc cố định và bạc di động với hành trình ≤ 10mm

Việc áp dụng nguyên lý uốn theo nguyên lý 2 bạc lệch tâm giúp tạo ra bán kính uốn cho ống Do đó, việc tăng khoảng cách giữa hai bạc tạo hình cùng với độ lệch tâm là rất quan trọng để đạt được hiệu quả uốn mong muốn.

2 bạc giúp đạt được bán kính uốn lớn hơn

Thiết kế cơ cấu dẫn động ép ống chuyển động dọc tâm là yếu tố then chốt trong việc đảm bảo độ cứng vững, với bàn trượt Z1 đóng vai trò như tấm đế kết nối các chi tiết của hai trục dẫn động X và Y Việc lắp đặt cần phải chú ý đến độ phẳng của bề mặt trục Z1, vì điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ phẳng và độ vuông góc của hai trục X và Y, từ đó giúp máy hoạt động chính xác và giảm thiểu sai số không mong muốn.

Vít me θ25 Con trượt Đai ốc

Hình 3 5: Phương án thiết kế 1 của trục Z1 Ưu điểm:

- Đạt được độ chính xác cao khi sử dụng cơ cấu truyền động bằng vít me và đai ốc bi

- Dễ lắp đặt, bố trí các chi tiết

- Khó tinh chỉnh cho các ray trượt và vít me song song khi lắp đặt để đảm bảo độ phẳng của bàn trượt Z1

- Do ray trượt cố định thông qua 2 tấm cố định làm cho cơ cấu không chắc chắn dễ bị cong vênh do sức nặng của cụm X và Y

Tấm cố định hộp giảm tốc

Khung cố định hộp giảm tốc Động cơ servo

Vít me θ25 Con trượt vuông Đai ốc + áo vít me

Hình 3 6: Phương án thiết kế 2 của trục Z1 Ưu điểm:

Độ cứng vững cao của hệ thống được đảm bảo nhờ vào việc các chi tiết tiêu chuẩn như gối đỡ và ray trượt được cố định trên bề mặt phẳng, giúp lực được phân tán đều trên tấm đỡ, từ đó giảm thiểu sự biến dạng.

- Độ chính xác, tỷ số truyền, độ cứng vững hướng trục cao khi sử dụng cơ cấu truyền động bằng vít me và đai ốc bi

- Trọng tác dụng lên bàn trượt Z1 được phân tán đều hơn khi được cố định trên mặt phẳng, tăng tuổi thọ cho các chi tiết tiêu chuẩn

- Bề rộng tấm đỡ tương đối lớn chiếm nhiều diện tích tăng chi phí cho việc chế tạo khung máy

Khi so sánh hai phương án thiết kế cho trục Z1, cả hai đều có khả năng cố định ray trượt và vít me đai ốc, chuyển đổi chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động tịnh tiến cho trục Z1 Tuy nhiên, phương án 2 mang lại sự cứng vững hơn cho hệ thống liên kết với các chi tiết tiêu chuẩn Hơn nữa, quá trình lắp đặt và tinh chỉnh các chi tiết như gối đỡ, ray trượt, và con trượt trong phương án 2 cũng dễ dàng hơn, nhờ vào việc các chi tiết được lắp trên mặt phẳng, giúp căn chỉnh độ song song giữa ray trượt và vít me thuận lợi hơn so với phương án 1.

 Dựa theo những phân tích được trình bày ở trên nên nhóm em quyết định chọn phương án 2 làm phương án chế tạo và lắp ráp chính

3.4 Thiết kế, chọn phương án thiết kế cho trục X và trục Y:

Hình 3 7: Sơ bộ hành trình di chuyển của trục X và trục Y

Trục X, Y có nhiệm vụ quan trọng tạo chuyển động tịnh tiến theo phương

Cấu trúc đồng thời của trục X và Y liên kết với bạc tạo hình và bạc cố định theo nguyên lý uốn ống lệch tâm cho phép tạo ra bán kính uốn cho ống, với hành trình tối đa ≤ 50mm ở cả hai trục.

Việc kết hợp hai trục X và Y giúp tạo ra nhiều bán kính uốn với hình dạng từ đơn giản đến phức tạp Cơ cấu chuyển động theo phương X và Y đóng vai trò quan trọng trong việc tạo bán kính uốn cho ống, do đó cần đảm bảo độ cứng vững cho cơ cấu Điều này là cần thiết vì ngoài trọng lực tác động lên cơ cấu, còn có các phản lực do ống tạo ra trong quá trình uốn.

❖ Thiết kế, chọn phương án thiết kế đối với trục X:

Tấm cố định Đai ốc Bàn trượt X

Trục vít me Khung đỡ trục

Hình 3 8: Phương án thiết kế 1 của trục X Ưu điểm:

- Đạt được độ chính xác, tỷ số truyền cao khi sử dụng cơ cấu truyền động bằng vít me và đai ốc bi

- Dễ bố trí lặp đặt các chi tiết

- Dễ chế tạo do phần lớn chi tiết dạng tấm

Việc điều chỉnh các ray trượt và vít me song song gặp nhiều khó khăn khi xảy ra sai lệch, ảnh hưởng đến độ phẳng của bàn trượt và độ vuông góc so với mặt bàn trượt Z1.

Ray trượt cố định giữa hai tấm cố định có thể làm cho cơ cấu trở nên không chắc chắn, dễ bị cong vênh dưới tác động của trọng lực từ cụm Y và phản lực khi uốn ống.

Tấm gia cố Ray trượt

Con trượt Trục vít me

Khung đỡ trục Vít me bi và XY áo vít me

Hình 3 9: Phương án thiết kế 2 của trục X Ưu điểm:

- Độ cứng vững cao do các chi tiết tiêu chuẩn như gối đỡ, ray trượt được cố định trên bề mặt phẳng

- Do có các chi tiết tăng bền giúp tăng độ cứng vững cho cơ cấu

- Tốn nhiều chi phi do nhiều chi tiết phụ trợ

- Cần độ chính xác cao trong quá trình lắp đặt các chi tiết tiêu chuẩn như ray trượt, gối đỡ,…

So sánh và lựa chọn phương án thiết kế chính cho trục X cho thấy cả hai phương án đều có khả năng cố định ray trượt và vít me đai ốc, đồng thời truyền động hiệu quả từ chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động cần thiết.

Phương án 2 cung cấp hệ thống liên kết cứng vững hơn so với phương án 1 nhờ vào 20 động tịnh tiến Quá trình lắp đặt và tinh chỉnh các chi tiết tiêu chuẩn như gối đỡ, ray trượt và con trượt trong phương án 2 dễ dàng hơn, nhưng vẫn yêu cầu độ chính xác cao Việc lắp các chi tiết trên mặt phẳng giúp căn chỉnh độ song song giữa ray trượt và vít me trở nên thuận lợi hơn so với phương án 1.

Ở phương án 2, việc đảm bảo độ song song nghiêm ngặt với các chi tiết tiêu chuẩn như vít me và ray trượt là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp duy trì sự dẫn hướng ổn định mà còn tăng cường tuổi thọ của các chi tiết tiêu chuẩn.

 Dựa theo những phân tích được trình bày ở trên nên nhóm em quyết định chọn phương án 2 làm phương án chế tạo và lắp ráp chính

❖ Thiết kế, chọn phương án thiết kế đối với trục Y:

Gối đỡ Trục vít me

Tấm cố định Tấm tạo hình Đai ốc

Hình 3 10: Phương án thiết 1 của trục Y Ưu điểm:

Sử dụng cơ cấu truyền động bằng vít me và đai ốc bi giúp đạt được độ chính xác cao và tỷ số truyền lớn, đồng thời khe hở giữa đai ốc và vít me được tối ưu hóa để không làm giảm hiệu suất truyền động.

- Dễ bố trí lắp đặt các chi tiết

- Dễ chế tạo do phần lớn chi tiết là dạng tấm

Khi lắp đặt ray trượt và vít me song song, việc tinh chỉnh trở nên khó khăn nếu xảy ra sai lệch, điều này ảnh hưởng đến độ phẳng của bàn trượt và độ vuông góc cần thiết.

- Do ray trượt cố định thông qua 2 tấm cố định làm cho cơ cấu không chắc chắn dễ bị cong vênh do phản lực khi uốn ống

- Tấm tạo hình tương đối dài làm giảm độ cứng vững của kết cấu

Bạc tạo hình Tấm cố định

Tấm tạo hình Đai ốc và áo đai ốc

Hình 3 11: Phương án thiết kế 2 của trục Y Ưu điểm:

- Độ cứng vững cao do các chi tiết tiêu chuẩn như gối đỡ, ray trượt được cố định trên bề mặt phẳng

- Do có các chi tiết tăng bền giúp tăng độ cứng vững cho cơ cấu

- Tốn nhiều chi phi do nhiều chi tiết phụ trợ

- Cần độ chính xác cao trong quá trình lắp đặt các chi tiết tiêu chuẩn như ray trượt, gối đỡ,…

- Cần độ đồng tâm của bạc tạo hình với bạc cố định để đạt được độ chính xác cao khi uốn

Khi so sánh và lựa chọn phương án thiết kế chính cho trục Y, cả hai phương án đều đảm bảo cố định ray trượt và vít me đai ốc, đồng thời truyền động với hiệu suất cao Tuy nhiên, phương án

Quá trình lắp đặt và tinh chỉnh các chi tiết tiêu chuẩn như gối đỡ, ray trượt, và con trượt thường dễ dàng hơn so với phương án 1.

Thiết kế, chọn phương án thiết kế đối với bộ phận cố định ống

Phần cố định ống là một bộ phận thiết yếu trong module tạo hình ống, có chức năng kết nối với bạc tạo hình để thực hiện quá trình uốn ống lệch tâm Đặc biệt, yêu cầu kỹ thuật đặt ra là khoảng cách từ tâm ống đến mặt đất phải lớn hơn 1500 mm.

Thiết kế của bộ phận trong module tạo hình ống cần đảm bảo độ cứng vững tuyệt đối để ngăn chặn rung lắc và di chuyển trong suốt quá trình tạo hình ống.

Chi tiết cố định ống

Hình 3 12: Phương án thiết kế 1 của bộ phận cố định ống Ưu điểm:

- Thiết kế đơn giản, dễ dàng chế tạo

- Dễ dàng lắp đặt, bố trí cho chi tiết

- Chi tiết quá dài, dẫn đến kết cấu yếu

- Khó thay thế khi bị hư hỏng

(chi tiết cố định ống)

Hình 3 13: Phương án thiết kế 2 của bộ phận cố định ống Ưu điểm:

- Tấm đỡ tạo hình có độ cứng vững cao do được nhiều chi tiết gia cố cho tấm

- Bạc tạo hình là chi tiết cố định cho ống, dễ dàng tháo lắp và thay đổi chi tiết khác khi bị hư hỏng

- Các chi được thiết kế để dễ dàng chế tạo

- Vì là chi tiết lớn nhất của module tạo hình nên quá trình di chuyển tấm đỡ tạo hình còn gặp khó khăn

- Cần độ chính xác cao trong quá trình lắp đặt

- Cần độ đồng tâm của bạc tạo hình với bạc cố định để đạt được độ chính xác cao khi uốn

• So sánh, chọn phương án thiết kế chính cho bộ phận cố định ống:

Cả hai phương án đều đáp ứng yêu cầu khoảng cách từ tâm ống đến mặt đất lớn hơn 1500 mm Tuy nhiên, phương án đầu tiên có thiết kế cố định ống đơn giản hơn và dễ dàng chế tạo, lắp ráp hơn so với phương án thứ hai Mặc dù vậy, thiết kế đơn giản của phương án 1 có thể gây bất tiện trong việc căn chỉnh độ đồng tâm của bạc tạo hình khi chi tiết bị hỏng sau thời gian dài sử dụng, đồng thời không đạt được độ cứng vững cao như phương án 2.

 Dựa theo những phân tích được trình bày ở trên nên nhóm em quyết định chọn phương án 2 làm phương án chế tạo và lắp ráp chính.

Thiết kế khung máy cho module tạo hình ống

Hình 3 14: Khung máy module tạo hình ống

Khung máy module tạo hình ống được thiết kế để hỗ trợ các trục dẫn động X, Y và Z1, đảm bảo khoảng cách từ tâm ống đến mặt đặt lớn hơn 1500 mm Khung máy được hoàn thiện từ thép hộp đen 80x80x50, được hàn chắc chắn để đảm bảo độ bền và ổn định cho quá trình vận hành.

Tính toán chiều dài thép hộp của module tạo hình ống:

Vậy tổng chiều dài thép hộp 80x80x5 là:

Tính toán hệ thống truyền động cho module tạo hình ống

• Phân tích chọn bộ truyền:

Hiện nay, việc truyền chuyển động qua các hệ thống truyền động đang được ứng dụng phổ biến trong máy móc, thiết bị, dây chuyền và chu trình sản xuất ở hầu hết các lĩnh vực.

Có ba loại bộ truyền chính là:

- Bộ truyền động cơ khí

- Bộ truyền động khí nén, thủy lực

Truyền cơ khí là hệ thống truyền động giúp chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ điện qua các bộ phận trung gian đến các bộ phận làm việc của máy móc và thiết bị.

Dựa trên nguyên lý làm việc, hệ thống truyền động cơ khí được chia làm hai nhóm chính là:

- Truyền động bằng ma sát: truyền động đai, truyền động bánh ma sát, truyền động xích,…

- Truyền động ăn khớp: truyền động bánh răng thẳng, nghiêng, truyền động trục vít – bánh vít, truyền động vít me – đai ốc,…

Hình 3 15: Một số bộ truyền phổ biến

Truyền động khí nén thủy lực là hệ thống sử dụng lực từ khí hoặc chất lỏng nén để tạo ra chuyển động thông qua các cơ cấu trung gian Hai loại truyền động phổ biến hiện nay là truyền động cơ khí và truyền động khí nén thủy lực, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Việc hiểu rõ về các hệ thống này là cần thiết để áp dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Bảng 3 1: So sánh ưu nhược điểm của hai hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động vít me – đai ốc bi

Hệ thống truyền động khí nén thủy lực Ưu điểm

- Tổn thất do ma sát ít nên có hiệu suất cao khoảng 90%

- Đảm bảo truyền chuyển động chính xác, ổn định

- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao

- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, ít độ rơ

- Truyền động được công suất cao và áp lực lớn

- Dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hay chương trình có sẵn

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau

- Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng

27 ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh

- Dễ dàng phòng quá tải nhờ van an toàn

- Khó chế tạo do yêu cầu về độ chính xác, độ bóng bề mặt và bước vít tương đối cao

- Khả năng chịu tải không cao

- Sử dụng lâu dài ren dễ bị mòn làm giảm hiệu suất làm việc và độ chính xác

- Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ dầu bên trong máy, làm giảm hiệu suất

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn dầu

- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi

- Giá thành chế tạo, bảo dưỡng tương đối cao

Hệ thống truyền động bằng vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các máy CNC nhờ vào những ưu điểm nổi bật của nó, mặc dù cũng tồn tại một số nhược điểm.

NC có độ chính xác cao trong việc chuyển đổi chuyển động quay của vít me đai ốc thành chuyển động tịnh tiến Nhờ vào việc giảm ma sát từ ma sát trượt sang ma sát lăn với sự hỗ trợ của các viên bi trong đai ốc, hệ thống này đảm bảo hiệu suất và độ chính xác tương đối cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của máy móc công nghiệp và máy công cụ.

Hình 3 16: Trục vít me – đai ốc bi

• Tính toán, chọn vít me:

❖ Tính toán vít me – đai ốc bi đối với trục X:

- Lực dọc trục tác dụng lên trục vít me: Fa = 5000 N

- Ta có thể tính toán được khối lượng của bàn máy bằng công thức: m = D*V Trong đó: m: là khối lượng của bàn máy (kg)

D: khối lượng riêng của thép C45 (7850 kg/m 3 )

V: thể tích cụm đầu tạo hình của trục X

V = (thể tích gia cố hộp giảm tốc) + (thể tích bàn trượt X) + (thể tích tấm tạo hình) + (thể tích bạc tạo hình) = 0.0005 + 0.001 + 0.002 + 0.0002 ≈ 0.004 m 3 m = D*V = 7850*0.004 = 31.4 kg

Vậy ta có khối lượng của bàn trượt X, tấm tạo hình, bạc tạo hình, gia cố hộp giảm tốc và các chi tiết phụ khác là m = 50 kg

- Trọng lượng tác dụng lên trục vít me: W = 500 N

- Vận tốc lớn nhất khi không có lực tác động : V1 = 600 mm/ph

- Vận tốc lớn nhất khi có lực tác dộng: V2 = 450 mm/ph

- Thời gian hoạt động: Lt = 14600 h (hoạt động 5 năm, một ngày hoạt động

- Tốc độ vòng của động cơ: 3000 vòng/phút

- Chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền: 1:20

- Số vòng quay lớn nhất: Nmax = 120 vòng/phút (với hiệu suất truyền động 80%)

- Hệ số ma sát bề mặt vít me: 𝜇 = 0,1

- Chiều dài trục vít me: L = 457 mm

 Chọn bước vít me p = 5 mm

- Lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên bộ truyền khi có lực tác động (khi uốn ống) là:

- Lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên bộ truyền khi không có lực tác động (khi không uốn ống):

Lực dọc trục trung bình:

F1max, F2max: lực dọc trục lớn nhất khi uốn ống và không uốn ống

N1max, N2max: tốc độ quay lớn nhất của trục khi uốn ống và không uốn ống T1, T2: thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Bảng 3 2: Lực dọc trục và thời gian hoạt động

Lực dọc trục (N) Tốc độ quay (vòng/phút) Phần trăm thời gian (%)

Số vòng quay trung bình:

Co: tải trọng tĩnh cơ bản fs: hệ số an toàn, với máy công nghiệp nói chung, điều kiện làm việc va đập nhẹ: fs = 1 – 1,5 (chọn fs = 1,5)

Famax: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vít me, Famax= 566 kgf

Nm: tốc độ quay trung bình của trục vít me, Nm = 114 vg/ph

Lt: tuổi thọ yêu cầu, Lt = 14600 h

Fm: lực dọc trục trung bình, Fm = 534 kgf fw: hệ số tải trọng, với tải trọng va đập nhẹ và trung bình fw = 1 – 1,5, chọn fw = 1

Khi chọn vít me và đai ốc bi, cần tính toán tải trọng tĩnh và động một cách chính xác Sau đó, dựa vào bước vít me sơ bộ, bạn có thể lựa chọn vít me và đai ốc từ Catalog TBI Ball Screw với mã vít me đai ốc bi là SFU02505 – 4 (DIN).

Hình 3 17: Kích thước vít me – đai ốc bi của trục X

Bảng 3 3: Thông số kĩ thuật vít me – đai ốc bi của trục X d l Da

Kiểm nghiệm trục vít me:

.10 6 1 60.114 = 24749 (giờ) ≥ 14600 (giờ) (Catalog TBI Ball Screw 1-9-5)

Với: fw: hệ số tải trọng, với tải trọng va đập nhẹ và trung bình fw = 1 – 1,5, chọn fw = 1

Số vòng quay tới hạn: n = f.dr

457 2 10 7 = 26215 vg/ph < 70000 vg/ph (Catalog TBI Ball Screw 1-4-3)

Hệ số f phụ thuộc vào cách lắp đặt ổ trục cho hai đầu vít me, với giá trị f = 21,9 do hai đầu trục vít me cố định Đường kính trục vít me được xác định là dr = 25 mm.

L: chiều dài trục vít me bi, L = 457 mm

Tải trọng giới hạn tác dụng lên trục vít me:

457 2 10 3 = 3872 kgf > F max = 566 kgf (Catalog TBI Ball Screw 1-4-2)

Trong đó: m là hệ số phụ thuộc vào cách lắp 2 đầu trục vít me Do 2 đầu trục vít me là kiều lắp cố đinh suy ra: m = 20,3

 Trục vít me đảm bảo an toàn

❖ Tính toán vít me – đai ốc bi đối với trục Y:

- Ta có thể tính toán được khối lượng của bàn máy bằng công thức:

32 m = D*V Trong đó: m: là khối lượng của bàn máy (kg)

V = (thể tích tấm tạo hình) + (thể tích bạc tạo hình) = 0.002 + 0.0002 ≈ 0.0022 m 3 m = D*V = 7850*0.0022 = 17.27 kg

Khi chọn vít me và đai ốc bi, cần tính toán tải trọng tĩnh và động cũng như bước vít me sơ bộ Dựa trên những yếu tố này, chúng ta có thể lựa chọn vít me và đai ốc theo Catalog TBI Ball Screw, mã vít me đai ốc bi là SFU02505 – 4 (DIN).

Hình 3 18: Kích thước vít me – đai ốc bi trục Y Bảng 3 5: Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi của trục Y d l Da

Số vòng quay tới hạn:

Hệ số phụ thuộc vào cách lắp đặt ổ trục cho hai đầu vít me được xác định là f = 21,9, do hai đầu trục vít me là cố định Đường kính trục vít me được ghi nhận là dr = 25 mm.

 Trục vít me đảm bảo an toàn

❖ Tính toán vít me – đai ốc bi đối với trục Z1:

- Ta có thể tính toán được khối lượng của bàn máy bằng công thức: m = D*V Trong đó: m: là khối lượng của bàn máy (kg)

V = (tổng thể tích cơ cấu tạo hình theo trục X) + (tổng thể tích cơ cấu tạo hình theo trục Y) + (thể tích bàn trượt trục Z1) = 0.007 + 0.004 + 0.003 = 0.014 m 3 m = D*V = 7850*0.014 = 109.9 kg

Khi chọn vít me và đai ốc bi, cần tính toán tải trọng tĩnh và động để đảm bảo hiệu suất Bước vít me sơ bộ được xác định và sau đó lựa chọn vít me – đai ốc dựa trên Catalog TBI Ball Screw với mã sản phẩm SFU02505 – 4 (DIN).

Hình 3 19: Kích thước vít me – đai ốc bi của trục Z1 Bảng 3 7: Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi của trục Z1 d l Da

Số vòng quay tới hạn: n = f.dr

Hệ số phụ thuộc vào cách lắp đặt ổ trục cho hai đầu vít me được xác định là f = 21,9, do hai đầu trục vít me là cố định Đường kính trục vít me được tính là dr = 25 mm.

 Trục vít me đảm bảo an toàn.

Tính toán, chọn động cơ

Động cơ servo và động cơ bước là hai loại động cơ quan trọng trong các máy CNC tự động hóa cao, bao gồm máy chạm gỗ, máy khắc gỗ, máy CNC plasma và máy phay CNC Việc phân tích và chọn lựa động cơ phù hợp là yếu tố quyết định hiệu suất và độ chính xác của máy móc trong quá trình hoạt động.

Bảng 3 8: So sánh ưu nhược điểm của hai loại động cơ Động cơ servo Động cơ bước Ưu điểm

- Tốc độ xử lý với độ chính xác cao gần như tuyệt đối

- Mạch điều khiển đều, nhanh

- khả năng làm việc êm

- Có thể hoạt động ở tốc độ cao

Khi sử dụng động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ cung cấp dòng điện tăng cường cho cuộn dây của động cơ, giúp duy trì sự quay liên tục và ngăn chặn hiện tượng trượt bước giống như ở động cơ bước.

- Có khả năng cung cấp moment xoắn lớn ở vận tốc trung bình và thấp

- Có thể điều chỉnh chính xác góc quay

- Có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ

- Dễ dàng lắp đặt, thay thế

- Động cơ servo có giá thành cao hơn

- Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc

- Làm việc không đều ở tốc độ thấp

- Có hiện tượng bị trượt bước khi quá tải

- Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động

- Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo

Dựa vào những ưu điểm và nhược điểm đã được nêu, động cơ servo được lựa chọn do hiệu suất cao, khả năng điều khiển chính xác vị trí và tốc độ, cùng với khả năng vận hành mạnh mẽ và ổn định trong thời gian dài.

• Tính toán, chọn động cơ servo:

❖ Các thông số đầu vào:

Lực dọc trục tác dụng lên trục vít me: Fa = 5000 N

Ta có thể tính toán được khối lượng của bàn máy bằng công thức: m D*V

Trong đó: m: là khối lượng của bàn máy (kg)

V: thể tích cụm đầu tạo hình

Do khối lượng 3 trục tạo hình là khác nhau vì vậy ta tính toán chọn động cơ theo trục có khối lượng lớn nhất

V = (tổng thể tích cơ cấu tạo hình theo trục X) + (tổng thể tích cơ cấu tạo hình theo trục Y) + (thể tích bàn trượt trục Z1) = 0.007 + 0.004 + 0.003 = 0.014 m 3 m = D.V = 7850*0.014 = 109.9 kg

Khối lượng cụm tạo hình và các chi tiết phụ khác là m = 130 kg

Vậy trọng lượng cụm tạo hình: M = 1300N

Bước vít me: p = 5 mm Đường kính trục vít me: D = 25 mm

Khối lượng trục vít me: Ma = 5 kg

Hệ số ma sát giữa bi và vít me: μ = 0.1.

Hộp giảm tốc với tỷ số truyền: 1:20

Vận tốc trục vít me: V = 450 mm/s

❖ Moment quán tính sơ bộ:

Moment quán tính của trục vít me:

Ma : khối lượng trục vít me, Ma = 5 kg

D: đường kính trục vít me, D = 25 mm

M: trọng lượng cụm tạo hình, M = 130 kg p: bước vít me, p = 5mm

Moment chuyển đổi trục động cơ:

Moment xoắn với tác dụng của lực dọc trục:

F: ngoại lực tác động, F = 5000 N p: bước vít, p = 5 mm

Moment xoắn với tác dụng của lực ma sát:

2π 5.10 −3 = 0,1 N m Với: μ: hệ số ma sát trượt giữa bi và vít me, μ = 0.1

M: khối lượng cụm tạo hình, M = 130 kg g: gia tốc trọng trường, g = 9.8 m/s 2

Moment xoắn chuyển trục động cơ:

20.0,8(3,98 + 0,1) = 0,255 N m Với: i: tỉ số truyền, i = 1/20 η: hiệu suất truyền động của trục vít me, η = 0.85

❖ Tốc độ quay sơ bộ:

Tốc độ quay trục động cơ:

Dựa vào moment quán tính, moment xoắn và tốc độ quay của motor ta chọn động cơ servo motor ECMA-C20604RS delta có thông số như sau:

Số vòng quay: N = 1800 vòng/phút < 3000 vòng/phút

Moment quán tính định mức: J L = 1,18*10 -5 kg.m 2 < J M = 0.227*10 -4 kg.m 2

Chọn động cơ servo motor ECMA-C20604RS delta đối với cả ba trục của đầu tạo hình là trục X, Y và trục Z1

Gồm các thông số cơ bản như sau:

Bảng 3 9: Thông số cơ bản của động cơ

Tên sản phẩm Động cơ servo motor ECMA-C20604RS delta

Dòng định mức (V) 220 Đường kính trục (mm) 14

Tốc độ định mức (rpm) 3000

Moment quán tính rotor (kg.m 2 )

Hình 3 20: Động cơ servo AC

Tính toán, chọn ray trượt

• Phân tích chọn ray trượt:

Ray trượt là các thiết bị dẫn hướng, cấu tạo từ con trượt, thanh trượt, gối đỡ,… Giúp cơ cấu máy chuyển động tịnh tiến một cách chính xác

Bảng 3 10: So sánh hai loại thanh trượt sử dụng phổ biến hiện nay

Thanh trượt tròn Thanh trượt vuông

- Khả năng dẫn hướng chính xác kém hơn

Rail trượt được chế tạo từ thép SUJ2 với độ cứng bề mặt đạt 62+- 2 HRC, được mạ crom bên ngoài Cơ cấu con trượt tròn được thiết kế đặc biệt để chịu tải trọng cao, mang lại hiệu suất và độ bền tối ưu cho sản phẩm.

- Phát ra tiếng ồn nhỏ khi chuyển động

- Con trượt tròn có khả năng lắc ngang, hỗ trợ hiệu quả và phù hợp với cơ cấu lắp đặt có bề mặt không phẳng tuyệt đối

- Cơ cấu thay ray con trượt tròn được lắp đặt trên 2 gối đỡ ở 2 đầu thanh trượt Trong quá trình sử dụng quá

- Độ chính xác cao gấp 1.5 lần so với các thiết bị dẫn hướng tuyến tính khác

- Rail trượt được thiết kế gồm 4 rãnh bi hướng tâm 45 độ, tôi luyện độ cứng 58 – 62 HRC với cơ cấu chuyên dụng

- Đem lại những chuyển động trơn tru, êm ái hơn

- Giá thành cao hơn thanh trượt tròn

Con trượt vuông được thiết kế để ôm sát thanh trượt, chịu lực theo nhiều phương mà không có độ rơ hay lắc ngang Tuy nhiên, để hoạt động hiệu quả, sản phẩm này yêu cầu phải được lắp đặt trên một mặt phẳng.

44 dài dẫn đến tình trang cong võng, đòi hỏi phải tăng đường kính thanh trượt để đảm bảo khả năng chịu tải phù hợp

- Chiều dài tối đa của thanh trượt tròn là 4 m và gặp khó khăn khi sử dụng thanh trượt dài hơn

- Độ bền, tuổi thọ thấp

- Kết cấu đơn giản, lắp đặt dễ dàng, thuận tiện trên mặt phẳng và 2 thanh trượt song song

- Cho phép cắt dây 2 đầu và nối lại với nhau dễ dàng trong trường hợp cần độ dài hơn 4 m

- Độ bền tuổi thọ cao hơn

Với những ưu điểm vượt trội, ray trượt vuông TBI (Linear motion) là lựa chọn hàng đầu cho các máy CNC chính xác, robot và hệ thống tự động hóa Loại ray này đáp ứng tốt các yêu cầu về khả năng chịu tải nặng, độ bền cao, độ chính xác tuyệt đối, cùng với việc lắp đặt và bảo trì dễ dàng cho máy uốn đang trong quá trình thiết kế.

• Tính toán, chọn ray trượt:

❖ Tính toán ray trượt cho trục Z1:

Hình 3 21: Sơ đồ lực tác động lực trục Z1

Tải trọng tác dụng lên con trượt:

= = + − = + = = − + = − (Theo table 1.5.1, catalog TBI linear guide)

Do tải trọng tác dụng lên con trượt 1 và 2 chịu tải trong lớn nhất nên ta kiểm nghiệm tải trọng theo tải trọng tại vị trí 1 và 2

Tải trọng tác dụng: Q = 407 N

Tải trọng động tính toán:

Chỉ xét đến ảnh hưởng của tải trong và độ cứng đến tuổi thọ mà không xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ

1.731) 3 50 (table 1.3.1, catalog TBI linear guide)

Suy ra: Ctt = 1575 N ≈ 160 kgf < C = 2050 kgf => thỏa điều kiện tải trong động

L là tuổi thọ danh nghĩa, L = 500 km fh là hệ số ảnh hưởng do độ cứng, vật liệu có độ cứng 60 HRC, chọn fh 1

Q là tải trọng động tính toán fw là hệ số ảnh hưởng do tải, v = 0.5 m/phút, chọn fw = 1

Ctt là tải trọng động cơ sở m = 3 đối với con trượt có bi

Chọn con trượt, ray trượt có mã hiệu TRH20FN

Tải trọng động cơ sở: C = 2050 kgf

Tải trọng tĩnh cơ sở: C0 = 3696 kgf ≈ 3,6.10 4 N

731 = 49.2 > 3 (đối với máy công nghiệp với tải rung động và va đập nhẹ)

❖ Tính toán ray trượt cho trục X:

Hình 3 22: Sơ đồ lực tác động lực trục X

= = + = = = − = Ta kiểm nghiệm theo tải trọng có độ lớn lớn nhất

Tải trọng động cơ sở:

Chỉ xét đến ảnh hưởng của tải trọng và độ cứng đến tuổi thọ mà không xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ

(Table 1.3.1, catalog TBI linear guide)

Suy ra: Ctt = 4147 N ≈ 415 kgf < C = 2050 kgf => thỏa điều kiện tải trọng động

Q là tải trọng động tính toán fw là hệ số ảnh hưởng do tải, chọn fw = 1

Ctt là tải trọng động cơ sở m = 3 (đối với con trượt có bi)

Tải trọng động cơ sở: C = 2050 kg

Tải trọng tĩnh cơ sở: C0 = 3696 kg ≈ 3,6.10 4 N

1933 = 19.2 > 3 nên con trượt – ray trượt thỏa điều kiện an toàn

❖ Tính toán ray trượt cho trục Y:

Hình 3 23: Sơ đồ lực tác động lực trục Y

Do trọng tâm của lực tác dụng đặt tại tâm đối xứng

Ta kiểm nghiệm theo tải trọng có độ lớn lớn nhất

Tải trọng động cơ sở:

Chỉ xét đến ảnh hưởng của tải trọng và độ cứng đến tuổi thọ mà không cần xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ

1.2625) 3 50 (Table 1.3.1, catalog TBI linear guide)

Suy ra: Ctt = 5655 N ≈ 576,7 kgf < C = 2050 kgf => thỏa điều kiện tải trong động

Q là tải trọng động tính toán fw là hệ số ảnh hưởng do tải, chọn fw = 1

Ctt là tải trọng động cơ sở m = 3 (đối với con trượt có bi)

Tải trọng động cơ sở: C = 2050 kg

Tải trọng tĩnh cơ sở: C0 = 3696 kg

2625 = 13.7 > 3 nên con trượt – ray trượt thỏa điều kiện an toàn

• Thông số của ray trượt:

Hình 3 24: Kích thước ray trượt vuông và con trượt có tai Bảng 3 11: Bảng tra kích thước ray trượt vuông và con trượt có tai

Assembly (mm) Block (mm) Rail (mm)

Hình 3 25: Moment tĩnh cho phép tác dụng lên ray trượt theo các hướng Bảng 3 12: Bảng tra tải trọng moment tĩnh cho phép tác dụng lên ray trượt

Tải trọng (kg) Mômen tĩnh cho phép của tải Khối lượng

MX (kg.mm) MX (kg.mm) MZ (kg.mm) Con trượt Ray Con trượt đơn Đơn Đôi Đơn Đôi

Chọn các chi tiết tiêu chuẩn khác

• Chọn hộp giảm tốc cho động cơ:

Khi sử dụng động cơ servo trong sản xuất và đời sống, việc kết hợp với hộp số giảm tốc là cần thiết để gia tăng lực mô-men và tải trọng của động cơ Để tính toán hộp số cho động cơ, cần lựa chọn tỷ lệ chính xác nhằm đảm bảo tốc độ đầu ra của hộp số đáp ứng đủ yêu cầu cho ứng dụng.

Để đáp ứng yêu cầu về vận tốc tối đa 600 mm/phút của module tạo hình ống, chúng tôi đã lựa chọn hộp số giảm tốc với tỷ số truyền 1:20 cho cả ba trục X, Y và Z1.

Hình 3 26: Hộp giảm tốc VRSF sử dụng cho trục Z1 và trục X

Hình 3 27: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh dạng vuông góc cho trục

Hình 3 28: Kích thước hộp giảm tốc bánh răng hành tinh dạng vuông góc PGRH42 Bảng 3 13: Thông số hộp giảm tốc bánh răng hành tinh dạng vuông góc

Tốc độ đầu vào định mức (rpm) 5000

Tốc độ đầu vào tối đa (rpm) 10000

Moment quán tính (kg.cm 2 ) 0.06

• Chọn áo cho đai ốc vít me bi:

Ta sử dụng một loại áo cho vít me đai ốc bi cho cả ba trục X, Y và trục Z1

Hình 3 29: Kích thước áo của đai ốc vít me bi

Bảng 3 14: Thông số kích thước của áo vít me bi

• Chọn gối đỡ cho vít me: l

Hình 3 30: Kích thước gối đỡ UCP 204

Sử dụng gối đỡ UCP 204 với các kích thước như sau:

Bảng 3 15: Thông số kích thước gối đỡ

Mã gối đỡ D H1 B E L D3 E1 H2 H Trọng lượng

• Chọn khớp nối cho trục X, Y và Z1:

❖ Đối với trục Z1 và trục X:

Chúng tôi sử dụng khớp nối mềm, loại khớp nối được trang bị đệm cao su đàn hồi, để kết nối giữa động cơ và trục vít me bi Khớp nối này sở hữu các thông số kỹ thuật quan trọng, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Hình 3 31: Kích thước khớp nối mềm của trục Z1 và trục X Bảng 3 16: Thông số kích thước khớp nối mềm của trục Z1 và trục X

Ta sử dụng khớp nối ống thổi và có các thông số như sau:

Hình 3 32: Kích thước khớp nối ống thổi của trục Y Bảng 3 17: Thông số kích thước khớp nối ống thổi của trục Y

Hoàn thiện thiết kế module tạo hình ống

Dựa trên yêu cầu ban đầu, nhóm thiết kế phương án cho từng trục của cụm tạo hình và chọn phương án tối ưu cho module tạo hình ống Module này bao gồm ba trục dẫn động chính Z1, X và Y, tạo chuyển động uốn cho ống Nhóm cũng tiến hành tính toán, lựa chọn các chi tiết theo tiêu chuẩn và thực hiện chỉnh sửa để hoàn thiện thiết kế.

Tấm đỡ tạo hình

Cơ cấu dẫn động trục Z1

Cơ cấu dẫn động trục X

Cơ cấu dẫn động trục Y

Hình 3 33: Module tạo hình ống sau khi hoàn thiện thiết kế

• Nguyên lý làm việc của module tạo hình ống:

Để tạo chuyển động uốn khi bạc cố định và bạc tạo hình đồng tâm, cần điều khiển động cơ của trục X, trục Y, hoặc cả hai trục X và Y.

Việc đổi vị trí của bạc tạo hình khiến bạc này lệch tâm so với bạc cố định, kết hợp với cụm đẩy ống sẽ tạo ra các hình dạng ống mong muốn Để thay đổi bán kính uốn của ống, ta điều chỉnh hành trình di chuyển của Z1: di chuyển bạc tạo hình ra xa bạc cố định để có bán kính lớn và ngược lại để có bán kính nhỏ.

Ta có thể uốn ống theo cà ba trục X, Y và Z1 cùng một lúc hoặc có thể uốn ống theo những trục riêng biệt

Hành trình di chuyển của trục Z1

Hình 3 34: Nguyên lý uốn của module tạo hình ống

Phân tích độ bền cho module tạo hình ống

• Phân tích độ bền của khung máy:

Trình tự thực hiện phân tích độ bền của khung máy gồm những bước sau:

- Đưa mô hình khung máy vào phần mềm ansys

- Chỉnh thông số vật liệu cho khung máy

- Chia lưới cho khung máy

- Thiết lập điều kiện làm việc cho mô hình bài toán

- Chọn kết quả mong muốn và đợi máy tính thực hiện các phép tính

- Với kết quả thu được ta tiến hành phân tích dữ liệu và đánh giá kết quả

❖ Đưa mô hình bài toán vào phần mềm:

Hình 3 35: Mô hình khung máy được đưa vào phần mềm ansys

Khi lựa chọn thông số vật liệu cho khung máy module tạo hình ống, chúng ta nên sử dụng vật liệu thép kết cấu, bao gồm các thông số được liệt kê trong bảng dưới đây.

Bảng 3 18: Thông số của thép kết cấu được lấy trong phần mềm ansys Đại lượng Thông số

❖ Chia lưới cho khung máy:

Việc chia lưới cho bài toán là một bước quan trọng, vì nếu thực hiện không chính xác, kết quả sẽ bị sai lệch Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi chia lưới để đạt được kết quả chấp nhận được và đồng thời tiết kiệm thời gian mô phỏng.

Ta tiến hành chia lưới cho bài toán như sau:

- Đối với những vùng quan trọng của khung máy ta sử dụng phương pháp chia lưới “Body Sizing với Element Size là 15 mm”

- Còn đối với những vùng khác của khung máy ta sử dụng phương pháp chia lưới “Body Sizing với Element Size là 20 mm”

Hình 3 36: Những vùng được chia lưới với Element Size 15 mm

Hình 3 37: Những vùng được chia lưới với Element Size 20 mm

Hình 3 38: Kết quả chia lưới của khung máy

❖ Thiết lập điều kiện làm việc cho mô hình bài toán:

Trường hợp 1 (tải trọng khung máy phải chịu khi không làm việc):

Tổng khối lượng mà khung của module tạo hình phải chịu:

Khối lượng tổng cộng của Mtạo hình là khoảng 350 kg, bao gồm khối lượng tấm đỡ tạo hình (64.37 kg), tấm đế đỡ cụm tạo hình (70.65 kg) và tổng khối lượng của ba trục tạo hình được xác định trong phần tính toán vít me.

Tổng tải trọng khung phải chịu khi đổi qua đơn vị là Newton: 3500 N

Trường hợp 2 (tải trọng khung máy phải chịu khi module tạo hình làm việc):

Khi module tạo hình hoạt động, các trục dẫn động X, Y và Z1 tác động lên ống, gây uốn ống và tạo ra phản lực ngược lại vào khung máy Lực đẩy lớn nhất mà khung máy phải chịu là 500 kg, tương đương với 5000 N.

 Từ hai trường hợp được phân tích ở trên, ta sẽ có tổng lực tác động lên khung máy là 8500 N

Thiết lập điều kiện làm việc trong ansys:

Ta chọn những bề mặt của khung máy tiếp xúc với mặt đất để cố định khung máy trong phần mềm ansys

Chọn các bề mặt tiếp xúc với mặt đất để cố định khung máy

Hình 3 39: Cố định cho khung máy

Sau khi cố định khung máy, tiến hành đặt lực tác động vào khung theo chiều trọng lực với độ lớn 8500 N, như minh họa trong hình dưới.

Hình 3 40: Đặt lực cho khung máy

❖ Đánh giá kết quả phân tích khung máy:

Tổng biến dạng của khung máy:

Hình 3 41: Biến dạng toàn phần của khung máy

Kết quả mô phỏng cho thấy khi áp dụng lực 8500 N, biến dạng lớn nhất của khung máy đạt 0.012759 mm, với các vùng có màu đỏ là nơi biến dạng lớn nhất xảy ra Đánh giá cho thấy mức biến dạng này là rất thấp, đảm bảo khung máy có khả năng chịu tải tốt trong quá trình vận hành Ứng suất tương đương của khung máy cũng được ghi nhận.

Hình 3 42: Ứng suất tương đương của khung máy

Kết quả phân tích cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất của khung máy đạt 11.294 MPa Dựa vào hình ảnh mô phỏng, chúng ta có thể đánh giá tình trạng của khung máy một cách chính xác.

Ứng suất lớn nhất tập trung tại các điểm liên kết giữa hai khung So sánh ứng suất tương đương của khung máy đã mô phỏng với giới hạn bền kéo của vật liệu cho thấy khung đã đáp ứng yêu cầu về độ bền.

Phân tích độ bền của bạc tạo hình và bạc cố định là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng quá trình uốn của module tạo hình ống Qua đó, chúng ta có thể đánh giá chính xác độ bền của hai chi tiết này, giúp đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong ứng dụng thực tế.

Chúng tôi sẽ tiến hành mô phỏng quá trình uốn cho trục X và trục Y của module tạo hình ống, vì đây là hai trục chính trong quá trình tạo hình của module.

Trình tự thực hiện phân tích độ bền của hai chi tiết bạc như sau:

- Đưa mô hình bài toán vào phần mềm ansys

- Thiết lập các thông số về vật liệu cho bài toán

- Chia lưới cho mô hình bài toán

- Thiết lập các điều kiện làm việc cho mô hình

- Chọn kết quả mong muốn và đợi máy tính thực hiện các phép tính

- Với kết quả thu được ta tiến hành phân tích dữ liệu và đánh giá kết quả

❖ Đưa mô hình bài toán vào phần mềm:

Hình 3 43: Mô hình bài toán khi đưa vào phần mềm ansys

❖ Chọn thông số vật liệu cho mô hình bài toán:

- Chọn vật liệu thép kết cấu cho bạc tạo hình và bạc cố định

- Chọn thộp khụng gỉ cho ống ỉ19 (đõy là loại ống được sử dụng khi uốn)

❖ Thiết lập các ràng buộc ban đầu cho mô hình bài toán:

Sau khi chọn vật liệu cho ba chi tiết của mô hình bài toán, ta thiết lập các ràng buộc ban đầu của mô hình như sau:

- Thiết lập điều kiện tiếp xúc giữa ống và bạc cố định

- Thiết lập điều kiện tiếp xúc giữa ống và bạc tạo hình

- Thiết lập chuyển động tịnh tiến của ống

❖ Chia lưới cho mô hình bài toán:

Ta tiến hành chia lưới như sau:

- Đối với hai chi tiết bạc ta chia lưới tự động

- Đối với chi tiết ống ta chia lưới bằng phương pháp “Body Sizing với Element Size là 5 mm”

Hình 3 44: Kết quả chia lưới của mô hình bài toán

❖ Thiết lập điều kiện làm việc cho mô hình bài toán:

Bảng 3 19: Bảng số liệu để thiết lập điều kiện làm việc của mô hình Đối với trục X Đối với trục Y

Chọn bạc cố định Chọn bạc cố định

Thiết lập khoảng dịch chuyển theo từng bước với X = 6 mm

Chọn bạc tạo hình Thiết lập khoảng dịch chuyển theo từng bước với Y = 6 mm

Thiết lập chuyển động tịnh tiến của ống theo từng bước với Z = 200 mm

❖ Đánh giá kết quả phân tích:

Hình 3.45 thể hiện ứng suất tương đương của hai trường hợp khác nhau, trong khi Bảng 3.20 cung cấp kết quả ứng suất tương đương lớn nhất của hai trường hợp này Đặc biệt, ứng suất tương đương lớn nhất được ghi nhận khi mô phỏng uốn theo trục X.

(MPa) Ứng suất tương đương lớn nhất khi mô phỏng uốn theo trục Y

Kết quả mô phỏng cho thấy sự chênh lệch giữa hai trường hợp tạo hình ống theo trục X và trục Y là không đáng kể Khi so sánh ứng suất với giới hạn kéo của vật liệu, bạc tạo hình sẽ hoạt động ổn định trong quá trình uốn và đảm bảo điều kiện bền vững.

CHỌN VẬT LIỆU VÀ LÊN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT

LẮP RÁP, CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM HÀNH TRÌNH

Định dạng
Số trang	126
Dung lượng	7,57 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1]. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 1, tác giả GS TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS TS Lê Văn Tiến, PGS TS Ninh Đức Tốn, PGS TS Trần Xuân Việt NXB Khoan học và Kỹ Thuật	Khác
[2]. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2, tác giả GS TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS TS Lê Văn Tiến, PGS TS Ninh Đức Tốn, PGS TS Trần Xuân Việt NXB Khoan học và Kỹ Thuật	Khác
[3]. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 3, tác giả GS TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS TS Lê Văn Tiến, PGS TS Ninh Đức Tốn, PGS TS Trần Xuân Việt NXB Khoan học và Kỹ Thuật	Khác
[4]. Giáo Trình hướng dẫn thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, tác giả Hồ Viết Bình, Phan Vũ Thanh NXB Đại Học Quốc Gia TPHCM	Khác
[5]. Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, tác giả Trần Văn Dịch NXB Khoa học và Kỹ Thuật	Khác
[6]. Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1, tác giả Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Nhà Xuất Bản Giáo Dục	Khác
[1]. Tube Forming Processes a Comprehensive Guide, tác giả Greg G Miller NXB SME (Society of Manufacturng Engineers)	Khác