TỔNG QUAN
Đối tƣợng nghiên cứu
– Phần mềm điều khiển Mach3
– Phần mềm thiết kế, tính toán, mô phỏng
– Động cơ và phương pháp truyền động.
Phạm vi nghiên cứu
– Nghiên cứu và chế tạo máy tôi CNC cao tần đảm bảo các yêu cầu đặt ra nhƣ sau:
– Không gian làm việc của máy lớn hơn: 750 x 450 x200 (mm)
– Sai số cho phép: 0.1(mm)
– Sau khi tôi, bề mặt thép tăng độ cứng
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ẾT QUẢ DỰ IẾN ĐẠT ĐƯ C
Dựa trên kiến thức về máy CNC 3 trục và máy tôi cao tần, chúng tôi tiến hành phân tích để tìm ra giải pháp mới, sau đó thực hiện chế tạo và thí nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá giải pháp đã đề xuất, xác định xem nó có tối ưu hay không và trong những trường hợp cụ thể nào.
– Kết quả dự kiện: điều khiển máy CNC di chuyển với tốc độ tùy chỉnh, tôi bề mặt tấm thép tăng độ cứng
– Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng nhƣ kiến thức chuyên môn nên đồ án chỉ tập trung thực hiện các vấn đề sau:
Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh và vận hành máy tôi CNC cao tần Độ cứng trên mặt thép sau khi tôi chƣa đồng đều.
CƠ SỞ LÝ THUY T
Vài nét về lịch sử
Năm 1947, Parsons (Mỹ) đã khởi xướng ý tưởng ứng dụng tín hiệu số cho máy gia công cắt gọt, dẫn đến sự ra đời của máy điều khiển theo chương trình số đầu tiên vào năm 1954 Năm 1955, máy điều khiển số sử dụng bìa và băng đục lỗ được giới thiệu tại triển lãm máy công cụ ở Chicago Nhận thấy lợi ích và tiềm năng của công nghệ điều khiển số (Numerical Control - NC), nhiều quốc gia như Nhật Bản, Anh và Đức đã tích cực nghiên cứu và phát triển các loại máy CNC, góp phần phổ biến công nghệ này trên toàn thế giới.
– Cấu tạo chung và quy ƣớc máy CNC:
Hình 2.1 Mô hình khái quát của máy
Định nghĩa máy điều khiển số (NC-Numerical Control)
Máy điều khiển số (NC - Numerical Control) là một hệ thống tự động hóa, điều khiển hoạt động của máy móc dựa trên dữ liệu số được mã hóa, tạo thành chương trình làm việc cho thiết bị hoặc hệ thống.
– Định nghĩa máy điều khiển số có sự hổ trợ của máy tính (CNC – Computer Numerical Control)
Máy điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) sử dụng máy tính để thiết lập trực tiếp trên hệ thống điều khiển Nó hoạt động dựa trên các chỉ thị được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính, cho phép thực hiện một phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số.
Máy CNC 3 trục thường gặp
– Kết cấu cơ bản máy CNC thường gặp là gồm có 2 phần chính:
Hình 2.2 Cấu tạo máy cnc
– Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển
Chương trình điều khiển bao gồm các tín hiệu mã hóa dưới dạng chữ cái, chữ số và ký hiệu như dấu cộng, trừ, và dấu chấm, nhằm điều khiển máy móc Chương trình này được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính dưới dạng mã số, chẳng hạn như mã nhị phân.
Các cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình và thực hiện các phép biến đổi cần thiết để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành Chúng cũng kiểm tra hoạt động của cơ cấu thông qua các tín hiệu từ cảm biến liên hệ ngược Các thành phần chính bao gồm cơ cấu đọc, giải mã, chuyển đổi, xử lý tín hiệu, nội suy, so sánh, khuếch đại, đo hành trình, đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
Máy cắt kim loại được trang bị các cơ cấu tự động hóa như tay máy, ổ chứa dao, hệ thống bôi trơn và thiết bị vận chuyển phoi, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình gia công.
Máy cắt kim loại là thiết bị quan trọng trong việc tạo hình chi tiết kim loại, bao gồm nhiều bộ phận như hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao và các tay máy Tùy thuộc vào khả năng công nghệ của từng loại máy, các bộ phận này sẽ có sự khác biệt, ảnh hưởng đến hiệu suất cắt và độ chính xác của sản phẩm.
Máy vạn năng có cấu trúc tương tự như các máy thông thường, nhưng có những điểm khác biệt nhằm đảm bảo quá trình điều khiển tự động diễn ra ổn định và chính xác Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn mở rộng khả năng công nghệ của máy.
Hộp tốc độ là thiết bị có phạm vi điều khiển tốc độ lớn, thường sử dụng truyền động vô cấp Nó áp dụng các li hợp điện từ để dễ dàng thay đổi tốc độ hoạt động.
– Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng thường là động cơ bước, sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vitme- đai ốc bi…
– Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, thay dao tự động,…
Trong các máy CNC, có thể áp dụng nhiều dạng điều khiển thích nghi khác nhau để tối ưu hóa các thông số quan trọng như thành phần lực cắt, độ ồn, độ rung và chế độ cắt.
QUÁ TRÌNH GI NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ
Hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một phương pháp hiện đại và hiệu quả, nổi bật với nguyên lý hoạt động dựa trên sự tạo ra dòng điện xoáy trong vật liệu dẫn điện Phương pháp này không chỉ mang lại tốc độ gia nhiệt nhanh chóng mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình kiểm soát nhiệt độ Những đặc điểm nổi bật của gia nhiệt bằng cảm ứng từ bao gồm tiết kiệm năng lượng, an toàn và khả năng gia nhiệt đồng đều, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đang trở thành xu hướng mới trong công nghệ phun ép nhựa Sự phổ biến của phương pháp này mở ra nhiều khả năng ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp.
Giới thiệu chung về phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một kỹ thuật hiệu quả trong việc nâng cao nhiệt độ của các vật liệu sắt từ, giúp chúng đạt đến trạng thái lỏng hoặc nhiệt độ chuyển đổi pha Phương pháp này nổi bật với tốc độ gia nhiệt nhanh, độ ổn định cao và khả năng kiểm soát tốt quá trình gia nhiệt, thuộc nhóm gia nhiệt không tiếp xúc Nguyên lý hoạt động dựa trên dòng điện cao tần trong cuộn dây, tạo ra dòng điện cảm ứng trên bề mặt vật liệu, chỉ nung nóng phần gần bề mặt, từ đó nâng cao hiệu quả gia nhiệt Trong quá trình phun ép, sau khi bề mặt khuôn được gia nhiệt đạt nhiệt độ yêu cầu, nhựa nóng sẽ được phun vào lòng khuôn, và quá trình giải nhiệt diễn ra nhanh chóng do chỉ có bề mặt khuôn được gia nhiệt.
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ hoạt động dựa trên việc cung cấp nguồn điện để tạo ra dòng điện cao tầng trong cuộn dây, từ đó sinh ra từ trường biến thiên xung quanh cuộn dây với tần số cao Theo định luật Faraday, nếu có cuộn dây khác nằm trong vùng ảnh hưởng của từ trường này, cuộn dây sẽ hoạt động như cuộn sơ cấp, trong khi bề mặt khuôn sẽ đóng vai trò cuộn thứ cấp Khi dòng điện cao tần chạy qua cuộn dây, từ trường biến thiên sẽ kích thích dòng điện cảm ứng trên bề mặt khuôn, dẫn đến quá trình gia nhiệt diễn ra hiệu quả.
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Hình 2.4 Dòng điện cảm ứng trong phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ
Hiệu suất bề mặt
– Chiều sâu lớp gia nhiệt (Heating layer or Penetration depth) tính từ bề mặt của vật cần gia nhiệt đƣợc xác định theo công thức sau:
– à: Độ ngấm từ (Magnetical permeability)
Độ ngấm từ của vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất gia nhiệt và tần số dòng điện Với cùng loại vật liệu, việc điều chỉnh tần số có thể thay đổi hiệu suất và chiều dày lớp gia nhiệt Các vật liệu từ tính thấp như đồng (Cu) và nhôm (Al) có độ ngấm từ thường là 1, trong khi vật liệu sắt từ như thép có độ ngấm từ cao hơn nhiều Khi gia nhiệt cho vật liệu sắt từ, quá trình gia nhiệt tập trung tại bề mặt nhờ hiệu ứng bề mặt, dẫn đến hiệu suất gia nhiệt được nâng cao đáng kể.
Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt (coil design)
Trong quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn, dòng điện cảm ứng được sinh ra do từ trường thay đổi từ dòng điện trong cuộn dây.
Các thiết kế khác nhau của cuộn dây ảnh hưởng đến từ trường và phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn, với thiết kế tốt giúp tạo ra vùng gia nhiệt hợp lý và tối ưu hóa hiệu suất gia nhiệt Cuộn dây gia nhiệt trong gia nhiệt khuôn phun ép theo nguyên lý cảm ứng thường được làm từ ống đồng có đường kính từ 5mm đến 14mm Tùy thuộc vào loại khuôn và khu vực gia nhiệt, cuộn dây có thể có 1 hoặc nhiều vòng xoắn ốc với tiết diện tròn hoặc vuông Khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt cần gia nhiệt cũng rất quan trọng; khoảng cách nhỏ sẽ nâng cao hiệu suất gia nhiệt.
Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phương pháp cảm ứng từ: 8 PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN
– Do mật độ dòng điện (current density) tập trung tại bề mặt gia nhiệt nên quá trình gia nhiệt sẽ đƣợc thực hiện với tốc độ cao
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một trong những giải pháp khả thi nhất nhằm nâng nhiệt độ bề mặt lên mức cao hơn nhiệt độ chuyển pha (Tg) của vật liệu nhựa.
– Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có thể dùng cho trường hợp cần gia nhiệt cực bộ tại một cùng nhỏ trên bề mặt khuôn
– Các trang thiết bị đƣợc dùng trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ có thể đƣợc tự động hóa dễ dàng
Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ rất hiệu quả về năng lượng, nhưng mức độ hiệu quả này phụ thuộc vào loại vật liệu cần gia nhiệt.
Trong quy trình phun ép nhựa, gia công bằng cảm ứng từ diễn ra nhanh chóng, giúp hạn chế tối đa tổn thất nhiệt năng lượng ra ngoài môi trường.
Chất lƣợng vùng gia nhiệt:
– Vùng gia nhiệt có thể đƣợc điều khiển dễ dàng thông qua thiết kế cuộn dây gia nhiệt hợp lý
– Quá trình gia nhiệt có thể được mô phỏng, tính toán chính xác trước khi tiến hành thực tế
So với các phương pháp gia nhiệt khác, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có một sỗ ƣu điểm sau:
– Quá trình điều khiển nhiệt độ có thể đƣợc tiến hành dễ dàng
Quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ chỉ tác động đến lớp bề mặt của khuôn, mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn nhiều so với phương pháp gia nhiệt bằng điện trở.
– Có khả năng gia nhiệt cục bộ tại một hoặc một số vùng trên bề mặt khuôn
– Quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ gần nhƣ không phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài
– Đây là phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ gần như không phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài
– Đây là phương pháp gia nhiệt không ảnh hưởng xấu đến môi trường
2.1.8 hái niệm về nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt trong thời gian phù hợp và sau đó làm nguội với tốc độ quy định Quá trình này giúp thay đổi tổ chức tế vi của thép, từ đó điều chỉnh các tính chất cơ học theo yêu cầu.
– Công dụng: sau khi nhiệt luyện thép có cơ tính rất cao
– Nhờ nhiệt luyện tính chống mài mòn của chi tiết máy tăng lên nhiều lần
– Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn đảm bảo yêu cầu về độ dẻo và độ dai
– Cải thiện tính công nghệ: cải thiện tính công nghệ nâng cao năng suất
2.1.9 Nhiệt luyện bằng phương pháp tôi
Phương pháp nhiệt luyện là quá trình nung nóng thép đến nhiệt độ vượt quá AC1 hoặc AC3, tùy thuộc vào loại thép, để tạo ra austenit Sau đó, thép được giữ nhiệt và làm nguội nhanh chóng, giúp austenit chuyển hóa thành mactenxit hoặc các cấu trúc không ổn định khác có độ cứng cao.
Tôi bề mặt là quá trình nung nhanh và làm nguội lớp ngoài của chi tiết, giúp tăng độ cứng cho bề mặt trong khi giữ cho phần lõi vẫn mềm và dẻo Phương pháp này thường được áp dụng cho các chi tiết như bánh răng và trục truyền động xoắn Các phương pháp tôi mặt ngoài phổ biến bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu.
– Tôi cao tần: là sử dụng dòng điện xoay chiều có tần số cao để nung nhanh bề mặt ngoài của chi tiết
– Tôi bằng ngọn lửa ôxy - axêtylen:
– Nung nhanh chi tiết bằng ngọn lửa ôxy - axêtylen để bề mặt đạt đến nhiệt độ tới hạn A3 và làm nguội nhanh trong nước hay dung dịch hóa chất
Hình 2.5 Máy tôi cao tần – Nguồn điện vào 380 v
– Cường độ dòng điện lớn nhất: 50A
– Tần số hoạt động 12÷25 KHz
– Thời gian gia nhiệt 5-10 giây
– Nhiệt độ nước làm mát
