thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản của trung tâm gia công đứng cnc 3 trục cỡ nhỏ

1

MỤC LỤC

Lời cam đoan i
Lời nói đầu ii
Mục lục iii
Danh mục các chữ viết tắt vi
Danh mục các ký hiệu vii
Danh mục các bảng ix
Danh mục các hình x

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ PHẬN CƠ KHÍ
CỦA TRUNG TÂM GIA CÔNG ĐỨNG CNC 3 TRỤC
1.1 Sơ lược về trung tâm gia công 1
1.2 Tổng quan về các bộ phận trong trung tâm gia công đứng CNC 3 trục 2
Chương 2 LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ
BẢN
2.1 Chọn kết cấu máy 11
2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản 12
2.3 Chọn thước đo quang học cho các trục 13
2.4 Giới hạn phạm vi tính toán thiết kế 13
Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MỘT SỐ BỘ PHẬN CƠ KHÍ CƠ BẢN
3.1 Tính toán lực cắt, công suất cắt ứng với chế độ gia công cực đại 14
3.1.1 Gia công phay 15
3.1.2 Gia công khoan 19
3.1.3 Chọn lực tác dụng và công suất thiết kế 21
3.2 Chọn trục chính, động cơ trục chính và bộ truyền động
3.2.1 Chọn trục chính, bộ truyền động 22
3.2.2 Chọn động cơ trục chính 25
3.3 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Z

3.3.1 Chọn vật liệu 26
3.3.2 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu
3.3.2.1 Kiểm tra bền và biến dạng chi tiết thân cụm chuyển động trục Z
(thân cụm trục Z)với giả thiết 1 27
3.3.2.2 Kiểm tra bền và biến dạng thân cụm trục Z với giả thiết 2 41
3.3.2.3 Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạng
thân cụm trục Z 42

2

3.4 Vít me-đai ốc bi, động cơ AC servo, khớp nối, thanh trượt-bạc trượt trục
Z
và hoàn thiện thiết kế thân trục Z
3.4.1 Tính toán chọn vít me-đai ốc bi trục Z 44
3.4.2 Tính toán chọn động cơ AC servo trục Z 48
3.4.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục Z 51
3.4.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục Z
3.4.4.1 Chọn then 53
3.4.4.2 Thiết kế khớp nối 54
3.4.5 Tính toán chọn thanh trượt-bạc trượt trục Z 58
3.4.6 Hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Z 63
3.5 Thiết kế bàn máy
3.5.1 Chọn vật liệu và kích thước cơ bản của bàn máy 68
3.5.2 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu .69
3.5.3Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngbàn máy 74
3.6 Vít me-đai ốc bi, động cơ AC servo, khớp nối, thanh trượt-bạc trượt trục X
và hoàn thiện thiết kế bàn máy
3.6.1 Tính toán chọn vít me-đai ốc bi trục X 75
3.6.2 Tính toán chọn động cơ AC servo trục X 77
3.6.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục X 79

3.6.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và
động cơ AC servo trục X 80
3.6.5 Tính toán chọn thanh trượt-bạc trượt trục X 80
3.6.6 Hoàn thiện thiết kế bàn máy 81
3.7 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Y
3.7.1 Chọn vật liệu 83
3.7.2 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu 83
3.7.3Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngthân cụm trục Y 88
3.8 Vít me-đai ốc bi, động cơ AC servo, khớp nối, thanh trượt-bạc trượt trục Y
và hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y
3.8.1 Tính toán chọn vít me-đai ốc bi trục Y 89
3.8.2 Tính toán chọn động cơ AC servo trục Y 91
3.8.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục Y 92
3.8.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và
động cơ AC servo trục Y 93
3.8.5 Tính toán chọn thanh trượt-bạc trượt trục Y 93
3.8.6 Hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y 94

3

3.9 Thiết kế phần bệ máy và trụ đứng
3.9.1 Chọn vật liệu 96
3.9.2 Chọn bộ thay dao tự động 96
3.9.3 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu 96
3.9.3.1 Kiểm tra bền và biến dạng bệmáy 97
3.9.3.2 Kiểm tra bền và biến dạng trụ đứng 103
3.9.4 Tính toán mối ghép vít và hoàn thiện thiết kế bệ máy, trụ đứng
3.9.4.1 Tính toán mối ghép vít 108
3.9.4.2 Hoàn thiện thiết kế bệ máy và trụ đứng 114
3.10 Các thông số kỹ thuật sau khi thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản

và tính toán lựa chọn các bộ phận khác 115

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
4.1 Kết luận 117
4.2 Đề xuất 118
Phụ lục
Tài liệu tham khảo









4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NC - Numerical Control
CNC - Computer Numerical Control
VMC - Vertical Machining Center
HMC - Horizontal Machining Center
HSMC - High Speed Machining Center
PLC - Program Logic Control
AC - Alternating Current
FMS - Flexible Manufacturing System
FMC - Flexible Manufacturing Cell
CAD - Computer Aided Design

CAE - Computer Aided Engineering
TH1 - Trường hợp 1
TH2 - Trường hợp 2
TH3 - Trường hợp 3
TH4 - Trường hợp 4











5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
t

Chi
ều sâu lớp cắt

mm

B Chiều rộng lớp cắt mm
z Số răng dao, số răng trên vòng đai
D

Đư
ờng kính dao

mm

n ,n
i
,





T
ố
c đ
ộ

quay

Vòng/phút

S
m
Lượng ăn dao trong một phút mm/phút
S
z
Lượng chạy dao răng mm/răng




,



,



,



,



,



,



Các thành ph
ầ
n l
ự

c c
ắ
t

N





,



,



,


,


,


,



,



Các hệ số tính lực cắt


,



Mô men cản (mô men xoắn) N.mm



Công suất cắt kW
N
cmax

Công su
ấ
t c
ắ
t l
ớ
n nh
ấ
t

kW

M
max
Mô men xoắn lớn nhất N.m
n
max
Tốc độ lớn nhất vòng/phút
F
max

, Fx
max

, Fy
max

, Fz
max

L
ự
c c
ắ
t l
ớ
n nh
ấ
t theo phương ch
ạ

y dao c
ủ
a trung tâm
gia công đứng 3 trục
N

F
min
Lực nhỏ nhất N
P
max
Lực kéo lớn nhất của trục chính N
w,
m
s

Kh
ố
i lư
ợ
ng tr
ụ
c chính

kg

C
P
Chu vi vòng tròn bước răng pulley mm




Đường kính vòng tròn bước răng pulley mm



Đư
ờ
ng kính vòng
đ
ỉ
nh răng

mm




Đường kính vòng đáy răng mm



khoảng cách trục sơ bộ mm
A

Kho
ả
ng cách tr
ụ
c

mm




chi
ề
u dài vòng
đai

mm

P.D. đường kính vòng tròn bước răng mm
O.D.

đư
ờ
ng kính đ
ỉ
nh răng

mm

M
o

Mô men ho
ạ
t đ

ộ
ng liên t
ụ
c

N.m



Hiệu suất





H
ệ

s
ố

quá t
ả
i t
ứ
c th
ờ
i cho phép

g

Gia t
ố
c tr
ọ
ng trư
ờ
ng

m/s
2

P
s
Trọng lượng trục chính N
P
M
Trọng lượng động cơ trục chính N
m
Z

Kh
ối l
ư
ợng thân cụm trục Z

kg

P

Z
Trọng lượng thân cụm trục Z N



Tốc độ lớn nhất m/phút



gia t
ố
c t
ứ
c th
ờ
i

m/s
2

P’
Z
Trọng lượng tức thời thân cụm trục Z khi có gia tốc N
P’
M
Trọng lượng tức thời động cơ trục chính khi có gia tốc N
P’
S

Tr

ọ
ng lư
ợ
ng
t
ứ
c th
ờ
i

tr
ụ
c chính
khi có gia t
ố
c

N

δ

kh
ối l
ư
ợng ri
êng

kg/m
3

σ
max
, σ
min
ứng suất lớn nhất, nhỏ nhất N/m
2

σ , σ
ch
Giới hạn chảy N/m
2

ε
max

, ε
min
, ε
tb

Chuy
ể
n v
ị

l
ớ
n nh
ấ
t, nh

ỏ

nh
ấ
t
, trung bình

mm

ε Chuyển vị (biến dạng) mm
v
t
Vận tốc m/s
6

F
D
, F
D1
,F
D2
, F
D3
, F
Di
Lực động lực học dọc trục vít me N
p

bư
ớ

c ren vít me

mm

γ

Góc vít

o

OD Đường kính đỉnh ren trục vít mm
RD

Đư
ờ
ng kính chân ren tr
ụ
c vít

mm

PCD

Đư
ờ
ng kính tâm bi
ăn kh
ớ
p

mm

T Mô men quay trục vít me bi N.mm



Góc ma sát lăn thay thế
o

f
t

H
ệ

s
ố

ma sát lăn thay th
ế




Góc tiếp xúc
o

t
i
Tỉ số thời gian chịu tải %

f
pi

H
ệ

s
ố

đi
ề
u ki
ệ
n làm vi
ệ
c





độ trung bình Vòng/phút









Tải trọng trung bình N
F
a

T
ả
i tr
ọ
ng tính toán

N

L
h
Thời gian làm việc giờ
L Tuổi thọ làm việc vòng



Tu
ổ
i th
ọ

làm vi
ệ
c

tri

ệ
u vòng

C
’

T
ả
i tr
ọ
ng đ
ộ
ng tính toán

kgf

C tải trọng động cho phép kgf
C
o

T
ả
i t
ĩnh cho phép

kgf

P

T

ả
i tr
ọ
ng tương đương khi làm vi
ệ
c

N

D Đường kính ngoài của ổ bi mm
d Đường kính trong của ổ bi mm
B

B
ề

r
ộ
ng
ổ

bi

mm

V

V
ậ
n t

ố
c gi
ớ
i h
ạ
n

vòng/phút

m Khối lượng kg
bxhxl Kích thước then bằng mm
τ
c

Môđun ch
ố
ng c
ắ
t

N/m
2

[σ
d
] Ứng suất dập cho phép N/m
2

[τ
c

] Ứng suất cắt cho phép N/m
2

A
1
,D
1
,B
1
,C
1
,W
1
,U
1
,R
1

Kích thư
ớ
c rãnh ch
ữ

T theo tiêu chu
ẩ
n

mm

m

p

Kh
ố
i lư
ợ
ng phôi l
ớ
n nh
ấ
t

kg

P
p
Trong lượng phôi lớn nhất N
m
b

Kh
ố
i lư
ợ
ng bàn máy

kg

P
b

Tr
ọ
ng lư
ợ
ng bàn máy

N

m
thY
Khối lượng của thân cụm trục Y kg
P
thY
Trọng lượng thân cụm trục Y

N
m
bm

Kh
ố
i lư
ợ
ng b
ệ

máy

kg

P
bm
trọng lượng bệ máy N



Trọng lượng cụm trục Z N
m
btd

T
ổ
ng kh
ố
i lư
ợ
ng l
ớ
n nh
ấ
t b
ộ

thay dao

kg




Tr
ọ
ng lư
ợ
ng l
ớ
n nh
ấ
t c
ủ
a b
ộ

thay dao


D
tb
Đường kính trung bình mm
V
e
Tốc độ trung bình của bạc trượt m/phút
V
, V
a

, V
b

, V
c

, V
d

L
ự
c xi
ế
t

N

M
CO
Hợp mô men giữ cho trụ đứng không bị lật N.mm
M
LO
Hợp mô men làm cho trụ đứng có xu hướng bị lật N.mm

7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Phân loại kết cấu trung tâm gia công đứng 3 trục 11
Bảng 2.2: Bảng các thông số kỹ thuật cơ bản của máy sẽ thiết kế 12
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của thước đo quang học dòng KD200 12
Bảng 3.1: Chế độ gia công cực đại trong các trường hợp cụ thể 14
Bảng 3.2: Các hệ số và chế độ gia công 18

Bảng 3.3: Kết quả tính toán theo các thông số tương ứng với bảng 3.2 18
Bảng 3.4: Các thông số và kết quả tính toán khi khoan 20
Bảng 3.5: Gang xám GG 30 (theo tiêu chuẩn DIN) 26
Bảng 3.6: Các thông số tạo lưới phần tử của thân trục Z
trong Module Solidworks Simulation 30
Bảng 3.7: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạngthân cụm trục Z 42
Bảng 3.8: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 45
Bảng 3.9: Các thông số của ổ bi 52
Bảng 3.10: Thép carbon C35 (DIN) 53
Bảng 3.11: Nhựa POM Acetal Copolymer 54
Bảng 3.12: Các thông số lưới phần tử của khớp nối
trong Module Solidworks Simulation 55
Bảng 3.13: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạng bàn máy 74
Bảng 3.14: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 76
Bảng 3.15: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạng thân cụm trục Y 88
Bảng 3.16: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình 90
Bảng 3.17: Các thông số cơ bản của bộ thay dao tự động CTM40 - BP41 96
Bảng 3.18: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạngbệ máy 102
Bảng 3.19: Số liệu thống kê kiểm tra bền và biến dạngtrụ đứng 107
Bảng 3.20: Thông số kỹ thuật sau khi thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản và
tính toán lựa chọn các bộ phận khác 115








8

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Từ trái qua phải lần lượt là: máy phay đứng truyền thống,
máy phay CNC 3 trục, trung tâm gia công đứng 3 trục 1
Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của trung tâm gia công đứng 3 trục 2
Hình 1.3: Bệ máy 3
Hình 1.4: Một kiểu trung tâm gia công đứng 3 trục 3
Hình 1.5: Các loại trục chính dùng trong trung tâm gia công đứng 4
Hình 1.6: Thanh trượt - bạc trượt con lăn tuần hoàn 5
Hình 1.7: Thanh trượt - bạc trượt bi tuần hoàn 5
Hình 1.8: Các loại vít me - đai ốc bi tuần hoàn 6
Hình 1.9: Bộ sinh lực đẩy thay dao pít tông - xy lanh khí nén
giới hạn hành trình pít tông bằng 2 công tắc hành trình 6
Hình 1.10: Mô hình trục chính được lắp bộ sinh lực đẩy thay dao 6
Hình 1.11: Hệ thống thay dao tự động 7
Hình 1.12: Mô hình tay máy thay dao 8
Hình 1.13: Trung tâm gia công nhiều pallet: loại xoay (A) và loại tuyến tính (B) 9
Hình 1.14: Một loại thước đo quang học thường dùng trong máy CNC 10
Hình 2.1: Kết cấu trung tâm gia công đứng 3 trục 11
Hình 3.1: Các thành phần lực cắt khi phay bằng dao phay mặt trụ 15
Hình 3.2: Các thành phần lực cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu 15
Hình 3.3: Trục chính Type B40 – 120 22
Hình 3.4: Kích thước đai răng tiêu chuẩn kiểu 5GT và 8YU 23
Hình 3.5: Một loại Pulley tiêu chuẩn kiểu 5GT 24
Hình 3.6: Một loại đầu kẹp dao tiêu chuẩn BT40 24
Hình 3.7: Đường đặc tuyến mô men - tốc độ của động cơ servo AC NV860VC 25
Hình 3.8: Mô hình hóa cụm trục Z bằng phần mềm Solidworks 27
Hình 3.9: Mô hình tính toán 28
Hình 3.10: Các bề mặt không chế (hạn chế 6 bậc tự do) 29

Hình 3.11: Lực dọc trục F tại bề mặt lắp ghép giữa trục chính và thân cụm trục Z 29
Hình 3.12: Lực P
M
tại bề mặt lắp ghép giữa tấm đế lắp động cơ và thân cụm trục Z 29
Hình 3.13: Mô hình tạo lưới các phần tử của thân trục Z 30
Hình 3.14: Kết quả về ứng suất 31
Hình 3.15: Kết quả về chuyển vị 32
Hình 3.16: Mô hình tính toán 33
Hình 3.17: Kết quả ứng suất 33
Hình 3.18: Kết quả chuyển vị 34
9

Hình 3.19: Mô hình đơn giản hóa trục chính và dao 34
Hình 3.20: Thép hợp kim 1.2842 đã đổi khối lượng riêng 35
Hình 3.21: Mô hình tính toán 36
Hình 3.22: Kết quả về ứng suất 36
Hình 3.23: Vùng chuyển vị ≥ 0,00865 mm 37
Hình 3.24: Mô hình tính toán 37
Hình 3.25: Kết quả ứng suất 38
Hình 3.26: Vùng chuyển vị ≥ 0,008 mm 38
Hình 3.27: Kết quả ứng suất 39
Hình 3.28: Vùng chuyển vị ≥ 0,003 mm 39
Hình 3.29: Kết quả ứng suất 40
Hình 3.30: Vùng chuyển vị ≥ 0,009 mm 40
Hình 3.31: Mô hình tính toán 41
Hình 3.32: Kết quả vùng ứng suất ≥ 3000000 (N/m
2
) 41
Hình 3.33: Kết quả vùng chuyển vị ≥ 0,0087 mm 42
Hình 3.34: Sơ đồ động lực học 44

Hình 3.35: Vít me bi 47
Hình 3.36: Sơ đồ tính toán vít me 48
Hình 3.37: Đồ thị đường đặc tuyến mô men - tốc độ của α12/3000 49
Hình 3.38: Kiểu bố trí ổ bi (sử dụng 2 cặp ổ bi đỡ chặn 51
Hình 3.39: Ổ bi đỡ chặn đôi của SKF 52
Hình 3.40: Khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục Z 54
Hình 3.41: Mô hình tạo lưới các phần tử của khớp nối 55
Hình 3.42: Bề mặt hạn chế và tác dụng mô men trong mô hình
phân tích CAE khớp nối 56
Hình 3.43: Kết quả ứng suất 57
Hình 3.44: Kết quả chuyển vị 57
Hình 3.45: Sơ đồ tính toán 58
Hình 3.46: A; B; C sơ đồ tương đương hình 3.45 59-60
Hình 3.47: Các phương pháp gia cường 63
Hình 3.48: Gia cường 2 bên bằng chêm côn và sử dụng miếng chêm thẳng 64
Hình 3.49: Thân cụm trục Z 65
Hình 3.50: Mô hình bề mặt cố định và đặt lực 66
Hình 3.51: Kết quả ứng suất 66
Hình 3.52: Kết quả vùng chuyển vị ≥ 0,0003 mm 67
Hình 3.53: Rãnh chữ T theo tiêu chuẩn 68
Hình 3.54: Kích thước cơ bản của bàn máy 68
Hình 3.55: Mô hình hóa bàn máy 69
10

Hình 3.56: Bề mặt khống chế và gán trọng lượng bàn máy 69
Hình 3.57: Lực tác dụng TH1 70
Hình 3.58: Kết quả ứng suất TH1 70
Hình 3.59: Kết quả chuyển vị TH1 70
Hình 3.60: Lực tác dụng TH2 71
Hình 3.61: Kết quả ứng suất TH2 71

Hình 3.62: Kết quả chuyển vị TH2 71
Hình 3.63: Lực tác dụng TH3 72
Hình 3.64: Kết quả ứng suất TH3 72
Hình 3.65: Kết quả chuyển vị TH3 72
Hình 3.66: Lực tác dụng TH4 73
Hình 3.67: Kết quả ứng suất TH4 73
Hình 3.68: Kết quả chuyển vị TH4 73
Hình 3.69: Sơ đồ tính toán 75
Hình 3.70: Kiểu bố trí ổ bi (sử dụng 2 cặp ổ bi đỡ chặn 79
Hình 3.71: Bàn máy 81
Hình 3.72: Lực và bề mặt khống chế 81
Hình 3.73: Kết quả ứng suất 82
Hình 3.74: Kết quả chuyển vị 82
Hình 3.75: Mô hình hóa sơ bộ thân cụm trục Y 83
Hình 3.76: Bề mặt khống chế 84
Hình 3.77: Mô hình phân tích TH1 85
Hình 3.78: Kết quả ứng suất TH1 85
Hình 3.79: Kết quả chuyển vị TH1 85
Hình 3.80: Mô hình phân tích TH2 86
Hình 3.81: Kết quả ứng suất TH2 86
Hình 3.82: Kết quả chuyển vị TH2 87
Hình 3.83: Mô hình phân tích TH3 87
Hình 3.84: Kết quả ứng suất TH3 87
Hình 3.85: Kết quả chuyển vị TH3 87
Hình 3.86: Sơ đồ tính toán 89
Hình 3.87: Thân cụm trục Y 94
Hình 3.88: Kết quả ứng suất 95
Hình 3.89: Kết quả chuyển vị 95
Hình 3.90: Mô hình hóa sơ bộ bệ máy và trụ đứng 97
Hình 3.91: Bề mặt khống chế (các mặt chân đế và lỗ lắp lulong nền 98

Hình 3.92: Mô hình đặt lực TH1 98
Hình 3.93: Kết quả ứng suất TH1 99
11

Hình 3.94: Kết quả chuyển vị TH1 99
Hình 3.95: Mô hình đặt lực TH2 100
Hình 3.96: Kết quả ứng suất TH2 100
Hình 3.97: Kết quả chuyển vị TH2 100
Hình 3.98: Mô hình đặt lực TH3 101
Hình 3.99: Kết quả ứng suất TH3 101
Hình 3.100: Kết quả chuyển vị TH3 101
Hình 3.101: Bề mặt khống chế (bề mặt lắp ráp với bệ máy 103
Hình 3.102: Mô hình đặt lực tác dụng TH1 103
Hình 3.103: Kết quả ứng suất TH1 104
Hình 3.104: Kết quả chuyển vị TH1 104
Hình 3.105: Mô hình đặt lực tác dụng TH2 105
Hình 3.106: Kết quả ứng suất TH2 105
Hình 3.107: Kết quả chuyển vị TH2 106
Hình 3.108: Mô hình lắp ghép bệ máy và trụ đứng 108
Hình 3.109: Sơ đồ ngoại lực tác dụng xét trong mặt oxy 108
Hình 3.110: Sơ đồ phân tích lực 109
Hình 3.111: Sơ đồ tương đương hình 3.110B 110
Hình 3.112: Sơ đồ tính toán (tính cho trường hợp nguy hiểm nhất 113
Hình 3.113: Bệ máy và trụ đứng 114




12

LỜI NÓI ĐẦU

Đề tài “Thiết kế một số bộ phận cơ khí cơ bản của trung tâm gia công đứng
CNC 3 trục cỡ nhỏ” là một đồ án tốt nghiệp đại học, thời gian thực hiện 15 tuần, từ
20/02/2012 đến 02/06/2012. Đề tài này được lựa chọn, trướt hết vì mục đính vận
dụng các kiến thức tổng hợp trong chuyên ngành đã học vào việc tính toán thiết kế
các chi tiết máy công cụ, sau đó là để cho bản thân có động lực và cơ hội nghiên
cứu kỹ hơn về trung tâm gia công, máy phay CNC, tích lũy thêm kinh nghiệm để
phục vụ những yêu cầu công việc sau khi tốt nghiệp.
Các chi tiết cơ khí chính như thân cụm trục Z, thân cụm trục Y, bàn máy, trụ
đứng, bệ máy đã được thiết kế với sự trợ giúp của phần mềm CAD/CAE
(SolidWorks 2012). Một số chi tiết, bộ phận khác như cụm trục chính, thanh trượt-
bạc trượt, vít me-đai ốc bi, ổ bi… đã được tính toán lựa chọn phù hợp theo tiêu
chuẩn của các hãng sản xuất thiết bị trên thị trường hiện nay, cách làm này được
cho là giảm thời gian và chi phí đầu tư mà vẫn hiệu quả.
Ngoài tiêu chí về độ bền, biến dạng, công năng sử dụng, các chi tiết còn
được thiết kế với mục tiêu đảm bảo tính công nghệ trong chế tạo,lắp ráp và tối ưu
hóa kết cấu.
Tuy nhiên, đây mới là phiên bản thiết kế đầu tiên và người thực hiện nó rất ít
được tiếp cận thực tế với các chi tiết, bộ phận trong trung tâm gia công, máy phay
CNC; nhiều chi tiết, bộ phận chỉ được nghiên cứu qua hình ảnh, sách báo, tạp chí,
nên đề tài này chắc chắn còn nhiều vấn đề cần điều chỉnh và hoàn thiện. Và rất
mong nhận được ý kiến đóng góp xây dựng của các thầy và những người có kinh
nghiệm trong lĩnh vực này.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình, hiệu quả của thầy phụ trách
hướng dẫn thực hiện đề tài TS. Nguyễn Văn Tường.

Người thực hiện đề tài

Phạm Đỗ Tùng

Email:




13

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ PHẬN CƠ KHÍ
CỦA TRUNG TÂM GIA CÔNG ĐỨNG CNC 3 TRỤC

1.1 Sơ lược về trung tâm gia công
Với sự tích hợp điều khiển số NC (Numerical Control), các máy công cụ ngày
càng trở nên linh hoạt và tinh vi hơn. Từ những máy công cụ truyền thống với tính
năng kỹ thuật hạn chế, các nhà chế tạo máy công cụ đã phát triển chúng thành
những máy NC/CNC với tính năng linh hoạt và gia công chi tiết đạt độ chính xác
cao hơn. Không những thế, các máy CNC (Computer Numerical Control) còn được
tích hợp thêm nhiều hệ thống như: thay dao tự động, đầu rơ-von-ve tự động, hệ
thống cấp/tháo phôi tự động,vận chuyển phoi tự động, so dao tự động …, nhờ đó
các máy tiện CNC phát triển thành trung tâm tiện (turning center), máy phay CNC
thành trung tâm gia công (machining center). Những trung tâm này thực hiện được
nhiều chức năng gia công khác nhau như tiện, phay, tiện - phay, khoan, doa, mài,
ta rô So với máy CNC thông thường thì các trung tâm này có tính tự động hóa rất
cao trong sản xuất, tốc độ gia công cao hơn, thực hiện được nhiều chức năng gia
công hơn và đạt được độ chính xác cao hơn khi gia công các bề mặt phức tạp.

Hình 1.1: Từ trái qua phải lần lượt là: máy phay đứng truyền thống,
máy phay CNC 3 trục, trung tâm gia công đứng 3 trục.
Như vậy, khi nói đến trung tâm gia công có nghĩa là trung tâm gia công CNC.
Hiện nay, trung tâm gia công được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công
nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực chế tạo máy, chế tạo khuôn mẫu…Trên thị trường,

về cơ bản có các loại trung tâm gia công đứng (Vertical Machining Center - VMC ),
trung tâm gia công ngang (Horizontal Machining Center - HMC), trung tâm gia
công cao tốc (High Speed Machining Center - HSMC) với số trục điều khiển đồng
thời từ 3 đến 5 trục…
14

1.2 Tổng quan về các bộ phận của trung tâm gia công đứng CNC 3 trục
Sơ đồ các bộ phận của trung tâm gia công đứng 3 trục được sử dụng phổ biến
trong công nghiệp hiện nay, hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ các bộ phận của trung tâm gia công đứng 3 trục.
Trung tâm gia công đứng 3 trục tiêu chuẩn
thường dùng trong công nghiệp
Hệ thống cơ, thủy khí Hệ thống điện, điều khiển
Bộ phận chính Bộ phận phụ trợ
Servo motor
trục x,y,z, trục chính
Bộ điều khiển CNC
Driver điều khiển
Servo motor
Bộ nguồn
PLC (Program Logic
Control)
Bệ máy
Trụ đứng
Thân cụm
chuyển động
trục X,Z,Y.
Bàn máy
Trục chính

Thanh trượt,
bạc trượt
tr
ụ
c X,Y,Z

Vít me, đai ốc bi

trục X,Y,Z
Bộ chứa
dao, thay
dao t
ự

đ
ộ
ng.

Hệ thống
bôi trơn,
làm mát

Hệ thống
cấp dung
dịch trơn
nguội
Các cảm biến, thiết bị
đo điện tử
(encoder rotation,
encoder line, công tắc

hành trình, sersor:
nhiệt, áp suất, dòng
điện…
Các thiết bị khác
Hệ thống
vận chuyển
phoi tự động
Hệ thống cấp
,tháo phôi
tự động
Vỏ máy,
bộ phận
che chắn
15

a. Bệ máy: thường là chi tiết có khối lượng và kích thước lớn nhất, tất cả các
bộ phận khác của máy như trụ đứng, thân các cụm chuyển động, bàn máy…đều
được lắp trên bệ máy. Và phía dưới bệ máy có các chân đế có lỗ để lắp với bulông -
đai ốc chân đế, hoặc lắp cố định với nền.

Hình 1.3: Bệ máy
b. Trụ đứng: được lắp với ngay phía trên bệ máy, trụ đứng mang cụm trục
chính, ổ chứa dao, hệ thống bôi trơn làm mát, thanh trượt - bạc trượt, vít me - đai ốc
trục Z…

Hình 1.4: Một kiểu trung tâm gia công đứng 3 trục.
Tr
ụ

đ

ứ
ng

B
ệ

máy

Thân c
ụ
m chuy
ể
n

động trục Z
Tr
ụ
c chính

Bàn máy

Thân c
ụ
m
chuyển
động trục Y
Ổ

ch
ứ

a dao

B
ộ

pít tông

-

xy lanh

khí nén
Motor Servo
16

c. Bàn máy: bàn máy mang chi tiết gia công (phôi). Phía trên bàn máy có các
rãnh chữ T theo tiêu chuẩn.
d.Chi tiết thân của cụm chuyển động theo các trục: tất cả các chi tiết trong cụm
chuyển động đều được lắp trên chi tiết này. Ví dụ: thân cụm chuyển động trục Z
chuyển động theo trục Z mang theo trục chính, động cơ trục chính…
e. Trục chính: trong trung tâm gia công 3 trục thường dùng: trục chính truyền
động trực tiếp, trục chính truyền động đai răng, trục chính tích hợp.

A) B)

C)
Hình 1.5: Các loại trục chính dùng trong trung tâm gia công đứng.
A) Trục chính truyền động đai răng.
B) Trục chính truyền động trực tiếp.
C) Trục chính tích hợp.

Với tốc độ ≤ 15000 (vòng/phút): trục chính truyền động đai răng thường được
sử dụng hơn do giá thành thấp hơn, linh hoạt hơn khi thiết kế, lựa chọn động cơ
Servo trục chính và bộ sinh lực đẩy thay dao phù hợp. Trục chính loại này có chốt
đẩy thay dao ở phía đầu trên cùng của trục chính và tự động kẹp chặt dao bằng cơ
cấu đàn hồi ở bên trong trục chính, nghĩa là trục chính luôn ở trạng thái kẹp chặt
dao, khi thay dao (lắp dao) thì cần có thêm bộ sinh lực đẩy (dùng pít tông - xylanh
khí nén hoặc thủy lực) lắp phía trên chốt đẩy.

17

Với tốc độ ≥ 15000 (vòng/phút): trục chính truyền động trực tiếp và trục
chính tích hợp thường được sử dụng hơn do có độ bền cao và độ tin cậy cao hơn khi
làm việc với tốc độ cao.
Đối với trục chính truyền động trực tiếp thường được tích hợp bộ sinh lực
thay dao (dùng khí nén hoặc dầu) bên trong, còn động cơ Servo được nối trục với
trục truyền động của trục chính bằng khớp nối đàn hồi.
Đối với trục chính tích hợp: bộ sinh lực thay dao - kẹp dao và động cơ Servo
được tính hợp bên trong thân của trục chính (trục chính đóng vai trò là một Roto
của động cơ). Trục chính loại này hoạt động với tốc độ quay rất lớn nên thường
dùng cho trung tâm gia công cao tốc.
f. Thanh trượt, bạc trượt: thanh trượt - bạc trượt bi (con lăn) tuần hoàn được
sử dụng do có hệ số ma sát rất nhỏ khoảng 0,004 ; nhỏ hơn 1/50 lần so với băng
trượt truyền thống [8, tr.9] . Các con lăn hoặc bi vừa lăn vừa di chuyển theo một
rãnh tuần hoàn khi làm việc. Do đó, cho phép bạc trượt di chuyển với tốc độ cao, có
thể lên đến 130 (m/phút) [8, tr.60]

Hình 1.6: Thanh trượt - bạc trượt con lăn tuần hoàn.

Hình 1.7: Thanh trượt - bạc trượt bi tuần hoàn
18

g. Vít me -đai ốc bi tuần hoàn: Các con bi vừa lăn vừa di chuyển theo một rãnh
ống tuần hoàn khi làm việc, hệ số ma sát rất nhỏ khoảng 0,004 và làm việc êm.


Hình 1.8: Các loại vít me - đai ốc bi tuần hoàn.
h. Bộ sinh lực đẩy thay dao pít tông - xylanh khí nén: được dùng với kiểu trục
chính truyền động đai răng.

Hình 1.9: Bộ sinh lực đẩy thay dao pít tông - xy lanh khí nén
giới hạn hành trình pít tông bằng 2 công tắc hành trình.

Hình 1.10: Mô hình trục chính được lắp bộ sinh lực đẩy thay dao.

19

i. Hệ thống thay dao tự động:
Có 3 loại hệ thống thay dao tự động phổ biến hiện nay:
- Loại ổ chứa dao tuyến tính có tay máy thay dao, ( hình 1.11 A )
- Loại ổ chứa dao xoay tròn trên mặt phẳng thẳng đứng có tay máy thay dao,
( hình 1.11 B )
- Loại xoay tròn trên mặt phẳng nằm ngang (không có tay máy thay dao),
( hình 1.11 C )



A) B)

C)
Hình 1.11: Hệ thống thay dao tự động.

20

+ Tay máy thay dao có hành trình được tự động hóa bằng cơ cấu cam, nên có
độ tin cậy cao, chính xác và tốc độ nhanh.

Hình 1.12: Mô hình tay máy thay dao.
k. Hệ thống cấp, tháo phôi tự động:
Có 3 loại:
- Hệ thống cấp tháo phôi tự động dùng tay máy robot.
- Hệ thống pallet cấp tháo phôi tự động: loại nhiều pallet xoay, loại nhiều
pallet tuyến tính.
- Hệ thống kết hợp tay máy và pallet .
Hệ thống pallet: Các pallet mang hệ thống đồ gá đến vùng gia công cũng như
mang chúng ra khỏi vùng đó sau khi gia công xong. Pallet được định vị chính xác
tại đầu máy (ngay vùng gia công) và được khóa chặt tại vị trí đó để đảm bảo độ
chính xác lặp lại và độ an toàn. Trên pallet có các rãnh chữ T hoặc hệ thống các lỗ
cho việc lắp các bulông đồ gá. [5]
Trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) và
tế bào gia công linh hoạt FMC (Flexible Manufacturing Cell) người ta hay sử dụng
các trung tâm gia công với hai loại pallet sau: pallet đôi và bộ nhiều pallet.


21

- Pallet đôi:
Bao gồm loại xoay tròn và loại tịnh tiến. Có thể có hai dạng sau:
+ Hai pallet trên một máy đơn. Người vận hành máy sẽ tháo chi tiết gia công
hoặc lắp phôi trên một pallet trong khi một chi tiết khác đang được gia công trên
pallet kia.

+ Hệ thống palet cũng là chi tiết thành phần trong hệ thống nhập/xuất của
FMC hoặc FMS. Do đó các pallet được đến trung tâm gia công và từ trung tâm gia
công đến hệ thống nhập/xuất thông qua các xe vận chuyển được dẫn hướng bằng
đường ray hoặc các xe được dẫn hướng tự động. Trong hệ thống này thì một pallet
sẽ nạp chi tiết và chi tiết được gia công trong khi pallet kia được chuyển từ máy
công cụ sang xe hàng.
- Bộ nhiều pallet:
Bao gồm loại xoay tròn và loại tuyến tính. Hệ thống này có từ 4 - 16 pallet
thường xuyên được kết nối với máy công cụ. Hệ thống 4 - 8 pallet thường được lặp
trên một bàn xoay còn hệ thống với số pallet lớn hơn thường được lắp trên một hệ
thống băng chuyền chạy phía trước máy công cụ.

A) B)
Hình 1.13: Trung tâm gia công nhiều pallet: loại xoay (A) và loại tuyến tính (B).




22

l. Thước đo quang học:
Thước đo quang học được lắp phía dưới bàn máy (đối với loại bàn máy tịnh
tiến) và thân của cụm chuyển động tịnh tiến theo các trục X,Y,Z; để kiểm soát vị trí
trục chính (dao) theo các phương X,Y,Z. Độ chính xác kích thước gia công của
trung tâm gia công phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của thước đo quang học.
Thước đo quang học bao gồm 2 bộ phận chính là thanh thước đo và bộ phận
đọc giá trị đo, thanh thước đo được sản xuất với chiều dài tiêu chuẩn thông thường
từ 100 mm đến hơn 8000 mm. Có loại thước đo quang học cho phép ghép nối các
thanh thước đo với nhau để có được chiều dài đo lớn hơn. Độ chính xác phổ biến từ
±0,5 mm đến ±0,001 mm. Có loại tốc độ tịnh tiến lớn nhất cho phép tới 120

(m/phút)

Hình 1.14: Một loại thước đo quang học thường dùng trong máy CNC
















23

Chương 2 LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY
VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CƠ BẢN

2.1 Chọn kết cấu máy
Trên thị trường, trung tâm gia công đứng 3 trục có nhiều kiểu kết cấu khác
nhau, theo số trục tịnh tiến điều khiển được (phương chuyển động) của trục chính
và bàn máy có thể chia thành 4 loại:
Bảng 2.1: Phân loại kết cấu trung tâm gia công đứng 3 trục.
STT

Trục chính Bàn máy Phạm vi thường được ứng dụng
Phương chuyển động
1 Z X, Y Dòng máy cỡ nhỏ và trung bình
2 Cố định X,Y,Z Dòng máy cỡ nhỏ hoặc các máy CNC được
phát triển từ máy phay đứng truyền thống.
3 Z,X Y Dòng máy cao tốc cỡ nhỏ và trung bình
4 X,Y,Z Cố định Dòng máy cỡ lớn, gia công các chi tiết rất
lớn và nặng.

A) B)
Hình 2.1: Kết cấu trung tâm gia công đứng 3 trục
A) Loại trục chính chuyển động theo trục X và Z, bàn máy chuyển động theo trục Y
B) Loại trục chính chuyển động theo trục Z, bàn máy chuyển động theo trục X và Y
Chọn tính toán thiết kế trung tâm gia công đứng 3 trục theo kiểu B hình 2.1
(hình 1.4) vì nó phổ biến nhất và phù hợp với dòng máy cỡ nhỏ.

24

2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản
Tham khảo thông số kỹ thuật cơ bản của các trung tâm gia công đứng 3 trục
được xếp vào loại máy cỡ nhỏ trên các trang website giới thiệu sản phẩm.
[21], [22], [23], [24]
Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy sẽ thiết kế:
Bảng 2.2: Bảng các thông số kỹ thuật cơ bản của máy sẽ thiết kế
Thông số Đơn vị
Trung tâm gia công
đứng 3 trục
Tốc độ lớn nhất trục chính Vòng/phút 9000
Kiểu truyền động trục chính Đai răng

Lỗ côn trục chính BT40
Kích thước bàn máy mm 1000x500
Diện tích làm việc mm 900x450
Khối lượng phôi lớn nhất kg 1000
Dịch chuyển nhanh trục X/Y/Z m/phút 30/30/30
Hành trình trục X mm 900
Hành trình trục Y mm 450
Hành trình trục Z mm 600
Sai số vị trí mm ±0,003
Dẫn động các trục và trục chính Động cơ AC Servo
Bảng 2.2 được coi như là các yêu cầu kỹ thuật ban đầu cho việc tính toán thiết kế.

2.3 Chọn thước đo quang học cho các trục
Thước đo quang học được chọn thông qua các yếu tố như: sai số vị trí cho phép
±0,003 (mm), hành trình các trục XxYxZ: 900x450x600, tốc độ di chuyển nhanh 30
(m/phút) (bảng 2.3).
Dựa vào các bảng trong phụ lục 17 và 18, chọn 3 thước đo quang học KD200
của hãng ELAP có hành trình đo tương ứng với các trục X, Y, Z lần lượt là 1000,
500, 700 (mm)

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cơ bản của thước đo quang học dòng KD200
Thông số Giá trị Đơn vị
Hành trình đo 250÷6500 mm
Độ phân giải 0,005 mm
Sai số đo (tại 20
o
C) ±0,003 mm
Tốc độ lớn nhất 60 m/phút
Gia tốc lớn nhất 30 m/s
2

Nhiệt độ cho phép - 20÷70
o
C

25



2.4 Giới hạn phạm vi tính toán thiết kế
Tính toán thiết kế các thành phần sau:
+ Tính toán chọn trục chính, vít me - đai ốc bi, thanh trượt - bạc trượt,
động cơ AC sevor… theo tiêu chuẩn.
+ Thiết kế thân máy (trụ đứng, bệ máy), bàn máy, và chi tiết thân cụm
chuyển động theo các trục Y,Z…