NGHIÊN cứu, THIẾT kế và CHẾ tạo máy KHẮC đá CNC 3 TRỤC

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC ĐÁ CNC 3 TRỤC
RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE 3 AXIS CNC STONE ENGRAVING
MACHINE
TS. Bùi Thanh Luân1a, KS. Nguyễn Đoan Hải1b
1
Trường Đại học Công nghệ TPHCM, Việt Nam
,
TÓM TẮT
Hiện nay, trong sản xuất các sản phẩm tranh, phù điêu bằng đá mỹ nghệ cần có độ tinh
xảo cao và mức độ đồng đều giống nhau trong sản xuất hàng loạt. Các sản phẩm này khi được
sản xuất bằng phương pháp thủ công thì chưa đáp ứng được tiêu chuẩn của thị trường nội địa
và quốc tế vì không đảm bảo được sự giống nhau giữa các sản phẩm cùng chủng loại. Ứng
dụng công nghệ máy CNC vào trong việc sản xuất các sản phẩm từ đá sẽ nâng cao chất lượng
và sự đồng đều của sản phẩm. Máy khắc đá CNC 3 trục được nghiên cứu chế tạo với mục
đích để gia công các tấm tranh, phù điêu bằng đá có kích thước chiều rộng 1200mm, chiều dài
1500mm và chiều cao 300mm. Máy có 3 trục di chuyển vuông góc và một đầu trục chính cao
tốc để gắn dao gia công. Ba chuyển động của trục được đảm bảo bởi hệ thống điều khiển số.
Bài báo cáo này sẽ trình bày những tính toán, thiết kế và chế tạo máy khắc đá CNC 3 trục để
đảm bảo độ cứng vững của máy, chịu được va đập và những thay đổi trong trong quá trình gia
công để đảm bảo cho sản phẩm làm ra có độ chính xác ±1mm.
Từ khóa: máy khắc đá, gia công CNC, máy CNC 3 trục, gia công đá, tranh đá nghệ thuật
ABSTRACT
Nowadays, manufacturing of reliefs stone art products requires the deliticate and
homogeneous level in mass production. The handmade of reliefs stone art products are not
met the standards of the domestic and international markets because the homogeneous
standard of products is not sure. CNC machine technology applications in the manufacturing
of reliefs stone art will improve the quality and homogeneous of the product. The stone
engraving CNC 3-axis machine is researched for the purpose of manufacturing the reliefs
stone arts with the size of 1200mm width, 1500mm length and 300mm height. The machine

has a 3-axis perpendicular movement and a high-speed spindle. Three-axis motion of the
machine is controlled by the digital control system. This paper presents the calculation, design
and manufacturing of the stone arts engraving CNC 3-axis machine, ensuring the machine is
met the requirements of firm, impact, changes in processing and products meet the ±1mm
accuracy requirement.
Keywords: stone engraving machine, CNC processing, CNC 3-axis machine, stone
processing, reliefs stone art
1. GIỚI THIỆU
Công nghệ gia công CNC ngày càng phổ biến tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy CNC
trong việc gia công chế tạo sản phẩm rất cao. Hiện nay có nhiều loại máy CNC phục vụ trong
ngành cơ khí, ngành gỗ mỹ nghệ như: tiện CNC, phay CNC, đột CNC,… Đặc biệt trong
ngành chế tác đá mỹ nghệ hiện nay có nhu cầu sử dụng máy CNC để gia công các sản phẩm
phù điêu từ đá tấm nguyên khối. Với gia công đá có nhiều sự khác biệt so với gia công kim loại
thông thường, phôi kim loại có độ cứng đồng đều với nhau ở mọi vị trí, còn đá là loại vật liệu có
kết cấu độ cứng không đồng đều, nên chế độ gia công phức tạp hơn các vật liệu khác. Dụng cụ
206


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
cắt gọt trên đá cũng có rất nhiều khác biệt so với gia công trên kim loại, hiện nay trên thế giới
cũng có nhiều nghiên cứu về kỹ thuật gia công và dao cắt trong gia công cắt gọt đá.
Việc chế tạo máy điêu khắc đá CNC để giải phóng sức lao động của người thợ điêu
khắc và đảm bảo chất lượng bề gia công và sự đồng đều của sản phẩm. Máy được chế tạo với
các yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di chuyển
các trục không tải là 5000mm/phút, gia công vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao
lớn nhất ϕ =15mm.
Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về gia công đá Feng Lian Qi và nhóm nghiên cứu
[1] đã nghiên cứu hệ thống đo tự động lực tác động trong quá trình gia công đá. Abraham
Segade Robleda và nhóm nghiên cứu [2] đã giới thiệu về gia công đá với kỹ thuật gia công cắt
đá bằng lưỡi cắt đính mảnh hợp kim. Một số nghiên cứu về gia công đá khác [3-6] để gia

công cắt gọt đá hoặc cắt đá từ khối ra thành đá tấm. Những nghiên cứu trên tập trung chủ yếu
vào các cách để cắt đá và vật liệu làm dao, chưa nói nhiều đến máy móc và độ chính xác trong
gia công. Ngoài ra trong nước có Phạm Đăng Phước nghiên cứu, chế tạo mô hình máy phay
CNC 2D [7], tuy nhiên tác giả chỉ dừng lại ở mô hình thiết kế và chưa có kết quả thực nghiệm
và chế tạo máy thật. Bài viết tập trung chủ yếu vào thiết kế máy khắc đá CNC 3 trục, dùng để
gia công đá trắng non nước tạo ra sản phẩm là các tấm tranh hay phù điêu với chất lượng các
sản phẩm đạt được độ tinh xảo và giống nhau. Với sai số kích thước lặp lại của máy là ±1mm.
Bài viết được trình bày theo các mục sau: mục 1 giới thiệu về máy khắc đá CNC, mục 2
về nội dung tính toán và thiết kế, mục 3 là các kết quả đạt được, mục 4 là kết luận.
2. NỘI DUNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
2.1. Độ cứng của đá trắng non nước cần gia công
Đá trắng non nước là loại mẫu đá cẩm thạch non nằm ở thang Mohs: 3 - 4 tương ứng
với độ cứng tuyệt đối khoảng 21, nếu quy đổi tương đối HV trong khoảng 315, HB là 295 304 và HRC là 31 - 32.

Hình 1. Biểu đồ Moh's Scale
207


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.2. Kết cấu máy và tính toán thiết kế
Từ yêu cầu của sản phẩm, độ cứng của vật liệu cần gia công, đường kính dao lớn nhất
của gia công là ϕ = 15mm, độ chính xác yêu cầu và tốc độ quay trục chính gắn dao của gia
công đá này được tính toán là 24000 vòng/phút. Từ đó chọn được kết cấu máy, tiến hành thiết
kế bảng vẽ 3D.

Hình 2. Bảng vẽ 3D của máy được thiết kế

Hình 3. Bảng vẽ 3D với kích thước tồng thể dài 2500mm, ngang 1410mm, cao 1655mm
Chọn vật liệu chế tạo máy là thép tấm CT3 và dựa trên bảng vẽ thiết kế 3D, lực cắt
trong quá trình gia công với vòng quay trục chính lớn nhất và đường kính dao lớn nhất, từ đó

tiến hành mô phỏng độ biến dạng trên phần mềm Ansys để kiểm tra độ cứng vững của máy.
2.3. Tính toán mô phỏng trên phần mềm Ansys
Tính toán mô phỏng trên phần mềm Ansys với đường kính dao và lực cắt tác dụng lớn nhất.
2.3.1. Sự thay đổi khi chịu lực tác dụng của bàn máy
Thông số của bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 1373mm,
Y = 2465mm, Z = 300mm vật liệu thép CT3.

208


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 4. Bảng vẽ 3D của bàn máy đưa vào tính toán mô phỏng
Độ biến dạng bàn máy khi chịu lực 1 tấn và trọng lượng của chính bản thân nó.

Hình 5. Biến dạng của bàn máy được tính toán mô phỏng trên Ansys
Với độ biến dạng lớn nhất là 0,069988mm khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với
thiết kế.
Ứng suất bàn máy khi chịu lực 1 tấn và trọng lượng của chính bản thân nó.

Hình 6. Biến dạng của bàn máy được tính toán mô phỏng trên Ansys
Với ứng suất lớn nhất là 5,9226MPa khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế.
209


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3.2. Sự thay đổi khi chịu lực tác dụng của khung trục X, Y
Thông số của bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 400mm,
Y = 1764mm, Z = 970mm vật liệu thép CT3.

Hình 7. Bản vẽ 3D của khung trục X, Y đưa vào tính toán mô phỏng
Độ biến dạng của cầu trục X khi chịu lực 100Kg và trọng lượng của chính bản thân nó

Hình 8. Biến dạng của khung trục X, Y đưa vào tính toán mô phỏng
Độ biến dạng lớn nhất là 0.002161mm khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với
thiết kế.
Ứng suất của cầu trục X, Y khi chịu lực 100kg và trọng lượng của chính bản thân nó.

Hình 9. Ứng suất của khung X, Y được tính toán mô phỏng
210


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Ứng suất lớn nhất là 0,90232MPa khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế.
2.4. Tính toán thiết kế chọn ray dẫn hướng, vít me và công suất mô tơ di chuyển trục
2.4.1. Tính toán, lựa chọn hệ thống ray dẫn hướng
Các thông số đầu vào: vận tốc di chuyển V = 10m/phút, gia tốc a = 1m/s2, Tuổi thọ 10
năm với hiệu suất 90%.
Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục X
Hành trình trục X dài l = 1400mm. Tính toán và dựa vào tải trọng động tính toán được
và bố trục thiết kế thanh trượt có mã HGW35CC (C=49,52 KN; Co=69,16 KN) theo HIWIN
Catalog.
Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục Y
Hành trình trục Y dài l = 2300mm. Tính toán và dựa vào tải trọng động tính toán được
và bố trục thiết kế thanh trượt có mã HGW45 (C=77,57 KN; Co=102,71 KN) theo HIWIN
Catalog.
Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục Z
Hành trình trục Z dài l = 350mm. Tính toán và dựa vào tải trọng động tính toán được và
bố trục thiết kế thanh trượt có mã HGW25CC (C=49,52 KN; Co=69,16 KN) theo HIWIN
Catalog.

2.4.2. Tính toán, chọn hệ thống vít me truyền động và động cơ
Tính toán, chọn vít me và động cơ trục X
Thông số đầu vào: Tổng khối lượng đặt lên trục X = 80kg, chiều dài hành trình:
1450mm, Vmax: 10m/phut, tốc độ động cơ: 1500 vòng/phut, hệ số ma sát: = 0.1, tuổi thọ
mong muốn: 10 năm, chọn hệ số an toàn k = 2.
Tính toán và dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 32-10T4, có
C = 3252 (kgf), C 0 = 7102 (kgf), D = 32 (mm), bước vít me l = 10mm.
= 7,586 (N.m), ta chọn motor yaskawa công
Momen xoắn động cơ cần tìm
suất P = 1,3 Kw, Torque = 8,34 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút.
Tính toán, chọn vít me và động cơ trục Y
Tổng khối lượng đặt lên trục Y = 700kg, chiều dài hành trình: 2300mm, Vmax =
10m/ph, vốc độ động cơ: 1500 vòng/ph, hệ số ma sát: = 0,1, tuổi thọ mong muốn: 10 năm,
chọn hệ số an toàn k = 2.
Tính toán và dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 40-10T4, có
C = 3789 (kgf), C 0 = 94269 (kgf), D = 40 (mm), bước vít me l = 10mm.
Momen xoắn động cơ cần tìm
(N.m), ta chọn motor yaskawa công
suất P = 2,9 Kw, Torque= 18.6N.m, Rpm = 1500 vòng/phút.
Tính toán, chọn vít me và động cơ trục Z
Thông số đầu vào: Tổng khối lượng đặt lên trục Z: 40kg, chiều dài hành trình: 400mm,
Vmax: 10m/ph, tốc độ động cơ: 1500 vòng/phút, hệ số ma sát: =0.1, tuổi thọ mong muốn: 10
năm, chọn hệ số an toàn k = 2.
Tính toán và dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 25-10T4, có
C = 2038 (kgf), C0 = 3415 (kgf), D = 25 (mm), bước vít me l = 10mm.
Momen xoắn động cơ cần tìm
=2,63 (N.m), ta chọn motor yaskawa công suất
P= 500 w, Torque= 2,84 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút.
211

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM
Từ Hình 10 đến Hình 18 là quá trình gia công lắp ráp máy. Hình 19 là máy đã được chế
tạo hoàn thiện, Hình 20 là dao gia công được thiết kế chế tạo riêng cho khắc đá, Hình 21 là
quá trình gia công thử nghiệm trên đá trắng non nước với hình logo quả táo có kích thước
khung bao vuông 40mm x 40mm, các thông số gia công: tốc độ tiến dao F = 1500mm/phút,
tốc độ quay trục chính S = 20000 vòng/phút, đường kính dao Ф = 16mm. Hình 22 là kết quả
của gia công thử nghiệm trên 2 loại vật liệu đá trắng và đá đen với cùng kích thiết kế, cả hai
sản phẩm có chất lượng bề mặt gia công trơn nhẵn, đạt độ sai số kích thước ± 0.5mm so với
thiết kế, đảm bảo yêu cầu đặt ra. Độ sai số của hai sản phẩm với nhau là 0,2mm. Máy hoạt
động tốt với tốc độ cao 5000mm/phút, đảm bảo được độ chính xác trong quá trình gia công có
va đập do sự không đồng đều của phôi.

Hình 10. Thép được cắt bằng máy Plasma
CNC theo bảng vẽ

Hình 11. Thép tấm được chấn, gấp theo
bảng vẽ thiết kế

Hình 12. Hàn lắp ráp khung theo bảng vẽ

Hình 13. Đế khung máy sau khi hàn lắp
ráp

212


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 14. Thân máy sau khi hàn lắp ráp
Hình 15. Thân máy đang được gia công
trên máy phay

Hình 16. Thân đỡ 2 bên đã được gia công

Hình 17. Lắp ráp hoàn thiện phần khung
đế máy

Hình 18. Máy trong quá trình lắp ráp

Hình 19. Máy lắp ráp hoàn thiện

213


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 20. Dao khắc đá có Ф=15mm được
chế tạo

Hình 21. Gia công thử nghiệm

Hình 22. Kết quả gia công thử nghiệm
4. KẾT LUẬN
Bài báo này đã trình bày các công đoạn tính toán thiết kế máy khắc đá CNC 3 trục. Đầu tiên,
quá trình tính toán, thiết kế máy khắc đá CNC đã được trình bày. Sau đó, máy đã được chế tạo
với các yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di
chuyển tối đa của các trục không tải là 5000mm/phút, công suất trục chính 2,2Kw, gia công
vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao lớn nhất Ф =15mm. Cuối cùng là kết quả của

gia công thử nghiệm đạt độ chính xác theo yêu cầu đề ra với độ sai số kích thước của chi tiết
gia công so với thiết kế đo được là ± 0,5mm và sai số của 2 sản phẩm với nhau là 0,2mm.
Máy hoạt động êm, đảm bảo độ cứng vững, chịu được va đập và những thay đổi trong quá
trình gia công.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Feng L. Q., Zhi L. S. and Min Z., The Research of Automatic Measuring System on
Stone Milling Force, Applied Mechanics and Materials, 2009, Vol 16–19, pp 1005-1009.
[2] Abraham S. R., José A. V. V., Marcos L. L. and Javier T. C., The Rock Processing
Sector: Part I: Cutting Technology Tools, a New Diamond Segment Band Saw Part Ii:
Study of Cutting Forces, Dyna rev.fac.nac.minas, 2010, Vol.77, pp. 77-87.
[3] Kahraman, S., Ulker, U. and Delibalta, M.S, A quality classification of building stones
from P-wave velocity and its application to stone cutting with gang saws. The Journal of
The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2007, Vol. 107, pp 427-430.
[4] Konstanty, J., Theoretical analysis of stone sawing with diamonds. Journal of Materials
Processing Technology, 2002, Vol. 123, pp. 146-154.
214


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[5] Di Ilio, A. And Togna A., A theoretical wear model for diamond tools in stone cutting,
International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003, Vol. 43, pp 1171-1177.
[6] Bolatashvili, N.D., Mgaloblishvili, K. D. and Dadunashvili G.G., Theoretical and
experimental study of the wear factor for a diamond stone-cutting tool. Measurement
Techniques, Vol. 2009, 52 (3), pp 292-295.
[7] Ersoy, A. and Atici, U. P., Characteristics of circular diamond saws in cutting different
types of rocks. Diamond and Related Materials, Vol. 13, pp 22-37, 2004.
[8] P. D. Phước, Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D, Tạp chí khoa học và công
nghệ Đà Nẵng, 2010, Số 3, pp. 76-81.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

TS. Bùi Thanh Luân, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM
Email: , 0918374006.

2.

KS. Nguyễn Đoan Hải, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM
Email: , 0939490000.

215