NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIATHIẾT KẾ CÁC BÀI GIẢNG MÔ PHỎNG ĐỂ HỖ TRỢ VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG, HIỆU QUẢ GIẢNG DẠY CÁC MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ KHÍ

BỘ LAO ĐỘNG - THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT VINH

BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP BỘ
NĂM 2015

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIATHIẾT
KẾ CÁC BÀI GIẢNG MÔ PHỎNG ĐỂ HỖ TRỢ VÀ NÂNG
CAO CHẤT LƢỢNG, HIỆU QUẢ GIẢNG DẠY CÁC MÔN
HỌC CHUYÊN NGÀNH CƠ KHÍ
MÃ SỐ:CB2015-04-04

HÀ NỘI, NĂM 2016
i


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GHÉP .................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................. xii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC PHẦN MỀM LĨNH VỰC CƠ KHÍ .................. 5
1.1. Lịch sử phát triển các phần mềm cơ khí ......................................................5
1.2. Chức năng nổi bật của một số PMUD phổ biến trong lĩnh vực cơ khí........5
1.2.1. Nhóm phần mềm vẽ, thiết kế ...................................................................... 5
1.2.2. Nhóm các phần mềm thiết kế, mô phỏng ................................................... 5
1.3. Tầm quan trọng của các phần mềm cơ khí ..................................................7
1.3.1. Ứng dụng các phần mềm cơ khí trong dạy học .......................................... 7
1.3.2. Ứng dụng phần mềm cơ khí trong thực tiễn sản xuất ................................. 8
Chƣơng 2. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA THIẾT KẾ CÁC BÀI GIẢNG

MÔ PHỎNG MỘT SỐ MÔN HỌC NGÀNH CƠ KHÍ ............................. 24
2.1. Giới thiệu phần mềm CATIA ....................................................................24
2.1.1. Mô hình hóa chi tiết (Part Modelling/Design) .......................................... 24
2.1.2. Lắp ráp (Assembly) ................................................................................... 25
2.1.3. Trình diễn mô phỏng ................................................................................. 26
2.1.4. Tạo bản vẽ 2D từ mô hình 3D (Drawing) ................................................. 28
2.1.5. Tính toán, thiết kế chi tiết máy ................................................................. 32
2.2. Thực hiện phép chiếu, phép cắt vật thể, thiết lập bản vẽ lắp .....................34
2.3. Thiết kế, kiểm nghiệm bền và chế tạo nắp bình áp lực..............................45

ii


2.4. Minh họa bài toán Nguyên lý máy bằng phần mềm Inventor ...................50
2.5. Xây dựng bộ thƣ viện các chi tiết máy ......................................................56
2.6. Tối ƣu hóa sản phẩm thiết kế với phần mềm Inventor ..............................57
2.6.1. Giới thiệu quá trình kiểm nghiệm bền trong Inventor .............................. 57
2.6.2. Kiểm nghiệm, tối ƣu hóa kết cấu của cơ cấu máy .................................... 66
2.7. Mô hình hóa sản phẩm bằng kỹ thuật ngƣợc và gia công trên máy CNC .89
2.7.1. Tổng quan về kỹ thuật ngƣợc (RE-Reverse Enineering) .......................... 89
2.8. Kết luận ......................................................................................................94
Chƣơng 3. CHẾ TẠO MỘT SỐ MÔ HÌNH TRỰC QUAN THIẾT KẾ TỪ
PHẦN MỀM CATIA .................................................................................. 96
3.1. Giới thiệu chức năng lập trình và gia công trên máy CNC trong CATIA .96
3.1.1. Mô phỏng gia công trên máy tiện ............................................................. 96
3.1.2. Lập trình, mô phỏng và gia công trên máy phay trong CATIA ............. 107
3.2. Xây dựng chƣơng trình và gia công trên máy CNC ................................119
3.2.1. Xây dựng chƣơng trình CNC và truyền dữ liệu sang các máy CNC ...... 119
3.2.2. Áp dụng kỹ thuật ngƣợc trên kính hiển vi đo lƣờng DIM4530U ........... 121
3.2.3. Lập trình và gia công sản phẩm .............................................................. 130

3.2.4. Kiểm tra, đánh giá sản phẩm................................................................... 132
3.3. Chế tạo bộ bầu gá gia công lỗ đa giác đều ...............................................134
3.3.1. Bộ bầu gá gia công trên máy tiện ............................................................ 134
3.3.2. Bộ bầu gá gia công trên máy khoan, phay đứng ..................................... 143
3.4. Chế tạo hộp giảm tốc................................................................................146
3.5. Thiết kế, chế tạo bộ đồ gá khoan .............................................................150
3.6. Kết luận ....................................................................................................152

iii


Chƣơng 4. KẾT LUẬN ..................................................................................... 153
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH ................................................................... 155
PHỤ LỤC i

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GHÉP

CAD

Computer Aid Design

CAM

Computer Aid Manufacturing

CNC

Computer Numerical Control

CATIA

Computer Aided Three dimensional Interactive Application

CAE

Computer Aided Engineering

CAPP

Computer-aided Process Planning

RP

Rapid Prototyping

CMM

Coordinate Measuring Machine

CCD

Charge-Coupled Device

TFT-LCD

Thin Film Transistor Liquid Crystal Display

BNC

Bayonet Neill–Concelman

PMUD

Phần mềm ứng dụng

SV

Sinh viên/Học sinh-Sinh viên

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. Nhiều phần mềm ứng dụng có thể nhận dữ liệu của nhau ..............6
Hình 2. Biểu đồ so sánh hiệu quả của các quá trình gia công .....................8
Hình 3. Quy trình thiết kế sản phẩm ..........................................................10
Hình 4. Đánh giá nguyên nhân gây biến dạng mối hàn thông qua giá trị a)
chuyển biến pha Mác-ten-xít và b) ứng suất phân bố xung quanh mối hàn[11] ..12
Hình 5. So sánh kết quả nghiên cứu a) bằng phƣơng pháp mô phỏng và b)
bằng thực nghiệm[13] ...........................................................................................13
Hình 6. Ví dụ tìm hình chiếu vật thể ..........................................................35
Hình 7. Giao diện phần mềm CATIA ........................................................36
Hình 8. Xây dựng Sketch trong CATIA ....................................................36
Hình 9. Tạo hình khối trong CATIA .........................................................37
Hình 10. Sử dụng chức năng cắt vật thể trong CATIA .............................37
Hình 11. Mô hình vật thể 3D trong CATIA...............................................38
Hình 12. Biểu diễn hình chiếu vật thể trong CATIA .................................39

Hình 13. Sử dụng PMUD để mô tả khối hình hình tạo nên vật thể ...........40
Hình 14. Thực hiện phép cắt trong CATIA ...............................................40
Hình 15. Biểu diễn hình chiếu trục đo trong CATIA ................................41
Hình 16. Bản vẽ 3D chi tiết E tô ................................................................42
Hình 17. Bản vẽ lắp chi tiết E tô ................................................................42
Hình 18. Bản vẽ 3D cơ cấu đồ gá khoan ...................................................43
Hình 19. Bản vẽ lắp cơ cấu đồ gá khoan ...................................................43
Hình 20. So sánh kết quả sử dụng PMUD trong học phần Vẽ kỹ thuật ....44
Hình 21. Mô tả quy luật của kết quả khảo sát ............................................45
Hình 22. Kích thƣớc nắp bình cao áp ........................................................45
vi


Hình 23. Vị trí làm việc của nắp bình cao áp.............................................46
Hình 24. Vị trí ứng suất tập trung lớn nhất ................................................48
Hình 25. Kết quả mô phỏng về lƣợng biến dạng theo phƣơng dọc trục của
chi tiết .................................................................................................................48
Hình 26. Chế tạo và thực nghiệm với nắp bình cao áp ..............................49
Hình 27. Vị trí xoay đảo lộn ......................................................................50
Hình 28. Kích thƣớc ghế ngồi ....................................................................51
Hình 29. Kích thƣớc ghế điều chỉnh ..........................................................51
Hình 30. Trọng tâm cơ thể ngƣời ...............................................................52
Hình 31. Xác định kích thƣớc tổng thể ......................................................52
Hình 32. Sơ đồ hóa cơ cấu .........................................................................53
Hình 33. Kích thƣớc các khâu tính toán ....................................................53
Hình 34. Sơ đồ vị trí các khâu....................................................................54
Hình 35. Thông số thiết kế 2D và bản vẽ 3D.............................................54
Hình 36. Các vị trí làm việc của cơ cấu .....................................................55
Hình 37. Mô hình cơ cấu đảo lộn 3D vị trí ngồi ........................................55
Hình 38. Mô hình cơ cấu đảo lộn 3D vị trí thẳng đứng .............................56

Hình 39. Bản vẽ lắp một số chi tiết máy hộp giảm tốc ..............................57
Hình 40. Mô hình bài toán mẫu .................................................................58
Hình 41. Xác định thông số quá trình mô phỏng .......................................58
Hình 42. Gán vật liệu cho dầm ..................................................................59
Hình 43. Cơ tính của vật liệu .....................................................................59
Hình 44. Xác định điều kiện biên cho dầm ................................................60
Hình 45. Xác định vị trí lực tác dụng lên dầm ...........................................61

vii


Hình 46. Tiến hành mô phỏng ứng suất .....................................................61
Hình 47. Ứng suất tổng hợp của dầm ........................................................62
Hình 48. Ứng suất theo nguyên lý thứ nhất của dầm.................................62
Hình 49. Ứng suất theo nguyên lý thứ 3 của dầm .....................................63
Hình 50. Chuyển vị của dầm ......................................................................64
Hình 51. Hiệu chỉnh lƣới............................................................................64
Hình 52. Hệ số an toàn của dầm ................................................................65
Hình 53. Xuất kết quả ................................................................................65
Hình 54. Gán vật liệu .................................................................................66
Hình 55. Gán ràng buộc .............................................................................67
Hình 56. Gán tải trọng................................................................................67
Hình 57. Tiến hành phân tích cho cơ cấu ..................................................68
Hình 58. Ứng suất tổng hợp của dao .........................................................68
Hình 59. Ứng suất theo thuyết bền kéo của dao ........................................69
Hình 60. Ứng suất theo thuyết bền nén của dao ........................................69
Hình 61. Chuyển vị của dao .......................................................................69
Hình 62. Hệ số an toàn ...............................................................................70
Hình 63. Dao sau khi hiệu chỉnh ................................................................70
Hình 64. Ứng suất Von mise của dao sau khi hiệu chỉnh ..........................71

Hình 65. Ứng suất theo thuyết bền kéo của dao sau khi hiệu chỉnh ..........71
Hình 66. Ứng suất theo thuyết bền nén của dao sau khi hiệu chỉnh ..........71
Hình 67. Hệ số an toàn của dao sau khi hiệu chỉnh ...................................72
Hình 68. Kích thƣớc dao sau khi hiệu chỉnh..............................................72
Hình 69. Ứng suất Von Mise của bầu dao .................................................73
viii


Hình 70. Ứng suất theo thuyết bền kéo của bầu dao .................................73
Hình 71. Ứng suất theo thuyết bền nén của bầu dao .................................74
Hình 72. Chuyển vị của bầu dao ................................................................74
Hình 73. Hệ số an toàn của bầu dao ...........................................................74
Hình 74. Kết cấu thân.................................................................................75
Hình 75. Ứng suất Von Mise của bầu dao sau khi hiệu chỉnh ...................75
Hình 76. Ứng suất theo thuyết bền kéo của bầu dao sau khi hiệu chỉnh ...76
Hình 77. Ứng suất theo thuyết bền nén của bầu dao sau khi hiệu chỉnh ...76
Hình 78. Chuyển vị của bầu dao sau khi hiệu chỉnh..................................77
Hình 79. Hệ số an toàn của bầu dao sau khi hiệu chỉnh ............................77
Hình 80. Kích thƣớc của bầu dao sau khi hiệu chỉnh ................................78
Hình 81. Kết cấu thân.................................................................................78
Hình 82. Ứng suất Von Mise của thân .......................................................79
Hình 83. Ứng suất tính theo thuyết bền kéo của thân ................................79
Hình 84. Ứng suất theo thuyết bền nén của thân .......................................80
Hình 85. Chuyển vị của thân ......................................................................80
Hình 86. Hệ số an toàn của thân ................................................................81
Hình 87. Ứng suất Von Mise của than sau khi hiệu chỉnh ........................81
Hình 88. Ứng suất theo thuyến bền kéo sau khi hiệu chỉnh ......................82
Hình 89. Ứng suất theo thuyết bền nén của thân sau khi hiệu chỉnh .........82
Hình 90. Chuyển vị của than sau khi hiệu chỉnh .......................................83
Hình 91. Hệ số an toàn của than sau khi hiệu chỉnh ..................................83

Hình 92. Đặc tính của chi tiết thân bầu gá .................................................84
Hình 93. Khối lƣợng,thể tích,diện tích của thân ........................................84
ix


Hình 94. Ứng suất Von Mise của chuôi .....................................................85
Hình 95. Ứng suất theo thuyết bền kéo của chuôi .....................................85
Hình 96. Ứng suất theo thuyết bền nén của chuôi .....................................86
Hình 97. Chuyển vị của chuôi ....................................................................86
Hình 98. Hệ số an toàn của chuôi ..............................................................87
Hình 99. Kích thƣớc chuôi trƣớc khi kiểm nghiệm ...................................87
Hình 100. Khối lƣợng,thể tích, diện tích của chuôi ...................................88
Hình 101. Kích thƣớc chuôi sau khi kiểm nghiệm ....................................88
Hình 102. Khối lƣợng, thể tích, diện tích chuôi ........................................89
Hình 103. Quy trình thiết kế thuận và Quy trình thiết kế ngƣợc ...............91
Hình 104. Cấu tạo DIM4530U .................................................................121
Hình 105. Giao diện của phần mềm SI101. .............................................124
Hình 106. Thanh công cụ hỗ trợ đo .........................................................125
Hình 107. Thanh chức năng vẽ CAD. ......................................................127
Hình 108. Thanh hỗ trợ ghi kích thƣớc. ...................................................128
Hình 109. Dữ liệu xuất sang Excel. .........................................................129
Hình 110. Hình ảnh Scan .........................................................................129
Hình 111. Hình dạng phôi ban đầu ..........................................................130
Hình 112. Bản vẽ thiết kế mẫu .................................................................130
Hình 113. Kích thƣớc thực của mẫu ........................................................131
Hình 114. Phôi gia công ...........................................................................131
Hình 115. Load file NC vào máy cắt dây để chuẩn bị gia công ..............132
Hình 116. Chi tiết mẫu (a) và Sản phẩm sau khi gia công (b) .................132
Hình 117. Mô tả quá trình cắt khi chuốt trên máy tiện ............................135
x

Hình 118. Bản vẽ lắp cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 ..............................136
Hình 119. Bản vẽ phân rã cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 .......................136
Hình 120. Bản vẽ thân trƣớc cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 ..................137
Hình 121. Bản vẽ thân sau cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 ......................137
Hình 122. Bản vẽ thân lắp dao cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 ...............138
Hình 123. Bản vẽ dao cơ cấu chuốt trên máy tiện V1 .............................138
Hình 124. Bản vẽ nắp chặn cơ cấu chuốt trên máy tiện V1.....................139
Hình 125. Bầu gá V1 sau khi chế tạo hoàn thành ....................................139
Hình 126. Gá lắp bầu chuốt trên nòng ụ sau của máy tiện ......................140
Hình 127. Bản vẽ lắp cơ cấu chuốt trên máy tiện V2 ..............................142
Hình 128. Bản vẽ chi tiết thân cơ cấu chuốt trên máy tiện V2 ................140
Hình 129. Bản vẽ chi tiết Vỏ ngoài cơ cấu chuốt trên máy tiện V2 ........141
Hình 130. Bản vẽ chi tiết dao cơ cấu chuốt trên máy tiện V2 .................141
Hình 131. Bầu gá V2 sau khi chế tạo hoàn thành ....................................142
Hình 132. Gá lắp và điều chỉnh bàn dao máy tiện ...................................143
Hình 133. Sản phẩm gia công chế tạo thử ...............................................143
Hình 134. Sơ đồ cắt khi chuốt xoay trên máy khoan/phay ......................144
Hình 135. Kết cấu của bầu gá ..................................................................145
Hình 136. Bản vẽ 3D của cơ cấu..............................................................146
Hình 137. Kích thƣớc thân bầu gá ...........................................................145
Hình 138. Cơ cấu chuốt xoay trên máy khoan/phay ................................146

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Danh sách một số học phần có thể ứng dụng phần mềm trong đào
tạo .........................................................................................................................7

Bảng 2 Một số đặc tính cơ bản của mê-ca[16] ............................................46
Bảng 3 Thông số kỹ thuật của kính hiển vi DIM4530U ..........................122
Bảng 4 Kết quả so sánh mẫu và sản phẩm sau khi gia công....................133
Bảng 5. Danh môc các nội dung liên quan đến học phần ..........................94

xii


MỞ ĐẦU
Nghiên cứu ứng dụng các phần mềm để thiết kế các bài giảng nhằm hỗ trợ
và nâng cao chất lƣợng, hiệu quả giảng dạy các môn học ngành cơ khí, áp dụng
vào thực tiễn sản xuất đang là một nhiệm vụ tối cần thiết trong giai đoạn hiện
nay.
Sử dụng hợp lý các phần mềm ứng dụng sẽ là giải pháp phát huy đƣợc khả
năng sáng tạo của ngƣời học và của các nhà nghiên cứu; Là phƣơng tiện giúp
họ tiếp cận đƣợc những thành tựu khoa học- công nghệ của thế giới, thực hiện
đƣợc những công việc mang tầm cỡ quốc tế. Đó cũng là môi trƣờng để, ít nhất
trong giai đoạn hiện nay, họ có thể sử dụng để chứng minh những cơ sở lý luận
chuyên ngành đƣợc học, đƣợc bồi dƣỡng. Ngoài ra, định hƣớng này cũng sẽ là
một trong những giải pháp đào tạo chuẩn bị nguồn nhân lực công nghệ ứng
dụng cho giai đoạn phát triển sắp tới- giai đoạn đất nƣớc thực hiện nhiệm vụ cơ
bản là công nghiệp.
Đối với sinh viên, đây là lựa chọn có thể tạo cho họ hành trang vững chắc
sau khi tốt nghiệp các cơ sở giáo dục chuyên nghiệp. Nếu sử dụng thành thạo
công cụ này, cánh cửa làm việc ở các cơ sở sản xuất có vốn đầu tƣ nƣớc ngoài,
học tập cao hơn ở quốc gia phát triển sẽ rộng hơn, cao hơn. Đến lúc này, sự hỗ
của vốn kiến thức chuyên ngành và ngoại ngữ là cần thiết để đảm bảo hiệu quả
tiếp cận. Sinh viên Việt nam đƣợc biết đến với khả năng tự tin về kiến thức
khoa học cơ bản và kỹ năng thực hành, do vậy trau dồi ngoại ngữ là việc còn
lại họ cần thực hiện cho môc tiêu này.

Tổ chức thi, đánh giá năng lực tính toán thiết kế thông qua việc sử dụng
các phần mềm ứng dụng đã đƣợc Bộ Lao động Thƣơng binh và Xã hội, Tổng
cục Dạy nghề triển khai định kỳ thông qua Kỳ thi tay nghề quốc gia. Trong các
kỳ thi gần đây, kỹ năng tính toán, thiết kế của các thí sinh tham gia thi nghề
Thiết kế cơ khí CAD đã có xu hƣớng cải thiện rõ rệt. Năm 2016, đã có 04 thí
sinh đạt giải Nhất với số kỹ năng đáp ứng yêu cầu ngày càng cao. Qua đó cho

1


thấy việc đầu tƣ cho giáo viên và sinh viên tiếp cận và khai thác các phần mềm
ứng dụng trong quá trình giảng dạy học tập là cần thiết và hiệu quả.
I. MÔC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Xây dựng đƣợc bộ tài liệu giúp giáo viên sử dụng phần mềm CATIA vào
thiết kế bài giảng mô phỏng trực quan nhằm tăng tính hiệu quả trong dạy và
học;
Gia công chế tạo các mô hình trực quan đƣợc thiết kế, kiểm nghiệm từ
phần mềm CATIA làm phƣơng tiện dạy học cho giáo viên ở các môn học
ngành cơ khí.
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Công nghệ thông tin đã và đang có vai trò rất quan trọng trong đời sống xã
hội cũng nhƣ các lĩnh vực sản xuất. Việc ứng dụng công nghệ thông tin đã góp
phần rất quan trọng trong việc nâng cao chất lƣợng sản phẩm, tăng hiệu quả sản
xuất, tiết kiệm thời gian trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội.
Trong dạy học, công nghệ thông tin đã thực sự là phƣơng tiện rất quan
trọng, giúp giáo viên và học sinh, sinh viên tiếp cận nhanh chóng với kiến thức,
với khoa học hiện đại. Hiện nay, với chủ trƣơng đƣa công nghệ thông tin, sử
dụng các phần mềm ứng vào việc giải quyết các môn học có liên quan, đồng
thời ứng dụng nó vào thực tiễn, giúp ngƣời dạy và ngƣời học phát triển tƣ duy,
tiếp cận đƣợc công nghệ tiên tiến là cần thiết và đang đƣợc chú ý quan tâm.

Ở các trƣờng đại học, cao đẳng và trung cấp chuyên nghiệp, việc đƣa công
nghệ thông tin vào dạy, học đã đƣợc áp dụng từ lâu và đã góp phần nâng cao
chất lƣợng đào tạo. Trong lĩnh vực cơ khí, thực tế hiện nay, việc giải các bài
toán nhƣ Sức bền vật liệu, Cơ học, Thiết kế máy …trong các cơ sở đào tạo
đang chủ yếu thực hiện bằng thủ công. Do vậy, khả năng tiếp cận với các công
cụ phân tích, tính toán, thiết kế hiện đại của sinh viên đang bị hạn chế. Đây là
một trong những nguyên nhân khiến sinh viên tốt nghiệp không đáp ứng các
yêu cầu của doanh nghiệp.

2


Với những lý do đó, nhóm tác giả lựa chọn ''Nghiên cứu ứng dụng phần
mềm CATIA thiết kế các bài giảng mô phỏng để hỗ trợ và nâng cao chất
lƣợng, hiệu quả giảng dạy các môn học ngành cơ khí''. Các kết quả của đề tài sẽ
hỗ trợ cho quá trình giảng dạy và học tập hiệu quả hơn, phong phú đa dạng
hơn.
III. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
- Tổng hợp một số công trình nghiên cứu nổi bật liên quan đến việc ứng
dụng phần mềm ứng dụng;
- Nghiên cứu, tìm hiểu các module của phần mềm để xây dựng các chuyên
đề;
- Đánh giá, kiểm nghiệm, giải các bài toán điển hình trong các môn học
Sức bền vật liệu, Thiết kế máy, Thiết kế khuôn;
-. Xây dựng hệ thống các videos mô phỏng, chế tạo các mô hình trực quan
phục vụ dạy và học.
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Các module của phần mềm thiết kế CATIA trong lĩnh vực thiết kế cơ
khí: Thiết kế khuôn, Thiết kế cấu trúc máy, Tiện, Phay.
- Các môn học chuyên ngành cơ khí: Sức bền vật liệu, Công nghệ gia công

trên máy CNC, Thiết kế khuôn, Thiết kế máy, Công nghệ chế tạo máy.
V. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-. Nhóm phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Phân tích, tính toán, thiết kế, tối ƣu hóa kết cấu, lập trình gia công trên
máy công cụ điều khiển số (CNC) bằng các module của phần mềm CATIA.
- Nhóm các phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn
Kiểm tra chƣơng trình đã lập trình, hiệu chỉnh, truyền dữ liệu sang máy
công cụ Tiện, Phay CNC để gia công chế tạo sản phẩm.
VI. BAN CHỦ NHIỆM
3


- TS. Nguyễn Văn Cƣờng, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh, Chủ
nhiệm;
- ThS. Lê Văn Sinh, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh, Thƣ ký;
- TS. Lê Khắc Bình, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh, Thành viên;
- ThS. Phạm Đình Quang, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh, Thành
viên;
- ThS. Lƣu Thủy Chung, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh, Thành
viên;
- KS. Nguyễn Sỹ Tài, Viện nghiên cứu Khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động
– Tổng liên đoàn Lao động Việt Nam, Thành viên;
- KS. Mai Tất Lợi, trƣờng Cao đẳng nghề Việt nam – Hàn quốc, Thành
viên.
VII. ĐƠN VỊ CỘNG TÁC
- Tổng Cục dạy nghề.
- Trƣờng Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghiệp Việt Nam - Hàn Quốc.
- Viện nghiên cứu Khoa học kỹ thuật bảo hộ lao động – Tổng liên đoàn
Lao động Việt Nam.

4


Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC PHẦN MỀM LĨNH VỰC CƠ KHÍ
1.1. Lịch sử phát triển các phần mềm cơ khí
Chƣơng trình máy tính đƣợc Claude Shannon (1916-2001) giới thiệu
những ý tƣởng sơ khai trong "A Mathematical theory of Communication", cung
cấp một phác thảo có thể đƣợc thực hiện một chƣơng trình máy tính. Trên cơ sở
đó, các lập trình viên máy tính đầu tiên sử dụng mã nhị phân để thực hiện các
nhiệm vụ khác nhau.
Ngày 21 tháng 6 năm 1948, Tom Kilburn, Đại học Manchester đã giới
thiệu một máy tính lƣu trữ chƣơng trình có phần mềm trong một bộ nhớ điện
tử. Sự kiện này đƣợc xem là cột mốc sơ khai của các phần mềm máy tính.
Trên cơ sở đó, ngày càng có nhiều phần mềm ứng dụng (PMUD) đƣợc
thiết kế, xây dựng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp,
giáo dục và cuộc sống.
1.2. Chức năng nổi bật của một số PMUD phổ biến trong lĩnh vực cơ khí
1.2.1. Nhóm phần mềm vẽ, thiết kế
AutoCAD là phần mềm vẽ, thiết kế đơn giản và đang đƣợc sử dụng phổ
biến nhất hiện nay trên phạm vị cả nƣớc. Hầu hết các chƣơng trình đào tạo
nghề/ngành cơ khí đều yêu cầu ngƣời học khai thác phần mềm AutoCAD trong
quá trình học tập. Tuy nhiên phần mềm này chủ yếu đƣợc sử dụng để tƣơng tác
với các bản vẽ thiết kế dạng 2D. Do vậy, ngƣời triển khai yêu cầu khả năng
tƣởng tƣợng nhất định.
1.2.2. Nhóm các phần mềm thiết kế, mô phỏng
Khi đã sử dụng AutoCAD, ngƣời dùng sẽ có đƣợc giác ít bở ngỡ khi sử
dụng Mechanical Desktop. Hầu nhƣ các lệnh sử dụng với Autocad đều có trong
Mechanical Desktop. Do vậy, nó là phần mềm với đối tƣợng mới sử dụng
AutoCAD và muốn tiếp cận với phần mềm 3D. Tuy vậy, AutoCAD
Mechanical có chức năng 2D hơn hẳn AutoCAD.

Một số phần mềm ứng dụng khác cho phép thiết kế, mô phỏng, tối ƣu hóa
và tƣơng tác với các máy công cụ điều khiển bằng kỹ thuật số CNC. Các phần
5


mềm đứng đầu về thiết kế và mô phỏng là ANSYS, ProEngineer, Solidworks,
AutoDesk Inventor.
Trong khi đó, một số PMUD khác đƣợc thiết kế chú trọng về chức năng
mô phỏng động và tƣơng tác truyền dữ liệu thiết kế sang các máy CNC để thực
hiện quá trình gia công. Nhóm này đƣợc đặc trƣng bởi MasterCAM và CATIA.
Các phần mềm thuộc nhóm này đƣợc xây dựng giao diện chủ yếu là 3D.
Các file dữ liệu thiết kế có thể chuyển đổi và sử dụng lẫn nhau. Đây là một
trong những đặc điểm tạo điều kiện cho ngƣời dùng có thể tăng tốc độ tiếp cận
với các phần mềm trong nhóm này.

Hình 1. Nhiều phần mềm ứng dụng có thể nhận dữ liệu của nhau

Với đặc điểm này, nhóm tác giả thực hiện các nội dung của đề tài không
chỉ giới hạn trong phạm vi các chức năng của phần mềm CATIA mà còn áp
dụng với một số phần mềm khác trong nhóm. Trên cơ sở đó, các nội dung đƣợc
thực hiện trong đề tài có thể dễ dàng đƣợc áp dụng và phổ biến nhanh hơn,
rộng hơn.

6


1.3. Tầm quan trọng của các phần mềm cơ khí
1.3.1. Ứng dụng các phần mềm cơ khí trong dạy học
Theo chƣơng trình đào tạo ngành cơ khí, bậc Đại học và Cao đẳng tại
trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Vinh hiện nay, nhiều học phần có thể ứng

dụng hiệu quả phần mềm CATIA trong quá trình giảng dạy và học tập. Một số
học phần tiêu biểu đƣợc liệt kê trong Bảng 1.
Bảng 1 Danh sách một số học phần có thể ứng dụng phần mềm trong đào tạo

Tên học phần

TT
1.

Vẽ kỹ thuật

Nội dung ứng dụng
Mô tả các hình chiếu, hình cắt, phép cắt.
Xây dựng các bản vẽ lắp 2D và 3D

2.

Sức bền vật liệu

Mô phỏng, xác định ứng suất, tối ƣu hóa kết
cấu, vật liệu chi tiết máy, cơ cấu máy

3.

Thiết kế cơ khí trên máy Thực hiện tất cả các nội dung trong các phần
tính

mềm, từ thiết kế, mô phỏng, kiểm nghiệm,
tối ƣu hóa,..

4.

Thiết kế khuôn mẫu

Thực hành thiết kế, mô phỏng các quá trình
tạo khuôn, dòng chảy trong khuôn. Kiểm tra
ứng suất của khuôn và sản phẩm gia công

5.

Nguyên lý chi tiết máy

Mô tả các khâu, quỹ đạo khâu trung gian.
Thiết kế, mô phỏng, kiểm nghiệm các chi
tiết hoặc cụm cơ cấu của máy

6.

Máy cắt, Thiết kế máy cắt

Mô tả các cơ cấu máy, các chuyển động tạo
hình. Khai thác các chi tiết và cơ cấu trong
thƣ viện của các phần mềm

7.

Công nghệ chế tạo máy; Mô tả các quá trình cắt có chuyển động tạo
Đồ gá

hình phức tạp. Mô phỏng và xác định thông

7


số của các quá trình cắt. Thiết kế đồ gá.
8.

Thực hành gia công trên Thiết kế, mô phỏng và truyền dữ liệu sang
các máy công cụ CNC

máy CNC
9.

Máy công cụ điều khiển Thiết kế, mô phỏng, tối ƣu hóa các lệnh điều
theo chƣơng trình số

khiển

10. Đồ án, Đề tài TN, Nghiên Thiết kế, mô phỏng, kiểm nghiệm và tối ƣu
cứu khoa học

hóa các quá trình hoạt động và cơ cấu máy.
Xuất các bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp, bản vẽ
công nghệ. Xác định các bộ thông số tối ƣu

Qua thực tế giảng dạy và tìm hiểu, nhóm tác giả nhận định sử dụng các
PMUD vào dạy và học cho sinh viên tại trƣờng ĐHSPKT Vinh và các cơ ở đào
tạo khác là cần thiết. Đây là công cụ nhằm nâng cao chất lƣợng dạy và học, giải
quyết triệt để các bài toán kỹ thuật, minh họa trực quan, sinh động, chính xác.
1.3.2. Ứng dụng phần mềm cơ khí trong thực tiễn sản xuất
Quá trình sản xuất bao gồm nhiều công đoạn, nhƣ: tính toán thiết kế gia

công chế tạo, lắp ráp, phân phối,.. Hiệu quả kinh tế của các công đoạn này
không giống nhau.

Hình 2. Biểu đồ so sánh hiệu quả của các quá trình gia công

8


Theo kết quả so sánh hiệu quả kinh tế theo Stan Shihcủa các quá trình gia
công trên Hình 2 cho thấy giá trị gia tăng của giai đoạn thiết kế sản phẩm cao
hơn nhiều so với quá trình gia công chế tạo. Do vậy, chú trọng đầu tƣ kiến thức
và kỹ năng thiết kế cho ngƣời lao động là hƣớng tiếp cận có hiệu quả cao.
Các PMUD có vai trò rất lớn đối với quá trình thiết kế, tính toán, phân tích
và đánh giá các thông số thực nghiệm và các hiện tƣợng cơ-lý-hóa khác. Vai
trò của chúng đã thể hiện rõ nét trong các nghiên cứu ứng dụng ngành cơ khí.
Kết quả đánh giá thông qua các phần mềm này cho thấy trùng khớp với các kết
quả thực nghiệm tƣơng ứng, qua đó khẳng định độ tin cậy của công cụ hữu ích
này. Sử dụng các PMUD trong không những kiểm nghiệm đƣợc các kiến thức
cơ bản ngành mà còn hỗ trợ tối ƣu hóa các quá trình thiết kế và sản xuất công
nghiệp. Làm chủ đƣợc công cụ này, sinh viên sẽ có nhiều cơ hội thực hiện các
quá trình nghiên cứu ứng dụng và sẵn sàng để tiếp cận với các công việc học
tập, nghiên cứu, sản xuất tiên tiến. Do vậy, đào tạo và phát triển nguồn nhân
lực trình độ cao của Việt nam theo xu hƣớng này có thể cắt giảm chi phí đầu tƣ
đồng thời giúp ngƣời học dễ dàng tiếp cận, hòa nhập với giáo dục và công nghệ
thế giới.
Các PMUD đƣợc xây dựng nhằm hỗ trợ ngƣời sử dụng thực hiện các công
việc thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và năng suất lao động. Đối với ngành cơ
khí nói riêng, chúng có vai trò rất quan trọng trong việc hỗ trợ cho các quá trình
tính toán, thiết kế và mô phỏng các hiện tƣợng xảy ra ở các điều kiện làm việc
nhất định của chi tiết máy. Các PMUD không những giúp ngƣời dùng kiểm

nghiệm các tiền đề lý thuyết cơ bản mà còn là công cụ hỗ trợ trong quá trình
thực hiện các phép toán phức tạp, xây dựng các mô hình thiết kế, phân tích và
dự đoán các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình làm việc của chi tiết máy ngay ở
giai đoạn thiết kế; kiểm nghiệm bền và dự đoán tuổi thọ của chi tiết máy. Các
chức năng ƣu việt này đã khẳng định đƣợc vai trò của chúng trong việc tiết
kiệm thời gian và chi phí gia công, tăng độ chính xác và tin cậy trong quá trình
chế tạo, giải thích các hiện tƣợng kỹ thuật xảy ra trong thực tế mà đến nay chƣa
có thiết bị giám sát và kiểm nghiệm.
9


Trong ngành chế tạo máy, để thiết kế 1 chi tiết máy, đầu tiên phải thể hiện
ý tƣởng bằng mô hình ba chiều phác họa trên giấy. Trên cơ sở đó, các bản vẽ
kỹ thuật với các thông số kỹ thuật đƣợc xây dựng. Bản vẽ tiếp tục đƣợc hoàn
thiện thông qua các quá trình rà soát, kiểm tra[1-3]. Đây là một quy trình đòi hỏi
rất nhiều thời gian và công sức, sự nhẫn nại của sinh viên, giáo viên và nhà
thiết kế vì các bản vẽ luôn phải sửa đổi, hiệu chỉnh sao cho đúng và chính xác.
Sản phẩm khi đƣợc áp dụng một quy trình thiết kế thủ công, không chuyên
nghiệp sẽ có thể không đủ bền, có thể sẽ không hoạt động chính xác và gây khó
khăn trong việc quan sát thực nghiệm khi dạy và học. Sự phát triển công nghệ
thông tin xâm nhập vào lĩnh vực thiết kế “CAD/CAM/CNC” đã trở thành một
công cụ cực kỳ đắc lực cho nhà thiết kế, sinh viên và những ngƣời tham gia
công tác giảng dạy tại các trƣờng kỹ thuật[4, 5]. Quá trình thiết kế với sự hỗ trợ
của các PMUD sẽ là: tính toán đƣa thông số, thực hiện bản vẽ chi tiết (2D), sau
đó phác thảo (3D), phân tính, tối ƣu hóa các yếu tố về sức bền, lựa chọn
phƣơng pháp gia công, chế tạo (khuôn, đúc, phay…), mô phỏng quá trình hoạt
động, gia công số. Quá trình này đƣợc tiến hành nhanh chóng và hoàn toàn
chính xác.
Quy trình thiết kế 1 sản phẩm đƣợc minh họa trongHình 3.
Ý tưởng thiết kế

Thiết kế sản
phẩm

Đặc tính kỹ
thuật

Phân tích nhu cầu
thị trường

Tối ưu hóa sản
phẩm thiết kế

Mô phỏng sản phẩm
thiết kế thông qua các
PMUD

Chế tạo và kiểm
tra sản phẩm

Đưa sản phẩm
ra thị trường

Hình 3. Quy trình thiết kế sản phẩm

Hiện nay, rất nhiều mềm ứng dụng đƣợc sử dụng phổ biến trong nghiên
cứu và sản xuất, chẳng hạn nhƣ: ANSYS, ABAQUS, MATLAB,
10

SOLIDWORKS, INVENTOR, FLUENT, HYPERMESH, CATIA, PRO-E,
NASTRAN, DEFORM 2D/3D,…[2, 6, 7] Các PMUD cơ khí hiện đại cho phép
phân tích sâu tất cả các quá trình cơ-lý-hóa, đơn giản và phức tạp, riêng lẻ và
kết hợp. Một số kết quả nghiên cứu đã chứng minh đƣợc độ tin cậy của kết quả
mô phỏng và kết quả thực nghiệm khi sử dụng các điều kiện biên tƣơng ứng.
Ngày nay, quá trình xây dựng bản vẽ thiết kế không chiếm nhiều thời gian
của ngƣời thiết kế vì sự trợ giúp của các công cụ của công nghệ thông tin.
Trong đó các phần mềm hỗ trợ thiết kế đã luôn đƣợc dùng để tiến hành thiết kế
chi tiết máy. Hiện tại có rất nhiều phần mềm đƣợc ứng dụng để thiết kế chi tiết
máy cơ khí. Phần mềm CATIA cũng là phần mềm đƣợc dùng để hỗ trợ cho
công việc của ngƣời kỹ sƣ thiết kế. Trong những năm gần đây, đã có một số
nghiên cứu đƣợc thực hiện xoay quanh việc ứng dụng công nghệ thông tin vào
quá trình giảng dạy và sản xuất. Do vậy, đầu tƣ nghiên cứu, tìm hiểu và ứng
dụng phần mềm thiết kế CATIA vào quá trình giảng dạy và sản xuất công
nghiệp ở nƣớc ta trong giai đoạn hiện nay là tối cần thiết.
Trong quá trình thiết kế sản phẩm, các vấn đề về vật liệu, về độ bền, tính
công nghệ của sản phẩm phải đƣợc làm sáng tỏ. Nhƣ vậy, việc giải quyết các
bài toán liên quan đến các vấn đề này là tất yếu. Phần mềm CATIA có thể
không những đáp ứng các yêu cầu nói trên mà còn có thể tối ƣu hóa quá trình
thiết kế bằng việc sử dụng các chức năng sẵn có và xuất ra các bộ thông số,
biểu đồ cụ thể. Điều này làm giảm giá thành gia công, nâng cao hiệu quả kinh
tế, tăng độ chính xác, tiết kiệm đƣợc thời gian và nhân lực.
Sử dụng phần mềm ABAQUS, Ben Moussa[8] cùng các đồng nghiệp đã
xây dựng đƣợc mô hình dự đoán, đánh giá sự xuất hiện lớp biến cứng và ứng
suất dƣ trên bề mặt chi tiết gia công trong quá trình cắt. Kết quả nghiên cứu của
họ cho thấy các giá trị mô phỏng tƣơng ứng với các giá trị đo đƣợc bằng thực
nghiệm. Các công trình nghiên cứu này đã cung cấp cho các nhà khoa học cơ
sở khoa học để tiếp cận và giải thích bản chất và nguyên nhân xuất hiện lớp
biến cứng và ứng suất dƣ bề mặt- các hiện tƣợng mà trƣớc đó khó có thể đánh
giá chi tiết và tổng thể bằng thực nghiệm.

11


Trong khi đó Saunders[9] đã sử dụng phần mềm ANSYS để xây dựng mô
hình nghiên cứu đánh giá sự hình thành các vết ba via trong quá trình khoan
thông qua việc đánh giá các thông số nhiệt và ứng suất xuất hiện trong quá
trình cắt khi khoan. Kết quả mô phỏng một lần nữa cho thấy tƣơng ứng với các
kết quả thực nghiệm thu đƣợc. Công trình này cung cấp cho các nhà nghiên cứu
và nhà sản xuất các thông số liên quan đến quá trình cắt nhằm hạn chế hiện
tƣợng ba via xuất hiện khi khoan. Trong lúc đó Sharma [10] lại sử dụng những
đặc tính siêu việt của ANSYS để đánh giá sự phân bố ứng suất xung quanh các
lỗ lăng trụ đa giác đều (từ 3 đến 8 cạnh), cung cấp cho các nhà thiết kế và sản
xuất mối quan hệ giữa số cạnh và chiều dài cạnh của đa giác với sự phân bố
ứng suất xung quanh nó.
Trong một trƣờng hợp khác, Deng[11] sử dụng phần mềm ABAQUS để
đánh giá quá trình chuyển biến pha kim loại trong mối hàn kiểu giáp mối đến
ứng suất và biến dạng của mối hàn. Kết quả cho thấy, khi hàn thép Carbon
thấp, sự chuyển biến Martensite và nhiệt chuyển biến pha cao là các nguyên
nhân chủ yếu gây ứng suất lớn trong mối hàn. Trong khi đó, đối với thép
Carbon trung bình thì nguyên nhân gây biến dạng chi tiết hàn lại do hệ số giản
nở cao và nhiệt chuyển biến pha thấp.

Hình 4. Đánh giá nguyên nhân gây biến dạng mối hàn thông qua giá trị a) chuyển biến
pha Mác-ten-xít và b) ứng suất phân bố xung quanh mối hàn[11]

Sự chuyển biến pha trong các vùng kim loại hàn thực hiện bằng phƣơng
pháp hàn điểm cũng đƣợc đánh giá bằng phần mềm Hypermesh trong nghiên
12

cứu của Nghiem và các cộng sự[12]. Đây là phƣơng pháp nghiên cứu mới đƣợc
giới thiệu vào khoảng giữa năm 2012. Theo đó, sự thay đổi cơ tính của kim loại
ở các vùng khác nhau trong mối hàn đƣợc đánh giá thông qua giá trị độ cứng tế
vi và sự chuyển biến pha Austenit/martensit trong các vùng tƣơng ứng dƣới tác
động của các yếu tố chế độ hàn.
Sử dụng phần mềm DEFORM để mô phỏng quá trình dập nóng kim loại,
Palaniswamy[13] khẳng định những kết quả mô phỏng của mình hoàn toàn trùng
khớp với những kết quả thực nghiệm cùng điều kiện. Kết quả mô phỏng cho
thấy, nguyên nhân quá trình dập cần công suất lớn là vì ma sát trƣợt kim loại
cao; bề mặt dập hình hộp chữ nhật có chiều dày nhỏ hơn ở các góc là vì nhiệt
trong quá trình dập ở các góc nhỏ hơn. Những kết luận này rất bổ ích cho các
nhà nghiên cứu và sản xuất để tối ƣu hóa quá trình dập nóng kim loại.

Hình 5. So sánh kết quả nghiên cứu a) bằng phƣơng pháp mô phỏng và b) bằng thực
nghiệm[13]

Ở một khía cạnh khác, Kase[14] và các đồng nghiệp đã sử dụng các phần
mềm ITAS 3D và NUMISHEET’96, phối hợp với việc sử dụng hàm nội suy
Gaussian để nghiên cứu sự sai số về hình dáng chi tiết gia công khi dập/uốn tự
do, qua đó cung cấp các thông số để tối ƣu hóa quá trình gia công. Kết quả
nghiên cứu của họ cũng đã gây sự chú ý với rất nhiều nhà nghiên cứu và ứng
dụng trên thế giới. Oliveira[15] và đồng nghiệp lại sử dụng NUMISHEET’05 để
nghiên cứu về hiện tƣợng đàn hồi ngƣợc khi uốn/gập kim loại hình chữ U.
13