ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY PHAY GỖ CNC

Đồ án tốt nghiệp

Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU

Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải
quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất vừa và lớn (hàng loạt
và hàng khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất loạt vừa
và loạt nhỏ lại phổ biến ở Việt Nam. Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao
về hiệu quả sản xuất, năng suất lao động, cũng như cải thiện môi trường làm việc,
điều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt
cao trong các dây chuyền sản xuất.
Để tổng kết lại kiến thức đã học trong thời gian 4 năm đại học, cũng như để
làm quen với công việc thiết kế chế tạo máy của một người cán bộ kỹ thuật trong
ngành cơ khí sau này. Đồng thời, xuất phát từ nhu cầu thực tế khách quan trong
công nghệ điêu khắc gỗ ngày nay thì cả nhóm nói chung và cá nhân nói riêng đã
nảy sinh ý tưởng: “Thiết kế và chế tạo máy phay CNC Router”, với mục đích là
nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành, cải thiện môi trường làm việc cho
người lao động,… Như vậy, ý tưởng của nhóm đã được khoa, trường duyệt là đảm
bảo được một đề tài tốt nghiệp của sinh viên đại học. Nội dung của đồ án gồm 9
chương:
Chương 1: Tổng quan về máy điêu khắc CNC
Chương 2: Cơ sở lý thuyết cắt gọt gỗ
Chương 3: Lựa chọn phương án kết cấu máy.
Chương 4: Thiết kế kết cấu cơ khí và bộ truyền cho trục X.
Chương 5: Thiết kế mạch giao tiếp máy tính với cổng song song.
Chương 6: Thđộng cơ DC servo các trục X, Y, Z.
Chương 7: Thiết kế nguồn và hệ thống điệiết kế driver PID cho n cho máy
phay.
Chương 8: Chế tạo mô hình
Chương 9: Vận hành và bảo dưỡng

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 2

Vì lần đầu trong công tác thiết kế, kiến thức còn nhiều hạn hẹp, mặc dù đã
được sự hướng dẫn của thầy ThS. Phạm Văn Anh nhưng cũng không tránh khỏi
những bở ngỡ, thiếu xót và gặp nhiều khó khăn. Nên rất mong được sự giúp đỡ vả
chỉ bảo của các thầy trong khoa.
Sau thời gian 15 tuần làm đề tài tốt nghiệp bằng chính nổ lực của cả nhóm và
được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Văn Anh, các thầy trong khoa KỸ
THUẬT CÔNG NGHỆ, trường ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG đến nay nhóm đã hoàn
thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng với thời gian quy định. Một lần nữa em xin
cảm ơn quý thầy khoa KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ, trường ĐH PHẠM VĂN
ĐỒNG với lòng biết ơn sâu nhất trong thời gian học tại trường.
Quảng Ngãi, ngày13 tháng 01 năm 2014
Sinh viên thực hiện

NGUYỄN PHƯỚC

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 3
DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu Tên hình vẽ

Trang

hình vẽ
1.1.

Cơ sở máy công cụ CNC

7

2.1.

Sơ đồ tổng quát phân loại chế biến gỗ

11

2.2.

Các bộ phận tổ thành của dao cắt gỗ và phôi trong quá trình

13

2.3.

cắt

Kết cấu chung dao cắt gỗ

14

2.4.

Lực cắt 2 chiều

16

2.5.

Lực cắt 3 chiều

17

3.1

Phương án 1

20

3.2.

Phương án 2

21

3.3.

Phương án 3

21

3.4.

Truyền động Vít me – Đai ốc

23

3.5.

Truyền động bằng đai

25

3.6.

Dẫn hướng bằng cặp trục trơn

27

3.7.

Dẫn hướng bằng song trượt mang cá

28

3.8.

Dẫn động bằng ray trượt vuông

29

4.1.

Sơ đồ động bộ truyền trục X

31

4.2.

Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất

36

4.3

Thông số vít me trục X

37

4.4.

Chọn vít me trục X

38

4.5.
4.6.

Phương án 1
Phương án 2

39
39

4.7.

Phương án 3

39

5.1.

Sơ đồ chân cổng song song

53

5.2.

Sơ đồ chân IC 74HC14

54

5.3.

Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi tần số thành điện áp

54

5.4.

sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp với cổng song song

55

5.5.

Mạch đệm cổng song song

55

6.1.

Mô hình toán học của động cơ và các trục

57

6.2.

Các thông số chính của PIC 18fXXX

59

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09

Đồ án tốt nghiệp

Trang 4

6.3.

Sơ đồ chân pic18f2431

59

6.4.

Điều chỉnh độ rộng xung PWM

61

6.5.

Dạng sóng dòng và áp trên động cơ

61

6.6.

Mô hình hệ thống động cơ điện DC

62

6.7.

Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID

63

6.8.

Đáp ứng của khâu P, PI và PID

64

6.9.

Sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục

64

6.10.

Kí hiệu bộ PID

65

6.11.

Xác định hệ số khuếch đại tới hạn và mô hình điều khiển

67

7.1.

với Kgh
Động cơ trục chính (spindle)

81

7.2.

Biến tần best FC300

82

8.1.

Lắp ráp toàn máy để mô phỏng và kiểm tra

87

8.2.

Gối ôm đai ốc vít me và bệ trục X

88

8.3.

Sơn các chi tiết sau khi hoàn thành chế tạo

88

8.4.

Lắp ráp trục Z

89

8.5.

Lắp ráp trục Z với trục X

89

8.6.

Kiểm tra độ song song của 2 ray trượt

90

8.7

Lắp trục Y

90

8.8.

Cân chỉnh độ song song và vuông góc trục X, Y, Z

91

8.9.

Cân chỉnh độ song song và vuông góc trục X, Y, Z

91

8.10

Lắp bàn máy vào máy

91

8.11

Chạy thử máy cắt trên 2D

92

8.12

Sản phẩn thu được sau khi gia công 3D.

92

8.13.

Sản phẩn hoàn thiện

93

CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID

Proportional–Integral–Derivative

DC

Direct Current

PWM

Pulse Width Modulation

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 5

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
ADC

Analog Digital Converter

USART Universal Synchronous Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
MUX

Multiplexer

MCU

Microcontroller Unit

GPIO

General Purpose Input Ourput

EUSART Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
LCD

Liquid Crystal Display

FET

Field-Effect Transistor

BJT

Bipolar Junction Transistor

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIÊU KHẮC CNC
1.1. Nhu cầu tính cấp thiết của đề tài
Từ thực tế ngành điêu khắc gỗ trong nước nói chung và tỉnh Quảng ngãi nói

riêng tương đối còn phụ thuộc vào lao động thủ công, sản phẩm tạo ra thì cần rất
nhiều thời gian và sự tỉ mỉ , chất lượng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào trình độ
tay nghề của người thợ, khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra không cao khi đưa
ra thị trường. Khi lao động thì người thợ không thể tránh khỏi chấn thương nghề

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 6

nghiệp cũng như độc hại khi tiếp xúc với môi trường nhiều bụi gỗ trong quá trình
làm. Trên thực tế các máy gia công gỗ hiện nay ở nước ta có hầu hết là nhập ngoại
từ Nhật Bản, Đài Loan,… với giá thành tương đối cao so với khả năng đầu tư của
các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ…
Từ những yếu tố khách quan trên nhóm đã hình thành ý tưởng tạo ra chiếc
máy thay thế sức lao động của con người với chất lượng và số lượng cao hơn nhiều
trong ngành điêu khắc gỗ.
1.2. Khái quát về các máy công cụ CNC
1.2.1. Cơ sở của máy công cụ CNC
Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ của bàn
máy và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch
chuyển của bàn máy trên trục X như trên hình 1.1) . Khi trục máy dịch chuyển thì
các dụng cụ đo lượng phát ra một tín hiệu điện, điều khiển CNC xử lý tín hiệu này
và xác định được tọa độ chính xác các trục máy.

Hình 1.1. Cơ sở máy công cụ CNC

Trong hệ tọa độ Đề các được xây dựng trên 3 trục X Y Z đôi một vuông góc
với nhau. Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục tọa độ, một điểm
trong không gian được xác định bởi 3 trục tọa độ X Y Z .Hình 1.2 cho biết các trục
của máy được miêu tả thể nào thông qua hệ tọa độ đề các và ký hiệu các trục bằng
quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 9 trục đó là các
trục U V W là các trục chuyển động thứ 2 song song với các trục X Y Z,

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 7

Ngoài ra, trong lập trình gia công còn sử dụng hệ tọa độ cực. Trong hệ tọa độ
cực thì một điểm trong mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị đó là bán
kính và góc.
1.2.2. Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát thì máy công cụ CNC được phân loại theo đặc điểm sau:
-

Truyền động: thủy lực, khí nén, điện …

-

Phương pháp điều khiển máy: điểm, quỹ đạo…

-

Hệ thống định vị: định vị kích thước nối tiếp hay định vị tuyệt đối…

-

Các vòng lặp điều khiển

-

Số trục tọa độ.

Theo chức năng, máy công cụ CNC được phân thành:
-

Nhóm máy tiện: đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi

đang quay, cũng như căt ren trong, ren ngoài…
-

Nhóm máy khoan, doa để khoan doa các phôi

-

Nhóm máy phay để gia công chi tiết có cấu tạo hình học phức tạp, cũng

có thể phay doa, khoan…Thay đổi nguyên công chỉ cần thay đổi dao cụ tức là chỉ
cần một lần gá đặt.
-

Nhóm máy mài gia công tinh. Nhóm máy này bao gồm các trục máy mài,

mài lỗ, mài phẳng, mài dụng cụ…
1.3. Nguyên lý vận hành của một máy công cụ điều khiển số
1.3.1. Chương trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có: các chương trình điều khiển và dữ liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu trữ
trong vật mang in (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 8

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các
số liệu về dao cụ…được nạp vào từ bảng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển qua trực tiếp từ máy tính chủ
sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC)
1.3.2. Khối điều khiển.
Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu
từ bên ngoài.
Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder) và tốc độ của
các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của các
trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẽ để phối hợp tạo nên các biên
dạng và tốc độ gia công xác định.

1.3.3. Điều khiển logic
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:
Tốc độ chạy nhanh (không gia công) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các
trạng thái đóng ngắt mạch của hẹ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống
công nghệ (bàn máy, dao, đồ gá, chi tiết gia công), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch
làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ.
1.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.
Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái
làm việc của toàn hệ thống,
Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ
thống,

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 9

Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh
máy, đo chi tiết…mà phải mở cửa làm việc.
Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với CPU
thông qua một BUS hệ thống. Các khối Flash + RAM để lưu trữ các chương trình
điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong CPU.
Các cơ cấu chấp hành là van thủy lực, van khí nén, công tắc tơ, role…
1.5. Công nghệ máy khắc gỗ CNC
Một phần cơ của máy đều được làm bằng thép đã được xử lý nhiệt để đảm
bảo khi làm việc máy không bị biến dạng khi làm việc ở cường độ cao.

Tất cả các linh kiện trong máy đều được chọn lựa từ các nhà cung cấp uy tín
nhất trên thế giới. Đặc biệt máy được trang bị motor AC servo của Nhật bản cho
máy hoạt động bền bỉ với cường lực mạnh nhất, tiếng ồn nhỏ, tốc độ nhanh, độ
chính xác cao….
Máy sử dụng trục cắt chính làm lạnh bằng gió nhập khẩu từ Ý, cho độ chính
xác tuyệt đối, tuổi thọ dài, độ cân bằng tốt, làm việc lâu mà không sợ bị hỏng hóc..
Hệ thống bàn hút vất liệu tự động cho máy hút được các loại vật liệu khác
nhau, đảm bảo vật liệu không bị dịch chuyển trong quá trình khắc.
Sử dụng phần mềm điều khiển nhập khẩu cho máy thao tác đơn giản, dễ dàng.
Màn hình hiển thị màu cho bạn cảm giác thật hơn khi thao tác máy.
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT GỌT GỖ
2.1. Những khái niệm cơ bản về cắt gọt gỗ.
2.1.1. Khái niệm, nguyên lý và phương pháp chế biến gỗ
Chế biến gỗ là khái niệm tổng quát trong đó bao hàm cả quá trình và phương
tiện được áp dụng vào sản xuất để làm thay đổi gỗ, tạo ra sản phẩm theo mong
muốn của con người.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 10

* Các nguyên lý chế biến gỗ:
- Nguyên lý chế biến cơ giới: loại hình chế biến tạo ra sản phẩm từ gỗ bằng
cách chủ yếu làm thay đổi hình dáng, kích thước, còn bản chất hoá học của gỗ cơ
bản không thay đổi.

- Nguyên lý hóa học: Là hình thức chế biến tạo ra sản phẩm từ gỗ mà trong đó
cấu trúc, thành phần và bản chất hoá học của gỗ đã bị thay đổi. Ví dụ: quá trình sản
xuất rượu, quá trình sản xuất than gỗ, giấm, .v.v.
- Nguyên lý cơ – hóa: Là hình thức chế biến trung gian giữa chế biến cơ giới
và chế biến hoá học. Ví dụ: quá trình gia công áp lực có ngâm tẩm, biến tính gỗ, sản
xuất gỗ nhân tạo.v.v.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 11

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát phân loại chế biến gỗ
2.1.2. Hệ thống công nghệ sử dụng
Muốn hoàn thành nhiệm vụ cắt gọt, chúng ta phải sử dụng một hệ thống thiết
bị nhằm tách được lớp lớp gỗ thừa khởi chi tiết, đồng thời phải đảm bảo các yêu cầu
kỹ thuật trên bản vẽ.
Hệ thống thiết bị dùng để hoàn thành nhiệm vụ đó được gọi là hệ thống công
nghệ. Hệ thống công nghệ gồm: máy, dao, đồ gá và chi tiêt gia công.
2.1.3. Khái niệm và phân loại cắt gọt gỗ
a. Khái niệm cắt gọt gỗ
- Cắt gọt: Dùng công cụ để chia tách đối tượng ra nhiều phần bằng việc phá
hủy liên kết theo hướng định trước.
- Cắt gọt gỗ: Dùng công cụ để chia tách đối tượng ra nhiều phần bằng việc
phá hủy liên kết theo hướng định trước.
- Điều kiện thực hiện cắt gọt gỗ : Gỗ ( phôi ), dao cắt ( công cụ ) và chế độ cắt

( chế độ cắt ).
- Nguyên lý cắt:
+ Cắt thẳng: chuyển động tương đối giữa dao cắt và gỗ là chuyển động thẳng.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 12

+ Cắt tròn: chuyển động tương đối giữa dao cắt và gỗ là chuyển động quay
tròn.
- Tổ thành sau quá trình cắt:
+ Phôi: Đối tượng (vật thể) gỗ đưa vào cắt
+ Phoi: Phần gỗ trực tiếp bị cắt ra từ phôi.
+ Sản phẩm hay bán sản phẩm: phần phôi giữ lại sau quá trình cắt đảm bảo
yêu cầu.
+ Phế liệu: phần dư trên phôi cần cắt bỏ ( phoi, phần thừa )
b. Phân loại cắt gọt gỗ.
- Căn cứ vào quan hệ giữa cạnh cắt và phương cắt :
+ Cắt gọt 2 chiều (hình.a): cạnh cắt chính và phương cắt vuông góc với nhau.
+ Cắt gọt 3 chiều (hình.b): cạnh cắt chính và phương cắt không vuông góc với
nhau.

Hình a

Hình b

- Căn cứ vào quan hệ giữa cạnh cắt chính, vận tốc cắt với phương sợi gỗ:

a

b

c

Trong đó: a) cắt ngang; b) cắt dọc; c) cắt bên
+ Cắt dọc: Cạnh cắt vuông góc với thớ gỗ, vận tốc cắt song song với thớ gỗ.
+ Cắt ngang: Cạnh cắt và vận tốc cắt cùng vuông góc với thớ gỗ.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 13

+ Cắt bên: Cạnh cắt song song với thớ gỗ, vận tốc cắt vuông góc với thớ gỗ.
- Căn cứ theo số cạnh của dao tham gia cắt gọt:
+ Cắt hở :Quá trình cắt diễn ra chỉ do một cạnh cắt tham gia, chiều dài phần
tham gia cắt lớn hơn hoặc bằng chiều rộng phôi, phoi.
+ Cắt kín: Quá trình cắt diễn ra do 3 cạnh cắt tham gia, chiều dài cạnh cắt
bằng chiều rộng phoi và nhỏ hơn chiều rộng phôi.
+ Cắt nửa hở : Quá trình cắt diễn ra do hai cạnh cắt tham gia, chiều dài phần
tham gia cắt bằng chiều rộng phoi, nhỏ hơn chiều rộng phôi.

2.2. Các yếu tố cơ bản của dụng cụ cắt gỗ.
Dụng cụ cắt hay còn gọi là dao là bộ phận của hệ thống công nghệ có nhiệm
vụ trực tiếp tách phoi để hình thành bề mặt gia công. Kinh nghiệm cho thấy: dao có
ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cắt gọt. Nó không những tác động trực tiếp tới chất
lượng chi tiết mà còn chi phối không nhỏ tới vấn đề năng suất và giá thành chế tạo
sản phẩm.
Vì lý do khách quan như vậy nên ta cần phải có những hiểu biết về dao nhằm
sử dụng chúng một cách hợp lý và đó một trong những trọng tâm của công tác
nghiên cứu cắt gọt gỗ.
2.2.1. Các bộ phận tổ thành của dao cắt gỗ và phôi trong quá trình cắt.

Hình 2.2. Các bộ phận tổ thành của dao cắt gỗ và phôi trong quá trình cắt
Phôi thường được chia thành 3 bề mặt :
(1) Bề mặt chờ gia công: tức bề mặt thuộc phần phoi sẽ đươc cắt.
(2) Bề mặt gia công (mặt phẳng cắt gọt): bề mặt mà lưỡi dao đang cắt.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


ỏn tt nghip

Trang 14

(3) B mt ó gia cụng: b mt c hỡnh thnh sau khi phoi ó b ct i.
Cng ging nh dao ct kim loi thỡ dao ct g c cu to bi ba phn: phn
lm vic cũn gi l phn ct, phn gỏ t dao v phn cỏn dao (hỡnh ).
Phần gá đặt

Mặt tr ớ c
Mặt cắt phụ
Phần thân dao
Mặt sau phụ

Mũi dao

Phần cắt

L ỡ i cắt chính
Mặt sau chính

Hỡnh 2.3. Kt cu chung dao ct g
Trng hp riờng: Dao ct hỡnh nờm gm cỏc b phn ch yu:
Mt trc : l b mt tip xỳc trc tip n lp g b ct, l b mt lm cho
phoi mang theo ú m thoỏt ra.
Mt sau : l b mt hng vo b mt ó gia cụng trờn phụi (mt trc v mt
sau dao c cú th l mt phng cng cú th l mt cong)
Cnh ct : l giao tuyn ca mt trc v mt sau, nh vo nú m cú th hon
thnh cụng vic ct gt
2.2.2. Vt liu ch to dao gia cụng g.
Vn vt liu cú ý ngha cỏch mng trong ngnh c khớ ch to mỏy. Trong
ú vt liu ch to dao úng vai trũ quan trng.
* Cỏc loi vt liu ch to dao
- Thộp cacbon
- Thộp hp kim
- Thộp giú (thộp cao tc) v phm vi s dng:

SVTH: NGUYN PHC

Lp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 15

Thực chất thép gió là thép hợp kim, nhưng có hàm lượng hợp kim cao, thường
18% Wolfram, 4% Crom và 1% Vanadi. Nhờ vậy cho phép cắt với tốc độ cao
hơn thép dụng cụ, thường 30-80m/ph.
Các loại thép gió thường sử dụng là (bảng 2.1)
Bảng 2.1. Các loại thép gió
Nước sản xuất

Ký hiệu

Liên Xô

PK10

Hungaria

R1

Aisi USA

T5

ILS Japan

SKH4

Ký hiệu

Ký hiệu

Ký hiệu

P18

P9

R2

R3

R5

EJ276

T4

T1

-

M2

SKH2

Ký hiệu

SKH7

Thép gió nếu nhiệt luyện với chế độ hợp lý có thể đạt được độ cứng 64 HRC,
độ cứng ấy không thay đổi khi nhiệt độ tăng đến 550-600oC.
2.3. Lực cắt
Lực do dao tác dụng lên phôi là lực cắt, và ngược lại gọi là lực cản cắt. Trên lí
thuyết có thể chia lực cắt gọt thành các lực biến dạng, lực phân li gỗ và lực ma sát,
nhưng trên thực tế quá trình cắt gọt gỗ lại rất khó có thể tách các lực này ra. Do đó,
chúng ta thống nhất gọt chúng là lực cắt gọt.
Lực cắt và cản cắt có trị số bằng nhau nhưng ngược chiều.
2.3.1. Phương pháp phân tích và xác định lực cắt
Mục đích của chúng ta là xác định thành phần lực cắt theo phương tốc độ cắt
và thành phần lực cắt theo phương vuông góc với phương tốc độ cắt.
Để xác định thành phần lực cắt theo phương tốc độ cắt và thành phần lực cắt
theo phương vuông góc với phương tốc độ cắt, trước tiên ta xác định thành phần áp
lực và thành phần lực ma sát, tổng hợp thành phần áp lực và thành phần lực ma sát
với nhau ta được lực tổng hợp, sau đó phân lực tổng hợp ra thành thành phần lực cắt

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 16

theo phương tốc độ cắt và thành phần lực cắt theo phương vuông góc với phương

tốc độ cắt.
Ví dụ phương pháp phân tích lực cắt tại khu vực mặt trước của dao cắt khi cắt
hai chiều như sau:

Hình 2.4. Lực cắt 2 chiều
N: Lực nén vuông góc
T: Lực ma sát
�

�

�

F  NT

F: Hợp lực của N, T
Phân tích lực cắt gọt F thành hai lực: F1 và F2
F1: Song song với phương cắt-lực cắt tiếp tuyến
F2: Lực uông góc với phương cắt-lực cắt pháp tuyến
�

�

�

F  F1  F2

F 1  N .sin   T .cos
F2  N .cos  T .sin 

Trong đó :    là góc cắt

Ví dụ phương pháp phân tích lực cắt tại khu vực mặt trước của dao cắt khi cắt
ba chiều như sau:

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 17

Hình 2.5. Lực cắt 3 chiều
F: Lực tổng hợp.
F1: Phân lực ngang, vuông góc với vận tốc cắt.
F2: Phân lực đứng vuông góc với vận tốc cắt.
F3: Phân lực song song với tốc độ cắt.
: Góc nghiêng dao.
2.3.2. Phương pháp xác định lực
Tính toán lực cắt, công suất cắt
Tính lực cắt:
Lực cắt gọt phân giải thành:
-

Phân lực song song với vận tốc cắt gọt, tức lực tiếp tuyến - P

-

Phân lực vuông góc với vận tốc cắt gọt tức lực pháp tuyến - Q

Thực tế hay ứng dụng hai phương pháp:
* Tính theo lí thuyết dựa vào khái niệm lực học và tính toán, phương pháp này
phức tạp, nhiều hệ số…
* Phương pháp thực nghiệm: thông qua giá trị tỷ suất lực cắt, xem xét đến các
nhân tố ảnh hưởng, và tổng kết trên cơ sở thực nghiệm
Nếu đã biết tỷ suất lực cắt K ( lực cắt đơn vị), lực tiếp tuyến có thể theo công
thức sau để tính toán: P = K.a.b
+ Tính công suất cắt:
SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 18

Tích của lực cắt gọt và vận tốc cắt gọt gọi là công suất cắt - Nc
Nc = P.V (kW)
Trong đó: P – lực tiếp tuyến (N)
V – vận tốc cắt gọt (m/s)
2.4. Hao mòn công cụ cắt gọt
- Khái niệm hao mòn công cụ cắt
Hao mòn dao cắt là hiện tượng mất mát vật chất của dao cắt trong quá trình sử
dụng do tác động của các yếu tố ngoại cảnh.
- Phân loại các dạng hao mòn dao cắt
+ Căn cứ vào diễn biến thời gian thì thường phân ra hai loại:
Hao mòn tiệm biến: Là hiện tượng hao mòn dao cắt xảy ra dần dần theo thời

gian
Hao mòn đột biến: Là hiện tượng hao mòn dao cắt xảy ra tức thời, diễn ra
nhanh
+ Căn cứ vào nguyên nhân, bản chất :
Ăn mòn cơ giới.
Ăn mòn hóa học.
2.5. Chất lượng bề mặt cắt và phoi cắt
2.5.1. Độ chính xác trong quá trình cắt
Độ chính xác trong gia công là chỉ mức độ phù hợp của các tham số về hình
dáng, kích thước, bề mặt,… của chi tiết sau khi gia công đối với các tham số về
hình học được quy định trong sơ đồ thiết kế.
Sai số giữa kích thước thực tế khi gia công của các chi tiết và kích thước trên bản
thiết kế được gọi là sai số về kích thước. Mức độ phù hợp của kích thước được gọi
là độ chính xác của kích thước.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 19

2.5.2. Độ nhẵn bề mặt cắt
- Độ lồi lõm do dấu vết của dao cắt trên bề mặt gia công
- Độ lồi lõm do chuyển động cơ học của dao cắt
- Độ lồi lõm do các phần tử gỗ bị phá hủy
- Độ lồi lõm do đàn hồi không đều của vật cắt
Gỗ trong quá trình gia công chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động khác

nhau, làm cho trên bề mặt gia công không bằng phẳng, mức độ không phẳng càng
lớn thì độ nhẵn bề mặt càng thấp

Độ cao của 10 điểm mấp mô khi quan sát bằng hiển vi Rz
Là tổng của độ cao trung bình của 5 đỉnh cao nhất của đường phác với giá trị
trung bình của chiều sâu đối với 5 đỉnh cao nhất này trong phạm vi độ dài lấy mẫu.

Hình 2.6. Độ cao của 10 điểm nhấp nho khi quan sát hiển vi
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU MÁY
3.1. Lựa chọn phương án di chuyển của các trục tọa độ
3.1.1. Phương án phôi cố định
- Trục Y chuyển động trên bệ máy, trục X chuyển động trên trục Y, trục Z
SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 20

chuyển động trên trục X:

Hình 3.1. Phương án 1
- Đặc điểm:
+ Như trên hình vẽ, để trục Y có thể vừa trượt được trên bệ đỡ vừa nâng
được các trục X và Z thì nó thường phải có kết cấu vững chắc và có các thanh rằng
ngang, để toàn bộ phần trượt Y ko bị vênh, xộc xệch khi di chuyển. Đồng thời 2
tấm đỡ 2 bên phải đủ độ dầy để khi bắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt
không bị dơ, đảm bảo trượt ổn định và không có sai số.

+ Trục X trượt trên trục Y nên trên bộ phận trượt trục Y có gắn hệ thống các
thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ… tất cả các bộ phận này chuyển động
cùng với trục Y.
+ Trên trục Z có gắn cơ cấu bắt động cơ chạy mũi khoan. Trục Z trượt trên
trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền
động cho trục Z.
+ Trên bệ đỡ có gắn các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công.
3.1.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y , dụng cụ gia công di chuyển theo 2
trục X và Z

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 21

Hình 3.2. Phương án 2
- Đặc điểm:
+ Phần cố định bao gồm khung máy (hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và cơ
cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy.
+ Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục
Z là trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn thanh trượt, động cơ và cơ cấu
truyền động của trục Z.
+ Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ trục chính.
3.1.3. Phôi di chuyển theo 2 trục X và Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục Z

Hình 3.3. Phương án 3

* Đặc điểm :
- Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục Z.
- Phôi được đặt trên bàn máy và có thể di chuyển tự do theo phương trục X
và trục Y trong mặt phẳng ngang nhờ các cơ cấu dẫn động thường là động cơ gắn
liền với trục vít me.
- Đầu gá dụng cụ mang theo dụng cụ gia công thực hiện chuyển động
theo phương trục Z ( trục thẳng đứng ).
3.1.4. So sánh 3 phương án
- Với những đặc điểm trên một điều dễ nhận thấy là số lượng, kích thước và
khối lượng các bộ phận chuyển động của phương án phôi cố định là nhiều hơn bao
SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 22

gồm:
+ Bộ phận trượt trục Z, bao gồm cả cơ cấu bắt động cơ chạy trục chính.
+ Bộ phận trượt trục X, bao gồm cả thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền
động của trục Z.
+ Bộ phận trượt trục Y bao gồm cả: các thanh trượt của trục X, động cơ và
cơ cấu truyền động của trục X.
Trong khi của phương án phôi di chuyển bao gồm:
+ Bộ phận trượt trục Z, bao gồm cả cơ cấu bắt động cơ chạy trục chính.
+ Bộ phận trượt truc X bao gồm cả thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền
động của trục Z.
+ Bộ phận trượt trục Y, không có các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền

động của trục X.
- Điều nổi bật ở đây là trong phương án phôi cố định, bộ phận trượt trục X
trượt trên trục Y vì vậy bộ phận Y có kết cấu to, khối lượng lớn, lại cộng thêm
khôi lượng của thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X, từ đó dẫn
đến tổng khối lượng của phần di động trong phương án này lớn hơn trong
phương án phôi di động tới 2 lần.
- Tuy nhiên, trong việc thiết kế máy điêu khắc gỗ CNC router thì yêu cầu
quang trọng hơn cả là hành trình của các trục X, Y lớn nhất có thể và chủ yếu là
phay gỗ nên không yêu cầu cao về độ cứng vững như gia công kim loại, mặc dù ta
vẫn biết một tỉ số rất quan trọng đó là tỉ số giữa khối lượng phần di chuyển và khối
lượng phần cố định phải đủ thấp để đảm bảo trong quá trình vận hành máy không
bị rung, ảnh hưởng lớn tới các kết cấu, và độ chính xác của quá trình gia công.
Trong 3 phương án trên, thì phương án phôi phôi cố định, Tuy phuơng án
này có thể gặp khó khăn trong khâu chế tạo vì kết cấu khá phức tạp nhưng nó vẫn
đảm bảo được tính công nghệ, và gần với các máy điêu khắc gỗ CNC hiện nay hơn.
Vì vậy chúng em quyết định chọn kết cấu máy theo phương án phôi cố định.
3.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động
3.2.1. Vít me đai ốc thường
+ Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay,

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 23

động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me.

Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động( trục X, Y, Z). Từ đó làm
cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống

thanh trượt, động cơ và cơ cấu

tuyền động.

Hình 3.4. Truyền động Vít me – Đai ốc
+ Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của
trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của trục
động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc
độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ
chính xác khi chuyển động khá cao. Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và
trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao. Ví dụ nếu dùng
động cơ bước với bước góc 1.8 độ làm và trục ren đường kính 6mm (bước ren
1mm ) thì độ chính xác di chuyển có thể đạt được là 0.005mm
+ Một ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật.
+ Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia
công các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…
3.1.2. Vit me đai ốc bi
Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2
dạng vít me – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc còn được gọi là vít me
đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít me – đai ốc
SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 24

bi. (hình vẽ). Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp
xúc giữa vít em và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn.
Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho
đai ốc chuyển động .
Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profin răng vit
me và đai ốc. Frofin răng vit me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo dễ dang
hơn cả cong khả năng chịu tải kém. Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề
mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo frofin dạng tròn .
Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền dó là kết cấu của
rãnh hồi bi: rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc
hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp .
- Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền
mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao .
- Rãnh hồi bi theo lỗi khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính
công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó khăn.
- Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều
hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều
dài rãnh hồi bi lớn.
3.2.3. Phương án dùng đai
+ Sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai
đầu của đai được đặt vừa vào 2 cái lô có cùng kính thước răng cưa với đai. Một cái
lô bắt chặt vào trục động cơ, còn cái lô kia được gắn vào một trục quay ở phía bên
kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể qua tự do tại chỗ. Một đoạn của đai
được gắn với bộ phận cần trượt. Khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo
theo bộ phận đó di chuyển.

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09


Đồ án tốt nghiệp

Trang 25

Hình 3.5. Truyền động bằng đai
+ Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của lỗ.
Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với
chu vi của lô (thường là cỡ 20-30 mm). Rõ ràng phương án này có tốc độ
di chuyển nhanh hơn rất nhiều
+ Nhưng đổi lại, độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể dẫn đến những sai
lệch khi gia công. Và lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng
động cơ bước).
+ Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di
chuyển
nhanh mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt đề can…
3.2.4. Truyền động bánh răng – thanh răng:
Truyền động bánh răng – thanh răng được thực hiện nhờ sự ăn khớp của các
răng trên bánh răng và thanh răng. Dùng để biến chuyển động quay thành chuyển
động tịnh tiến. Do khả năng tải lớn nên truyền động này thường được dùng trong
các máy công cụ như máy mài, máy hàn,…


Ưu điểm:

+ Kích thước tương đối nhỏ, khả năng tải lớn.
+ Tỷ số truyền không thay đổi trong quá trình làm việc.
+ Hiệu suất cao, có thể đạt từ 0,97 - 0,99.

+ Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
 Nhược điểm: Chế tạo tương đối phức tạp do cần độ chính xác cao.
3.2.5 Truyền động bánh ma sát:

SVTH: NGUYỄN PHƯỚC

Lớp: DCK09