Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình máy phay cnc 5 trục và nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỒNG VĂN KEO

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHAY
CNC 5 TRỤC VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT SẢN PHẨM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 09 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS .TS. Bùi Trọng Hiếu

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Nguyễn Ngọc Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Tôn Thiện Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
16 tháng 09 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Trần Doãn Sơn (Chủ tịch)
2. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Phương (PB1)
3. TS. Tôn Thiện Phương (PB2)
4. TS. Phạm Hữu Lộc (Uỷ viên)

5. TS. Lê Thanh Long (Thư ký)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS. TS. Trần Dỗn Sơn

PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Học viên thực hiện: ĐỒNG VĂN KEO

MSHV: 1870610

Ngày, tháng, năm sinh: 28/10/1991

Nơi sinh: Kiên Giang

Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã sơ: 8520103

TÊN ĐỀ TÀI

I.

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mơ hình máy phay cnc 5 trục và nghiên cứu các
thông số ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

II.

1. Xác định đối tượng, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và cơ sở lý thuyết về
vấn đề nghiên cứu.
2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình máy phay CNC 5 trục cỡ nhỏ.
3. Tiến hành gia công thử nghiệm, đánh giá kết quả.
4. Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của sản
phẩm khi gia công bằng máy phay CNC 5 trục này.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/02/2019

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/07/2020

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Bùi Trọng Hiếu
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 02 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PGS. TS. Bùi Trọng Hiếu

GS. TS. Nguyễn Thanh Nam

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc


LỜI CÁM ƠN
Với lịng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép em gửi lời cảm ơn chân
thành nhất tới:
– Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM , khoa Cơ khí cùng
các giảng viên đã tận tình chỉ dạy và tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ.
– Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Trọng Hiếu, người
hướng dẫn và cũng là người đã luôn tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và động viên em trong
suốt q trình nghiên cứu hồn thành đề tài này.
– Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ln khích lệ, động viên và giúp đỡ
tơi trong q trình học tập và nghiên cứu khoa học.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, em rất
mong nhận được sự thơng cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa
học, của quý thầy cô, các cán bộ quản lý và các bạn đồng nghiệp.
TP.HCM, tháng 08 năm 2020
Học viên thực hiện

Đồng Văn Keo

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cùng nhu cầu phát triển của xã hội thì khoa học cơng nghệ cũng ngày một phát
triển nhanh chóng. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự phát
triển đáng kể về độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm. Ở các nước phát triển,
công nghệ chế tạo máy điều khiển số CNC đã đạt đến mức hoàn thiện cao. Tuy nhiên,
ở Việt Nam, các cơng trình nghiên cứu về máy CNC là chưa nhiều, đặc biệt là nghiên
cứu chế tạo loại máy 5 trục. Luận văn này này trình bày một số kết quả nghiên cứu
chế tạo máy phay CNC 5 trục cỡ nhỏ, sử dụng phần mềm Mach3 ứng dụng trong gia
công xốp, gỗ và kim loại màu. Kết quả thử nghiệm cho thấy máy hoạt động ổn định,
các sản phẩm gia cơng đạt độ chính xác ± 0,03mm. Kết quả này sẽ là kết quả tham
khảo tốt cho việc phát triển lên máy phay CNC 5 trục cỡ lớn, giúp nâng cao q trình
tự động hóa và gia cơng các chi tiết có độ phức tạp cao. Bên cạnh đó, các thơng số
cơng nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm cũng cần quan tâm nghiện
cứu, từng bước thử nghiệm nâng cao độ cứng vững và độ chính xác của máy, tạo tiền
đề phát triển chế tạo máy CNC 5 trục cỡ lớn phục vụ sản xuất công nghiệp với giá
thấp hơn và được sản xuất trong nước.


ABSTRACT
Science and technology is also rapidly developing along with the needs for social
development. The increase in the field of automation in the manufacturing process
has created a significant development in terms of accuracy and quality of products.
In developed countries, the technology of manufacturing CNC (Computer numerical
control) machines has reached a high level of perfection. However, in Vietnam, there
are not many studies on 5 – axis CNC machine, especially studies on manufacturing
5 – axis machine. This thesis presents some research results of manufacturing smallsize 5 – axis CNC milling machining, combined with MACH3 software to apply in
mechanical processing of foam, wood and non – ferrous metals. Test results show
that the machine operates stably, the processed products achieve accuracy of ±
0.05mm. These results will be a valuable reference source for the development of

large – size 5 – axis CNC milling machine, which helps to improve the automation
and processing of highly complex parts. In addition, the technological parameters
affecting the surface quality of the product is also very important for research and
research. Step by step testing to improve the rigidity and accuracy of the machine,
creating a premise for the development of manufacturing large 5 – axis CNC
machines for industrial production at lower prices and domestically produced.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình máy
phay CNC 5 trục và Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng
bề mặt sản phẩm” là cơng trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua. Mọi
số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tơi tự tìm hiểu,
phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được cơng
bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nếu có sự khơng
trung thực trong thơng tin sử dụng trong cơng trình nghiên cứu này.Tác giả
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020
Học viên thực hiện

Đồng Văn Keo


LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................... I
DANH SÁCH HÌNH................................................................................................ IV
DANH SÁCH BẢNG .............................................................................................. IX
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ XI
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1

2.

Mục tiêu của đề tài......................................................................................... 2

3.

Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 2

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................3
1.1

Lịch sử phát triển ........................................................................................... 3

1.2

Hệ toạ độ trong máy CNC ............................................................................. 4

1.3

Hệ điều khiển máy cnc .................................................................................. 5

1.4

Kết cấu cơ bản của máy phay CNC 5 trục .................................................... 6

1.4.1

Bàn – bàn (Table – Table) ...................................................................... 6

1.4.2

Đầu – đầu (Head – Head) ....................................................................... 7

1.4.3

Đầu – bàn (Head – Table) ....................................................................... 8

1.5

Các thành phần cụm truyền động tịnh tiến của máy phay CNC ................... 9

1.5.1

Bộ phận truyền động ............................................................................... 9

1.5.2

Bộ phận dẫn hướng ............................................................................... 12

1.5.3

Ổ đỡ trục (gối đỡ) ................................................................................. 15

1.5.4

Khớp nối ............................................................................................... 17

1.6

Các thành phần điện điều khiển................................................................... 18

1.6.1

Động cơ truyền động ............................................................................ 18

1.6.2

Driver điều khiển động cơ .................................................................... 22

1.7

Trục chính (Spindle) .................................................................................... 23

1.7.1

Đầu phay Spindle giải nhiệt bằng khơng khí (air cooled spindle)........ 24

1.7.2

Đầu phay Spindle giải nhiệt bằng nước ................................................ 25

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang I


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.8

Ý nghĩa các thông số khảo sát ..................................................................... 26

1.8.1

Ảnh hưởng của chế độ cắt .................................................................... 26

1.8.2

Ảnh hưởng của vật liệu gia công .......................................................... 30

1.9

Ý nghĩa của độ nhám bề mặt trong phay CNC ............................................ 33

1.9.1

Độ nhám bề mặt .................................................................................... 33

1.9.2

Dụng cụ đo và phương pháp đo ............................................................ 35

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC 5 TRỤC ...........................37
2.1

Các thông số thiết kế ban đầu ...................................................................... 37

2.2

Thiết kế kết cấu chung của máy .................................................................. 37

2.3

Thiết kế khung máy – bàn máy ................................................................... 39

2.3.1

Khung máy ............................................................................................ 39

2.3.2

Bàn máy ................................................................................................ 43

2.4

Thiết kế cụm truyền động cho mơ hình máy phay CNC 5 trục................... 45

2.4.1

Cụm truyền động tịnh tiến trục Y ......................................................... 45

2.4.2

Cụm truyền động tịnh tiến trục X ......................................................... 53

2.4.3

Cụm truyền động tịnh tiến trục Z ......................................................... 59

2.4.4

Cụm truyền động tịnh tiến trục C ......................................................... 64

2.4.5

Cụm truyền động tịnh tiến trục B ......................................................... 69

2.5

Phần mềm điều khiển máy phay CNC 5 trục .............................................. 72

2.6

Thiết kế tủ điện điều khiển mơ hình máy phay CNC 5 trục ........................ 73

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH MÁY PHAY
CNC 5 TRỤC ............................................................................................................77
3.1

Chế tạo mơ hình máy phay CNC 5 trục: ..................................................... 77

3.2

Lắp ráp mơ hình máy phay CNC 5 trục: ..................................................... 84

3.3

Thử nghiệm, kết quả: ................................................................................... 88

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT
LƯỢNG BỀ MẶT SẢN PHẨM ...............................................................................93

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang II


LUẬN VĂN THẠC SĨ
4.1

Phương pháp và thiết kế nghiên cứu ........................................................... 93

4.2

Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo ............................................................... 96

4.3

Nghiên cứu thực nghiệm ............................................................................. 96

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN.......................................................................................105
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ........................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................107
TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................110

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang III

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH SÁCH HÌNH
Hình 1. 1 Hệ toạ độ trong máy phay CNC [3] ............................................................4
Hình 1. 2 Bảng điều khiển hệ điều hành Fanuc [4].....................................................5
Hình 1. 3 Bảng điều khiển phần mềm Mach3 của hãng Artsoft [5] ...........................6
Hình 1. 4 Kết cấu máy loại bàn – bàn [3] ..................................................................6
Hình 1. 5 Máy phay CNC 5 trục kết cấu bàn – bàn của hãng HASS .........................7
Hình 1. 6 Kết cấu máy loại bàn – bàn [3] ...................................................................7
Hình 1. 7 Máy phay CNC 5 trục kết cấu bàn – bàn của hãng Vision Wide ...............8
Hình 1. 8 Kết cấu máy loại đầu – bàn .........................................................................8
Hình 1. 9 Máy phay CNC 5 trục kết cấu đầu – bàn của hãng DMG MORI ...............9
Hình 1. 10 Bộ truyền vít me – đai ốc bi của hãng TBI [6] .......................................10
Hình 1. 11 Bộ truyền bánh răng – thanh răng [6] .....................................................11
Hình 1. 12 Cấu tạo của động cơ chuyển động thẳng [7] ...........................................12
Hình 1. 13 Các kiểu mặt cắt ngang sống trượt [8] ....................................................13
Hình 1. 14 Sống trượt con lăn [8] .............................................................................14
Hình 1. 15 Thanh trượt - con trượt vuông của Hãng Hiwin [7] ................................14
Hình 1. 16 Thanh trượt - con trượt trịn [6]...............................................................15
Hình 1. 17 Gối đỡ vịng bi [7] ...................................................................................16
Hình 1. 18 Gối đỡ trục [7] .........................................................................................16
Hình 1. 19 Khớp nối cứng [7] ...................................................................................17
Hình 1. 20 Khớp nối mềm [6] ...................................................................................18
Hình 1. 21 Sơ đồ khối bộ điều khiển AC Motor .......................................................20
Hình 1. 22 Driver cho động cơ AC servo có chức bộ điều khiển số ........................21
Hình 1. 23 Động cơ truyền động Easy Servo của hãng Leadshine [11] ...................21
Hình 1. 24 Động cơ truyền động AC Servo của hãng Fanuc [4] ..............................22
Hình 1. 25 Vịng điều khiển nửa kín và vịng điều khiển kín [13]...........................22
Hình 1. 26 Driver điều khiển động cơ Easy Servo Drives của hãng Leadshine [11]

...................................................................................................................................23
Hình 1. 27 Driver điều khiển động cơ Servo Amplifier của hãng Fanuc [4]............23
Hình 1. 28 Cắt loại bỏ phoi khi gia công chi tiết trên máy CNC ..............................24
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang IV


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 1. 29 Động cơ trục chính làm mát bằng khơng khí [14] ..................................25
Hình 1. 30 Động cơ trục chính AC của hãng Fanuc [4] ...........................................25
Hình 1. 31 Động cơ trục chính làm mát bằng nước ..................................................26
Hình 1. 32 Quan hệ chiều sâu cắt và độ nhám bề mặt ..............................................28
Hình 1. 33 So sánh giữa độ nhám bề mặt đo được (Ra)và độ nhám động học với các
vật liệu khác nhau dưới tốc độ cắt khác nhau ...........................................................31
Hình 1. 34 Dạng mũi cắt dưới tốc độ cắt 50mm/phút với các vật liệu khác nhau ....31
Hình 1. 35 Hình dạng mũi cắt dưới tốc độ cắt 200mm/phút với các vật liệu khác nhau
...................................................................................................................................32
Hình 1. 36 Độ nhám bề mặt dưới tốc độ cắt 300 mm = phút với các vật liệu phơi
khác nhau...................................................................................................................32
Hình 1. 37 Hình ảnh bề mặt của vật liệu Al6061 với các tốc độ cắt khác nhau .......33
Hình 1. 38 Định nghĩa sai lệch trung bình Ra . [18] ................................................34
Hình 1. 39 Định nghĩa chiều cao nhấp nhơ Rz. [18] .................................................34
Hình 1. 40 Phương pháp đo trực tiếp: a) Máy đo loại tiếp xúc, b) Kính hiển vi ngun
tử lực. [35] .................................................................................................................35
Hình 1. 41 Phương pháp đo gián tiếp: a) Giao thoa ánh sáng trắng, b) Kính hiển vi
laser. [19] ...................................................................................................................36
Hình 1. 42 Máy đo độ nhám loại tiếp xúc trực tiếp.[14]...........................................36
Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 5 trục ....................................................38
Hình 2. 2 Các bộ phận cơ bản mơ hình máy phay CNC 5 trục.................................38

Hình 2. 3 Khung máy – thép hộp với quy cách phơi là 75x75x2 .............................40
Hình 2. 4 Phân tích hệ số an tồn của khung máy trong phần mềm Solidworks ......41
Hình 2. 5 Phân tích khả năng chịu bền của khung máy ............................................41
Hình 2. 6 Phân tích khả năng về độ biến dạng của khung máy ................................42
Hình 2. 7 Mơ hình hố hình học khung máy ............................................................42
Hình 2. 8 Bàn máy ....................................................................................................43
Hình 2. 9 Phân tích khả năng chịu bền của bàn máy về ứng suất cho phép .............44
Hình 2. 10 Phân tích khả năng biến dạng của bàn máy ............................................44
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang V


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 2. 11 Mơ hình thiết kế trục Y ...........................................................................45
Hình 2. 12 Tấm đế trục Y..........................................................................................46
Hình 2. 13 Cụm trục Y được thiết kế ........................................................................46
Hình 2. 14 Hệ só Fixed – Floated (N = 2).................................................................49
Hình 2. 15 Moment qn tính của tải........................................................................49
Hình 2. 16 Các kích thước cấu tạo của động cơ........................................................52
Hình 2. 17 Mơ hình thiết kế trục X ...........................................................................53
Hình 2.18 Tấm đế trục X...........................................................................................54
Hình 2.19 Tấm kết nối cụm trục X và trục Z ............................................................54
Hình 2. 20 Cụm trục X được thiết kế ........................................................................55
Hình 2. 21 Mơ hình thiết kế trục Z............................................................................59
Hình 2. 22 Tấm đế trục Z ..........................................................................................59
Hình 2. 23 Cụm trục Z được thiết kế ........................................................................60
Hình 2. 24 Mơ hình thiết kế trục C ...........................................................................64
Hình 2. 25 Tấm đế và tấm trung gian trục C............................................................65
Hình 2. 26 Cụm trục C được thiết kế ........................................................................65

Hình 2. 27 Các kích thước của hộp số (theo Harmanic cataloge).............................67
Hình 2. 28 Biểu đổ moment khi chạy khơng tải (theo Harmanic cataloge)..............68
Hình 2. 29 Mơ hình thiết kế trục B ..........................................................................69
Hình 2. 30 Tấm đế và tấm trung gian trục B............................................................70
Hình 2. 31 Cụm trục B được thiết kế ........................................................................70
Hình 2. 32 Giao diện người dùng phần mềm điểu khiển máy phay CNC 5 trục ......73
Hình 2. 33 Vịng điều khiển nửa kín và vịng điều khiển kín [6]..............................74
Hình 2. 34 Mạch điều khiển động cơ Hybrid Servo trục X Y Z [5] .........................75
Hình 2. 35 Mạch điều khiển động cơ Hybrid Servo trục C và trục B[7] ..................75
Hình 2. 36 Sơ đồ đấu dây BOB – Biến tần – Spindle ...............................................76
Hình 2. 37 Tủ điện điều khiển ...................................................................................76
Hình 2. 38 Mơ hình thiết kế được lắp hồn chỉnh.....................................................76

Hình 3. 1 Hàn khung máy .........................................................................................77
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang VI


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3. 2 Tạo mẫu xốp cho các chi tiết cần đúc .......................................................78
Hình 3. 3 Tạo hộp khn...........................................................................................78
Hình 3. 4 Thổi CO2 sau khi đã nện cát vào khn ...................................................79
Hình 3. 5 Đơt mẫu xốp ..............................................................................................79
Hình 3. 6 Lắp và hồn thành việc tạo khn đúc ......................................................80
Hình 3. 7 Rót gang ....................................................................................................80
Hình 3. 8 Tháo khn và thu sản phẩm ....................................................................80
Hình 3. 9 Máy phân tích kim lại AMETEK SPECTRO MAX .................................81
Hình 3. 10 Máy kéo nén vạn năng WANCE.............................................................82
Hình 3. 11 Gia cơng tấm đế trên máy phay CNC .....................................................83

Hình 3. 12 Rà thẳng và phẳng các thanh trượt ..........................................................84
Hình 3. 13 Lắp hồn thiện Cụm cơ khí ....................................................................84
Hình 3. 14 Lắp tủ điện..............................................................................................85
Hình 3. 15 Cài đặt thiết lập cấu hình kết nối máy và phần mềm điều khiển Mach3 85
Hình 3. 16 Máy tính điều khiển máy phay CNC 5 trục bằng phần mềm Mach3 .....86
Hình 3. 17 Máy phay CNC 5 trục nhìn từ mặt trước ................................................86
Hình 3. 18 Cụm trục B, C máy phay CNC 5 trục .....................................................87
Hình 3. 19 Máy lắp hồn thiện ..................................................................................87
Hình 3. 20 Gia cơng mẫu nhơm ................................................................................88
Hình 3. 21 Gia cơng mẫu mica..................................................................................89
Hình 3. 22 Gia cơng mẫu gỗ .....................................................................................90
Hình 3. 23 Gia cơng mẫu Máng chỉnh nha ..............................................................91
Hình 3. 24 10 mẫu 40 x 40 x 10 mm gia cơng trên máy phay 5 trục ......................92
Hình 4. 1 Mẫu đo độ nhám bề mặt ............................................................................94
Hình 4. 2 Phay mẫu bằng máy phay CNC được chế tạo trong đề tài .......................97
Hình 4. 3 Dụng cụ đo độ nhám được thiết lập theo ISO 1997 λc 0.8 .......................98
Hình 4. 4 Dụng cụ đo hiện thị kết quả là giá tri Ra ..................................................98
Hình 4. 5 Đo độ nhám bề mặt (Ra) bằng máy đo độ nhám Mitutoyo SJ – 210 ........99
Hình 4. 6 Mức độ ảnh hưởng của các thông số.......................................................104
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang VII


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 4. 7 Các giá trị quan sát được so với dự đoán của độ nhám bề mặt ...............104

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang VIII

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1. 1 So sánh đặc điểm giữa động cơ thường và servo [9] [10] .......................18
Bảng 1. 2 So sánh ưu, nhược điểm của các động cơ ................................................19
Bảng 1. 3 Ảnh hưởng của các tham số đến bề mặt hồn thiện của q trình gia công
...................................................................................................................................29
Bảng 1. 4 Ảnh hưởng của các tham số đến bề mặt hồn thiện của q trình gia cơng
...................................................................................................................................29
Bảng 1. 5 Mơ hình hồi quy bội α = 0.05 ..................................................................29
Bảng 1. 6 Các thống số cắt và các thông số hình học của dao [17]. ........................30
Bảng 1. 7 Các tính chất cơ lí của vật liệu phơi ........................................................30
Bảng 1. 8 Các phương pháp do độ nhám [19] ..........................................................35
Bảng 2. 1 Thơng số thiết kế ban đầu mơ hình máy phay CNC 5 trục ......................37
Bảng 2. 2 So sánh khả năng chịu uốn và chịu nén của các thiết diện thân máy [15]40
Bảng 2. 3 Thơng số tính tốn trục Y .........................................................................47
Bảng 2. 4 Thông số đai ốc SFH2005 ........................................................................48
Bảng 2. 5 Bảng thông số động cơ Leadshine 86HBM80 – 01 – 1000.....................51
Bảng 2. 6 thơng số vít me SCR02005 .......................................................................52
Bảng 2. 7 Thơng số tính tốn trục X .........................................................................55
Bảng 2. 8 Thơng số tính tốn trục Z .........................................................................60
Bảng 2. 9 Bảng thơng số tính tốn trục C .................................................................66
Bảng 2. 10 Các thông số kĩ thuật của hộp số Harmonic CSF - 17............................67
Bảng 2. 11 Thơng số kích thước của hộp số Harmonic CSF - 17.............................68
Bảng 2. 12 Bảng thông số tính tốn trục B ...............................................................71
Bảng 3. 1 Phân tích thành phần hoá học của mẫu đúc ..............................................81
Bảng 3. 2 Kết quả kiểm tra kéo vật liệu của mẫu đúc...............................................82
Bảng 3. 3 Giá trị kích thước đạt được sau khi gia công 10 mẫu đo theo 2 phương X
và Y ...........................................................................................................................92

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang IX


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Bảng 4. 1 Các thông số được nghiên cứu .................................................................93
Bảng 4. 2 Bảng thiết kế trực giao ..............................................................................95
Bảng 4. 3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm trong nghiên cứu....................................96
Bảng 4. 4 Kết quả đo thực nghiệm ..........................................................................100
Bảng 4. 5 Bảng mã hoá ...........................................................................................101
Bảng 4. 6 Bảng phân tích các hệ số phương trình hồi quy với mức ý nghĩa 1(α=0.05)
.................................................................................................................................102
Bảng 4. 7 Bảng phân tích các hệ số phương trình hồi quy với mức ý nghĩa 2 (α=0.05)
.................................................................................................................................103

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang X


LUẬN VĂN THẠC SĨ
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
3D: 3-Dimension
ATP: Automatically Programmed Tools
CAD: Computer Aided Design
CAM: Computer Aided Manufacturing
CNC: Computer Numerical Control
DNC: Data Numerical Control

NC: Numerical Control

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang XI


LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỞ ĐẦU
Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC 5 TRỤC
VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT
LƯỢNG BỀ MẶT SẢN PHẨM”
1. Đặt vấn đề
Cùng nhu cầu phát triển của xã hội thì khoa học cơng nghệ cũng ngày một phát
triển nhanh chóng. Việc gia tăng tự động hóa trong q trình sản xuất tạo nên sự phát
triển đáng kể về độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm. Ở các nước phát triển
công nghệ chế tạo máy điều khiển số CNC đã đạt đến mức hoàn thiện cao. Gia công
CNC là phương pháp gia công mà với các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc
sản xuất cơng nghiệp[1]. Riêng lĩnh vực gia cơng cơ khí, hàng loạt loại máy CNC ra
đời, máy CNC 2 trục, 3 trục, 4 trục, 5 trục, trung tâm gia công… Máy CNC có các
ưu điểm nổi bật như: khả năng tự động, độ chính xác cao, sự linh hoạt, gia cơng được
những hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả. Nhờ đó năng suất sản
xuất cũng như chất lượng sản phẩm được nâng cao. Với bất kỳ một doanh nghiệp sản
xuất nào thì đầu tư vào cơng nghệ mới hiệu quả và đảm bảo nhân lực có thể làm chủ
được công nghệ phục vụ sản xuất là một yêu cầu hàng đầu để luôn phát triển và chiếm
ưu thế cạnh tranh[3].
Ngày càng phổ biến, tuy nhiên giá thành máy CNC 5 trục nhập khẩu vẫn còn cao.
Nên những đơn vị sản xuất vừa và nhỏ khó có thể đầu tư. Bên cạnh đó nhu cầu về
nhân lực để vận hành, lập trình làm chủ cơng nghệ này cũng là một vấn đề mà các

doanh nghiệp lo ngại. Trong nước hiện nay, các cơng trình nghiên cứu về máy CNC
5 trục chưa nhiều, đặc biệt là máy 5 trục theo kiểu kết cấu đầu – đầu (Head – Head).
Với kiểu kết cấu này tất cả các chuyển động quay đều được thực hiện trên đầu trục
chính, bàn máy đứng n nên máy có thể mở rộng gia cơng được những sản phẩm có
kích thước lớn, linh hoạt hơn trong việc gia công sản phẩm hàng loạt. Việc chế tạo ra
mơ hình máy phay 5 trục cở nhỏ với chi phí thấp, nhưng vẫn đảm bảo hoạt động hiệu
quả. Phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo trong các trường, cơ sở đào tạo nghề là rất
cần thiết, máy có thể gia cơng chi tiết điêu khắc, gia cơng mẫu xốp, nhựa, các chi tiết
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ
cơ khí khơng địi hỏi chính xác q cao. Bên cạnh đó các thơng số cơng nghệ ảnh
hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm cũng rất cần quan tâm, nghiện cứu. Từng
bước thử nghiệm nâng cao độ cứng vững và độ chính xác của máy, tạo tiền đề phát
triển chế tạo máy cnc 5 trục cở lớn phục vụ sản xuất công nghiệp với giá thấp hơn và
được sản xuất trong nước. Với mong muốn đó tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
thiết kế chế tạo mơ hình máy phay CNC 5 trục và Nghiên cứu các thông số công nghệ
ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm” làm luận văn thạc sỹ ngành Kỹ thuật Cơ
khí.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mơ hình máy phay CNC 5 trục, điều khiển tự động
các chuyển động theo các phương X, Y, Z, B, C trong hệ toạ độ Descartes giao tiếp
với máy tính qua mạch Mach3 theo kết cấu Đầu - Đầu.
Nghiên cứu các thông số chế độ cắt, vật liệu gia công ảnh đến chất lượng bề mặt
sản phẩm.
3. Phạm vi nghiên cứu
❖ Mơ hình máy phay 5 trục:

Mơ hình máy phay CNC 5 trục chỉ có thể để thay thế các thiết bị đắt tiền nhập
khẩu trong việc đào tạo nghề cho công nhân trong nhà máy hoặc trong các phịng
thực hành, thí nghiệm của các trường, cơ sở đào tạo nghề.
+ Gia công vật liệu: Gỗ, nhựa, xốp,…
+ Độ chính xác gia cơng: ± 0.05 mm
+ Ổ dụng cụ cắt: 1
+ Đường kính dụng cụ cắt lớn nhất: Φ6 mm
❖ Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm:
+ Tổng quan cơ sở lý thuyết các thông số công nghệ ảnh hưởng đến
chất lượng bề mặt sản phẩm.
+ Nghiên cứu các thông số công nghệ chế độ cắt gọt ảnh hưởng đến
chất lượng bề mặt sản phẩm.

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng
máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục
đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp,
bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn
EIA-274-D, thường gọi là mã G [1]. Ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy
phay, máy cắt lazer, máy cắt tia nước có hạt mài và nhiều cơng cụ cơng nghiệp khác.
Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để
điều khiển các chuyển động và thực hiện q trình gia cơng kim loại.
Các hoạt động của máy CNC được điều khiển bằng cách nhập trực tiếp dữ liệu số

và hoạt động nhờ các lệnh mã hóa, từ các mã lệnh được mã hóa sẽ được chuyển đến
bộ phận điều khiển và bộ phận điều khiển sẽ ra lệnh cho cơ cấu chấp hành thực hiện
chuyển động như chúng ta đã lập trình.
1.1 Lịch sử phát triển
Năm 1940, John T. Parsons đã sáng chế ra phương pháp dùng phiếu đục lỗ để ghi
các dữ liệu về vị trí tọa độ để điều khiển máy công cụ. Máy được điều khiển để chuyển
động theo từng tọa độ, nhờ đó tạo ra được bề mặt cần thiết của cánh máy bay. Năm
1948 ông giới thiệu hiểu biết của mình cho khơng lực Hoa Kỳ. Cơ quan này sau đó
đã tài trợ cho một loạt các đề tài nghiên cứu ở phịng thí nghiệm Servomechanism
của trường Đại học kỹ thuật Massachusetts (MIT). Cơng trình đầu tiên tại MIT là
phát triển một mẫu máy phay NC bằng cách điều khiển chuyển động của đầu dao
theo 3 trụ tọa độ. Mẫu máy NC đầu tiên được triển lãm vào năm 1952. Từ 1953 khả
năng của máy NC đã được chứng minh.
Hoa kỳ tiếp tục cố gắng phát triển NC bằng cách tiếp tục tài trợ cho MIT nghiên
cứu ngơn ngữ lập trình để điều khiển máy NC. Kết quả của việc này là sự ra đời của
ngôn ngữ APT: Automatically Programmed Tools vào năm 1959. Mục tiêu của việc
nghiên cứu APT là đảm bảo một phương tiện để người lập trình gia cơng có thể nhập
các câu lệnh vào máy NC. Mặc dù APT bị chỉ trích là thứ ngôn ngữ quá đồ sộ đối với

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ
nhiều máy tính, nó vẫn là cơng cụ chính yếu và vẫn được dùng rộng rãi trong cơng
nghiệp ngày nay và nhiều ngơn ngữ lập trình mới là dựa trên APT [2].
Năm 1960 điều khiển số trực tiếp (DNC) xuất hiện, năm 1963 đồ hoạ máy tính
bắt đầu phát triển mạnh đến những năm 1970 máy CNC được đưa vào sử dụng và
đến năm 1980 điều khiển số phân phối được đưa vào sử dụng - CAD/CAM.

1.2 Hệ toạ độ trong máy CNC
Hệ thống các trục tọa độ vng góc được xác định theo quy tắc bàn tay phải.Các
chuyển động chính của máy NC được thiết lập theo các trục tọa độ X, Y và Z. Theo
quy tắc bàn tay phải ngón tay cái là trục X, ngón tay trỏ là trục Y, ngón tay giữa là
trục Z. Hệ thống tọa độ này có liên quan mật thiết đối với chi tiết gia công trên máy
CNC.
Khi lập trình người ta quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ
thống tọa độ, còn chi tiết đứng yên. Trên các máy công cụ điều khiển theo chương
trình số cịn có các trục quay như: trục của bàn quay, ụ quay. Các trục này được ký
hiệu bằng các chữ A, B và C, và có số thứ tự tương ứng với các trục tịnh tiến X, Y và
Z. Chiều quay dương của một trục được xác định theo quy tắc vặn nút chai.

Hình 1. 1 Hệ toạ độ trong máy phay CNC [3]

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.3 Hệ điều khiển máy cnc
Chúng ta thường nghe về các hệ điều hành chạy trên máy CNC như: Fanuc,
Mazak, Hitachi, Hass, Mitshubishi, Siemens... Có sự khác biệt lớn giữa ngôn ngữ mà
máy CNC hiểu và ngôn ngữ mà con người hiểu (G-code). Thật sự thì máy CNC chỉ
đọc được những đoạn mã nhị phân (vì tồn bộ hoạt động của máy được điều khiển
bằng máy tính), nhưng để đọc được những đoạn mã nhị phân này thì ta cần có một
hệ điều hành biên dịch những mã lệnh G-code thành những đoạn mã nhị phân. Ngoài
ra hệ điều hành còn hỗ trợ chúng ta trong quá trình vận hành máy như quản lý hệ
thống dao, mơ phỏng cắt gọt trước khi vận hành...

Hình 1. 2 Bảng điều khiển hệ điều hành Fanuc [4]
Hiện nay có rất nhiều máy CNC trên thì trường và nguồn gốc rất đa dạng đến từ
nhiều hãng cũng như nhiều hệ điều khiển khác nhau. Nhìn chung tất cả các hệ điều
hành điều có chung một mục đích đó là hỗ trợ q trình gia cơng chi tiết. Ngồi những
hệ điều khiển giành cho máy cơng nghiệp thì các phần mềm điều khiển máy CNC
như: Mach3, NC Studio, Linux CNC… cũng ứng dụng khá phổ biến.
HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 3 Bảng điều khiển phần mềm Mach3 của hãng Artsoft [5]
1.4 Kết cấu cơ bản của máy phay CNC 5 trục
Những nhà sản xuất và những hệ thống CAD/CAM khác nhau sẽ đưa ra nhiều
loại và tên gọi khác nhau. Tuy nhiên về cơ bản máy CNC 5 trục đang có những loại
kết cấu sau.
1.4.1 Bàn – bàn (Table – Table)
Đây là dạng kết cấu cơ bản rất hay gặp ở nhưng máy có kích thước vừa và nhỏ
thường là 2 trục xoay A hoặc B (kiểu xoay A,C là thơng dụng nhất). Có thể là máy
phay ngang hoặc máy phay đứng ngoài 3 trục di chuyển tịnh tiến là X, Y, Z cịn có 2
trục xoay. Trục xoay chính thứ nhất sẽ mang theo trục xoay thứ 2 và trục xoay ngoại
trừ là trục mang dao.

Hình 1. 4 Kết cấu máy loại bàn – bàn [3]

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 6

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1. 5 Máy phay CNC 5 trục kết cấu bàn – bàn của hãng HASS
1.4.2 Đầu – đầu (Head – Head)
Với kết cấu máy kiểu Head – Head thường kết cấu máy có kích thước lớn. Tất cả
các chuyển động xoay đều được thực hiện trên đầu trục mang dao, bao gồm cả máy
phay ngang và máy phay đứng. Hoặc tích hợp đầu gia cơng 5 mặt, toàn bộ đầu mang
dao sẽ được thay thế bằng đầu gia công 5 mặt. việc thay thế linh hoạt nay giúp tăng
độ cứng vững cũng như độ chính xác trong gia cơng, tăng tuổi bền máy…

Hình 1. 6 Kết cấu máy loại bàn – bàn [3]

HVTH: ĐỒNG VĂN KEO_1870610

Trang 7