Nghiên cứu chế tạo khuôn uốn định hình trên máy CNC sử dụng trong sản xuất bàn ghế bằng thép ống

Máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển CNC có những đặc điểm sau: - Tự động hoá cao, các chuyển động chính trong quá trình uốn được tự động hoá.. - Cụm truyền động chính: Chuyển động chín

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

Viện Công nghệ

Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN

M∙ số: 247.07.RD/HĐ-KHCN

Tờn đề tài:

Nghiên cứu chế tạo khuôn uốn định hình

trên máy cnc sử dụng trong sản xuất bàn ghế

bằng thép ống

Cơ quan chủ quản: Bộ Công thương Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS Đặng thành công

6801

12/4/2008

Hà Nội 3 - 2008

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

Môc lôc

1.1 M¸y uèn èng, nguyªn lý uèn èng kiÓu trôc t©m 2

1.2 Khu«n mÉu kim lo¹i vµ khu«n uèn èng 9

II gia c«ng khu«n trªn m¸y cnc 14

2.1 M¸y CNC c¾t kim lo¹i b»ng dao cô 15 2.2 M¸y tia löa ®iÖn 18 2.3 LËp tr×nh gia c«ng khu«n mÉu trªn m¸y CNC 20 III Qui tr×nh chÕ t¹o khu«n uèn bµn ghÕ trªn m¸y CNC 23

I tổng quan

1.1 Máy uốn ống, nguyên lý uốn ống kiểu trục tâm

a) Máy uốn ống

Uốn ống truyền động thuỷ lực kiểu trục tâm đã được áp dụng phổ biến

ở nước ta Các loại máy uốn ống hiện nay được nhập ngoại từ nhiều nguồn khác nhau như hãng Shaw Group Inc – Mỹ, Shanghai Guoqing Machinary - Trung Quốc Các máy uốn CNC nhập ngoại có giá thành khá cao từ vài chục tới vài trăm ngàn USD Trong nước cũng đã có một số đơn vị đã và đang tiến hành hợp tác nghiên cứu chế tạo máy uốn ống điều khiển CNC như Công ty Thiết kế và đóng tàu Miền nam (SESCO) với đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy uốn ống CNC phục vụ công nghiệp uốn ống”

Máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển CNC có những đặc điểm sau:

- Tự động hoá cao, các chuyển động chính trong quá trình uốn được tự

động hoá

- Các chuyển động được kiểm nghiệm bởi hệ thống đo kỹ thuật số với độ chính xác cao

- Kết nối dễ dàng với những phần mềm thiết kế ống

Máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển PLC có các đặc điểm sau:

- Thao tác cấp ống và tháo ống được thực hiện bởi thợ vận hành máy với các thước đo cơ khí (cữ chặn, thao ) do đó độ chính xác của vị trí uốn, góc uốn có phần phụ thuộc vào tay nghề thợ

- Lập trình gia công cho các biên dạng uốn khác nhau thường kém linh hoạt

- Việc kết nối giữa PC với bộ điều khiển khó khăn hơn (phải thông qua những trình biên dịch riêng) Không hỗ trợ tương thích với các phần mềm thiết kế ống (các phần mềm thiết kế ống không xuất file gia công trực tiếp cho các hệ điều khiển PLC)

Máy uốn ống kiểu trục tâm bao gồm các bộ phận chính sau:

- Hệ thống kết cấu, truyền động cơ khí: khung máy, hệ thống truyền

động bánh răng, xích tải, cụm gá lắp khuôn, cơ cấu kẹp ống, cụm bàn máy và dẫn hướng, động cơ

- Hệ thống truyền động thuỷ lực gồm bơm dầu, xi lanh thuỷ lực, các van phân phối, tiết lưu, an toàn

- Hệ thống điều khiển: PLC hoặc CNC gồm bộ điều khiển trung tâm, các mạch điều khiển các trục, các mạch khuyếch đại

Hình 1: Máy uốn kiểu trục tâm điểu khiển CNC

Đặc điểm, kết cấu một số bộ phận chính của máy uốn ống kiểu trục tâm:

- Cụm khung máy: Gồm cơ cấu hàn từ thép hình C45, gồm khung máy, dẫn

hướng Cụm thân máy cần đảm bảo cứng vững để lắp các bộ phận khác của máykhi làm việc ổn định không rung

Hình 2: Kết cấu cụm khung máy

- Cụm truyền động chính: Chuyển động chính của máy gồm chuyển động

kẹp chặt ống của cơ cấu kẹp ống, chuyển động đẩy ống tới vị trí theo lập trình, và chuyển động quay của trục khuôn uốn tạo thành góc uốn mong muốn

Hình 3 Kết cấu truyền động chính máy uốn ống kiểu trục tâm

- Cơ cấu đẩy: Các bộ phận chính gồm xi lanh piston đẩy, các thanh nối, các giá đẩy Cơ cấu đẩy có chức năng chính là đẩy ụ động quay tạo chuyển động lệch tâm trong quá trình uốn

H×nh6 C¬ cÊu g¸ l¾p khu«n

Thông số KT ĐV

T

RBH

50TSR- RBH

65TSR- RBH

80TSR- RBH

100TSR- RBH

B¶ng 1 Th«ng sè kü thuËt mét sè M¸y uèn thuû lùc ®iÒu khiÓn PLC

Thụng số KT ĐVT CNC-F38H-4A CNC-F38H-5A

Bảng 2 Thông số kỹ thuật một số loại máy uốn hai đầu CNC

b) Nguyên lý uốn ống kiểu trục tâm:

Uốn ống kiểu trục tâm dựa trên chuyển động lệch tâm theo cung tròn để uốn những bán kính mong muốn, khi đó bán kính góc uốn bằng bán kính của cung Cũng giống như uốn thép thanh ống chịu kéo tại mé ngoài và nén tại phía trong Thông thường với những bán kính uốn nhỏ hơn hai lần đường kính uốn người ta thường nung nóng ống để khi uốn ống không bị nhăn, dập

Trên máy uốn được bố trí khuôn mẫu, gá kẹp khuôn, thao uốn…ống sẽ

được đưa vào thao đúng tới cữ chặn, dưới tác động của thuỷ lực nửa khuôn

động sẽ chuyển động uốn ống theo đúng góc uốn mong muốn khớp với nửa khuôn tĩnh Khi uốn ống sẽ tỳ lên hai nửa khuôn, do đó khuôn uốn sẽ chịu lực kéo, nén Mặt khác khi uốn thông thường không sử dụng bôi trơn nên bề mặt khuôn sẽ tiếp xúc trực tiếp với ống uốn gây nên ma sát, mài mòn lớn

Hình 7 Bố trí khuôn trên máy uốn thuỷ lực

Tổng quát lại quá trình uốn bao gồm những bước sau:

B1 Cấp ống: Đối với máy uốn PLC đa số cấp ống bằng thủ công, đối với những ống có đường kính lớn có sự hỗ trợ của palăng, xe nâng, cẩu Đối với máy uốn ống tích hợp điều khiển CNC có hệ thống cấp ống tự động để đảm bảo quá trình uốn liên tục

B2: Di chuyển, định vị, kẹp chặt ống: Trên các máy uốn điều khiển CNC hiện nay các thao tác này hoàn toàn tự động ống được di chuyển tới vị trí lập trình sẵn và được kẹp chặt bởi cơ cấu kẹp ống sao cho khi uốn ống không bị di chuyển

B3: Uốn ống: Khuôn trên được hệ thống thuỷ lực đẩy sát vào khuôn dưới, sau

đó cụm động quay quanh trục cố định uốn ống thành góc định trước

B4: Tháo ống: Đối với máy điều khiển CNC thao tác tháo ống cũng hoàn toàn

1.2 khuôn mẫu kim loại, khuôn uốn ống

Ngày nay khuôn mẫu đ−ợc sử dụng rất nhiều trong các ngành khác nhau khi cần tạo hình vật thể nh− ngành gia công biến dạng nguội, đúc, sản xuất sản phẩm nhựa Vật liệu làm khuôn cũng rất đa dạng, từ hỗn hợp cát tới các loại thép hợp kim khác nhau Các loại khuôn mẫu làm bằng kim loại sử dụng trong các ngành nh− sau:

a) Khuôn sử dụng trong gia công biến dạng nguội và biến dạng nóng

Các loại khuôn biến dạng nguội (dập, uốn…) đ−ợc sử dụng phổ biến trong gia công cơ khí, có −u điểm là năng suất cao, thao tác gia công đơn giản

Hình 8 Khuôn dập cắt

Hình 9 Khuôn dập liên hoàn trên máy thuỷ lực

Khuôn dập, uốn có đặc điểm làm việc là ngoài chịu áp lực lớn còn chịu ứng suất uốn, va đập và ma sát lớn, đối với những khuôn biến dạng nóng còn phải chịu cả nhiệt độ cao trong quá trình gia công do đó phải đáp ứng đ−ợc những điều kiện sau:

- Độ cứng: Khuôn dập nói chung phải đạt độ cứng từ 56HRC trở lên tuỳ thuộc vào thép lá dập Đối với thép dập có độ cứng cao nh− thép kỹ thuật điện (tôn silic) độ cứng yêu cầu lớn hơn 60HRC Đặc điểm cần

chú ý khi chọn vật liệu làm khuôn dập là ở độ cứng lớn hơn 62 HRC khuôn dễ bị nứt, mẻ khi làm việc

- Tính chống mài mòn: Khuôn dập phải chịu ma sát lớn nên đòi hỏi có tính chống mài mòn cao để đảm bảo kích thước và độ sai lệch của sản phẩm sau dập

- Độ bền và độ dai va đập: Thông thường khuôn dập chịu tải trọng đột ngột trong thời gian rất ngắn do đó khuôn cũng phải đảm bảo độ dai va

đập để không sứt, mẻ khi làm việc

Để đảm bảo những yêu cầu nói trên, bước chọn vật liệu làm khuôn khá quan trọng trong quá trình thiết kế chế tạo khuôn Những mác thép thông thường làm khuôn biến dạng nguội hiện nay là SKD 11, (tiêu chuẩn JIS), X12, 9XC (tiêu chuẩn Nga) Những thép sử dụng trong làm khuôn biến dạng nóng

Bảng 3 Một số mác thép làm khuôn biến dạng thông dụng

Có hai loại hạt nhựa hiện thường được sử dụng hiện nay trong sản xuất sản phẩm nhựa là thermoset và thermoplastic Hiện nay, xu hướng chung là dùng thermoplastic vì có thể tái chế có các loại như Polyethylene LDPE, Polycarbonate, PET Vật liệu cho khuôn đùn ép nhựa thường là thép P20 hoặc NA-55

Hình 10 Khuôn ép vỏ điện thoại

Trong thiết kế khuôn ép nhựa cần chú ý đến góc rút khuôn thông thường

là từ 0,5 ữ 20 tuỳ theo chiều dài của sản phẩm Hiện nay chưa có sổ tay hay tài liệu nào đề cập chính xác mà chủ yếu làm theo kinh nghiệm Hai phần của khuôn thường được gắn trên hai miếng thép (lót khuôn) đủ dày để gắn lên hệ thống thuỷ lực Khi thiết kế khuôn ép nhựa cần chú ý bố trí rãnh dẫn tại những

vị trí chịu áp suất thấp nhất Nếu là rãnh dẫn tròn đường kính thông thường phải lớn hơn 0,9 mm Bộ phận phun nhựa(Runner) thường đi kèm máy nhưng chú ý phải chọn loại phù hợp với khối lượng sản phẩm

Trong thiết kế khuôn ép nhựa độ chính xác là rất quan trọng và cũng quyết định đến giá thành của khuôn (ví dụ độ chính xác khi làm khuôn ép chai nhựa không cần yêu cầu cao như ép vỏ chuột máy tính) Độ dày thành khuôn cũng rất quan trọng nếu làm dày thì nguội chậm và độ co của nhựa sẽ cao còn nếu làm mỏng thì ngược lại

Đa số các máy đúc áp lực cao hiện nay theo kiểu buồng ép nguội nằm ngang Khuôn đúc bao gồm hai nửa khuôn gồm một nửa cố định (nửa khuôn tĩnh) và một nửa chuyển động (nửa khuôn động) Ruột được bố trí tại nửa khuôn động vì dễ dỡ hơn Cấu tạo khuôn đúc thường rất phức tạp gồm buồng

ép, kênh dẫn, rãnh dẫn, các chốt dẫn hướng, chốt đẩy (hình 11)

Hình 11 Máy đúc áp lực 420 tấn (Viện Công nghệ)

Khuôn đúc áp lực tuy không chịu áp lực cao và tải trọng va đập lớn bằng các khuôn ép nguội nhưng lại chịu nhiệt độ cao và thay đổi liên tục Do đó vật liệu làm khuôn đúc áp lực ngoài yêu cầu về độ bền, độ dai, độ chịu mài mòn cao còn phải có khả năng chịu nhiệt độ cao và thay đổi liên tục Đối với đúc nhôm người ta hay dùng thép 4Cr5W2PPb, 3Cr2W8b, đúc kẽm vật liệu làm khuôn thường là 5CrMnNi Khuôn phải được nhiệt luyện, các bề mặt làm việc

được mài nhẵn, (hiện nay thường mài bằng tay), mạ crôm, anot hoá, hoặc phốt phát hoá bề mặt khuôn

d) Khuôn uốn ống

- Khuôn uốn R (bản vẽ xem phần phụ lục)

Khuôn uốn ống có bán kính R là chi tiết có dạng trụ tròn xoay với rãnh cầu Khuôn uốn R được lắp trên phần băng máy cố định, nó được gắn vào trục quay và chỉ kéo trên trục đó khi uốn Đối với mỗi sản phẩm khác nhau khuôn uốn sẽ có đường kính phù hợp Với đặc điểm là chịu kéo, nén, ma sát, mài mòn lớn khi làm việc nên vật liệu làm khuôn để đáp ứng được những yêu cầu

về cơ tính là rất quan trọng Trước đây, người ta thường dùng thép C45 gia

công sau đó nhiệt luyện tuy nhiên tuổi thọ của khuôn rất thấp, khuôn mòn nhanh gây sai hỏng sản phẩm như góc uốn không đảm bảo, cong vênh, xước

bề mặt Đối với những góc uốn nhỏ hơn hai lần đường kính ống bắt buộc phải nung nóng để chống nhăn ống do đó để đảm bảo yêu cầu về độ cứng, độ dai

va đập và bền nhiệt chọn vật liệu thép SKD61 với độ cứng đạt lớn hơn 50 HRC sau nhiệt luyện Khi gia công khuôn uốn R là cần đảm bảo chính xác về dung sai kích thước lắp ghép giữa lỗ gá trục và phần gá khuôn đỡ dưới Để gia công khuôn R sử dụng máy tiện là phù hợp nhất, gia công trên các máy công

cụ khác độ chính xác và hiệu quả sẽ không đạt được như gia công trên máy tiện Trước đây, các loại khuôn này thường được gia công trên máy tiện cơ nhưng độ chính xác phụ thuộc nhiều vào tay nghề thợ đứng máy nên chất lượng khuôn không ổn định Nay các loại khuôn này được gia công trên máy tiện CNC sẽ tăng năng suất, đảm bảo ổn định chất lượng khuôn

- Khuôn uốn trên (bản vẽ xem phần phụ lục):

Khuôn uốn trên có dạng hình hộp có rãnh cầu được gắn trên phần băng

động của máy uốn cùng với khuôn đỡ dưới kẹp và giữ ống khi uốn Tuỳ theo bán kính uốn mà khuôn có chiều dài phù hợp Khuôn đỡ trên chịu kéo, nén,

ma sát và mài mòn khi uốn Cũng giống như khuôn uốn R, thép chọn vật liệu thép SKD61 để đảm bảo độ cứng và độ bền nhiệt (khi uốn ống có quá trình nung nóng) của khuôn

- Khuôn đỡ dưới (bản vẽ xem phần phụ lục):

Khuôn đỡ dưới cũng tương tự như khuôn đỡ trên Vật liệu làm khuôn cũng chọn thép SKD 61

II Gia công khuôn trên máy công cụ CNC

Sự xuất hiện của các máy công cụ CNC đã nhanh chóng thay đổi công nghệ sản xuất khuôn mẫu Các đường cong lòng khuôn được gia công dễ dàng hơn Các cấu trúc phức tạp 3D cũng được thực hiện dễ hơn, lượng lớn các thao tác của người thợ được giảm thiểu, góp phần tăng chất lượng và năng suất gia công Việc lập trình gia công khuôn trên các phần mềm bao gồm cả việc mô phỏng quá trình gia công giúp cho qui trình gia công hoàn thiện hơn trước khi

đưa vào gia công thực tế Ngày nay, trong môi trường sản xuất linh hoạt, một loạt các máy gia công CNC có thể kết hợp thành một tổ hợp (CNC engineering center) để có thể sản xuất khép kín từ đầu vào đến đầu ra của một sản phẩm khuôn mẫu ở những nước phát triển, người ta đã tích hợp để hình thành những phân xưởng sản xuất khuôn mẫu linh hoạt với tổ hợp CIM (Computer Integarated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp liệu và hệ thống đo lường quản lý chất lượng đồng bộ Máy CNC có thể điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ của các phần mềm thiết kế vì thế có thể chuyển trực tiếp từ bộ phận thiết kế sang bộ phận chi tiết mà không cần đến in bản vẽ

ra giấy Máy gia công CNC sử dụng trong sản xuất khuôn mẫu có hai loại loại cắt kim loại bằng dụng cụ cắt (dao) như máy tiện, phay và loại cắt kim loại bằng tia lửa điện (bản chất là làm bốc hơi kim loại) Về bản chất gia công trên các máy công cụ cắt CNC là giống nhau, các thông số công nghệ như lượng chạy dao, tốc độ chạy dao, tốc độ trục chính vv đều được điều khiển bằng

kỹ thuật số

Hình 12 Mô hình sản xuất tổ hợp CIM

2.1 Máy CNC cắt kim loại bằng dao

- Máy tiện: Máy tiện có hai loại 2D và 3D, trong đó loại 2D phổ biến hơn thường được dùng để gia công các khuôn, gá có bề mặt trụ ngoài hoặc trụ trong Các máy tiện 3D, ngoài chức năng như ở máy 2D còn bố trí thêm một trục quay thứ 3 (gọi là trục C – quay quanh trục OZ) và trên

đầu dao còn có chuyển động quay của dụng cụ tạo nên vận tốc cắt để thực hiện các công việc như khoan, khoét, doa các lỗ đồng tâm hay lệch tâm với tâm chi tiết Khi gia công, người thợ cần xác định toạ độ điểm zero (W) của chi tiết hay gốc chương trình so với điểm gốc (M) của máy Điểm zero (W) của phôi xác định hệ toạ độ của phôi trong quan

hệ điểm với điểm gốc (M) của máy

Hình 14 Máy tiện với bàn dao phía sau có bố trí cục C (3D)

- Máy phay và máy khoan đứng: Với các loại máy này trục chính hướng theo phương thẳng đứng, và trùng với phương của trục OZ trong hệ toạ

độ Decac, chiều dương của trục này có chiều hướng lên phía trên, trục

OX và trục OY là hai trục nằm trên bàn máy thông thường có chiều dài dịch chuyển lớn hơn Máy phay vạn năng CNC trục đứng được sử dụng nhiều nhất để gia công lòng khuôn phức tạp

Hình 15 Hệ thống trục toạ độ trên máy phay đứng

Hình 16 Phay khuôn trên máy phay vạn năng CNC

- Máy phay nằm ngang: Trục chính của máy phay nằm ngang là theo phương OZ, chiều dương hướng vào máy, trục OX nằm trên mặt phẳng

định vị của chi tiết (hoặc song song với mặt phẳng định vị, và chiều dương của nó hướng về phía trái nếu nhìn theo hướng dương của trục chính

2.2 Máy tia lửa điện

Gia công tia lửa điện về bản chất là hớt đi bề mặt phôi bởi một quá trình điện nhiệt – thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại thay cho tác

động của dụng cụ cắt vào phôi gồm 02 quá trình sau:

Bước 2: Nóng chảy và bốc hơi vật liệu

Tại thời điểm phóng điện, điện áp giảm, số lượng phần tử dẫn điện tăng lên làm dòng điện chạy giữa các điện cực Dòng điện cung cấp năng lượng làm bốc hơi dung dịch điện môi Lõi của bọt hơi bao gồm các kênh plasma Plasma này là chất khí có lẫn các điện tử và các ion dương ở áp suất khoảng 1kbar và nhiệt độ khoảng 10.000 0C Chất điện môi giữ kênh Plasma và cũng giữ cho năng lượng có một mật độ tập trung cục bộ Sự va chạm của các điện

tử lên anôt và của các ion dương lên catôt làm nóng chảy và bốc hơi các điện cực Máy phát ngắt dòng điện sau khi đã diễn ra xung Điện áp ngắt đột ngột Kênh phóng điện mất đi gây ra sự giảm áp suất đột ngột làm cho kim loại nóng chảy bất ngờ bị đẩy ra khỏi kênh phóng điện và bốc hơi

Đặc điểm ưu việt của gia công tia lửa điện là có thể gia công được những vật liệu rất cứng và những khuôn mẫu có hình dáng lòng khuôn phức tạp Mặt khác gia công xung định hình còn có thể tạo được độ bóng bề mặt cao tại những chỗ lòng khuôn phức tạp, rất khó hoặc không thể sử dụng các phương pháp đánh bóng trực tiếp

Có hai phương pháp gia công tia lửa điện sử dụng rộng rãi là:

Gia công tia lửa điện dùng điện cực định hình (phương pháp xung định hình) Trong phương pháp này điện cực là một hình không gian bất kỳ mà nó in hình của mình lên phôi