Bài giảng nhập môn kỹ thuật cơ khí chương 2 pgs ts bùi ngọc tuyên

Tổng quan14 thách thức trong thế kỷ 21 như sau: The 14 challenges are as follows: Tạo năng lượng từ mặt trời một cách kinh tế Make solar energy economical Cung cấp năng lượng từ băng t

Chương 2 Thiết kế cơ khí

2.1 Tổng quan

14 thách thức trong thế kỷ 21 như sau: (The 14 challenges are as follows:)

 Tạo năng lượng từ mặt trời một cách kinh tế (Make solar energy economical)

 Cung cấp năng lượng từ băng tan (Provide energy from fusion)

 Phát triển phương pháp cô lập cac bon (Develop carbon sequestration methods)

 Quản lý chu trình ni tơ) (Manage the nitrogen cycle)

 Cung cấp giải pháp làm sạch nước (Provide access to clean water)

 Bảo tồn và cải thiện cơ sở hạ tầng đô thị (Restore and improve urban

infrastructure)

 Đẩy mạnh thông tin về sức khỏe, y tế (Advance health informatics

 Phát minh ra nhiều thuốc tốt hơn (Engineer better medicines)

 Tái tạo lại bộ não (Reverse-engineer the brain )

 Phòng ngừa thảm họa hạt nhân (Prevent nuclear terror)

 An toàn thông tin mạng (Secure cyberspace)

 Tăng cường thực tế ảo (Enhance virtual reality)

 Đẩy mạnh giáo dục nhân cách (Advance personalized learning)

 Đưa ra các công cụ phát minh khoa học (Engineer the tools of scientific

Các KS Cơ khí không những tham gia mà còn đóng vai trò quan trọng về kỹ thuật vàlãnh đạo toàn cầu trong giải quyết một số thách thức trên

Mặc dù các thách thức trải rộng trên rất nhiều lĩnh vực, nguyên tắc chung để kết nốicác vấn đề khoa học và kỹ thuật là thiết kế

Các đội thiết kế đa ngành, nghề là cần thiết để thiết kế ra các giải pháp sáng tạo và

và hiệu quả đáp ứng được vô vàn các vấn đề nảy sinh trong mỗi thách thức trên

Qúa trình phát triển sản phẩm:

Xác định vấn đề

thiết kế

Phát triển ý tưởng mới Sản xuất

Đăng ký bản quyền (patent)

3

Các nội dung thiết kế liên quan đến chương trình kỹ thuật cơ khí được mô tả trongcác ô tô sẫm mầu

4

Khảo sát sản phẩm (Product archaeology ) là quá trình xây dựng lại vòng đời của sảnphẩm bao gồm : nhu cầu của khách hàng, các đặc trưng thiết kế, quy trình sản xuất sảnphẩm đó từ đó hiểu được các quyết định dẫn đến sự phát triển sản phẩm này Qúatrình này được đề xuất đầu tiên vào năm 1998.

Khảo sát sản phẩm 

- Nghiên cứu giá thành sản xuất

- Ảnh hưởng của bối cảnh toàn cầu & bối cảnh xã hội

- Nghiên cứu tác động của sản phẩm đến môi trường thông qua năng lượng tiêu thụ, vật liệu sử dụng trong toàn bộ vòng đời của sản phẩm

5

Qúa trình khảo sát sản phẩm gồm các giai đoạn:

1. Chuẩn bị (Preparation): Nghiên cứu các kiến thức cơ sở (background) về sản

phẩm, kể cả nghiên cứu thị trường, các đăng ký bản quyền và các tiêu chuẩn hiệnhành của sản phẩm

2. Đào sâu (Excavation): Mổ xẻ tháo rời các chi tiết của sản phẩm, thực hiện phân

tích sản phẩm, xây dựng các mô tả chức năng, lắp ráp lại sản phẩm

3. Đánh giá (Evaluation): Xem xét các tiêu chuẩn hiện hành của sản phẩm, tiến hành

các thực nghiệm về vật liệu & thử nghiệm sản phẩm

4. Giải thích (Explanation): Rút ra các kết luận về các vấn đề toàn cầu, kinh tế, môi

trường và xã hội định hình ra thiết kế sản phẩm và định hình đến thiết kế các sảnphẩm tương tự

6

 Ví dụ: Khảo sát cho thiết kế xe đạp

1. Xe đạp trong bối cảnh toàn cầu

 Xe đạp được sử dụng như là phương tiện cứu thương ỏ Sahara Châu Phi

 Nhật bản có nhiều xe đạp nên phải có những bãi đỗ xe đạp

 Ở một số nước như Hà lan, có những cơ sở hạ tầng giao thông dành riêng cho xeđạp như: làn đường, đèn tín hiệu, bãi đỗ, ký hiệu đường, đường hầm dành riêng cho

xe đạp

 Ở Trung quốc có nhiều xe đạp điện

2. Xe đạp trong bối cảnh xã hội

 Một số cửa hàng cà phê xe đạp có dịch vụ bán đồ ăn và cho thuê xe đạp đi thamquan thành phố

 Henry Ford đã từng là một thợ cơ khí xe đạp

 Xe đạp cũng được xem là một xúc tác cho phong trào giải phóng phụ nữ 7

3. Tác động môi trường của xe đạp

 Có nhiều chương trình chia xẻ, sử dụng chung xe đạp ở các nước châu Âu

 Có rất nhiều chương trình khuyến khích mọi người sử dụng xe đạp làm phương tiện

đi làm nhằm làm giảm khí thải cacbon

 Có nhiều thống kê cho thấy sinh viên ở nhiều thành phố tại Mỹ đi xe đạp theo vétháng

 Tìm ra các tác đọng tích cực của xe đạp cũng như tỷ lệ tai nạn

4. Vân đề kinh tế trong thiết kế xe đạp

 So sánh giá thành tương đối của xe đạp với ô tô kể cả giá thành chế tạo, vận hành vàbảo trì

 Gía thành cân nhắc lựa chọn giữa xe đạp bằng chất dẻo so với vật liệu truyền thống

 Giảm các chi phí về y tế, chăm sóc sức khỏe khi xe đạp là một phương tiện giao

 Bản chất đa ngành, đa lĩnh vực của thiết kế và phát triển sản phẩm

Các KS cơ khí là một phần không thể thiếu của các đội thiết kế sản phẩm Một sảnphẩm thường là rất phức tạp cho một người với tất cả các kỹ năng, kiến thức, thời gian

và kinh nghiệm cần thiết KS cơ khí cần tương tác, giao tiếp hiệu quả với các thànhviên khác trong đội : các KS điện, KS máy tính,quản lý, tiếp thị, người sản xuất, nhàcung cấp, khách hàng, …

 Trong quá trình thiết kế sản phẩm, đội thiết kế cần phải:

 Xây dựng ý thức trách nhiệm giữa các thành viên trong đội vì thành công chung của

cả đội

 Tiến hành thảo luận, trao đổi về các ý tưởng, giải pháp khác nhau, đảm bảo mỗi

thành viên trong đội đều có thể đóng góp ý kiến

 Cho phép mọi thành viên giải thích ý tưởng của họ và nghiên cứu một cách tập thể

 Ủng hộ các quyết định đưa ra được sự quan tâm nhiều nhất của cả đội

 Đẩy mạnh một cách sáng tạo, hiệu quả các giải pháp mới về các vấn đề kỹ thuật,

2 2 Qúa trình thiết kế

KS cơ khí đóng vai trò quan trọng trong khởi tạo đổi mới quốc gia cũng như công ty Nhận biết và hiểu được tác động của thiết kế cơ khí đến thành công của các công nghệsáng tạo là cần thiết để giải quyết các thách thức của thời đại

Chiến lược phát triển sản phẩm mới có thể mô tả trên đồ thị với 2 trục Style (low/high)

giá cả phải chăng,

được thiết kế cho

Máy nghe nhạc tích hợp khả năng chống thấm nước cho người bơi lội

Hệ thống lọc Hague Water Max®

11

2 2 Qúa trình thiết kế

Qúa trình thiết kế cơ khí có thể chia thành 4 giai đoạn:

 Phát triển các yêu cầu (Requirements development)

 Thiết kế ý tưởng (Conceptual design)

 Thiết kế chi tiết (Detailed design )

 Sản xuất (Production)

12

13

2.2.1 Xây dựng các yêu cầu (Requirements development)

Thiết kế cơ khí bắt đầu khi các nhu cầu cơ bản được xác định Đây có thể là nhu cầu

kỹ thuật từ một thị trường nào đó hoặc nhu cầu cơ bản của con người như là nước

sạch, năng lượng tái tạo hay phòng ngừa thảm họa tự nhiên,…Trước tiên KS cơ khí sẽxây dựng một tập đầy đủ các yêu cầu hệ thống có liên quan đến các vấn đề sau:

 Functional performance: What the product must accomplish

(Hiệu suất chức năng: Sản phẩm phải đạt được những gì)

 Environmental impact: During production, use, and retirement

(Tác động đến môi trường: Trong quá trình sản xuất, sử dụng và loại bỏ)

 Manufacturing: Resource and material limitations

(Sản xuất: Hạn chế về tài nguyên và vật liệu)

 Economic issues: Budget, cost, price, profit

(Các vấn đề kinh tế: Ngân sách, chi phí, giá cả, lợi nhuận)

 Ergonomic concerns: Human factors, aesthetics, ease of use

(Mối quan tâm về công thái học: Yếu tố con người, tính thẩm mỹ, tính dễ sử dụng)

 Global issues: International markets, needs, and opportunities

(Các vấn đề toàn cầu: Thị trường quốc tế, nhu cầu và cơ hội)

 Life cycle issues: Use, maintenance, planned obsolescence

(Các vấn đề về vòng đời: Sử dụng, bảo trì, tính lỗi thời được hoạch định trước)

 Social factors: Civic, urban, cultural issues

(Các yếu tố xã hội: Các vấn đề về dân cư, đô thị, văn hóa)

14

2.2.2 Thiết kế ý tưởng

 Trong giai đoạn này, các KS thiết kế cộng tác và tạo ra một phạm vi rộngcác giải pháp tiềm năng đối với vấn đề cần giải quyết và lựa chọn được

một hoặc mốt số các giải pháp triển vọng nhất để phát triển

 Qúa trình được dẫn dắt ban đầu bằng tư duy phân tích (divergent thinking ) một tập các ý tưởng sáng tạo được phát triển

 Khi một tập phong phú các ý tưởng đã được tạo ra, qúa trình sẽ được dẫndắt bởi tư duy hội tụ (convergent thinkings ) Các KS bắt đầu hạn chế đưa

ra các ý tưởng và tập trung và một số ít ý tưởng tốt nhất Danh sách các yêucầu liệt kê trong giai đoạn 1 sẽ được dùng để loại bỏ các thiết kế khôngkhả thi hay yếu kém và nhận dạng các ý tưởng có triển vọng nhất đáp ứngcác yêu cầu Các đánh giá này có thể thực hiện bằng cách lập bảng hay ma trận so sánh thuận lợi và khó khăn đối với các yêu cầu cơ bản

 Các mô hình máy tính hoặc các mẫu chế tạo bằng RP có thể được sử dụng

để hỗ trợ cho quá trình lựa chọn phương án 15

Việc tạo ra và lựa chọn các ý tưởng trong thiết kế ý tưởng

(The generation and selection of ideas in conceptual design)

16

Trong giai đoạn thiết kế chi tiết cần phải thực hiện một số nhiệm vụ sau:

 Xây dựng bố cục và cấu hình sản phẩm (Developing product layout and

configuration)

 Lựa chọn vật liệu cho từng chi tiết (Selecting materials for each component)

 Giải quyết các vấn đề về thiết kế (ví dụ: thiết kế về độ tin cậy, sản xuất, lắp ráp, biếnthể, chi phí, tái chế) (Addressing design-for-X issues (e.g., design for reliability, manufacturing, assembly, variation, costing, recycling)

 Tối ưu hóa hình học cuối cùng, bao gồm dung sai thích hợp (Optimizing the final geometry, including appropriate tolerances)

 Xây dựng các mô hình kỹ thuật số hoàn chỉnh của tất cả các thành phần và cụm lắpráp (Developing completed digital models of all components and assemblies)

 Mô phỏng hệ thống bằng cách sử dụng các mô hình toán học và kỹ thuật số

(Simulating the system using digital and mathematical models)

 Tạo mẫu và thử nghiệm các thành phần và mô-đun quan trọng (Prototyping and testing critical components and modules)

 Xây dựng kế hoạch sản xuất (Developing the production plans)

17

 Một số đặc trưng của quá trình thiết kế:

1- Tính đơn giản (Simplicity):

2.2.4.Sản xuất

Ngay trong giai đoạn đầu xây dựng các yêu cầu, các KS phải quan tâm đến các yêu cầuchế tạo của giai đoạn sản xuất Các chức năng thiết kế, hình dạng, vật liệu, giá thành vàdạng sản xuất quan hệ chặt chẽ và cân đối với nhau trong cả quá trình thiết kế

Các dạng sản xuất:

 Sản xuất lớn (mass production) trong một số lĩnh vực như ô tô, điều hòa, IC, van thủy lực, ổ đĩa cứng máy tính, thường được tự động hóa cơ khí Các sản phẩm đượcsản xuất đại trà với sản lượng lớn

 Sản xuất theo yêu cầu (custom production) dùng cho chế tạo thử nghiệm hoặc chếtạo chi tiết thay thế với sản lượng nhỏ Công nghệ sử dụng ở đây thường là côngnghệ tạo mẫu nhanh (Rapid prototyping) hay còn gọi là công nghệ in 3D (3D

printing technology) theo nguyên lý bổ sung dần vật liệu Sản phẩm được trực tiếphình từ file điện tử tạo ra bằng máy tính

19

Căn cứ theo khối lượng chi tiết và sản lượng sản xuất ra trong một năm

có thể phân sản xuất chi tiết cơ khí ra thành 3 dạng:

• Sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ

• Sản xuất dạng khối, loạt lớn (sản xuất lớn )

• Sản xuất loạt vừa

Dạng sản xuất

Q – Khối lượng của chi tiết

>200 kg 4- 200kg < 4 kgSản lượng hàng năm của chi tiết (chiếc )Đơn chiếc

2.3 Qúa trình sản xuất

2.3.1.Các quá trình sản xuất cơ bản:

 Đúc (Casting): là quá trình kim loại nấu chảy như gang, nhôm, đồng, Được rótvào trong khuôn, lảm nguội và đông rắn lại

 Gia công áp lực (Forming) bao gồm các kỹ thuật như kéo, uốn, nén, cán, rèn…

để định dạng lại vật liệu bằng biến dạng dẻo

 Gia công cắt gọt (Machining): sử dụng các dụng cụ cắt lấy đi lượng dư gia

công từ phôi liệu tạo hình ra sản phẩm Các phương pháp cắt gọt cơ bản nhưtiện, phay, khoan, cưa,…

 Ghép nối (Joining): Các phương pháp dùng để kết nối các chi tiết, bộ phận vớinhau như hàn, tán ghép, bắt vít-bu lông, sử dụng chất dính kết gắn kết

 Gia công lần cuối (Finishing): các phương pháp làm cho bề mặt chi tiết cứnghơn, cải thiện chất lượng bề mặt , bảo vệ bề mặt khỏi tác động môi trường Ví

dụ như mài, đánh bóng, mạ điện, anot hóa, sơn,… 21

Examples of hardware produced by

casting: a disk-brake rotor,

automotive-oil pump, piston,

bearing mount V-belt sheave,

model-airplane engine block, and a

two-stroke engine cylinder

Examples of hardware produced by forging

Examples of aluminum extrusions

22

Máy tiện (Lathe)

2.3.2 Một số máy công cụ thông dụng trong gia công cơ khí

Máy phay(milling machine)

23

Máy cưa (bandsaw machine) Máy khoan bàn

(drill press machine)

24

Máy phay CNC (CNC milling machine)

25

2.3.2 Công nghệ in 3D (công nghệ tạo mẫu nhanh)

Đầu vào: dữ liệu CAD 3D

Phương pháp: Theo nguyên lý xếp lớp, bổ sung dần vật liệu

Vật liệu: - dạng lỏng (SLA, SGC,…): các loại polyme quang hoá

- dạng rắn (LOM, FDM,…): tấm sợi

- dạng bột (SLS, 3D Printing, EOSINT,…): nhựa, kim loại, Ứng dụng:

- Kiểm tra trực quan và tối ưu hoá thiết kế

- Công cụ trao đổi thông tin trong công nghệ đồng thời (simultaneous

engineering)

- Kiểm tra hình dạng, lắp ráp và chức năng (form-fit-function)

- Nghiên cứu thị trường

- Sản xuất sản phẩm đơn chiếc hoặc loạt nhỏ

- Chế tạo khuôn nhanh

- …

26

Thiết bị in 3D SLS (Selective Laser Sintering)

27

2.4 Các chủ đề thiết kế

Tính toán, thiết kế, chế tạo, lắp ráp mô hình xe di chuyển dùng năng lượng

cơ học

Mô hình có các thông số kỹ thuật:

Kích thước tối đa : DxRxC = 1000x 680 x1000 mm

Kích thước bánh xe dẫn động: ф= 200mm

Cụm tích năng lượng cơ học được cấp như nhau

Mô hình di chuyển được với tải trọng tối đa là 70 kg với một người điều khiển

28