1.1.2 Đúc khuôn cát Đúc trong khuôn cát được sử dụng khá phổ biến để đúc các sản phẩm lớn và/hoặc các sản phẩm yêu cầu độ thoát khí tốt trong quá trình kết tinh kim loại.. Đúc khuôn cát
Nhiệm Vụ Của Đề Tài
Quy trình chế tạo sản phẩm đúc bằng mẫu xốp
Quy trình công nghệ chế tạo mẫu đúc bằng xốp được cho trong Hình 2.1 Đầu tiên mô hình 3D của mẫu sẽ được thiết kế trên phần mềm 3D thông dụng sau đó lưu file lại dưới dạng mô hình lưới tam giác STL File mô hình này được sử dụng để làm đầu vào cho chương trình cắt lớp, phần mềm này sẽ tiến hành cắt lớp mô hình 3D ra từng lớp Dữ liệu của lớp là một mảng giá trị tọa độ các điểm theo biên dạng của hình 3D của mẫu tại vị trí lát cắt Dữ liệu biên dạng ngoài của mẫu tại vị trí lát cắt được đưa vào phần mềm xử lý để xuất file chương trình gia công G-Code
Chương trình gia công được tạo ra bởi phần mềm sẽ được tải xuống bộ điều khiển của máy cắt mẫu Tại đây từng lệnh G-Code sẽ được giải mã để xuất ra vận tốc của các motor và tiến hành điều khiển motor để cắt ra biên dạng mong muốn Các lát cắt sau khi được cắt xong sẽ được ghép lại với nhau tạo thành mẫu xốp hoàn chỉnh Mẫu sau khi được tao ra sẽ được đem xử lý để tiến hành làm khuôn cát và đúc thành sản phẩm
Hình 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo mẫu đúc bằng xốp
Loại xốp được sử dụng để làm mẫu
Loại xốp được sử dụng để chế tạo mẫu đúc là xốp làm từ vật liệu nhựa PS hoặc EPS Đây là loại hạt nhựa trương nở có tỉ khối biến đổi khá rộng từ 16 – 640 kg/m 3 [1, 2] Xốp có tỉ khối càng nhỏ thì càng mềm, và ngược lại Vì vậy loại xốp được sử dụng để làm mẫu đúc phải là loại có độ cứng vừa phải để trong quá trình đầm khuôn không làm biến dạng mẫu gây sai số cho sản phẩm sau khi đúc Mẫu có tỉ khối lớn thì độ cứng sẽ cao thích hợp với việc làm mẫu đúc nhưng giá thành xốp trên một đơn vị thể tích lại lớn hơn rất nhiều so với loại mẫu có tỉ khối nhỏ Vì vậy, tùy thuộc vào yêu cầu của độ chính xác để chọn loại xốp có độ cứng vừa phải để làm mẫu Thông thường loại mẫu được sử dụng làm mẫu có tỉ khối trong khoảng 50 – 100 kg/m 3 (Loại xốp này có nhiệt độ nóng chảy thấp, khi gặp kim loại nóng sẽ tự động nóng chảy và co rút lại nên không gây ảnh hưởng đến vật đúc.
Yêu cầu thiết kế máy cắt mẫu xốp
Nhiệm vụ chính của đề tài là chế tạo được loại máy cắt mẫu xốp có thể cắt được các hình dạng cơ bản phục vụ làm mẫu đúc với mục đích hỗ trợ giảng dạy thực hành đúc kim loại
Với yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn thiết kế loại máy có khả năng cắt được tất cả các biên dạng 2D bất kỳ, với góc hợp bởi đường sinh và mặt phẳng cắt 2D trong khoảng từ 45 0 đến 135 0 Kích thước tối đa của mẫu cắt được đến 400mm, chiều cao mẫu tối đa 200mm
Thiết Kế Nguyên Lý
Nguyên lý tạo hình
Hình 3.1 Phân tách mẫu 3D thành những hình khối cơ bản mà máy có thể cắt được
Nguyên lý tạo hình mẫu được cho trong Hình 2.1 Giới hạn của đề tại là chỉ làm được các loại mẫu được tạo hình từ các biên dạng 2D Mô hình 3D của mẫu sẽ được phân tách ra làm các khối được tạo nên từ biên dạng 2D với đường sinh là đường thẳng Các hình khối cơ bản này sẽ được vẽ 3D và đưa vào chương trình tạo G-Code để tạo chương trình gia công
Sau khi gia công xong từng khối cơ bản, các khối cơ bản được ghép lại với nhau bằng keo để tạo thành mẫu hoàn chỉnh
Các dạng hình khối cơ bản có thể cắt được là các hình có biên dạng 2D bất kỳ, với đường sinh là đường thẳng hợp với mặt đáy một góc từ 45 đến 135 độ
Hình 3.2 Nguyên lý cắt xốp bằng dây nhiệt
Lựa chọn phương án thiết kế
Có 3 phương án thiết kế có thể sử dụng để cắt mẫu:
Hình 3.3 Nguyên lý phương án 1
Trong phương án 1, hai đầu của dây nhiệt được gắn trên hai bàn có thể chạy theo 2 phương XY như Hình 3.3 Biên dạng dưới và biên dạng trên của khối sẽ được điều khiển thích hợp để tạo ra hình dạng của vật thể Ưu điểm: dễ điều khiển
Nhược điểm: chiều dài dây thay đổi, kích thước cắt bị hạn chế, chế tạo phức tạp, giá thành cao
Hình 3.4 Nguyên lý phương án máy cắt xốp 2
Trong phương án này, tấm xốp sẽ được gắn trên bàn di chuyển XY Một hệ thống trục quay A và trục quay B được nối với nhau như trong Hình 3.4 sẽ tạo ra góc nghiêng phù hợp theo biên dạng của vật thể Ưu điểm: chiều dài dây không thay đổi, kích thước vật cắt lớn
Nhược điểm: kết cấu cơ khí cần độ chính xác cao, khó điều khiển, góc A chỉ quay được 180 o
Tấm xốp có thể di chuyển theo phương X,Y và xoay tròn trong phương án 3 biên dạng của vật thể sẽ được tạo ra nhờ sự kết hợp giữa chuyển động của tấm xốp và chuyển động quay của dây nhiệt Ưu điểm: chiều dài dây không thay đổi, kích thước vật cắt lớn
Nhược điểm: kết cấu phức tạp
Hình 3.5 Nguyên lý phương án máy cắt xốp 3
Xét trên ưu nhược điểm của từng phương án và khả năng công nghệ của nhóm nghiên cứu, phương án 2 được chọn
Thiết Kế Máy Cắt Mẫu Xốp
Thiết kế mô hình cơ khí
Phần cơ khí của thiết bị được vẽ bằng phần mềm 3D để kiểm tra kết cấu và thiết kế trước khi được chế tạo Hình 4.1 thể hiện mô hình 3D của thiết bị được vẽ bằng phần mềm Solidworks 2012
Hình 4.1 Mô hình 3D của máy được thiết kế trên máy tính
Thiết kế mạch điện
Mạch điện của máy được thiết kế để điều khiển hoạt động của máy gồm 4 motor bước, đọc và xử lý các công tắc hành trình và nút nhấn điều khiển Đồng thời hiển thị bằng LED ra cho người dùng
Bộ vi xử lý của máy sử dụng hai vi điều khiển DSPIC33EP512MU810, có chức năng đọc và giải mã lệnh G-Code cùng lúc với việc điều khiển toàn bộ hoạt động của máy.
Bản vẽ nguyên lý của toàn bộ mạch điện của máy được cho trong phụ lục A Có ba mạch với 3 chức năng khác nhau bao gồm mạch điều chỉnh nhiệt độ dây Hình A.1 Mạch
12 này có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ của dây cắt bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra từ
2.5V đến 24V dòng điện tối đa 5A Mạch sử dụng nguyên lý nguồn BUCK được đóng ngắt ở tần số 100kHz để tạo điện áp thấp từ nguồn đầu vào 24V với hiệu sử dụng năng lượng cao hơn nhiều so với phương pháp nguồn tuyến tính
Mạch drive động cơ bước được trình bày trong các hình Hình A.2 trình bày mạch công suất của drive động cơ bước Mạch công suất drive sử dụng MOSFET để làm khóa đóng ngắt nên giảm được tổn hao nhiệt trong quá trình hoạt động mạch làm gia tăng hiệu suất sử sụng điện Hình A.3 trình bày nguyên lý mạch điều khiển drive động cơ bước, mạch sử dụng IC L297 làm chip điều khiển động cơ bước Hình A.4 là mạch nguồn của drive động cơ bước Nguồn sử dụng chip nguồn LM2576HVT nên drive động cơ có thể được sử dụng với nguồn cấp tới 60V Với giá trị điện áp lớn thì sẽ tăng tốc độ chuyển bước của động cơ bước
Sơ đồ mạch điều khiển chính của máy được thể hiện ở hình tiếp theo Hình A.5 thể hiện nguyên lý đấu nối mạch điện từ vi điều khiển chính tới các driver động cơ bước.
Mạch điều khiển được thiết kế để điều khiển đồng thời 6 động cơ bước đồng thời Hình A.6 trình bày mạch kết nối giữa bộ điều khiển và các công tắc hành trình và nút nhấn
Công tắc và nút nhấn được kết nối với mạch điều khiển thông qua opto để chống nhiễu và đảm bảo an toàn cho chip điều khiển chống sốc áp làm chết chip Nguồn điện để nuôi opto được cung cấp từ nguồn chung với nguồn nuôi động cơ 24V Điện áp này được một nguồn BUCK xuống 3V3 để nuôi các opto Hình A.7 trình bày nguyên lý của vi điều khiển chính, mạch sử dụng hai vi điều khiển DSPIC33EP512MU810 Một vi điều khiển chịu trách nhiệm đọc lệnh G- Code và con còn lại chịu trách nhiệm giải mã GCode để tính toán vận tốc tương ứng của từng motor, và thực hiện điều khiển máy theo đúng tốc độ yêu cầu Hình A.8 là nguyên lý của mạch công suất cấp nguồn cho vi điều khiển
Mạch điều khiển sử dụng nguồn điện khác với mạch công suất để chống nhiễu từ nguồn công suất Hình A.9 là sơ đồ kết nối vi điều khiển với SD-CARD.
Thiết kế chương trình
4.3.1 Chương trình bộ điều khiển máy Chương trình điều khiển tổng quan của máy được trình bày ở Hình 4.2 Máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ tạo và xử lý file mô hình CAD của mẫu, cắt và xử lý để tạo ra chương trình gia công G-Code Chương trình sau khi tạo xong được chuyển xuống chip vi xử lý để tiến hành thực hiện quá trình cắt mẫu
13 Chip điều khiển của máy chịu trách nhiệm giải mã Gcode để tính toán và điều khiển motor thực hiện quá trình cắt mẫu Ngoài ra còn nhận nhiệm vụ tương tác với người dùng để thực hiện các chức năng như Set home máy, set home phôi, chạy máy bằng tay…
Hình 4.2 Tổng quan hệ thống điều khiển của máy
Hình 4.4 trình bày lưu đồ giải thuật của quá trình điều khiển của máy Sau khi khởi động máy sẽ đợi lệnh của người dùng thông qua panel điều khiển Các lệnh điều khiển sẽ được thực thi gồm có Reset home máy, khi nhận được lệnh này máy sẽ chạy về vị trí home máy Set home phôi khi nhận được lệnh này máy sẽ cập nhật giá trị tọa độ hiện tại của máy làm gốc tọa độ để set gốc không cho phôi Nút điều khiển bằng tay, khi nhận lệnh này máy sẽ chạy đến vị trí tương ứng từng trục được điều khiển Lệnh cắt cho phép máy bắt đầu thực hiện quá trình cắt theo chương trình gia công Hình dạng của panel điều khiển máy được trình bày trong Hình 4.3
Sau khi nhận lệnh thực thi chương trình gia công được gửi từ người dùng, chip sẽ tiến hành tính toán các giá trị tốc độ và chiều chuyển động tương ứng của các động cơ để điều khiển máy móc di chuyển chính xác theo chương trình đã nhập Các lệnh sau khi tính toán xong sẽ được chuyển vào bộ nhớ của máy.
Chương trình điều khiển động cơ bước gồm 14 tác vụ cần thực thi Động cơ bước được cấp xung tương ứng với vận tốc thông qua chu kỳ ngắt cố định có thời gian 10us Trong quá trình ngắt, chương trình kiểm tra thời điểm cấp xung cho động cơ và cập nhật trạng thái của nút nhấn và công tắc hành trình.
Hình 4.3 Panel điều khiển máy
Toàn bộ chương trình điều khiển được đính kèm theo trong đĩa CD
Hình 4.4 Lưu trình điều khiển của chip xử lý Gcode và điều khiển motor
4.3.2 Chương trình trên máy tính
Mô hình 3D của mẫu dưới dạng file STL được chia nhỏ thành biên dạng các lớp thông qua phần mềm cắt lớp Phần mềm cắt lớp được sử dụng là phần mềm miễn phí Freesteel Slice v1.5 Hình 4.5 thể hiện các thông số đầu vào của chương trình và sản phẩm của phần mềm cắt lớp
Hình 4.5 Thông số đầu vào của phần mềm cắt lớp
16 File TXT chứa tọa độ của các điểm trên biên dạng của các lát được đưa vào xử lý trong phần mềm tạo Gcode Hình 4.6 chứa lưu đồ của phần mềm tạo Gcode Các điểm tạo độ của lớp dưới sẽ được biến đổi thành tọa độ cầu Sau đó, tọa độ của lớp trên sẽ được nội suy tuyến tính để có được tọa độ góc giống như tọa độ góc của lớp bên dưới Từ hai điểm có cùng tọa độ góc của lớp trên và lớp dưới, ta có thể tính được góc của đường sinh nối giữa hai điểm đó Góc của đường sinh vừa tính toán được dùng để tạo ra Gcode cho hai trục A và B
Hình 4.6 Lưu đồ của phần mềm tạo Gcode
Kết Quả Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài
Kết quả của đề tài
Kết quả nghiên cứu bao gồm mô hình thực tế của thiết bị, bộ điều khiển, các chương trình phần mềm tạo Gcode từ mô hình 3D và phần chương trình điều khiển cho thiết bị
Mô hình cơ khí thực tế của thiết bị đã hoàn thiện, có khả năng di chuyển theo 4 trục X, Y và A, B Các chương trình tạo Gcode đã hoàn thiện và có khả năng tạo được file Gcode từ dữ liệu điểm của biên dạng sau khi cắt lát Phần bộ điều khiển gồm mạch điều khiển và driver của động cơ đã hoàn thiện và kiểm tra chạy thử Phần chương trình điều khiển cho thiết bị nhận Gcode và chạy theo biên dạng đang trong quá trình hoàn thiện, hiện tại máy có thể chạy được tất cả các biên dạng 2D theo Gcode đưa vào
Hình 5.1 Mô hình máy đã được chế tạo
Hình 5.2 Mạch điện điều khiển máy
5.1.2 Quy trình và quá trình đúc thử
Hình 5.3 Quy trình công nghệ quá trình đúc
Hình 5.3 trình bày quy trình công nghệ của quá trình đúc ra sản phẩm thực tế từ mô hình 3D trên máy tính cho đến khi hoàn thiện Mô hình sản phẩm được vẽ bằng các chương trình phần mềm CAD như Solidworks, ProE, AutoCAD 3D… và được lưu dưới dạng file STL File STL được đưa vào phần mềm cắt lớp để tạo ra tập hợp tọa độ của biên dạng theo từng lát cắt tương ứng Tập hợp tọa độ này được lưu dưới dạng file TXT và sẽ được xử lý bằng phần mềm để tạo GCode Chương trình gia công sẽ được chuyển xuống máy cắt để tiến hành cắt mẫu Từng lát cắt sau khi cắt xong sẽ được ghép lại để tạo mẫu hoàn thiện Mẫu hoàn thiện được đem đi làm khuôn để thực hiện quá trình đúc mẫu cháy trong khuôn cát
Hình 5.4 Quá trình đúc th dạng STL, (c) Chương trình đư công dưới dạng Gcode, (e) Cắt m
Báo cáo tài chính đề tài
(k) đúc thử vật mẫu từ (a) mô hình CAD 3D, (b) mô hình 3D d đưa từ mô hình ra Gcode của từng lớp, (d) Chươ t mẫu xốp trên máy, (g)(h) Tạo khuôn mẫu cháy t (i) Rót kim loại, (k) Sản phẩm cuối cùng ài
(a) mô hình CAD 3D, (b) mô hình 3D dưới p, (d) Chương trình gia u cháy từ mẫu xốp,
