Đồ án tốt nghiệp Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế và chế tạo cụm trục Z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt tấm nhằm cải tiến chất lượng đường cắt cho máy CNC plasma

iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC Z DI CHUYỂN TỰ ĐỘNG THEO BIÊN DẠNG CỦA BỀ MẶT TẤM NHẰM CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CẮT CHO MÁY CNC PLASMA Máy cắt plasma CNC được điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

GVHD: ĐẶNG QUANG KHOA SVTH: LÊ KHẢ HY

NGUYỄN VĂN TRIỆU ĐẶNG XUÂN QUANG

TP Hồ Chí Minh, tháng 7/2024

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC Z DI CHUYỂN

TỰ ĐỘNG THEO BIÊN DẠNG CỦA BỀ MẶT TẤM NHẰM CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CẮT

CHO MÁY CNC PLASMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

CNC PLASMA”

Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG QUANG KHOA

Sinh viên thực hiện: LÊ KHẢ HY 17143098

NGUYỄN VĂN TRIỆU 19143352 ĐẶNG XUÂN QUANG 20143266

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC Z DI CHUYỂN TỰ ĐỘNG THEO BIÊN DẠNG CỦA BỀ MẶT TẤM NHẰM CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CẮT CHO MÁY

CNC PLASMA”

Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG QUANG KHOA

Sinh viên thực hiện: LÊ KHẢ HY 17143098

NGUYỄN VĂN TRIỆU 19143352 ĐẶNG XUÂN QUANG 20143266

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2024

i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ II / năm học 2023-2024

Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Quang Khoa

Sinh viên thực hiện: Lê Khả Hy MSSV:17143098 Điện thoại : 0906628799

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Triệu MSSV:19143352 Điện thoại : 0342360639

Sinh viên thực hiện: Đặng Xuân Quang MSSV:20143266 Điện thoại : 0961770718

1 Đề tài tốt nghiệp

- Mã đề tài: CKM-08

- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo cụm trục z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt

tấm nhằm cải tiến chất lượng đường cắt cho máy CNC Plasma”

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Hành trình của trục Z 100mm

- Máy cắt plasma CNC chưa có nội suy trục Z Trục Z hiện tại đang sử dụng cơ cấu điều chỉnh tay để điều chỉnh chiều cao mỏ cắt

- Nguồn cắt plasma của máy hiện có là 40A và khởi động bằng tần số cao

- Phần mềm điều khiển Mach3 Plasma

- Phần mềm thiết kế Creo Parametric 7.0

- Phần mềm gia công MyplasmaCNC

3 Nội dung chính của đồ án:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của công nghệ cắt plasma

- Tính toán, thiết kế và chế tạo kết cấu trục Z nâng hạ mỏ cắt plasma

- Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động phù hợp cho cụm trục Z

- Thiết kế và mô phỏng mô hình cụm trục Z plasma trên phần mềm 3D

- Chế tạo cụm trục Z nâng hạ mỏ cắt Plasma hoàn thiện

- Chạy thử, kiểm nghiệm từ đó đưa ra phương hướng phát triển đề tài

4 Các sản phẩm dự kiến

- Cụm trục Z có điều khiển nội suy chiều cao mỏ cắt

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy

TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

 Được phép bảo vệ ………

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi

nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

(Ký tên, ghi rõ họ tên)

iii

LỜI CẢM ƠN

Một dự án tiến hành bằng những tri thức tích lũy trong quá trình học tập mà còn là sự hợp tác và giúp đỡ quý báu từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật và Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA

Trước hết, chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tổ chức và tạo điều kiện rất nhiều thuận lợi để chúng tôi thực hiện dự án này Đây không chỉ là cơ hội quý báu để chúng tôi vận dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế mà còn là nền tảng quan trọng cho sự phát triển chuyên môn của chúng tôi trong tương lai

Chúng tôi chân thành cảm ơn thầy Đặng Quang Khoa, giảng viên hướng dẫn của chúng tôi, vì đã luôn đồng hành và hỗ trợ tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài Sự cống hiến

và kiến thức sâu rộng của cô đã không chỉ là nguồn cảm hứng mà còn là động lực mạnh mẽ giúp chúng tôi vượt qua mọi khó khăn và hoàn thành dự án một cách tốt nhất Đồng thời, chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Lê Thành Huy, cựu sinh viên của Trường và hiện là Giám đốc Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA Anh đã hỗ trợ chúng tôi về mặt vật chất, kinh nghiệm cũng như tài chính, tạo điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành dự án một cách hiệu quả

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô, anh chị em, bạn bè và gia đình đã luôn ở bên cạnh, động viên và hỗ trợ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Mặc dù chúng tôi đã cố gắng hết sức và mong muốn thực hiện dự án một cách tốt nhất, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý

và phản hồi từ mọi người để có thể học hỏi và hoàn thiện bản thân hơn

Trân trọng

NHÓM TÁC GIẢ

iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC Z DI CHUYỂN TỰ ĐỘNG THEO BIÊN DẠNG CỦA BỀ MẶT TẤM NHẰM CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG CẮT CHO MÁY CNC PLASMA

Máy cắt plasma CNC được điều khiển bởi hệ thống máy tính số hoá, nơi người điều khiển nhập vào các thông số và hình dạng cần cắt Dựa trên thông tin này, máy cắt sẽ di chuyển nguồn plasma theo biên dạng được chỉ định để thực hiện quá trình cắt kim loại theo các số liệu đã được thiết lập ban đầu

Về phía doanh nghiệp, các yêu cầu được đặt ra là thiết kế mới trục z có thể tự chuyển động lên xuống bám theo biên dạng cong của tấm Nâng cao công suất đầu cắt và thay đổi

bộ điều khiển đầu cắt để giảm nhiễu trong quá trình điều khiển Tuy nhiên, nhóm đặt mục tiêu lớn hơn là việc giảm chi phí sản xuất nhưng vẫn cho ra những sản phẩm đạt tiêu chuẩn

về chức năng và nhu cầu của doanh nghiệp, hơn hết, còn giúp tiết kiệm thời gian, nhân công

và cả năng suất được gia tăng

Những công việc đã thực hiện:

- Tìm hiểu về phương pháp cắt plasma

- Phương pháp và các giải pháp thiết kế trục Z máy Plasma

- Xây dựng bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp, bản vẽ tổng

- Gia công và đặt mua các chi tiết và bộ phận chính của máy

- Lắp ráp các chi tiết, bộ phận thành mô hình hoàn chỉnh

- Chạy thử máy và đưa vào sử dụng

Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng tôi đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý báu trong thiết kế, chế tạo, tính toán, chọn lựa động cơ phù hợp và lắp đặt Bên cạnh đó, mỗi thành viên cũng nâng cao các kỹ năng mềm như tra cứu tài liệu, làm việc nhóm, giúp xây dựng nền tảng kiến thức vững chắc cả về chuyên môn lẫn xã hội Nhờ vậy, từng cá nhân trong nhóm đã tự tin hơn về chuyên môn và kỹ năng mềm, sẵn sàng áp dụng những kinh nghiệm này vào công việc trong tương lai

NHÓM TÁC GIẢ

iv

ABSTRACT DESIGN AND MANUFACTURE OF Z-AXIS ASSEMBLIES THAT MOVE AUTOMATICALLY ACCORDING TO THE PROFILE OF THE PLATE SURFACE

TO IMPROVE THE QUALITY OF CUTTING LINES FOR PLASMA CNC MACHINES

The CNC plasma cutting machine is controlled by a digitized computer system ,

where the operator enters the parameters and shapes to be cut Based on this

information , the cutter will move the plasma source according to the specified profile to perform the metal cutting process according to the initially established metrics

On the business side, the requirements are set that thenew z-axis design can move up and down on its own according to the curved profile of the plate Enhance the cutting head power and change the cutting head controller to reduce interference during control However, the team set a bigger goal of reducing production costs but still producing products that meet the standards of function and needs of the business, above all, helping to save time, labor and also increase productivity

Works performed:

- Learn about plasma cutting methods

- Methods and solutions for Z-axis design of plasma machines

- Develop detailed drawings, installation drawings, general drawings

- Processing and ordering the main parts and parts of the machine

- Assembling parts into complete models

- Test run the machine and put it into use

Through the process of implementing the project, our team has accumulated a lot of valuable experience in designing, manufacturing, calculating, selecting the right engine and installing In addition, each member also improves soft skills such as looking up documents, teamwork, helping to build a solid foundation of knowledge both professionally and socially As a result, each individual in the team has become more confident in their expertise and soft skills, ready to apply these experiences to their future work

v

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I LỜI CAM KẾT II LỜI CẢM ƠN III TÓM TẮT ĐỒ ÁN IV ABSTRACT IVI MỤC LỤC V DANH MỤC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH IX DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XII

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.3.1 Mục tiêu chung 1

1.3.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4.2.Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 2

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 2

1.6 Kết cấu của ĐATN 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4

2.1 Giới thiệu 4

2.2 Đặc tính của máy 4

2.2.1 Ưu điểm của máy cắt Plasma CNC 4

2.2.2 Nhược điểm của máy cắt Plasma CNC 4

2.3 Kết cấu của máy 5

2.4 Ứng dụng của máy 6

2.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 6

2.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước 6

2.5.2 Các nghiên cứu trong nước 7

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

3.1 Công nghệ cắt Plasma 10

3.2 Máy cắt plasma CNC là gì? 11

3.2.1 Định nghĩa máy CNC 11

3.2.2 Định nghĩa máy cắt Plasma CNC 11

3.3 Cấu tạo của máy cắt Plasma CNC 11

3.3.1 Phần điều khiển 11

3.3.2 Phần chấp hành 12

3.4 Nguyên lí hoạt động của mỏ cắt Plasma 20

3.5 So sánh công nghệ cắt Plasma với các công nghệ cắt kim loại khác 21

3.6 Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi sử dụng máy cắt plasma CNC 23

3.7 Thông số chế độ cắt của máy Plasma 23

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG THIẾT KẾ 26

4.1 Tổng quan về doanh nghiệp và tình hình của máy 26

4.1.1 Thực trạng của máy CNC Plasma 26

vi

4.1.2 Yêu cầu của doanh nghiệp 28

4.2 Nguyên lý hoạt động 29

4.3 Phương hướng thiết kế cụm trục Z máy cắt Plasma 29

4.3.1 Phương hướng thiết kế hệ thống thanh trượt dẫn hướng 32

4.3.2 Phương hướng thiết kế phần động cơ truyền động 33

4.3.3 Phương hướng thiết kế chương trình điều khiển 34

4.4 Lựa chọn phương hướng thiết kế cụm trục Z máy Plasma 34

4.5 Phương án thiết kế cụm bám theo biên dạng 35

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA MÁY 38

5.1 Lựa chọn các thành phần chi tiết máy 38

5.2 Tính toán cụm dẫn động trục Z 38

5.2.1 Tính toán vít me đai ốc 38

5.2.2 Lựa chọn động cơ trục Z 45

5.2.3 Chọn gối đỡ cho trục vít me 45

5.2.4 Chọn khớp nối 46

5.3 Tính toán con trượt 48

5.4 Lựa chọn nguồn cắt Plasma 49

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO – THỰC NGHIỆM 51

6.1 Chế tạo 51

6.1.1 Chế tạo và gia công một số chi tiết điển hình 51

6.1.2 Quá trình lắp ráp 54

6.2 Điều khiển máy Plasma 56

6.3 Gia công thực nghiệm – bài tập mẫu 62

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 79

7.1 Kết luận 79

7.2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 81

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Bảng so sánh đặc điểm công nghệ cắt plasma với các công nghệ cắt kim loại khác 22

Bảng 4.1: So sánh đặc điểm của 2 loại vít me 31

Bảng 4.2 Bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo 33

Bảng 4.3 Bảng trình tự công việc tiến hành 37

Bảng 5.1: Lực dọc trục của các quá trình 43

Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật của động cơ 57CME23 45

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của nguồn cắt Plasma 60MAX 50

Bảng 6.1: Hình ảnh 3D và thực tế của một số chi tiết điển hình 52

Bảng 6.2: Thiết bị trong tủ điện máy Plasma 56

Bảng 6.3: Thông số gia công cho bài 1 66

Bảng 6.4: Số liệu đo đạc BT1 67

Bảng 6.5: Thông số gia công cho bài 2 70

Bảng 6.6: Thông số gia công cho bài 3 72

Bảng 6.7: Thông số gia công cho bài 4 74

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Kết cấu máy cắt plasma CNC 5

Hình 2.2: Máy CNC Plasma được sử dụng để thí nghiệm [1] 7

Hình 2.3: Máy cắt Plasma CNC tại trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật [4] 8

Hình 2.4: Máy cắt Plasma CNC Pro-1530 của công ty hệ thống tự động MTA [5] 8

Hình 2.5: Máy cắt Plasma CNC SPC-30120 của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [6] 9

Hình 2.6: Máy cắt Plasma CNC SPC 1530 Pro của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [6] 9

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt Plasma [6] 10

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển [7] 11

Hình 3.3: Hệ thống truyền động vít me [9] 13

Hình 3.4: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng [10] 15

Hình 3.5: Bảng thông số 𝑓𝑠 cho một số loại máy 16

Hình 3.6: Sơ đồ phân bố tải trọng 16

Hình 3.7: Hệ số 𝑓𝑤 17

Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn lực ma sát 18

Hình 3.9: Hệ thống tạo Plasma [12] 19

Hình 3.10: Cấu tạo mỏ cắt Plasma [12] 19

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý cắt Plasma [12] 20

Hình 3.12: Quá trình ion hóa hồ quang [12] 20

Hình 3.13: Hình thành hồ quang mồi [12] 21

Hình 3.14: Plasma hình thành [12] 21

Hình 3.15: Cơ chế phát tia Plasma [13] 24

Hình 3.16: Thông số chế độ cắt tham khảo cho vật liệu thép và Inox 25

Hình 4.1: Thực trạng về phần cơ khí của máy CNC Plasma 27

Hình 4.2: Thực trạng về phần điện của máy CNC Plasma 28

Hình 4.3: Mỏ cắt ban đầu được gá đặt thô sơ bằng tay 28

Hình 4.4: Mô hình khái quát máy cắt Plasma CNC [6] 29

Hình 4.5: Các loại hệ thống truyền động thanh răng bánh răng [11] 30

Hình 4.6: Cơ cấu vít me thang [15] 31

Hình 4.7: Cơ cấu vít me dạng bi [15] 31

Hình 4.8: Thanh trượt vuông [16] 32

Hình 4.9: Thanh trượt tròn [16] 33

Hình 4.10: Mô hình thiết kế 3d trên phần mềm 36

Hình 5.1: Độ chính xác góc dẫn [17] 39

Hình 5.2: Kết hợp giữa đường kính và bước của trục vít me [17] 40

Hình 5.3: Bảng thông số kỹ thuật trục vít và đai ốc SBN [21] 41

Hình 5.4: Thông số kỹ thuật gối đỡ vít me BK12 [22] 46

Hình 5.5: Thông số kỹ thuật gối đỡ vít me BF12 [22] 46

Hình 5.6: Thông số của khớp nối mềm [18] 47

Hình 5.7: Tra cứu catalouge hãng NSK [23] 48

Hình 6.1: Mô hình 3D cụm trục Z máy CNC Plasma 51

x

Hình 6.2: Lắp ráp gối đỡ BF12 54

Hình 6.3: Lắp ráp áo đỡ vitme 54

Hình 6.4: Lắp ráp cụm trục Z lên máy CNC Plasma 55

Hình 6.5: Cụm Z lúc trước 55

Hình 6.6: Cụm Z sau khi đã cải tiến 55

Hình 6.7: Lưu đồ giải thuật máy CNC Plasma 57

Hình 6.8: Mạch điện máy Plasma 58

Hình 6.9: Bên ngoài tủ điện 59

Hình 6.10: Bên trong tủ điện 59

Hình 6.11: Khai báo ngõ vào trên Mach3 60

Hình 6.12: Khai báo các chân ngõ vào của công tắc hành trình và THC 60

Hình 6.13: Khai báo các chân ngõ ra 61

Hình 6.14: Thông số chế độ cắt Plasma cho vật liệu thép được hãng Protech khuyên dùng 63

Hình 6.15: Thông số chế độ cắt Plasma cho vật liệu inox được hãng Protech khuyên dùng 63

Hình 6.16: Bản vẽ bài tập 1 63

Hình 6.17: Chèn bản vẽ và hiệu chỉnh đường cắt bài tập 1 64

Hình 6.18: Chỉnh thông số cắt và góc tọa độ 64

Hình 6.19: G-code bài tập 1 sau khi xuất 65

Hình 6.20: Nạp G-code vào Mach3 để gia công 65

Hình 6.21: 10 mẫu bài tập 1 sau khi cắt 67

Hình 6.22: Bản vẽ bài tập 2 68

Hình 6.23: Import bản vẽ bài tập 2 68

Hình 6.24: Chọn tốc độ và góc tọa độ cho bài 2 69

Hình 6.25: bài 2 sau khi xuất G-code 69

Hình 6.26: Bài 2 sau khi nạp code vào Mach3 70

Hình 6.27: Mẫu bài tập 2 sau khi cắt 71

Hình 6.28: Bản vễ mẫu bài tập 3 71

Hình 6.29: Import bài tập 3 vào MyPlasma CNC 72

Hình 6.30: Mô phỏng đường cắt bài tập 3 bằng phần mềm MyPlasmaCNC 73

Hình 6.31: Bài tập 3 thực tế sau khi đã cắt xong 73

Hình 6.32: Bản vễ mẫu bài tập 4 74

Hình 6.33: Import bài tập 4 vào MyPlasma CNC 75

Hình 6.34: Mô phỏng đường cắt bài tập 4 bằng phần mềm MyPlasmaCNC 75

Hình 6.35: Bài tập 4 thực tế sau khi đã cắt xong 76

Hình 6.36: Cắt với biên dạng tấm bị cong 76

Hình PL 1: Khi đã kiểm tra tủ điện không lỗi và nguồn plasma đã đóng 81

Hình PL 2: CB tổng của máy 81

Hình PL 3: Giao diện của MyPlasmCNC 82

Hình PL 4: Nút Import và cửa sổ import 82

Hình PL 5: Số thứ tự chi tiết các mục cài đặt cho quá trình gia công 83

Hình PL 6: Lấy góc tọa độ và thông số cắt 84

Hình PL 7: G-code đã xuất ra 84

xi

Hình PL 8: Mach3 sau khi load G-code 85 Hình PL 9: Bật công tắc tủ điện và mở Plasma 85 Hình PL 10: Thành phẩm sau gia công 86

xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Không những thế trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay các doanh nghiệp đã liên tục cập nhật những công nghệ mới để đáp ứng đòi hỏi chuyên sâu và chất lượng hơn về thành phẩm Những phương pháp gia công cơ khí bằng phóng điện ăn mòn với tia lửa điện, xung điện, phương pháp siêu âm, phương pháp hóa học bằng các chùm tia như tia laser, tia plasma…đã trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi

Phương pháp cắt CNC bằng plasma là một phương pháp có khả năng mang lại hiệu quả kinh tế cao, nó đã đưa vào ứng dụng được rất nhiều trong sản xuất công nghiệp Tuy nhiên trong quá trình cắt plasma có một số nhược điểm ví dụ như

- Bề mặt kim loại tấm phôi đầu vào cong vênh

- Hiện tượng cong vênh do nhiệt sinh ra trong và sau quá trình cắt

=> Vì mỏ cắt cố định chiều cao nên đây là nguyên nhân dẫn đến khoảng cách phôi

và mỏ cắt không đều, lúc xa lúc gần gây ra một số hiện tượng sau:

- Lúc gần: Mỏ cắt bị ma sát và kẹt với phôi hoặc xỉ cắt

- Lúc xa: Dòng cắt tăng mạnh, chiều dài hồ quang cắt kéo dài => Hồ quang không

ổn định => Đường cắt xấu và không đều, đôi khi dẫn đến hiện tượng mất hồ quang cắt Với những vấn đề nêu trên nên việc đảm bảo khoảng cách mỏ cắt và phôi được ổn định là cực kì quan trọng trong quá trình cắt plasma nên nhóm đã quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cụm trục z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt tấm nhằm cải tiến chất lượng đường cắt cho máy cnc plasma’’ để đáp ứng thực trạng nêu trên

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Vận dụng các kiến thức về thiết kế chế tạo máy CNC, đi sâu vào nghiên cứu công nghệ cắt plasma, công nghệ điều khiển tự động để thiết kế và hoàn thiện cụm trục Z

Ý nghĩa thực tiễn: Đây là đề tài thực tế, góp phần tăng năng suất sản xuất, đáp ứng được nhu cầu của doanh nghiệp sản xuất qui mô nhỏ lẻ

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Mục tiêu chung

Tổng hợp, đánh giá và phân tích những thiết kế về mô hình máy cắt plasma CNC

2

hiện nay để từ đó nắm bắt nội dung và đưa ra mục tiêu nghiên cứu về đề tài sản phẩm Tìm kiếm, chọn lọc ghi chép lại các tài liệu tham khảo, website, phần mềm… từ nhiều nguồn có liên quan để so sánh tổng hợp lại nội dung

Nêu ra một số phương án và lựa chọn phương án phù hợp nhất

1.3.2 Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của công nghệ cắt plasma

Tính toán, thiết kế và chế tạo kết cấu trục Z nâng hạ mỏ cắt Plasma

Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động phù hợp cho cụm trục Z

Thiết kế và mô phỏng mô hình cụm trục Z Plasma trên phần mềm 3D

Chế tạo cụm trục Z nâng hạ mỏ cắt Plasma hoàn thiện

Chạy thử, kiểm nghiệm từ đó đưa ra phương hướng phát triển đề tài

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Máy cắt plasma CNC chưa có trục Z

Phần mềm điều khiển Mach 3 Plasma

Phần mềm thiết kế Creo Parametric 7.0

Phần mềm gia công và mô phỏng My Plasma CNC

Độ dày cắt max: 10mm – cắt lý tưởng: 8mm

Trục Z hoạt động độc lập, hỗ trợ gia công theo biên dạng cong

Bộ điều khiển máy plasma: Mach3 3 trục và THC

Thời gian thực hiện: 6 tháng

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Từ cơ cở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước, các mẫu máy có trên thị trường để phân tích những ưu điểm cũng như những nhược điểm của các dòng máy có trước Từ đó tiến hành tổng hợp, đánh giá các giải pháp đặt ra: trường hợp nào là tối ưu hoặc không tối

ưu

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

3

Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới công nghệ cắt plasma Đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài Quan sát các thiết

kế máy cắt CNC plasma từ các phiên bản trước

Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình 3D bằng phần mềm Inventor Gia công, chế tạo ra phẩm là mục tiêu chính của đề tài Đây cũng chính là cơ hội để áp dụng các kiến thức đã học vào thực tiễn và cũng là một thách thức với những kiến thức mới mà thực tiễn đòi hỏi đặt ra

Phương pháp phân tích thực nghiệm: Dựa trên các kết quả thu được trong thực nghiệm lựa chọn được thông số máy phù hợp

1.6 Kết cấu của ĐATN

Đồ Án Tốt Nghiệp “Thiết kế và chế tạo cụm trục z di chuyển tự động theo biên dạng của bề mặt tấm nhằm cải tiến chất lượng cắt cho máy cnc plasma” bao gồm 6 chương Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế trục Z máy plasma

Chương 5: Tính toán thiết kế mô hình máy cắt plasma CNC

Chương 6: Chế tạo – thực nghiệm

Chương 7: Kết luận

4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu

Máy cắt plasma CNC là dòng máy cắt CNC sử dụng đầu trục plasma có nhiệt độ cao

để cắt các bề mặt kim loại như sắt, thép, …

Máy cắt plasma CNC được điều khiển bởi hệ thống máy tính số hoá, nơi người điều khiển nhập vào các thông số và hình dạng cần cắt Dựa trên thông tin này, máy cắt sẽ di chuyển nguồn plasma theo biên dạng được chỉ định để thực hiện quá trình cắt kim loại theo các số liệu đã được thiết lập ban đầu

2.2 Đặc tính của máy

2.2.1 Ưu điểm của máy cắt plasma CNC

- Tốc độ cắt nhanh hơn nhiều so với các phương pháp cắt truyền thống khác giúp tăng năng suất, giảm giá thành chung của sản phẩm

- Cắt đa dạng các loại vật liệu kim loại, bao gồm thép không gỉ, thép cacbon, nhôm, đồng và nhiều kim loại khác Khả năng này giúp cho máy trở thành một công cụ linh hoạt

và đa năng trong việc gia công các chi tiết kim loại

- Máy được thiết kế để cắt với độ chính xác cao cho phép tạo ra các đường cắt sắt nét

và tinh tế, đảm bảo chất lượng của các chi tiết gia công nên không cần phải gia công lại Từ

đó cải thiện được chi phí gia công và không tốn thời gian gia công lại

- Máy cắt plasma CNC dễ sử dụng và vận hành Người vận hành có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số cắt và điều khiển máy thông qua giao diện người dùng thân thiện giúp làm giảm thiểu thời gian đào tạo và tăng tính hiệu quả trong quá trình làm việc

- Máy được xây dựng với độ ổn định và độ đáng tin cậy cao để đảm bảo sự liên tục trong quá trình sản xuất từ đó đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng

và hiệu suất sản phẩm

2.2.2 Nhược điểm của máy cắt Plasma CNC

- Quá trình cắt plasma tạo ra nhiệt độ cao, làm tác động nhiệt lên vật liệu có thể gây biến dạng và thay đổi cấu trúc của vật liệu Tác động nhiệt này có thể làm giảm tính chất

cơ học của vật liệu và ảnh hưởng đến độ bền của các chi tiết gia công Tuy nhiên, với sự điều chỉnh thích hợp của các thông số cắt như dòng điện plasma và tốc độ cắt, tác động nhiệt có thể được giảm thiểu

- Hạn chế trong việc cắt vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, thủy tinh và gốm, …

- Máy cắt plasma CNC không phù hợp cho việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp Do kích thước và tính chất của vòi plasma, máy cắt plasma CNC không thể đạt độ chính xác cao như máy cắt laser CNC trong việc cắt các chi tiết nhỏ và phức tạp Điều này hạn chế khả năng ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao và chi tiết nhỏ

- Máy cắt plasma CNC yêu cầu sự điều chỉnh đúng các thông số như dòng điện plasma,

5

tốc độ cắt, áp suất khí plasma và khoảng cách đến vật liệu đòi hỏi kỹ thuật viên có kinh nghiệm và kiến thức để điều chỉnh các thông số này một cách chính xác Việc không điều chỉnh đúng có thể dẫn đến kết quả cắt không tốt và làm giảm hiệu suất sản xuất Tuy nhiên, với sự tiến bộ của các hệ thống điều khiển tự động và phần mềm quản lý, quá trình điều chỉnh và kiểm soát có thể trở nên dễ dàng hơn

- Quá trình cắt plasma tạo ra nhiều khói, bụi và khí thải gây ô nhiễm môi trường Các tia plasma cũng có thể tạo ra tiếng ồn và rung động, gây ảnh hưởng đến môi trường làm việc và sức khỏe của nhân viên Để giảm tác động này, cần có biện pháp xử lý khí thải và

hệ thống quạt thông gió hiệu quả

2.3 Kết cấu của máy

Hình 2.1: Kết cấu máy cắt plasma CNC

Máy cắt plasma CNC có cấu trúc tổng thể bao gồm các thành phần sau:

Khung máy: Là khung gầm chịu lực chính của máy Khung máy thường được làm bằng

các vật liệu chắc chắn như thép hợp kim hoặc gang, để đảm bảo độ ổn định và cứng vững trong quá trình gia công

Bàn cắt: Đây là bề mặt phẳng và chắc chắn nơi đặt và cố định các vật liệu cắt Bàn

cắt thường được trang bị lưới hoặc thanh để cho phép thông gió hỗ trợ vật liệu cắt mà không ảnh hưởng đến mỏ cắt plasma

Mỏ cắt plasma: Là thành phần chính thực hiện các phép cắt và gia công trên kim loại Nguồn cắt: Là nguồn cung cấp năng lượng cần thiết để tạo ra hồ quang plasma trong

mỏ cắt Nó là thành phần thiết yếu cho quá trình cắt

Hệ thống điều khiển CNC: Là bộ não của máy Nó diễn giải chương trình cắt do phần

mềm CAM tạo ra và gửi lệnh đến hệ thống truyền động và các bộ phận khác để thực hiện quy trình cắt Hệ thống điều khiển CNC hiện đại thường có giao diện màn hình cảm ứng để

dễ dàng lập trình và giám sát

6

Hệ thống trục chuyển động: Bao gồm các trục chuyển động như trục X, trục Y và trục

Z Các trục này cho phép máy di chuyển và gia công trên các hướng khác nhau trong không gian ba chiều Trục X và trục Y thường di chuyển ngang, trong khi trục Z di chuyển theo chiều dọc

2.4 Ứng dụng của máy

Máy cắt plasma CNC được ứng dụng rất nhiều trong ngành cơ khí hạng nạng cũng như cơ khí dân dụng cụ thể như:

Cơ khí hạng nặng: kết cấu thép, nhà tiền chế, đóng tàu, cắt bản mã dày, …

Cơ khí dân dụng: thiết bị nhà bếp, công cụ dụng cụ nông nghiệp, chế tạo máy công cụ, thiết bị cơ khí,

Trang trí nội ngoại thất: làm hoa văn cổng cửa để trang trí nội ngoại thất, làm sắt mỹ thuật, hoa văn cổng cửa,

Ngành quảng cáo: biển quảng cáo, biển số nhà, sản phẩm quảng cáo, …

2.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Saiful Irfan và các cộng sự [1] đã nghiên cứu trên máy CNC plasma này nhằm mục đích xác định hệ số an toàn khung và mức độ chính xác Độ chính xác kết quả cắt được thực hiện

ba lần bằng cách sử dụng cùng một dụng cụ, 20 dòng điện với tốc độ 400 mm / phút, có độ dày 1,3 mm Kết quả cho thấy rằng khung được phân loại là an toàn vì hệ số an toàn tối thiểu giá trị là 4,23 ul và kết quả thử nghiệm cắt cho thấy máy CNC plasma có dung sai ± 0,3 mm Gurwinder Singh [2] đã trình bày ứng dụng của phương pháp Taguchi để tối ưu hóa thông số gia công của máy cắt plasma CNC Nó đã được chứng minh rằng việc loại bỏ vật liệu tỷ lệ có thể được cải thiện đáng kể trong CNC Quy trình cắt plasma sử dụng mức tối ưu của các tham

số Từ phân tích thực nghiệm được thực hiện trên thép có tỉ lệ cacbon thấp <0,2% Kết quả chỉ ra rằng, thông số cắt là yếu tố có mức độ ảnh hưởng cao nhất đến tỉ lệ loại bỏ vật liệu

7

Hình 2.2: Máy CNC plasma được sử dụng để thí nghiệm [1]

Dựa vào bài báo nghiên cứu của Mohammed J Al-Rimawi [3] đã nghiên cứu và chế tạo máy CNC plasma phục vụ cho việc cắt các tấm thép có biên dạng hoa văn Nhưng đã gặp phải một số điều cần chú ý sau khi thiết kế hệ thống mới này, tác giả đã gặp phải một số khó khăn và thách thức: một số vấn đề về thiết kế hệ thống cơ khí, thiết bị plasma và mạch điều khiển Ngoài ra chúng tôi còn gặp phải vấn đề trước đó một số bộ phận cơ khí và điện được mua từ ở nước ngoài Bởi vì máy CNC plasma còn mới trong thế giới công nghiệp và nghiên cứu của nó vẫn còn đi và gặp khó khăn để có được nghiên cứu về nó, vào thời điểm đó không

có đơn xin nó ở Trung Đông cho nó Cuối cùng, chúng tôi có thể thiết kế hệ thống mới này với độ chính xác cao bất chấp những khó khăn Chúng tôi mong muốn có được cải tiến mới cho máy CNC plasma, nâng cao độ dày cắt và tốc độ cắt

Từ những bài báo nghiên cứu trên, máy CNC plasma có vai trò vô cùng quan trọng trong nền công nghiệp hiện nay Có thể thấy, máy CNC plasma không chỉ đơn thuần là công cụ gia công mà còn là trụ cột quan trọng trong quá trình tạo phôi thô, mang lại hiệu quả cao và khả năng linh hoạt trong sản xuất công nghiệp ngày nay

2.5.2 Các nghiên cứu trong nước

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực gia công cơ khí chính xác đạt được nhiều thành tựu với sự ra đời nhiều loại máy cắt plasma CNC hiện đại có khả năng gia công được các chi tiết phức tạp trên biên dang 2D, chính xác cao, nâng cao năng suất sản xuất Máy móc càng hiện đại thì chi phí mua trang thiết bị không hề nhỏ Đó cũng là một trong những yếu tố thúc đẩy một số người ham học hỏi, tìm tòi để chế tạo ra máy cắt plasma CNC nhỏ gọn, rẻ tiền mà vẫn đáp ứng được nhu cầu sản xuất

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, có rất nhiều người tham gia chế tạo máy cắt plasma CNC cỡ nhỏ để dùng tại nhà, tại các xưởng sản xuất nhỏ lẻ với chi phí thấp Ở các trường đại

Hình 2.3: Máy cắt plasma CNC tại trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật [4]

Hình 2.4: Máy cắt plasma CNC Pro-1530 của công ty hệ thống tự động MTA [5]

9

Hình 2.5: Máy cắt plasma CNC SPC-30120 của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [6]

Hình 2.6: Máy cắt plasma CNC SPC 1530 Pro của Công ty Cổ phần Công nghệ Sơn Vũ [6]

Từ những công trình nghiên cứu hiện nay Có thể thấy, ở Việt Nam máy CNC plasma cũng có đóng góp rất quan trọng hiện nay Tuy nhiên một số yếu tố khác đã ảnh hưởng đến quá trình cắt plasma, đặc biệt là đối với phôi thép có biên dạng cong Do đó, cùng với sự hướng dẫn khoa học của TS Đặng Quang Khoa và cơ sở vật chất của Công Ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA, nhóm đã quyết định tiến hành cải tiến trục Z của máy CNC plasma có thể điều chỉnh được mỏ cắt theo biên dạng của phôi cắt

có thể gây ra tia lửa điện, khiến dòng khí bên trong máy cắt nhận một lượng năng lượng lớn

để ion hóa và trở nên dẫn điện Các dòng khí ion hình thành trong quá trình này trở thành ống dẫn điện giữa điện cực và vòi tạo thành hồ quang plasma Qua đó hồ quang được đẩy ra và tạo thành hồ quang mồi Khi đầu phun được di chuyển đến bề mặt cắt, hồ quang mồi mới hình thành sẽ đập vào vật liệu Bộ nguồn nhận biết dòng điện chạy qua vật liệu và khi đó bộ khởi động hồ quang sẽ ngừng hoạt động và dòng khí ion hóa tiếp tục được duy trì nhờ năng lượng của dòng điện một chiều Hồ quang plasma nhiệt độ cao sẽ làm tan chảy vật liệu kim loại Bằng dòng không khí nóng chảy ở độ cao lớn, vật liệu nóng chảy được thổi xuống đường cắt Lúc này, đầu cắt bắt đầu di chuyển và thực hiện cắt bề mặt theo hướng ban đầu Trong bộ điều khiển của máy cắt plasma cnc có bộ điều khiển cảm ứng và khi khởi động bộ điều khiển này, máy cắt cnc sẽ di chuyển theo đúng hướng đã được lập trình để đảm bảo sản phẩm được cắt theo đúng bản vẽ

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của mỏ cắt plasma [6]

Nguyên lý hồ quang dẫn (Pilot Arc): Trong quy trình cắt này, việc tạo ra tia lửa điện

xảy ra bên trong mỏ cắt thông qua sự kết hợp giữa mạch dòng điện thấp và điện áp cao Tia lửa này tạo điều kiện cho việc tạo ra một hồ quang dẫn, một lượng nhỏ plasma Khi tiếp xúc với phôi, máy cắt plasma tạo ra hồ quang cắt, cho phép thực hiện quy trình cắt plasma Ưu điểm của quá trình này, là có sự hổ trợ của việc phóng hồ quang, giúp cho việc tạo tia plasma

dễ dàng hơn so với việc phải mồi plasma bằng phương pháp chạm điện cực Cải thiện và duy

11

trì tốt chất lượng ổn định của dòng plasma cho trường hợp bề mặt phôi rỉ sét, cong vênh,

khoảng cách giữa hai điện cực không đảm bảo

3.2.2 Định nghĩa máy cắt plasma CNC

Máy cắt plasma CNC là một loại máy công cụ điều khiển số được sử dụng để thực hiện quá trình cắt các tấm kim loại như sắt, thép, nhôm và các vật liệu dẻo khác Máy cắt plasma CNC được điều khiển bởi một hệ thống máy tính và các lệnh số để tự động thực hiện quá trình cắt theo các chương trình đã được lập trình sẵn

Hệ thống máy tính điều khiển máy cắt plasma CNC chứa phần mềm CAD/CAM để lập trình và tạo ra các lệnh số (G-code) mô tả các động tác, tốc độ quay và di chuyển của công cụ cắt Các lệnh số này được nhập vào máy tính điều khiển, và máy cắt sẽ tự động di chuyển công cụ cắt theo đường cong và lệnh đã được lập trình sẵn để tạo ra các hình dạng

và chi tiết mong muốn

3.3 Cấu tạo của máy cắt plasma CNC

Cấu tạo cơ bản của một máy cắt plasma CNC thông thường bao gồm: phần điều khiển

12

Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống máy cắt plasma

CNC bao gồm bo mạch chủ, các hệ thống động cơ bước và các cơ cấu chấp hành, …

Khối đầu vào: Bao gồm các chương trình G-code được lập trình trên các phần mềm

CAD-CAM trên máy tính và các thông tin thiết lập ban đầu trên phần mềm điều khiển, các nút bấm, các công tắc, biến trở, module, điều khiển bằng tay

Khối xử lý trung tâm: Thực hiện chức năng tiếp nhận và thực thi các chương trình

G- code được nạp trực tiếp từ máy tính thông qua phần mềm điều khiển và xuất tín hiệu ra các chân sung, các tín hiệu đầu ra để điều khiển các driver động cơ bước và các cơ cấu chấp hành khác

Khối đầu ra: Gồm ba động cơ bước trên ba trục chuyển động X, Y, Z, các đèn tín hiệu

hiển thị trên các thiết bị hoạt động

Để có thể điều khiển với độ chính xác cao và tốc độ theo yêu cầu, có thể chọn hai loại động cơ sau: động cơ bước và động cơ servo

Động cơ bước là loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay Số điểm cực của động cơ thường rất lớn nhằm đảm bảo góc bước của motor đủ nhỏ để có độ chính xác cao

Động cơ servo là một thành phần trong hệ thống servo Động cơ servo nhận tín hiệu từ

bộ điều khiển và cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành với tốc độ và độ chính xác cực kỳ cao Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp

về mạch điều khiển này thông qua bộ mã hóa

3.3.2 Phần chấp hành

Đối với máy cắt plasma CNC mà nhóm thiết kế bao gồm: hệ thống truyền động vít

me, hệ thống thanh trượt dẫn hướng, hệ thống truyền động thanh răng và bánh răng, mỏ cắt plasma, hệ thống tạo plasma

Hệ thống truyền động vít me đai ốc: Là cơ cấu trục vít gắn liền với đai ốc dùng để

truyền động cho cơ cấu trượt dọc trục theo trục vít me Khi truyền động thường thì trục vít

me quay làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến Đôi khi tùy vào thiết kế của từng loại máy

mà đai ốc quay làm cho vít me chuyển động tịnh tiến Trên nguyên lý khi truyền động, nếu trục vít me đứng yên thì đai ốc chuyển động tịnh tiến hoặc đai ốc đứng yên thì trục vít me chuyển động tịnh tiến Hiện nay, có hai loại truyền động động vít me là vít me đai ốc thường

và vít me đai ốc bi Nếu như vít me đai ốc thường là loại vít me và đai ốc tiếp xúc mặt thì vít me đai ốc bi lại có dạng lăn

13

Hình 3.3: Hệ thống truyền động vít me [9]

Cơ sở lý thuyết truyền động vitme đai ốc:

• Đường kính trung bình vít theo điều kiện bền mòn

+ E - modun đàn hồi vật liệu vít, MPa, với thép E = 2,1.105 (MPa)

+ 𝐼 =𝜋.𝑑1

64 =𝜋.154

64 = 2485 (𝑚𝑚4) - momen quán tính mặt cắt ngang của vít, mm4

- Hệ số an toàn ổn định thực tế theo công thức được thỏa:

- Đường kính trong của vít me 𝑑1 (𝑚𝑚)

- Khoảng cách từ tâm rảnh lăn tới tâm bi:

- Khe hở hướng tâm Δ [9]

- Khe hở tương đối 𝜒 = Δ

𝑑 1

- Góc ma sát lăn thay thế

𝜑1 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 2.𝑓𝑡

𝑑1.𝑠𝑖𝑛𝛽) (độ) Trong đó:

+ Hệ số ma sát lăn thay thế ft

- Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

𝜂 = 𝑡𝑔𝛾

𝑡𝑔(𝛾+𝜑 1 )

15

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng: Dùng để dẫ hướng dựa trên nguyên lý chuyển động

tịnh tiến giữa con trượt và ray trượt Nó hoạt động gần như chính xác và có khả năng chịu tải cực tốt Hiện nay trên thị trường thì thanh trượt vuông là loại có độ cứng và ổn định cao nhất Thanh trượt vuông có độ chịu tải gấp 1,5 lần so với các thanh trượt khác

Hình 3.4: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng [10]

Để có được một mô hình phù hợp nhất cho các điều kiện dịch chuyển của hệ thống ray dẫn hướng thì khả năng chịu tải và tuổi thọ của mô hình phải được chú trọng nhất

Để xác định, kiểm nghiệm khả năng tải trọng tĩnh danh nghĩa, tải trọng tương đương thì việc đánh giá qua giá trị 𝐶0 (tải trọng động định mức) là khả quan và chính xác hơn cả Tuổi thọ có thể thu được bằng cách tính toán trên cơ sở lý thuyết bằng công thức thực nghiệm dựa trên việc đánh giá thông qua tải trọng động danh nghĩa

Các tính toán ray trượt được tham khảo từ tài liệu “NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRUNG TÂM TIỆN - PHAY CNC” trong tập san sinh viên nghiên cứu khoa học kĩ thuật

Sau đây là một số yêu cầu và đặc điểm kỹ thuật khi tính chọn một ray trượt

Hệ số tải tĩnh

- Tải trọng tĩnh định mức 𝐶0 được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép

- Sự biến dạng tập trung không đổi sẽ tăng giữa kênh dẫn và bi lăn khi ray dẫn hướng nhận tải trọng thừa hay chịu va đập diện rộng Nếu độ lớn của biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ cản trở sự di trượt của ray dẫn hướng

Moomen tĩnh cho phép M0

- Mômen tĩnh cho phép 𝑀0 được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh

- Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống

Hệ số an toàn tĩnh 𝑓𝑠

Công thức tính:

16

𝑓𝑠 =𝐶0

𝑃 ℎ𝑎𝑦 𝑓𝑠 =

𝑀0𝑀Trong đó:

− 𝐶0: tải trọng tĩnh định mức (N);

− P : tải trọng làm việc tính toán (N);

− 𝑀0: momen tĩnh cho phép (Nm);

− M: momen đã tính toán (Nm)

Hình 3.5: Bảng thông số 𝑓𝑠 cho một số loại máy

Hình 3.6: Sơ đồ phân bố tải trọng

50 km (nếu bộ phận lăn là bi)

Tính toán tuổi bền danh nghĩa L

Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng của tải trọng làm việc thực tế Tuổi bền danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên tải trọng động định mức và tải trọng làm việc thực tế

17

Tuổi bền của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn của hệ số môi trường như độ cứng vững của đường ray, nhiệt độ môi trường, điều kiện chuyển động.Vì vậy, những thông số này có trong tính toán tuổi bền danh nghĩa

Vì lí do này, tải trọng động định mức và tải trọng tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số cững vững trong tính toán Bảng dưới đây là đồ thị độ cứng vững đảm bảo HRC lớn hơn 58,

do đó 𝑓𝐻 = 1.0

Với hệ số nhiệt 𝑓𝑇: Khi nhiệt độ điều khiển lớn hơn 100 độ C, tuổi bền danh nghĩa sẽ giảm bớt Do đó tải trọng động và tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số nhiệt độ trong tính toán Xem hình bên dưới Nhiều phần của ray được làm từ nhựa và cao su, nên nhiệt độ phải dưới 100 độ C là tốt nhất Các yêu cầu đặc biệt phải liên hệ với nhà sản xuất

Hình 3.7: Hệ số 𝑓𝑤

18

Hệ số tải trọng 𝑓𝑤: Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã đước xét trong tính toán, nhưng tải trọng thực tế hầu hết đều cao hơn khi tính toán Đó là do rung động và va đập khi máy chuyển động Rung động xảy ra khi điều khiển tốc độ cao, va đập xảy ra khi máy khởi động lại và dừng máy

Do đó, xét đến tốc độ chuyển động và rung động, tải trọng động định mức phải được chia cho hệ số tải trọng theo bảng bên cạnh

Tính toán tuổi bền dịch vụ theo thời gian

Khi tuổi bền danh nghĩa đã được xét đến, tuổi bề dịch vụ được tính toán theo những thông số có được khi chiều dài hành trình và vòng quay là không đổi

𝐿ℎ = 𝐿 × 10

3

2 × 𝑙𝑠× 𝑛1× 60Trong đó:

− L: Tuổi bền danh nghĩa;

19

− f: Sức chịu vòng đệm

Hệ thống tạo plasma: Bao gồm nguồn điện cao tần và ống dẫn plasma Nguồn điện

cao tần cung cấp dòng điện cao qua ống dẫn plasma, trong đó khí chất bên trong sẽ được ion hóa để tạo thành plasma

Hình 3.9: Hệ thống tạo plasma [12]

Mỏ cắt plasma: Là thiết bị rất quan trọng của máy cắt plasma CNC Mỏ cắt plasma

sẽ được lắp vào máy để tạo dòng chảy của plasma, cung cấp plasma để cắt tạo các bộ phận, chi tiết của sản phẩm Cấu tạo của mỏ cắt plasma bao gồm:

Hình 3.10: Cấu tạo mỏ cắt plasma [12]

Shield: chụp khí bảo vệ vòi phun: nằm trên đỉnh vòi phun, có chức năng phân định

khoảng cách cho vòi phun để sử dụng vòi phun lâu bền

Retaining cap: chụp làm bằng sứ giúp cố định điện cực, tạo khoang kín cho khí quang

điện cực

Nozzle: bộ phận vòi phun có các lỗ tròn thoát khí để khí plasma từ mỏ cắt được thoát

3.4 Nguyên lí hoạt động của mỏ cắt plasma

Khi cắt, một tín hiệu khởi động được gửi tới nguồn công suất DC, khi đó đồng thời xuất hiện các điện áp mạch hở và khí phun ra mỏ

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý cắt plasma [12]

Sau khi đã có luồng khí ổn định, mạch tần số cao (HF) được kích hoạt, HF phóng hồ quang giữ điện cực và đầu phun bên trong mỏ, hồ quang bên trong đó thổi qua bị ion hóa

Hình 3.12: Quá trình ion hóa hồ quang [12]

Hồ quang mồi chính là kết quả được tạo ra từ khí dẫn điện giữa hai điện cực và đầu phun

3.5 So sánh công nghệ cắt plasma với các công nghệ cắt kim loại khác

Có nhiều phương pháp cắt đứt kim loại như: cắt bằng khí oxy-axetylen, cắt bằng tia laser, cắt bằng tia plasma, cắt bằng tia nước, … Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác khác nhau

Vào những năm đầu thế kỷ XX, người ta chỉ dùng ngọn khí oxy-axetylen để cắt thép Quá trình cắt bằng ngọn khí oxy-Axetylen như là một quá trình phản ứng hóa học hơn là

sử dụng nhiệt để làm nóng chảy kim loại ra Vì thế mà ngọn khí oxy-axetylen không thể dùng để cắt kim loại không chứa sắt trong đó Vì nhược điểm đó mà sau này tia laser và tia plasma đã được đưa vào ứng dụng, thay thế cho khí oxy-axetylen với năng suất cao hơn

Về nguyên lý cắt bằng tia laser và bằng tia plasma là như nhau, đều dùng tác dụng nhiệt làm nóng chảy vật liệu cần cắt Tuy nhiên nguyên lý phát tia laser thì hoàn toàn khác

22

Tia laser được phát ra do đèn phát xung phát vào thanh phản xạ sẽ phát ra các nguyên

tử Các nguyên tử này di chuyển qua lại trong môi trường quang học nhờ hệ thống gương phản xạ, đến mức đủ năng lượng chúng phát qua gương phản xạ bán phần rồi năng lượng của chúng được tập trung lại nhờ thấu kính hội tụ Chùm ánh sáng cao này sẽ làm nóng chảy vật liệu

Tia plasma thì chỉ cắt được vật liệu kim loại (vật liệu dẫn điện được) do nguyên lý cắt kim loại của plasma là phóng hồ quang điện qua lớp khí mà lớp khí này thoát qua lỗ thoát hẹp, do tính dẫn điện của plasma gây nên sự truyền tia hồ quang đến, khi đó vật liệu bị cắt bởi dòng điện Đối với các vật liệu phi kim khác như plastic, gỗ, ….do không dẫn điện nên tia plasma không thể cắt được Tuy nhiên khi cắt kim loại bằng tia plasma sẽ sinh nhiệt lớn nên làm cho lớp bề mặt kim loại sau gia công sẽ biến cứng

Phương pháp cắt kim loại bằng tia nước sẽ khắc được nhược điểm đó Nguyên lý cắt bằng tia nước là: nước ở đầu vào sẽ có áp suất khoảng 4 bar được đưa qua bộ biến áp tạo ra dòng nước có áp suất khoảng 38000 bar Dòng nước có áp suất cao này sẽ làm ăn mòn kim loại cần gia công Tuy nhiên việc tạo ra dòng nước có áp suất cao như vậy là rất khó và hiệu suất cắt không cao nên chỉ được ứng dụng khi các phương pháp khác khó hay không thể sử dụng được Do những hạn chế đó mà tia nước ít được sử dụng hơn so với tia laser và tia plasma Ngoài ra còn có phương pháp cắt bằng tia lửa điện, tuy nhiên rất ít được sử dụng

Bảng 3.1: Bảng so sánh đặc điểm công nghệ cắt plasma với các công nghệ cắt kim

loại khác

Các phương

pháp cắt

Năng suất cắt

Không làm côn

lỗ cắt, mức tiêu hao năng lượng lớn, thiết bị đắt tiền Plasma Cao Vật liệu dẫn điện Chất lượng bề

mặt tương đối

Khi cắt lỗ kim loại làm lỗ cắt bị côn, bề mặt kim loại sau gia công

bị biến cứng

23

Tia nước Không cao Vật liệu dẫn điện Không làm biến

cứng lớp bề mặt sau gia công

Không gia công được chi tiết quá

bé

3.6 Các thông số kỹ thuật cần lưu ý khi sử dụng máy cắt plasma CNC

Dòng điện cắt: Tăng dòng cắt cũng đồng nghĩa làm tăng công suất nguồn cắt plasma, nhưng nó bị hạn chế bởi dòng điện tối đa cho phép Nếu không tia plasma sẽ dài hơn, chiều rộng mạch cắt tăng lên và tuổi thọ của điện cực sẽ giảm

Lưu lượng khí: Tăng lưu lượng khí có thể làm tăng điện áp và cường độ của tia plasma, năng lượng tia plasma tập trung hơn và tạo ra mạch cắt sắc nét hơn, do đó tốc độ cắt và chất lượng có thể được cải thiện Tuy nhiên, nếu lưu lượng khí quá lớn tia plasma sẽ bị ngắn lại

và làm tăng tổn thất nhiệt và giảm khả năng cắt cho đến khi không thể cắt nổi

Chiều cao của mỏ cắt: Chiều cao của mỏ cắt chính là khoảng cách từ đầu mỏ cắt đến

bề mặt cắt, thường là từ 2-5mm Chiều cao của mỏ cắt phải được duy trì phù hợp mới đảm bảo được hiệu quả cắt của mỏ cắt plasma, nếu không hiệu suất và chất lượng cắt sẽ rất kém, thậm chí mỏ cắt còn bị hư hỏng do kim loại nóng chạy dội ngược lên

Tốc độ cắt: Các yếu tố phía trên ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu ứng nén của hồ quang plasma, cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hồ quang plasma và mật độ tập trung năng lượng Chính những yếu tố này sẽ xác định tốc độ cắt, do đó tốc độ cắt là một yếu tố cực kì quan trọng của quá trình cắt plasma

Độ dày và quá trình cắt: Độ dày của tấm thép có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn

quá trình cắt, ngay cả đối với cùng một mỏ cắt, khả năng xuyên thủng vật liệu cũng chỉ bằng một nửa khả năng cắt từ cạnh Do đó khi chiều dày lớn hơn chiều dày được khuyến cáo, không được đục lỗ xuyên thủng từ giữa tấm thép, điểm bắt đầu cắt phải ở rìa của tấm thép, tức là cắt từ mép vào

Xử lý bề mặt trước khi cắt: Các tấm kim loại trước khi được cắt, đều trải qua một loạt quá trình (từ chế tạo, vận chuyển, lưu kho, …) và trong thời gian này, bề mặt của tấm thép chắc chắn tạo ra một lớp phủ oxit Trong khi đó, sau khi bị đốt nóng, lớp oxit này bị phá vỡ có thể gây tắc béc cắt làm giảm khả năng cắt của mỏ cắt, gây hư hại béc cắt và điện cực Vì vậy, xử lý bề mặt trước khi cắt là rất cần thiết

3.7 Thông số chế độ cắt của máy plasma

Máy cắt plasma CNC là một công nghệ hiện đại trong gia công kim loại, sử dụng ngọn lửa plasma cực nóng để cắt các vật liệu như thép carbon, thép không gỉ, nhôm và các kim loại khác Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo, xây dựng kết cấu kim loại và sản xuất các linh kiện máy móc Để có thể dễ dàng sử dụng, ta có thể xác định một số yếu tố tính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm của máy Plasma như sau:

24

Khoảng cách đầu cắt plasma và phôi cắt:

Trong hệ thống cắt bằng tia Plasma, khi plasma thoát ra ngoài dưới áp lực lớn từ đầu bép cắt, hình dạng của tia plasma thường có dạng hơi thon gọn như hình giọt nước Điều này

áp dụng cho cả các hệ thống cắt plasma và máy cắt CNC plasma, với cơ chế phát tia plasma tương tự nhau được thể hiện ở hình bên dưới

Hình 3.15: Cơ chế phát tia plasma [13]

Chính điều này tạo nên độ nghiên cho đường cắt plasma, tia plasma đi qua vật liệu với hình giọt nước nên khi đầu cắt ở quá gần vật liệu cắt cũng sẽ gây ra tình trại bị đường cắt bị vát theo góc của tia plasma, điều này cũng sảy ra tương tự như khi vật liệu để quá xa mép cắt, người điều khiển tia plasma cần phải tìm ra được khoảng cách hợp lý nhất để sản phẩm có độ vát hợp lý nhất thông thường dưới 3mm là đảm bảo yêu cầu

Một số chế độ cắt của máy Plasma cho vật liệu Thép và Inox:

Trong chế độ cắt của máy Plasma các thông số được chú ý bao gồm: Tốc độ cắt (mm/phút), Điện áp của mỏ cắt plasma (V), bề dày của phôi (mm), khoảng cách giữa mỏ cắt

và phôi (mm), thời gian trễ của mỏ cắt (giây) Từ đó ta có thể tham khảo thông số chế độ cắt hợp lý được thể hiện ở dưới bảng bên dưới đây với 2 vật liệu phổ biến đó là Sắt và Inox được thể hiện ở trong hình dưới đây: