NGHIÊN cứu, THIẾT kế và CHẾ tạo máy KHẮC đá CNC 3 TRỤC

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC ĐÁ CNC TRỤC RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE AXIS CNC STONE ENGRAVING MACHINE TS Bùi Thanh Luân1a, KS Nguyễn Đoan Hải1b Trường Đại học Công nghệ TPHCM, Việt Nam abuithanhluan@gmail.com, bcokhihonghai@gmail.com TÓM TẮT Hiện nay, sản xuất sản phẩm tranh, phù điêu đá mỹ nghệ cần có độ tinh xảo cao mức độ đồng giống sản xuất hàng loạt Các sản phẩm sản xuất phương pháp thủ công chưa đáp ứng tiêu chuẩn thị trường nội địa quốc tế không đảm bảo giống sản phẩm chủng loại Ứng dụng công nghệ máy CNC vào việc sản xuất sản phẩm từ đá nâng cao chất lượng đồng sản phẩm Máy khắc đá CNC trục nghiên cứu chế tạo với mục đích để gia công tranh, phù điêu đá có kích thước chiều rộng 1200mm, chiều dài 1500mm chiều cao 300mm Máy có trục di chuyển vuông góc đầu trục cao tốc để gắn dao gia công Ba chuyển động trục đảm bảo hệ thống điều khiển số Bài báo cáo trình bày tính toán, thiết kế chế tạo máy khắc đá CNC trục để đảm bảo độ cứng vững máy, chịu va đập thay đổi trong trình gia công để đảm bảo cho sản phẩm làm có độ xác ±1mm Từ khóa: máy khắc đá, gia công CNC, máy CNC trục, gia công đá, tranh đá nghệ thuật ABSTRACT Nowadays, manufacturing of reliefs stone art products requires the deliticate and homogeneous level in mass production The handmade of reliefs stone art products are not met the standards of the domestic and international markets because the homogeneous standard of products is not sure CNC machine technology applications in the manufacturing of reliefs stone art will improve the quality and homogeneous of the product The stone engraving CNC 3-axis machine is researched for the purpose of manufacturing the reliefs stone arts with the size of 1200mm width, 1500mm length and 300mm height The machine has a 3-axis perpendicular movement and a high-speed spindle Three-axis motion of the machine is controlled by the digital control system This paper presents the calculation, design and manufacturing of the stone arts engraving CNC 3-axis machine, ensuring the machine is met the requirements of firm, impact, changes in processing and products meet the ±1mm accuracy requirement Keywords: stone engraving machine, CNC processing, CNC 3-axis machine, stone processing, reliefs stone art GIỚI THIỆU Công nghệ gia công CNC ngày phổ biến Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy CNC việc gia công chế tạo sản phẩm cao Hiện có nhiều loại máy CNC phục vụ ngành khí, ngành gỗ mỹ nghệ như: tiện CNC, phay CNC, đột CNC,… Đặc biệt ngành chế tác đá mỹ nghệ có nhu cầu sử dụng máy CNC để gia công sản phẩm phù điêu từ đá nguyên khối Với gia công đá có nhiều khác biệt so với gia công kim loại thông thường, phôi kim loại có độ cứng đồng với vị trí, đá loại vật liệu có kết cấu độ cứng không đồng đều, nên chế độ gia công phức tạp vật liệu khác Dụng cụ 206 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV cắt gọt đá có nhiều khác biệt so với gia công kim loại, giới có nhiều nghiên cứu kỹ thuật gia công dao cắt gia công cắt gọt đá Việc chế tạo máy điêu khắc đá CNC để giải phóng sức lao động người thợ điêu khắc đảm bảo chất lượng bề gia công đồng sản phẩm Máy chế tạo với yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di chuyển trục không tải 5000mm/phút, gia công vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao lớn ϕ =15mm Hiện có nhiều nghiên cứu gia công đá Feng Lian Qi nhóm nghiên cứu [1] nghiên cứu hệ thống đo tự động lực tác động trình gia công đá Abraham Segade Robleda nhóm nghiên cứu [2] giới thiệu gia công đá với kỹ thuật gia công cắt đá lưỡi cắt đính mảnh hợp kim Một số nghiên cứu gia công đá khác [3-6] để gia công cắt gọt đá cắt đá từ khối thành đá Những nghiên cứu tập trung chủ yếu vào cách để cắt đá vật liệu làm dao, chưa nói nhiều đến máy móc độ xác gia công Ngoài nước có Phạm Đăng Phước nghiên cứu, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D [7], nhiên tác giả dừng lại mô hình thiết kế chưa có kết thực nghiệm chế tạo máy thật Bài viết tập trung chủ yếu vào thiết kế máy khắc đá CNC trục, dùng để gia công đá trắng non nước tạo sản phẩm tranh hay phù điêu với chất lượng sản phẩm đạt độ tinh xảo giống Với sai số kích thước lặp lại máy ±1mm Bài viết trình bày theo mục sau: mục giới thiệu máy khắc đá CNC, mục nội dung tính toán thiết kế, mục kết đạt được, mục kết luận NỘI DUNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 2.1 Độ cứng đá trắng non nước cần gia công Đá trắng non nước loại mẫu đá cẩm thạch non nằm thang Mohs: - tương ứng với độ cứng tuyệt đối khoảng 21, quy đổi tương đối HV khoảng 315, HB 295 304 HRC 31 - 32 Hình Biểu đồ Moh's Scale 207 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.2 Kết cấu máy tính toán thiết kế Từ yêu cầu sản phẩm, độ cứng vật liệu cần gia công, đường kính dao lớn gia công ϕ = 15mm, độ xác yêu cầu tốc độ quay trục gắn dao gia công đá tính toán 24000 vòng/phút Từ chọn kết cấu máy, tiến hành thiết kế bảng vẽ 3D Hình Bảng vẽ 3D máy thiết kế Hình Bảng vẽ 3D với kích thước tồng thể dài 2500mm, ngang 1410mm, cao 1655mm Chọn vật liệu chế tạo máy thép CT3 dựa bảng vẽ thiết kế 3D, lực cắt trình gia công với vòng quay trục lớn đường kính dao lớn nhất, từ tiến hành mô độ biến dạng phần mềm Ansys để kiểm tra độ cứng vững máy 2.3 Tính toán mô phần mềm Ansys Tính toán mô phần mềm Ansys với đường kính dao lực cắt tác dụng lớn 2.3.1 Sự thay đổi chịu lực tác dụng bàn máy Thông số bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 1373mm, Y = 2465mm, Z = 300mm vật liệu thép CT3 208 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Bảng vẽ 3D bàn máy đưa vào tính toán mô Độ biến dạng bàn máy chịu lực trọng lượng thân Hình Biến dạng bàn máy tính toán mô Ansys Với độ biến dạng lớn 0,069988mm lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế Ứng suất bàn máy chịu lực trọng lượng thân Hình Biến dạng bàn máy tính toán mô Ansys Với ứng suất lớn 5,9226MPa lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế 209 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.3.2 Sự thay đổi chịu lực tác dụng khung trục X, Y Thông số bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 400mm, Y = 1764mm, Z = 970mm vật liệu thép CT3 Hình Bản vẽ 3D khung trục X, Y đưa vào tính toán mô Độ biến dạng cầu trục X chịu lực 100Kg trọng lượng thân Hình Biến dạng khung trục X, Y đưa vào tính toán mô Độ biến dạng lớn 0.002161mm lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế Ứng suất cầu trục X, Y chịu lực 100kg trọng lượng thân Hình Ứng suất khung X, Y tính toán mô 210 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Ứng suất lớn 0,90232MPa lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế 2.4 Tính toán thiết kế chọn ray dẫn hướng, vít me công suất mô tơ di chuyển trục 2.4.1 Tính toán, lựa chọn hệ thống ray dẫn hướng Các thông số đầu vào: vận tốc di chuyển V = 10m/phút, gia tốc a = 1m/s2, Tuổi thọ 10 năm với hiệu suất 90% Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục X Hành trình trục X dài l = 1400mm Tính toán dựa vào tải trọng động tính toán bố trục thiết kế trượt có mã HGW35CC (C=49,52 KN; Co=69,16 KN) theo HIWIN Catalog Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục Y Hành trình trục Y dài l = 2300mm Tính toán dựa vào tải trọng động tính toán bố trục thiết kế trượt có mã HGW45 (C=77,57 KN; Co=102,71 KN) theo HIWIN Catalog Tính toán, chọn ray dẫn hướng trục Z Hành trình trục Z dài l = 350mm Tính toán dựa vào tải trọng động tính toán bố trục thiết kế trượt có mã HGW25CC (C=49,52 KN; Co=69,16 KN) theo HIWIN Catalog 2.4.2 Tính toán, chọn hệ thống vít me truyền động động Tính toán, chọn vít me động trục X Thông số đầu vào: Tổng khối lượng đặt lên trục X = 80kg, chiều dài hành trình: 1450mm, Vmax: 10m/phut, tốc độ động cơ: 1500 vòng/phut, hệ số ma sát: = 0.1, tuổi thọ mong muốn: 10 năm, chọn hệ số an toàn k = Tính toán dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 32-10T4, có C = 3252 (kgf), C = 7102 (kgf), D = 32 (mm), bước vít me l = 10mm = 7,586 (N.m), ta chọn motor yaskawa công Momen xoắn động cần tìm suất P = 1,3 Kw, Torque = 8,34 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút Tính toán, chọn vít me động trục Y Tổng khối lượng đặt lên trục Y = 700kg, chiều dài hành trình: 2300mm, Vmax = 10m/ph, vốc độ động cơ: 1500 vòng/ph, hệ số ma sát: = 0,1, tuổi thọ mong muốn: 10 năm, chọn hệ số an toàn k = Tính toán dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 40-10T4, có C = 3789 (kgf), C = 94269 (kgf), D = 40 (mm), bước vít me l = 10mm Momen xoắn động cần tìm (N.m), ta chọn motor yaskawa công suất P = 2,9 Kw, Torque= 18.6N.m, Rpm = 1500 vòng/phút Tính toán, chọn vít me động trục Z Thông số đầu vào: Tổng khối lượng đặt lên trục Z: 40kg, chiều dài hành trình: 400mm, Vmax: 10m/ph, tốc độ động cơ: 1500 vòng/phút, hệ số ma sát: =0.1, tuổi thọ mong muốn: 10 năm, chọn hệ số an toàn k = Tính toán dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 25-10T4, có C = 2038 (kgf), C0 = 3415 (kgf), D = 25 (mm), bước vít me l = 10mm Momen xoắn động cần tìm =2,63 (N.m), ta chọn motor yaskawa công suất P= 500 w, Torque= 2,84 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút 211 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM Từ Hình 10 đến Hình 18 trình gia công lắp ráp máy Hình 19 máy chế tạo hoàn thiện, Hình 20 dao gia công thiết kế chế tạo riêng cho khắc đá, Hình 21 trình gia công thử nghiệm đá trắng non nước với hình logo táo có kích thước khung bao vuông 40mm x 40mm, thông số gia công: tốc độ tiến dao F = 1500mm/phút, tốc độ quay trục S = 20000 vòng/phút, đường kính dao Ф = 16mm Hình 22 kết gia công thử nghiệm loại vật liệu đá trắng đá đen với kích thiết kế, hai sản phẩm có chất lượng bề mặt gia công trơn nhẵn, đạt độ sai số kích thước ± 0.5mm so với thiết kế, đảm bảo yêu cầu đặt Độ sai số hai sản phẩm với 0,2mm Máy hoạt động tốt với tốc độ cao 5000mm/phút, đảm bảo độ xác trình gia công có va đập không đồng phôi Hình 10 Thép cắt máy Plasma CNC theo bảng vẽ Hình 11 Thép chấn, gấp theo bảng vẽ thiết kế Hình 12 Hàn lắp ráp khung theo bảng vẽ Hình 13 Đế khung máy sau hàn lắp ráp 212 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 14 Thân máy sau hàn lắp ráp Hình 15 Thân máy gia công máy phay Hình 16 Thân đỡ bên gia công Hình 17 Lắp ráp hoàn thiện phần khung đế máy Hình 18 Máy trình lắp ráp Hình 19 Máy lắp ráp hoàn thiện 213 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 20 Dao khắc đá có Ф=15mm chế tạo Hình 21 Gia công thử nghiệm Hình 22 Kết gia công thử nghiệm KẾT LUẬN Bài báo trình bày công đoạn tính toán thiết kế máy khắc đá CNC trục Đầu tiên, trình tính toán, thiết kế máy khắc đá CNC trình bày Sau đó, máy chế tạo với yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di chuyển tối đa trục không tải 5000mm/phút, công suất trục 2,2Kw, gia công vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao lớn Ф =15mm Cuối kết gia công thử nghiệm đạt độ xác theo yêu cầu đề với độ sai số kích thước chi tiết gia công so với thiết kế đo ± 0,5mm sai số sản phẩm với 0,2mm Máy hoạt động êm, đảm bảo độ cứng vững, chịu va đập thay đổi trình gia công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Feng L Q., Zhi L S and Min Z., The Research of Automatic Measuring System on Stone Milling Force, Applied Mechanics and Materials, 2009, Vol 16–19, pp 1005-1009 [2] Abraham S R., José A V V., Marcos L L and Javier T C., The Rock Processing Sector: Part I: Cutting Technology Tools, a New Diamond Segment Band Saw Part Ii: Study of Cutting Forces, Dyna rev.fac.nac.minas, 2010, Vol.77, pp 77-87 [3] Kahraman, S., Ulker, U and Delibalta, M.S, A quality classification of building stones from P-wave velocity and its application to stone cutting with gang saws The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2007, Vol 107, pp 427-430 [4] Konstanty, J., Theoretical analysis of stone sawing with diamonds Journal of Materials Processing Technology, 2002, Vol 123, pp 146-154 214 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [5] Di Ilio, A And Togna A., A theoretical wear model for diamond tools in stone cutting, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2003, Vol 43, pp 1171-1177 [6] Bolatashvili, N.D., Mgaloblishvili, K D and Dadunashvili G.G., Theoretical and experimental study of the wear factor for a diamond stone-cutting tool Measurement Techniques, Vol 2009, 52 (3), pp 292-295 [7] Ersoy, A and Atici, U P., Characteristics of circular diamond saws in cutting different types of rocks Diamond and Related Materials, Vol 13, pp 22-37, 2004 [8] P D Phước, Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D, Tạp chí khoa học công nghệ Đà Nẵng, 2010, Số 3, pp 76-81 THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Bùi Thanh Luân, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM Email: buithanhluan@gmail.com, 0918374006 KS Nguyễn Đoan Hải, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM Email: cokhihonghai@gmail.com, 0939490000 215 ... Hình 22 Kết gia công thử nghiệm KẾT LUẬN Bài báo trình bày công đoạn tính toán thiết kế máy khắc đá CNC trục Đầu tiên, trình tính toán, thiết kế máy khắc đá CNC trình bày Sau đó, máy chế tạo với... Lần thứ IV KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM Từ Hình 10 đến Hình 18 trình gia công lắp ráp máy Hình 19 máy chế tạo hoàn thiện, Hình 20 dao gia công thiết kế chế tạo riêng cho khắc đá, Hình... nhiều đến máy móc độ xác gia công Ngoài nước có Phạm Đăng Phước nghiên cứu, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D [7], nhiên tác giả dừng lại mô hình thiết kế chưa có kết thực nghiệm chế tạo máy thật