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

Bài báo cáo này sẽ trình bày những tính toán, thiết kế và chế tạo máy khắc đá CNC 3 trục để đảm bảo độ cứng vững của máy, chịu được va đập và những thay đổi trong trong quá trình gia côn

NGHIÊN C ỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC ĐÁ CNC 3 TRỤC

RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE 3 AXIS CNC STONE ENGRAVING

MACHINE

TS Bùi Thanh Luân 1a , KS Nguyễn Đoan Hải 1b

1Trường Đại học Công nghệ TPHCM, Việt Nam

abuithanhluan@gmail.com, b cokhihonghai@gmail.com

TÓM T ẮT

Hiện nay, trong sản xuất các sản phẩm tranh, phù điêu bằng đá mỹ nghệ cần có độ tinh

xảo cao và mức độ đồng đều giống nhau trong sản xuất hàng loạt Các sản phẩm này khi được

sản xuất bằng phương pháp thủ công thì chưa đáp ứng được tiêu chuẩn của thị trường nội địa

và quốc tế vì không đảm bảo được sự giống nhau giữa các sản phẩm cùng chủng loại Ứng

dụng công nghệ máy CNC vào trong việc sản xuất các sản phẩm từ đá sẽ nâng cao chất lượng

và sự đồng đều của sản phẩm Máy khắc đá CNC 3 trục được nghiên cứu chế tạo với mục đích để gia công các tấm tranh, phù điêu bằng đá có kích thước chiều rộng 1200mm, chiều dài 1500mm và chiều cao 300mm Máy có 3 trục di chuyển vuông góc và một đầu trục chính cao

tốc để gắn dao gia công Ba chuyển động của trục được đảm bảo bởi hệ thống điều khiển số Bài báo cáo này sẽ trình bày những tính toán, thiết kế và chế tạo máy khắc đá CNC 3 trục để đảm bảo độ cứng vững của máy, chịu được va đập và những thay đổi trong trong quá trình gia công để đảm bảo cho sản phẩm làm ra có độ chính xác ±1mm

Từ khóa: máy khắc đá, gia công CNC, máy CNC 3 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

1 GIỚI THIỆU

Công nghệ gia công CNC ngày càng phổ biến tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy CNC trong việc gia công chế tạo sản phẩm rất cao Hiện nay có nhiều loại máy CNC phục vụ trong ngành cơ khí, ngành gỗ mỹ nghệ như: tiện CNC, phay CNC, đột CNC,… Đặc biệt trong ngành chế tác đá mỹ nghệ hiện nay có nhu cầu sử dụng máy CNC để gia công các sản phẩm phù điêu từ đá tấm nguyên khối Với gia công đá có nhiều sự khác biệt so với gia công kim loại thông thường, phôi kim loại có độ cứng đồng đều với nhau ở mọi vị trí, còn đá là loại vật liệu có

kết cấu độ cứng không đồng đều, nên chế độ gia công phức tạp hơn các vật liệu khác Dụng cụ

cắt gọt trên đá cũng có rất nhiều khác biệt so với gia công trên kim loại, hiện nay trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu về kỹ thuật gia công và dao cắt trong gia công cắt gọt đá

Việc chế tạo máy điêu khắc đá CNC để giải phóng sức lao động của người thợ điêu

khắc và đảm bảo chất lượng bề gia công và sự đồng đều của sản phẩm Máy được chế tạo với các yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di chuyển các trục không tải là 5000mm/phút, gia công vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao

lớn nhất ϕ =15mm

Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về gia công đá Feng Lian Qi và nhóm nghiên cứu [1] đã nghiên cứu hệ thống đo tự động lực tác động trong quá trình gia công đá Abraham Segade Robleda và nhóm nghiên cứu [2] đã giới thiệu về gia công đá với kỹ thuật gia công cắt

đá bằng lưỡi cắt đính mảnh hợp kim Một số nghiên cứu về gia công đá khác [3-6] để gia công cắt gọt đá hoặc cắt đá từ khối ra thành đá tấm Những nghiên cứu trên tập trung chủ yếu vào các cách để cắt đá và vật liệu làm dao, chưa nói nhiều đến máy móc và độ chính xác trong gia công Ngoài ra trong nước có Phạm Đăng Phước nghiên cứu, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D [7], tuy nhiên tác giả chỉ dừng lại ở mô hình thiết kế và chưa có kết quả thực nghiệm

và chế tạo máy thật Bài viết tập trung chủ yếu vào thiết kế máy khắc đá CNC 3 trục, dùng để gia công đá trắng non nước tạo ra sản phẩm là các tấm tranh hay phù điêu với chất lượng các

sản phẩm đạt được độ tinh xảo và giống nhau Với sai số kích thước lặp lại của máy là ±1mm Bài viết được trình bày theo các mục sau: mục 1 giới thiệu về máy khắc đá CNC, mục 2

về nội dung tính toán và thiết kế, mục 3 là các kết quả đạt được, mục 4 là kết luận

2 N ỘI DUNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

2.1 Độ cứng của đá trắng non nước cần gia công

Đá trắng non nước là loại mẫu đá cẩm thạch non nằm ở thang Mohs: 3 - 4 tương ứng

với độ cứng tuyệt đối khoảng 21, nếu quy đổi tương đối HV trong khoảng 315, HB là 295 -

304 và HRC là 31 - 32

Hình 1 Bi ểu đồ Moh's Scale

2.2 K ết cấu máy và tính toán thiết kế

Từ yêu cầu của sản phẩm, độ cứng của vật liệu cần gia công, đường kính dao lớn nhất

của gia công là ϕ = 15mm, độ chính xác yêu cầu và tốc độ quay trục chính gắn dao của gia công đá này được tính toán là 24000 vòng/phút Từ đó chọn được kết cấu máy, tiến hành thiết

kế bảng vẽ 3D

Hình 2 B ảng vẽ 3D của máy được thiết kế

Hình 3 B ảng vẽ 3D với kích thước tồng thể dài 2500mm, ngang 1410mm, cao 1655mm

Chọn vật liệu chế tạo máy là thép tấm CT3 và dựa trên bảng vẽ thiết kế 3D, lực cắt trong quá trình gia công với vòng quay trục chính lớn nhất và đường kính dao lớn nhất, từ đó

tiến hành mô phỏng độ biến dạng trên phần mềm Ansys để kiểm tra độ cứng vững của máy

2.3 Tính toán mô ph ỏng trên phần mềm Ansys

Tính toán mô phỏng trên phần mềm Ansys với đường kính dao và lực cắt tác dụng lớn nhất

2.3.1 S ự thay đổi khi chịu lực tác dụng của bàn máy

Thông số của bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 1373mm,

Y = 2465mm, Z = 300mm vật liệu thép CT3

Hình 4 Bảng vẽ 3D của bàn máy đưa vào tính toán mô phỏng

Độ biến dạng bàn máy khi chịu lực 1 tấn và trọng lượng của chính bản thân nó

Hình 5 Bi ến dạng của bàn máy được tính toán mô phỏng trên Ansys

Với độ biến dạng lớn nhất là 0,069988mm khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế

Ứng suất bàn máy khi chịu lực 1 tấn và trọng lượng của chính bản thân nó

Hình 6 Bi ến dạng của bàn máy được tính toán mô phỏng trên Ansys

Với ứng suất lớn nhất là 5,9226MPa khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế

2.3.2 S ự thay đổi khi chịu lực tác dụng của khung trục X, Y

Thông số của bàn máy đưa vào tính toán với bảng vẽ 3D với kích thước X = 400mm,

Y = 1764mm, Z = 970mm vật liệu thép CT3

Hình 7 Bản vẽ 3D của khung trục X, Y đưa vào tính toán mô phỏng

Độ biến dạng của cầu trục X khi chịu lực 100Kg và trọng lượng của chính bản thân nó

Hình 8 Bi ến dạng của khung trục X, Y đưa vào tính toán mô phỏng

Độ biến dạng lớn nhất là 0.002161mm khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế

Ứng suất của cầu trục X, Y khi chịu lực 100kg và trọng lượng của chính bản thân nó

Hình 9 Ứng suất của khung X, Y được tính toán mô phỏng

Ứng suất lớn nhất là 0,90232MPa khi lực tác động lớn nhất, đạt yêu cầu so với thiết kế

2.4 Tính toán thi ết kế chọn ray dẫn hướng, vít me và 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 và dựa vào tải trọng động tính toán được

và bố trục thiết kế thanh 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 và dựa vào tải trọng động tính toán được

và bố trục thiết kế thanh trượt có mã HGW45 (C=77,57 KN; Co=102,71 KN) theo HIWIN Catalog

Tính toán, ch ọn ray dẫn hướng trục Z

Hành trình trục Z dài l = 350mm Tính toán và dựa vào tải trọng động tính toán được và

bố trục thiết kế thanh trượt có mã HGW25CC (C=49,52 KN; Co=69,16 KN) theo HIWIN Catalog

2.4.2 Tính toán, ch ọn hệ thống vít me truyền động và động cơ

Tính toán, ch ọn vít me và động cơ 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 = 2

Tính toán và dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 32-10T4, có

C = 3252 (kgf), C0 = 7102 (kgf), D = 32 (mm), bước vít me l = 10mm

Momen xoắn động cơ cần tìm = 7,586 (N.m), ta chọn motor yaskawa công

suất P = 1,3 Kw, Torque = 8,34 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút

Tính toán, ch ọn vít me và động cơ 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 = 2

Tính toán và dựa vào catalog HIWIN Ball Screw ta chọn vít-me có mã FSI 40-10T4, có

C = 3789 (kgf), C0 = 94269 (kgf), D = 40 (mm), bước vít me l = 10mm

Momen xoắn động cơ 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 và động cơ 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 = 2

Tính toán và 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 cơ cần tìm =2,63 (N.m), ta chọn motor yaskawa công suất P= 500 w, Torque= 2,84 N.m, Rpm = 1500 vòng/phút

3 K ẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ GIA CÔNG THỬ NGHIỆM

Từ Hình 10 đến Hình 18 là quá trình gia công lắp ráp máy Hình 19 là máy đã được chế

tạo hoàn thiện, Hình 20 là dao gia công được thiết kế chế tạo riêng cho khắc đá, Hình 21 là quá trình gia công thử nghiệm trên đá trắng non nước với hình logo quả táo có kích thước khung bao vuông 40mm x 40mm, các thông số gia công: tốc độ tiến dao F = 1500mm/phút,

tốc độ quay trục chính S = 20000 vòng/phút, đường kính dao Ф = 16mm Hình 22 là kết quả

của gia công thử nghiệm trên 2 loại vật liệu đá trắng và đá đen với cùng kích thiết kế, cả 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 ra Độ sai số của hai sản phẩm với nhau là 0,2mm Máy hoạt động tốt với tốc độ cao 5000mm/phút, đảm bảo được độ chính xác trong quá trình gia công có

va đập do sự không đồng đều của phôi

Hình 10 Thép được cắt bằng máy Plasma

CNC theo bảng vẽ Hình 11 Thép t b ảng vẽ thiết kế ấm được chấn, gấp theo

Hình 12 Hàn l ắp ráp khung theo bảng vẽ Hình 13 Đế khung máy sau khi hàn lắp

ráp

Hình 14 Thân máy sau khi hàn l ắp ráp

Hình 15 Thân máy đang được gia công

trên máy phay

Hình 16 Thân đỡ 2 bên đã được gia công

Hình 17 L ắp ráp hoàn thiện phần khung

đế máy

Hình 18 Máy trong quá trình lắp ráp Hình 19 Máy lắp ráp hoàn thiện

Hình 20 Dao kh ắc đá có Ф=15mm được

ch ế tạo Hình 21 Gia công thử nghiệm

Hình 22 K ết quả gia công thử nghiệm

4 K ẾT LUẬN

Bài báo này đã trình bày các công đoạn tính toán thiết kế máy khắc đá CNC 3 trục Đầu tiên, quá trình tính toán, thiết kế máy khắc đá CNC đã được trình bày Sau đó, máy đã được chế tạo

với các yêu cầu thông số trục di chuyển X=1300mm, Y=1600mm, Z=350mm, tốc độ di chuyển tối đa của các trục không tải là 5000mm/phút, công suất trục chính 2,2Kw, gia công

vật liệu đá trắng non nước với đường kính dao lớn nhất Ф =15mm Cuối cùng là kết quả của gia công thử nghiệm đạt độ chính xác theo yêu cầu đề ra với độ sai số kích thước của chi tiết gia công so với thiết kế đo được là ± 0,5mm và sai số của 2 sản phẩm với nhau là 0,2mm Máy hoạt động êm, đảm bảo độ cứng vững, chịu được va đập và những thay đổi trong quá trình gia công

TÀI LI ỆU 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

[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 và công

ngh ệ Đà Nẵng, 2010, Số 3, pp 76-81

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 TS Bùi Thanh Luân, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM

Email: buithanhluan@gmail.com, 0918374006

2 KS Nguy ễn Đoan Hải, Trường Đại học Công nghệ TPHCM, TPHCM

Email: cokhihonghai@gmail.com, 0939490000