Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong gia công các chi tiết trên máy tính

Ngày nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường để hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, ngành công nghiệp Việt Nam đang thay đổi một cách nhanh chóng.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường để hòa nhập vào nền kinh tế thếgiới, ngành công nghiệp Việt Nam đang thay đổi một cách nhanh chóng Công nghệ và thiết bị hiệnđại dần dần thay thế các công nghiệp lạc hậu và thiết bị cũ kỹ, các thiết bị, công nghệ tiên tiến ngàycàng được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất để tạo ra các dây chuyền bán tự động, tự độngnâng cao năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm

Ngành cơ điện tử hiện nay đang là ngành được sự quan tâm và đầu tư đích đáng của nhànước Sự ứng dụng máy công cụ điều khiển theo chương trình số CNC đã tạo nên bước nhảy mới đểnâng cao chất lượng sản phẩm nâng cao năng suất, cải thiện được điều kiện lao động cho người côngnhân, các chi tiết chế tạo ngày càng đạt cấp chính xác cao, các chi tiết có hình dạng phức tạp đều cókhả năng gia công được Đặc biệt sự ra đời công nghệ CAD/CAM/CNC giúp cho nhà thiết kế chế tạorút ngắn thời gian chuẩn bị thiết kế thay thế quy trình công nghệ, có khả năng cập nhật nhanh chóng,công nghệ tiên tiến các nước thông qua mạng Internet

Việc ứng dụng công nghệ thông tin để mô phỏng quá trình gia công các chi tiết trên máy tínhtạo ra một công cụ học tập trực quan, ít tốn kém, sẽ giúp ích rất nhiều cho sinh viên trong việc tiếpthu những lý thuyết rất khó này tại trường cũng như không bị bỡ ngỡ khi ra làm việc tại các công ty,các nhà máy… Mặt khác, nó giúp cho các cơ sở đào tạo vẫn đảm bảo được chất lượng đào tạo màkhông nhất thiết phải đầu tư, trang bị thêm các thiết bị, máy móc thực rất tốn kém, có thể lên đếnhàng tỷ đồng Điều này có ý nghĩa rất thiết thực trong công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học

Sau thời gian tìm hiểu và được sự hướng dẫn của thầy Trần Đình Sơn nhóm chúng em đã

hoàn thành đồ án này Do trình độ còn hạn chế chắc chắn sẽ không tránh những thiếu sót rất mongđược các quí thầy cô góp ý bổ sung

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng, Ngày19 Tháng 11 năm 2010

Sinh viên thực hiên Nguyễn Văn Quỳnh

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ CAD-CAM-CNC

1.1/Giới thiệu chung về CAD/CAM trong lĩnh vực chế tạo khuôn mẫu

• CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing) là thuậtngữ chỉ việc thiết kế và chế tạo được hổ trợ bởi máy tính Công nghệ CAD/CAM

sử dụng máy tính để thực hiện một số chức năng nhất định trong thiết kế và chếtạo Công nghệ này đang được phát triển theo hướng tích hợp thiết kế với sản xuất,CAD/CAM sẽ tạo ra một nền tảng công nghệ cho việc tích hợp máy tính trong sảnxuất

• CAD là việc sử dụng hệ thống máy tính để hổ trợ trong xây dựng, sửa đổi, phântích hay tối ưu hoá Hệ thống máy tính bao gồm phần mềm và phần cứng được sửdụng để thực thi các chức năng thiết kế chuyên ngành Phần cứng CAD gồm có:máy tính, cổng đồ hoạ, bàn phím và các thiết bị ngoại vi khác Phần mềm CADgồm có các chương trình thiết kế đồ hoạ, chương trình ứng dụng hổ trợ cho chứcnăng kỹ thuật cho người sử dụng như: phân tích lực ứng suất của các bộ phận,phản ứng động lực học của các cơ cấu, các tính toán truyền nhiệt và lập trình bộđiều khiển số

• CAM là việc sử dụng hệ thống máy tính để lập kế hoạch, quản lý về điều khiển cáchoạt động sản xuất thông qua giao diện trực tiếp hay gián tiếp giữa máy tính và cácnguồn lực sản xuất Cho ứng dụng của CAM được chia thành hai phạm trù:

1.2/Vai trò và chức năng của CAD trong hệ thống sản xuất tích hợp (CIM)

COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING (CIM)

Hình 2 Vai trò của CAD/CAMtrong hệ thống sản xuất tích hợp

 CAD - Computer Aided Design : Thiết kế với sự giúp đỡ của máy tính

Ý tưởng

CAD CAPP CAM

CADCAPPCPPCADCAPPCMRP II

Lưu trữ

CADCAPPCAM

CADCAPPCAM

 CAE - Computer Aided Engineering : Phân tích kỹ thuật

 CAPP - Computer Aided Process Planning : Lập quy trình chế tạo

 CAM - Computer Aided Manufacturing: Gia công với sự giúp đỡ của máy tính

 CNC - Computer Numerical Controlled : Thiết bị điều khiển số

 CAQ - Computer Aided Quality Control: Giám sát chất lượng sản phẩm

 MRP II - Manufacturing Resource Planning : Hoạch định nguồn lực sản xuất

 PP - Production Planning: Lập kế hoạch sản xuất

Các phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế/ gia công khuôn mẫu cókhả năng thực hiện các chức năng cơ bản sau:

- Thiết kế mơ phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp

Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D (Coordinate Measuring Machine CMM) thực hiện nhanh chóng các chức năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số (digitizeddata)

Phân tích về liên kết dữ liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý kết cấu lắpghép,

- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: Có khả năng liên kết các bản vẽ 2D với môhình 3D và ngược lại

- Liên kết với các chương trình tính tốn thực hiện cung cấp chức năng phân tích kỹthuật (CAE): tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất, độ co rútvật liệu,

- Nội suy hình học, biên dịch cc kiểu đường chạy dao chính xác cho công nghệ giacông điều khiển số

- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn: DXF, IGES, VDA, PTC,

- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tệp tin STL (Stereolithograth) để giao tiếp vớithiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể (Stereolithograth Apparatus - SLA)

1.3/Phương pháp mô tả khối hình học (solid):

Khác biệt cơ bản với mô hình mặt cong, ngồi dữ liệu hình học thuộc mặt bao, phươngpháp mô tả theo cấu trúc khối, cho phép quản lý dữ liệu thuộc miền không gian trong thực thể

hình học

1.4/Ứng dụng CAD/CAM trong chế tạo khuôn mẫu:

Trình độ thiết kế và chế tạo khuôn mẫu có thể coi là một tiêu chí đánh giá sự phát triểncủa nền công nghiệp Trên thế giới ước tính 40 - 90 % các sản phẩm trong các ngành côngnghiệp được chế tạo bằng việc sử dụng các hệ thống khuôn mẫu khác nhau Sản phẩm khuônmẫu thuộc loại sản phẩm Cơ - Tin - Điện tử (Mechatronics) kỹ thuật cao, việc ứng dụng côngnghệ thông tin vào công nghiệp khuôn mẫu hiện nay theo các hướng sau:

- Hoàn thiện và phát triển phàn cứng đièu khiển số CNC, phát triển phần mềm theo

- Xây dựng các hệ phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE trợ giúp trong thiết kế và chế tạokhuôn mẫu Hướng phát triển của hệ thống tích hợp CAD/CAM là sẽ bổ sung các mô hìnhthiết kế, cập nhật thêm cho phương pháp gia công chính xác, hiệu quả và hiện đại.

- Phát triển các phần mềm trợ giúp thiết kế, tính toán, kiểm định và mô phỏng Hướngphát triển này mới mẽ và đang được đầu tư ưu tiên hàng đầu

Ứng dụng các hệ phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE hiện nay đang là thị trườngmua bán và ứng dụng khá sôi động Có thể nói rằng: không có phần mềm CAD/CAM thìkhông thể thiết kế và chế tạo khuôn mẫu phức tạp, có độ chính xác cao

Trong công nghệ chế tạo sản phẩm khuôn mẫu công nghệ cao thì công nghệ thông tinđược ứng dụng rất có hiệu quả và đóng vai trò quan trọng quyết định trong ngành Cơ- điện

tử Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong gia công cơ khí bằng các thiết bị điều khiển số

là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn trong đào tạo cũng như trong sản xuất cơ khí

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

2.1/Lựa chọn chi tiết:

Chi tiết được gia công cần độ chính xác cao và độ bóng bề mặt cao , tích hợp nhiều bước công nghệ trên một nguyên công Phải có hình dạng phức tạp đòi hỏi máy công cụ thường không thể gia công được Ở đồ án này ta chọn chi tiết là khuôn đúc nắp hô ̣p đô ̣ng cơ, có côngdụng dùng để đâ ̣y đô ̣ng cơ cho máy bơm khí đảm bảo an toàn trong quá trình làm viê ̣c của

đô ̣ng cơ để thực hiện gia công Cad/Cam ,CNC

Bản vẽ 3D của nắp hộp động cơ

Hình1.1 Nắp hô ̣p đô ̣ng cơ

2.1.1/Phân tích chi tiết:

Từ tính năng của sản phẩm, bề dày thành mỏng của nắp hô ̣p là 2.5mm dày.Do đó vật liệu làm khuôn đúc phải đảm bảo đúng với yêu cầu như độ bền, độ mài mòn, tính chống nứt, khã năng chịu lực và biến dạng, đồng thời tuổi thọ cao khi làm việc trong điều kiện liên tục Vì vậy ta chọn vật liệu cho khuôn gia công là thép dụng cụ hợp kim, theo tiêu chuẩn của Nhật ký hiệu là thép SKD11, sau khi gia nhiệt có độ cứng 60-65 HRC

2.1.2/Bản vẽ chi tiết của khuôn dưới:

2.1.2.1/Bản vẽ 2D của khuôn dưới:

Bản vẽ chi tiết khuôn dưới nắp động cơ

2.1.2.2/Bản vẽ 3D của khuôn dưới:

Bản Vẽ khuôn dưới nắp động cơ

2.1.2.3/Yêu cầu đối với khuôn đúc:

+ Có độ chính xác theo bản vẽ thiết kế

+ Chi tiết không bi ̣ biến da ̣ng sau khi đúc

là thép SKD1, sau khi gia nhiệt có độ cứng 60-65 HRC Khuôn có độ nhám bề mặt Rz=20 Cómăt cạnh có dung sai không vượt quá 0,02mm được biểu diễn ở bản vẽ công nghệ.

b Chọn phôi ban đầu:

Chọn phôi ban đầu dạng trụ hộp và có các kích thước 120x120x51(mm) như hình vẽ

Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các mă ̣t

*.Các bước công nghệ :

1.Bước 1 :Phay mặt đầu của khuôn

2.Bước 2:Phay thô lòng khuôn

3.Phay tinh lòng khuôn

4.Bước 4 :Phay thô rãnh ở đáy và 3 tai khuôn khuôn

5.Bước 5 :Phay tinh rãnh ở đáy và 3 tai khuôn khuôn

6.Bước 6 :Khoan thô 4 chốt định vị

7.Bước 7 ;Khoan tinh 4 chốt định vị

3 Chọn máy gia công :

3.1 Kiểu máy: Máy phay CNC MCV-1000

+ Khoảng cách theo chiều dọc từ mũi trục chính tới bàn máy: 120-630 (mm)

+ Khoảng cách theo chiều dọc từ mũi trục chính tới mặt cột : 550 (mm)

+ Động cơ dung dịch cắt gọt 1/8 HP.

Kích thước máy:

+ Trọng lượng tĩnh / đóng thùng: 3200/3400 kg

+ Kích thước máy: 1600 x 1700 x 2600 (mm)

Khả năng tự động thay đổi

+ Công cụ lựa chọn 2 chiều

+ Thân dao BT 40

+ Khã năng tự động thay đổi dụng cụ: 16 dụng cụ

4 Chọn dao và thông số kỹ thuật của dao:

4 Lựa chọn dao cho các nguyên công :

4.1 Tính toán chế độ cắt cho các dạng gia công

Để tính toán và chọn chế độ cắt khi gia công phay cho các bước của nguyên công, ta dùng sơ

đồ tính toán cho từng dạng gia công như hình 3.4

Vận tốc cắt V C(m/phút) được tra bảng ứng với từng loại vật liệu làm dao, vật liệu giacông, biên dạng cần gia công, dạng gia công (thô, bán tinh hay tinh)

+ Tính chế độ cắt khi gia công biên dạng (bảng 4.1a):

* Chiều sâu cắt ap ≤0.1đường kính dao DC

* Bề rộng cắt ae ≤ 0,1đường kính dao DC

Hình 3.4: Sơ đồ tính toán cho các dạng gia công

(a): Gia công biên dạng, (b): Gia công rãnh, (c): Gia công mặt phẳng và biên dạng, (d): Gia công lỗ

* Vận tốc cắt chọn theo vật liệu gia công: khi gia công nhôm có độ cứng 90 HB thì

VC = 1000 m/phút; khi gia công thép có độ cứng là 200 HB thì Vc = 140 - 190 m/phút; khigia công thép có độ cứng 63 HRC thì VC = 30 - 50 m/phút

Bảng 4.1a Quan hệ giữa đường kính dao với lượng cắt dao răng khi gia công biên dạng

6 8 10

0.03 - 0.07 0.05 - 0.09 0.07 - 0.12

12 16 20

0.08 - 0.13 0.09 - 0.15 0.10 -.016

+ Tính chế độ cắt khi gia công mặt phẳng và gia công biên dạng (Hình 4.1c):

Khi chọn chế độ cắt tuỳ theo vật liệu ta chọn vận tốc cắt, lượng cắt dao răng chọn theo

Bảng 4.1b Quan hệ giữa đường kính dao với lượng cắt dao răng

khi gia công mặt phẳng và gia công biên dạng

0.05 - 0.10 0.06 - 0.11 0.07 - 0.12

12 16 20

0.08 - 0.13 0.09 - 0.16 0.13 - 0.25

+ Tính chế độ cắt khi gia công lỗ (Hình 4.1c): Khi gia công ta cần chú ý về lượng tiến khidao cắt xuống và chú ý chọn đường kính dao khi gia công

Ta có công thức tính như sau:

Vf = fz n Zn (mm/phut)

Vc = n1000.π.Dc

(m/phút)

⇒ n = Vcπ..1000Dc (vg/phút)

Với dao cầu ta có sơ đồ tính như Hình 3.6

Ta có công thức tính như sau:

Vf = fz n Zn (mm/phút)

1000

n D

V ap e

Tương tự như chọn chế độ cắt khi gia công mặt phẳng, với lượng cắt dao răng được chọnnhư ở Bảng 4.1c

Bảng 4.1c Quan hệ giữa đường kính dao với lượng cắt dao răng khi gia công bằng dao cầu

D c

(mm)

Lượng cắt dao răng f z (mm/Z) 2

0.06 - 0.10 0.06 - 0.11 0.07 - 0.12 0.08 - 0.13

14 16 18 20

0.08 - 0.15 0.09 - 0.16 0.09 - 0.16 0.09 - 0.16

Bảng 4.1d Bảng chọn lượng chạy dao khi phay

4.1/Bước 1:Phay mặt đầucủa khuôn:

Chọn dao phay mặt đầu có các thông số kỹ thuật như sau :

Chọn dao có số hiệu R245-063Q22-12M

Góc nghiêng răng:450 , D= 63mm, có 5 lưỡi cắt , cắt thô

Chọn inserts cho dao phay mặt đầu là loại R245-12 T3 M-PH có GC = 2040

Bảng thông số tra hm tùy vào insert của mỗi loại dao phay

Tra bảng phía dưới ta chọn hm =0.08

Phay mặt đầu: Chọn hm=0.08mm,ap=1mm

4.2 Dao phay hốc:

Chọn dao phay thô hốc có các thông số kỹ thuật như sau :

Chọn dao có số hiệu R390-020C3-11M050

Góc nghiêng răng: ,Dc = 20, có 3 lưỡi cắt

Bảng tra Gc,tùy thuộc vào inserts của dao với từng loại vật liệu phôi khác nhau mà ta có các

Gc khác nhau

Chọn inserts cho dao:GC =2030

Chế độ phay thô cho hốc khuôn dưới Chọn fz=0.1mm,ap=0.5mm,ae=10mm

*Chọn dao phay tinh hốc có các thông số kỹ thuật như sau :

Chọn dao có số hiệu R216-20B25-050,có D 3 =20,có 2 lưỡi cắt

Bảng tra Gc,tùy thuộc vào inserts của dao với từng loại vật liệu phôi khác nhau mà ta có các

Gc khác nhau

Chọn insert cho dao có GC=1030

Chế độ phay tinh cho hốc khuôn dưới Chọn fz=0.5mm,ap=0.2mm,ae=10mm

4.3 Dao phay rãnh:

Chọn dao phay rãnh có các thông số kỹ thuật như sau :

Chọn dao có số hiệu R216.23-02050BAK70H 1620

Góc nghiêng răng: 45° , Dc= 2, có 3 lưỡi cắt

Chế độ phay thô cho các tai và rãnh đáy của khuôn Chọn fz=0.7mm,ap=0.5mm,ae=1mm

 Phay thô sử dụng dao phay ngón (dao thép gió)

1000 40

Vc n

π (vg/phút)

+ Chế độ cắt F =V f =f v.n = 6369x0 3 = 1910 7(mm/phút)

* Với f v = 0 25 ÷ 0 5 (mm/vòng) là lượng chạy dao Tra bảng 4.1d

Chọn dao phay tinh các rãnh có các thông số kỹ thuật như sau :

Chọn dao có số hiệu R215.24-03050BAC08H 1610

- Mũi khoan hợp kim cứng có D = 10 mm, l = 100 mm

Hình 3.7 Mũi khoan hợp kim cứng

* Dao phay ngón X’s nhiều me

 Thông số kỹ thuật của dao

+ Số me: 6~8 me Chọn dao Z n = 6me

+ Đường kính của dao: 3~20 mm Chọn dao có đường kính φ 10 mm

+ Chiều dài dao: 50~100 mm

* Đặc điểm: Dao khoan tốc độ rất cao, bề mặt gia công bóng, khoan từ thép thông

thường đến thép có độ cứng rất cao 60-62 HRC

 Vận tốc cắt được chọn theo vật liệu Với độ cứng 60-65 HRC ta chọn V C = 30

-50 m/phút

- Mũi doa hợp kim cứng

Thông số kỹ thuật của dao

+ Số me: 4~8 me Chọn dao Z n = 4me

+ Đường kính của dao: 3~20 mm Chọn dao có đường kính φ 6 mm

+ Chiều dài dao: 50~100 mm

Hình 3.8 Mũi doa hợp kim cứng

Vận tốc cắt được chọn theo vật liệu Với độ cứng 60-65 HRC ta chọn V C = 30 - 50 m/phút

LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN CHI TIẾT NẮP HỘP

ĐỘNG CƠ TRÊN PHẦN MỀM Pro ENGINEER

1)Tách khuôn:

+

Bước 1 : Vào môi trường gia công.

Sau khi thiết kế chi tiết nắp hộp động cơ ta mở 1 Flie mới File\New, hộp thoại New mở ra ta tuỳ chọn vào các mục MANUFACTURING và Mold Cavity , đặt tên là Khuon và bỏ dấu

“tích” ở mục USE DEFAULT TEMPLATE chọn OK, hộp thoại New File Options mở ra, chọn đơn vị MMNS_MFG_MOLD rồi chọn OK.

+

Bước 2 : Gọi chi tiết để tách khuôn.

Từ cửa sổ MENU MANAGER pick chuột chọn Mold Model\ Assemble\ Ref Model\.Cửa

sổ Open mở ra ta chọn phoi_napdc.prt, chọn Open.

+Bước 3 : Gắn trục tọa độ.

Gắn 3 mặt phẳng trong môi trường Part với 3 mặt phẳng trong môi trường MOLD Chọn Chọn OK để đồng ý Cửa sổ Create Reference Model hiện ra ta chọn như hình và OK để

kết thúc

Bước 4 : Tạo phôi khuôn.

Trong cửa sổ MENU MANAGER chọn Mold Model\ Create\ Workpiece\ Manual Cửa

sổ Component Create hiện ra ta đặt tên là phoi_khuon chọn OK để đồng ý Cửa sổ

Creation Options xuất hiện, chọn Create features, chọn OK Trong cửa sổ MENU MANAGER chọn Solid\ Protrusion\ Extrude\ Solid\ Done Thanh trạng thái hiện ra, ta

chọn Placement\ Define Cửa sổ Sketch hiện ra ta chon mặt phẳng MOLD_FRONT chọn

Sketch, cửa sổ References hiện ra ta chọn các mặt phẳng để giới hạn bắt điểm cho thuận tiện

khi vẽ “phác”, sau đó chọn Close