NGHIÊN cứu CNC hóa CÔNG NGHỆ CHẾ tạo mẫu đúc

Các phôi chi tiết máy và các vật đúc kim loại có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: rèn, dập, hàn… Tuy nhiên phương pháp đúc là phương pháp thông dụng, đa dạng và rẻ nhất đ

LỜI CẢM ƠN

Xin gửi đến giáo viên hướng dẫn làm luận văn tốt nghiệp của tôi: PGS-TS PHAN ĐÌNH HUẤN lời cảm ơn chân thành nhất Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn vừa qua, thầy đã dành nhiều thời gian quý báu của mình để giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này Đặc biệt thầy

đã tạo điều kiện cho tôi có được chỗ thực tập và làm luận văn đầy ý nghĩa.Ở đó tôi được tiếp xúc với những chi tiết, bộ phận, thiết bị chuyên ngành và đặc biệt tôi được tham gia vào quá trình chế tạo Qua đó tôi đã được học hỏi và đúc rút nhiều kinh nghiệm quý báu cho bản than Tôi cũng xin cảm ơn thầy phản biện đã dành nhiều thời gian quý báu để đọc, nhận xét và chấm điểm một cách công minh luận văn của tôi Cuối cùng tôi xin chân thành kính gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy cô trong bộ môn Thiết kế máy, trong khoa Cơ khí, trong Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM vì quý thầy cô đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt cho tôi rất nhiều những kiến thức quý báu về khoa học cơ bản và chuyên ngành trong suốt thời gian học tại trường

Sinh viên thực hiện :

Lê Phạm Nhàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 2

1.1 Tổng quan về kỹ thuật đúc và đúc nhôm 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.2 Đặc điểm chung 2

1.1.3 Ứng dụng của công nghệ đúc 3

1.1.4 Khái quát về quy trình đúc khuôn cát 4

1.1.5 Các sản phẩm của phương pháp đúc 5

1.1.6 Khái quát chung về nhôm và đúc nhôm: 8

1.1.6.1 Lịch sử nhôm 8

1.1.6.3 Tính chất của nhôm 10

1.1.6.4 Khái quát về kỹ thuật đúc nhôm 12

1.1.6.5 Ứng dụng của nhôm 17

1.2 Tổng quan về công nghệ mẫu gỗ và mẫu kim loại 19

1.2.1 Khái niệm 19

1.2.2 Các loại vật liệu làm mẫu và hộp lõi 19

1.3 Tổng quan về CNC và các phần mềm mô hình hóa, tạo G-code 24

1.3.1 Tổng quan về CNC 24

1.3.1.1 Khái niệm về máy CNC 24

1.3.1.2 Lịch sử phát triển máy CNC 24

1.3.1.3 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta 25

1.3.2 Các phần mềm mô hình hóa và G-code 26

1.3.2.1 Tổng quan về các phần mềm mô hình hóa 26

1.3.2.2 Khái quát chung về G-code 34

1.4 Kết luận về tính cấp thiết của đề tài 47

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 48

2.1 Cơ sở lý thuyết về mẫu đúc 48

2.1.1 Tính chất cơ học của gỗ 48

2.1.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế mẫu đúc 57

2.2 Khái niệm chung về chế độ cắt 74

2.2.1 Các yếu tố cắt 75

2.2.2 Chế độ gia công gỗ 75

2.2.3 Chế độ gia công nhôm 79

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU CÁC TRƯỜNG HỢP CHẾ TẠO CỤ THỂ 81

3.1 Chi tiết Kiềng DN 40 81

3.1.1 Yêu cầu kỹ thuật 81

3.1.2 Các bước tiến hành chế tạo mẫu 81

3.2 Chi tiết Khủy FF 90’ 90

3.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 90

3.2.2 Các bước tiến hành chế tạo mẫu 91

3.3 Mối nối mềm 97

3.3.1 Yêu cầu kỹ thuật 97

3.2.2 Các bước tiến hành chế tạo mẫu 98

3.4 Tạo chữ trong gia công đúc 105

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 113

4.1 Kết luận 113

4.2 Hướng phát triển của đề tài 113

PHỤ LỤC 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Xưởng đúc 3

Hình 1.2: Quy trình đúc khuôn 4

Hình 1.3: Hình dạng khuôn cát 5

Hình 1.4: Cánh bơm 6

Hình 1.5: Vỏ máy 6

Hình 1.6: Các sản phẩm đúc áp lực 7

Hình 1.7: Sản phẩm đúc trong gia dụng 8

Hình 1.8: Tính chất của nhôm 11

Hình 1.9: Ứng dụng của nhôm 18

Hình 1.10: Ứng dụng của nhôm trong thiết bị điện tử 18

Hình 1.11: Các loại mẫu đúc 21

Hình 1.12: Mẫu đúc bằng gỗ 21

Hình 1.13: Vỏ mẫu 22

Hình 1.14: Mẫu đúc phức tạp 22

Hình 1.15: Khuôn đúc nhiều sản phẩm 23

Hình 1.16: Khuôn đúc phích cắm 23

Hình 117: Các chức năng G00 và G01 35

Hình 1.18: Sơ đồ giải thích các chức năng G02, G03 và G17, G18, G19 36

Hình 1.19: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng XOY 37

Hình 1.20: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng XOZ 37

Hình 1.21: Sơ đồ tính quỹ đạo cung tròn trong mặt phẳng YOZ 38

Hình 1.22: Ví dụ mô tả lệnh G02 40

Hình 1.23: Các lệnh G40, G41, G42 41

Hình 1.24: Xê dịch điểm chuẩn 42

Hình 2.1: Đường cong chịu lực lâu dài của gỗ 48

Hình 2.2: Biểu đồ kéo nén của gỗ 50

Hình 2.3: Sự làm việc của gỗ khi uốn 51

Hình 2.4: Các dang ép mặt 53

Hình 2.5: Biểu đồ ép mặt ngang thớ 54

Hình 2.6: Ép mặt ngang thớ gỗ 54

Hình 2.7: Các trường hợp chịu trượt 55

Hình 2.8: Biểu đồ phân bố ứng suất trượt 56

Hình 2.9: Vòng tròn nhiệt 58

Hình 2.10: Phần chuyển tiếp và bán kính góc trượt 60

Hình 2.11: Các kiểu mẫu cơ bản 62

Hình 2.12: Các phương pháp gắn giữ các phần tháo rời được vào mẫu 63

Hình 2.13: Đầu gác và khe hở cho ruột 64

Hình 2.14: Mẫu có khung cốt để đúc các phần vỏ có hình xoắn ốc của tuốc bin thủy lực có khối lượng 200 tấn 66

Hình 2.15: Các tấm mẫu 67

Hình 2.16: Tấm mẫu với các mẫu có thể thay đổi nhanh 68

Hình 2.17: Các kiểu hòm ruột cơ bản 68

Hình 2.18: Hòm ruột kiểu tháo gỡ ra và phương pháp sử dụng nó 69

Hình 2.19: Kiểm tra hình dạng và kích thước của ruột bằng dưỡng 71

Hình 2.20: Làm sạch ruột trong giá cố định 71

Hình 2.21: Dao phay ngón trong gia công gỗ 76

Hình 2.22: Biểu đồ chế độ cắt gỗ dán 77

Hình 2.23: Biểu đồ chế độ cắt gỗ ép 77

Hình 2.24: Biểu đồ chế độ cắt gỗ cứng 78

Hình 2.25: Biểu đồ chế độ cắt gỗ mềm 78

Hình 2.26: Chọn phương pháp gia công 79

Hình 2.27: Chọn dao và chế độ phay 80

Hình 2.28: Kết quả tính 80

Hình 3.1: Tấm gỗ 83

Hình 3.2: Tay cầm mẫu 83

Hình 3.3: Mạp gỗ 84

Hình 3.4: Phần thân trên mẫu 84

Hình 3.5: Mạp gỗ gắn thân trên 85

Hình 3.6: Keo sữa ATM 85

Hình 3.7: Phần thân dưới 86

Hình 3.8: Mạp gắn thân dưới 86

Hình 3.9: Mẫu gỗ 87

Hình 3.10: Mặt trên phôi nhôm 87

Hình 3.11: Mặt dưới phôi nhôm 88

Hình 3.12: Mặt trên mẫu nhôm 89

Hình 3.13: Mặt dưới mẫu nhôm 89

Hình 3.14: Chi tiết Khủy FF 90’ 90

Hình 3.15: Gỗ thanh 92

Hình 3.16: Hộp ruột mẫu gỗ 92

Hình 3.17: Phần vỏ mẫu 92

Hình 3.18: Phôi nhôm hộp ruột 93

Hình 3.19: Phôi nhôm vỏ mẫu 93

Hình 3.20: Mặt 1 94

Hình 3.21: Mặt 2 94

Hình 3.22: Ruột mẫu nhôm 95

Hình 3.23: Gia công hộp ruột 95

Hình 3.24: Hộp ruột phần có chốt 96

Hình 3.25: Hộp ruột phần không có chốt 96

Hình 3.26: Lắp ghép hộp ruột 97

Hình 3.27: Chi tiết mối nối mềm 98

Hình 3.28: Gỗ thanh 99

Hình 3.29: Vỏ mẫu gỗ 100

Hình 3.30: Phôi phần vỏ chi tiết 101

Hình 3.31: Ghép hai mảnh mẫu bằng bu lông 101

Hình 3.32: Nguyên công 1 102

Hình 3.33: Nguyên công 2 102

Hình 3.34: Nguyên công 3 103

Hình 3.35: Nguyên công 4 103

Hình 3.36: Nguyên công 6 104

Hình 3.37: Nguyên công 7 104

Hình 3.38: Nguyên công 8 105

Hình 3.39: Một số loại dao khắc dùng trong khắc thủ công 106

Hình 3.40: Một số loại đục dùng trong khắc chữ thủ công 106

Hình 3.41: Một số loại đục gỗ đầu tròn dùng trong khắc gỗ thủ công 107

Hình 3.42: Một số loại giũa 107

Hình 3.43: Máy mài tay 108

Hình 3.44: Giấy nhám 108

Hình 3.45: Sơ đồ nguyên lí thông dụng của máy cắt bằng tia laser 109

Hình 3.46: Phôi gia công chữ 111

Hình 3.47: Mô hình hóa chữ 111

Hình 3.48: G-code tạo chữ 112

Hình 3.49: Sản phẩm sau gia công 112

LỜI MỞ ĐẦU

Với mức độ phát triển kỹ thuật hiện nay, máy móc là phần không thể tách rời của bất kỳ dạng sản xuất nào Nhờ nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm làm ra, máy móc đảm bảo được sự phát triển với nhịp độ cao của tất cả các ngành kinh

tế quốc dân Các phôi chi tiết máy và các vật đúc kim loại có thể được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau: rèn, dập, hàn… Tuy nhiên phương pháp đúc là phương pháp thông dụng, đa dạng và rẻ nhất để chế tạo ra chúng

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo và công nghệ vật liệu trong chế tạo dụng cụ cắt, yêu cầu của việc gia công cơ khí ngày càng được đòi hỏi cao hơn Không còn chỉ đơn thuần là những yêu cầu về độ chính xác kỹ thuật, những đòi hỏi mới về năng suất gia công hay độ phức tạp về kết cấu Các phương pháp sản xuất hiện đại với sự trợ giúp đắc lực của máy tính, các chương trình điều khiến số đã trở thành xu hướng phát triển chung của toàn ngành cơ khí trên thế giới Điển hình là ngày càng có nhiều nhà máy, cơ sở sản xuất sử dụng các phương pháp gia công hiện đại, tiên tiến như các máy CNC (computer numerical control), gia công bằng tia nước, bằng plasma…

Trong số các phương pháp gia công trên, phương pháp gia công bằng các máy CNC (computer numerical control - chương trình điều khiển số) là một trong các phương pháp được ứng dụng nhiều nhất hiện nay.Các máy CNC thể hiện được thế mạnh vượt trội so với các máy gia công truyền thống khi kết hợp hài hòa giữa yêu tố năng suất và độ chính xác gia công, tạo sự đồng đều và tăng độ tin cậy cho các sản phẩm

Nhận thức được xu thế phát triển của thị trường và tầm ảnh hưởng của việc ứng dụng máy CNC trong phát triển sản xuất.Đề tài ―Nghiên cứu CNC hóa công nghệ chế tạo mẫu đúc‖ nhằm ứng dụng công nghệ gia công CNC trong chế tạo mẫu, nâng cao nawg suất, chất lượng, hạ giá thành sản phẩm

Nếu vật đúc được đưa ra dùng ngay gọi là chi tiết đúc, còn nếu vật đúc phải qua gia công áp lực hay cắt gọt để nâng cao cơ tính, độ chính xác kích thước và độ bóng bề mặt gọi là phôi đúc

Đúc có những phương pháp sau: đúc trong khuôn cát, đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực, đúc li tâm, đúc trong khuôn mẫu chảy, đúc trong khuôn vỏ mỏng, đúc liên tục… nhưng phổ biến nhất là đúc trong khuôn cát

1.1.2 Đặc điểm chung:

- Đúc có thể gia công nhiều loại vật liệu khac nhau: Thép, gang, hợp kim màu…

có khối lượng từ vài gam đến hàng trăm tấn

- Chế tạo được vật đúc có hình dạng, kích thước phức tạp như thân máy công cụ,

vỏ động cơ… mà các phương pháp khác khó khăn hoặc không chế tạo được

- Độ chính xác về hình dáng, kích thước, độ bóng không cao ( có thể đạt chất lượng cao nếu đúc bằng phương pháp đặc biệt như đúc áp lực)

- Có thể đúc được nhiều lớp kim loại khác nhau trên một vật đúc

- Giá thành chế tạo vật đúc rẻ, vốn đầu tư ít, tính chất sản xuất linh hoạt, năng suất tương đối cao

- Phương pháp đúc có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa

- Tốn kim loại cho hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi

- Đúc thường dễ gây ra khuyết tật như:thiếu hụt, rỗ khí, cháy cát…

- Kiểm tra khuyết tật bên trong vật đúc khó khăn, đòi hỏi thiết bị hiện đại như đúc bằng siêu âm, nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử, cộng hưởng sóng âm…

Hình 1.1: Xưởng đúc

1.1.3 Ứng dụng của công nghệ đúc:

Công nghệ đúc là công nghệ đóng vai trò rất quan trọng trong ngành kim loại và hợp kim cho nên việc hiểu rõ để định hướng vào ngành này là điều vô cùng cấp thiết Theo xu hướng hiện nay đúc có nhiều công dụng hữu ích trong đời sống Đúc có vai trò quan trọng đối với nền kinh tế Sản xuất đúc được phát triển rất mạnh và được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, khối lượng vật đúc trung bình chiếm khoảng 40% đến 80% tổng khối lượng máy móc, trong ngành cơ khí khối lượng vật đúc chiếm đến 90% mà giá thành chỉ chiếm có 20% đến 25% Ứng dụng lớn nhất là xe hơi và xe tải hạng nhẹ vào khoảng 31% Các lĩnh vực khác bao gồm xây dựng, khai khoáng và dầu khí khoảng 6%, đường ống và khớp nối 15%, máy bơm và nén khí 3%,

đô thị 3%, đường sắt 6%, máy nông nghiệp 6%, van 5%, động cơ đốt trong 5%.Đầu tư

về phát triển công nghệ mới để giảm ô nhiễm môi trường.Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa quan tâm nhiều đến vai trò của nó, như: những lợi ích từ việc sản xuất các chi tiết

thay thế, vai trò trong đời sống hằng ngày Thêm vào đó, một số nhà sản xuất, quản lý

và chuyên viên kỹ thuật chưa hiểu được sự khác biệt của chi tiết được chế tạo từ đúc và

từ các phương pháp khác Kết quả là thiếu cơ hội cho các nhà sản xuất

1.1.4 Khái quát về quy trình đúc khuôn cát:

Quá trình đúc bao gồm các công đoạn chính sau :

Hỗn hợp làm

khuôn Mẫu đúc Hộp lõi Hỗn hợp

làm lõi Nhiên liệu Lò đúc Nguyên liệu

Hình 1.3: Hình dạng khuôn cát

1.1.5 Các sản phẩm của phương pháp đúc:

a) Trong công nghiệp: Tạo các sản phẩm phức tạp như: Vỏ máy, cánh quạt,…

Hình 1.4: Cánh bơm

Hình 1.5: Vỏ máy

Hình 1.6 : Các sản phẩm đúc áp lực

b) Các sản phẩm trong gia dụng nhƣ nồi, chảo…

mà chưa ai biết này từ đất sét Có lẽ Tibêri ít khi bận tâm biết ơn ai, và ông ta cũng là một hoàng đế thiển cận Sợ rằng, thứ kim loại mới với những tính chất tuyệt vời của nó

sẽ làm mất hết giá trị của đống vàng và bạc đang cất giữ trong kho, nên vị hoàng đế này đã ra lệnh chém đầu người phát minh và phá tan xưởng của anh ta để từ đấy về sau không còn ai dám sản xuất thứ kim loại ―nguy hiểm‖ ấy nữa

Năm 1754, nhà hóa học người Đức là Anđrêat Xighizmunđơ Macgrap (Andreas Sigismund Marggaf) đã tách được thứ ―đất chứa phèn‖ mà Paratxen đã nói đến từ hai trăm năm trước đó Phải qua mấy chục năm nữa, nhà bác học người Anh là Hanfri Đêvi (Humphry Davy) mới thử tìm cách tách thứ kim loại ẩn náu trong phèn Năm

1807, bằng cách điện phân các chất kiềm, ông đã phát hiện ra natri và kali, nhưng ông chưa phân giải được đất phèn bằng dòng điện như thế Nhà bác học người Thụy Điển

là Iuên Iacop Becxêliut (Jons Jakob Berxelius) cũng bắt tay vào những cuộc thử nghiệm như vậy, song công cuộc của ông không thu được kết quả Mặc dầu vậy, các nhà bác học vẫn quyết định đặt tên cho kim loại ―bất trị‖ này: lúc đầu, Becxêliut gọi nó

là alumium, và về sau, Đêvi đã đổi Alumium thành Aluminium (nhôm)

Năm 1825, Nhà bác học người Đan Mạch Hans Khrixtian Ecxtet (Hans Christian Oersted) là người đầu tiên chế được nhôm kim loại giống như người thợ vô danh thời

cổ La Mã

Năm 1827, một nhà hóa học Đức,là Friđric Vuêle (Friederich Wohler) đã công bố phương pháp điều chế kim loại mới này của mình Sự thực thì phương pháp của Vuêle chỉ cho phép tách được nhôm ở dạng hạt có độ lớn không bằng đầu kim băng, nhưng nhà bác học đã tiếp tục làm thực nghiệm cho đến khi hoàn chỉnh các phương pháp điều chế nhôm ở dạng khối đặc Ông phải mất mười tám năm vào việc đó

Năm 1855, tại cuộc Triển lãm quốc tế ở Pari, người ta đã trưng bày "bạc lấy từ đất sét" làm chấn động dư luận Đó là những tấm và thỏi nhôm do nhà bác học kiêm nhà công nghiệp người Pháp Hăngri Etien Xan-Cle Đêvi (Henri Etienne Sainte Claire Deville) chế tạo ra

Charles Martin Hall nhận được bằng sáng chế (số 400655) năm 1886, về quy trình điện phân để sản xuất nhôm Henri Saint-Claire Deville (Pháp) đã hoàn thiện phương pháp của Wöhler (năm 1846) và thể hiện nó trong cuốn sách năm 1859 với hai cải tiến trong quy trình là thay thế kali thành natri và hai thay vì một (chlorure) Phát minh của quy trình Hall-Héroult năm 1886 đã làm cho việc sản xuất nhôm từ khoáng chất trở thành không đắt tiền và ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới

Nước Đức trở thành nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới sau khi Adolf Hitler lên

nắm quyền Tuy nhiên, năm 1942, những nhà máy thủy điện mới như Grand Coulee

Dam đã cho phép Mỹ những thứ mà nước Đức quốc xã không thể hy vọng cạnh tranh:

khả năng sản xuất đủ nhôm để có thể sản xuất 60.000 máy bay chiến đấu trong bốn năm

1.1.6.3 Tính chất của nhôm:

- Khối lượng riêng nhỏ (~2,7g/cm³) nên nhôm và hợp kim nhôm chỉ nặng bằng

1/3 thép, đó là tính chất đặc biệt được chú trọng khi các thiết bị cần chế tạo phải chú trọng đến trọng lượng (trong ngành hàng không, vận tải )

- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: Do đặc tính ôxy hoá của nó đã biến lớp bề

mặt của nhôm thành ôxít nhôm (Al2O3) rất xít chặt và chống ăn mòn cao trong khí quyển, do đó chúng có thể dùng trong đa ngành mà không cần sơn bảo vệ Để tăng tính chống ăn mòn, người ta đã làm cho lớp ô xít nhôm bảo vệ dày thêm bằng cách anot hoá

- Tính dẫn điện: Tính dẫn điện của nhôm bằng 2/3 của đồng (kim loại), nhưng do

nhôm nhẹ hơn nên chúng được sử dụng nhiều hơn bởi nếu cùng truyền một dòng điện thì dây nhôm nhẹ hơn bằng 1/2, ít bị nung nóng hơn

- Tính dẻo: Rất dẻo, nên rất thuận lợi cho việc kéo thành dây, tấm, lá, băng,

màng, ép chảy thành các thanh có biên dạng đặc biệt (dùng cho khung cửa, các loại tản nhiệt rất thuận tiện khi sản xuất)

- Nhiệt độ nóng chảy: Tương đối thấp nên thuận tiện cho việc nấu chảy khi đúc,

nhưng cũng làm nhôm và hợp kim nhôm không sử dụng được ở nhiệt độ cao hơn

300-400 độ C

- Độ bền, độ cứng: Thấp

Đuyra được

dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo máy bay, ôtô, xe lửa

+ Hợp kim Silumin : Thành phần chính của silumin là Al và Si ( 10 đến 14% Si) Hợp kim có ưu điểm nhẹ, bền và rất ăn khuôn (thể tích dãn nợ khi nhiệt độ giảm) Silumin được dùng để đúc một số bộ phận của máy móc

+ Hợp kim Almelec: Hợp kim almelec có chứa đến 98,5 % nhôm, còn lại là

Mg, Si, Fe Hợp kim này có ưu điểm là điện trở nhỏ, dai và bền hơn nhôm Almelec dùng để chế tạo dây cáp dẫn điện cao thế thay cho đồng là kim loại qúy hiếm và nặng

+ Hợp kim electron: Thành phần chính của hợp kim electron là magie (83,3%) nhôm (10,5%), còn lại là kẽm và mangan Electron có những ưu điểm là nhẹ (có khối lượng riêng 1.75g/cm3 , bằng 0,65 lần so với nhôm), rất bề về mặt cơ học (bền hơn thép) chịu được sự va chạm và sự thay đổi nhiệt độ trong giới hạn và đột ngột Electron dùng để chế tạo tàu vũ trụ, vệ tinh nhân tạo

- Phân loại nhôm :

+ Hợp kim nhôm biến dạng: Được chia làm hai loại là hợp kim nhôm biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện và hợp kim nhôm biến dạng không hoá bền được bằng nhiệt luyện

+ Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim với khoảng Si rộng (5-20%) và

có thêm Mg (0,3-0,5%) để tạo pha hoá bền Mg Si2 nên các hệ Al-Si-Mg phải qua hoá bền Cho thêm Cu (3-5%) vào hệ Al-Si-Mg để cải thiện cơ tính và có tính đúc tốt do có các thành phần gần với cùng tin Al-Si-Cu nên được sử dụng trong đúc piston (AA390.0), nắp máy của động cơ đốt trong

1.1.6.4 Khái quát về kỹ thuật đúc nhôm:

Hợp kim nhôm là một trong số rất ít các kim loại có thể đúc được bằng nhiều phương pháp như đúc áp lực, đúc khuôn kim loại, đúc khuôn cát (khuôn cát khô và khuôn cát tươi), khuôn thạch cao, đúc mẫu chảy, đúc liên tục Một số phương pháp đúc tiên tiến mới, như đúc mẫu cháy cũng có thể áp dụng Rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chon phương pháp đúc để chế tạo các chi tiết máy bằng hợp kim nhôm Yếu tố quan trọng nhất là:

+ Giá thành và tính khả thi: Xét về tính khả thi, rất nhiều loại hợp kim

nhôm có thể đúc bằng nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, dựa trên kích thước

và thiết kế sẽ lựa chon được một phương pháp đúc phù hợp nhất Thông thường các khuôn kim loại nặng gấp từ 10 đến 100 lần so với vật đúc, do vậy các chi tiết lớn được đúc bằng khuôn cát phù hợp hơn là đúc bằng khuôn kim loại hoặc đúc áp lực Các chi tiết nhỏ thường được đúc bằng khuôn kim loại – đảm bảo độ chính xác, ít gia công cơ

+ Chất lượng vật đúc: Chất lượng là một yếu tố quan trọng quyết định đến

việc lựa chọn phương pháp đúc Chất lượng ở đây có nghĩa là ―mức độ hoàn hảo‖ của vật đúc (rỗ khí, nứt, độ nhẵn bong bề mặt…) và ―cơ tính‖ của sản phẩm (độ bền và độ dẻo)

Mặc dù vậy, trong mỗi phương pháp đúc sẽ có những ưu điểm và nhược điểm, do vậy, kỹ sư đúc cố gắng phát huy các ưu điểm, khắc phục nhược điểm của từng phương pháp, nhằm đáp ứng những nhu cầu phức tạp của thi trường- nhanh, nhiều, tốt, rẻ Dưới đây xin đưa ra một số phương pháp đúc nhôm được áp dụng trên thế giới:

a) Đúc áp lực:

Trong đúc áp lực, hợp kim nhôm được sử dụng nhiều nhất so với tất cả các loại hợp kim khác Chỉ tính riêng ở Mỹ, hàng năm nhôm đúc áp lực trị giá lên tới 2.5 tỷ đôla Riêng nhôm đúc áp lực chiếm tỷ phần gấp đôi so với tất cả các phương pháp khác gộp lại

Đúc áp lực rất phù hợp với đúc hang loạt số lượng lớn, khối lượng chi tiết nhỏ, thường có thể nặng tới 5kg nhưng cũng đã có trường hợp đúc cho chi tiết nặng tới 50kg nhưng giá thành rất cao Đúc áp lực có ưu điểm là giảm thiểu dung sai, bề mặt nhẵn bóng, đảm bảo đồng đều chiều dày vật đúc

Các loại hợp kim nhôm đúc áp lực áp dụng cho từng loại chi tiết cụ thể:

+ 380.0: Thường dùng đúc hộp số

+ A380.0: Hộp đèn đường, các chi tiết phục vụ cho nha khoa

+ A360.0: Vỏ của các loại nhạc cụ, các chi tiết đòi hỏi độ chịu ăn mòn

+ 413.0: Pistong, trục khuỷu

+ 518.1: Các chi tiết trong hàng không, tàu thủy

Họ hợp kim 3xx (Ví dụ 380, 356…) tức họ hợp Al + Si + Cu + Mg, họ hợp kim 4xx (ví dụ 413) tức họ hợp kim Al + Si, họ hợp kim 5xx (Ví dụ 518) tức họ Al+Mg Trong khi đó có sự khác biệt nhỏ: chẳng hạn 380.0 - số 0 sau cùng có nghĩa nói rằng hợp kim ở dạng đúc (cast shape) còn như 518.1 - số 1 sau cùng có nghĩa là dạng thỏi (ingot) Dạng Cast shape hay ingot chỉ có ý nói lên hình dạng của vật liệu có trên thị trường mà ta có thể đặt mua Còn với loại ký hiệu có chữ A ở đầu, tức là: cao cấp, ít tạp chất

Sản phẩm của đúc áp lực rất khó hàn và xử lí nhiệt do vẫn còn khí bị giữ lại trong vật đúc Nếu muốn thì cần những công nghê đặc biệt Một điều lưu ý trong đúc

áp lực là lựa chọn vật liệu có khoảng đông đặc hẹp

Đúc áp lực có 2 dạng là đúc áp lực buồng nóng (hot chamber) và đúc áp lực buồng nguội (cold chamber) Đúc áp lực buồng nóng là khi kim loại lỏng được rót vào

1 xilanh, sau đó pistông đẩy kim loại vào khuôn thong qua áp lực tương đối lớn, bộ xilanh - pistông này được coi là nguội Còn đúc áp lực buồng nóng là bộ xilanh - pistông được đặt trong 1 hệ thống lò nung và nối thẳng với bộ phận lò nấu chảy, như vậy toản bộ xilanh - pistông được đặt trong lò và có nhiệt độ bằng với nhiệt độ kim loại nóng chảy

b) Đúc trong khuôn kim loại :

Đúc khuôn kim loại hay còn gọi là đúc khuôn vĩnh cửu (permanent casting) là phương pháp đúc mà như tên gọi - khuôn làm bằng kim loại giống như đúc áp lực Do tuổi thọ của khuôn dùng được lâu, nhiều lần nên còn gọi là khuôn vĩnh cửu Đúc khuôn kim loại phù hợp với các vật đúc lớn hơn so với đúc áp lực, khoảng 10kg, tất nhiên đặc biệt có thể cao hơn, 20kg thậm chí là 50kg, và đi kèm là giá thành sẽ cao hơn

Đúc khuôn kim loại, lực để đẩy kim loại vào trong khuôn chính là trọng lực của kim loại lỏng, với yếu tố khuôn kim loại nên sẽ có tốc độ nguội nhanh Do vậy, đúc khuôn kim loại cho ta sản phẩm có cơ tính rất cao, vật đúc hoàn hảo hơn, nhưng cũng được áp dụng với những kim loại có độ chảy loãng cao và có khả năng chống nứt

nóng

Một số loại hợp kim nhôm hay được sử dụng trong đúc khuôn kim loại:

+ 366: Chế tạo Pistông ôtô

+ 355.0, C355.0, A357.0: Hộp số, hang không, một số bộ phận của tên lửa ( Các chi tiết yêu cầu độ bền cao)

+ 356.0, A356.0 Các chi tiết trong máy dụng cụ, bánh xe máy bay, bộ phận trong máy bơm…

+ Một số khác cũng được dùng như 296.0, 319.0, 333.0

c) Đúc khuôn cát:

Đúc khuôn cát, tức đề cập đến công đoạn làm khuôn bằng cát và các chất phụ gia

để kết dính có thể là đất sét hoặc một số loại khác (xem bài công nghệ đúc khuôn cát) Phương pháp đúc khuôn cát truyền thống, khuôn được làm cùng với các ruột (nếu có) thông qua việc rã cát (dầm chặt), cùng với mẫu Sau khi đã dầm chặt, mẫu được rút ra, để lại khoảng trống – chính là hình dạng của vật đúc cần chế tạo Sau khi rót kim loại vào khuôn, đông đặc, và phá dỡ để thu được vật đúc Trong đúc khuôn cát được phát huy bằng ưu điểm là đúc các chi tiết lớn, phức tạp hơn do có thể làm ruột Đúc khuôn cát yêu cầu người thợ có trình độ khéo léo, từ khâu làm khuôn, ruột, đến rót kim loại vào khuôn Do vậy, đúc khuôn cát hiện nay đang được sử dụng nhưng không chính xác Đây chính là nguyên nhân đôi khi một số chi tiết lớn vài chục kg yêu cầu chính xác nên vẫn phải đúc khuôn kim loại

d) Đúc mẫu cháy:

Đúc mẫu cháy cũng có thể coi là một loại của đúc khuôn cát Các kĩ sư phải thiết

kế một mẫu bằng nhựa polysterene, giống y hệt vật đúc Mẫu được đem đặt trong 1

khuôn rồi được đổ cát khô vào, đậy nilon lên trên, rồi được hút chân không Khi kim loại được rót vào đúng phần đã định sắn, nilon cháy, polysterene cũng cháy và kim loại điền thay thế vào vị trí của mẫu Phần tro của mẫu cháy được nổi lên trên mặt phần đậu ngót

e) Đúc khuôn vỏ mỏng:

Công nghệ làm khuôn vỏ mỏng được chế tạo bằng vật liệu là sáp Sáp được gia công thành mẫu giống như vật đúc, sau đó được nhúng vào 1 hỗn hợp huyền phù gồm cát, sét, và một số chất phụ gia, như vậy có 1 lớp vỏ bao bọc mẫu, nhấc mẫu ra, rắc 1 lớp cát mịn, sấy khô rồi lại đem nhúng lại vào hỗn hợp huyền phù, rồi lại rắc cát mịn Làm như vậy 4-5 lần, khi lớp vỏ dày khoảng 10-20mm, sấy khô, đem thiêu kết khuôn

chức nhỏ mịn

g) Đúc liên tục:

Đây là phương pháp đúc đang được áp dụng phổ biến trong các nhà máy đặc biệt

là với các nhà máy đúc nhôm, do tính hiệu quả của nó

Hợp kim nhôm được rót vào hệ khuôn đặc biệt: những khuôn đúc có nước làm nguội, đúc ra các sản phẩm là các thanh, các tấm nhôm có kich thước tuỳ ý (lên tới

200x1000mm) tiếp theo dây chuyền đúc liên tục là các dây truyền cán, dập liên tục Ngoài ra các phương pháp khác như đúc khuôn thạch cao, đúc khuôn mẫu chảy cũng được áp dụng cho hợp kim nhôm với những chi tiết nêu trên, tuỳ thuộc vào tình trạng

của nhà máy cũng như yêu cầu của khách hàng

1.1.6.5 Ứng dụng của nhôm:

- Tính theo cả số lượng lẫn giá trị, việc sử dụng nhôm vượt tất cả các kim loại

khác, trừ sắt, và nó đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế thế giới Nhôm nguyên chất có sức chịu kéo thấp, nhưng tạo ra các hợp kim với nhiều nguyên tố như đồng, kẽm, magiê, mangan và silic Khi được gia công cơ-nhiệt, các hợp kim nhôm này có các thuộc tính cơ học tăng lên đáng kể

- Các hợp kim nhôm tạo thành một thành phần quan trọng trong các máy bay và

tên lửa do tỷ lệ sức bền cao trên cùng khối lượng

- Các loại vỏ phủ nhôm đôi khi được dùng thay vỏ phủ vàng để phủ vệ tinh nhân

tạo hay khí cầu để tăng nhiệt độ cho chúng, nhờ vào đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ của Mặt Trời tốt, mà bức xạ hồng ngoại vào ban đêm thấp

- Ôxít nhôm, alumina, được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery,

ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tialaser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa

- Hợp kim nhôm, nhẹ và bền, được dùng để chế tạo các chi tiết của phương tiện

vận tải (ô tô, máy bay, xe tải, toa xe tàu hỏa, tàu biển…)

- Đóng gói (can, giấy gói…)

- Xử lý nước

- Xây dựng (cửa sổ, cửa, ván…; tuy nhiên nó đã đánh mất vai trò chính dùng làm

dây dẫn phần cuối cùng của các mạng điện, trực tiếp đến người sử dụng)

- Các hàng tiêu dùng có độ bền cao (trang thiết bị, đồ nấu bếp…)

- Các đường dây tải điện (mặc dù độ dẫn điện của nó chỉ bằng 60% của đồng, nó

nhẹ hơn nếu tính theo khối lượng và rẻ tiền hơn)

đi, các bông nhôm sẽ tạo ra một lớp kháng nước rất tốt

Hình 1.10: Ứng dụng của nhôm trong thiết bị điện tử

- Phần lớn các bộ tản nhiệt cho CPU của các máy tính hiện đại được sản xuất từ nhôm vì nó dễ dàng trong sản xuất và độ dẫn nhiệt cao

- Ôxít nhôm( alumina) được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng corunđum, emery, ruby và saphia và được sử dụng trong sản xuất thủy tinh Ruby và saphia tổng hợp được sử dụng trong các ống tia laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa

- Sự ôxi hóa nhôm tỏa ra nhiều nhiệt, nó sử dụng để làm nguyên liệu rắn cho tên lửa, nhiệt nhôm và các thành phần của pháo hoa

1.2 Tổng quan về công nghệ mẫu gỗ và mẫu kim loại:

1.2.1 Khái niệm:

Bộ mẫu là công cụ tạo hình khuôn đúc Bộ mẫu bao gồm : Mẫu chính, tấm mẫu, mẫu của hệ thống rót, đậu hơi, đậu ngót Tấm mẫu dùng để kẹp mẫu khi làm khuôn, dưỡng kiểm tra, mẫu chính dùng để tạo nên hình dạng của long khuôn khi làm khuôn đúc, nói cách khác mẫu chính tạo nên hình dạng bên ngoài của vật đúc

Hộp lõi dùng để chế tạo ra lõi Lõi dùng để tạo nên hình dạng bên trong của vật đúc khi đúc kim loại

1.2.2 Các loại vật liệu làm mẫu và hộp lõi:

Các loại vật liệu thường dùng là gỗ, kim loại, thạch cao, xi măng, chất dẻo nhưng chủ yếu là gỗ và kim loại

a) Gỗ :

Ưu điểm của gỗ là rẻ, nhẹ, dễ gia công nhưng có nhược điểm là độ bề kém, cứng kém, dễ cương nứt, cong vênh nên gỗ chỉ dùng trong sản xuất đơn chiếc loại nhỏ , trung bình và làm mẫu lớn dựa vào tính chất của gỗ ta chia làm 3 loại :

- Loại 1 : Gụ, lim, sến… có đặc điểm là bền, cứng, mịn, chặt thuần nhất, ít thấm

nước, khi cắt gọt bề mặt dễ bóng, nhưng khó gia công cắt gọt, đắt tiền nên dùng trong sản xuất hàng loạt, những mẫu quan trọng, những phần riêng của mẫu chịu mài mòn nhiều ( gối, phần tháo rời…)

- Loại 2 : Gỗ mỡ, gỗ dẻ… có độ bền trung bình, chịu độ ẩm , dễ nhẵn bóng, có

thể làm việc từ 25÷100 lần Dùng trong sản xuất nhoe, đơn chiếc, mẫu phức tạp, cần kích thước tương đối độ chính xác

- Loại 3 : Gỗ thông, bồ đề… là loại gỗ tạp, rẻ tiền, độ cứng, bề thấp, gỗ có nhiều

lớp nên dễ vỡ, sần sùi ở mặt nhưng ít cong vênh, ít thấm nước Dùng trong sản xuất đơn chiếc và những mẫu không cần độ nhẵn bóng, chính xác

b) Kim loại:

Ưu điểm là có độ bền, cứng, độ nhẵn bóng, độ chính xác bề mặt cao, không bị thấm nước, ít cong vênh, thời gian sử dụng lâu hơn Tuy nhiên kim loại đắt, khó gia công nên chỉ sử dụng trong sản xuất hàng khối, hàng loạt Mẫu kim loại thường dùng những kim loại sau :

- Hợp kim nhôm : Hợp kim nhôm silic và hợp kim nhôm đồng gồm Al12 , Al24 ,

Al26 , Al28…Loại này nhẹ, dễ gia công cơ khí, độ bóng, độ chính xác cao, tính chống ăn mòn kim loại cao, dùng được nhiều lần nên được sử dụng nhiều nhất

- Gang xám : Thường dùng gang Gx12-28 , Gx15-32 , Gx18-36 … có thành phần hợp kim nhôm cao, giá thành hạ Được dùng từ 10.000 ÷ 15.000 lần nhưng nặng, khó gia công cơ khí, dễ bị oxi hóa

- Đồng thau, đồng thanh : Bề, dễ gia công cơ khí, bề mặt nhẵn bóng, không bị oxi

hóa, dung tới 15.000 lần nhưng nặng, độ co lớn

- Thạch cao : Bền hơn gỗ ( làm được 1000 lần ) nhẹ, dễ chế tạo, dễ cắt gọt nhưng

giòn, dễ vỡ, dễ thấm nước Nên làm những mẫu nhỏ, làm bằng tay, tiện lợi khi làm mẫu ghép và dùng trong đồ đúc mỹ nghệ (vì dễ sửa)

- Xi măng : Bền , cứng hơn thạch cao, chịu va chạm tốt, rẻ, dễ chế tạo nhưng

nặng, tuy không hút nước, khó gọt, sửa nên chỉ dùng để làm những mẫu, lõi phức tạp, mẫu lớn, mẫu làm khuôn bằng máy

c) Mẫu chảy :

Mẫu được làm bằng sáp hoặc vật liệu có thể nung chảy ở nhiệt độ thấp.Phương pháp này dùng để chế tạo chi tiết có độ phức tạp cao, khó gia công hoặc không cần gia công, có thể sản xuất nhanh và tiết kiệm

Hình 1.13: Vỏ mẫu

Hình 1.14: Mẫu đúc phức tạp

Hình 1.15: Khuôn đúc nhiều sản phẩm

Hình 1.16: Khuôn đúc phích cắm

1.3 Tổng quan về CNC và các phần mềm mô hình hóa, tạo G-code:

1.3.1 Tổng quan về CNC :

1.3.1.1 Khái niệm về máy CNC:

Máy công cụ điều khiển bằng số - viết tắt là NC ( Numerial Control ) là máy tự động điều khiển ( vài hoạt động hoặc toàn bộ hoạt động ) trong đó các hành động điều khiển được sản sinh trên cơ sở cung cấp các dữ liệu dạng ―lệnh‖ Các ―lệnh‖ hợp thành chương trình làm việc Chương trình làm việc này được ghi lên một cơ cấu mang chương trình dạng mã số Cơ cấu mang chương trình có thể là: Băng đột lỗ, băng từ, hoặc chình bộ nhớ máy tính

Các thế hệ đầu, máy NC còn sử dụng các cáp logic trong hệ thống Phương pháp điều khiển điểm và đường thẳng, tức là không có quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo tọa độ Việc điề khiển còn mang tính ―cứng‖ nên chương trình đơn giản và chỉ có thể gia công được những chi tiết đơn giản như gia công lỗ, gia công được các chuyển động song song với các chuyển động mà máy có

Các thế hệ sau, hệ thống điều khiển của máy NC đã được cài đặt các cụm vi tính

và các bộ vi xử lý và việc điều khiển lúc này phần lớn hoặc hoàn toàn ―mềm‖ Phương pháp điều khiển theo đường biên tức là mối quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo hướng tọa độ các máy NC này được gọi là máy CNC (Computer Numecial Control) Chương trình được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể gia công được những chi tiết có hình dạng rất phức tạp Hiện nay các máy CNC đã được sử dụng rộng rãi

1.3.1.2 Lịch sử phát triển máy CNC:

- Năm 1808 Toseph và M.Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy

dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin)

- Năm 1903 Claude Shanon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MIT (Mỹ)

với nội dung chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân

- Năm 1946 tiến sĩ John W.Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có

tên NIAC cho quân đội Mỹ

- Năm 1954 Bendix đã mua bản quyền của Pasons và chế tạo bộ điều khiển NC

hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử

- Năm 1954 phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự

đông ATP

- Năm 1957 không quân Mỹ trang bị những máy NC đầu tiên tại xưởng

- Năm 1960 kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn

điện tử

- Năm 1965 giải pháp thay dụng cụ tự động ATC ( Automatic Tool Changer)

- Năm 1968 kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn

- Năm 1972 hệ điều khiển NC (numerical control – trung tâm điều khiển số) đầu

tiên có lắp đặt máy tính nhỏ …

- Năm 1979 hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM-CNC

- Ngày nay các máy công cụ CNC (Computer Numerical Computer- trung tâm

điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính ) đã hoàn thiện hơn với tính năng vượt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công, với số lần gá đặt ít nhất đặc biệt chúng có thể gia công các chi tiết phức tạp

1.3.1.3 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta:

Từ năm 1997 Việt Nam mới có phần mềm CAD/CAM đầu tiên là Cimatron7.0

do hãng Saeilo của Nhật tài trợ và đại học Bách Khoa có máy phay CNC đầu tiên

Năm 2006, Việt Nam bỏ ra khoảng 4,5 tỷ USD để nhập các máy CNC Cũng năm ngoái, 23 doanh nghiệp Nhật Bản sang Việt Nam tìm nhà cung cấp phụ kiện cho các sản phẩm của họ nhưng không được, nguyên nhân thì có nhiều song một phần chính là do các doanh nghiệp trong nước còn thiếu những chiếc máy CNC chất lượng

cao

Trên thị trường Việt Nam, các máy CNC do Đài Loan và Trung Quốc sản xuất có phần điều khiển mua của các hãng nổi tiếng như FANUC, MITSHUBISHI, có giá bán khá phù hợp với đại đa số các doanh nghiệp trong nước song còn yếu các khâu như đào tạo, dịch vụ sửa chữa và thay thế sau bán hàng, chất lượng còn chưa đồng

đều Máy CNC của các nước phát triển như Nhật, CHLB Đức, có chất lượng tốt song giá thành đắt, rất khó bảo trì bảo dưỡng Giá thành cao, nhu cầu lại lớn nên ở TP Hồ Chí Minh đã hình thành những công ty và nhóm chuyên gia chuyên lắp ráp máy CNC cũ/hỏng thành máy mới Ngoài ra, một số công ty cơ khí cũng bắt đầu tự nhập bộ điều khiển và chế tạo phần cơ để cho ra đời những chiếc máy CNC ―made in Vietnam‖ đầu tiên Tuy nhiên do chưa nắm vững công nghệ trong việc quản lý chất lượng cũng như khi lắp ráp, những chiếc máy này thường có độ chính xác không cao, độ tin cậy không

lớn

1.3.2 Các phần mềm mô hình hóa và G-code

1.3.2.1 Tổng quan về các phần mềm mô hình hóa:

Lãnh vực thiết kế máy tập trung vào kết cấu và chuyển động máy Ứng dụng hệ thống CAD/CAE trong thiết kế máy liên quan đến phân tích và tối ưu kết cấu và mô phỏng chuyển động và đông lực học máy Tuy nhiên trình tự thiết kế chi tiết, hệ thống

và quá trình sẽ khác nhau

Khái niệm mô hình hóa, mô phỏng máy tính và thiết kế tối ưu được nghiên cứu

và ứng dụng trong nhiều lãnh vực khác nhau, chúng đã trở thành công cụ không thể thiếu khi thiết kế để đạt mục đích: ―năng suất, chất lượng cao nhất và giá thành thấp nhất‖

Mô phỏng máy tính cũng được sử dụng để thẩm định tính chính xác của quá trình thiết kế Bởi vì giá thành để khắc phục lỗi rất lớn nếu chúng được phát hiện khi chế tạo hoặc vận hành Cơ sở dữ liệu của quá trình thiết kế là mô hình máy tính ba chiều Từ khả năng đồ họa tĩnh 2D, đến đồ họa 3D và phát triển lên kỹ thuật đồ họa động…Hiện nay ta đã có thể mô tả những tình huống xảy ra trên thực tế bằng mô hình máy tính thông qua kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng

Trải qua nhiều giai đoạn và thời điểm, kỹ thuật và ngôn ngữ mô phỏng luôn phát triển và cải tiến nhằm phát huy vai trò trong quá trình thiết kế Sự phát triển tập trung chủ yếu vào ba yếu tố:

- Giảm bớt thời gian phát triển sản phẩm

- Cải tiến độ chính xác

- Cải tiến sự giao tiếp với người sử dụng

a) Quá trình thiết kế với hệ thống CAD/CAE

Qua trình thiết kế liên quan đến từng sản phẩm và quy mô sản xuất, liên quan đến toàn bộ việc kinh doanh của xí nghiệp, từ việc nhận đơn đặt hàng, ý tưởng sản phẩm đến thiết kế, chế tạo, bảo trì sản phẩm và trải qua nhiều giai đoạn khác nhau

Cuộc cách mạng chất lượng xuất hiện vào đầu những năm 80 đã làm thay đổi các quan niệm về thiết kế sản phẩm Vòng đời sản phẩm ngày càng ngắn hơn, chủng loại

và hình dáng các sản phẩm ngày càng đa dạng hơn, chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm thay đổi, do đó cũng đòi hỏi phải thay đổi quá trình thiết kế kỹ thuật cho sản phẩm Đó là lý do lý do xuất hiện quá trình thiết kế kỹ thuật đồng thời, cho phép tham gia vào quá trình thiết kế nhiều chuyên gia thuộc các lĩnh vực khách nhau: Các nhà kỹ thuật thiết kế phân tích, các nhà kinh tế nghiên cứu và đánh giá thị trường, các nhà mỹ thuật công nghiệp tạo dáng và màu sắc cho sản phẩm, các nhà bảo trì dự đoán các hỏng hóc sản phẩm có thể xảy ra, các nhà chế tạo…Khi đó quá trình kiểm soát chất lượng sản phẩm được tiến hành từ lúc bắt đầu giai đoạn thiết kế và thực hiện trong suốt quá trình thiết kế sản phẩm Thời gian thiết kế sản phẩm giảm đáng kể

Hiện nay trong quá trình thiết kế sản phẩm và hệ thống ta sử dụng công cụ CAD

và CAE Đầu vào của thiết kế là nhiệm vụ thiết kế, tải trọng, điều kiện biên, phương pháp chế tạo, chỉ tiêu chi phí, không gian thiết kế, kiểu dáng thiết kế, những thiết kế có cùng chức năng và nhiều thông tin khác Ở giai đoạn đầu, một ý tưởng mới được đưa

ra dựa trên trình tự và kinh nghiệm của người thiết kế Tiếp theo là phần xác định kích thước chi tiết dựa theo tiêu chuẩn hay tính toán cụ thể Sau đó bản thiết kế được vẽ hoặc mô hình hóa bằng phần mềm CAD và kiểm tra bằng phần mềm CAE

Các hệ thống CAD xây dưng mô hình học theo tham số, sau đó xuất hiện qua chương trình FEA Hệ thống FEA sẽ chia lưới, đặt điều kiện biên, gán tải trọng, thiết lập đặc tính vật liệu và những thông tin liên quan và tính toán

Các vấn đề ảnh hưởng đến khả năng thiết kế trên các hệ thống CAD/CAE:

- Khi thiết kế được hoàn thành trong hệ thống CAD, nó bị giới hạn bởi hình dạng ban đầu đã chọn Do đó có rất ít khả năng thay đổi hoàn toàn hình dáng hình học Vì vậy thiết kế theo phương pháp này chỉ có thể cải tiến được mốt số thiết kế gần giống với mô hình ban đầu

- Nếu giả sử đã có một thiết kế ban đầu gần tối ưu thì một khó khăn mới xuất hiện – hạn chế khi chuyển đổi dữ liệu giữa hệ thống CAD và CAE Hiện nay hai hệ thống này vẫn đứng riêng lẻ và chuyển đổi dữ liệu giữa chúng còn nhiều thiếu sót

- Sau khi đã có những giá trị biến thiết kế tối ưu cho mô hình chi tiết, liên kết từ FEA trở lại với hệ thống CAD là quá trình thực hiện hoàn toàn thủ công Khi đó người thiết kế phải thay đổi những giá trị tham số cũ bằng giá trị mới, rồi dùng hệ thống CAD tái tạo lại mô hình với hình dáng mới của chi tiết

Mặc dù phương pháp này giúp ích rất nhiều cho quá trình thiết kế, nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, hiện nay đã có hệ thống mới để cải tiến quá trình, hiệu quả hơn trong thiết kế và loại trừ những khó khăn của hệ thống cũ Hệ thống này hợp nhất các phần riêng lẻ trong tối ưu (Tối ưu hóa về dáng, tối ưu hóa hình dạng và tối ưu kích thước) lại thành một phần duy nhất và được sử dụng trong phần mềm MSC/InCheck

Mục đích của tối ưu hóa về dáng là tìm cách phân bố vật liệu tốt nhất cho cấu trúc để đạt sự cực tiểu hoặc cực đại giá trị theo một tiêu chuẩn nào đó (độ cứng toàn phần, năng lượng biến dạng, tầng số tự nhiên…), thõa mãn những ràng buộc (giảm thể tích, ứng suất…) Do đó người thiết kế có thể loại bỏ những phần vật liệu không cần thiết Mặt khác nó còn giúp hình thành ý tưởng mới và hiệu quả hơn cho quá trình thiết

kế, vì nó tạo ra kiểu dáng mới từ một không gian thiết kế ban đầu chưa rõ hình dáng Tối ưu hóa về dáng có thể được dùng để tạo ra thiết kế ban đầu hoặc là phương tiện để tinh chỉnh thiết kế đã có Nó là bước đầu của giai đoạn phát triển sản phẩm Khi dữ liệu được nhập vào, phần mềm tối ưu sẽ số hóa việc xây dựng hình dạng để có giá trị tốt nhất của tốt nhất của vật liệu, độ cứng và yêu cầu tải trọng Cụ thể là mô hình chi

tiết sẽ được chia ra thành nhiều phần tử nhỏ, mỗi phần tử sẽ được đặc trưng bằng một giá trị nằm trong khoảng 0 - 1 Tính tối ưu về dáng là tìm giá trị tối ưu của tập hợp số

đó, sao cho đạt giá trị tốt nhất về năng lượng biến dạng (Tích số của lực tác dụng và chuyển vị) thõa điều kiện ràng buộc về thể tích cho trước Những màu sắc trên mô hình cho biết những phần chịu lực cần phải giữ lại (tương ứng với giá trị 1) và những phần cần phải bỏ đi (tương ứng với giá trị 0)

b) Các hệ thống tích hợp CAD/CAE/CAM

- Phần mềm CAD: Autodesk Inventor, AutoCAD, Solidworks, Solidedge, Intergraph, Mechanical Desktop, CADAM, CADCEUS, ThinkDesign là các phần mềm hạng trung phổ biến

- Các phần mềm CAE: ANSYS, MSC NASTRAN, SIMOLIA, Abacus, ALGOR, DADS, ADAMS…

- Các phần mềm CAM: MasterCam, PowerMILL, Vericut, Duct…

- Các phần mềm tạo hình ảnh sinh động cho sản phẩm thiết kế: 3D Studio VIZ, 3D StudioMAX, Envision, Vis Mockup…

- Các phần mềm hỗ trợ thiết kế công nghiệp - CAID: Autodesk Alias Studio, CATIA Shape Design anh Styling, NX Shape Studio, SolidThinking, Rhinoceros…

1 Pro/ENGINNEER

Pro/ENGINNEER, thuộc hãng Parametric Technology Corp (PTC), là hệ thống tích hợp CAD/CAE/CAM hàng đầu thế giới Dẫn đầu trong các hệ thống mô hình hóa tham số, thiết kế trên cơ sở đặc tính, xuất hiện từ những năm 80 thế kỷ trước, nay trở thành phổ biến trong công nghiệp Đây là hệ thống tự đông thiết kế các sản phẩm cơ khí từ thiết kế ý tưởng đến chế tạo sản phẩm, với công nghệ tích hợp giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, nâng cao quá trình kỹ thuật và tối ưu chất lượng sản phẩm PTC là một trong các công ty phát triển nhanh trong thị trường thiết kế sản phẩm cơ khí, không ngừng nâng cao giao diện với người sử dụng

2 CATIA

CATIA là hệ thống CAD/CAM/CAE của hãng Dassault.Sử dụng hệ thống để thiết

kế và chế tạo các sản phẩm 3D phức tạp.Hiện nay 7/10 máy bay và 4/10 ô tô sử dụng

các giải pháp CATIA/CADAM Lãnh vực ứng dụng rộng rãi từ thiết kế hàng tiêu dùng, máy công nghiệp đến thiết kế nhà xưởng, tàu thủy…Gần nửa triệu người sử dụng phần mềm này trên toàn thế giới Một nửa trong số đó là phiên bản tiếng Anh

3 I-DEAS

Là hệ thống CAD/CAM/CAE của hãng Structural Dyamic Research Corporation (SDRC).Năm 2001 công ty EDS (Electronic Data Systems) mua phần mềm này, sau đó kết hợp UGS Corp, để ra đời sản phẩm I-DEAS NX.Vào năm 2007 Siemens AG mua USG và đổi tên thành Siemens PLM Software.Phiên bản mới nhất I-DEAS NX 6

Tên gọi phổ biến là NX, năm 2001 công ty Unigraphics đổi tên thành UGS và từ

2007 thuộc Siemens PLM Software Đây là hệ thống CAD/CAE/CAD ứng dụng trong

mô hình hóa, phân tích, mô phỏng và chế tạo…Một trong những hệ thống CAD/CAE lâu đời và tốt nhất Phạm vi ứng dụng rộng lớn, đặc biệt trong phát triển sản phẩm ô tô (GM, Toyota, Fiat, BMW…) và hàng không Phiên bản mới nhất là NX 7 ra đời 30/09 năm 2009 Thị phần NX ngày càng cao, đặc biệt trong ngành ô tô và hàng không

- Mô hình hóa nhanh

- Phát hiện sai sót với sự trợ giúp kỹ thuật

- Công cụ vẽ tốt

- Hệ thống hỗ trợ từ thiết kế đến chế tạo

6 Autodesk Inventor Series

Bao gồm các phần mềm: AutoCAD, AutoCAD Mechanical, Mechanical Desktop và Autodesk Inventor Các đặc điểm:

- Đây là bộ phần mềm thiết kế 2D và 3D hàng đầu thế giới

- Phần mềm vẽ trên máy PC đầu tiên

- Phần mềm CAD phổ biến nhất do giá thấp và sử dụng trên máy PC

- Công cụ lập trình mềm dẻo: Visual Lisp, VBA, ADS và ARS

- Các đặc tính mới trong Mechanical: ACIS 3.0 Advanced Solid Modelling Engine, NURBS Surface Modelling, mô hình hóa lắp ráp, thư việc chi tiết chuẩn

Autodesk Inventor trong các năm gần đây phát triển nhanh chóng, được phát triển

từ năm 1999 và đến 2005 là phần mềm CAD bán chạy nhất tren thế giới Ngoài chức năng mô hình hóa trong Autodesk Inventor còn có thể:

Đây là phần mềm máy tính hỗ trợ thiết kế cơ khí của công ty Solidworks từ năm

1993 và thuộc Dassault System từ năm 1997

Solidworks là hệ thống CAD hàng đầu thế giới do giá thấp có thể mô hình hóa

chi tiết, lắp ráp, tự động lắp ráp và có chức năng vẽ hai chiều

Các phần môđun nhúng vào Solidworks bao gồm:

- COSMOSXpress – công cụ phân tích ứng suất dễ dàng

- COSMOSWorks – phân tích ứng suất, ổn định, dao động, nhiệt và tối ưu

- COSMOSMotion – Phân tích chuyển động và động học

- COSMOSFloWorks – Phân tích dòng chảy

- COSMOSEMS – mô phỏng trong môi trường 3D các ứng dụng điện cơ và điện

tử tần số thấp

- COSMOSDesignSTART là chương trình phân tích thiết kế mạnh có thể làm việc với nhiều hệ thống CAD khác nhau

8 Microstation

Microstation là hệ thống CAD thuộc Bentley Systems

Lãnh vực sử dụng: Nhà cửa, sân bay, bệnh viện, đường cao tốc và nhà xưởng công nghiệp qui mô toàn thế giới Khoảng 70% công ty kỹ thuật lớn của Mỹ sử dụng

và được ứng dụng rộng rãi bởi tác động quan trọng của nó trong việc tạo ra những ý tưởng thiết kế hiệu quả hơn ngay từ khi thiết kế sơ bộ Cụ thể là mô đun MSC/InCheck, ANSYS/Design Optimization, ANSYS/Topological Optimization, ANSYS Workbench/ Shape Finder, Pro/MEchanica…

Để minh họa cho công cụ tối ưu hóa về dáng ta thực hiện tính toán một số kết cấu dựa trên phần mềm ANSYS:

- Khung xe đạp: Để có được khung xe đạp như ngày nay phải trải qua quá trình tìm tòi, nghiên cứu của nhiều nhà phát minh Tuy nhiên với công cụ tình toán mạnh