Ứng dụng phần mềm catia trong thiết kế và lập trình gia công trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- TRẦN CÔNG CHI ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI TRÊN MÁY TIỆN CNC Chu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN CÔNG CHI

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ

VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI

TRÊN MÁY TIỆN CNC

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN VIẾT TIẾP

Hà Nội – 2011

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 APT Auto matically Programed Tool

2 CAD Computer Aided Drawing, Computed Aided Design

3 CAE Computer-Aided Engineering

4 CAM Computer aided manufacturing

5 CATIA Computer Aided Three Dimensional Interactive Application

6 CNC Computer Numerical Control

7 FEA Finite Element Application

8 STL Standard Template Library

9 D Đường kính trục vít

10 L Chiều dài trục vít

11 H Chiều sâu rãnh vít

12 t Bước rãnh vít

13 Q Khối lượng chi tiết

14 ρ Khối lượng riêng chi tiết

15 V Thể tích của chi tiết

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Lời cám ơn 2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4

Mở đầu 7

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 11

1.1 Tổng quan chung về công nghệ CAD/CAM 11

1.2 Lịch sử phát triển của CAD/CAM 18

1.3 Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CAD/CAM ở Việt Nam 20

Chương 2 THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI 25

2.1 Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính máy đùn nhựa 25

2.1.1 Thân máy đùn 26

2.1.2 Bộ phận cấp liệu 27

2.1.3 Gia nhiệt và làm lạnh 28

2.1.4 Đầu tạo hình 28

2.15 Động cơ điện 29

2.1.6 Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn 29

2.1.7 Hoạt động của trục vít trong thiết bị đùn 31

2.2 Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính của máy đúc phun 35

2.2.1 Máy đúc phun loại pittong 36

2.2.2 Máy đúc phun loại trục vít 36

2.3 Đặc điểm cấu tạo của trục vít có bước thay đổi 43

Chương 3 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI 47

3.1 Phân tích chi tiết và xác định sản lượng 47

3.1.1 Chức năng và nhiệm vụ 47

3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết 48

3.1.3 Xác định dạng sản xuất 50

3.2 Xác định phương pháp chế tạo phôi 50

3.2.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp chế tạo phôi 50

3.2.2 Phương pháp chế tạo phôi 51

3.3 Quy trình công nghệ gia công chi tiết 52

3.3.1 Phân tích chuẩn định vị khi gia công 52

3.3.2 Trình tự các nguyên công 55

3.4 Thiết kế nguyên công 55

3.4.1 Nguyên công I Khỏa mặt đầu và khoan hai lỗ tâm 55

3.4.2 Nguyên công II Tiện thô, tiện bán tinh và tiện tinh Ф32, Ф38 56

3.4.3 Nguyên công III Tiện thô, tiện bán tinh và tiện tinh Ф50 57

3.4.4 Nguyên công IV Phay then hoa 57

3.4.5 Nguyên công V Phay rãnh vít trên máy CNC 58

3.4.6 Nguyên công VI Nhiệt luyện, mài 59

3.4.7 Nguyên công VII Khoan, tiện lỗ, tiện ren 60

Chương 4 ỨNG DỤNG MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG TRỤC VÍT 62

4.1 Lịch sử phát triển của phần mềm CATIA 62

4.2 Cấu trúc phần mềm 63

4.2.1 Một số module chính sử dụng trong thiết kế (CAD) 64

4.2.2 Module phân tích phần tử hữu hạn (Analysis & Simulation) 65

4.2.3 Một số module chính sử dụng trong lập trình gia công (CAM) 66

4.3 Một số thao tác cơ bản trong module lập trình gia công 67

4.3.1 Các thiết lập ban đầu 67

4.3.2 Chu trình gia công tiện thô 68

4.3.3 Chu trình gia công dạng xoắn vít 72

4.3.4 Mô phỏng quá trình gia công 73

4.3.5 Xuất chương trình gia công sang mã NC 75

2.5 Thiết kế trục vít có bước thay đổi 76

2.6 Lập trình mô phỏng gia công trục vít có bước thay đổi 856

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

1 Kết luận 91

2 Kiến nghị 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những kết quả nghiên cứu trong luận văn này đảm bảo tính chính xác, trung thực và chưa có tác giả nào công bố; những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Trần Công Chi

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn Thạc sỹ, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp đã trực tiếp tận tình

hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình;

Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Các thầy cô, công nhân viên chức viện Sau đại học, Viện Cơ khí đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ;

Chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Lâm Nghiệp, Khoa Chế Biến Lâm sản, nơi tôi công tác đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình theo học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp;

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình cùng bạn bè, đồng nghiệp đã thường xuyên quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất về tinh thần cũng như vật chất cho tôi trong suốt thời gian vừa qua

Do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế, cho nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp y và phê bình của các Thầy, Cô và bạn bè

Xin trân trọng cảm ơn!

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 APT Auto matically Programed Tool

2 CAD Computer Aided Drawing, Computed Aided Design

3 CAE Computer-Aided Engineering

4 CAM Computer aided manufacturing

5 CATIA Computer Aided Three Dimensional Interactive Application

6 CNC Computer Numerical Control

7 FEA Finite Element Application

8 STL Standard Template Library

9 D Đường kính trục vít

10 L Chiều dài trục vít

11 H Chiều sâu rãnh vít

12 t Bước rãnh vít

13 Q Khối lượng chi tiết

14 ρ Khối lượng riêng chi tiết

15 V Thể tích của chi tiết

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.3 Sơ đồ sản xuất khi áp dụng hệ CAD/CAM 17

2.1 Cấu trúc của máy đùn 25 2.2 Phân loại máy đùn theo số trục vít 26

2.3 Cấu tạo họng cấp liệu 27

2.6 Dạng đầu tạo hình sản phẩm ống 29

2.11 Ma sát của trục vít trong quá trình làm việc 32

2.12 Nóng chảy tiếp giáp trong máy máy đùn trục vít đơn 33

2.13 Nóng chảy phân tán trong máy máy đùn trục vít đơn 34

2.14 Các thành phần chính của máy ép phun 37

2.17 Dạng đầu phun đóng với van đóng mở bên trong 40

2.18 Các phần cơ bản của khuôn đúc-phun 41

2.19 Một vài dạng cấu trúc của các kênh phân nhánh 42

2.20 Ví dụ mô tả các dạng phân nhánh và phần phế thải của chúng 42

2.22 Cấu tạo chung của trục vít có bước thay đổi 43

2.23 Một số loại trục vít trong máy đúc phun 45

3.2 Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng hai lỗ tâm 53

3.3 Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng mặt ngoài và lỗ tâm 54

3.4 Sơ đồ định vị gia công trục vít bằng mặt ngoài trục 54

3.5 Sơ đồ định vị nguyên công khỏa mặt, khoan tâm 56

3.6 Sơ đồ định vị khi tiện Ф32, Ф38 57 3.7 Sơ đồ định vị khi tiện Ф50 57

3.12 Gia công rãnh vít bằng trung tâm NT4300DCG 60

4.1 Sơ đồ hệ thống CAD/CAM/CAE trong CATIA 64

4.2 Module thiết mechanical design và shape 64

4.3 Module phân tích phần tử hữu hạn 65

4.4 Module lập trình gia công machining 66

4.5 Hộp thoại thiết lập Part Operation 68

4.6 Hộp thoại lựa chọn các kiểu tiện thô 69

4.7 Hộp thoại lựa chọn bề biên dạng phôi và chi tiết 70

4.8 Hộp thoại lựa chọn thông số thân dao và bàn xe dao 70

4.9 Hộp thoại thiết lập thông số hình học kiểu dao 71

4.10 Hộp thoại thiết lập thông số chế độ gia công 72

4.11 Hộp thoại Machining Parameter Strategy và Geometry Tab 72

4.13 Hộp thoại Feeds & Speeds Tab và Macros 73

4.14 Hộp thoại các công cụ mô phỏng quá trình gia công 74

4.15 Hộp thoại Generate NC Output Interactively 76

4.17 Tạo đường dẫn để sử dụng lệnh Helix 77

4.18 Tạo đường xoắn vít L2 có bước thay đổi 78

4.19 Công cụ Join liên kết 3 đường xoắn vít 78

4.21 Tạo biên dạng xoắn vít bằng công cụ Sweep 79

4.22 Tạo bề mặt khối trụ Φ=50mm 80

4.24 Tạo mặt giới hạn thoát dụng cụ 81

4.25 Lệnh Split tạo phần thoát dụng cụ 81

4.26 Lệnh Join liên kết các bề mặt 82

4.27 Lệnh Close surface tạo khối 82

4.28 Lệnh Extrude tạo trục dẫn hướng và cổ trục 83

4.31 Bản vẽ trục vít 3D sau khi hoàn thành 84

4.32 Bản vẽ trục vít 2D sau khi hoàn thành 85

4.33 Thiết lập các thông số cơ bản của máy 86

4.34 Lựa chọn dụng cụ 86

4.37 Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần cấp liệu 88

4.38 Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần nén ép 88

4.39 Kết quả mô phỏng quá trình gia công phần định lượng 89

4.40 Công cụ xuất sang chương trình gia công 90

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trước đây khi gia công những chi tiết có bề mặt phức tạp thường gặp nhiều khó khăn và mang lại hiệu quả không cao Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp sản xuất tự động phát triển theo Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, sự ra đời của máy công

cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của hệ thống CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing) đã nhanh chóng tạo ra những bước nhảy vọt về năng suất và chất lượng Điều đó đã đưa ngành cơ khí chế tạo chuyển sang một thời kỳ mới - thời kỳ sản xuất hiện đại

Hầu hết trong các phân xưởng sản xuất ở nước ta hiện nay đều đã được trang

bị các máy công cụ CNC để phục vụ sản xuất, bao gồm các loại máy phay, tiện, mài, …v.v Nhưng việc khai thác hiệu quả các khả năng gia công của chúng còn nhiều hạn chế chủ yếu là do trình độ của cán bộ kỹ thuật Việt Nam còn yếu, các chương trình điều khiển máy CNC được người lập trình viết bằng tay, việc sử dụng các phần mềm hỗ trợ để lập trình còn chưa được phổ biến rộng rãi

Ứng dụng công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Design/ Computer Aided Manufacturing) phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề được nhiều người quan tâm, bởi công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại, mà còn góp phần nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí

Việc nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAM cho các máy CNC là lĩnh vực rất quan trọng vì nó không những nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của từng nguyên công mà còn tạo ra cơ sở quan trọng phục vụ việc tự động hoá quá trình chuẩn bị công nghệ, rút ngắn thời gian và khối lượng lao động khi chuẩn bị sản xuất, đồng thời còn tạo ra các điều kiện cơ bản cho việc điều khiển nguyên công tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất Bản chất của các phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và chế tạo chính là dựa vào máy tính để mã hoá dữ liệu hình học, nên tạo điều kiện cho các quy trình thiết kế và chế tạo được tích hợp cao độ Hệ CAD tất nhiên không hiểu được các khái niệm của thế giới thực, chẳng hạn như bản chất

hay chức năng của đối tượng được thiết kế mà hệ CAD chỉ thi hành chức năng của mình nhờ khả năng mã hoá các khái niệm hình học Chính vì vậy các chi tiết dù có phức tạp cũng sẽ dễ dàng xây dựng được mô hình bằng những phần mềm CAD và

từ đó sẽ được chuyển sang các phần mềm CAM để lập trình, kiểm tra mô phỏng trước khi đưa vào gia công trên các máy CNC

Phần mềm CATIA là một trong những hệ thống CAD/CAM/CAE 3D tương đối hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay do hãng Dassault System ứng dụng khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Xây dựng;

cơ khí tự động hóa; công nghiệp ô tô tàu thủy và cao hơn là công nghiệp hàng không Nó giải quyết công việc một cách triệt để từ khâu thiết kế mô hình CAD đến khâu sản xuất dưa trên cơ sở CAM và khả năng phân tích tính toán tối ưu hóa lời giải dựa trên chức năng CAE(Computer Aid Engineering) của phần mềm CATIA Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phần mềm này vào trong các lĩnh vực công nghiệp hiện nay đã và đang là vấn đề quan tâm không chỉ ở trên thế giới mà cả

ở Việt Nam

Như vậy, nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và chế tạo là một yêu cầu tất yếu khách quan Một trong những vấn đề mấu chốt cần phải giải quyết để nâng cao hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của quá trình gia công chế tạo cơ khí, đặc biệt là với xu thế hội nhập hiện nay

Từ những ý tưởng nêu trên Tác giả tiến hành thực hiện luận văn tốt nghiệp với

đề tài " Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công trục vít có

bước thay đổi trên máy tiện CNC” Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là những tài

liệu cần thiết phục vụ đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, góp phần nâng cao hiệu quả đào tạo, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu phần mềm CATIA ứng dụng một số module trong thiết kế và lập trình gia công Trên cơ sở đó tiến hành nghiên cứu công nghệ chế tạo và sử dụng phần mềm để thiết kế và lập trình gia công cho chi tiết trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu phần mềm CATIA là vấn đề rộng cần thời gian dài, vì vậy trong

đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau:

Phần mềm CATIA: Phần mềm CATIA được sử dụng trong đề tài là bản

V5R20 được phổ biến rộng rãi trên thị trường hiện nay

Đối tượng gia công: Đề tài nghiên cứu, thiết kế, lập trình gia công và mô

phỏng quá trình gia công biên dạng xoắn của chi tiết trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC bằng phần mềm

Địa điểm nghiên cứu: Đề tài được tiến hành nghiên cứu tại trường đại học

Bách Khoa Hà Nội; trường đại học Lâm Nghiệp và một số cơ sở sản xuất

4 Nội dung/ nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, Luận văn tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp một số cơ sở khoa học, thực tiễn quá ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong lĩnh vực cơ khí Phân tích các đặc điểm cơ bản của chi tiết trục vít có bước thay đổi để đưa ra phương án công nghệ và phương pháp chế tạo

- Ứng dụng phần mềm CATIA, ứng dụng trong thiết kế, lập trình và mô phỏng gia công trục vít có bước thay đổi trên máy tiện CNC

Với nội dung cứu đã trình bày ở trên, Tác giả chia Luận văn thành 4 chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu: Giới thiệu chung về khái

niệm CAD/CAM; Lịch sử phát triển và quá trình nghiên cứu công nghệ CAD/CAM nói chung ở Việt Nam

Chương 2 Thiết bị sử dụng trục vít có bước thay đổi: Trong chương này,

Tác giả giới thiệu một số đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết bị

có sử dụng trục vít; Giới thiệu đặc điểm cấu tạo và thông số kỹ thuật chung của trục vít

Chương 3 Quy trình công nghệ gia công trục vít có bước thay đổi: Gia

công chi tiết này là một công việc tương đối phức tạp, Tác giả đề xuất một quy trình công nghê gia công

Chương 4 Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và gia công trục vít: Trong chương này, Tác giả giới thiệu về phần mềm CATIA: Lịch sử phát triển,

cấu trúc; Sử dụng một số module của phần mềm để thiết kế, mô phỏng gia công trên máy tiện CNC

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa và phương pháp chuyên gia

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Được sử dụng trong nghiên cứu các công

trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng quan về vấn đề nghiên cứu; tạo lập cơ sở lý luận của đề tài

- Phương pháp kế thừa: Được sử dụng trong việc nghiên cứu phần mềm và đặc

điểm cấu tạo của trục vít Các kết quả đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước

có liên quan phục vụ giải quyết nội dung thiết kế, lập trình gia công

- Phương pháp chuyên gia: Được sử dụng để giải quyết các vấn đề về công nghệ

và tối ưu trong thiết kế

6 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Bổ sung dữ liệu về đặc điểm cấu tạo cũng như quy trình công nghệ gia công loại trục vít có bước thay đổi, là cơ sở để nghiên cứu và chế tạo các chi tiết có cấu

tạo phức tạp khác

- Cung cấp một số dữ liệu về phần mềm CATIA ứng dụng trong lĩnh vực thiết

kế và lập trình gia công các chi tiết trên máy tiện CNC

- Định hướng cho các cơ sở sản xuất ứng dụng phần mềm này nhằm đảm bảo nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan chung về công nghệ CAD/CAM

Gia công vật liệu là một trong những quá trình chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh của ngành cơ khí, xây dựng dân dụng và công nghiệp Quá trình gia công kim loại

và các vật liệu phi kim loại chủ yếu là quá trình gia công bằng cơ học Cùng với sự phát triển của gia công kim loại bằng cơ học mà lý thuyết cắt gọt kim loại đã ra đời

và phát triển không ngừng

Hiện nay, trong thời buổi cạnh tranh mang tính toàn cầu, các nhà sản xuất luôn luôn tìm cách giới thiệu các sản phẩm mới với tính năng đa dạng, chất lượng cao, giá thành hạ và thời gian giao hàng ngắn Để làm được điều này các nhà sản xuất phải cân nhắc kỹ từng giai đoạn trong quá trình sản xuất với những tính toán tối ưu Họ đã cố gắng sử dụng những máy tính có bộ nhớ khổng lồ, tốc độ xử lý nhanh và có khả năng tương tác đồ họa thân thiện với con người trong nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất Với sự hỗ trợ của máy tính, nhiều phần công việc đã được hoàn thành một cách tự động hóa và chính xác, giúp giảm thời gian và chi phí trong phát triển sản phẩm và trong chế tạo

Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD), chế tạo

có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM) và phân tích, tính toán kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Engineering- CAE)

là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm CAD và CAE được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm thực

CAD là từ viết tắt của Computer Aided Drawing hoặc Computed Aided Design Hiểu một cách chung nhất CAD có nghĩa là sử dụng máy tính trong quá

trình thiết kế và lập bản vẽ Theo phương pháp truyền thống thì các bản vẽ kỹ thuật thì được vẽ bằng tay Công việc này đòi hỏi rất nhiều công sức và thời gian đặc biệt

là khi gặp những chi tiết phức tạp Vì vậy mà ngày nay CAD được sử dụng rộng rãi

trong rất nhiều lĩnh vực mà không chỉ riêng trong lĩnh vực cơ khí sản xuất mà còn trong cả xây dựng, kiến trúc, mỹ thuật, thương mại, y học …v.v CAD chủ yếu được sử dụng trong thiết kế và phát triển sản phẩm bằng cách thể hiện mô hình 3D

và bản vẽ 2D Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết với các đặc trưng hình học và chức năng Khác biệt cơ bản với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD cho

phép quản lý đối tượng thiết kế dưới dạng mô hình hình học số trong cơ sở dữ liệu

trung tâm, do vậy CAD có khả năng hỗ trợ các chức năng kỹ thuật ngay từ giai đoạn

phát triển sản phẩm cho đến giai đoạn cuối của quá trình sản xuất, tức là hỗ trợ điều

khiển các thiết bị sản xuất bằng điều khiển số Hệ thống CAD được đánh giá phụ thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết kế Ngày nay những bộ phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế thực hiện một số chức năng

cơ bản như sau:

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

- Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các chức năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số

- Phân tích và liên kết dữ liệu: quản lý kết cấu lắp ghép

- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 2D với

mô hình 3D và ngược lại

- Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất, trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu,

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

- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn

- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể

Trên thị trường 3D CAD hiện nay thì phổ biến vẫn là 3 nhà sản xuất là Dassault - CATIA, PTC – Pro/E, Simens – Unigraphics Nhưng thị phần của 3 hãng

này đang bị cạnh tranh quyết liệt bởi các hãng sản xuất phần mềm mới như: SolidWorks (một nhánh của Dassault), TopSolid, Cimatron, Space-E của NTT DATA Engineering System (Japan), IronCAD và SpaceClaim

Với khái niệm về CAD hiện đại thì một gói phần mềm CAD phải gồm 3 module chính sau:

1 Design ( 2D/3D modeling, assemblies of part)

2 Analysis: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEA (Finite Element Application) để tối ưu hóa và giải các bài toán kỹ thuật như xử lý nhiệt, biến dạng,

và phân tích tải trọng, ứng suất, biến dạng, thể tích

3 Visualization: Render/Shade mô hình, Animation

Một quá trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:

- Xây dựng mô hình hình học sản phẩm

- Phân tích kỹ thuật sản phẩm

- Kiểm tra và đánh giá kỹ thuật

- Xây dựng bản vẽ kỹ thuật

CAD có nhiều ưu điểm nổi bật như:

- Tạo và sửa lỗi dễ dàng

- Trực quan hơn vì cho phép ta quan sát mô hình ở góc nhìn 3D với rất nhiều cách quan sát khác nhau

- Lưu và tái sử dụng các bản vẽ dễ dàng

- Nâng cao độ chính xác

- Lưu trữ thành cơ sở dữ liệu để dễ dàng quản lý trao đổi, thảo luận và kinh doanh

- Việc phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn

Hiện nay trên thế giới đã có hàng ngàn phần mềm CAD và một trong những phần mềm thiết kế đầu tiên là AutoCAD AutoCAD phiên bản đầu tiên (Release 1) được công bố tháng 12 – 1982 Cho đến năm 1997 thì đã có phiên bản thứ 14 (Release 14) Từ năm 2000 đến nay, gần như mỗi năm đều có ra đời phiên bản mới

CAM (Computer aided manufacturing), có thể hiểu khái niệm này là việc sử

dụng hệ thống máy tính để kiểm soát máy công cụ và các thiết bị liên quan trong quá trình sản xuất CAM cũng có thể sử dụng một máy tính để hỗ trợ nhiều hoạt động sản xuất trong cả một phân xưởng hay nhà máy bao gồm cả việc đặt kế hoạch, giao thông vận tải và quản lý lưu trữ dữ liệu

Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất của CAM là điều khiển chương trình số (Numerical Control – NC) Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ dẫn đã được lập trình để điều khiển các máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay, máy dập… Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu hình học từ cơ sở dữ liệu CAD cộng với những thông tin bổ sung được cung cấp bởi người vận hành Sơ đồ các lĩnh vực ứng dụng trong hệ CAM có thể được biểu diễn

theo sơ đồ trên hình 1.1:

Hình 1.1 Các ứng dụng trong hệ CAM [6]

LẬP KẾ HOẠCH SẢN

XUẤT

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẢN

CAM

Cơ sở dữ liệu công nghệ

Tiêu chuẩn hóa các nguyên

Điều khiển chất lượng sản

ẩ Điều khiển xưởng Giám sát các quá trình sản xuất Điều khiển quá trình sản xuất Điều khiển các máy NC & Điều khiển vật tư và công cụ Điều khiển các người máy Điều khiển thiết bị vận chuyển

Lập trình gia công

Sắp xếp dây chuyền sản xuất

Dự tính giá thành sản phẩm

Lập kế hoạch sản xuất

Lập kế hoạch sản xuất được thực hiện ở văn phòng cho các công việc cụ thể sau đây:

- Tự động hóa thiết kế quy trình công nghệ, có nghĩa là hình thành các trình tự nguyên công để gia công chi tiết cụ thể Muốn thực hiện được công việc này, ngoài các dữ liệu về hình học (bên CAD cung cấp), còn cần các dữ liệu về công nghệ như: thông số kỹ thuật của máy, thông số về dao cắt, thông số về gá lắp, thông số chế độ cắt và tiêu chuẩn hoá các nguyên công

- Tự động lập chương trình gia công cho máy điều khiển theo chương trình số Ngôn ngữ lập trình của CAM là APT (Auto matically Programed Tool) Với APT người lập trình có thể xác định hình dạng dụng cụ, dung sai, yếu tố hình học chuyển động dụng cụ Nhược điểm của APT là thời gian tính toán lớn cho những chi tiết đơn giản Ưu việt lớn nhất của APT là nó đã trỡ thành chuẩn cho thế giới rộng lớn của máy NC

- Tự động hóa lập các định mức kỹ thuật để thực hiện từng nguyên công công nghệ

- Tự động lên kế hoạch nhu cầu về cơ sở vật chất, mua bán thành phẩm và nguyên vật liệu

- Tự động lập kế hoạch sản xuất có xét tới yêu cầu và điều kiện cụ thể Việc điều khiển quá trình sản xuất được thực hiện dưới mặt bằng phân xưởng của xí nghiệp hay nhà máy Bao gồm các công việc điều khiển tự động các trang thiết bị như máy công cụ, dây chuyền sản xuất, robot vận chuyển, robot cấp phôi, lấy chi tiết…; điều khiển, giám sát hoạt động của xưởng như: chất lượng sản phẩm, cung cấp vật tư, lưu kho … Trong tất cả những công việc áp dụng của máy tính điện tử trên đây đòi hỏi có sự tham gia của con người hoặc để nhập dữ liệu đảm bảo cho chương trình làm việc hoặc để giám sát các kết quả thực hiện

Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng tích hợp CAD/CAM Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt nhiều tùy thuộc tính năng của chúng Các phần mềm CAM, CAD/CAM phổ biến ở Việt Nam hiện

nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM, Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron, VISI-Series,…

Tổ hợp CAD/CAM là một hệ thống mà ở đó mối liên kết giữa thiết kế và chế tạo được hoàn thiện dựa trên cơ sở sử dụng thông tin và dữ liệu của quá trình CAD trực tiếp trong thủ tục CAM Như vậy tránh được sự hình thành một cách độc lập các dữ liệu cho chương trình của máy tính trong lĩnh vực sản xuất

Hình 1.2 Mô hình công cụ CAD/CAM [15]

Khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ đồ họa Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất Cụ thể trong pha thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp

Sự kết hợp của CAD/CAM đã tạo ra các hệ thống tự động thiết kế và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng nhất định

Tự động hoá thiết kế là quá trình sử dụng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp người kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế

Còn Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều khiển và kiểm tra các nguyên công gia công

Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất Chuỗi các bước được tiến hành với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM

Để đánh giá được tầm quan trọng của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất chúng

ta cần phải phân tích các phạm vi hoạt động khác nhau và chức năng tương ứng để thực hiện việc nghiên cứu và chế tạo sản phẩm Các thể loại công việc và chức năng của chúng trong chu kỳ sản xuất được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ sản xuất khi áp dụng hệ CAD/CAM [15]

Sơ đồ hình 1.3 ta cho thấy Chu kỳ này hoạt động theo nhu cầu của khách hàng

và thị trường tiêu thụ Chu kỳ sản xuất có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của khách

hàng Có trường hợp công việc thiết kế là do khách hàng thực hiện cho nên nhà máy chỉ có nhiệm vụ chế tạo sản phẩm đã được thiết kế đó Trường hợp thứ hai là nhà máy đảm nhận luôn cả công việc thiết kế và chế tạo sản phẩm Tuy nhiên nếu tổng quát mà nói thì đều xuất phát từ ý đồ tạo ra sản phẩm mới Dựa vào ý đồ tạo ra sản phẩm đó mới thiết kế sản phẩm, hoàn tất bản vẽ

Trên bản vẽ sản phẩm phải nêu rõ các yêu cầu kỹ thuật cần phải đảm bảo trong quá trình chế tạo Trên cơ sở các bản vẽ chi tiết phải lập quy trình công nghệ chế tạo sản phẩm và lập kế hoạch sản xuất Để chế tạo sản phẩm phải lập nhu cầu về trang thiết bị công nghệ và các dụng cụ cần thiết Kế hoạch sản xuất phải chỉ rõ thời gian

và sản lượng xuất xưởng trong thời gian đã định Tiếp theo là công đoạn đưa vào sản xuất, chế tạo xong phải tiến hành kiểm tra và thử nghiệm sản phẩm, cuối cùng

là bàn giao cho khách hàng Trong giai đoạn thiết kế sản phẩm mới, áp dụng máy tính điện tử cho phép tự động hóa thiết kế, in các bản vẽ và tài liệu kỹ thuật

Nói tóm lại : CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức năng

của chu kỳ sản xuất Ở các nhà máy hiện đại, trong công đoạn thiết kế và chế tạo,

kỹ thuật tính toán ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu không thể thiếu được

1.2 Lịch sử phát triển của CAD/CAM

Lúc đầu CAD/CAM là hai ngành phát triển tách biệt nhau, độc lập với nhau trong khoảng 30 năm Hiện nay chúng được tích hợp thành một hệ, trong đó thiết kế

có thể lựa chọn phương án tối ưu và quá trình sản xuất có thể được giám sát và điều khiển từ khâu đầu đến khâu cuối

Năm 1950 được gọi là thời đại của đồ họa máy tính tương tác Cụ thể, ý tưởng

về sự phát triển điều khiển số (Numerical control = NC) cho máy công cụ được hình thành vào năm 1940 - 1950 do John t Parsons tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT- Massachusetts Institute of Technology Cambridge, USA) Vì nhiệm vụ của Không lực Hoa Kỳ cần chế tạo những chi tiết quan trọng của những máy bay lớn từ vật liệu đồng nhất hơn là dùng đinh tán hay hàn các vật liệu lại với nhau Tuy nhiên trong thời đại này quá trình phát triển gặp nhiều khó khăn bởi những thiếu sót của các máy tính lúc đó Trong thời gian cuối những năm 1950, sự phát triển của công

cụ lập trình tự động (APT - Automatically Programmed Tool) đã bắt đầu khám phá tiềm năng của card đồ họa tương tác

Năm 1959 thiết bị đồ hoạ đầu tiên là màn hình xuất hiện tại Đức và cho đến năm 1960 - SAGE (Semi-Automatic Ground Environment System) xuất hiện bút sáng thao tác với màn hình ra đời Màn hình là thiết bị thông dụng nhất trong hệ đồ hoạ, các thao tác của hầu hết các màn hình đều dựa trên thiết kế ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) Khi đó giá để làm tươi màn hình là rất cao, máy tính xử

lý chậm, đắt và không chắc chắn

Phần mềm CAD đầu tiên là SKETCHPAD xuất hiện vào những năm 1960

-1963 được viết bởi Ivan Sutherland thuộc trường kỹ thuật Massachusetts Đây là lần đầu tiên có khả năng tạo mới, hiển thị và thay đổi được thực hiện trong thời gian thực trên màn CRT

Trong những năm sau đó, công nghệ CAD tiếp tục phát triển và phổ biến sang các khu vực khác Các công ty ô tô công ty là những người đầu tiên ứng dụng công nghệ, và dùng nó chủ yếu để thiết kế các chi tiết cho thân ô tô Sau đó nó nhanh chóng lan sang các lĩnh vực khác của ngành công nghiệp khác thay thế dần quá trình thiết kế bằng soạn thảo trên giấy

Đến năm 1970, những nỗ lực nghiên cứu của các thập kỷ trước đây về đồ họa máy tính đã bắt đầu có hiệu quả, và tiềm năng của đồ họa máy tính tương tác về năng suất được nâng cao đã được nhận ra bởi Chính phủ, các ngành công nghiệp và các viện Hàn Lâm Do đó những năm 1970 được mô tả như là thời kỳ vàng cho máy tính soạn thảo và bắt đầu thiết kế các ứng đặc biệt khác Đến năm 1979-1980 hiệp hội đồ họa máy tính quốc gia (NCGA) được thành lập và kỹ thuật đồ họa (Initial Graphics Exchange Specification -IGES) được khởi xướng

Hình 1.4 Lịch sử triển của CAD/CAM/CNC [6]

Cũng như CAD, hệ CAM được phát triển ứng dụng đầu tiên tại MIT cho các máy gia công điều khiển số CNC bằng máy vi tính vào đầu những năm 70 Cùng lúc đó, các loại màn hình 19 Inch ra đời đã thay thế các loại màn hình tiêu chuẩn cũ

11 Inch, có nghĩa là các loại bản vẽ đã có thể quan sát lớn hơn so với trước đây

Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 và 80 Cho đến những năm cuối thế kỷ 20, công nghệ CAD/CAM đã trở thành một lĩnh vực đột phá trong thiết kế, chế tạo và sản xuất sản phẩm công nghiệp Hai lãnh vực này ghép nối với nhau đã trở thành một loại hình công nghệ cao, một lãnh vực khoa học tổng hợp của

sự liên ngành Cơ khí – Tin học – Điện tử – Tự động hóa Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, CAD/CAM đã được nhận thức và chấp nhận nhanh chóng trong rất nhiều ngành công nghiệp vì nó là hạt nhân chính để sáng tạo và sản xuất sản phẩm, để tăng năng xuất lao động, giảm cường độ lao động và tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao độ chính xác chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao

1.3 Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ CAD/CAM ở Việt Nam

Trong nền kinh tế quốc dân, ngành Cơ khí đóng một vai trò rất quan trọng Ngay từ khi mới ra đời, ngành công nghiệp cơ khí ở nước ta đã được Đảng và Nhà nước xác định là ngành có vai trò then chốt và luôn được ưu tiên phát triển, đã có nhiều nhà máy cơ khí lớn được xây dựng, có nhiều trung tâm đào tạo, nghiên cứu ra đời Theo số liệu thống kê gần đây, số lượng cơ sở cơ khí có khoảng 53.000 cơ sở

và số lượng công nhân tham gia trực tiếp khoảng 500.000 lao động, chiếm khoảng

12% lao động công nghiệp của cả nước, góp phần đáng kể trong công cuộc Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM ngày càng trở nên thông dụng trên thế giới và cả ở nước ta, nó đang dần dần thay thế các công nghệ gia công truyền thống Về bản chất, công nghệ CAD/CAM kết hợp CNC là sự kế thừa và phát triển các phương pháp gia công cổ điển, ứng dụng công nghệ thông tin và điều khiển tự động vào các quy trình tính toán thiết kế, chế tạo từ các chi tiết máy đơn giản, dây chuyền sản xuất bán tự động

và tự động, đến các hệ thống thiết bị tinh vi và phức tạp

Năm 1984, ông Nguyễn Quang - một Việt kiều ở Đức về nước, đem theo những hiểu biết về CAD/CAM Theo nhiều tài liệu cho rằng ông là người đầu tiên

có các bài trình bày về vấn đề này ở nước ta Sau đó một nhóm chuyên gia tin học ở

TP HCM thời đó tiếp tục công việc của ông đã gặt hái một vài thành công đầu tiên như thiết kế tấm thảm len bằng máy tính và tổ chức dệt thành công tại xí nghiệp thảm len Đà Nẵng (1986), viết phần mềm CAD cho nhà máy dệt Đông Á (1989) và

đã được sử dụng trong nhiều năm, xây dựng hệ CAD/CAM cho khâu làm chương trình dệt cho nhà máy dệt chăn Bình Lợi (1990)

Cho đến nay, công nghệ CAD/CAM đã được ứng dụng rất rộng rãi Trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy, CAD/CAM đã hỗ trợ đưa ra các thiết kế đảm bảo các phép toán ổn định và sức bền thân tàu, cho việc lập bảng tọa độ và làm trơn nhẵn đường hình dáng vỏ tàu, cho việc khai triển tôn, bố trí để tiết kiệm nguyên vật liệu, cho tính tải và dao động của động cơ diesel, cho việc khống chế tai nạn trên biển, cho hệ thống đường ống mà ta phải khai triển cắt góc v.v Các kỹ sư máy tàu

và vỏ tàu của Tập đoàn Công nghiệp tàu thủy Việt Nam (VINASHIN) đã thiết kế và chế tạo các bản vẽ trên máy tính dựa vào các phần mềm chuyên dụng như Autoship, Ship Constructor, Nupas-cadmatic…v.v., sau đó các bản vẽ được trực tiếp gửi tới máy CNC Trong việc điều hành, quản lý và quản trị, hệ thống máy tính cũng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong những xưởng của các nhà máy đóng tàu Trong các ngành công nghiệp khác như ngành dệt may, điện tử, y học, gia công gỗ v.v

việc ứng dụng CAD/CAM cũng đang rất phát triển và đã đạt được nhiều thành tự to lớn

Trong lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo chúng ta cũng đã có được nhiều thành tựu đáng kể như: Những nghiên cứu về cơ sở CAD/CAM trong lĩnh vực thiết

kế của các tác giả: TS.Lưu Quang Huy, TS.Nguyễn Thế Tranh …v.v với các công trình nghiên cứu về cơ sở hình học về CAD đã đưa ra những cơ sở lý luận khoa học

về cơ sở mô hình hóa và việc biểu diễn các mô hình hình học bằng các phương trình toán học cơ bản

Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong thiết kế và lập trình trên máy CNC

đã được các nhà khoa học như: GS Nguyên Đắc Lộc, PGS Tăng Huy, GS Trần Văn Địch, PGS Trần Xuân Việt …v.v được giới thiệu trong các tài liệu “ Điều khiển số và công nghệ trên máy điều khiển số” [9], “Công nghệ CNC” [2], “Công nghệ gia công trên máy điều khiển số” [16], v.v Những nghiên cứu đã đưa ra cơ sở

lý thuyết và việc ứng dụng CAD/CAM vào thực tiễn khi lập trình gia công các chi tiết cơ khí từ đơn giản đến phức tạp

Các nghiên cứu chuyên sâu về các bộ điều khiển và ứng dụng các hệ thống điều khiển số trong các máy CNC phải kể đến các tác giả lớn như: PGS Tạ Duy Liêm, PGS Hoàng Vĩnh Sinh được giới thiệu trong tài liệu “Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ CNC” [13], công trình nghiên cứu khoa học “KC.05.DA03/06-10”

Việc nghiên cứu các phần mềm ứng dụng trong lĩnh vực này đã được một số tác giả TS Nguyễn Huy Ninh, TS Nguyễn Trọng Doanh…v.v với các công trình nghiên cứu như: “Xây dựng phần mềm tích hợp CAD/CAM phục vụ công tác thiết

kế và gia công trên máy CNC và tạo mẫu nhanh”, “các nghiên cứu về bộ điều khiển PLC trong các thiết bị điều khiển số” Các công trình nghiên cứu này đã bước đầu tạo lập cơ sở cho lĩnh vực thiết kế, sáng tạo ra các phần mềm cũng như các hệ thống phần cứng của hệ thống điều khiển số, thúc đẩy ngành công nghiệp chế tạo các máy

và thiết bị gia công chính xác phát triển

Liên quan đến vấn đề này, mỗi năm còn có rất nhiều các công trình nghiên cứu của các học viên, các nghiên cứu sinh đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Y học, nghệ thuật, dệt may…v.v và đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí như: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật CAD/ CAM trong thiết kế chế tạo khuôn mẫu chính xác” của Thạc sỹ Trịnh Văn Long [8], “Nghiên cứu công nghệ gia công bề mặt cong phức tạp trên máy phay CNC TNG-40A” của Thạc sỹ Nguyễn Quốc Dũng [1] v.v

Cùng với sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM nói chung, phần mềm CATIA cũng đã có rất nhiều nghiên cứu Kết quả đạt được là những công trình khoa học, những ứng dụng của nó cũng đã và đang phát triển, trong thực tiễn được áp dụng rộng rãi như: “Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm catia trong thiết kế và lập trình gia công chi tiết khuôn đúc hộp số động cơ Diese (2009)” của Thạc sỹ Nguyễn Ngọc Văn Thành [14]; “Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế

và lập trình gia công nhóm ống cút thủy lực trên máy tiện CNC (2008) ” của Thạc

sỹ Bùi Thị Len [12] Các kết quả nghiên cứu đã khai thác và sử dụng hiệu quả phần mềm ứng dụng trong lĩnh vực gia công cơ khí tự đông, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

Tóm lại: Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo nói chung và việc ứng dụng công nghệ

CAD/CAM vào sản xuất nói riêng có những bước phát triên đáng kể Tuy nhiên, từ khi bước sang cơ chế thị trường, ngành cơ khí Việt Nam đã bộc lộ rất nhiều yếu kém, trong đó vấn đề nổi cộm nhất là khả năng cạnh tranh của ngành rất hạn chế ngay cả ở thị trường trong nước Thị trường tiêu thụ sản phẩm bị thu hẹp, không đủ sức cạnh tranh với hàng hoá ngoại nhập, hoạt động sản xuất kinh doanh gặp rất nhiều khó khăn v.v, nhiều doanh nghiệp đứng trước nguy cơ bị phá sản Có nhiều nguyên nhân làm cho chi phí sản xuất cao, chất lượng sản phẩm thấp nhưng trong

đó một trong những nguyên nhân chính là chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng hiệu quả các thiết bị hiện đại cũng như các phần mềm ứng dụng

Thiết bị công nghệ và các quá trình gia công có sự trợ giúp của máy tính đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh Đó là những cơ sở và luận chứng khoa học

nền tảng cho các nghiên cứu phát triển và ứng dụng Tuy nhiên, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung, công nghệ CAD/CAM cần phải được nghiên cứu sử dụng một cách có hiệu quả và đáp ứng được theo yêu cầu là một trong những nhiệm vụ cấp thiết và quan trọng hàng đầu trong mọi quá trình sản xuất mang tính công nghệ cao hiện nay

Vấn đề nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM ở nước ta cho tới nay vẫn còn nhiều hạn chế Phần lớn việc nghiên cứu và đào tạo được thực hiện mang nặng lý thuyết do điều kiện thực hành có nhiều hạn chế Chính vì vậy trong quá trình sản xuất gặp rất nhiều khó khăn và vẫn chưa khai thác triệt để các chức năng của chúng

Phần mềm CATIA là một trong những hệ thống CAD/CAM mạnh mẽ nhất hiện nay được sử dụng rộng rãi trên thị trường quốc tế và đang dần dần phát triển rộng ở Việt Nam Phần mềm có giao diện sử dụng thân thiện, trực quan với người dùng và đáp ứng được rất nhiều yêu cầu khi giải quyết các bài toán kỹ thuật Tuy nhiên qua khảo sát chung và thực tế sử dụng tôi thấy trong điều kiện sản xuất cụ thể vấn đề cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu để có sử dụng hiệu quả phần mềm này Vì vậy, cần phải có những công trình nghiên cứu cụ thể về khả năng và vận dụng nó vào sản xuất góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế thích ứng với các điều kiện sản xuất cụ thể

Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết

là thời sự và cấp thiết

Chương 2 THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRỤC VÍT CÓ BƯỚC THAY ĐỔI

Trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy, việc nghiên cứu đặc điểm công nghệ

và cấu tạo của các chi tiết máy nhằm phục vụ cho công tác thiết kế là vấn đề hết sức cần thiết và có ý nghĩa

Trục vít có bước thay đổi là một trong những chi tiết cấu tạo tương đối phức tạp Đây là một chi tiết máy quan trọng trong các loại thiết bị gia công chất dẻo như máy ép phun nhựa hoặc máy đùn [5]

2.1 Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính máy đùn nhựa

Nhiệm vụ chính của thiết bị đùn là tạo nên áp suất đủ lớn để đẩy vật liệu qua khuôn Áp suất này phụ thuộc: cấu trúc hình học của khuôn và tính chất dòng chảy của vật liệu và tốc độ chảy Thiết bị đùn thông thường có 2 dạng:

- Thiết bị đùn nhựa (Plastics extrunder): Thực hiện nhiệm vụ di chuyển, bơm nhựa

- Thiết bị đùn gia công (Plasticating extrunder): Không chỉ vận chuyển nhựa

mà còn làm nhuyễn hoặc nóng chảy vật liệu nhựa Vật liệu dạng hạt rắn được cấp vào thiết bị và đưa nhựa đã nóng chảy đến khuôn

Hình 2.1 Cấu trúc của máy đùn

Trên hình 2.1: A: trục vít, B: thân máy (xylanh), C: thiết bị gia nhiệt, D: đầu

đo nhiệt , E: họng cấp liệu, F: Phễu cấp liệu, G: giảm áp lực đẩy, H: giảm tốc bằng bánh răng, I: motor, J: vùng cấp liệu, K: vùng nén, L: vùng đẩy

Trong lĩnh vực gia công chất dẻo, có 3 loại máy đùn chính: đùn trục vít, đùn pittông, và đùn trống hay đĩa Loại đùn trục vít thì được chia ra thành loại 1 trục hoặc 2 trục Loại 2 trục quay cùng chiều có hai trục đặt cạnh nhau thường sử dụng ở tốc độ cao 200 – 500 vòng/phút Tuy nhiên với các loại thiết bị mới hiện nay có thể đạt tốc độ 1000 - 1600 vòng/phút

Hình 2.2 Phân loại máy đùn theo số trục vít

a- Loại đơn trục vít b- Loại hai trục vít

Loại hai trục ngược chiều thường tốc độ làm việc phụ thuộc vào ứng dụng

Sử dụng chủ yếu để phối trộn chạy ở tốc độ 200-500 vòng/phút Loại tốc độ thấp hay sử dụng hơn, 10 – 40 vòng/phút Loại ngược chiều có đặc tính vận chuyển tốt hơn so với loại cùng chiều Một đặc tính khác để phân biệt máy đùn là mức độ ăn khớp vào nhau của cánh trục vít Hai trục vít không xen kẻ nhau có ưu điểm là không có tiếp xúc giữa kim loại-kim loại nên tỷ số L/D đạt đến 100:1 hay cao hơn Ngược lại tỷ số L/D của trục vít xen kẻ nhau thường nhỏ hơn khoảng 60 Một nhược điểm của loại hai trục không ăn khớp nhau là khả năng trộn bị hạn chế

2.1.1 Thân máy đùn

Có dạng hình trụ, bên trong được phủ vật liệu cứng, chống mài mòn Trên thân máy, có các lỗ thông khí đề thoát các chất bay hơi có trong nhựa - gọi là quá trình tách khí

2.1.2 Bộ phận cấp liệu

Bộ phận cấp liệu được nối vào thân máy đùn Họng cấp liệu (feed throat) có

hệ thống nước làm mát tránh hiện tượng nóng chảy vật liệu, dính vào thành thiết bị Chiều dài của họng khoảng 1.5 lần, rộng khoảng 3/4 đường kính của thân máy đùn

Hình 2.3 Cấu tạo họng cấp liệu

Một số máy đùn không có họng cấp liệu, liệu được đưa trực tiếp vào thân máy đùn Nó có ưu điểm là chi phí thấp, ít chi tiết, không khó khăn để bố trí họng cấp liệu với thân máy đùn Tuy nhiên rất khó tạo được cách nhiệt giữa vùng nhiệt độ cao thân máy với vùng nhịêt độ thấp họng cấp liệu, rất khó làm lạnh họng cấp liệu

Hình 2.4 Hình dạng phễu nạp liệu

Ngoài ra phễu nạp liệu còn được thiết kế sao cho đảm bảo dòng vật liệu chảy

ổn định Có các thiết bị hỗ trợ để giúp quá trình nạp liệu ổn định

2.1.3 Gia nhiệt và làm lạnh

Các thiết bị gia nhiệt bằng điện được đặt dọc theo thân máy đùn Các máy đùn thường có ít nhất 3 vùng nhiệt độ dọc theo chiều dài của thân máy đùn Các máy đùn dài hơn, có trên 8 vùng nhiệt độ Mỗi vùng có hệ thống gia nhiệt và làm lạnh riêng, có sensor đo nhiệt độ Nhiệt độ thường đo bên trong thân máy Khuôn có thể

có một hay nhiều vùng nhiệt độ phụ thuộc vào độ phức tạp của nó Khuôn thường được gia nhiệt, ít khi phải làm lạnh

Thân máy đùn phải làm lạnh nếu nhiệt độ của nhựa tăng, tránh làm nhiệt độ của thân máy đùn tăng quá giới hạn cho phép Điều này cũng xảy ra tương tự khi đùn nhựa có độ nhớt cao, tốc độ đùn lớn Làm lạnh có thể bằng không khí Quạt gió đặt ở phía dưới máy đùn, mỗi quạt làm lạnh cho mỗi vùng

Hình 2.5 Gia nhiệt và làm lạnh của máy đùn

Khi cần lấy đi một lượng nhiệt lớn, có thể dùng nước Máy đùn hoạt động tốt nhất khi trục vít cấp đủ năng lượng cho quá trình, gia nhiệt hoặc làm lạnh cũng sẽ ít

đi Do vậy, với máy đùn trục vít đơn, làm lạnh bằng không khí là đủ Nước làm lạnh quá nhanh sẽ gây khó khăn cho việc khống chế đúng nhiệt độ

2.1.4 Đầu tạo hình

Đầu tạo hình đặt ở đầu ra của máy đùn Tạo ra sản phẩm với hình dạng mong muốn Đầu tạo hình dạng vành khuyên (annular die) dùng tạo ống, bọc dây điện Đầu tạo hình có khe (slit die) dùng tạo màng mỏng, tấm Đầu đùn circular die dùng

để tạo sản phẩm dạng sợi, que Đầu tạo hình profile để tạo các sản phẩm có các hình dạng khác Đầu tạo hình được định danh theo loại sản phẩm nên ta có thể gọi: đầu tạo hình tấm, màng mỏng;

Hình 2.6 Dạng đầu tạo hình sản phẩm ống

Khi nhựa vào đầu tạo hình nhựa chảy thành dòng đều đặn và chảy về đỉnh chóp, sản phẩm dạng ống được tạo ra Vì có rất nhiều biến ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của nhựa đùn nên rất khó dự đoán chính xác kích thước và hình dạng của nhựa khi ra khỏi đầu tạo hình Chính vì điều này, sẽ rất khó khăn khi tính toán kênh dòng nhựa chảy trong đầu tạo hình để có được sản phẩm mong muốn Thường hiện nay thiết kế đầu tạo hình chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và mô phỏng bằng các phần mềm CAE

2.15 Động cơ điện

Động cơ điện dùng để kéo quay trục vít Tốc độ quay của động cơ thường lớn hơn rất nhiều so với tốc độ quay của trục vít (khoảng 100 vòng/phút) Thường tỷ lệ này là 15:1 đến 20:1; có thể thấp nhất 5:1 và cao nhất là 40:1 do vậy thường phải sử dụng bộ giảm tốc

2.1.6 Một vài dây chuyền sản xuất có sử dụng máy đùn

Hình 2.7 Dây chuyền tạo màng, tấm phẳng

Hình 2.8 Dây chuyền phủ nhựa

Hình 2.9 Dây chuyền thổi mạng

Hình 2.10 Dây chuyền đùn định hình 2.1.7 Hoạt động của trục vít trong thiết bị đùn

Chức năng của mỗi vùng trong máy đùn phụ thuộc hình dạng máy đùn, đặc tính của nhựa, điều kiện hoạt động của máy Ranh giới của các phần trên trục vít

không cố định nhưng ranh giới của các vùng chức năng có thể thay đổi theo tính chất của nhựa vì điều kiện hoạt động của máy đùn

a Vận chuyển vật liệu rắn

Vật liệu sẽ di chuyển trong phễu cấp liệu và dọc theo phương bán kính của trục vít Trong phễu cấp liệu, vật liệu di chuyển do tác dụng của trọng lực Dọc theo trục vít lực ma sát tác động lên nhựa Trong vùng vận chuyển vật liệu rắn, vùng nóng chảy và vùng vận chuyển vật liệu nóng chảy, vật liệu vận chuyển được cũng theo cơ chế này

Khi vật liệu gồm hạt có kích thước lớn, nhỏ, hạt nhỏ tách khỏi các hạt lớn, tạo nên dòng chảy không ổn định Điều này gây ra độ bất ổn định ở đầu ra của máy đùn Với các vật liệu khó thao tác: phân bố kích thước hạt trong một vùng rộng, mật

độ khối thấp, máy đùn cần phải cải tiến để hoạt động có hiệu quả - đường kính vùng cấp liệu lớn hơn ở vùng xếp đặt hoặc dùng phễu cấp liệu có vít tải Trong một số trường hợp có thể dùng vùng cấp có rãnh xoắn

Do lực ma sát nhựa sẽ vận chuyển dọc theo chiều dài của trục vít Khi trục vít quay sẽ sinh ra hai loại lực ma sát khác nhau là ma sát giữa nhựa và trục vít và ma sát giữa nhựa và thành máy đùn

Hình 2.11 Ma sát của trục vít trong quá trình làm việc

Thực ra để đẩy vật liệu tiến lên phía trước là do lực ma sát tại thành máy đùn Nếu thành máy đùn không có ma sát, vật liệu sẽ rơi vào các rãnh của trục vít và chỉ

có chuyển động tròn Do đó ma sát trên thành máy đùn là điều kiện cần để vận chuyển vật liệu lên phía trước Không có ma sát sẽ không có vận chuyển

Để tăng hiệu quả vận chuyển, ngoài tăng ma sát của thành máy đùn, còn có thể giảm ma sát trên trục vít Thực hiện bằng cách: thiết kế trục vít thích hợp, nhiệt độ trục vít, vật liệu làm trục vít Giảm ma sát trục vít có thể thực hiện bằng việc đốt nóng bên trong trục vít (dùng dầu để trao đổi nhiệt) Một cách khác, đặt bộ phân gia nhiệt bên trong trục vít Xử lý hoặc phủ một lớp kim loại khác lên bề mặt trục vít có thể giảm ma sát bề mặt

Hình 2.12 Nóng chảy tiếp giáp trong máy máy đùn trục vít đơn

Nhựa tiếp tục nóng chảy được thu vào trong màng nhựa, nhưng bị đẩy ra, ép vào cánh trục vít đang hoạt động Kiểu này thường thấy với máy đùn đơn trục vít

- Nóng chảy phân tán: Các hạt rắn phân tán trong một môi trường nóng chảy Chúng giảm kích thước cho đến khi chảy hoàn toàn Kiểu nóng chảy này thường thấy trong máy đùn hai trục vít, máy đùn đơn trục phối trộn Theo chiều dài của trục, nóng chảy xảy ra ở điểm 1 – 2D Trong máy đùn đơn trục chiều dài này là 10-15D

Hình 2.13 Nóng chảy phân tán trong máy máy đùn trục vít đơn

Trong máy đùn đơn trục vít, vùng vận chuyển và nóng chảy của vật liệu khoảng 15-20D Điều này có nghĩa trong máy đùn đơn trục vít không nhiều khoảng trống cho viêc vận chuyển nóng chảy, trộn và tách khí Nếu tách khí, chiều dài của máy đùn phải 30-35D Trong máy đùn hai trục vít, vùng vận chuyển và nóng chảy vật liệu chỉ có thể rộng đến 5-6D Nếu máy đùn hai trục vít dài 30D, có nghĩa vẫn còn không gian cho trộn, tách khí, phản ứng hoá học Do đó máy đùn hai trục sủ dụng linh hoạt hơn máy đùn đơn trục

Chiều dày của màng nóng chảy rõ ràng là một thông số quan trọng trong quá trình nóng chảy Màng nóng chảy mỏng là quan trọng để duy trì hiệu suất nóng chảy cao Khi màng nóng chảy mỏng, sẽ tạo ra nhiệt nhớt cao trong màng nóng chảy và nhiệt từ thành máy đùn truyền đến khối vật liệu rắn nhanh chóng hơn Chiều dày ban đầu của màng nóng chảy là khoảng hở của cánh trục vít Khoảng hở càng lớn, màng nóng chảy càng dày Trục vít hay thành máy đùn bị mòn sẽ làm tăng khoảng hở, sẽ ảnh hưởng không tốt đến quá trình nóng chảy của nhựa và hoạt động chung của máy đùn

Khi tăng nhiệt độ thành xylanh, nhựa được cấp nhiều nhiệt để nóng chảy Nhiệt độ cao, độ nhớt của màng nhựa nóng chảy, sinh nhiệt nhớt giảm Nếu giảm sinh nhiệt nhớt nhiều hơn nhiệt thân máy đùn thì hiệu ứng tổng cộng là giảm tốc độ nóng chảy Điều này nghe có vẻ không đúng Tuy nhiên, khi tốc độ trục vít cao, nhiệt sinh ra chủ yếu là nhiệt nhớt

Góc xoắn của cánh trục vít ảnh hưởng lớn đến hiệu quả nóng chảy Khi góc tăng, để nóng chảy hoàn toàn, chiều dài nóng chảy trên trục giảm Hiệu quả nóng chảy cao nhất khi góc nghiêng 90 độ Góc nghiêng này tốt cho việc nóng chảy

2.2 Đặc điểm cấu tạo một số thành phần chính của máy đúc phun

Đúc-phun là phương pháp thường gặp nhiều nhất trong công nghệ gia công chất dẻo Nguyên tắc cơ bản của phương pháp đúc-phun chủ yếu bao gồm các giai đoạn sau đây: Nấu chảy nguyên liệu chất dẻo dưới dạng bột hay hạt Nhựa nóng chảy được vận chuyển với vận tốc rất nhanh và được ép vào hốc khuôn với áp xuất thật cao, ngay sau đó vật thể đúc phun được làm nguội (đối với nhựa nhiệt dẻo), hay

tự đông cứng lại ở nhiệt độ cao ( đối với nhựa chịu nhiệt ), sau đó vật thể đúc-phun dược tách rời ra khỏi khuôn Tiến trình hoàn thành việc sản xuất một thành phẩm đúc-phun đòi hỏi phải hoàn toàn tự động và tạo nên một chu trình khép kín từ đầu dến cuối

Đúc khuôn: năng suất cao, độ chính xác cao, tạo được sản phẩm có hình dạng phức tạp Với nhựa nhiệt dẻo, 90% sử dụng đúc phun Đúc phun liên quan đến 1/3 sản lượng nhựa tiêu thụ để gia công nhựa nhiệt dẻo

Ngoài những đặc điểm trên, phương phép ép phun còn có những đặc điểm sau:

- Sản phẩm gia công khá chính xác theo 3 chiều, vì được tạo hình trong khuôn kín

- Quá trình nhựa hóa và tạo hình được thực hiện trong 2 giai đoạn riêng biệt, trong những bộ phận khác nhau của máy: nhựa hóa trong xylanh nguyên liệu và tạo hình trong khuôn đúc

- Quá trình tạo hình chỉ tiến hành sau khi làm khít hai nửa khuôn lại với nhau

- Tùy theo loại nguyên liệu đúc, chế độ nhiệt độ của khuôn đúc khác nhau Đối với nhựa nhiệt dẻo nhiệt độ của khuôn thấp hơn nhiệt độ nhựa lỏng Đối với nhựa nhiệt rắn, nhiệt độ khuôn cao hơn nhiệt độ của nhựa lỏng

- Vùng tạo hình của khuôn đã được lấp đầy nguyên liệu thì khuôn mới chịu tác dụng lực của pittong đúc gián tiếp qua nhựa lỏng