Nguyên lý thay dao và kết cấu của cụm thay dao trong máy phay CNC Thông thường, quá trình gia công các chi tiết được thực hiện tuần tự, phối hợp bằng nhiều dụng cụ khác nhau.. Khi thay
N GUYÊN LÝ THAY DAO VÀ KẾT CẤU CỦA CỤM THAY DAO TRONG MÁY PHAY
Thông thường, quá trình gia công các chi tiết được thực hiện tuần tự, phối hợp bằng nhiều dụng cụ khác nhau Do đó, trên các thiết bị tự động hóa như các máy phay CNC là một ví dụ điển hình, yêu cầu dụng cụ tương ứng đã được lắp và điều chỉnh sẵn trong các đài dao hoặc chuôi côn chuyên dùng Việc gá đặt dụng cụ vào bộ phận công tác của máy (trục chính hoặc đài gá dao), kẹp chặt lấy dụng cụ và khi bị mòn có thể thực hiện thay bằng tay hoặc thay thế tự động
Khi gá đặt bằng tay, quá trình điều chỉnh và lắp đặt dụng cụ phụ như chuôi côn, đài dao, bạc trung gian được tiến hành trực tiếp trên máy
Khi thay dụng cụ bằng phương pháp tự động, quá trình chọn dụng cụ phù hợp trong mâm chứa để gia công chi tiết, gá đặt và kẹp chặt dụng cụ tự động, tháo dụng cụ ra khỏi bộ phận công tác và đưa về mâm chứa được thực hiện nhờ hệ thống cấp phát và kẹp chặt tự động.
P HÂN LOẠI CƠ CẤU CẤP PHÁT VÀ KẸP DAO TỰ ĐỘNG
Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động bao gồm các bộ phận cơ bản sau:
- Mâm chứa dụng cụ (dao)
- Cơ cấu chọn dụng cụ cần thiết từ mâm chứa dụng cụ để chuẩn bị thay thế
- Tay máy để thay thế dụng cụ
- Cơ cấu kẹp chuôi côn hoặc đài gá dao trong bộ phận công tác
Những yêu cầu cơ bản đối với cơ cấu cấp phát dụng cụ tự động:
- Mâm chứa dụng cụ phải có dung lượng đủ lớn
- Dụng cụ phải được giữ trong ổ với độ tin cậy cao
- Thời gian thay thế dụng cụ là ít nhất
- Dụng cụ phải được giữ chặt trong tay máy khi thay thế tự động
- Chuôi dao và đài gá dao phải được định vị chính xác vào vị trí công tác
- Khoảng cách giữa mâm chứa dụng cụ với vị trí công tác là ngắn nhất
- Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động phải được thiết kế, bố trí sao cho không chạm vào phôi khi thay thế dụng cụ
- Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động phải có độ tin cậy làm việc cao
- Tránh làm bẩn các bề mặt lắp ráp của chuôi và đài gá dụng cụ
- Sử dụng và bảo dưỡng dễ dàng, đáp ứng yêu cầu an toàn.
Q UY TRÌNH THAY DAO TỰ ĐỘNG
Lưu giữ và di chuyển dụng cụ trong mâm chứa
Các phương án cấu trúc của các mâm chứa dụng cụ (Hình 1.1) Các mâm chứa tang trống (hình a, b) có sức chứa từ 12 đến 40 dụng cụ rất thông dụng và hay được dùng hơn cả Chúng có kết cấu gọn, dễ gá trên trụ đứng hoặc trực tiếp trên ụ trục chính của máy Trường hợp này cho phép giảm thời gian thay dao, nhưng lại làm tăng trọng lượng của khối di động Thông thường phương án trên hình a được sử dụng với phương án gá bên cạnh, giữa trụ đứng Phương án trên hình b thường được sử dụng trên máy CNC có trục chính nằm ngang
Kết cấu mâm chứa dạng đĩa (hình c) ít dùng, vì khi số lượng lớn sẽ kéo theo kích thước đường kính rất lớn Các mâm chứa hình côn (hình d và e) cho phép thay dao dễ dàng Các mâm chứa dạng xích tải (hình f) được sử dụng khi số dụng cụ chứa lớn (tới 140 dụng cụ)
Hình 1.1 Các phương án cấu trúc của mâm chứa dụng cụ [13] a, b : với tâm quay nằm ngang và thẳng đứng c : dạng hình sao với trục quay thẳng đứng d, e : dạng côn với trục quay thẳng đứng và nghiêng f, m: dạng xích tải n : dạng thẳng
Thay thế dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ tự động trong bộ phận công tác
Thay thế dụng cụ tự động trên các máy phay CNC có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
1 Chuyển dụng cụ từ mâm chứa chính vào các trục chính qua ổ phụ (quay đầu có 2 hoặc nhiều vị trí);
2 Thay thế trực tiếp dụng cụ từ mâm chứa vào trục chính;
3 Đưa dụng cụ từ mâm chứa vào trục chính nhờ tay máy
Các dụng cụ gá trong mâm chứa dụng cụ 1 được đưa tuần tự vào đầu trục chính 2 nhờ tay máy 3 Khi bước công nghệ kết thúc, đầu 2 sẽ quay 180 o Dụng cụ mới sẽ được lắp đặt trên vị trí công tác Tay máy sẽ lấy dụng cụ đã sử dụng ra khỏi vị trí 2 đưa về mâm chứa và chọn dụng cụ mới theo chương trình để gá vào vị trí chờ
Hình 1.2 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ trên trung tâm gia công của hãng
Mandelli [13] a Đưa ụ trục chính tới mâm chứa và gá dụng cụ vào vị trí tháo dỡ:
+ 2: ụ trục chính b Nhả kẹp trục gá, lùi trục chính, quay mâm chứa; c Lắp đặt trục gá mới vào trục chính; d Đưa ụ trục chính về vị trí gia công;
Tùy thuộc vào vị trí của mâm chứa dụng cụ trên máy, có thể sử dụng nhiều loại tay máy với chu kỳ chuyển động khác nhau Hình 1.3 là tuần tự của quá trình thay thế dụng cụ trong trục chính 3 bằng tay máy 2 từ mâm chứa dụng cụ 1
Hình 1.3 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ tự động với mâm chứa đặt phía trên trụ đứng [13] a/ b/
Hình 1.4 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ khi mâm chứa bố trí bên cạnh của máy [13] a: Sơ đồ chọn dụng cụ trong mâm chứa:
+ 3: tay máy b: Sơ đồ thay thế dụng cụ trong trục chính:
+ 2: tay máy Trong giai đoạn đầu (hình a), tiến hành chọn dụng cụ cần thiết 4 và đưa nó về vị trí thay thế bằng cơ cấu dịch chuyển dụng cụ trong mâm chứa Tiếp theo, tay máy quay 90 o để lấy dụng cụ 4 rồi chuyển động theo phương dọc trục để đưa dụng cụ ra khỏi lỗ chứa Sau khi dụng cụ 1 đã gia công xong, giá treo 2 của tay máy (hình b) sẽ quay và dùng bàn tay còn lại tóm lấy dụng cụ cần thay 1 nằm trong trục chính Nhờ chuyển động dọc trục của mình, tay máy 2 sẽ lấy dụng cụ 1 ra khỏi trục chính rồi quay 180 o để đưa dụng cụ 3 vào lỗ lắp ráp của ụ trục chính Dụng cụ 3 sẽ được kẹp chặt lại Sau đó tay máy sẽ quay 90 o về vị trí ban đầu (hình a) rồi nhả dụng cụ vào lỗ chứa của mâm dụng cụ
Sơ đồ thay thế dụng cụ trên các trung tâm gia công có trục chính thẳng đứng 3 và tay máy 2 từ mâm chứa dụng cụ 1 được trình bày như Hình 1.5 dưới đây:
Hình 1.5 Tuần tự các bước thay thế dụng cụ trên máy có trục chính thẳng đứng [13]
+ a, b: t ay máy 2 chọn dụng cụ trong m â m chứa 1 và đưa ra khỏi lỗ chứa của mâm dụng cụ;
+ c, d, e: tay máy lấy dụng cụ yêu cầu ra khỏi ổ trục chính;
+ m, n : gá dụng cụ mới vào trục chính máy;
+ p, q, k: đặt dụng cụ đã sử dụng vào mâm chứa;
+ h : hồi vị trí tay máy về vị trí ban đầu
Mâm chứa dao với cơ cấu thay dao tự động cho phép gia công nhiều bề mặt của chi tiết trong một hoặc một số lần gá đặt và do đó giảm được thời gian gia công
Những mâm chứa dao đầu tiên đã được sử dụng trong các máy nhiều nguyên công Khi số lượng dụng cụ < 30 thì các mâm chứa dao được chế tạo dưới dạng tang trống (dạng đĩa)
Hình 1.6 Mâm chứa dụng cụ dạng tang trống (dạng đĩa)
Khi số lượng dụng cụ > 30 thì mâm chứa dao được chế tạo dưới dạng xích
Hình 1.7 Mâm chứa dụng cụ dạng xích
Khi tăng lượng dao trong mâm chứa thì kết cấu của máy cồng kềnh hơn, giá thành của máy cũng tăng theo (ví dụ: mâm chứa dao và cơ cấu vệ tinh thay đổi của máy nhiều nguyên công của Nga có trọng lượng 1300 kg, kể cả các trục dao), giảm tốc độ dịch chuyển của các xích động và tăng thời gian chọn dao cần thay thế Kinh nghiệm cho thấy, số lượng dao tối ưu trong mâm chứa không quá 100 dao
Như vậy, mâm chứa dao giảm được chức năng của con người và nó là một bước phát triển trong công nghệ điều chỉnh linh hoạt.
C Ơ CẤU TRUYỀN ĐỘNG MÂM CHỨA DAO
Cơ cấu truyền động bằng bánh răng-cam hở
Hình 1.8 Cơ cấu truyền động bánh răng-cam hở
1: Động cơ thủy lực 2: Bộ truyền bánh răng trụ cấp nhanh 3: Bộ truyền bánh rang trụ cấp chậm 4: Cam hở
5: Đĩa lệch tâm 6: Công tắc hành trình
Trong quá trình gia công, khi có tín hiệu thay dao bộ phận điều khiển của máy sẽ nhận biết được dao cần thay thế đang nằm ở vị trí nào trong mâm chứa dao Khi đó máy sẽ tự lựa hành trình giữa dao hiện tại và dao cần thay để điều khiển động cơ thủy lực quay cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ tìm đến vị trí dao cần thay thế là ngắn nhất
Bộ phận điều khiển sẽ tác động lên van điều khiển, khi đó động cơ thủy lực
(1) sẽ được cung cấp dầu làm cho động cơ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ Động cơ thủy lực truyền qua bộ giảm tốc hai cấp (2,3) truyền chuyển động cho trục tải quay làm cam (4) quay Trên đầu trục tải có gắn đĩa lệch tâm (5), đĩa này có nhiệm vụ tác động vào công tắc hành trình (6) khi cam quay để báo số vòng quay đã thực hiện về bộ phận điều khiển Khi đã thực hiện đủ số vòng quay cần thiết để đưa dao vào vị trí chuẩn bị thay dao thì hệ thống sẽ tác động vào van điều khiển, động cơ thủy lực ngừng quay Khi đó, bộ phận điều khiển sẽ tác động vào van điều khiển để tác động piston chuyển động đi ra
Chuyển động quay gián đoạn của mâm chứa dao được thực hiện thông qua cơ cấu cam hở và con lăn Các con lăn được gắn chặt trên mâm chứa dao, vị trí mỗi con lăn tương ứng với một vị trí dao Nghĩa là khi cam quay một vòng thì con lăn sẽ lăn không trượt trên rãnh cam, kéo mâm chứa dao quay đi một góc 0,3 rad (góc giữa hai vị trí dao liền kề nhau) đến vị trí dao mới Khi con lăn này gần ra khỏi cam thì con lăn kế tiếp sẽ vào rãnh cam Khi trung tâm máy ngắt nguồn dầu chảy vào động cơ thì bánh cam sẽ đứng yên, khi đó hai con lăn sẽ khóa mâm chứa dao không cho mâm chuyển động do các điều kiện bên ngoài (nếu có) để ngàm kẹp dao có thể thực hiện việc lấy dao ra khỏi mâm chính xác.
Cơ cấu truyền động bằng răng-chốt định vị
1 Trục vít me chuyển động tịnh tiến Z 8 Động cơ
2 Trục chính 9 Xy lanh thủy lực
3 Cơ cấu kẹp gắp tháo lắp dao 10 Hệ thống bánh răng
4 Cụm xoay dao xuống vị trí lấy dao 11 Mâm chứa dao
5 Chuôi dao BT 40 12 Chuôi côn
7 Hệ thống bơm thủy lực 14 Motor thủy lực
Hình 1.9 Cơ cấu truyền động bánh răng-chốt định vị
Trong quá trình gia công, khi nhận được tín hiệu thay dao từ hệ thống điều khiển, máy sẽ nhận biết được dao cần thay thế đang nằm ở vị trí nào trong mâm chứa dao Khi đó máy sẽ tự lựa hành trình giữa dao hiện tại và dao cần thay để điều khiển động cơ thủy lực truyền chuyển động qua hệ thống bánh răng làm mâm chứa dao quay đến vị trí dao cần thay thế là ngắn nhất Lúc này hệ thống sẽ tác động vào cảm biển làm cho xy lanh nối với cụm gạt dao (4) để hạ dao xuống cho càng kẹp (3) thông qua một xy lanh (9) tác động vào để lấy dao Đồng thời lúc này xy lanh tác động vào chốt đẩy cắm vào lỗ cắm chốt đã định vị sẵn đi kèm với dao để cố định chính xác vị trí dao cần lấy trên mâm chứa dao.
Cơ cấu truyền động bằng cơ cấu Mante
Hình 1.10 Truyền động bằng cơ cấu Mante Đối với cụm thay dao truyền động bằng cơ cấu Mante, về cơ bản nguyên lý hoạt động cũng giống như hai nguyên lý đã để cập ở trên Đầu tiên, cụm trục chính chứa dao sẽ di chuyển tới vị trí thay dao để tiến hành thay dao, di chuyển cho tới khi cảm biến nhận biết cụm trục chính vào vị trí thay dao Xy lanh bắt đầu đẩy cụm đài dao cho tới khi cảm biến hành trình đài dao bên phải nhận thấy thì dừng lại Khi đó, tay kẹp sẽ kẹp lấy dao cần thay Sau khi tay kẹp giữ chặt dao, cụm trục chính sẽ di chuyển lên cho tới khi nào cảm biến phát hiện trục chính ở vị trí an toàn thì dừng lại Động cơ điện quay dẫn động cơ cấu Mante quay, mâm chứa dao quay tới nơi cần thay dao (được nhận biết bằng cảm biến quang đếm dao đi qua), trục chính đi xuống lấy dao, tới vị trí thì dừng lại Xy lanh khí nén đẩy cụm đài dao ra ngoài cho tới khi cảm biến nhận biết hành trình đài dao bên trái thì dừng lại, trục chính đi lên kết thúc quá trình thay dao
Với các cơ cấu truyền động trên, ta thấy cơ cấu truyền động bằng bánh răng- cam hở có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo, phù hợp với mâm chứa 16 dao Do đó, trong đề tài này, ta chọn cơ cấu truyền động động bằng bánh răng-cam hở cho mâm chứa dao.
Cơ cấu kẹp dụng cụ bằng tay kẹp
Hình 1.11 Kết cấu cơ cấu gắp dao bằng tay quay
Cơ cấu tay ghép với tính linh hoạt và độ chính xác cao ngày nay đang được sử dụng phổ biến trong các máy CNC và các trung tâm gia công, đảm bảo cho quá trình thay dao được thực hiện nhanh, tiện lợi và tuyệt đối chính xác Đáp ứng được quá trinh tự động hóa, giảm đáng kể được sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất Quá trình thay dao bằng cơ cấu tay kẹp được lần lượt thực hiện như sau:
• Bước 1: Trục chính về vị trí điểm thay dao đồng thời xy lanh đẩy ụ chưa dao hạ dao xuống đúng vị trị lấy dao
• Bước 2: Cánh tay kẹp bắt đầu hoạt động Tay quay vào vị trí kẹp dao đồng thời ở trục chính và dao thay ở mâm dao hạ xuống ở bước 1
• Bước 3: Tay quay hạ xuống thấp để đồng thời tháo dao ra khỏi trục chính và ụ chứa dao trên mâm dao
• Bước 4: Tay quay 180 o để đảo vị trí thay dao cho nhau
• Bước 5: Tay quay nâng lên vị trị lắp dao vào trục chính đồng thời lắp dao vào ụ chứa dao trên mâm dao
• Bước 6: Tay quay về vị trí an toàn ban đầu
• Bước 7: Dao trên vị trị đài dao về vị trí nằm ngang và quá trình thay dao kết thúc.
THIẾT KẾ Ổ CHỨA DAO
N GUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA Ổ CHỨA DAO
Ổ chứa dao là một chi tiết vô cùng quan trọng trong hệ thống Đây là nơi cung cấp không gian để giữ cố định và mang theo đầu kẹp dụng cụ cắt trong suốt quá trình di chuyển của mâm dao Ổ chứa dao được thiết kế phù hợp với những yêu cầu sau:
• Đảm bảo cho đầu kẹp dao được giữ cố định, không rơi rớt trong quá trình xoay của mâm dao
• Dễ dàng tháo lắp đầu kẹp dao khi cần thiết
• Lực giữ đầu kẹp trong ổ chứa dao cần được đảm bảo tốt và ổn định trong suốt quá trình hoạt động
Nguyên lý hoạt động của ổ chứa dao thể hiện qua Hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của ổ chứa dao Ổ chứa dao (1) hoạt động theo nguyên lý thông qua viên bi cầu (2) được liên kết với lo xo tạo ra lực đàn hồi tỳ sát đầu viên bi cầu vào vít rút để giữ chặt bầu kẹp
T HIẾT KẾ Ổ CHỨA DAO
2.2.1 Giới thiệu Ổ dao là chi tiết không thể thiếu trong trục chính của máy phay công cụ Là
3 Bầu kẹp dao suốt quá trình gia công Chính điều này dẫn đến hiện tượng hay hỏng hóc của chi tiết Ổ dao là chi tiết với nhiều gân tăng cứng phức tạp, hình dạng chi tiết cũng không hề đơn giản Những yếu tố trên dẫn đến khó khăn trong việc sử dụng công nghệ khuôn ép truyền thống
Hình 2.2 Hệ thống gân phức tạp giúp tăng độ cứng của ổ dao 2.2.2 Vật liệu a) Yêu cầu: Là sản phẩm được sử dụng trong gia công cơ khí nên yêu cầu về vật liệu cũng hết sức khắt khe Các yêu cầu đặt ra cho vật liệu được sử dụng:
− Không chứa cặn – gây ra các vết nứt tế vi
− Cứng, chịu được lực lớn,
− Nhẹ, độ co rút thấp
Dựa vào những yêu cầu kể trên, ta chọn nhựa ABS cho sản phẩm này
Thông tin về độ co rút của một số loại nhựa:
Hình 2.3 Độ co rút của một số loại nhựa 2.2.3 Thiết kế ổ dao dùng Creo 3.0
Hình dạng kích thước như bản vẽ đính kèm phụ lục 1
Sau khi có được các thông số hình học và các thông số kỹ thuật của ổ dao, ta chọn phần mềm thiết kế là Creo 3.0 và tiến hành thiết kế
Dưới đây là một số hình cắt của chi tiết ổ dao
Hình 2.4 Sản phẩm hoàn chỉnh
2.2.4 Lựa chọn lò xo, xác định lực kéo cần thiết để lấy chuôi kẹp dao ra khỏi ổ chứa
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của lò xo thuộc hãng MISUMI
Dựa vào Bảng 2.1 và kích thước hình dạng của ổ chứa dao, ta lựa chọn lò xo với các thông số hình học và khả năng chịu tải như sau:
Hình 2.5 Sơ đồ lực tác dụng trong cơ cấu kẹp của ổ chứa dao
Ta có phương trình cân bằng lực như sau:
𝑷 – Trọng lượng của đầu kẹp dao: 𝑷 = 𝑷 𝑻 + 𝑷 𝑻𝑯
• 𝐹 𝐿 – Lực đàn hồi của lò xo: 𝐹 𝐿 = 87,2𝑁
• 𝐹 𝑃 – Lực cần thiết để lấy dao ra khỏi ổ chứa, 𝑁
Thay các giá trị vào hệ (2.1), ta được:
P HÂN TÍCH Ổ CHỨA DAO
2.3.1 Mô hình hoá ổ chứa dao Ổ dao chính có nhiệm vụ giữ các loại dao phay và được gá đặt trên mâm chứa dao bằng khớp xoay bản lề Phân tích tải tĩnh được áp dụng để mô phỏng hoạt động thực tế của ổ chứa dao, qua đó tìm ứng suất, biến dạng và chuyển vị sinh ra trong mô hình Ổ chứa dao được mô hình hoá dưới dạng khối 3D, phần thân được chế tạo bằng nhựa ABS, với các thông số về thể tích vật liệu như sau:
Vật liệu chế tạo thân ổ chứa dao là nhựa ABS được xem là vật liệu đàn hồi đẳng hướng, tiêu chuẩn phá huỷ được tính theo ứng suất Mohr-Coulomb Các chi tiết kết nối khác như chốt xoay bản lề, con lăn và đế giữ dao được làm bằng thép hợp kim Thông số đặc trưng của các loại vật liệu được cho trong
Bảng 2.2 Các thông số vật liệu chính của cụm ổ chứa dao
Mô hình tham chiếu Đặc tính vật liệu Chi tiết
Loại mô hình vật liệu: Linear Elastic
Mô đun đàn hồi trượt: 3.189e+08 N/m^2
Loại mô hình vật liệu: Linear Elastic
Tiêu chuẩn phá huỷ: Max von Mises
Mô đun đàn hồi trượt: 7.9e+10 N/m^2
Hệ số giãn nở nhiệt: 1.3e-05 /Kelvin
Chốt xoay bản lề, Con lăn, Đế giữ dao
2.3.3 Các điều kiện biên và phản lực liên kết tương ứng Ổ chứa dao được gá đặt trên rãnh chốt bản lề của thân mâm chứa dao bằng vít Điều kiện biên tại chốt xoay bản lề là ràng buộc bản lề cố định (Fixed Hinge) và tại con lăn là ràng buộc khớp xoay/con lăn (Roller), với các phản lực liên kết như Hình 2.6
Liên kết Hình ảnh liên kết Mô tả
(Roller/Slider) Đối tượng: 1 mặt Loại: Roller/Slider
(Fixed Hinge) Đối tượng: 1 mặt
Hình 2.6 Điều kiện biên của mô hình
Tải tĩnh tác động lên kết cấu là tải ổ đỡ (Bearing Load) có độ lớn là 100 N và tải từ ụ côn gắn dao, có độ lớn 500 N, tác dụng theo phương như Hình 2.7 Các giá trị tải trọng đều được lấy lớn hơn thực tế với hệ số an toàn bằng 3
Tải trọng Hình ảnh Mô tả
Tải trọng Hình ảnh Mô tả
Loads) Đối tượng: 1 mặt Giá trị tải: 100 N
Tải ụ côn Đối tượng: 16 mặt
Hình 2.7 Điều kiện tải trọng của mô hình Chia lưới mô hình
Các mặt trong mô hình tiếp xúc biên kín với nhau thành một khối thống nhất để tạo điều kiện chia lưới Mô hình được chia lưới mịn với phần tử được sử dụng là phần tử khối (Solid) với 16-điểm Jacobian Kích thước phần tử được chia là 7.25526 mm với dung sai 0.362763 mm Tổng số nút và số phần tử của kết cấu lần lượt là 72322 nút và 38958 phần tử Tích phân số được áp dụng để tránh hiện tượng
“shear locking” thường hay xảy ra khi lấy nguyên hàm các phần tử có biến trong đa thức là dạng vector
Hình 2.8 Mô hình lưới của ổ chứa dao
2.3.4 Kết quả phân tích Ứng suất von-Mises Ứng suất (tiêu chuẩn) von-Mises được sử dụng như ứng suất tương đương để so sánh với ứng các giá trị tới hạn cho phép của vật liệu gang xám
Kết quả Dạng Nhỏ nhất Lớn nhất Ứng suất VON: von
Hình 2.9 Kết quả ứng suất ổ chứa dao
Theo kết quả thu được như Hình 2.9, với giá trị lớn nhất 𝜎 𝑣𝑜𝑛𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑥 = 31.67 MPa tại nút 41643 So sánh với các giá trị tới hạn cho phép của vật liệu nhựa ABS, ứng suất lớn nhất sinh ra trong ổ chứa dao không vượt quá giá trị độ bền kéo cho phép ([𝜎 𝑘 ] = 40MPa) Vì vậy, ta có thể kết luận mô hình ổ chứa dao đảm bảo điều kiện bền
Kết quả chuyển vị và biến dạng
Ngoài ra, các kết quả chuyển vị lớn nhất (Hình 2.11) dao động trong khoảng giá trị hợp lý ( n = 33,8 Chọn số lòng khuôn là 32
- Bố trí các lòng khuôn: 2 lòng khuôn, bố trí đối xứng như hình
Hình 3.4 Bố trí lòng khuôn c) Tính toán thiết kế hệ thống dẫn nhựa nóng:
Hệ thống dẫn nhựa trong khuôn làm nhiệm vụ đưa nhựa từ vòi phun của máy ép phun tới các lòng khuôn Hệ thống bao gồm: hệ thống kênh dẫn nhựa nóng (Hot Runner) và kênh dẫn nhựa đến từng lòng khuôn
Hình 3.5 Minh họa cho Hot Runner kết hợp kênh dẫn nguội
Semi Hot Runner sẽ giúp tiết kiệm chi phí hơn nhiều so với Hot Runner, thích hợp với sản xuất hàng loạt các sản phẩm vừa và nhỏ Chính vì thế, đề tài này sẽ chọn phương án thiết kế semi hot runner cho khuôn ép phun d) Chọn hệ thống Manifold
* Một số yêu cầu khi thiết kế hoặc lựa chọn hệ thống Manifold:
Khối manifold là thành phần trung tâm của một hệ thống HR; trong đó là các kênh dẫn nhựa nóng chảy vào vòi phun HR
* Các yêu cầu cần được đáp ứng: Đối với thiết kế hoặc lựa chọn Manifold, cần đáp ứng các điều kiện sau:
• Cung cấp các điều kiện làm đầy lòng khuôn giống hệt nhau trong khuôn nhiều lòng khuôn;
• Giảm thiểu các tổn thất áp suất trong các kênh dẫn nhựa nóng;
• Duy trì nhiệt độ không thay đổi dọc theo dòng chảy để tránh sự dao động của độ nhớt tan chảy và trong những trường hợp quá nhiệt và hư hỏng do nhiệt;
• Không có khu 'chết', nơi nhựa tan chảy được để lại phía sau;
• Tiêu thụ năng lượng thấp;
• Cách nhiệt tốt giữa Manifold và khuôn để giảm tổn thất nhiệt và kiểm soát nhiệt độ khó khăn;
• Thời gian nung nóng ngắn khi khởi động;
• Duy trì độ rò rỉ thấp giữa Manifold và vòi phun;
• Dễ dàng lọc sạch khi thay đổi màu nhựa và dễ làm sạch;
• Độ bền tốt và dễ dàng thay thế bộ gia nhiệt
Hiện nay, có nhiều công ty cung cấp hệ thống HR tiêu chuẩn hóa Các nhà sản xuất khuôn cơ bản cũng cung cấp hệ thống HR nên việc tính toán và lựa chọn
HR cũng không còn nhiều khó khăn
* Tính toán cho hệ thống HR:
1 Kết cấu của một hệ thống HR cơ bản:
Hình 3.6 Cấu trúc đầy đủ của một hệ thống Hot Runner
1 Ống lót sprue; 2 Bộ lọc; 3 Tấm hỗ trợ; 4 Chốt định vị;
5 Chốt tỳ; 6 Đĩa đệm; 7 Điểm chết; 8 Chốt kim loại;
9 Vòi phun; 10 Bộ gia nhiệt hình ống; 11 Cặp nhiệt điện;
12 Tấm phản; 13 Tấm cách nhiệt
2 Tính toán a Lựa chọn hệ thống HR: Hệ thống HR được chọn theo catalogue của hãng Gunther – Heisskanal (Đức)
Hình 3.7 Một số mẫu Manifold do Gunther sản xuất
Theo thiết kế, ta chọn Straight manifold với các thông số như cataloge
3 Tính toán hệ thống Hot runner đã chọn:
* Hệ thống gia nhiệt cho tấm Manifold
Hình 3.8 Hình dạng và các thông số của Tấm manifold
- Vật liệu: Thép, ρ = 7,9 g/cm 3 => m = 7449,7 kg ≈ 7,5 kg
- Nhiệt độ khuôn T1 = 50 o C, nhiệt độ tấm Manifold T2 = 240 o C
Công suất định lượng để cài đặt cho quá trình nung nóng bao gồm:
• Công suất nung nóng khối Manifold đến nhiệt độ cần thiết
• Công suất bù cho các tổn thất nhiệt độ
- Công suất cần nung nóng:
Công suất tiêu thụ cho gia nhiệt đa hướng được xác định bằng công thức:
Q là nhiệt cho đa dạng nhiệt, kJ; m là khối lượng của đa tạp, kg; c là nhiệt dung riêng của vật liệu đa tạp, kJ / kgK , (0,48 đối với thép); Δ T là chênh lệch nhiệt độ giữa đa tạp và khuôn, K; t là thời gian gia nhiệt đa dạng, tính bằng phút (thường là 20-30 phút, tùy thuộc vào kích thước của đa tạp và nhiệt độ xử lý);
Các tổn thất nhiệt trong hệ thống bao gồm tổn thất do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ từ khối Manifold và từ các thành phần khác của hệ thống tới khuôn
Hình 3.9 Tổn thất nhiệt trong hệ thống HR a- Thông qua dẫn nhiệt b- Đối lưu c- Bức xạ nhiệt
Dẫn nhiệt từ đa tạp diễn ra chủ yếu thông qua các miếng đệm và bu lông, và cũng thông qua ống lót sprue không được làm nóng Một sự giảm thiểu trong tổn thất nhiệt gây ra bởi dẫn có thể đạt được bằng cách:
• Giảm tiết diện dòng chảy ngang Ap bằng cách giảm diện tích tiếp xúc của miếng đệm;
• Sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp hơn, có nghĩa là làm miếng đệm bằng thép không gỉ, hợp kim titan hoặc vật liệu gốm thiêu kết;
• Sử dụng bu lông gắn đa dạng được làm bằng thép không gỉ Đối lưu trong đó : αk là hệ số truyền nhiệt (đối với đối lưu không khí tự nhiên trong đa tạp, αk = 5-10
Ak là diện tích tường, m2;
Ts là nhiệt độ tường (của đa tạp), ° C;
Tp là môi trường xung quanh (không khí), ° C
Trao đổi nhiệt thông qua đối lưu diễn ra giữa đa dạng và cấu trúc và đôi khi ngay cả giữa các đa tạp và không khí bên ngoài khuôn
Bức xạ nhiệt trong đó:
As là diện tích, m 2 αp: hệ số tỉ lệ tải nhiệt
T1 là nhiệt độ của tường 1 (đa tạp), K;
T2 là nhiệt độ của tường 2 (vỏ), K;
C là hằng số bức xạ, W / m 2 K Đối với các bức tường đa tạp, các giá trị sau được sử dụng: sáng bóng C = 0,40 bị oxy hóa (gỉ), tối C = 2,62 tấm nhôm tráng sáng C = 0,18 tấm nhôm tráng tối C = 0,22
Trong các ứng dụng thực tế, một công thức kết hợp cho tổn thất nhiệt thông qua đối lưu và bức xạ có thể được sử dụng:
Ar là tổng diện tích đa tạp, m2
Qks là tổn thất nhiệt
Tổng công suất tiêu thụ cho việc gia nhiệt đa dạng trong thời gian t là:
Ta có bảng giá trị sau khi thay các thông số tính toán:
Manifold với cách nhiệt Ti và Al Công suất cần gia nhiệt Nn 570
Tổn thất qua dẫn nhiệt Qp 266
Tổn thất qua đối lưu và bức xạ nhiệt
Tổng công suất cần cung cấp N 1272
Mức năng lượng tính toán là 1272 W là cần thiết tại thời điểm nhiệt độ hoạt động đạt được, khi tổn thất nhiệt đạt đến giá trị đầy đủ của chúng Tuy nhiên, để duy trì nhiệt độ hoạt động, cần khoảng 445 W để bù đắp tổn thất, cộng với năng lượng dư thừa 254 W (khoảng 20% tổng công suất) để kiểm soát hiệu quả, tức là tổng cộng khoảng 699 W hoặc khoảng 55% tổng công suất
Vậy tổng công suất cần cung cấp do các điện trở là 1972 W
Hình 3.10 Diện tích bộ phận gia nhiệt
Dựa trên tính toán của phần mềm Creo 3.0, diện tích tính toán của phần gia nhiệt là S = 692,8 cm 2
Sử dụng phần gia nhiệt là dạng trụ dài với công suất phổ biến lên đến 50 W/cm 2 Vậy công suất mà bộ phận gia nhiệt tối đa có thể cung cấp được là Q = 50 692,8
Vậy diện tích bộ gia nhiệt đáp ứng công suất nhiệt cần thiết cho tấm manifold hoạt động e) Giãn nở nhiệt
Hình 3.11 Kích thước tính toán giãn nở nhiệt
LR: Kích thước của tấm Manifold (mm)
LF: Kích thước Manifold trong khuôn khi giãn nở (mm)
Với LR = 36 mm (bề dày tấm Manifold theo đơn đặt hàng) TR = 300, TF 50, α = 13 x 10 -6 là hệ số giãn nở nhiệt của thép
Khe hở giữa Manifold với bề mặt khuôn được chọn là 10 mm Vậy khoảng cách giữa tấm Manifold và bề mặt khuôn phù hợp cho việc giãn nở
* Hệ thống dẫn nhựa: Hệ thống dẫn nhựa bao gồm:
Bạc cuống phun: Bạc cuống phun trong hệ thống Manifold cần được gia nhiệt
Hình 3.12 Bạc cuống phun có tích hợp hệ thống gia nhiệt và điều khiển nhiệt
Hình dạng vòi phun phải đảm bảo nguyên tắc: đầu vào nhỏ hơn đầu phun của máy, đầu ra có kích thước tùy thuộc vào thành sản phẩm ép phun
Bạc cuống phun xuyên qua hai tấm khuôn nên bố trí theo kiểu bậc thang hoặc sử dụng cửa chặn
Hình 3.14 Kích thước tương quan của bạc cuống phun với các tấm khuôn được thiết kế
Hình 3.15 Một số kiểu vòng định vị f) Hệ thống kênh dẫn Hot Runner
Các yêu cầu khi thiết kế kênh dẫn:
- Cần đạt số lòng khuôn tối ưu
- Đảm bảo nhựa phân phối đến số lòng khuôn
- Cân bằng điền đầy cho khuôn nhiều lòng khuôn
- Cân bằng điền đầy cho khuôn nhiều miệng phun
- Tối thiểu lượng nhựa trong kênh dẫn
- Độ sụt áp trên kênh dẫn hợp lý
- Dễ dàng đẩy sản phẩm
- Tiêu thụ năng lượng với hiệu suất tối đa
- Điều khiển được quá trình điền đầy/ duy trì áp/ điều khiển chu trình a Kênh dẫn nóng:
Kênh dẫn được chọn là kênh dẫn nhựa tròn Mối quan hệ giữa kích thước kênh dẫn với khối lượng, đường kính kênh dẫn
Bảng 3.1 Kích thước kênh dẫn chọn theo khối lượng sản phẩm
Khối lượng sản phẩm < 100g < 100 – 350 g > 350g Đường kính kênh
Bảng 3.2 Chiều dài kênh dẫn chọn theo đường kính kênh dẫn Đường kính (mm) 6 7 7,5 8 9 10
Chọn kênh dẫn nóng gia nhiệt ngoài vì nhiều ưu điểm vượt trội so với kênh dẫn nóng gia nhiệt trong Việc tính toán để có được đường kính và chiều dài kênh dẫn hợp lý là rất quan trọng vì khi một kênh dẫn quá lớn hay quá dài sẽ làm cản trở dòng chảỵ và gây ra: mất áp trên chính nó, tốn nhiều vật liệu và làm tăng thời gian chu kỳ Do đó, ta nên thiết kế kênh dẫn nhỏ ở mức có thể để có thể lợi dụng nhiệt ma sát trên nó gia nhiệt cho nhựa lỏng giúp quá trình điền đầy lòng khuôn thuận lợi hơn
- Một số nguyên tắc cần phải tuân thủ:
• Giảm đến mức tối thiểu sự thay đổi tiết diện kênh dẫn
• Nhựa kênh dẫn phải thoát khuôn dễ dàng
• Toàn bộ chiều dài kênh dẫn nên càng ngắn nếu có thể để tránh mất áp và mất nhiệt trong quá trình điền đầy
• Mặt cắt kênh dẫn phải đủ lớn để đảm bảo sự điền đầy cho toàn bộ sản phẩm mà không làm thời gian chu kỳ quá dài, tốn nhiều vật liệu và lực kẹp lớn
Hình 3.16 Hình dạng kênh dẫn thường sử dụng
=> Chọn kênh dẫn có dạng nửa cung tròn cho việc dễ gia công vì yêu cầu sản phẩm cũng không cao
- Đường kính và chiều dài kênh dẫn: Quan hệ giữa hệ số chiểu dài và chiểu dài kênh dẫn
T HIẾT KẾ KHUÔN TRÊN C REO 3.0
Creo 3.0 có nhiều công cụ hỗ trợ rất mạnh cho việc thiết kế và gia công khuôn ép phun Một trong những ứng dụng rất mạnh đó là module thiết kế khuôn trong phần Manufacturing của trang giao diện làm việc Creo 3.0
3.3.1 Module thiết kế khuôn trong Creo 3.0
Hình 3.19 Các chức năng cụ thể của module thiết kế khuôn
1) Xuất file từ môi trường thiết kế vào môi trường chế tạo
3) Gán độ co rút của từng loại nhựa cụ thể
4) Công cụ thiết kế hệ thống kênh dẫn, đường nước
5) Mô phỏng đóng mở các tấm khuôn
Thực hiện tuần tự các bước ta sẽ được cấu trúc cơ bản của khuôn gồm tấm đực và tấm cái chứa sản phẩm Tại đây, ta có thể sử dụng sản phẩm để tiến hành phân tích Mold Flow
3.3.2 Thiết kế khuôn bằng EMX 9.0
Với EMX 9.0, người dùng có thể truy cập kho thư viện về các hãng khuôn lớn trên thế giới và có thể xây dựng bản vẽ của các khuôn tiêu chuẩn nhanh chóng và chính xác
Hình 3.20 Thư viện khuôn tiêu chuẩn của hãng futaba
Ngoài thư viện khuôn đồ sộ về kích cỡ và hình dáng, EMX còn cho phép người dùng có thể lựa chọn các chi tiết tiêu chuẩn, tiết kiệm thời gian thiết kế như chọn vòng định vị, chọn các chốt, bạc dẫn hướng, các tấm kẹp, …
Sau quá trình lựa chọn các chi tiết, các bộ phận của khuôn tiêu chuẩn ta có khuôn cơ bản gần giống với khuôn thực tế
Hình 3.21 Khuôn futaba loại S gần giống so với khuôn thực tế
Hình 3.22 Khuôn lắp ghép hoàn chỉnh
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÂM CHỨA
T ÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÂM CHỨA DAO
Khối lượng của mâm chưa dụng cụ:
GM: khối lượng của mâm chính : 58 (kg)
GR: khối lượng của bánh răng : 12 (kg)
GTool: khối lượng của dụng cụ cắt: 8 (kg)
GTH : khối lượng của toolholder: 1,38 ( kg)
GU: khối lượng của một ụ chứa dao: 0,7 (kg)
GC: khối lượng của một chốt định vị: 0,4 (kg)
G: khối lượng của các chi tiết phụ lấy = 15 (kg)
Xét các lực tác dụng lên đĩa trong quá trình làm việc Vậy trọng lượng của mâm chứa dụng cụ là: PT = GT.g = 252,68.9,81 = 2478,79 (N) (Khối lượng các chi tiết theo khối lượng thực tế và theo phần mềm solidworks)
Hình 4.1 Sơ đồ tính động lực học của mâm dao
Fđ: Lực của bánh răng tác dụng làm quay mâm
F : Lực ma sát tạ ổ côn do trọng lượng của Tang tạo ra
Fms= PT.f = 2508,22.0,02 = 50,16 N f = 0,02 là hệ số ma sát của ổ lăn
R: Bán kính đến tâm của dao với Ro= 330 mm
R1: Bán kính đến ví trí ăn khớp răng R1= 215 mm
Phương trình cân bằng momen của mâm dao ứng với gia tốc lớn nhất:
J: Mômen quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đường tâm của mâm dao
Jo: Là momen quán tính ban đầu của mâm dao
Dùng phần mềm solidworks ta dễ dàng xác định momen quán tính ban đầu của mâm dao với J0 = 2021191120,28(gam.mm 2 ) = 20219191,12 kg.mm 2
𝑅 0 2 : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của mâm chứa dao là 330 mm
215 = 11400 (N) Momen tác dụng lên cần thiết để quay mâm dao:
Trong đó: Rr là bán kính bánh răng dẫn.
T ÍNH TOÁN LỰC TÁC DỤNG LÊN MÂM CHỨA DAO VÀ CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
• Số vòng quay n của mâm chứa dao cần tính là: n vòng/phút
• Thời gian phục vụ, L (năm): 10, làm việc 2 ca /1 ngày (1 năm làm việc 300 ngày, một ca làm việc 8 tiếng).
• Vận tốc của mâm dao là: v=R1.ω=0,215.1,57= 0,3375 (m/s)
• Lực vòng tác dụng cần thiết để quay mâm dao là: F=Pd400 (N)
Tính toán công suất và chọn động cơ cho mâm chứa dao
Với: ηol: hiệu suất 1 cặp ổ lăn ηbr: hiệu suất 1 cặp bánh răng ηđ: hiệu suất bộ truyền đai ηHGT: hiệu suất hộp giảm tốc η ch = 𝜂 𝑛𝑡 ηbr2
❖ Công suất động cơ và momen cần thiết cho động cơ:
Do tải tương đối lớn nên ta lựa chọn dạng Motor thủy lực OMP của hãng Danfoss với các thông số sau:
Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của Motor OMP của hãng Danfoss
Do tốc độ quay của mâm dao 15 vòng/phút nhỏ nên ta chọn loại OMP 160 với tốc độ quay lựa chọn n0 vòng/phút
So sánh với giá trị momen tối đa của motor OMP 160 là 378N.m, thỏa M