Máy tiện CNC băng nghiêng thay dao tự động với 8 vị trí dụng cụ - Sản phẩm khoa học công nghệ của Viện IMI

Máy tiện CNC băng nghiêng thay dao tự động với 8 vị trí dụng cụ - sản phẩm KHCN của Viện IMI PGS.TS. Vũ Hoài Ân Bài báo đề cập một công trình KHCN cấp Nhà nước đã được nghiệm thu ở Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp. Đó là máy tiện CNC băng nghiêng: Máy TN-25CNC thay dao tự động với 8 vị trí dụng cụ. Máy được trang bị mâm cặp thuỷ lực đường kính 250 mm cùng với ụ đỡ tâm thủy lực. Máy sử dụng băng ghép bằng thép hợp kim cao được đặt nghiêng dưới góc 45˚nhằm nâng cao tuổi thọ các đường trượt và giảm không gian chiếm chỗ trong nhà xưởng. Việc chế tạo thành công đài dao thay dao tự động 8 vị trí dụng cụ cũng là một nét mới của sản phẩm này. Máy sử dụng hệ điều khiển SINUMERIK- 802C của SIEMENS. Mở đầu: Cuối năm 2005, Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp (IMI) đã được Bộ KH&CN nghiệm thu ở cấp nhà nước đối với đề tài khoa học công nghệ : “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy tiện CNC thay dao tự động” kiểu TN 25- CNC. Đề tài có mã số KC-05-25 thuộc chương trình KHCN cấp Nhà nước KC-05 về cơ khí. Đây là kết quả sau 30 tháng triển khai đề tài với một khối lượng công việc khá đồ sộ. Đơn vị thực hiện là Trung tâm công nghệ cao (HITC) của Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp. Trên thế giới, việc thiết kế, chế tạo một máy tiện CNC băng nghiêng thay dao tự động 8 vị trí không phải là một vấn đề cao xa. Loại máy tiện này đã là một sản phẩm thường xuyên của các hãng chế tạo máy công cụ ở các nước phát triển. Tuy nhiên ở Việt Nam thì đây là lần đầu tiên chúng ta tự thiết kế và chế tạo một chiếc máy loại này. Viện máy và Dụng cụ công nghiệp mới chỉ bắt đầu nghiên cứu thiết kế chế tạo máy công cụ CNC vào khoảng 15 năm. Năm 1994 Viện IMI đã thiết kế chế tạo được một chiếc máy tiện CNC băng ngang đầu tiên của Việt Nam, kiểu T20 CNC không có thay dao tự động. Máy T20 CNC sử dụng hệ điều khiển SINUMERIK 810 T của hãng SIEMENS (CHLB Đức). Đây là một máy tiện cỡ nhỏ, có mâm cặp 200 mm. Nó có đủ các tính năng quỹ đạo của một máy tiện CNC như tiện trơn mặt trụ, mặt côn, mặt cầu, tiện ren trụ, ren côn.v.v... Do hạn chế về kinh phí, khi đó, máy chưa được trang bị đài dao nhiều vị trí, máy chỉ được lắp một bàn kẹp dao thông thường giống như của các máy tiện vạn năng. Chiếc máy T20 CNC này đã được sử dụng nhiều năm ở viện IMI để phục vụ cho các khóa đào tạo về kĩ thuật CNC của Trung tâm Đào tạo IMI và phục vụ sản xuất trong viện. Năm 2003, viện IMI được nhận đề tài KHCN cấp Nhà nước KC-05-25 với mục tiêu: - Thiết kế, chế tạo thử 01 máy tiện CNC băng nghiêng cỡ trung bình, với hành trình dọc (trục Z) là 600 mm và sử dụng mâm cặp thuỷ lực 250 mm. - Thiết kế chế tạo đầu dao Revonve thay dao tự động với 8 vị trí dụng cụ. - Áp dụng đường trượt ghép bằng thép hợp kim cao cho băng máy, tạo ra cặp ma sát thép tôi/ gang để tăng tuổi thọ băng máy. - Tuy được phép nhập ngoại các cụm chi tiết chính xác cao đòi hỏi công nghệ rất cao như: các trục vít me- đai ốc lăn, thước hành trình X, cụm trục chính, mâm cặp thuỷ lực v.v nhưng đề tài phải tự chế tạo trong nước các bộ phận: thân máy, bệ máy, băng máy, đài dao Revonve 8 vị trí với các đĩa chia chính xác cao, ụ đỡ tâm thuỷ lực, các bàn trượt Z, bàn trượt X, cùng các tủ điện động lực và hệ thống thuỷ lực của máy. Trước hết, cần thiết phải nói rõ những ưu việt của một máy tiện băng nghiêng so với máy tiện băng ngang. Máy tiện băng nghiêng thường có góc nghiêng của bề mặt các sống trượt là 450 so với mặt phẳng nằm ngang. Nhờ đó, phoi tiện không thể đọng trên mặt băng làm cào xước mặt băng, dung dịch tưới nguội cũng không đọng được trên mặt băng gây ăn mòn hoá học mặt băng và sống trượt. Về mặt kết cấu máy, bàn trượt X của máy được đặt trên mặt nghiêng 450, tức là trên cạnh huyền của tam giác vuông cân. Hình chiếu của bàn trượt X trên nền xưởng chỉ bằng 0,71(tức sin 45o) chiều dài của bàn trượt này. Do đó máy chiếm diện tích mặt bằng hơn trong nhà xưởng, ngoài ra việc bố trí đài dao Revonve ở máy tiện băng nghiêng cũng thuận tiện hơn so với ở máy băng ngang. Tính toán thiết kế máy TN- 25 CNC: Sơ đồ động của máy: Máy tiện băng nghiêng TN- 25 CNC được thiết kế trên cơ sở tham khảo 1 máy mẫu của Nhật Bản. Sơ đồ động của máy TN-25 CNC được thể hiện trên hình 1. Vì là máy CNC, mọi hoạt động của máy đều được lập trình từ hệ điều khiển nên kết cấu cơ khí của máy rất đơn giản và gọn nhẹ. Trục chính được quay nhờ một động cơ Servo 15Kw qua một cặp puli đai thang có tỉ số truyền i=160/190. Tốc độ trục chính được thay đổi vô cấp từ 0 đến 3000 vòng/phút. Vít me bàn dao dọc Z và vít me bàn dao ngang X đều có bước ren bằng 5 mm, được truyền động từ một động cơ Servo có momen động cơ Mđc = 4,6 Nm và tốc độ tối đa 3000 vòng/phút, qua một cặp đai răng có tỉ số truyền i=20/40, với module bằng 3. Các thông số kỹ thuật của máy TN-25-CNC: được lựa chọn như sau, trên cơ sở có tham khảo và chỉnh lý từ máy mẫu: - Hành trình trục X: 220 mm - Hành trình trục Z: 600 mm - Kích thước phôi lớn nhất: 279 x355 mm - Động cơ trục chính: 15 KW - Đường kính mâm cặp thuỷ lực: 250 mm - Đường kính lỗ cấp phôi trục chính: 44 mm - Côn trục chính: A8 - Khoảng chống tâm lớn nhất: 600 mm - Tốc độ trục chính vô cấp: 10- 3000 v/phút - Tốc độ tiến dao: 1- 3000 mm/phút - Tốc độ chạy nhanh các trục X/ Z: 6m/ phút - Số đầu dụng cụ: 8 Hình 1: Sơ đồ động của máy TN-25 CNC - Thay dao tự động: - Thời gian thay dao: 4,2 giây - Độ chính xác lặp lại: 0,015 mm - Hệ điều khiển CNC: SINUMERIK 802C của SIEMENS. - Kích thước ngoài của máy: 2500 x 1500 x 1700 mm - Trọng lượng máy: 4000 kg - Bàn trượt X được lắp hệ thống thước điện tử quang học để đo hành trình X chính xác cỡ m. Bàn trượt Z chỉ cần lắp Encoder để đo hành trình bàn dao dọc. Đây là giải pháp kinh tế trong lựa chọn nguyên lý đo hành trình. Tính toán thiết kế băng ghép: Ở máy công cụ CNC, sự làm việc của các sống trượt diễn ra liên tục với tốc độ dịch chuyển cao, do đó hiện tượng mài mòn băng máy cũng khốc liệt hơn nhiều so với ở máy thông thường. Nếu sống trượt là gang, ma sát với băng máy gang thì đường trượt bị mài mòn rất nhanh. Để nâng cao tính chống mòn của đường trượt, có một số phương án giải quyết như sau, mỗi phương án có ưu, nhược điểm riêng: - Phương án 1: dùng đường trượt có dán một lớp chất dẻo đặc biệt ( thường là bí quyết công nghệ của hãng chế tạo). Phương án này đòi hỏi phải mua Know how của nước ngoài. - Phương án 2: dùng đường trượt bi lăn. Phương án này đòi hỏi đường trượt phải được nhiệt luyện để tiếp nhận bi lăn. Bi lăn đường trượt phải nhập ngoại, do đó cần kinh phí cao. - Phương án 3: dùng đường trượt ghép bằng thép hợp kim cao, tôi cứng đạt 60 HRC từ thép 12 XHM, trượt trên băng máy bằng gang xám 21-40. Phương án này về công nghệ không có nhiều khó khăn, khả thi trong điều kiện Việt Nam và kinh tế hơn nên được đề tài chọn sử dụng. Sơ đồ lắp băng ghép được cho ở hình 2 Mỗi sống trượt được ghép với băng máy bằng một lớp keo đặc biệt cùng với 20 bu lông M16 để tạo thành mối ghép cứng giữa thân gang và các đường trượt. Theo tính toán, lực kẹp trên 1 sống trượt dài 1400 mm được tạo ra bởi 20 bu lông M16 là F= 217.000 N. Lực này hoàn toàn đảm bảo cho mối ghép không chuyển vị. Thiết kế chế tạo đài dao Revonve 8 vị trí dụng cụ Đài dao Revonve là một bộ phận có kết cấu khá phức tạp, hoạt động tự động theo chương trình gia công chi tiết, được quay phân độ theo lệnh và được kẹp chặt bằng thuỷ lực. Đầu dao có 2 đĩa chia phân độ với vấu và rãnh chia sử dụng các mặt nghiêng 600 cho mục đích định vị chính xác. Hai đĩa chia này yêu cầu độ chính xác chế tạo rất cao với chiều rộng rãnh đạt sai lệch - 0,05mm và chiều rộng chân vấu đạt sai lệch + 0,05mm. Đài dao được thiết kế theo mẫu đài dao của máy MORISEIKI SL3 của Nhật Bản. Chi tiết phức tạp nhất của đài dao là thân đài dao (còn gọi là mâm dao). Kết cấu thân đài dao được cho ở (hình 3). Hình 2: Sơ đồ lắp các sống trượt thép tôi trên băng máy bằng gang Thân đài dao được làm từ phôi rèn, mác thép C45 có kích thước 380 mm, dầy 100 mm, được khử ứng suất dư trước khi gia công cắt gọt. Quy trình gia công thân đài dao bao gồm: tiện ngoài, tiện mặt đầu, tiện lỗ, mài phẳng 2 mặt đầu, mài lỗ. Cuối cùng phôi được gia công tổng hợp một lần gá các lỗ và 8 rãnh kẹp dao chính xác cao trên trung tâm gia công CNC điều khiển 5 trục Model DMU - 80P của DECKEL- MAHO, được lập trình và thực hiện tại một đơn vị nghiên cứu của Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Các kích thước chế tạo của thân đài dao yêu cầu dung sai rất chặt chẽ, đặc biệt là sai lệch các kích thước hình học tương quan như độ song song, độ vuông góc các bề mặt, độ đồng tâm các lỗ kẹp v.v… Việc chế tạo thành công đài dao Revonve điều khiển CNC này với 3 chi tiết quan trọng là: thân đài dao và hai đĩa chia phân độ chính xác cao cũng có thể coi là một thành công của đề tài KC-05-25. Hệ điều khiển CNC SINUMERIK 802C của SIEMENS: Việc chọn hệ điều khiển cho 1 máy CNC được căn cứ vào các tiêu chí sau đây: - Chất lượng điều khiển và giá cả. - Thị hiếu khách hang - Khả năng cung cấp và thời hạn cung cấp. Hình 3: Kết cấu chân đài dao Trên cơ sở các tiêu chí trên cũng như dựa vào các mối quan hệ đối ngoại sẵn có của Viện IMI với CHLB Đức, đề tài đã quyết định chọn hệ điều khiển SINUMERIK- 820C của SIEMENS. Bộ này có giá thành hợp lý, phù hợp với máy tiện TN-25CNC. Các tính năng của hệ điều khiển SINUMERIK- 802 C được cho trong bảng sau: Hình ảnh tổng thể của Máy tiện băng nghiêng TN25 CNC được cho ở hình 4 Hình 4: Hình ảnh tổng thể của máy TN-25-CNC (1. Đài dao Revonve 8 vị trí ; 2. Bàn trượt X; 3. Bàn trượt Z; 4. Hệ điều khiển CNC) (2. Thành công của đề tài KC-05-25 thiết kế chế tạo máy tiện CNC băng nghiêng thay dao tự động đã khẳng định khả năng chế tạo máy CNC ở Việt Nam một khi biết kết hợp thế mạnh của các cơ sở khoa học công nghệ khác nhau trong nước. Tham gia chế tạo các cụm chi tiết chủ yếu của máy TN-25-CNC bên cạnh nội lực của Viện IMI còn có sự hỗ trợ của một số đơn vị bạn ở Hà Nội và của Quân đội. Việc áp dụng đường trượt ghép để tạo cặp ma sát thép hợp kim/ gang là một hướng đi đúng đắn để tăng tuổi thọ bàn trượt trong điều kiện hạn chế về kinh phí. (3. Việc chế tạo thành công đài dao thay dao tự động 8 vị trí điều khiển CNC và kẹp bằng thuỷ lực đã mở ra khả năng chế tạo các cụm thay dao tự động ở Việt Nam. Bảng các tính năng của bộ điều khiển SINUMERIK - 802C Miêu tả Điều khiển gia công theo contour với điều khiển 3 trục và điều khiển trục chính (trục C) Các giao diện dữ liệu RS 232C/ V 24 Điều khiển nội suy (Đường thẳng: 3 trục) ; (Đường tròn: 2 trục) ; ( Đường xoắn: 3 trục) Các loại files Lập trình hội thoại SIEMENS;Bù dụng cụ. Bộ nhớ chương trình 256 KB, tương thích với chuẩn ISO-G code và chuẩn của SIEMEMS Hỗ trợ lập trình Chức năng trợ giúp/ các chu trình con: có 64 đầu vào và 64 đầu ra số: Có chức năng báo lỗi và tự chẩn đoán Việc cho ra đời chiếc máy tiện CNC băng nghiêng thay dao tự dộng đầu tiên TN25-CNC là một bước tiến mới của ngành chế tạo máy công cụ Việt Nam. Hy vọng rằng trong một tương lai gần chiếc mày này có thể được chế tạo hàng loạt để đáp ứng nhu cầu trong nước với giá thành chấp nhận được.