nâng cao độ chính xác kích thước và vị trí tương quan của chi tiết có hình dáng hình học phức tạp khi phay trên máy phay wmc- 300

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC WMC- 300 Bảng 2.1 Các xác lập biến thí nghiệm của độ chính xác kích thước Bảng 2.2 Các xác lập biến thí nghiệm của độ c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KÍCH THƯỚC VÀ VỊ TRÍ TƯƠNG QUAN CỦA CHI TIẾT CÓ HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP KHI

PHAY TRÊN MÁY PHÁY WMC-300

Học viên: Bùi Thị Nhung

Lớp: CHK11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Bùi Thị Nhung

THÁI NGUYÊN - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè Ngoài tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Cùng với xu thế phát triển của xã hội, các nghành khoa học kỹ thuật cũng có những bước tiến vượt bậc Đặc biệt là sản xuất cơ khí hiện đại đã dần dần thay thế sản xuất truyền thống , các sản phẩm cơ khí ngày càng đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao

Với mong muốn nâng cao độ chính xác của các sản phẩm gia công trên máy công cụ nói chung và máy phay CNC nói riêng Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS

Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề tài : “ Nâng cao độ chính xác kích thước

và vị trí tương quan của chi tiết có hình dáng hình học phức tạp khi gia công trên máy phay CNC WMC- 300 ”

Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, các Khoa, các Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè, Trường Đại học Kỹ Thuật công nghiệp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa sau đại học, các giáo viên giảng dạy và các đồng nghiệp

Tác giả chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm và các giáo viên thuộc trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiện luận văn

Tác giả chân thành cảm ơn trường CĐCN Việt Đức, Công Ty Cổ Phần Phụ Tùng Máy Số 1 đã tạo mọi điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm để thực hiện đề tài này

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận văn đƣợc hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn !

Thái nguyên, tháng 8 năm 2010

Tóm tắt luận văn

Luận văn này đưa ra một giải pháp nâng cao độ chính xác của một họ chi tiết khi gia công trên một trung tâm phay CNC bằng phương pháp bù sai số Thiết kế thí nghiệm toàn phần theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu để tìm ra lượng bù tối ưu sao cho giá trị sai số đạt được là hợp lý nhất

Nội dung chính của luận văn là phân tích những nguyên nhân gây ra sai số gia công và tìm cách khứ các sai số đó, tuy nhiên đó là một biện pháp hoàn chỉnh và tốn kém Chính vì vậy tác giả đề xuất một phương pháp hiệu quả, đơn giản hơn : Đó

là bù sai số trực tiếp trong chương trình NC

Để bù sai số ban đầu ta gia công một loạt chi tiết và đánh giá khoảng sai số của máy sau đó thiết kế bù sai số cho chi tiết cụ thể thông qua phương pháp thí nghiệm RSM và phần mềm Minitab Qua quá trình thực nghiệm kết quả chính mà luận văn đạt được như sau :

 Phân tích đánh giá các nguyên nhân gây sai số

 Thiết kế thí nghiệm bù sai số đơn giản và hiệu qủa

 Ứng dụng phần mềm thiết kế thí nghiệm có khả năng hội tụ nhanh hơn và

độ chính xác cao hơn

 Đưa ra khoảng lượng bù tối ưu và sai số đạt được ở vùng tối ưu được trình bày trong bảng dưới đây

Giá trị lượng bù và sai số kích thước trong miền tối ưu

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC 13

1.1.2.2 Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC 17 1.1.2.3 Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay

CNC

19

1.3 Những xu hướng nghiên cứu gần đây về bù sai số cho máy

CNC

26

Chương 2 PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ PHƯƠNG PHẤP

NÂNG CAO Đ Ộ CHÍNH XÁC GIA CÔNG

2.1 Độ chính xác gia công

2.1.3 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công 30

2.2.2 Nộ dung chính của phương pháp bề nặt chỉ tiêu RSM 32

2.2.3.2 Phương pháp xây dựng đường tròn theo biên dạng đo 35 2 2.3.3

Chương 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ TRAO ĐỔI

A Kết quả thí nghiệm nâng cao độ chính xác kích thước 41

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CCD Central composite design Thí nghiệm toàn phần

RSM Response Surface Methodology Phương pháp bề mặt chỉ tiêu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ / ĐỒ THỊ

Hình 1.6 Các kiểu quỹ đạo chuyển động của dao 20

Hình 1.9 Các sản phẩm gia công trên máy phay 25

CNC WMC - 300

Hình 3.1 Biểu đồ Pareto, Plot các thông số thí nghiệm 47

Hình 3.3 Giá trị sai số tại các bước xuống dốc 52

Hình 3.9 Giá trị sai số vị trí tại các bước xuóng dốc 72

Hình 3.14 Chi tiết gia công theo lượng bù trong miền tối ưu 80

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC WMC- 300

Bảng 2.1 Các xác lập biến thí nghiệm của độ chính xác kích thước

Bảng 2.2 Các xác lập biến thí nghiệm của độ chính xác vị trí tương quan Bảng 2.3 Các thông số thí nghiệm CCD của độ chính xác kích thước Bảng 2.4 Các thông số thí nghiệm CCD của độ chính xác vị trí tương

quan Bảng 3.1 Toạ độ các điểm đo chi tiết trên 3 mặt phẳng

Bảng 3.2 Các xác lập biến thí nghiệm của độ chính xác kích thước

Bảng 3.3 Các bước thí nghiệm

Bảng 3.4 Kết quả đo chi tiết gia công sơ bộ

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm

Bảng 3.6 Kết quả đo chi tiết gia công theo các bước xuống dốc

Bảng 3.7 Kích thước Φ42 phụ thuộc vào lượng bù X,Y

Bảng 3.8 Các thông số thí nghiệm CCD của độc hính xác kích thước Bảng 3.9 Kết quả đo chi tiết gia công theo thí nghiệm CCD

Bảng 3.10 Thí nghiệm CCD và kết quả

Bảng 3.11 Giá trị lượng bù và sai số trong miền tối ưu

Bảng 3.12 Các xác lập biến thí nghiệm

Bảng 3.13 Các bước thí nghiệm

Bảng 3.14 Kết quả đo chi tiết gia công sơ bộ

Bảng 3.15 Thí nghiệm sơ bộ và kết quả

Bảng 3.16 Các bước xuống dốc

Bảng 3.17 Kết quả đo chi tiết gia công theo các bước xuống dốc

Bảng 3.18 Giá trị sai số vị trí tại các bước xuống dốc

Bảng 3.19 Các thông số thí nghiệm CCD của độ chính xác vị trí tương

quan Bảng 3.20 Kết quả đo chi tiết gia công theo thí nghiệm CCD

Bảng 3.21 Thí nghiệm CCD và kết quả

Bảng 3.22 Giá trị lƣợng bù và sai số trong miền tối ƣu

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong nghành cơ khí sai số gia công luôn là một vấn đề nóng và đáng quan tâm Mặc dù các chi tiết khi gia công trên máy CNC có độ chính xác cao hơn so với các máy vạn năng, tuy nhiên không thể loại bỏ hết sai số gia công bởi nó do nhiều nguyên nhân gây ra [1] Do đó một bài toán đặt ra là khử sai số gia công bằng phương pháp bù sai số

Thực tế bù sai số đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập và thường đưa ra phương án khử sai số do một số nguyên nhân gây ra như lực cắt, mòn dao, máy…vv Dựa trên nền tảng đó tác giả đề xuất một phương án bù hiệu quả và ít tốn kém Đó là không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số mà thiết kế thí nghiệm bù lượng sai số trong khoảng giới hạn khi gia công một loạt chi tiết cụ thể, sử dụng phương pháp tối ưu hoá thực nghiệm để tìm ra miền tối ưu thoả mãn sai số gia công nhỏ nhất, độ chính xác gia công cao nhất

2 Ý nghĩa khoa học và Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

3 Mục đích nghiên cứu

- Nâng cao độ chính xác kích thước của chi tiết

- Nâng cao độ chính xác về vị trí tương quan của chi tiết

+ Nâng cao độ trụ của các vị trí lắp ghép trên sản phẩm

+ Nâng cao độ chính xác về vị trí tương quan của các vị trí lắp ghép

Trên cơ sở thiết kế thí nghiệm bù sai số

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu kết hợp giữa suy diễn lý thuyết và thực nghiệm Trước hết cần thu thập, phân tích, đánh giá về lý thuyết ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các thông số đầu ra trong điều kiện sản xuất cụ thể sau

đó đưa ra các giả thuyết khoa học rồi dùng thực nghiệm kiểm chứng hoặc làm sáng

tỏ hơn các giả thuyết

5 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày trong 4 chương với những nội dung cụ thể như sau :

Chương I : Tổng quan về máy CNC Nội dung của chương nhằm giới thiệu

về những đặc điểm chung nhất của máy công cụ điều khiển số CNC ( máy phay CNC) Giới thiệu tổng quan về máy phay CNC WMC mà tác giả đã chọn để thực hiện đề tài trên cơ sở sai số thực tế của máy

Chương II: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và

phương pháp nâng cao độ chính xác gia công Nội dung của chương là đưa ra các nguyên nhân gây sai số gia công và phân tích các nguyên nhân đó để tìm ra các yếu

tố gây ảnh hưởng có thể thay đổi được để nâng cao độ chính xác của chi tiết Thiết

kế thí nghiệm bù sai số theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu ( RSM) để nâng cao độ chính xác kích thước và vị trí tương quan của chi tiết đã chọn

Chương III : Kết quả thí nghiệm và thảo luận Nội dung của chương đưa ra

các kết quả trong các lần thí nghiệm, phân tíchvà xử lý các kết quả đã đạt được

Chương IV: Kết luận Nội dung của chương trình bày các kết luận và đề

xuất nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC

1.1 Tổng quan về máy phay CNC

1.1.1 Đặc điểm của máy phay CNC

Máy phay CNC khác máy phay thông thường một cách đáng kể vì máy phay thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay, người ta đọc bản vẽ chi tiết rồi rồi sử dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành Máy phay CNC đã khắc phục được các khó khăn trên, vì việc điều khiển các chức năng của máy được quyết định độc lập với người vận hành

Ưu điểm chính của máy phay CNC là khả năng hiệu chỉnh trương trình gia công ngay tại chỗ làm việc Trong điều kiện sản xuất đơn chiếc, sản xuất loạt nhỏ

và sản xuất loạt vừa máy phay CNC đảm bảo khả năng thay dao nhanh, nâng cao năng suất và độ chính xác gia công, thay thế một cách hiệu quả các máy vạn năng điều khiển bằng tay

Sử dụng máy phay CNC cho phép giảm nhẹ điều kiện lao động của công nhân, giải phóng công nhân khỏi công việc có tính đơn điệu, lặp lại nhiều lần, giảm nhẹ quá trình điều khiển máy, tăng lợi ích người công nhân và làm cho họ thích thú hơn với công việc

Đối với các máy CNC nói chung và máy phay CNC nói riêng, vấn đề mở rộng khả năng công nghệ và hoàn thiện hệ thống điều khiển, hoàn thiện kết cấu của máy sẽ cho phép nâng cao năng suất và độ chính xác gia công

Mở rộng khả năng công nghệ của máy phay CNC cho phép gia công nhiều

bề mặt trong một lần gá đặt chi tiết, vì vậy nâng cao được độ chính xác vị trí tương quan và giảm của chu kỳ gia công

Hoàn thiện hệ điều khiển CNC trước hết nhằm nâng cao độ chính xác gia công và bù các sai số xuất hiện trong quá trình cắt

Các hệ điều khiển CNC hiện nay cho phép đạt độ chính xác vị trí trong khoảng (0,0005  0,001)mm và trong một số trường hợp đặc biệt có khả năng đạt (0,00025  0,0005)mm Các hệ điều khiển này cũng cho phép điều chỉnh vô cấp số

vòng quay của trục chính để giữ cho tốc độ cắt cố định khi chuyển bề mặt gia công

có đường kính khác nhau và xác định chính xác vị trí góc của trục chính để gá đặt chi tiết không đối xứng trên mâm cặp, đồng thời cho phép thực hiện các nguyên công phay theo phương hướng kính của chi tiết khi chi tiết đứng yên

Các hệ điều khiển CNC hiện đại có khả năng bù sai số hệ thống (do biến dạng nhiệt gây ra), hiệu chỉnh sai số dịch chuyển tích luỹ do sai số bước của trục vítme gây ra

Trên các máy phay CNC cũng được trang bị cơ cấu hiệu chỉnh vị trí của phôi kẹp chặt, có nghĩa là bù sai số kẹp chặt của phôi

Để phòng gẫy dao, trong một số máy CNC được trang bị cơ cấu giới hạn để

tự động dưng quá trình cắt khi công suất cắt, lực cắt hoặc mômen cắt đạt giá trị tới hạn

Ngoài ra, trên các máy phay CNC còn được trang bị hệ thống điều khiển thích nghi để hiệu chỉnh chế độ cắt (số vòng quay của trục chính và lượng chạy dao) khi lực cắt và công suất cắt biến động Các hệ điều khiển thích nghi xảy ra sau một vòng quay của trục chíng và số vòng quay của trục chính có thể giảm từ 2000 (vòng/phút) đến 0 (vòng/phút) trong một vài mili giây Sử dụng hệ thống điều khiển thích nghi có ý nghĩa quan trọng đối với trường hợp gia công có lượng dư và tính chất cơ lý của vật liệu không cố định

Các máy phay CNC có thể được lắp đặt trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS

Thành phần thời gian cơ bản khi gia công trên máy phay CNC tăng lên đáng

kể vì số vòng quay của trục chính có thể đạt tới (3500 - 40999) vòng/phút và ta có thể đạt tới 6000 (vòng/phúts) đối với các trung tâm gia công

Tốc độ dịch chuyển nhanh của dụng cụ và bàn máy có thể đạt tới 15  19 (m/phút)

Một ưu điểm khác của máy CNC là khả năng thay dao tự động khi chuyển bước gia công hoặc khi lượng mòn của dao vượ quá giới hạn cho phép

1.1.2 Công nghệ gia công trên máy phay CNC

1.1.2.1_ Các dạng điều khiển của máy phay CNC

Cũng như các máy công cụ điều khiển số khác, máy phay CNC có khả năng gia công được các dạng bề mặt khác nhau như: lỗ, mặt phẳng, mặt định hình, Do

đó, các dạng điều khiển của máy cũng được chia ra thành: điều khiển điểm - điểm, điều khiển đường thẳng và điều khiển theo Contour (điều khiển biên dạng) [1] ; [2]

a Điều khiển điểm - điểm

Điều khiển điểm - điểm ( hay điều khiển theo vị trí) được dùng để gia công các lỗ bằng phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ Chi tiết gia công được gá

cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình Trong hành trình này dao không cắt vào chi tiết Khi đạt tới các điểm đích dao bắt đầu cắt theo chế độ cắt đã được lập trình (Hình 1.2)

b Điều khiển đường thẳng

Điều khiển đường thẳng là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó Trong các nguyên công phay điều khiển đường thẳng được dùng khi gia công các rãnh, mặt phẳng, mặt bậc, Quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt khi cắt gọt là một đường thẳng song song với một trong các trục toạ độ của máy

c Điều khiển biên dạng (điều khiển Contour)

Điều khiển theo biện dạng (theo Contour) cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trục cùng lúc Các chuyển động theo các trục có mối quan hệ hàm số ràng buộc với nhau

Tuỳ theo số trục điều khiển đồng thời khi gia công người ta phân biệt: điều khiển Contour 2D, điều khiển Contour D

2

1

2 và điều khiển Contour 3D

*) Điều khiển Contour 2D

Điều khiển contour 2D cho phép thực hiện chạy dao theo 2 trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công, ví dụ trong mặt phẳng XY (Hình 1.4a) Trục thứ 3 được điều khiển hoàn toàn độc lập với 2 trục kia Có thể hiểu rõ hơn khi trên máy phay CNC có 3 trục: 2 trục được sử dụng để phay contour, còn trục thứ 3 (trục Z) thực hiện ăn dao theo chiều sâu cắt và được điều khiển không phụ thuộc vào 2 trục kia

*) Điều khiển Contour D

2

12

Điều khiển contour D

phay CNC điều này có nghĩa là chiều sau cắt có thể được thực hiện theo bất kỳ một trục nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay contour

*) Điều khiển Contour 3D

Điều khiển contour 3D cho phép nội suy đồng thời chạy dao theo cả 3 trục X,Y và Z (cả 3 trục chuyển động hào hợp với nhau hạy có quan hệ ràng buộc hàn

số, Hình 1.4c) Điều khiển contour 3D được dùng để gia công các khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt không gian phức tạp

1.1.2.2 Quy trình công nghệ gia công trên máy phay CNC

Quy trình công nghệ trên máy phay CNC được chia ra các nguyên công, các bước, nhưng các bước ở đây lại phải chia ra các lớp cắt và mỗi lớp cắt được thực hiện sau mỗi quỹ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt

Thành phần đơn giản nhất của quy trình công nghệ này là các dịch chuyển đơn giản và các điều khiển công nghệ do bộ điều của máy cung cấp Hai thành phần này tạo thành chương trình điều khiển

Lập quy trình công nghệ và điều khiển cho máy CNC là một nhiệm vụ của chuẩn bị công nghệ

Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy CNC bao gồm 3 giai đoạn sau đây:

a Lập tiến trình công nghệ

Nhiệm vụ của giai đoạn này là:

 Xác định khả năng gia công chi tiết trên máy CNC theo kết cấu công nghệ và theo điều kiện sản xuất

 Chon phôi, tiến trình công nghệ, dụng cụ cắt, đồ gá và cấu trúc các nguyên công

 Nghiên cứu tính công nghệ của chi tiết và tiêu chuẩn hoá các thông số như chuẩn kích thước hoặc bán kính

 Xác định yêu cầu đối với các mặt chuẩn, lượng dư và các kích thước chính

 Lập tiến trình gia công chi tiết

 Xác định phương pháp gá đặt và chọn đồ gá cần thiết

 Xác định dụng cụ cắt và chọn chúng theo từng loại

b Thiết kế nguyên công

Nhiệm vụ của giai đoạn này bao gồm:

- Xác định nội dung nguyên công, chia nguyên công ra các bước và các vị trí, cụ thể hoá phương pháp kẹp chặt chi tiết

- Chia ra các lớp cắt, chọn dụng cụ cắt, chuẩn bị phương pháp điều chỉnh máy và điều chỉnh dao

c Lập trình gia công

Giai đoạn này bao gồm các nhiệm vụ sau đây:

- Tính toán quỹ đạo chuyển động của dao sau khi xác định toạ độ các điểm

- Lập trình và ghi vào bộ nhớ của bộ điều khiển máy

- Kiểm tra chương trình, sửa lỗi chương trình, chạy thử và gia công thử chi tiết

1.1.2.3_ Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC

a Vùng gia công

Vùng gia công khi phay được chia ra như sau: (Hình 1.5 [3])

* Vùng gia công hở (Hình 1.5a,b,c)

Đối với vùng gia công hở thì dao không bị hạn chế khi dịch chuyển dọc theo trục của nó hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục dao

* Vùng gia công nửa hở

Đối với vùng gia công này thì dao bị hạn chế khi dịch chuyển dọc hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục của nó

* Vùng gia công kín (Hình 1.5e)

Trong trường hợp này dao bị hạn chế theo tất cả các phương khi nó dịch chuyển

* Vùng gia công tổ hợp (Hình 1.5f)

Vùng gia công đựơc tạo thành từ các vùng gia công trên

b Lượng dư phay

- Lượng dư phay có thể xác định theo bảng hoặc bằng phương pháp tính toán

- Khi xác định lượng dư gia công tinh cần tính đến quy luật cắt khi phay

c Sơ đồ các bước khi phay

*) Quỹ đạo của dao

Thực hiện nguyên công phay trên máy CNC người ta có thể áp dụng các phương pháp chuyển động của dao sau đây:

Hình 1.6_ Các kiểu quỹ đạo chuyển động của dao

* Quỹ đạo chuyển động của dao theo dạng ziczắc (hình 1.6a,b,c)

Hiện nay sơ đồ này được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên nó có nhược điểm là tính chất của phay thay đổi (một chiều cùng với chiều của chạy dao, còn một chiều ngược với chiều của chạy dao) dẫn đến sự thay đổi của lực cắt nên ảnh hưởng xấu đến độ chính xác và chất lượng bề mặt

Sơ đồ chạy dao ziczắc có 3 loại:

- Không ăn dao dọc theo contour (hình 1.6a)

- Ăn dao dọc theo contour ở bước cuối cùng (hình 1.6b)

- Bước đầu tiên là ăn sơ bộ dọc theo contour chi tiết (hình 1.6c)

Sơ đồ trên hình 1.6c tạo điều kiện thuận lợi cho việc ăn dao ở phía cuối mỗi bước

* Quỹ đạo chuyển động theo dạng lò xo của dao (hình 1.6d,e)

Theo sơ đồ này dao có quỹ đạo chuyển động đường vòng từ trong ra ngoài (hình 1.6d) hoặc từ ngoài vào trong (hình 1.6e) Quỹ đạo chuyển động theo dạng

lò xo có ưu điểm là bản chất của quá trình phay không thay đổi (luôn luôn là phay thuận hoặc phay nghịch)

* Quỹ đạo ăn dao theo kiểu răng lược (hình 1.6f,g,h)

Theo sơ đồ này thì bản chất quá trình phay cũng không thay đổi Sau mỗi lần

ăn dao (theo chiều mũi tên đậm) thì dao phải lùi xa mặt gia công một đoạn rồi chạy dao nhanh về phía xuất phát ban đầu để thực hiện các bước cắt tiếp theo

b) Khảng cách giữa 2 bước kề nhau

Khoảng cách giữa 2 bước kề nhau chính là chiều sâu cắt khi phay Khoảng cách giữa 2 bước kề nhau lớn nhất tmax được tính theo công thức sau đây (hình 1.6a)

h r D

Với: D - Đường kính dao phay (mm)

r – Bán kính cong ở mặt đầu dao (mm)

h – Khoảng giao nhau của hai bước do 2 dao cùng cắt (mm) c) Phương pháp ăn dao vào chi tiết [3]

Phương pháp ăn dao đơn giản nhất là ăn dao dọc theo trục của dao theo lỗ đã khoan sẵn (hình 1.7a)

Trong trường hợp gia công tinh biên dạng chi tiết thì quỹ đạo ăn dao được thực hiện theo cung tròn tiếp tuyến với contour chi tiết tại điểm mà ở đó dao bắt đầu chuyển động cắt theo contour (hình 1.7b) Phương pháp này có ưu điểm là lực cắt thay đổi từ từ, giảm được sai số gia công và thuận lợi cho việc hiệu chỉnh bán kính dao khi lập trình

1.2- MÁY PHAY CNC WMC - 300

1.2.1 Thông số kỹ thuật chính của m áy

Máy phay CNC WMC -300 là máy do Nhật Bản sản xuất, với hệ điều hành Fanuc OM có các thông số kỹ thuật chính sau:

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của máy CNC WMC - 300

Thông số kỹ thuật Đơn vị Kích thước

Hành trình lớn nhất của bàn máy theo X mm 1200

Hành trình lớn nhất của bàn máy theo Y mm 350

Hành trình lớn nhất của bàn máy theo Z mm 450

Phạm vi tốc độ vòng quay trục chính Vòng/ph 6000

Phạm vi tốc độ chạy dao của bàn máy mm/ph 10 - 8000

Khả năng di chuyển nhỏ nhất của bàn máy mm 0.001

Kích thước tổng thể của máy mm 1700 x 2280 x 2520

Hình 1.8 : Máy phay CNC WMC-300

1.2.2 Đặc điểm của máy

Máy phay WMC- 300 được sản xuất năm 1985 ở nhật bản Được công ty Cổ Phần Phụ Tùng Máy Số 1 nhập về năm 2008 và được đặt tại phân xưởng dụng cụ của công ty Máy phay WMC chủ yếu để gia công, sản xuất khuôn mẫu Sai số dịch chuyển của máy hiện nay sau khi đã sử dụng nhiều năm theo 3 phương X,Y,Z ước lượng là 0.02 mm

Một số sản phẩm chính đƣợc gia công trên máy WMC đƣợc trình bày trong hình 1.9

Hình 1.9 Một số sản phẩm gia công trên máy phay WMC -300

1.3 Những xu hướng nghiên cứu gần đây về bù sai số cho máy CNC

Thực tế trên thế giới nghiên cứu bù sai số không phải là đề tài mới Đã có nhiều công trình của các tác giả nước ngoài đã công bố như Chana Raksiri và Manukid [6] đã đề xuất một mô hình bù sai số độc lập bằng cách tính toán các sai số hình học do lực cắt trên các máy phay CNC Bù sai số cho trung tâm gia công nhiều trục, đề tài đã xây dựng hệ thống bù sai số tĩnh từ thuật toán nội suy element- free dựa trên phương pháp Garlerkin để dự báo sai số và phương pháp bù phần mềm hồi quy và phần biến đổi mã NC

Ở nước ta các trung tâm gia công và máy CNC cũng đã được sử dụng phổ biến trong sản xuất Tuy nhiên việc nghiên cứu cải tiến và nâng cao độ chính xác của máy CNC còn hạn chế Một vài năm trở lại đây đã có một số đề tài nghiên cứu

về bù sai số như [4], [5],[ 6] Mỗi đề tài đề cập về một vấn đề bù sai số như: Xác

định dữ liệu cho việc tính toán lượng bù dao khi gia công trên các máy tiện [4 ], nghiên cứu nâng cao độ chính xác của các chi tiết hình học phức tạp khi gia công trên trung tâm phay trục [5 ], nghiên cứu bù sai số vị trí bằng bộ điều khiển [6 ]

Nhưng các đề tài chỉ đưa ra mô hình lý thuyết và chưa đưa ra được mô hình cụ thể

để tính toán lượng bù Trên cơ sở khai thác tính năng của máy CMM - C544 hiện có tại trường Đại Học KTCN Thái Nguyên, máy CNC tại cơ sở sản xuất, tác giả đã lựa chọn đề tài nâng cao độ chính xác của một họ chi tiết khi gia công trên máy CNC dựa theo nguyên tắc bù sai số dịch chuyển vị trí theo các phương [3] Áp dụng lý thuyết tối ưu hoá thực nghiệm từ đó thiết kế thí nghiệm để tìm ra khoảng tối ưu của lượng bù toạ độ sao cho độ chính xác của chi tiết đạt được là lớn nhất

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

Độ chính xác gia công của chi tiết máy là mức độ giống nhau về kích thước, hình dáng hình học , vị trí tương quan của chi tiết gia công trên máy và chi tiết lý tưởng được ghi trên bản vẽ Độ chính xác gia công được đánh giá theo các yếu tố sau đây

 Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lí tưởng được ghi trên bản vẽ

 Độ chính xác hình dáng hình học là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học thực và hình dáng hình học lí tưởng của chi tiết

 Độ chính xác vị trí tương quan là sự xoay đi một góc nào đó của bề mặt này

so với bề mặt kia ( dùng làm chuẩn )

2.1.2 Các nguyên nhân gây sai số gia công

a Ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Hệ thống công nghệ bao gồm máy- dao - đồ gá- chi tiết gia công là một hệ thống đàn hồi Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra sai số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ thống đó

b Ảnh hưởng của độ chính xác của máy

Các máy công cụ thông thường tồn tại những sai số hình học sau

 Độ đảo hướng kính của trục chính

 Độ đảo lỗ côn của trục chính

 Độ đảo mặt đầu của trục chính

 Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy vv…

Các sai số trên đây sẽ phản ánh một phần hoặc toàn bộ lên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống Việc hình thành các bề mặt gia công là do chuyển động cưỡng bức của các bộ phận chính như trục chính, bàn máy hoặc bàn dao vv Nếu

các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công

c Ảnh hưởng của sai số đồ gá

Khi chế tạo và lắp ráp đồ gá thì sai số của đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công Các chi tiết quan trọng của đồ gá như các chi tiết định vị dẫn hướng, so dao…nếu chế tạo có sai số hoặc trong quá trình làm việc bị mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa máy – dao và chi tiết do đó gây sai số gia công Sai số này có thể xác định bằng tính toán dựa vào dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc có thể dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo

d Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt

Khi gia công các chi tiết muốn đảm bảo độ chính xác thì một yếu tố quan trọng là dụng cụ cắt do đó nếu dụng cụ cắt chế tạo có sai số hoặc trong quá trình gia công dụng cụ cắt bị mòn đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

e Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt

Khi gia công do ma sát giữa dao và phôi phát sinh ra nhiệt, đồng thời trong quá trình máy hoạt động do ma sát giữa các bộ truyền cũng sinh nhiệt làm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

+ Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy đến độ chính xác gia công: Khi máy làm việc các bộ phận của máy bị nung nóng chủ yếu là do nhiệt ma sát, nhiệt phát động từ động cơ và từ hệ thống thuỷ lực Nhiệt độ của các bộ phận khác nhau

có thể chênh lệch trong khoảng10- 50°C, trong đó nhiệt độ ở hai ổ trục chính có giá trị lớn nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác gia công Nhiệt độ tăng làm cho tâm trục chính xê dịch theo cả hai phương ngang và đứng Do đó các chi tiết gia công ở đầu và ở cuối ca làm việc sẽ có các kích thước khác nhau

+ Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dao cắt tới độ chính xác gia công: Khi cắt nhiệt độ truyền vào dao không lớn (10-20%) tuy nhiên nhiệt độ này cũng gây biến dạng đáng kể ở dao cắt( ví dụ : độ giãn dài của phần công xôn của dao) Nếu nhiệt độ không được cân bằng thì khi gia công các chi tiết nhỏ thì độ giãn dài của dao gây ra sai số kích thước gia công còn khi gia công các chi tiết lớn nó gây ra sai

số hình dáng hình học

+ Ảnh hưởng của biến dạng nhiẹt của chi tiết đến độ chính xác gia công: Khi gia công một phần nhiệt ở vùng cắt được truyền vào chi tiết gia công Nếu chi tiết nung nóng đều thì chỉ gây ra sai số kích thước còn nếu chi tiết bị nung nóng cục bộ không đều thì ngoài sai số kích thước còn gây ra sai số hình dáng hình học Nhiệt

độ được truyền vào chi tiết phụ thuộc chế độ cắt và nó ảnh hưởng chủ yếu khi gia công những chi tiết thành mỏng, còn những chi tiết lớn thì ảnh hưởng của nhiệt là không đáng kể

f Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt

Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm cho vị trí giữa dao và phôi thay đổi theo chu kỳ do đó ghi lại trên bề mặt chi tiết gia công hình

dáng không bằng phẳng có thể gây ra nhám bề mặt và sóng bề mặt phụ thuộc vào tần số và biên độ của rung động Rung động có hai loại là rung động cưỡng bức và

tự rung động

g Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển

*- Sai số của bộ nội suy và chế độ nội suy:

Khi gia công trên máy CNC thì bộ nội suy tồn tại sai số hình học ( sai số của quỹ đạo thực hiện so với quỹ đạo đã định ) phụ thuộc vào góc nghiêng của quỹ đạo so với trục toạ độ không vượt quá một giá trị xung  trên mỗi đoạn chi tiết đối với các máy CNC thế hệ cũ có giá trị xung =0.01

Một loại sai số khác không phụ thuộc vào bộ nội suy nhưng lại xuất hiện trong chế độ nội suy Nguyên nhân gây ra các sai số đó là sai số chu kỳ truyển động của các cơ cấu chạy dao ( các sai số này xuất hiện do nguyên nhân dao động dọc và sai số bước của trục vít me, sai số tích luỹ của bánh răng và của các sensor phản hồi, độ không đồng tâm của các trục trong hệ: động cơ chạy dao - hộp giảm tốc – trục vít me – encoder Khi gia công theo một toạ độ nào đó những sai số trên đây chỉ thể hiện ở độ không đồng đều của cơ cấu chạy dao ( lượng chạy dao có thay đổi chút ít) và vchúng không ảnh hưởng đến sai số gia công, tuy nhiên khi gia công theo nhiều toạ độ cùng lúc ( chế độ nội suy theo nhiều trục ) thì ngay cả chuyển động không đều theo một trục nào đó cũng ảnh hưởng đến sai ssố gia công

*- Sai số của phương pháp xấp xỉ

Khi ứng dụng nội suy đường thẳng để gia công chi tiết theo coutour thì phảI dùng phương pháp xấp xỉ để xác định toạ độ các điểm như vậy sẽ gây sai số gia

công

2.1.3 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Khi gia công trên máy CNC có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Nhưng việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đó đến độ chính xác gia

công như thế nào và bằng bao nhiêu là một bài toán khó Vì vậy trên cơ sở điều kiện gia công cụ thể và chi tiết mà tác giả đã chọn thấy rằng các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ chính xác của chi tiết là:

 Sai số của máy ( sai số vị trí của các trục quay và sai số dịch chuyển của các

cơ cấu chấp hành mang chi tiết và dụng cụ cắt)

 Sai số của bộ nội suy và chế độ nội suy

 Sai số do dao ( do mòn dao khi gia công loạt)

Còn sa i số do đồ gá ít ảnh hưởng vì kích thước yêu cầu không so với mặt chuẩn và giả thiết hệ thống công nghệ cứng vững và các yếu tố do nhiệt, rung động giả sử rất nhỏ …Tuy nhiên với yêu cầu nâng cao độ chính xác cần phải chọn các yếu tố ảnh hưởng có thể điều khiển được để từ đó thay đổi yếu tố đó để nâng cao được độ chính xác kích thước và vị trí tương quan của chi tiết

2.2.Thiết kế thí nghiệm bù sai số

2.2.1 cơ sở tiến hành thí nghiệm:

Để tiến hành làm thí nghiệm một cách chính xác và nhanh nhất ta phải đưa ra

mô hình quy hoạch thực nghiệm hợp lý Với nội dung của đề tài tác giả đã lựa chọn

mô hình quy hoạch thực nghiệm tuyến tính và sử dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu

RSM (Response Surface Methodology).Với mục đích tìm ra giá trị cực trị hay vùng

tối ưu của lượng bù dao để nâng cao độ chính xác của chi tiết

Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methodology - RSM) là tập hợp các kỹ thuật thống kê và toán học rất hữu ích cho việc phát triển, nâng cao và tối ưu hóa quy trình sản xuất [8] Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các sản phẩm mới cũng như trong việc cải thiện các sản phẩm hiện có Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết

kế để tối ưu hóa một quy trình sản xuất Các thí nghiệm được thiết kế và phân tích bằng phần mềm thiết kế thí nghiệm Minitab

Phần mềm Minitab-15 là một công cụ phân tích dữ liệu hiệu quả [7] Nó giúp người nghiên cứu xây dựng các thí nghiệm từ đơn giản đến phức tạp một cách

nhanh nhất và chính xác nhất Các bài toán được giải quyết bằng các phương pháp phân tích hồi quy, phương sai Minitab có thể xử lý các thí nghiệm, vẽ đồ thị, phân tích thí nghiệm mà không đòi hỏi người dùng phải có kỹ thuật lập trình, các thao tác được chọn lệnh từ thanh Menu và các hộp thoại

2.2.2 Nội dung chính của phương pháp bề mặt chỉ tiêu ( RSM)

Nội dung chính của phương pháp bề mặt chỉ tiêu là sử dụng một chuỗi các

thí nghiệm để tối ưu hóa quá trình Tiến trình thực hiện tối ưu hoá theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu là một quá trình tự nhiên và liên tục Trước hết để đánh giá mô hình đa thức bậc một có thể sử dụng kiểu thiết kế thí nghiệm toàn phần hay riêng phần Sử dụng kiểu thiết kế này ở bước đầu tiên là đủ để xác định các nhân tố ảnh hưởng chính ảnh hưởng đến quá trình Quá trình thiết kế này được gọi là thí nghiệm sàng lọc Khi đã xác định được các nhân tố ảnh hưởng chính loại bỏ các nhân tố không quan trọng, xác định phương trình hồi quy bậc một để tìm được bước leo hoặc xuống dốc để tiến nhanh đến vùng chứa điểm cực trị theo phương pháp Gradien Ở vùng chứa điểm cực trị một thiết kế phức tạp hơn được sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình bậc hai ví dụ như thiết kế CCD (Central Composite Design) Mô hình bậc hai có thể được dùng để tối ưu hoá quá trình, giá trị tối ưu hoá có thể là giá trị max hoặc giá trị min - tối ưu hoá đơn mục tiêu, giá trị tối ưu hoá cũng có thể là tìm một mục tiêu trong miền ràng buộc của k biến vào và

m biến ra chứ không phải là chỉ tìm một giá trị cực trị cụ thể - tối ưu hoá đa mục tiêu

Thiết kế trên CAD/CAM

Xuất dữ liệu

Gia công chi tiết trên máy WMC-300

Đo chi tiết trên máy

CMM

Chi tiết thực

Xử lý bù sai số bằng phần mềm Minitab

Tính toán lượng bù

Thiết kế chương trình có bù

2.2.3 Thiết kế hệ thống thí nghiệm

2.2.3.1 Hệ thống thí nghiệm

a) Sơ đồ quy trình bù sai số

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình bù sai số

b) Máy, dao, Chi tiết gia công

- Máy phay CNC WMC- 300

- Dao phay ngón hợp kim BK8 Φ20, dao doa thép gió Φ10

- Chi tiết gia công : Gối đỡ trục cam – xe máy honda

- Khối lượng chi tiết : 0.7kg

- Vật liệu : Gang

Hình 2.2 Chi tiết gia công

c Thiết bị đo: Máy đo toạ độ 3 chiều CMM Mitutoyo- C544

Hình 2.3 Máy đo toạ độ 3 chiều

2.2.3.2.Phương pháp xây dựng đường tròn theo biên dạng đo

* - Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua 3 điểm đo trong một mặt phẳng

Giả sử xác định toạ độ của ba điểm trên đường tròn là A(x1,y1), B(x2,y2), C(x3,y3) trong mặt phẳng Oxy Ta biết rằng qua ba điểm luôn xác định được duy nhất một đường tròn Toạ độ tâm I(x0,y0) và bán kính R (đường kính: D = 2R) của đường tròn đó được xác định như sau:

Giả sử toạ độ tâm I của đường tròn là (x0, y0), qua hai điểm O và A, bán kính R của đường tròn được xác định bằng phương trình:

0 1 2 0

x

(*) Tương tự, qua hai điểm O và B, O và C ta cũng xác định được bán kính đường tròn:

   2

0 2 2 0

2 0 2 2 0 2

2 0 1 2 0 1

y y x

x R

y y x

x R

y y x

x R

Giải hệ phương trình trên ta được hai phương trình bậc nhất hai ẩn sau:

) (

) (

) (

2 ) (

2

) (

) (

) (

2 ) (

2

2 3 2 3 2 1 2 1 0 3 1 0 3 1

2 2 2 2 2 1 2 1 0 2 1 0 2 1

x y y y x

x x

y x y

x y y y x

x x

Để cho gọn ta đặt:

)(

)(

)(

2

)(

2

)(

)(

)(

2

)(

2

2 3 1 2 3 2 1 2 1 2

3 1 2

3 1 2

2 2 1 2 2 2 1 2 1 1

2 1 1

2 1 1

y x y

x c

y y b

x x a

y x y

x c

y y b

x x a

1 0 1 0 1

c y b x a

c y b x a

1 2 2 1 0

1 2 2 1

2 1 1 2 0

b a b a

c a c a

y

b a b a

c b c b

2 1 3 1 3 1 2 1

2 3 2 3 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 1 2 1 3 1 0

2

2

y y x x y y x x

y x y x x x y

x y x x x y

y y x x y y x x

y x y x y y y

x y x y y x

*- Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua n điểm đo trong mặt phẳng

Giả sử ta biết toạ độ các điểm đo Ai(xi,yi,zi) với i 1,n và toạ độ điểm tâm I(x0,y0), ta luôn xác định được bán kính của đường tròn tại mỗi điểm đo như sau:

0 2

x x

TB i

n R R R R

Với nội dung của đề tài này tác giả đã chọn lượng bù dịch chuyển theo các phương làm thông số đầu vào, sai số kích thước và vị trí tương quan làm đầu ra của thí nghiệm Khi phân tích nguyên nhân gây sai số và tiến hành thí nghiệm khảo sát với thông số bù dao bằng không để tìm ra khoảng sai số của máy, sau đó xác lập biến thí nghiệm trong Minitab Cụ thể khi gia công chi tiết với thông số bù bằng