Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc

Tuy nhiên, đối với Việt Nam gia công cao tốc còn mới đối với các Doanh nghiệp, cơ sở sản xuất cho nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác và đầu tư; Máy, trang thiết bị gia công cao tốc k

LỜI CẢM ƠN

Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học tôi PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch đã hưỡng dẫn và hỗ trợ tận tình tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ Khí-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi biết ơn và cảm ơn tới thầy cô bộ môn Công Nghệ Chế Tạo Máy –Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ và giúp đỡ tôi

Tôi biết ơn tới thầy TS Phạm Văn Bổng đã có góp ý và hỗ trợ tôi trong thời gian làm luận án

Tôi biết ơn và cảm ơn tới TS Trần Ngọc Hiền-Bộ môn Thiết kế máy –Trường ĐH Giao Thông Vận Tải, thầy cô bộ môn Công Nghệ - Khoa Cơ Khí, thầy cô Khoa Cơ Khí Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội và thầy cô trung tâm Hồng Hải Foxcon đã giúp đỡ và

hỗ trợ tôi hoàn thành thí nghiệm

Và đặc biệt cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ tôi về thời gian, góp ý chuyên môn và tạo điều kiện của Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Khí trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Tôi cảm ơn sự hỗ trợ về tài chính, thời gian và quan tâm tạo điều kiện và giúp đỡ của Ban Giám hiệu, phòng Tổ Chức Hành Chính-Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của tôi với mẹ và cha tôi, vì nếu không có họ hỗ trợ liên tục, động viên và giúp đỡ gia đình nhỏ của tôi Tôi cũng muốn cảm ơn đại gia đình của tôi đặc biệt là bố mẹ vợ tôi đã động viên và giúp đỡ tôi và vợ con tôi những ngày các con tôi còn nhỏ để tôi có thời gian học tập

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng đó là vợ tôi, người đồng hành của tôi trên cuộc hành trình dài này, tôi muốn cảm ơn vợ tôi vì sự kiên nhẫn của mình với tôi và với các con yêu của chúng tôi Nếu không có sự hỗ trợ liên tục của vợ tôi thì tôi khó có thể hoàn thành công việc nghiên cứu này Và các con tôi, tôi muốn cảm ơn các con tôi rất nhiều dù các con tôi còn nhỏ và chưa hiểu những gì khiến tôi có ý trí, niềm tin và phấn đấu

Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2015

Tác giả

Hoàng Tiến Dũng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Huy Ninh và GS.TS Trần Văn Địch Kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2015

GS.TS TRẦN VĂN ĐỊCH

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 15

1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc 15

1.2 Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công cao tốc 19

1.3 Sự hình thành phoi trong quá trình gia công 20

1.4 Lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc 23

1.5 Ảnh hưởng độ ổn định của máy trong quá trình gia công cao tốc 24

1.6 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 25

1.7 Đặc điểm và ứng dụng của gia công cao tốc 26

1.7.1 Đặc điểm của gia công cao tốc 26

1.7.2 Các ứng dụng của gia công cao tốc 27

1.8 Tổng quan về công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 30

1.9 Giới hạn vấn đề nghiên cứu 32

1.10 Kết luận chương 1 33

Chương 2: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI PHAY CAO TỐC BẰNG DAO PHAY NGÓN LIỀN KHỐI 34

2.1 Lực cắt khi phay 34

2.1.1 Giới thiệu 34

2.1.2 Phân tích lực cắt trong quá trình phay 37

2.1.3 Phân tích lực trên lưỡi cắt của dao phay ngón 40

2.1.4 Phân tích mô hình lực cắt dao phay ngón 42

2.2 Độ nhám bề mặt chi tiết gia công 46

2.2.1 Đặt vấn đề 46

2.2.2 Thông số độ nhám bề mặt 46

2.3 Rung động 51

2.3.1 Đặt vấn đề 51

2.3.2 Ổn định và mất ổn định trong quá trình gia công 52

2.3.3 Các thông số cơ bản của rung động 52

2.3.4 Phân tích ảnh hưởng của rung động trong quá trình gia công 55

2.4 Mòn dụng cụ cắt 62

2.4.1 Khái niệm mòn dụng cụ cắt 62

2.4.2 Cơ chế mài mòn dụng cụ cắt 62

2.4.3 Các dạng mòn phần cắt dụng cụ cắt 65

2.4.4 Chỉ tiêu đánh giá mòn của dụng cụ cắt 66

2.4.5 Các thông số chế độ cắt ảnh hưởng tới lượng mòn dụng cụ cắt khi phay 67

2.5 Kết luận chương 2 69

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 70

3.1 Mô hình thực nghiệm 70

3.1.1 Phân tích và thiết kế mô hình thực nghiệm 70

3.1.2 Máy, dụng cụ cắt, vật tư và thiết bị đo 72

3.1.3 Thí nghiệm và phân tích xử lý kết quả 74

3.2 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả 76

3.2.1 Thực nghiệm đo kết quả lực cắt và xây dựng mô hình toán học lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc 76

3.2.2 Thực nghiệm đo kết quả độ nhám bề mặt và xây dựng mô hình toán học nhám bề mặt phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc 81

3.2.3 Thực nghiệm đo kết quả rung động và xây dựng mô hình toán học rung động phụ thuộc vào chế độ cắt khi phay cao tốc 83

3.2.4 Thực nghiệm đo kết quả lượng mòn mặt sau và xây dựng mô hình toán học lượng mòn mặt sau phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công 89

3.3 Kết luận chương 3 92

Chương 4 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HÓA ĐỂ TỐI ƯU HÓA VÀ TỰ TỐI ƯU QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC 93

4.1 Đặt vấn đề 93

4.2 Tiếp cận thuật toán tiến hóa để giải bài toán tối ưu 96

4.3 Cơ sở tối ưu hóa quá trình cắt gọt 97

4.3.1 Khái niệm cơ bản về tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt 97

4.3.2 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của tối ưu hóa quá trình gia công cắt gọt 98

4.4 Bài toán tối ưu hóa 99

4.4.1 Cơ sở tối ưu hóa thông số gia công 99

4.4.2 Một số hàm mục tiêu trong công nghệ 100

4.4.3 Các hàm giới hạn và miền xác định thông số công nghệ 101

4.5 Tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization (PSO)) 103

4.5.1 Khái niệm tối ưu hóa bầy đàn (PSO) 103

4.5.2 Mô tả thuật toán PSO 106

4.5.3 Xây dựng giải thuật PSO 107

4.5.4 Giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc 109

4.5.5 Kết quả và đánh giá kết quả bài toán 112

4.6 Tự tối ưu thông số cắt trong quá trình gia công 115

4.6.1 Đặt vấn đề 115

4.6.2 Các nghiên cứu liên quan và mô hình hệ thống điều khiển tự tối ưu 116

4.6.3 Xác định hàm mục tiêu điều khiển tự tối ưu trong gia công 118

4.7 Kết luận chương 4 125

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 HSM High Speed Milling (Phay cao tốc)

2 HSC High Speed Cutting (Cắt cao tốc)

3 CNC Computer Numerical Control(Điều khiển số trợ giúp máy

tính)

4 EDM Electrical Discharge Machining

(Gia công tia lửa điện)

5 NURBS Non Uniform Rational B-Spline (Đường cong B-Spline hữu tỉ không đều)

6 ANOVA Analysis Of Variance (Phân tích phương sai)

7 HRC Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Rockwell C HRC

8 HB Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Brinell HB

9 HV Đơn vị đo độ cứng theo phương pháp Vickers HV

19 Re Giá trị hệ số phần thực trong hàm truyền tần số

20 G() Hàm truyền trong miền tần số

21 Rz Chiều cao nhấp nhô trung bình của bề mặt chi tiết m

22 Ra Sai lệch profin trung bình của bề mặt chi tiết m

23 (t) Chuyển vị theo thời gian

27 Fr Thành phần lực cắt theo phương pháp tuyến N

28 Ft Thành phần lực cắt theo phương tiếp tuyến N

29 Fa Thành phần lực cắt theo phương dọc trục N

32  góc cắt tức thời của lưỡi cắt so với phương thẳng đứng Độ

33 Krc Hệ số lực cắt theo phương pháp tuyến với phoi

34 Ktc Hệ số lực cắt theo phương tiếp tuyến với phoi

35 Kac Hệ số lực cắt theo phương dọc trục với phoi

36 Kre Hệ số lực cắt theo phương pháp tuyến với chi tiết gia

công

37 Kte Hệ số lực cắt theo phương tiếp tuyến với chi tiết gia công

38 Kae Hệ số lực cắt theo phương dọc trục với chi tiết gia công

42 Tc Mô men cắt tức thời Nmm

46 z Chiều sâu của điểm trên lưỡi cắt theo phương Z mm

48 VBmax Lượng mòn mặt sau dụng cụ cắt lớn nhất m

50 PSO Tối ưu hóa bầy đàn

52 rmp Ký hiệu đơn vị tốc độ vòng quay vòng/phút

53 HSK Ký hiệu cơ cấu bầu kẹp dao

54 Hp Đơn vị mã lực (Horse Power)

55 CBN Cấu trúc Cabit bornitrit

56 TiN Lớp phủ Titan Nitrit

57 TiAlN Lớp phủ Titan Nhôm Nitrit

58 MOCVD Phủ hữu cơ, phủ dùng hợp chất hữu cơ của kim loại

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc 16

Bảng 2.1 Thuật toán mô phỏng lực cắt dao phay ngón 41

Bảng 3.1 Giá trị các yếu tố biến thiên trong thực nghiệm 75

Bảng 3.3 Kết quả đo lực cắt 3 thành phần Fx, Fy, Fz 76

Bảng 3.4 Bảng kết quả tính toán Logarit lực cắt theo 3 phương X,Y,Z 77

Bảng 3.5 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp

ANOVA ảnh hưởng của v, f, ar đến lực cắt theo phương x (Fx) 78

Bảng 3.7 Bảng kết quả tính toán logarit lực cắt Fxy 80

Bảng 3.8 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp

Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp

ANOVA ảnh hưởng của v, f, ar đến rung động theo phương x

(Ax)

87

Bảng 3.14 Bảng kết quả tính toán logarit biên độ rung động Axy 88

Bảng 3.15 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp

ANOVA ảnh hưởng của v, f, ar đến Axy

88

Bảng 3.17 Bảng kết quả tính Logarit các thông số và lượng mòn (VB) 90

Bảng 3.18 Tóm tắt kết quả ứng dụng phần mềm Excel bằng phương pháp

ANOVA ảnh hưởng của v, f, ar đến lượng mòn mặt sau (VB) 90

Bảng 4.1 Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán tối ưu hóa

Bảng 4.2 Kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán di truyền (GA) 114

Bảng 4.3 Đánh giá kết quả tối ưu hóa chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO 114

Bảng 4.4 Chế độ cắt tối ưu và giá trị Ra, VB tại thời gian =5 phút 124

Bảng 4.5 Chế độ cắt tối ưu và giá trị Ra, VB tại thời gian =8 phút 124

Bảng 4.6 Chế độ cắt tối ưu và giá trị Ra, VB tại thời gian =15 phút 124

Bảng 4.9 Giá trị Ra và VB tại thời gian =15 phút 126

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon) 15

Hình 1.3 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu 16

Hình 1.5 So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc 18

Hình 1.8 Ảnh hưởng của lớp phủ vật liệu dụng cụ cắt khác nhau lên tuổi bền

Hình 1.10 Bề dày phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau 21

Hình 1.11 Hình thái phoi nhận được trong vùng gia công thông thường và gia

Hình 1.12 Mặt cắt của việc hình thành phoi trong gia công khi cắt tốc độ cắt khác nhau 22

Hình 1.13 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi

Hình 1.14 So sánh nhiệt trong quá trình gia công truyền thống và gia công cao

Hình 1.16 Nhám bề mặt khi cắt bằng dao phay ngón đầu cầu 28

Hình 1.19 Các kiểu khuôn điển hình để gia công cao tốc: Khuôn dập chi tiết ô

tô, khuôn thổi chai nhựa và ép phun tai nghe 29

Hình 1.21 Chi tiết bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Boeing Cargo C-17 29

Hình 1.23 Đồ thị đo độ nhám bề mặt Ra khi lượng chạy dao thay đổi phương

Hình 2.3 Sơ đồ về mô hình, mô phỏng, tối ưu hóa và điều khiển quá trình gia

Hình 2.5 Biểu đồ xương cá các yếu tố ảnh hưởng độ nhám bề mặt chi tiết gia

Hình 2.6 Biểu đồ xương cá các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt 37

Hình 2.10 Mô phỏng lực cắt dao phay ngón 4 lưỡi góc xoắn 30o 42

Hình 2.11 Sơ đồ lực cắt tác dụng lưỡi cắt của dao phay ngón khi gia công 44

Hình 2.12 Sơ đồ xác định độ nhấp nhô tế vi của bề mặt chi tiết máy 47

Hình 2.13 Ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến

Hình 2.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao và độ đảo của dụng cụ cắt (RO) đến

Hình 2.19 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của cùng một chuyển động 54

Hình 2.21 Sơ đồ phân tích Fourier trong thiết bị đo rung 56

Hình 2.23 Sơ đồ hàm truyền của rung động trong quá trình phay cao tốc 61

Hình 2.34 Lượng mòn mặt sau liên quan đến thời gian và tốc độ cắt khác nhau 66

Hình 2.35

Ảnh hưởng tốc độ cắt đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB

67

Hình 2.36

Ảnh hưởng lượng chạy dao đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB

68

Hình 2.37

Ảnh hưởng chiều sâu cắt ar đến tuổi bền của dao phay ngón rãnh xoắn phủ Cooltop khi gia công vật liệu Uddeholm Impax Hi Hard(CMC 03.22), 380HB

Hình 3.6 Thông số dụng cụ sử dụng thực nghiêm nhà sản xuất dụng cụ

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fx 79

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fy 79

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với Fz 79

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar với độ nhám bề mặt

Hình 3.16 Sơ đồ phân tích thực nghiệm đáp ứng tần số hệ dụng cụ gia công 84

Hình 3.19 Kết quả đo rung động v=596m/p, f=2375mm/p, ar=0,1mm 86

Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo

Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ các thông số v, f, ar đến rung động theo

Hình 4.1 Sự cần thiết cho phát triển hệ thống sản xuất mới 93

Hình 4.2 Các lĩnh vực nghiên cứu về hệ thống sản xuất thông minh 94

Hình 4.3 Tích hợp kiến thức chuyên gia tới hệ thống CAD/CAM/CNC 95

Hình 4.4 Vai trò của khoa học nhận thức đối với hệ thống sản xuất tự động 95

Hình 4.6 Kiến trúc của máy CNC nghiên cứu tối ưu hóa động 98

Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc kết nối hệ thống tự điều chỉnh trong quá trình gia công 98

Hình 4.9 Ảnh hưởng của biến dạng dụng cụ cắt khi phay biên dạng 103

Hình 4.10 Bầy đàn với mười cá thể trong không gian tìm kiếm hai chiều 103

Hình 4.11 Quan hệ vị trí-vận tốc trong không gian hai chiều 104

Hình 4.15 Thực nghiệm xác định độ võng của dụng cụ của hãng Sandvik 110

Hình 4.17 Giao diện phần mềm tối ưu chế độ cắt sử dụng thuật toán PSO 112

Hình 4.18 Giao diện giải thuật di truyền (GA) tối ưu chế độ cắt trong Matlab 113

Hình 4.21 Hệ thống điều khiển tự tối ưu (Self-Optimizing) 117

Hình 4.22 Mục tiêu tự tối ưu hóa trong quá trình gia công 118

Hình 4.23 Sơ đồ thuật toán điều khiển tự tối ưu chế độ cắt trong trường hợp

Hình 4.24 Giao diện phần mềm tối ưu hóa và tự tối ưu hóa chế độ cắt khi phay

Hình 4.25 Đồ thị và kết quả tối ưu hóa tại thời điểm =5 phút 124

Hình 4.26 Đồ thị và kết quả tối ưu hóa tại thời điểm =8 phút 125

Hình 4.27 Đồ thị và kết quả tối ưu hóa tại thời điểm =15 phút 125

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, phay cao tốc (High Speed Milling – HSM) là một trong những công nghệ quan trọng hàng đầu trong nền công nghệ gia công hiện đại Do tính phức tạp của HSM, cho tới nay vẫn còn rất nhiều câu hỏi mở liên quan tới lĩnh vực này Các đặc điểm

kỹ thuật, đặc tính bề mặt, chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế có thể đạt được thông qua quá trình gia công cao tốc Hiện nay công nghệ gia công cao tốc trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ Tuy nhiên, đối với Việt Nam gia công cao tốc còn mới đối với các Doanh nghiệp, cơ sở sản xuất cho nên gặp nhiều khó khăn trong khai thác và đầu tư; Máy, trang thiết bị gia công cao tốc khá đắt tiền mức khấu hao lớn mà mức độ tiếp nhận công nghệ chưa đầy đủ, khai thác thiết bị không hiệu quả và triệt để; Đây là cơ sở và động lực

để tác giả nghiên cứu lĩnh vực gia công cao tốc, với mục tiêu nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết gia công và tăng tuổi thọ dụng cụ cắt khi phay cao tốc, với cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

Trong gia công cao tốc, năng suất và chất lượng gia công phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu dụng cụ cắt và thông số hình học của dụng cụ đã được hãng chế tạo dụng cụ cắt nghiên cứu và chứng minh [38,57] Đối với một hệ thống công nghệ nhất định thì năng suất hay chất lượng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào thông số chế độ cắt được cài đặt Vì vậy, điều khiển thông số chế độ cắt là phương pháp cơ bản và hiệu quả để kiểm soát chất lượng gia công và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị Đặc biệt hơn nữa bề mặt chi tiết sau khi gia công cao tốc có thể đạt độ bóng bề mặt tương đương với phương pháp gia công mài, thời gian đánh bóng bề mặt sau khi gia công cao tốc nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp gia công truyền thống, năng suất bóc tách cao hơn phương pháp gia công truyền thống [46] Tuy vậy, kéo theo đó dụng cụ cắt mòn nhanh hơn trong quá trình gia công vì tốc độ cắt lớn Do đó, việc phân tích và xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng của chế độ cắt đến chất lượng bề mặt, tăng tuổi bền dụng cụ cắt (giảm lượng mòn) trong quá trình phay cao tốc và xác định chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công là cần thiết và luôn mở đối với công nghệ gia công cao tốc

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và hiệu quả đem lại từ ứng dụng của khoa học máy tính trong sản xuất và với những tiến bộ như: 1) Tích hợp các quá trình: Các máy công cụ có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ và nhiều trục trên cùng một máy; 2) Dòng dữ liệu hai chiều: STEP-NC, một chuẩn dữ liệu mới, được sử dụng cho các máy công cụ để trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) và máy công cụ; 3) Điều khiển thích nghi: Các thông tin phản hồi được đo trực tiếp trong quá trình gia công để giám sát và điều chỉnh hoàn thiện sự thực thi của máy công cụ ngay trong quá trình gia công [53] Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (thuật toán tiến hóa) trong tính toán tối ưu hóa đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí

là xu hướng tất yếu và cần thiết Đây cũng là một phần rất quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống máy thông minh tự thích nghi trong quá trình gia công, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm (Máy công cụ tự thích nghi có các chương trình máy tính với các đặc tính như: tự trị, năng lực hợp tác, khả năng phản ứng và tính chủ động [4])

Từ những phân tích nêu trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa một số

thông số công nghệ khi phay cao tốc” để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt

tối ưu và tự tối ưu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình phay cao tốc góp phần vào tiếp cận, khai thác máy và thiết bị phay cao tốc, tăng hiệu quả trong sản xuất và là cơ

sở ban đầu cho các nghiên cứu tiếp theo Theo đó, việc giải bài toán tối ưu hóa trong gia công cắt gọt nhằm tìm ra một phương pháp tiếp cận mới, hướng giải quyết mới trong quá

trình đang gia công là cần thiết và có tính tất yếu trong tương lai để giải quyết bài toán công nghệ gia công cắt gọt ngày càng khắt khe và yêu cầu độ chính xác cao

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phay cao tốc và thuật toán tối

ưu hóa bầy đàn (PSO)

- Xây dựng được mối quan hệ thông số chế độ cắt với lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dụng cụ cắt dưới dạng hàm toán học Xây dựng mối quan hệ lượng mòn dụng cụ cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công khi phay biên dạng trên máy phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

- Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa, thiết lập điều kiện biên, miền giới hạn đối với

hệ thống công nghệ để giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc

- Xây dựng phần mềm tính toán chế độ cắt tối ưu và tự tối ưu hóa (Self - Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công khi xét đến mòn dụng cụ cắt và

độ nhám bề mặt dựa trên thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization (PSO))

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu gia công phay biên dạng trên máy phay cao tốc HS Super MC500 3 trục điều khiển đồng thời của trung tâm FOXCON, tốc độ quay trục chính: 100÷30000(v/phút), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất: 48000(mm/phút)

- Vật liệu nghiên cứu trong gia công là thép C45, dụng cụ cắt là dao phay ngón liền khối của Sandvik gia công được thép có độ cứng 19- 48 HRC Đường kính dao D = đường kính chuôi = 20 mm Số lưỡi cắt : 4 Lớp phủ Cooltop (TiAlN - Titan Nhôm Nito) Góc nghiêng Helix : 35 độ

- Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) trên phần mềm Matlab và Excel xây dựng hàm quan hệ toán học thông số chế độ cắt với lực cắt, mòn dao, rung động và độ nhám bề mặt khi phay cao tốc biên dạng

- Tối ưu hóa chế độ cắt để đạt được chất lượng độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ưu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghi

đa mục tiêu nhỏ nhất của độ nhám bề mặt chi tiết gia công và lượng mòn dao

3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, ứng dụng phần mềm trong quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu

- Nghiên cứu lý thuyết để phân tích tác động tương hỗ giữa các thông số chế độ cắt đến lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao

- Thực nghiệm gia công để xây dựng hàm quan hệ thông số chế độ cắt với các yếu tố trong và sau quá trình cắt: Lực cắt, chất lượng độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao Xây dựng mối quan hệ chế độ cắt và thời gian gia công với mòn dao

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học

 Phân tích rõ hơn cơ sở lý thuyết động lực học gia công khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

 Xây dựng được mô hình bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc biên dạng bằng dao phay ngón liền khối với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất với các hàm ràng buộc và miền giới hạn Ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) trong xây dựng thuật toán tối ưu và viết phần mềm giải bài toán tối ưu hóa trên ngôn ngữ lập trình phần mềm Matlab

 Đề xuất mô hình và giải bài toán tự tối ưu hóa (Sefl-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công với hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám bề mặt chi tiết

và lượng mòn dao) nhỏ nhất Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm bằng Matlab để giải bài toán tự tối ưu hóa điều chỉnh tốc độ cắt và lượng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (hai mục tiêu là: độ nhám bề mặt chi tiết và lượng mòn dao) nhỏ nhất

 Làm phong phú thêm lý thuyết tối ưu hóa và tự tối ưu hóa (Sefl-Optimzing), ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) của trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực cơ khí gia công

- Ý nghĩa thực tiễn

 Kết quả của nghiên đã xây dựng được điều kiện biên và miền giới hạn để giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

 Xây dựng phần mềm viết bằng ngôn ngữ của phần mềm Matlab với hai chức năng xác định chế độ cắt tối ưu với hàm mục tiêu độ nhám bề mặt nhỏ nhất và xác định được tốc độ cắt và lượng chạy dao thích nghi theo hàm thích nghi đa mục tiêu (độ nhám và lượng mòn dao) Đây là công cụ hỗ trợ cho nhà công nghệ kiểm soát được chất lượng gia công (độ nhám), an toàn dụng cụ (tuổi thọ), lựa chọn chế độ cắt tối ưu là cơ sở ban đầu cho máy gia công thông minh trong quá trình phay cao tốc

5 Những đóng góp mới của đề tài

- Ứng dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) trên phần mềm Excel để xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến các yếu tố (lực cắt, rung động, mòn dao và độ nhám bề mặt) trong phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

- Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) vào phay cao tốc xác định chế độ cắt tối ưu đảm bảo được độ nhám bề mặt nhỏ nhất và tự tối ưu hóa (Self - Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công đảm bảo hàm thích nghi hai mục tiêu (lượng mòn dao và độ nhám bề mặt) nhỏ nhất

- Xây dựng được phần mềm tối ưu hóa và tự tối ưu hóa (Self - Optimizing) chế độ cắt bằng phần mềm Matlab phục vụ trong nghiên cứu và sản xuất

6 Cấu trúc nội dung của luận án

Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo, luận án

trưng khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối; Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng các mô hình toán học quá trình phay cao tốc; Chương 4 Ứng dụng thuật toán tiến hóa để tối ưu hóa và tự tối ưu hóa (Self - Optimizing) quá trình phay cao tốc

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC

1.1 Lịch sử và khái niệm về gia công cao tốc

Định nghĩa đầu tiên về HSM được đưa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931 Ông cho rằng khi tốc độ cắt đạt 5-10 lần tốc độ cắt truyền thồng thì nhiệt độ của phoi sẽ giảm [17] Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau:

- Gia công với tốc độ cắt cao

- Gia công với tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao

- Gia công với năng suất cao

Dựa trên nghiên cứu về cắt kim loại trên thép và hợp kim màu: vận tốc cắt vc = 440 m/phút (thép), 1600 m/phút (đồng), 16500 m/phút (nhôm) Và ông đã dự đoán rằng từ một tốc độ cắt xác định thì nhiệt độ gia công sẽ giảm trở lại hình 1.2

Hình 1.1 Vùng tốc độ cắt cho các dạng gia công[19]

Hình 1.2 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)[17]

Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau hình 1.3

Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), hệ điều khiển CNC cao cấp và hơn thế nữa Tốc độ trục chính khoảng

8000 vòng/phút có thể là điểm khởi đầu cho gia công cao tốc Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công cụ ngày càng tăng, lên đến 60.000 vòng/phút

và hơn thế nữa Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10 m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40 m/phút và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW [17] Gia công cao tốc là sử dụng tốc độ cắt lớn gấp nhiều lần gia công thông thường Một số ví dụ của tốc độ gia công thông thường và tốc độ cắt trong gia công cao tốc được thể hiện bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh tốc độ cắt gia công truyền thống và tốc độ cắt cao tốc

Với nhu cầu tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất, các nghiên cứu đã được tiến hành kể từ cuối những năm 1950 để tăng tốc độ bóc tách vật liệu trong gia công, đặc biệt cho những ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ và công nghiệp ô tô Cụm từ cao tốc là khá chung chung Như những quan niệm thông thường, các khoảng của tốc độ cắt có thể được chia như sau:

Hình 1.3 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu [19]

Vật liệu Độ cứng Gia công truyền thống v

c (m/phút) HSM v c (thô) (m/phút) HSM v c (tinh)(m/phút)

Thiết kế trục chính cho gia công cao tốc thường bao gồm một mô tơ điện tích hợp Điểm quan trọng là motor phải quấn trên trục chính và stato phải được đặt trên vỏ của trục chính Các ổ trục có thể là các ổ lăn hoặc thủy tĩnh, thủy tĩnh thì kết cấu nhỏ gọn hơn Một định nghĩa khác của gia công cao tốc được đưa ra để đáp ứng với nhiều loại vật liệu và vật liệu dao sử dụng khi gia

công

Theo tài liệu kỹ thuật của hãng chế

tạo trục chính của máy phay cao tốc

Fischer đưa ra định nghĩa phổ biến về gia

loại gia công cao tốc cho dù nó hoạt động

với tốc độ quay thấp hơn các ổ đỡ bé

Các định nghĩa khác thường tập trung vào năng suất và thời gian gia công ngắn hơn Trong trường hợp đó, những yếu tố không cắt cũng tham gia vào Đó là tốc độ dịch chuyển nhanh và tốc độ tự động thay dụng cụ khoảng <7 s để thay từ dụng cụ cắt này sang dụng cụ cắt khác

Những yêu cầu cho gia công cao tốc bao gồm những yếu tố sau:

- Trục chính cao tốc phải sử dụng thiết kế chống chịu đặc biệt cho tốc độ quay vòng/phút cao

- Khả năng đạt tới tốc độ chạy dao cao, thông thường khoảng 50m/phút

Hình 1.4 Trục chính Fischer170-40-40:

40 krpm/40kW, HSK 63F

- Chuyển động CNC được điều khiển với những tính năng "look-ahead", cho phép

bộ điều khiển có thể nhìn thấy trước sự đổi hướng tiếp theo và điều chỉnh thích hợp để ngăn chặn hiện tượng chưa tới (undershooting) hoặc vượt quá overshooting) đường dẫn dao mong muốn

- Dụng cụ cắt, đầu kẹp dụng cụ và trục chính phải cân bằng để giảm thiểu hiệu ứng rung

- Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội tạo áp suất và cường độ lớn hơn trong gia công thông thường

- Hệ thống điều khiển phoi và tách phoi phải có khả năng làm việc với tốc độ bóc tách kim loại lớn trong gia công cao tốc

Vật liệu dụng cụ cắt cũng là rất quan trọng có nhiều loại vật liệu dụng cụ cắt được

sử dụng cho gia công cao tốc và những vật liệu này sẽ được nghiên cứu kỹ hơn trong phần 1.2 của chương này

Trong gia công nói chung và gia công cao tốc nói riêng có rất nhiều thông số ảnh hưởng trong quá trình gia công Tuy vậy, so với gia công truyền thống thì gia công cao tốc

có những ưu điểm nổi bật Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trường hợp Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:

- Tốc độ bóc vật liệu cao

- Chất lượng bề mặt gia công tốt

- Độ chính xác hình dáng cao

- Có khả năng gia công được các gân mỏng

- Giảm việc tạo bavia

- Tránh gây hư hại bề mặt gia công

- So sánh khả năng bóc vật liệu, độ nhám bề mặt gia công và thời gian đánh bóng

của phương pháp phay truyền thống và phay cao tốc[46]

Theo Vaughn gia công cao tốc (HSM) phụ thuộc vào kích cỡ kiểu máy gia công, công suất khác nhau, dụng cụ cắt sử dụng, vật liệu gia công, phương pháp gia công, tốc độ

Hình 1.5 So sánh khả năng bóc tách vật liệu phay truyền thống và phay cao tốc [46]

1-Năng suất bóc tách vật liệu (cm3/phút) 2-Độ nhám bề mặt Ra (m)

3-Thời gian đánh bóng (giờ)

Phay truyền thống dao phay cầu

fz=0,1 (mm/răng) Phay cao tốc dao phay cầu D=20mm,

ap=0,2mm, v=900 (m/phút), fz=0,05 (mm/răng)

cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt Vì vậy việc định nghĩa về HSM phụ thuộc vào kỹ thuật hiện hành và điều kiện cụ thể cho từng máy [17] Gia công tốc độ cao vật liệu cứng

có khác biệt đáng kể so với phương pháp gia công truyền thống vật liệu mềm

1.2 Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công cao tốc

Trong gia công cao tốc thì sự mòn của dụng cụ cắt là vấn đề rất cần quan tâm nghiên cứu vì nó quyết định đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phay cao tốc (dụng cắt rấ đắt tiền) Trong quá trình gia công cao tốc vấn đề này được nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu

và chủ yếu là mòn mặt sau của dụng cụ cắt (VB)

Ngoài ra, vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hưởng quan trọng đến độ nhám bề mặt Trong

số dụng cụ cắt được dùng gia công vật đúc và thép hợp kim vật liệu dụng cụ cacbit là loại vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất Dụng cụ cắt trong phay cao tốc có tuổi thọ ngắn nhất là cacbit không phủ, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia công vật liệu mềm Những dụng cụ cacbit có độ dẻo dai cao nhưng độ cứng kém hơn so với những vật liệu cao cấp như Cacbit nitril bo (CBN) và gốm sứ Để cải thiện độ cứng dụng cụ cắt cacbit được phủ lên với lớp

Hình 1.7 Kiểu mòn dao phay cầu trong phay cao tốc[51]

(Mòn ở tâm)

(Mòn mặt sau)

Hình 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón [23]

VB

mạ cứng như TiN, TiAlN, TiCN và mới đây với phủ 2 lớp phủ mềm như MOVIC Do đó dụng cụ sẽ mòn ít hơn và vì vậy tuổi bền dụng cụ cắt được tăng lên

Theo một vài thí nghiệm đã chứng minh cho một số loại vật liệu dụng cụ sử dụng trong gia công cao tốc như TiN, TiCN, TiAIN độ mòn thấp khi cắt với tốc độ lớn[27]

Vật liệu dụng cụ cắt khác được dùng; gốm, sứ (AlO, SiN), gốm kim loại và kim cương đa tinh thể (PCD)

Nói chung, dụng cụ có đường kính hạn chế từ 12 đến 38 mm, dụng cụ gắn cacbit với lớp phủ TiCN thì đủ cho vật liệu có độ cứng nhỏ hơn 42 HRC, trong khi phủ AlTiN được sử dụng cho vật liệu 42 HRC và lớn hơn Tuy nhiên, phụ thuộc vào ứng dụng, vật liệu và lớp phủ cho hiệu quả tốt nhất khác nhau Những thuộc tính vật liệu dụng cụ cắt được ứng dụng cắt cao tốc cho những vật liệu dụng cụ và lớp phủ có thể được phân loại như: CBN và SiN cho gang, TiN và TiCN phủ lên cacbit cho hợp kim thép dưới 42 HRC

và TiN và TiCN phủ lên cacbit cho hợp kim tôi luyện tới 42 HRC, TiAlN và AlTiN phủ lên cácbit cho hợp kim thép tôi luyện 42 HRC và độ cứng lớn hơn Những ứng dụng đặc biệt, khó khăn khi tiện (HRC6065), PCBN gắn vào lưỡi cắt thích hợp cũng được sử dụng thành công Ngoài ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ cắt đều có thể dùng trong gia công cao tốc Tuy vậy, theo hãng dụng cụ cắt (Seco, Sanvik ) trong hầu hết các trường hợp, mảnh hợp kim dùng trong gia công tốc độ cao thường có góc trước âm Góc trước âm tạo điều kiện cắt gọt cho lưỡi cắt tốt vì tốc độ cắt cao, chiều sâu cắt nhỏ và lực cắt tập trung

ở vị trí đó Tuy nhiên, khi thực hiện doa lỗ thì góc trước dương là tốt nhất Để đảm bảo lưỡi cắt không bị mẻ trong quá trình gia công tốc độ cao trên mảnh hợp kim người ta thường vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn tăng tuổi bền dụng cụ cắt

1.3 Sự hình thành phoi trong quá trình gia công

Với nhiều thí nghiệm trên hợp kim nhôm với nhiều vận tốc cắt khác nhau (từ 20÷260 m/s) Reza Yousefi và Yoshio Ichida đã chỉ ra rằng bề ngoài phoi thay đổi từ phoi dây dài đến dải bị nhàu khi tăng vận tốc cắt Khi vận tốc cắt tăng trên 200 m/s thì phoi sẽ

bị nhàu vì chúng rất mỏng

Hình 1.8 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ cắt khác nhau

lên tuổi bền của dụng cụ cắt[27]

Từ sự quan sát phoi thoát ra, cũng dễ nhận thấy rằng bề dày của phoi cũng thay đổi khi tăng vận tốc cắt Trong khoảng vận tốc cắt v = (100÷200) m/s, bề dày phoi sẽ giảm, rồi sau đó sẽ tăng lại khi tăng v

Những thí nghiệm khác của các tác giả S.Dolinsek, S.Ekinovic, J.Kopac trên thép cứng trong gia công cao tốc đã cho những kết quả sau đây:

Hình 1.9 Phoi sinh ra từ những vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm)[50]

Hình 1.10 Chiều rộng phoi thay đổi khi vận tốc cắt khác nhau (f =10µm/vòng, t = 100µm)[50]

Khi tốc độ cắt vc = 50 m/phút, cấu trúc tế vi của vật liệu phụ thuộc vào loại biến dạng cổ điển với việc tinh thể kim loại bị giãn dài đồng đều Nhưng với sự xuất hiện của vùng trắng ở mặt trong của phoi Đó là hậu quả của hóa mềm của vật liệu vì nhiệt Độ cứng

tế vi trung bình là 660 HV, nó có mối liên hệ với độ cứng tế vi ban đầu của vật liệu

(629HV), chứng tỏ rằng biến dạng ở mức thấp[50]

Tại vận tốc cắt v = 150 m/phút, dạng phoi xếp với kiểu dáng hình răng cưa (hình 1.12a) ta nhìn thấy rõ vùng trắng ở cả mặt trong của phoi và giữa các răng cưa Do đó sự xuất hiện của hóa mềm vì nhiệt và biến dạng xảy ra Độ cứng tế vi của vùng trắng này là

756 HV Tuy nhiên, bên trong vùng không biến dạng của phoi thì độ cứng tế vi chỉ có 632

HV, nó chỉ ra hoàn toàn không có sự biến dạng tại đây so với tình trạng vật liệu ban đầu.Như vậy trung bình là 62% diện tích phoi xếp bị biến dạng[50]

Khi v = 300 m/phút, phoi phân đoạn rõ hơn, với bề dày mỏng và kích thước bé hơn

so với 2 dạng phoi tại 2 vận tốc cắt đã đề cập trước Do đó bề dày của vùng trắng nhỏ đi và

độ cứng tế vi trung bình đạt 742 HV Tại bên trong phoi thì độ cứng là 640 HV Ở trường hợp này, trung bình khoảng 40% diện tích phoi xếp bị biến dạng[50]

Tại v = 1500 m/phút, sự phân đoạn của phoi rất rõ ràng, với bề dày mỏng và độ lớn nhỏ Bề dày của vùng trắng nhỏ đi so với khi vận tốc thấp hơn Độ cứng tế vi là 720 HV, còn bên trong thì đạt 618 HV Cuối cùng, trung bình khoảng 33% diện tích phoi xếp bị biến dạng

Hình 1.12 Mặt cắt của quá trình hình thành phoi trong gia công khi cắt tại: a, vận tốc

cắt v = 150 m/phút; b, v = 300 m/phút; c, v = 1500 m/phút[50]

Phần biến dạng gần 40% vùng mặt cắt phoi

bị bẻ gãy độ cứng 742 HV

Phần không bị biến dạng gần 60% vùng mặt cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 640 HV Tần số bẻ phoi 15,6 kHz

Phần biến dạng gần 62% vùng mặt cắt phoi

bị bẻ gãy độ cứng 756 HV

Phần không bị biến dạng gần 38% vùng mặt cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 632 HV Tần số bẻ phoi 3,84kHz

a)Tốc độ cắt v=150(m/p)

Phần biến dạng gần 33% vùng mặt cắt phoi

bị bẻ gãy độ cứng 720 HV

Phần không bị biến dạng gần 67% vùng mặt cắt phoi bị bẻ gãy độ cứng 618 HV

Tần số bẻ phoi 100,6 kHz

c)Tốc độ cắt v=1500(m/p)

b)Tốc độ cắt v=300(m/p)

1.4 Lực cắt và nhiệt cắt trong quá trình gia công cao tốc

Trong quá trình gia công cao tốc ảnh hưởng thông số chế độ cắt đến lực cắt tuân theo quy luật như quá trình gia công truyền thống Lực cắt tăng tỷ lệ thuận với với chiều sâu cắt vì khi đó tiết diện cắt trung bình tăng lên Khi tăng lượng chạy dao thì lực cắt tăng lên trong quá trình gia công Còn khi vận tốc cắt tăng thì lực cắt giảm đi

Một số chuyên gia đang dần hướng đến sự xác định rằng HSC xảy ra trong các

trường hợp, khi giá trị nhiệt độ trung bình của quá trình cắt gần với nhiệt độ nóng chảy của

vật liệu gia công Trong thực tế,có những quan điểm rằng cắt tốc độ cao xảy ra ở những khu vực 600 đến 1800 m/phút và gia công siêu tốc ở tốc độ trên 1800 m/phút Trong trường hợp vật liệu khó gia công, như hợp chất của nicken và titan phù hợp với khả năng công nghệ gia công cao tốc

Theo qui luật chế tạo ra sản phẩm việc bóc tách kim loại, hiệu quả xảy ra chỉ vào những thời điểm khi vật liệu cắt đặt trong nhiệt độ thích hợp Khi tăng tốc độ cắt, tổng nhiệt lượng cũng tăng gần như tỉ lệ trực tiếp với việc tăng tốc độ bóc tách phoi và cường

độ ma sát của phoi lên dụng cụ

Nhiệt độ của phoi thay đổi đột ngột, từng bước, do sự biến dạng dẻo của phoi trong mặt phẳng cắt và tăng thêm ma sát của phoi lên mặt trước của dụng cụ Các nguyên tắc của tiến trình cắt HSC có thể được giải thích khi so sánh với gia công truyền thống theo như hình 1.14 [25]

Gia công cao tốc được thực hiện bởi những dụng cụ cắt được chế tạo từ những vật liệu cứng, có lớp phủ, độ cứng vững cao và chịu nhiệt tốt, quá trình cắt diễn ra trong điều kiện nhiệt độ phoi gần với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gia công Tới một tốc độ cắt gọt nhất định, có sự thay đổi đột ngột trong tính chất cơ, lý hoá của phoi, làm giảm áp lực của

Hình 1.13 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biế n dạng khi thay đổi vận tốc

Hình 1.14 So sánh nhiệt trong quá trình gia công truyền thống và gia công cao tốc[25]

a) Gia công truyền thống b) Gia công cao tốc

phoi trên mặt trước của dao cắt Lực ma sát và tất cả các yếu tố cản trở sự hình thành phoi cũng được giảm đi, góc của mặt phẳng trượt tăng lên, mặt cắt phoi mỏng hơn và tốc độ thoát phoi ở khu vực tiếp xúc tăng lên Phoi được bóc tách chuyển thành “màu đỏ” và do

đó lực pháp tuyến trên mặt trước của dao giảm Mặt khác, khi diện tích tiếp xúc giảm, sự tăng nhiệt độ sinh ra bởi ma sát của phoi với mặt trước cũng nhỏ đi

Phay cao tốc (PCT) nâng cao khả năng cắt vật liệu, chất lượng bề mặt và độ bền của dụng cụ cắt nhờ việc tăng tốc độ cắt, giảm tiết diện phoi cũng như lực ma sát Ở vận tốc cắt thông thường, khi tăng tốc độ cắt lực cắt cũng tăng theo Tuy nhiên, khi tốc độ vượt quá một giới hạn nhất định, các lực cắt bắt đầu giảm [42] Nguyên nhân là do các lực cắt chịu tác động đồng thời của cả hai yếu tố nhiệt độ và biến dạng, kết quả cuối cùng do ảnh hưởng tổng hợp của biến dạng, độ đàn hồi của vật liệu

1.5 Ảnh hưởng độ ổn định của máy trong quá trình gia công cao

tốc

Ảnh hưởng của máy đến độ ổn định trong quá trình gia công cao tốc đều quy về độ mềm dẻo động lực học của máy Độ mềm dẻo không phải là hằng số mà là đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Ảnh hưởng của móng máy và điều khiển lắp đặt, ảnh hưởng mối lắp ghép của các bộ phận máy, ảnh hưởng nhiệt độ làm việc của máy

Vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi quyết định hướng của lực cắt nên tùy thuộc vào từng vị trí tương quan cụ thể mà ảnh hưởng đến tự rung và ổn định có thể lớn hay nhỏ Độ mềm dẻo động lực học của hệ thống gia công phụ thuộc vào tần số là kết quả của dao động riêng được kích thích ở một tần số thích hợp Với các máy có thân dạng dầm ngang hoặc trụ đứng thì các dao động riêng này gắn liền với một hướng cụ thể Hướng cụ thể đó được xác định bởi cấu trúc hình học và phân bố khối lượng của toàn hệ Độ cứng vững của máy theo các hướng của hệ tọa độ máy là khác nhau, có những hướng độ cứng vững rất cao và có hướng độ cững vững thấp nên điều kiện phát triển của tự rung theo các hướng cũng khác nhau[33] Ảnh hưởng độ mềm dẻo của phôi và kẹp chặt phôi có ảnh hưởng lớn đến tự rung và ổn định của quá trình cắt bởi vì biến dạng của phôi gây chuyển vị tương đối giữa dụng cụ và phôi, đó là nguyên nhân dẫn đến rung động trong quá trình gia công Ảnh hưởng độ mềm dẻo của dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ đến đặc trưng động lực học của quá trình gia công Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến tự rung và ổn định chính

là do tính không đồng đều của vật liệu trong quá trình gia công Tính không đồng đều của vật liệu là yếu tố ngẫu nhiên do tổ chức của kim loại không đồng đều, độ cứng cũng không đều dẫn đến lực cắt cũng biến động trong quá trình gia công, tạo điều kiện cho rung động phát triển dẫn đến mất ổn định trong quá trình gia công Ảnh hưởng của vật liệu đến tự rung và ổn định được thể hiện trong công thức tính chiều sâu cắt tới hạn [2]

{ }Trong đó, Re.{G()} phần thực của hàm truyền trong miền tần số Độ cứng kd tỷ lệ nghịch với chiều sâu cắt tới hạn blim, do đó vật liệu có độ cứng càng cao thì tự rung và xu thế mất ổn định càng lớn và chiều sâu cắt tới hạn đạt được càng bé Vật liệu càng dẻo, càng dai thì xu hướng xuất hiện rung động nhiều hơn so với vật liệu giòn Điều đó có thể giải thích bằng lý do khi gia công vật liệu giòn thì ma sát của phoi trên mặt trước của dao ít hơn

so với gia công vật liệu dẻo và lẹo dao cũng không hình thành

Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến rung động và mất ổn định của máy trong quá trình gia công là rất cần thiết để tăng chất lượng bề mặt chi tiết gia công Và đây là cơ

sở để đưa ra biện pháp nâng cao độ ổn định trong quá trình gia công Các biện pháp nâng cao độ ổn định trong quá trình gia công:

- Nâng cao độ cứng vững của hệ thống công nghệ;

- Lăp đặt hệ thống giảm chấn đối với máy gia công để giảm rung do nền xưởng;

- Dùng biện pháp định hướng sao cho lực cắt vuông góc với hướng của máy có độ mềm dẻo động lực học lớn nhất;

- Dùng các bộ phận đỡ tăng độ cứng vững cho chi tiết gia công( Luy-nét, chốt tỳ phụ );

- Giảm trọng lượng của phôi;

- Sử dụng dụng cụ cắt có tác dụng giảm chấn;

- Giảm trọng lượng của dụng cụ cắt;

- Giảm góc sau của dụng cụ cắt;

- Cố gắng sử dụng dao có góc trước âm;

- Gá đặt chiều dài dụng cụ cắt đảm bảo độ cứng vững;

- Sử dụng chế độ cắt tối ưu trong quá trình gia công

1.6 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Gần đây các nhà chế tạo máy công cụ đã thiết kế, chế tạo và phát triển các dòng máy dùng cho gia công cao tốc Để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:

Dùng ổ đỡ có tần số quay vòng

cao cho trục chính Các ổ đỡ phải có

tần số vòng quay cao Kích thước ổ,

kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu bôi trơn ổ và vật

liệu làm ổ yêu cầu phải được kiểm tra

gắt gao cho máy công cụ gia công cao

tốc[59] Kiểu ổ đỡ lai hoặc hoàn toàn

bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho

gia công cao tốc hình 1.15

Công suất động cơ trục chính

cao vì cần có một lượng công suất

đáng kể để quay trục chính ở tốc độ

cao

Trục chính phải có độ cứng

vững và độ ổn định nhiệt cao Động cơ

dẫn động chạy dao tốc độ cao Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng suất Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao không đổi trên hầu hết hành trình cắt Gia công cao tốc yêu cầu các động cơ dẫn động các trục có công suất cao

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh Xu hướng phát triển các bộ điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả năng đọc và xử lý câu lệnh nhanh, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS

Cấu trúc máy có độ cứng vững cao Khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt,… phải có độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc Thiết bị che chắn máy và các cửa

Hình 1.15 Ổ lăn làm bằng ceramic

phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả Ở tốc độ quay cao, ở xung quanh dao cắt xuất hiện vùng xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể làm nguội hiệu quả Tốc thay dao sử dụng nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng lọc tốt Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô để loại trừ các rắc rối do hệ thông cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu

Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay Sự mất cân bằng trong

hệ thống cũng như sự không đồng tâm sẽ làm gia tăng lực li tâm, gây rung động máy Do

đó hệ thống gá dao và dao kẹp chặt dao, trục chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao [33]

1.7 Đặc điểm và ứng dụng của gia công cao tốc

1.7.1 Đặc điểm của gia công cao tốc

 Ưu điểm của gia công cao tốc

So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật Nó có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trường hợp [47]

Một số ưu điểm khác của gia công cao tốc như sau:

 Tốc độ bóc vật liệu cao;

 Chất lượng bề mặt gia công tốt;

 Độ chính xác hình dáng cao;

 Có khả năng gia công được các gân mỏng;

 Giảm việc tạo bavia;

 Ít gây hư hại bề mặt gia công

 Nhược điểm của gia công cao tốc

Những sự bất lợi chung của sự gia công bằng máy cao tốc là: sự mòn dụng cụ cắt nhanh, nhu cầu sử dụng các máy công cụ đặc biệt và những máy công cụ giá thành đắt với trục chính và bộ điều khiển cao cấp, đồ gá, sự cân bằng giá đỡ dụng cụ và yêu cầu vật liệu

và lớp phủ cao cấp của dụng cụ cắt

Song song với việc tăng cường ứng dụng gia công cao tốc, đó là nghiên cứu cho sự phát triển vật liệu mới của dụng cụ cắt, cải thiện thiết kế lưỡi cắt của dụng cụ cắt, những chiến lược mới trong việc hình thành đường dao cắt và sự cải tiến những điều kiện cắt Hơn nữa, sự mô phỏng có máy tính hỗ trợ của quá trình cắt phân tích những kỹ thuật hữu ích để dự đoán nhiệt độ, ứng suất dụng cụ cắt, nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt và an toàn trong quá trình gia công

Một số nhược điểm khác của gia công cao tốc như sau;

 Cần có quy trình gia công đặc biệt, lập trình phức tạp;

 Dễ mòn các chi tiết dẫn hướng, vít me đai ốc, bạc trục chính,dẫn đến chi phí bảo trì cao;

 Yêu cầu người điều khiển phải có kiến thức về HSM;

 Đặc biệt chú ý đến vấn đề an toàn trong gia công

1.7.2 Các ứng dụng của gia công cao tốc

Rất nhiều những nghiên cứu và cải tiến được tiến hành trong lĩnh vực gia công cao tốc (Tiện, phay, khoan và doa) hợp kim nhôm, hợp kim titan, thép, siêu hợp kim Rất nhiều

dữ liệu đã được thu thập về hiệu quả của cắt cao tốc trên:

- Loại phôi được sản suất;

- Lực cắt và công suất;

- Nhiệt cắt;

- Mòn dụng cụ;

- Độ bóng bề mặt;

- Tính toán kinh tế của quá trình

Những nghiên cứu này chỉ ra rằng gia công cao tốc có thể kinh tế hơn trong một số ứng dụng Vì vậy, gia công cao tốc được áp dụng trong gia công các tuabin máy bay và động cơ ô tô với năng suất tăng gấp 5 đến 10 lần so với phương pháp gia công thông thường Gia công cao tốc với 3 đến 5 trục điều khiển biên dạng phức tạp chỉ có thể được thực hiện gần đây nhờ những phát triển của công nghệ điều khiển CNC

Một nhân tố quan trọng trong việc áp dụng công nghệ gia công cao tốc là sự mong muốn có được cải tiến về dung sai trong gia công cắt gọt Với gia công cao tốc, hầu hết nhiệt sản sinh đều được giảm thiểu và tập trung chủ yếu vào phoi, vì vậy máy công cụ và quan trọng hơn là chi tiết gia công giữ được nhiệt độ gần với nhiệt độ xung quanh Điều này có thể rất hiệu quả vì sẽ không có sự gia tăng nhiệt và làm biến dạng chi tiết gia công trong khi gia công

Những ứng dụng của gia công cao tốc được chia thành 3 nhóm

- Một là trong ngành công nghiệp hàng không bởi những công ty lớn như Boeing, nơi mà những cấu trúc bộ khung máy bay được gia công bằng những tảng nhôm lớn

- Nhóm ứng dụng thứ hai bao gồm việc gia công nhôm bằng cách tập trung nguyên công (nguyên công nhiều bước) để sản xuất ra những linh kiện cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau ví dụ như: động cơ, máy tính và thiết bị y tế Tập trung nguyên công nghĩa là các dụng cụ được thay đổi thường xuyên cũng như sự thay đổi về tốc độ của dụng cụ cắt trong quá trình gia công Do vậy sự thay đổi nhanh dụng cụ và kiểm soát đường dẫn dao là rất quan trọng ở những nguyên công này

- Nhóm ứng dụng thứ 3 cho gia công cao tốc là cho ngành công nghiệp khuôn, chế tạo chi tiết máy độ chính xác cao, ngành yêu cầu chi tiết khá phức tạp từ những vật liệu cứng Trong trường hợp này, gia công cao tốc đáp ứng yêu cầu: bóc kim loại nhanh và gia công tinh để đạt được độ chính xác và độ bóng của bề mặt

- Rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành về gia công cao tốc (tiện cũng như là khoan) hợp kim nhôm, titan thép và siêu hợp kim Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng gia công cao tốc có tính kinh tế trong một số trường hợp và đang được áp dụng cho việc gia công tuabin máy bay và động cơ xe ô tô với năng suất gấp 5 đến 10 lần gia công thông thường Yếu tố quan trọng trong những gia công như vậy là việc lựa chọn máy công cụ phù hợp, công suất của máy cũng như độ cứng của chúng, độ

cứng vững của cơ cấu kẹp dao và đồ gá, thiết kế của trục chính có tốc độ cao và mạnh, quán tính của các bộ phận của máy công cụ, truyền động chạy dao nhanh, và mức độ tự động hóa

Cần lưu ý rằng gia công cao tốc phải được cân nhắc cho những trường hợp mà số lần

gá khá nhiều trong quá trình công nghệ Vì những yếu tố khác như: thời gian phụ cutting time) và chi phí nhân công cũng là những yếu tố quan trọng khác để xét về tính hiệu quả cho việc ứng dụng gia công cao tốc Những yếu tố quan trọng trong gia công cao tốc:

(non Công suất và độ cứng của máy công cụ

- Độ cứng của “đồ kẹp dao và đồ gá phôi”

- Thiết kế của trục chính cho công suất và số vòng quay lớn

- Quán tính của các thành phần của máy

công cụ

- Truyền động chạy dao nhanh

- Mức độ tự động hóa

- Sự lựa chọn dụng cụ cắt thích hợp

Khả năng của quá trình gia công cao tốc

đối với các loại vật liệu, dao trong quá trình tiện

cũng như các phương pháp khác đã được trình

bày trong bảng 1.1 Các giá trị này rất quan

trọng đối với tính hiệu quả của quá trình gia

công Có những sự khác biệt lớn về năng suất

gia công giữa những quá trình này Sự khác

nhau đó không chỉ là do những thuộc tính vốn

có của quá trình gia công và dụng cụ gia công

mà còn phụ thuộc vào những yếu tố khác như:

thời gian gá đặt, loại và kích cỡ của chi tiết gia

công Việc lựa chọn chính xác phương pháp và

máy gia công là rất quan trọng cho việc giảm

thiểu tối đa chi phí sản xuất

Sau đây là những tính năng đặc biệt của

gia công cao tốc:

Độ nhám của bề mặt gia công được quyết

định phần lớn bằng độ cao của đỉnh giữa 2

đường chuyển dao liền kề với dao cầu Chọn

bước tiến nhỏ thì chiều cao nhấp nhô sẽ giảm Bằng cách này, giảm chiều sâu cắt có thể giúp giảm thiểu đáng kể thời gian đánh bóng hình 1.16

Độ bóng bề mặt của gương phản xạ trên đèn đã được phay trên vật liệu đã tôi ở chiều sâu cắt và bước tiến dao là: 0.1mm và 0.05mm/vòng Quá trình gia công tinh này được cắt ở 22,000 vòng/phút Độ bóng ngoài ra còn bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật gia công

Để quá trình gia công tinh tốt nhất, quá trình phay phải tuân theo những rãnh phay song song và đồng hướng hình 1.17

Hình 1.16 Nhám bề mặt khi cắt bằng

dao phay ngón đầu cầu

Hình 1.17 Khuôn đúc pha đèn trước

Gia công tinh có thể giúp cho phay trở thành một phương án thay thế cho EDM để làm khuôn từ những vật liệu cứng nhất (50 HRC) Gia công cao tốc cho phép các nhà cung cấp có thế chể tạo khuôn như hình minh họa chỉ bằng một lần gá đặt ở trung tâm gia công

nơi mà việc kết hợp giữa phay và EDM là cần thiết Gia công tinh có thể sản xuất khuôn nhanh hơn và cũng chính xác hơn bởi nó yêu cầu ít bước tiến hành hơn dẫn đến việc ít rủi

ro hơn Sai số chấp nhận được sẽ giảm xuồng từ 0.005 còn 0.001mm hình 1.19

Điện cực với thành mỏng, gân cũng như các thành phần liên quan khác có thể được

gia công bằng một cục phôi trong gia công cao tốc bởi những nguyên công với lực cắt rất nhỏ, đảm bảo chi tiết không bị biến dạng và đạt độ chính xác cao Hình 1.20

Hình 1.21 mô tả chi tiết ở bộ phận hạ cánh của máy bay vận tải Cargo C-17 để nối phần kết cấu chính với phần vỏ Gia công cao tốc cho phép chi tiết này có thể được gia công toàn bộ bằng một dụng cụ cắt Tổng thời gian gia công vào khoảng 12 tiếng Gia công với các phôi đúc có thể giảm thời gian gia công xuống còn một nửa Thay đổi thiết kế của vật đúc cũng yêu cầu các dụng cụ cũng phải thay đổi Đối với chi tiết gia công, rất nhiều thay đổi chỉ cần thực hiện trên việc lập trình

Hình 1.18 Điện cực đồng để gia

công EDM

Hình 1.19 Các kiểu khuôn điển hình để gia

công cao tốc khuôn dập chi tiết phụ tùng ô tô, khuôn thổi chai nhựa, và ép phun tai nghe

Hình 1.20 Điện cực EDM có thành

mỏng

Hình 1.21 Chi tiết của bộ

phận hạ cánh của máy bay vận tải Boeing Cargo C-17

Gia công cao tốc cho phép loại bỏ quá trình đúc phôi, việc gia công ở bên trong cho những chi tiết làm bằng nhôm như hình 1.22 có thể thực hiện trực tiếp từ một khối phôi đặc

Muốn có tốc độ cao đồng nghĩa với việc sẽ có sự bù trừ giữa lực cắt và tốc độ cắt Trước hết, với kích cỡ của mô tơ hạn chế, trục chính cao tốc thường có mô tơ quay trực tiếp, nghĩa là mô tơ phải nằm vừa trong lòng trục chính Một hạn chế khác nữa là ổ đỡ Để tăng khả năng chịu đựng của trục chính cao tốc mà vẫn giữ được tốc độ quay thì độ cứng vững phải bị giảm đi Đây cũng là một trong những lý do khiến cho gia công cao tốc

thường áp dụng những đường cắt nhẹ

Một xu hướng bất biến trong lịch sử của gia công kim loại là việc sử dụng tốc độ ngày càng cao Trong những năm gần đây, xu hướng đó có một chút thay đổi do nhu cầu về:

- Năng suất gia công cao hơn;

- Thời gian gia công giảm đi;

- Chi phí giảm;

- Và chất lượng sản phẩm tăng lên

Giảm bớt trọng lượng của một số chi tiết bằng cách gia công chi tiết thành mỏng hơn không phải là một ý tưởng mới mẻ Tuy nhiên, chi tiết thành mỏng hơn cũng yêu cầu những đường cắt nhẹ hơn và mất nhiều thời gian với tốc độ cắt chậm Gia công cao tốc thay đổi công thức bằng cách kết hợp những đường cắt nhẹ với tốc độ ăn dao cao Gia công cao tốc cho phép gia công thành mỏng với một năng suất bóc tách kim loại cao hơn

1.8 Tổng quan về công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

 Nghiên cứu của tác giả nước ngoài

Tác giả S Zhang & J F Li & J Sun & F Jiang nghiên cứu, dự đoán mòn dụng cụ và lực cắt thay đổi khi phay cao tốc sử dụng dao phay ngón răng chắp (2 lưỡi cắt), đường kính dụng cụ D=25mm để gia công biên dạng vật liêu hợp kim Ti-6Al-4V không sử dụng dung dịch trơn nguội Qua đó phân tích biến thiên lực cắt và mòn dao khi gia công cao tốc Nghiên cứu của tác giả là cơ sở lý luận quan trọng để nghiên cứu ảnh hưởng thông số chế

Subbaiah nghiên cứu mô hình hóa và tối ưu hóa độ nhám bề mặt và năng suất cắt khi gia công thép cứng bằng dao phay ngón liền khối D=8mm Đây là nghiên cứu quan trọng trong gia công thép cứng tuy vậy bài toán công nghệ tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng của mòn dao, rung động trong quá trình gia công để tiến tới tối ưu hóa điều khiển thích nghi trong quá trình gia công[62]

Hình 1.22 Thân bộ phân phối nhiên liệu bằng nhôm

Tác giả Omar E E K M H Omar

đã nghiên cứu xác định hệ số lực cắt, lực

cắt và đánh giá trong quá trình gia công

phay cao tốc sử dụng dao phay ngón liền

khối D=10mm Trên cơ sở đó tác giả đã

thực nghiệm đánh giá xác định tần số riêng

của hệ dụng cụ cắt, đồ gá trong hệ thống gia

công và ảnh hưởng của độ đảo dụng cụ cắt

đến rung động trong quá trình gia công

Đây là cơ sở để điều chỉnh hiệu chỉnh thông

số công nghệ, độ cứng vững của máy, dao

và đồ gá để hệ thống gia công đảm bảo

không mất ổn định trong quá trình gia công

Đây là cơ sở để nghiên cứu thông số chế độ

cắt ảnh hưởng đến rung động trong quá

trình gia công trong tương lai [16] Theo tác

giả Sabahudin Ekinović nghiên cứu những

ưu điểm về độ chính xác và chất lượng bề

mặt khi gia công cao tốc Qua nghiên cứu

cho thấy độ nhám bề mặt của phương pháp

gia công truyền thống cao hơn độ nhám khi gia công cao tốc (hay chất lượng bề mặt phương pháp gia công cao tốc tốt hơn nhiều so với phương pháp gia công truyền thống) [48] như hình 1.23 Qua đồ thị cho thấy khi lượng chạy dao càng tăng thì độ nhám bề mặt càng cao

 Nghiên cứu của tác giả trong nước

Trong nước, đã có một số bài báo nêu vấn đề nghiên cứu gia công cao tốc Tuy vậy lĩnh vực gia công phay cao tốc chưa nhiều có đề tài tiến sĩ của tác giả TS Phan Văn Hiếu nghiên cứu “Xác định miền ổn định khi gia công trên máy CNC ba trục tốc độ cao” tìm ra biểu đồ quan hệ chiều sâu cắt và tốc độ trục chính (miền ổn định khi phay) Tuy vậy, vấn

đề nghiên cứu chế độ cắt tối ưu để đảm bảo chất lượng và thuộc miền ổn định khi gia công tác giả chưa đề cập đến Luận án tiến sĩ của tác giả TS Nguyễn Trọng Hiếu đã nghiên cứu tại Trường đại học Magdeburg của Đức đề tài “Mô hình hóa phay cao tốc với dao phay chỏm cầu với sự nhấn mạnh đặc biệt chất lượng bề mặt” đề tài nghiên cứu khảo sát quá trình phay vật liệu có độ cứng khác nhau và xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng thông

số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt, lực cắt, mòn dao và ảnh độ cứng vật liệu tới độ nhám bề mặt trên cơ sở đó xây dựng phần mềm tối ưu hóa chế độ cắt để đạt được chất lượng độ nhám bề mặt tốt nhất Hơn nữa, đối với gia công cao tốc thì các hãng chế tạo dụng cụ cắt Seco, Sandvik theo Jabro về gia công cao tốc đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp cắt, điều kiện cắt khi phay cao tốc khác với phương pháp phay truyền thống dao phay ngón liền khối [57]

Qua đó cho thấy đề hoàn thiện hơn trong gia công phay và nghiên cứu động lực học gia công trong phay cao tốc vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế độ cắt: tốc độ cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt tới: Lực cắt, rung động, mòn dao và độ nhám bề mặt nhằm đưa ra cơ sở dữ liệu về gia công phay nói chung và phay cao tốc nói riêng là cần thiết và cấp thiết đối với Việt Nam Trên cơ sở đó tiến hành tối ưu hóa lựa chọn chế độ công nghệ và tự tối ưu hóa (Self-Optimizing) chế độ cắt trong quá trình gia công

Hình 1.23 Đồ thị quan hệ độ nhám bề

mặt Ra với lượng chạy dao khi tiện truyền thống và cao tốc[48]

Tiện truyền thống Tiện cao tốc

1.9 Giới hạn vấn đề nghiên cứu

Dao phay ngón được sử dụng khá phổ biến khi gia công trên máy phay CNC nói chung và máy phay CNC tốc độ cao nói riêng Dao này được sử dụng phổ biến trong gia công mặt, biên dạng và các mặt không gian Không giống dao tiện dao phay ngón liền khối lưỡi cắt xoắn lực thay đổi tức thời trong quá trình gia công và gián đoạn Do đó, trong quá trình gia công dao phay ngón làm việc ở môi trường nhiệt độ cao, lưỡi cắt thường bị sứt,

vỡ và sự phá hỏng lưỡi cắt này không đồng đều Mặt khác dao phay ngón nhiều lưỡi cắt đòi hỏi độ đảo theo phương hướng kính, dọc trục khá cao kết hợp với dụng cụ cắt gia công chủ yếu là sử dụng lớp phủ có khả năng chống mài mòn cao, vì vậy khi dụng cụ cắt mòn không có khả năng mài lại Do đó vấn đề tăng tuổi bền dụng cụ cắt là cần thiết và quan trọng trong quá trình phay cao tốc Vấn đề xây dựng mô hình toán học các đại lượng xuất hiện trong quá trình phay nếu xét được nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các thông số đặc trưng thì quá trình gia công đó sẽ phản ảnh toàn diện hơn, tuy nhiên việc nghiên cứu đó càng phức tạp và khó khăn hơn Trong điều kiện công nghệ cụ thể các thông số đầu vào như máy gia công, dụng cụ cắt, phương pháp gia công, dung dịch và phương pháp bôi trơn tưới nguội không thay đổi còn chỉ xét chế độ cắt là thông số đầu vào ảnh hưởng tới các thông số đặc trưng (Lực cắt, rung động, mòn dao và độ nhám bề mặt) của quá trình phay tinh cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

Xuất phát từ điều kiện nghiên cứu và sự cần thiết trong tương lai mà mô hình nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện cụ thể sau:

- Máy phay cao tốc 3 trục: HS Super MC500, công suất trục chính 15KW, tốc độ quay trục chính: 100÷30000(v/phút), tốc độ dịch chuyển của bàn máy cắt gọt: 1÷30000(mm/phút), tốc độ chạy không lớn nhất: 48000(mm/phút) Hành trình dịch chuyển của bàn máy: XxYxZ=500x400x300(mm)

- Vật liệu gia công thép C45

- Dụng cụ cắt: Dao phay ngón liền khối đường kính dao (D) = đường kính chuôi = 20

mm Số lưỡi cắt: 4 Tổng chiều dài : 62 mm Lớp phủ Cooltop ( TiAlN - Titan Nhôm Nito) Góc nghiêng Helix : 35 độ

- Dung dịch trơn nguội Emuxi

Trong khuôn khổ của luận án do điều kiện thiết bị, kinh phí và thời gian có hạn cho nên vấn đề nghiên cứu được giới hạn là nghiên cứu ảnh hưởng của thông số chế độ cắt (vận tốc cắt -v, lượng chạy dao -f, chiều sâu cắt -ar) đến các thông số đặc trưng: Lực cắt, độ nhám bề mặt, rung động và mòn dao khi phay tinh biên dạng bằng dao phay ngón liền khối, nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt và thời gian gia công () đến mòn dao trong quá trình gia công Trên cơ sở kết quả nghiên cứu này điều kiện giới hạn hệ thống công nghệ nghiên cứu ứng dụng thuật toán tiến hóa giải bài toán tối ưu hóa chế độ cắt khi phay cao tốc

1.10 Kết luận chương 1

Trong chương 1 đã phân tích tổng quát các thông số ảnh hưởng và mức độ ảnh hưởng của các thông số trong quá trình gia công cao tốc Đặc biệt là các thông số chế độ cắt ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao là thông số đặc trưng cơ bản nhất khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối

Cho đến nay ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ trong gia công phay cao tốc Với sự phát triển ngày càng mạnh về mặt công nghệ gia công cao tốc và đòi hỏi ngày càng khắt khe về chất lượng, độ chính xác và khả năng khai thác triệt để, hiệu quả trang thiết bị công nghệ trong lĩnh vực gia công cao tốc Do đó, việc “

Nghiên cứu tối ưu hóa một số thông số công nghệ khi phay cao tốc” là vấn đề cần thiết,

cấp thiết và đúng đắn

Xuất phát từ điều kiện trang thiết bị trong nước, luận án tiến hành nghiên cứu và giải quyết vấn đề sau: Nghiên cứu, phân tích cơ sở lý thuyết các thông số đặc trưng khi phay cao tốc bằng dao phay ngón liền khối; Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng của thông số chế độ cắt đến các thông số đặc trưng cơ bản của quá trình phay cao tốc; Nghiên cứu, ứng dụng thuật toán tiến hóa giải bài toán tối ưu hóa và tự tối ưu chế độ cắt trong quá trình phay cao tốc

Chương 2: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG KHI PHAY CAO

TỐC BẰNG DAO PHAY NGÓN LIỀN KHỐI

2.1 Lực cắt khi phay

2.1.1 Giới thiệu

Mô hình lực cắt được sử dụng nghiên cứu quá trình phay cao tốc biên dạng sử dụng dao phay ngón liền khối, trên cơ sở mô hình để dự đoán và xác định lực cắt trong quá trình gia công phay cao tốc Qua đó tác giả ứng dụng và xây dựng mô hình toán học ảnh hưởng chế độ cắt đến lực cắt trong quá trình phay cao tốc Lực cắt là thông số quan trọng để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình gia công Vấn đề nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng tới động lực học gia công là rất cần thiết, đặc biệt hơn nữa là đối với lĩnh vực gia công cao tốc Sơ đồ phân tích ảnh hưởng động lực học máy và động lực học gia công trong hệ thống gia công được mô tả trên hình 2.1

Trong gia công, nghiên cứu động lực học cắt là vấn đề khó và cũng là vấn đề cốt lõi

để giải quyết bài toán công nghệ gia công Đặc biệt là trong gia công tốc độ cao động lực học máy và động lực học gia công hết sức quan trọng

Để đạt được chất lượng bề mặt yêu cầu hay nghiên cứu tối ưu hóa các điều kiện gia công nhằm tăng chất lượng bề mặt và năng suất gia công Nhiều nhà khoa học đã đưa ra bốn yếu tố chính liên quan và ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt trong quá trình gia công như hình 2.2

Chuyển vị tương đối dụng cụ và phôi

Hình 2.1 Ảnh hưởng động lực học máy và động lực học gia công trên hệ

thống gia công [29]

Hệ thống công nghệ

Mục đích chính nghiên cứu và tiến tới xây dựng được mô hình, mô phỏng, tối ưu hóa và điều khiển quá trình gia công

Quá trình gia công và mức độ phức tạp của công nghệ ngày nay đòi hỏi hệ thống điều khiển thực hiện xử lý chính xác bằng các phương pháp khác nhau nhằm mục đích tăng chất lượng và hiệu quả Kỹ thuật gia công chính xác không chỉ dựa trên cơ sở kinh nghiệm

và sự tinh thông mà còn phải hiểu nguyên lý gia công và mối quan hệ toán học các thông

số ảnh hưởng để dự đoán và điều khiển quá trình gia công Quá trình gia công được xác định bởi mối quan hệ của các giá trị đầu vào và kết quả đo được qua giá trị đầu ra Trên cơ sở phân tích nguyên lý gia công và các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình gia công tác giả tổng hợp sơ đồ mô hình quá trình gia công được sử dụng nghiên cứu với thông số đầu vào và đánh giá thông số đầu ra được thể hiện hình 2.4

Hình 2.2 Bốn vấn đề chính ảnh hưởng đến độ chính xác bề mặt chi tiết gia

công [29]

Hình 2.3 Sơ đồ về mô hình, mô phỏng, tối ưu hóa và điều khiển quá trình gia

công trên cơ sở động lực học gia công [29]

Mục đích của nghiên cứu là tìm mô hình toán học liên quan đến nhám bề mặt, các thành phần lực cắt, mòn dao và rung động với thông số đầu vào chế độ cắt: tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (f), chiều sâu cắt (ar) trong gia công biên dạng bằng dao phay ngón liền khối trên cùng một mô hình thực nghiệm

Trong quá trình gia công có nhiều hiện tượng xảy ra ảnh hưởng tới chất lượng và năng suất gia công Một trong những hiện tượng quan trọng xảy ra trong quá trình gia công

và sau quá trình gia công như độ nhám bề mặt, lực cắt, rung động và mòn dao Mô hình hóa các hiện tượng trong quá trình gia công với thông số chế độ cắt cần thiết để cung cấp thông tin quan trọng trong lập quy trình công nghệ gia công chi tiết và tối ưu hóa quá trình gia công Độ chính xác và khả năng đạt được yêu cầu chất lượng bề mặt chi tiết gia công được xác định bởi lựa chọn chế độ cắt tối ưu với điều kiện công nghệ cụ thể Chất lượng bề mặt là một trong những yêu cầu quan trọng nhất của khách hàng Một trong những thông

số về chất lượng bề mặt chi tiết gia công là độ nhám bề mặt Một số nhà nghiên cứu đã phân tích các yếu tố và hiện tượng trong quá trình gia công ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công được thể hiện bằng biểu đồ xương cá hình 2.5

Hình 2.4 Sơ đồ mô hình thông số nghiên cứu

Hình 2.5 Biểu đồ xương cá các yếu tố ảnh hưởng độ nhám bề mặt chi tiết gia công

Cơ chế hình thành bề mặt và kiểm soát sự thay đổi quá trình gia công là lực cắt Nó phản ảnh rõ nét gia công không bình thường như vỡ dụng cụ cắt và rung động Qua đó phân tích mối liên hệ giữa lực cắt với chế độ cắt, lượng mòn dao là cần thiết Lực cắt thay đổi liên tục trong suốt quá trình gia công Các thành phần lực cắt tức thời được tính toán dựa trên sự thay đổi của diện tích cắt hay các thông số chế độ cắt

Trong quá trình gia công có rất nhiều thông số ảnh hưởng tới lực cắt như biểu đồ xương cá hình 2.6

Lực cắt là một trong các thông số vật lý đánh giá quá trình gia công như hiện tượng mòn vỡ dụng cụ cắt, rung động của máy, độ chính xác gia công và chất lượng bề mặt

Đã có nhiều nghiên cứu, khảo sát và phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt trong quá trình gia công sử dụng dao phay mặt đầu, dao phay ngón răng chắp, dao phay cầu Tuy vậy, với mỗi mô hình khảo sát và nghiên cứu thì mức độ ảnh hưởng các yếu tố tới lực cắt cũng khác nhau, tùy vào hệ thống công nghệ cụ thể Tuy nhiên, việc nghiên cứu mô hình gia công tinh biên dạng sử dụng dao phay ngón liền khối khi phay cao tốc vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu Tuy trong quá trình gia công có rất nhiều thông số ảnh hưởng tới lực cắt nhưng thông số chế độ cắt (Tốc độ cắt (v), lượng chạy dao (f), chiều sâu (ar) là các thông số kiểm soát được và ảnh hưởng mạnh tới lực cắt khi phay biên dạng bằng dao phay ngón liền khối

2.1.2 Phân tích lực cắt trong quá trình phay

Cốt lõi của mô hình lực cắt được nghiên cứu của đề tài là dựa trên nghiên cứu mô hình gốc của tác giả Tlusty[16]

Quá trình gia công phay là phương pháp phổ biến nhất trong công nghiệp gia công Phương pháp gia công phay có khả năng công nghệ gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như: phay mặt phẳng, phay rãnh, phay bậc, phay định hình, phay biên dạng [3]

Có nhiều thông số ảnh hưởng đến lực cắt tác dụng lên lưỡi cắt của dụng cụ cắt Các thông số tác động làm thay đổi lực cắt mà không dự đoán được trước dẫn đến kích thước

Hình 2.6 Biểu đồ xương cá các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt

gia công, chất lượng gia công không đạt yêu cầu trong quá trình gia công và gây ra chi phí lớn trong quá trình gia công đặc biệt đối với gia công cao tốc

Lực cắt là một trong các thông số đầu ra cần được kiểm soát và dự báo để điều chỉnh các thông số tối ưu đạt được chất lượng và năng suất, đặc biệt trong điều khiển tối ưu hóa thích nghi

Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ cắt (v,f,ar)

đến lực cắt khi gia công phay cao tốc bằng dao

phay ngón liền khối Dựa trên lý thuyết vùng

tiếp xúc trong quá trình gia công bằng dao phay

ngón hình 2.7 Quá trình gia công phay bằng

dao phay ngón là quá trình nhiều điểm trên lưỡi

cắt tham gia cắt tức thời, lưỡi cắt và phôi tiếp

xúc không liên tục Chiều dày phoi thay đổi

trong quá trình gia công

Trong gia công phay thông thường nói

chung và phay cao tốc nói riêng có ba phương

pháp gia công thường sử dụng trong thực tế:

- Quá trình phay mặt, trong đó góc ăn dao và

góc thoát dao của dao phay liên quan đến phôi là khác không;

- Quá trình phay nghịch, trong đó góc ăn dao bằng 0 và góc thoát dao khác 0

- Quá trình phay thuận, trong đó góc ăn dao khác 0 và góc thoát dao bằng 0

Hình dạng của phoi hình thành trong khi phay được hiển thị trong hình 2.8 [66]

Không giống như trong quá trình tiện, trong quá trình phay độ dày phoi (h) là thay đổi tức thời định kỳ như là một hàm biên thiên theo thời gian khác nhau trong quá trình gia công Sự thay đổi độ dày của phoi có thể được tính xấp xỉ [66]

( )   zsin 

Trong đó: fz lượng chạy dao răng (mm/răng) và  là góc cắt tức thời của lưỡi cắt so với phương thẳng đứng Giả sử các góc xoắn được coi bằng 0, đó là trường hợp quá trình phay bề mặt với các lưỡi cắt phụ Lực tiếp tuyến (Ft ()), lực hướng kính (Fr ()), và lực dọc trục (Fa()) được thể hiện như là một hàm quan hệ với diện tích phoi biến đổi (ap.h()) và chiều dài tiếp xúc lưỡi cắt (ap) như sau[66]:

f sin

co s co s

ex st

Trong đó: st và ex là góc ăn dao và góc thoát dao Một điểm quan trọng là có thể

có nhiều hơn một lưỡi cắt đồng thời, tùy thuộc vào số răng trên lưỡi cắt và bề rộng cắt Góc giữa các răng của dụng cụ cắt p (góc bước răng của dụng cụ cắt) được xác định như sau:

sẽ khác nhau ở vị trí tức thời của dao phay Chúng có thể xây dựng trên tổng các lực bước tiến, lực pháp tuyến và lực dọc trục như:

Bất cứ khi nào st ≤ j ≤ ex qua đó cho thấy lực cắt tác động trên mỗi răng Nếu răng

j ra khỏi vùng cắt, nó không gây ra lực tổng hợp tác dụng lên dụng cụ cắt hoặc phôi Kết quả lực cắt tức thời trên dao phay (hoặc phôi) được tính là:

F  F x F y F z

Mô-men xoắn cắt tức thời trên trục chính là:

0

( ) 2

cụ cắt trong quá trình gia công

2.1.3 Phân tích lực trên lưỡi cắt của dao phay ngón

Trong quá trình gia công bằng dao phay ngón liền khối tải trọng tác động chu kỳ gây

ra ứng suất theo chu kỳ cơ học và nhiệt tác dụng lên dao cắt, dẫn đến tuổi thọ của dao cắt giảm Các loại dao phay ngón lưỡi cắt xoắn được sử dụng để làm giảm sự thay đổi đột ngột các thành phần rung động của lực cắt và được sử dụng khi chiều sâu cắt lớn, nhưng chiều rộng cắt nhỏ Chức năng chính của chúng là phay đường bao để đạt được chất lượng bề mặt đường bao Một dao phay ngón điển hình với rãnh xoắn được thể hiện trong hình 2.9 Sự xoắn của răng cắt làm tăng dần dần lực dọc theo đường rãnh xoắn của dao phay ngón [63] Nếu góc xoắn trên dao phay là β,

một điểm trên các cạnh của lưỡi

cắt sẽ bị trễ so với điểm cuối của

dao phay Góc trễ (ψ) ở chiều sâu

cắt theo phương dọc trục (z) được

xác định như hình 2.9

Khi điểm dưới răng cắt

của dao phay ngón có góc ăn dao

, một điểm trên răng cắt để cắt

chiều sâu z(mm) khi đó góc ăn

dao ( - ψ) Chắc chắn rằng,

chiều dày của phoi bị loại bỏ dọc

theo rãnh xoắn cũng sẽ khác

nhau ở mỗi điểm Một thuật toán

mô phỏng lực cắt khi phay được

trình bày trong Bảng 2.1 Các biến đầu vào được thiết lập bởi người sử dụng là góc xoắn, góc vào dao và góc thoát dao, chiều sâu cắt dọc trục, số lượng răng, hệ số bước tiến, tốc độ trục chính, đường kính dao cắt và hằng số cắt Dao cắt quay với giá trị gia số góc nhỏ Tại mỗi góc xoay tăng dần đó, các lực cắt được tích hợp dọc trục theo các yếu tố khác biệt giữa