Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó đến độ nhám bề mặt khi gia công trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TRÊN TRUN

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

-

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC

VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CAO TỐC 5 TRỤC UCP600

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS – TS LÊ VĂN TIẾN

HÀ NỘI - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Nguyễn Tiến Dũng

Chương1:TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 13

1.1 Lịch sử của gia công cao tốc 13

1.7 Độ ổn định khi gia công cao tốc 27

1.8 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 31

1.9 Ưu điểm của gia công cao tốc 34

1.10 Nhược điểm của gia công cao tốc 36

2.2 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới khả năng làm việc của chi

tiết máy

42

2.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền mỏi của chi tiết 462.2.3 Ảnh hưởng tới tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết 462.2.4 Ảnh hưởng tới độ chính xác mối lắp ghép 472.2.5 Lựa chọn độ nhám bề mặt 48

2.2.6 Kết luận về tầm quan trọng của độ nhám bề mặt 49

2.3 Những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc nghiên cứu các

yếu tố ảnh hưởng tới độ nhám bề mặt chi tiết gia công (R a , R z )

50

2.3.1 Các yếu tố mang tính chất hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt 502.3.2 Các yếu tố phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt 522.3.3 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề

DANH MỤC KÍ HIỆU CHÍNH

Ra, Rz Thông số đánh giá độ nhám bề mặt gia công µm

xi Giá trị mã hoá của các thông số vào

∆Xi Khoảng thay đổi thông số vào

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1 1.1 Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao

6 3.1 Thông số kỹ thuật của trung tâm gia công cao tốc

11 3.6 Hệ số các phương trình hồi quy 71

13 3.8 Quy đổi các đại lượng đầu vào 74

14 3.9 Bảng giá trị hàm số của vật liệu 75

15 3.10 Kết quả thực nghiệm Rz 78

17 3.12 Hệ số các phương trình hồi quy 79

19 3.14 Quy đổi các đại lượng đầu vào 82

20 3.15 Bảng giá trị hàm số của vật liệu 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 1.1 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán

2 1.2 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu 15

4 1.4 Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công 16

5 1.5 Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay

6 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc 17

7 1.7 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác

9 1.9 Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công

thông thường và gia công cao tốc 20

11 1.11 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến

dạng khi thay đổi vận tốc cắt 22

12 1.12 Tỷ lệ nén của phoi đối với các loại dụng cụ khác

13 1.13 Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng

không bị uốn cong vì lực cắt nhỏ so với phương 23

14 1.14 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt 23

15 1.15 Đường cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee 24

16 1.16 Nhiệt cắt của chi tiết và dao tại v =600 m/phút,

Hình số Nội dung Trang

17 1.17 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt 25

22 1.22 Vùng kỹ thuật tối ưu cho gia công cao tốc 31

23 1.23 Máy phay cao tốc VelociRaptor của hãng

DATRON Dynamics (Mỹ) Tốc độ trục chính của 33

24 1.24 Ổ lai với bi làm băng ceramic 34

25 1.25 So sánh thời gian gia công truyền thống và thời

gian gia công bằng phay cao tốc 35

29 2.3 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Ra 40

31 2.5 Sơ đồ xác định profin trung bình cộng Rz 41

Hình số Nội dung Trang

37 2.11 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz và

38 2.12

Ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến nhấp nhô bề mặt chi tiết khi tiện

52

40 2.14 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao lẹo dao 54

41 2.15 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến chiều cao nhấp nhô

42 2.16 Ảnh hưởng của lượng chạy dao S đối với chiều

cao nhấp nhô tế vi Rz

55

44 3.2 Trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600 60

45 3.3 Dao phay mặt đầu Ø80 ASX440 62

47 3.5 Sơ đồ cắt khi thí nghiệm gia công 64

Hình số Nội dung Trang

49 3.7 Máy đo độ bóng Mitutoyo SJ-201P 66

52 3.10 Ảnh hưởng của V, Sz lên Ra khi t = 0,2 mm 85

53 3.11 Ảnh hưởng của V, Sz lên Rz khi t = 0,2 mm 86

MỞ ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) hiện đang được sử dụng phổ biến tại các nước phát triển Trong những năm gần đây các máy CNC được nhập vào Việt Nam với số lượng ngày càng phát triển Việc tìm hiểu khai thác khả năng công nghệ gia công trên máy CNC cũng như trên trung tâm gia công nhằm đạt hiệu quả kinh tế cao đang là nhiệm

vụ cấp bách

Gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công hiện đại So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc có khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác, chất lượng chi tiết gia công, giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công

Ở Việt Nam, gia công cao tốc chưa có vị trí xứng đáng trong đào tạo và trong thực tiễn sản xuất Vì thế có rất ít công trình nghiên cứu về gia công cao tốc Việc

sử dụng gia công cao tốc trong thực tế sản xuất còn hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu sâu sắc và ứng dụng hiệu quả quá trình gia công cao tốc, góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí là một vấn đề rất cấp thiết hiện nay ở nước ta

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và ảnh hưởng của nó đến

độ nhám bề mặt khi gia công trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600”

Lịch sử nghiên cứu: Nghiên cứu về bản chất của quá trình phay cao tốc đã

được tiến hành ở nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên đây là vấn đề tương đối mới tại Việt Nam Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu nhưng chưa đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và

ảnh hưởng của nó đến độ nhám bề mặt

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số chế

độ cắt ảnh hưởng tới Ra, Rz khi phay cao tốc trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600

Pham nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng của phay cao tốc đến độ nhám bề

mặt Ra, Rz

Ý nghĩa đề tài:

- Những nghiên cứu về gia công cao tốc được công bố gần đây tập trung vào việc nghiên cứu các ảnh hưởng của phay cao tốc đến độ nhám bề mặt và độ chính xác gia công Đề tài đã đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu này

- Chế độ cắt có ảnh hưởng nhiều đến các thông số đặc trưng của phương pháp gia công cao tốc

- Phay cao tốc là một quá trình phức tạp với tập hợp lớn các thông số ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm được trình bày trong luận văn không chỉ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của đề tài mà còn có thể sử dụng khi nghiên cứu quá trình phay cao tốc ứng với các điều kiện gia công khác nhau

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về gia công cao tốc và quy hoạch thực nghiệm

- Xây dựng sơ đồ thực nghiệm và kế hoạch thực nghiệm

- Tiến hành thực nghiệm

- Sử lý số liệu và xây dựng các mô hình hồi quy

- Phân tích kết quả

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS-TS Lê

Văn Tiến, TS Nguyễn Huy Ninh đã giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành luận văn

này Tôi xin cảm ơn lãnh đạo nhà trường và các thầy cô khoa Cơ khí Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Nguyễn Tiến Dũng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 1.1 Lịch sử của gia công cao tốc

Định nghĩa đầu tiên về HSM được đưa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931 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), 16.500 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 1.1)

Hình 1.1 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon)

Salomon thực hiện nghiên cứu cơ bản của mình trên lưỡi cưa tròn, và vì tốc độ cao quay không có sẵn ông đã có thể đạt tốc độ cắt cao chỉ bằng cách tăng đường kính

cao, chủ yếu có thể đạt được là tốc độ quay cao Tuy nhiên điều này đã không thể thực hiện được vào lúc đó Nghiên cứu cơ bản của Salomon cho thấy rằng có một phạm vi nhất định cắt tốc độ, nơi không thể gia công thực hiện do quá mức nhiệt

độ cao Vì lý do này, cắt cao tốc gia công cũng có thể được gọi là tốc độ cắt vượt quá giới hạn đó Với kiến thức hiện đại, Viện ptw (Production engineering and Machine tools) xác định tốc độ cao gia công như là cắt với tốc độ vượt quá tốc độ thông thường từ 5 đến 10 lần

Vào năm 1977, lần đầu tiên tốc độ cắt cho máy phay có tốc độ lên tới 1.980 m/phút Các xét nghiệm cũng cho thấy chất lượng bề mặt được cải thiện, tăng đáng kể với việc tăng tốc độ cắt Một kết quả quan trọng của các xét nghiệm này

là ở tốc độ cao cắt nhiệt sinh ra trong quá trình gia công phần lớn sẽ truyền vào phoi Năm 1979, Không quân bắt đầu ở Mỹ một chương trình nghiên cứu toàn diện sự hợp tác với General Electric để điều tra cơ bản có hiệu lực mối quan hệ và kiểm tra các cơ hội tích hợp tốc độ cao vào công nghiệp gia công ứng dụng Nó đã được tìm thấy rằng cắt tối ưu phạm vi tốc độ trong các hợp kim nhôm gia công khoảng 1.500 và 4.500 m/phút

Gia công cao tốc thực chất là biện pháp gia công thay thế một quy trình bao gồm chiều sâu cắt t lớn và lượng chạy dao thấp bằng một quy trình gồm nhiều đường cắt hơn (chiều sâu cắt t nhỏ) và lượng chạy dao cao Phôi được tao ra nhỏ hơn nhưng được bóc tách nhanh hơn Nguyên nhân chính giúp cho sự gia công cao tốc đạt hiệu quả chính là chiều sâu cắt nhỏ Chiều sâu cắt t nhỏ đồng nghĩa với việc càng ít nhiệt tỏa ra trong quá trình cắt Khi đó sống vòng quay trong 1 phút

có thể tằng lên đáng kể

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 (High speed cutting - HSC)

• Gia công với tốc độ quay của trục chính cao (High spindle speed machining)

• Gia công với lượng ăn dao cao (High feed machining)

• Gia công với tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao (High feed and speed machining)

• Gia công với năng suất cao (High productivity machining)

Tóm lại việc định nghĩa về HSM không đơn giản, nó vào vật liệu gia công, phương pháp gia công, dao cắt Vì vậy việc định nghĩa về HSM phụ thuộc vào

kỹ thuật hiện hành

Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau (hình 1.2)

Hình 1.2 Vùng tốc độ gia công cao tốc một số loại vật liệu

Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp và hơn thế nữa 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 là 10 (m/phút) 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

Xem xét một cách toàn diện thì HSM hứa hẹn một thị trường mới, vì gia công cao tốc không chỉ làm giảm lực cắt, tăng chất lượng bề mặt Tuy nhiên tuổi bền của dao lại giảm đi khi tăng tốc độ cắt, vì vậy cần phải nghiên cứu để phát triển về dụng cụ dùng trong cắt cao tốc

0 v(m/min)

Big cutting volume

Surface quality

Cuting forces (N) Tool life(min)

Hình 1.3 Tổng quan của gia công cao tốc

Kỹ thuật gia công là nền cơ bản để phát triển tất cả các thiết bị liên quan đến quá trình cắt cao tốc Điều này nói lên kỹ thuật gia công vật liệu đặc thù không chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển của dao cụ mà còn là cách đặc biệt để thiết kế các thiết bị trong máy công cụ cũng như bản chất đặc biệt của quá trình gia công

Hình 1.4 Mối liên hệ giữa kỹ thuật gia công và máy công cụ

1.2 Dụng cụ cắt

Trong gia công cao tốc thì sự mòn của dụng cụ cắt là vấn đề rất cần sự lưu tâm, nó quyết định đến tuổi bền của dao

Hình 1.5 Kiểu mòn trên dao tiện và mũi khoan trong phay cao tốc

Hình 1.6 Kiểu mòn trên dao phay ngón trong phay cao tốc

Ngoài ra ta thấy vật liệu dụng cụ cắt có ảnh hưởng quan trọng đến độ nhám bề mặt Trong số những dụng cụ cắt được dùng gia công vật đúc, và những thép hợp kim, 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, tuy nhiên nó có thể áp dụng cho gia công vật liệu mềm Những dụng cụ cacbit có một độ dẻo dai cao nhưng độ cứng kém hơn

so với những vật liệu cao cấp như nitril bo (CBN) và gốm sứ Để cải thiện độ cứng dụng cụ cacbit được phủ lên với lớp mạ cứng như TiN, TiAlN và 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 dao được tăng lên

Hình 1.7 Ảnh hưởng của các lớp phủ vật liệu dụng cụ khác nhau lên

60± 65), PCBN gắn vào lưỡi cắt thích hợp cũng được sử dụng một cách thành công Ngoài ra hầu hết hình dáng hình học của dụng cụ cắt đều có thể dùng trong gia công cao tốc

Bảng 1.1 Thuộc tính của những vật liệu cắt và lớp phủ cao cấp

Hình 1.8 Dụng cụ dùng trong phay cao tốc

1.3 Sự hình thành phoi

Những thí nghiệm 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 Hình thái của phoi nhận được trong vùng gia công thông thường và

gia công cao tốc

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

Hình 1.10 Mặt cắt của việc 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

Tại vận tốc cắt v = 150 m/phút, phoi là phoi xếp với kiểu dáng hình răng cưa (hình 1.10a) 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

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

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 1.11 Tần số của phoi xếp và diện tích phoi xếp bị biến dạng khi thay đổi vận

tốc cắt

Hình 1.12 Tỷ lệ nén của phoi đối với các loại dụng cụ khác nhau khi

gia công cao tốc

1.4 Lực cắt

Đầu tiên lực cắt sẽ tăng khi ta tăng vận tốc cắt nhưng đến một giá trị lớn nhất

nó sẽ bắt đầu giảm khi ta tiếp tục tăng vận tốc cắt Sở dĩ lực cắt cao tại vận tốc cắt thấp là do quá trình hình thành lẹo dao, còn khi cắt tốc độ cao thì lực cắt giảm do kích cỡ của lẹo dao giảm đi và do sự hóa mềm của vật liệu gia công Tuy nhiên cũng đã có một số nghiên cứu về lực cắt và chỉ ra rằng trong một số trường hợp lực cắt sẽ giảm đến mức nhỏ nhất rồi sẽ bắt đầu tăng lên khi ta tiếp tục tăng vận tốc cắt

Hình 1.13 Nhờ phay cao tốc mà khi gia công thành mỏng không bị uốn cong

vì lực cắt nhỏ so với phương pháp truyền thống

Hình 1.14 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến lực cắt

Hình 1.15 Đường cong về nhiệt của Salomon và Mc Gee

Hình 1.16 Nhiệt cắt của chi tiết và dao tại v =600 m/phút, S r =0,25mm/răng

Hình 1.17 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

1.6 Bộ gá dụng cụ - vấn đề về sự không cân bằng

Các hệ thống phụ ảnh hưởng đến hiệu quả của máy HSM là trục chính, trục,

bộ dẫn động, bộ giá dụng cụ và các dụng cụ cắt Trục chính có thể là yếu tố quan trọng nhất giúp duy trì năng suất và độ chính xác tối đa, nên phải đảm bảo hạn chế

tối thiểu sự mất cân bằng Độ mất cân bằng càng nhỏ sẽ rút ngắn thời gian cần thiết người điều khiển có thể sử dụng để thay thế dao phay mặt đầu hay chèn thêm các chỉ số

Đặc biệt trong các ứng dụng HSM, mức độ mất cân bằng rất quan trọng đối với sự chính xác Chỉ số hiển thị lớn nhất (TIR) tối đa tại lưỡi cắt chỉ được là 10µm Cứ 10µm mất cân bằng thêm vào sẽ làm giảm tuổi thọ của dụng cụ đi 50% Ngay cả khi dụng cụ, giá treo dụng cụ và con quay ở vị trí cân bằng chính xác, vẫn có một số nguyên nhân dẫn đến sự bất ổn định

Một trong những lý do dẫn đến sự không ổn định là sự ăn khớp giữa bộ giá dụng cụ và bề mặt trục chính, tại đó thường thấy khe hở Ngoài ra, khoảng hở này cũng có thể là do lớp vỏ bào bị kẹp hoặc bụi bám bên trong côn Trên thực tế, một máy với trục chính quay 20.000 vòng/phút có thể không cần có độ cân bằng đến mức cao hơn 20 gmm

Hình 1.18 Sự mất cân bằng tại ổ đỡ trục chính

Các thông số khác cần phải được lưu ý để đảm bảo độ chính xác của HSM là kết cấu con quay, độ ổn định về nhiệt, hướng dẫn tháo rời, phần cứng, giãn nở ly tâm, giãn nở nhiệt và độ rung Về độ rung, đó có thể là do tương tác giữa dụng cụ

và chi tiết gia công, tạo ra “tiếng kêu lạch cạch” hoặc do lực ly tâm tác động không đều trong quá trình lắp ráp dụng cụ và bộ giá treo dụng cụ

Kiểm soát độ rung là cần thiết không chỉ với độ chính xác và năng suất của quá trình gia công mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của con quay và dụng cụ Độ rung cũng làm cho bề mặt xấu, ảnh hưởng đến lưỡi cắt và gây ra tiếng ồn khó chịu

1.7 Độ ổn định khi gia công cao tốc

Hiện tượng rung động gây mất ổn định trong quá trình cắt kim loại được gọi

là Chatter Việc nghiên cứu hiện tượng này hiện nay cũng đang là một hướng nghiên cứu mà nhiều phòng thí nghiệm đang tiến hành và đã có kết quả tốt Chatter rạo ra rung động mạnh, âm thanh lớn, chất lượng bề mặt xấu Có 4 loại rung động: rung động tái sinh (regenerative), rung động ma sát (frictional), rung động ghép kiểu (mode-coupling), rung động nhiệt cơ (thermo-mechanical) Trong

đó rung động tái sinh là xảy ra phổ biến nhất Rung động tái sinh do những nhấp nhô bề mặt xếp tầng tạo ra Khi dụng cụ cắt tiếp xúc với phôi, do tác động của lực cắt làm dụng cụ cắt rung động và tạo nên các bề mặt nhấp nhô Lưỡi cắt sau khi cắt đến bề mặt này sẽ làm cho chiều sâu cắt thay đổi, làm cho dụng cụ cắt dao động Tùy theo các nhân tố tác động như bề mặt cắt, dao động của dụng cụ cắt mà

có thể làm cho rung động của dụng cụ cắt càng lớn lên gây mất ổn định hay trở nên ổn định Có nhiều phương pháp để loại bỏ rung động tái sinh Phổ biến nhất vẫn là cách xác định thông số cắt tối ưu bằng biểu đồ ổn định được xây dựng trên

cơ sở thực nghiệm Tlusty và Tobias đã tạo ra biểu đồ ổn định (stability lobes diagram) nhằm xác định những vùng làm việc ổn định không có rung động tái sinh Biểu đồ hình 1.19 là một biểu đồ ổn định mẫu Biểu đồ này xác định quá trình cắt có ổn định hay không, dựa vào tốc độ cắt và chiều sâu cắt Nhờ biểu đồ này mà ta có thể xác định chế độ cắt cho năng suất lớn nhất mà vẫn đảm bảo tính

ổn định của quá trình cắt Trước kia, khi vẫn còn phay ở tốc độ thấp thì vùng ổn định quá hẹp nên không thể nâng cao năng suất lên được nữa, còn bây giờ, nhờ việc chọn chế độ cắt phù hợp, năng suất có thể tăng lên đáng kế

Hình 1.19 Hình dạng cơ bản một biểu đồ ổn định của quá trình phay

Có thể nhận thấy, biểu đồ ổn định phụ thuộc vào độ cứng vững và khả năng giảm chấn của hệ thống máy – dao – phôi (gồm cả đồ gá) Do đó, với mỗi máy công cụ cụ thể, khi chọn vận tốc cắt, chiều sâu cắt khác nhau thì sẽ cho ra các biểu

đồ ổn định khác nhau

Hình 1.20 Biểu đồ ổn định máy phay cao tốc “DNM400” khi dùng dao có 1,2 và 4

răng cắt

Theo biểu đồ trên (hình 1.20) thì khi tăng số cắt số răng lên hai lần thì giới hạn ổn định định giảm đi một nửa và số đỉnh cũng sẽ giảm đi một nửa Khi cắt nhiều răng cắt thì lực cắt sẽ đều hơn so với khi cắt ít răng, nhờ vậy chất lượng bề mặt của sản phẩm tốt hơn

Hình 1.21 Biểu đồ ổn định máy phay cao tốc “DNM400” khi chiều sâu cắt là 0,1; 0,3

và 0,5 mm

Khi tăng chiều sâu cắt thì lực cắt tăng, dẫn đến hệ thống kém ổn định, vùng ổn định nhỏ đi, đồng thời tốc độ cắt càng tăng thì hệ thống càng ổn định (hình 1.21 cho thấy rõ điều này)

1.8 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Để tối ưu hóa vận tốc cắt cũng như lượng chạy dao, thì có thể nói rằng không

có loại máy gia công cao tốc nào có thể được sử dụng một cách tổng quát

Hình 1.22 Vùng kỹ thuật tối ưu 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:

• Sử dụng ổ đỡ có tần số quay vòng cao cho trục chính Các ổ đỡ phải có tần số quay vòng 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 Kiểu ổ đỡ lai hoặc hoàn toàn bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho gia công cao tốc (hình 1.24)

• 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 “look ahead”, 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 sổ 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

• Hệ thống làm lạnh áp suất cao 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 gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể làm nguội hiệu quả Việc thay dao 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

Hình 1.23 Máy phay cao tốc VelociRaptor của hãng DATRON Dynamics (Mỹ) Tốc độ trục chính của máy là (7000÷60.000) vòng/phút

Hình 1.24 Ổ lai với bi làm băng ceramic

1.9 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 (hình 1.25)

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

• Nhiệt ở dụng cụ cắt và chi tiết được giữ ở mức thấp, vì tốc độ chạy dao nhanh hơn mức lan truyền nhiệt (hình 1.26)

Hình 1.25 So sánh thời gian gia công truyền thống và thời gian gia công bằng phay

cao tốc

Hình 1.26 Hình a: Phay cao tốc với lượng chạy dao nhanh hơn lan truyền nhiệt Hình b: Phay truyền thống có thời gian để xảy ra sự lan truyền nhiệt

1.10 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 quá mức, nhu cầu sử dụng các máy công cụ đặc biệt và những máy công cụ đắt với những trục chính và những bộ điều khiển cao cấp, đồ gá, sự cân bằng giá đỡ dụng cụ, và cuối cùng nhưng quan trọng nhất: 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 của những chi tiết chèn (đệm) dụng cụ cắt, những chiến lược mới trong việc hình thành đường dao cắt CNC và sự cải tiến những điều kiện quá trình cắt Hơn nữa, sự mô phỏng có máy tính hỗ trợ của những quá trình cắt làm xuất hiện những kỹ thuật hữu ích để

dự đoán nhiệt độ và ứng suất dụng cụ cắt và để nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt 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 đạn 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

1.11 Ứng dụng

Gia công cao tốc được chủ yếu trong ba lĩnh vực công nghiệp chính như sau:

Công nghiệp gia công nhôm: để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi tiết

máy tính nhỏ và các thiết bị y tế

Công nghiệp hàng không: để gia công các chi tiết làm bằng nhôm với thành

mỏng

Công nghiệp khuôn mẫu: để gia công tinh với độ chính xác các chi tiết làm

bằng vật liệu cứng như khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa

Bảng 1.2 Đặc điểm và phạm vi áp dụng của gia công cao tốc

Năng suất cao - Gia công kim loại màu

- Gia công thép, gang

- Công nghiệp chế tạo hàng không

- Chế tạo các chi tiết máy nói chung đặc biệt là chế tạo khuôn mẫu

Chất lượng bề

mặt cao

- Gia công tinh

- Gia công các phôi đặc biệt

- Chi tiết quang

- Chi tiết cơ khí chính xác

Lực cắt nhỏ - Gia công phôi có thành,

vách mỏng

- Công nghiệp hàng không

- Công nghiệp ô tô

Do các ưu điểm nổi bật trên đây nên gia công cao tốc được áp dụng rộng rãi trong chế tạo khuôn mẫu

Tóm lại sự cạnh tranh khốc liệt trên thị trường yêu cầu phải phát triển nhanh công nghệ gia công và thiết kế các giải pháp mới HSM là một ví dụ tiêu biểu về làm thế nào để tốc độ khử bỏ kim loại cao có thể giúp tăng năng suất và cắt giảm chi phí sản xuất Mặc dù có những yêu cầu cao về công cụ gia công, công nghệ HSM vẫn mang lại rất nhiều lợi ích, cho phép giảm thời gian sản xuất và loại bỏ các khâu xử lý (như đánh bóng thủ công) trong khi vẫn duy trì độ chính xác Mặc

dù kỹ thuật này đã được biết đến từ lâu nhưng nó vẫn đang được nghiên cứu phát triển để nâng cao năng chất lượng và giảm thiểu chi phí hơn nữa

Bảng 1.3 Vận tốc cắt được sử dụng trong HSM theo kinh nghiệm

Chương 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT

2.1 Tổng quan về nhám bề mặt

Sau khi gia công, bề mặt của chi tiết không bằng phẳng một cách tuyệt đối, nghĩa là không đạt được bề mặt hình học lý tưởng nếu quan sát bề mặt của chi tiết dưới kính hiển vi, sẽ thấy được những mấp mô do vết dao gia công lưu lại trên bề mặt của chi tiết

Nhám bề mặt là tập hợp những mấp mô có bước tương đối nhỏ trên bề mặt thực của chi tiết được xét trong phạm vi chiều dài chuẩn

Hình 2.1 Profin của bề mặt chi tiết

Hình vẽ phóng to prôfin của bề mặt chi tiết trong giới hạn chiều dài chuẩn l Đường trung bình (m) của prôfin được xác định sao cho tổng diện tích các phần lồi bằng tổng diện tích các phần lõm:

F1 + F3 +…+Fn-1 = F2 + F4 +…+ Fn

Hình 2.2 Bề mặt chi tiết sau khi mài