Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội ---***--- nguyễn chí công Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi gia công các vật liệu có tính dẻo c

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

-*** -

nguyễn chí công

Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi gia công các vật liệu có tính dẻo

cao trên máy tiện CNC

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

luận văn thạc sĩ kỹ thuật công nghệ chế tạo máy

người hướng dẫn khoa học

1 TS nguyễn Thành Nhân

2 GS.TS Nguyễn Đắc lộc

hà nội - 2012

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I Sơ lược lý lịch:

Họ và tên: Nguyễn Chí Công; Giới tính: Nam

Sinh ngày, tháng, năm: 27 - 12 - 1981

Nơi sinh(Tỉnh mới): Xã Phú Hộ, Thị xã Phú Thọ, Tỉnh phú Thọ

Quê quán: Thọ Xương, Thành phố Bắc Giang, Tỉnh Bắc Giang

Chức vụ: Trợ lý kỹ thuật

Đơn vị công tác: Nhà máy Z121-Tổng cục CNQP-Bộ Quốc phòng

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu 16, Xã Phú Hộ, Thị xã Phú Thọ, Tỉnh Phú Thọ

Điện thoại CQ: 0210.3865.055; Điện thoại NR: 0210.6568.138; Điện thoại di động:0988262656 Fax: 0210.3865.054 E-mail: Nguyenchicong21@gmail.com

II Quá trình đào tạo:

1 Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):

- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) : Thời gian đào tạo: từ / đến

- Trường đào tạo

- Ngành học: Bằng tốt nghiệp đạt loại:

2 Đại học:

- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) : Chính quy Thời gian đào tạo: từ 6 /2002 đến 4/2007

- Trường đào tạo: Học viện Kỹ thuật Quân sự

- Ngành học: Cơ khí Bằng tốt nghiệp đạt loại : Khá

3 Thạc sĩ:

- Hệ đào tạo:: Thạc sĩ kỹ thuật; Thời gian đào tạo: từ tháng 9/2010 đến tháng 4/2012

- Chuyên ngành học: Chế tạo máy

- Tên luận văn: Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC

- Người hướng dẫn Khoa học: 1 HDC: TS Nguyễn Thành Nhân

2 HDP: GS.TS Nguyễn Đắc Lộc

4 Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiếng Anh - B1 - Khung Châu Âu

III Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận

20/3/2007 đến nay Nhà máy Z121-Tổng cục

CNQP-Bộ Quốc phòng Trợ lý kỹ thuật

IV Các công trình khoa học đã công bố:

Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật

Ngày 26 tháng 2 năm 2012

NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

ảnh 4x6

Mục lục

2.1.4 Thông số hình học của lớp kim loại bị cắt 21

2.3 Khái niệm chất lượng bề mặt và các phương pháp xác định 25 2.3.1 Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt 25 2.3.2 Phương pháp xác định chất lượng bề mặt 25 2.4 Khái niệm độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám 26

lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu luËn v¨n khoa häc cña t«i C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong luËn v¨n nµy lµ hoµn toµn trung thùc, c¸c th«ng sè, kÕt qu¶ ®o ®−îc lµ hoµn toµn chÝnh x¸c vµ ch−a ®−îc c«ng bè ë bÊt kú c«ng tr×nh nghiªn cøu nµo kh¸c

T¸c gi¶

NguyÔn ChÝ C«ng

3.2.4 Hệ điều khiển thích nghi 34 3.3 Kết cấu và khả năng công nghệ của máy tiện CNC 35

3.3.2 Hệ thống điều khiển trục chính 37

Chương 5 - Nội dung và phương pháp thi nghiệm 55

5.1.1 Các giả thiết của thí nghiệm 55 5.1.2 Điều kiện thực hiện thí nghiệm 55

5.2.1 Thí nghiệm với hợp kim đồng Latông Л62 59 5.2.2 Thí nghiệm với hợp kim đồng Latông ЛC59-1 67

5.2.3 ThÝ nghiÖm víi hîp kim nh«m AlMg2 74

5.2.4 ThÝ nghiÖm víi hîp kim nh«m Д16T 81 5.2.5 ThÝ nghiÖm víi thÐp kh«ng gØ SUS201 88 5.2.6 ThÝ nghiÖm víi thÐp kh«ng gØ SUS304 95

Tµi liÖu tham kh¶o

danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

danh mục các bảng

1 Bảng 3.1 So sánh mức tự động hóa các thế hệ máy công cụ, NC, CNC

2 Bảng 4.1 Thành phần hóa học của hợp kim Dura ГOCT 4784-97

3 Bảng 4.2 Cơ tính của Д 16 sau khi ủ, tôi và hoá già

4 Bảng 4.3 Thành phần hóa học (theo tiêu chuẩn Nhật JIS G4303-91)

5 Bảng 5.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật máy tiện PLG-42

6 Bảng 5.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật máy đo độ nhám POCKETSURF

7 Bảng 5.3 Bảng qui hoạch thực nghiệm của Latông Л62

8 Bảng 5.4 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của Latông Л62

9 Bảng 5.5 Ma trận thực nghiệm của Latông Л62

10 Bảng 5.6 Hệ số phương trình hồi qui của hợp kim Latông Л62

11 Bảng 5.7 Giá trị phương sai của hợp kim Latông Л62

12 Bảng 5.8 Bảng giá trị phương sai thực nghiệm của Latông Л62

13 Bảng 5.9 Bảng qui hoạch thực nghiệm của Latông ЛC59-1

14 Bảng 5.10 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của Latông ЛC59-1

15 Bảng 5.11 Ma trận thực nghiệm của Latông ЛC59-1

16 Bảng 5.12 Hệ số phương trình hồi qui của Latông ЛC59-1

17 Bảng 5.13 Giá trị phương sai của Latông ЛC59-1

18 Bảng 5.14 Bảng kết quả phương sai thực nghiệm của Latông ЛC59-1

19 Bảng 5.15 Bảng qui hoạch thực nghiệm củaHợp kim nhôm AlMg2

20 Bảng 5.16 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của nhôm AlMg2

21 Bảng 5.17 Ma trận thực nghiệm của nhôm AlMg2

22 Bảng 5.18 Hệ số phương trình hồi qui của nhôm AlMg2

23 Bảng 5.19 Giá trị phương sai của nhôm AlMg2

24 Bảng 5.20 Bảng giá trị phương sai thực nghiệm của nhôm AlMg2

25 Bảng 5.21 Bảng qui hoạch thực nghiệm của nhôm Д16T

26 Bảng 5.22 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của nhôm Д16T

STT Ký hiệu Nội dung

27 Bảng 5.23 Ma trận thực nghiệm của nhôm Д16T

28 Bảng 5.24 Hệ số phương trình hồi qui của nhôm Д16T

29 Bảng 5.25 Giá trị phương sai của nhôm Д16T

30 Bảng 5.26 Bảng giá trị phương sai thực nghiệm của nhôm Д16T

31 Bảng 5.27 Bảng qui hoạch thực nghiệm của thép không gỉ SUS201

32 Bảng 5.28 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của thép không gỉ SUS201

33 Bảng 5.29 Ma trận thực nghiệm của thép không gỉ SUS201

34 Bảng 5.30 Hệ số phương trình hồi qui của thép không gỉ SUS201

35 Bảng 5.31 Giá trị phương sai của thép không gỉ SUS201

36 Bảng 5.32 Bảng giá trị phương sai thực nghiệm của thép không gỉ SUS201

37 Bảng 5.33 Bảng qui hoạch thực nghiệm của thép SUS304

38 Bảng 5.34 Bảng kết quả thực nghiệm đo độ nhám của thép SUS304

39 Bảng 5.35 Ma trận thực nghiệm của thép không gỉ SUS304

40 Bảng 5.36 Hệ số phương trình hồi qui của thép SUS304

41 Bảng 5.37 Giá trị phương sai của thép không gỉ SUS304

42 Bảng 5.38 Bảng kết quả phương sai thực nghiệm của thép không gỉ SUS304

danh mục các hình

1 Hình 2.1 Các bề mặt gia công điển hình trên máy tiện

2 Hình 2.2 Các hướng chuyển động và các vận tốc trong quá trình tiện

3 Hình 2.3 Các đại lượng thuộc chế độ cắt

4 Hình 2.4 Thông số hình học của dao tiện thép gió

5 Hình 2.5 Thông số hình học của dao tiện có gắn mảnh hợp kim

6 Hình 2.6 Các bộ phận của dao tiện có gắn mảnh hợp kim

7 Hình 2.7 Diện tích cắt khi tiện và tthông số hình học lớp cắt khi tiện

8 Hình 2.8 Sự hình thành các bề mặt trên chi tiết trong quá trình cắt

9 Hình 2.9 Sơ đồ vùng tạo phoi

10 Hình 2.10 Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau

11 Hình 2.11 Thay đổi chiều sâu lát cắt khi đỉnh dao có bán kính cong

19 Hình 3.5 Kho chứa dụng cụ kiểu xích

20 Hình 3.6 Cơ cấu thay dao

21 Hình 4.1 Giản đồ pha Al-nguyên tố hợp kim

22 Hình 4.2 Giản đồ pha Al - Mg

23 Hình 4.3 ảnh hưởng của Mg đến cơ tính của nhôm

24 Hình 4.4 Giản đồ pha Cu-Zn

25 Hình 4.5 ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của Л62

STT Ký hiệu Nội dung

26 Hình 5.1 Máy tiện PLG-42

27 Hình 5.2 Dao tiện CoROMANT-T-max P của hãng SANDVIK

28 Hình 5.3 Máy đo độ nhám bề mặt POCKETSURF

29 Hình 5.4 Mẫu thực nghiệm hợp kim Latông Л62

30 Hình 5.5 Mẫu thực nghiệm hợp kim Latông ЛC59-1

31 Hình 5.6 Mẫu thực nghiệm hợp kim nhôm AlMg2

32 Hình 5.7 Mẫu thực nghiệm hợp kim nhôm Д16T

33 Hình 5.8 Mẫu thực nghiệm thép không gỉ SUS201

34 Hình 5.9 Mẫu thực nghiệm thép không gỉ SUS304

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài:

Công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước đang là nguyện vọng chung của toàn

Đảng, toàn dân đặc biệt trong bối cảnh hiện nay khi Việt Nam đã gia nhập tổ chức thương mại thế giới W.T.O Trong thời kỳ hội nhập bên cạnh những điều kiện thuận lợi để phát triển đất nước như: Chúng ta được tiếp xúc với khoa học công nghệ cao của các nước tiên tiến trên thế giới, các thành phần kinh tế trong nước được tự do giao dịch, kinh doanh.v.v Tuy nhiên, cũng có không ít những khó khăn, thách thức như: Một số ngành công nghiệp trong nước còn non trẻ, lạc hậu không đủ sức cạnh tranh trên thị trường, nguy cơ chảy máu chất xám.v.v một khó khăn nữa phải kể

đến là các thế lực thù địch luôn dình dập phá hoại, chúng thực hiện những âm mưu

đen tối hòng gây mất đoàn kết, chia rẽ nội bộ, gây bạo loạn, lật đổ.v.v Muốn đất nước phát triển bền vững, thì bên cạnh việc phát triển nền kinh tế quốc dân phải đi

đôi với đảm bảo an ninh Quốc phòng Trong đó, ngành Công nghệ chế tạo máy nói chung là một trong những ngành công nghiệp có tầm quan trọng hàng đầu

Đối với nền kinh tế quốc dân: Công nghệ chế tạo máy có một vị trí quan

trọng vì nó tạo ra máy móc, thiết bị công cụ cho các ngành nghề khác Tuy nhiên để

đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế và đảm bảo tính cạnh tranh trên thị trường thì nâng cao chất lượng và hạ giá thành sản phẩm là một nhiệm vụ quan trọng của ngành chế tạo máy

Đối với an ninh Quốc phòng của quốc gia: Sức mạnh của lực lượng vũ trang

là sự kết hợp của con người giác ngộ cách mạng và vũ khí Vũ khí luôn phát triển cùng với trình độ công nghiệp và trình độ khoa học kỹ thuật Có thể thấy quốc gia nào trên thế giới cũng có chiến lược phát triển khoa học - công nghệ trong đó có khoa học - công nghệ quân sự và coi đó là thành phần quan trọng trong chiến lược phát triển quốc gia Về phương diện khoa học kỹ thuật thì mỗi loại vũ khí là một loại máy Do vậy, về cơ bản công nghệ chế tạo vũ khí không khác gì các chi tiết máy Tuy nhiên, các chi tiết vũ khí thường có yêu cầu kỹ thuật cao hơn, như phải làm việc tốt trong điều kiện khắc nghiệt (như nơi có nhiệt độ cao, áp suất cao ), lắp ghép có độ chính xác cao hơn, chất lượng bề mặt yêu cầu cao hơn để đảm bảo bảo quản, sử dụng lâu dài cho bộ đội trong luyện tập và chiến đấu, do vậy quy trình công

nghệ chế tạo, thử nghiệm phức tạp hơn Hiện nay, công nghệ chế tạo vũ khí phát triển theo hướng công nghệ lưỡng dụng, vừa góp phần phát triển kinh tế vừa để chế tạo vũ khí, trang bị và các sản phẩm quân dụng khác, các đơn vị trong Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng là một ví dụ

Nhưng năm gần đây ngành cơ khí Việt Nam nói chung và các đơn vị quốc phòng nói riêng có xu hướng đầu tư các loại máy gia công cắt gọt hiện đại, gia công trên máy điều khiển theo chương trình số (NC, CNC, DNC ), hướng đi đúng đắn này thực sự đã đem lại kết quả tốt đẹp Tuy nhiên, việc khai thác, sử dụng các máy CNC vào thực tiễn sản xuất còn có nhiều hạn chế, thực tế cho thấy là chất lượng đã

được cải thiện nhưng giá thành chưa giảm thậm chí còn cao hơn so với gia công trên máy vạn năng Có rất nhiều nguyên nhân nhưng chủ yếu là chưa đảm bảo các thông

số công nghệ phù hợp

Khả năng làm việc của chi tiết máy chịu ảnh hưởng quyết định bởi các thông

số về chất lương bề mặt làm việc, các công trình nghiên cứu cũng chứng tỏ rằng chất lượng bề mặt của chi tiết không những chịu ảnh hưởng của nguyên công cuối cùng

mà còn chịu ảnh hưởng suốt quá trình gia công tạo nên chi tiết Vì vậy, muốn đạt

được khả năng làm việc có hiệu quả nhất của chi tiết máy, thì phải đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng bề mặt, để giải quyết được vấn đề đó ta phải tìm được mối quan hệ giữa các thông số của chất lượng bề mặt như Ra, Rz với các thông số công nghệ như: chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt.v.v

Trong ngành công nghiệp quốc phòng, các hợp kim Л62, ЛC59-1, Д16T, AlMg2, SUS201, SUS304, được sử dụng khá phổ biến để chế tạo các sản phẩm quốc phòng như: các loại đạn, ống nổ, hạt lửa, cụm bộ lửa đạn pháo, các chi tiết có liên quan đến thuật phóng Do vậy, việc xác lập mối quan hệ giữa các thông số chế

độ cắt đối với các vật liệu trên là vô cùng cần thiết

Xuất phát từ những lý do trên, do yêu cầu thực tế sản xuất đối với các vật liệu trên, được sự gợi ý của Bộ môn Công nghệ chế tạo máy- Trường Đại học Bách Khoa

- Hà Nội; GS.TS Nguyễn Đắc Lộc; TS Nguyễn Thành Nhân, tôi đã quyết định nhận đề tài: ”Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt

khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC”

2 Lịch sử nghiên cứu

Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết gia

công thực chất là đi xác lập quan hệ giữa các thông số công nghệ (đầu vào), với chất lượng bề mặt chi tiết gia công (đầu ra), từ đó các nhà công nghệ điều chỉnh các thông số công nghệ để đạt được chất lượng bề mặt sản phẩm theo yêu cầu

Hiện nay, ở Việt Nam việc xác định các dữ liệu như vậy đã có những bước đi

đúng hướng đầu tiên, đã có những đề tài khoa học trong việc lập một ngân hàng dữ liệu khi gia công vật liệu trong điều kiện cụ thể Trong đó, có thể kể đến: Nguyễn

Trọng Bình, Hoàng Việt Hồng "ảnh hưởng của chế độ cắt đến nhấp nhô tế vi bề mặt khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy phay CNC", Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số

60 (5/2002); "ảnh hưởng của chế độ cắt đến lượng mòn dao khi phay bằng dao phay mặt đầu trên máy CNC",Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 61 (6/2002); "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC", Luận văn thạc sỹ, ĐHBKHN (2002); Phan Công Trình "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng bề mặt chi tiết máy khi gia công trên máy phay CNC", Luận văn thạc sỹ ĐHBKHN (2006); Hà Quang Sáng "Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số công nghệ khi gia công vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC", Luận văn thạc sỹ ĐHBKHN (2006); Lê Văn Toản "Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi mài phẳng tới độ nhám

bề mặt của một số vật liệu có tính dẻo cao", Luận văn thạc sỹ ĐHBKHN (2005); Trần Xuân Việt, Phạm Văn Bổng "Khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của các thông số công nghệ v, t, s đến lực cắt trên máy tiện CNC", Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 105 (12/2005); Nguyễn Quốc Tuấn "Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công vật liệu nhôm và hợp kim nhôm trên máy phay CNC " Luận văn thạc sỹ ĐHBKHN (2007).v.v

3 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

3.1 Mục đích nghiên cứu:

- Đánh giá chất lượng bề mặt các chi tiết bằng các hợp kim Л62, ЛC59-1, Д16T, AlMg2, SUS201, SUS304, gia công cắt gọt trên máy tiện CNC PLG-42, từ

đó xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt chi tiết với các thông số công nghệ của chế độ cắt, để từ đó người làm công nghệ dễ dàng lập trình, điều khiển máy gia công với chế độ cắt phù hợp với độ nhám yêu cầu của sản phẩm

- Kết quả nghiên cứu dùng làm tài liệu tham khảo cho quá trình sản xuất tại

đơn vị đồng thời có định hướng mở rộng nghiên cứu với các vật liệu gia công khác

3.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

- Thực nghiệm trên máy tiện CNC (ký hiệu PLG-42) của Đài Loan

- Dao tiện: Dùng dao tiện ngoài ký hiệu CoROMANT-T-max P của Đức

- Vật liệu gia công: Hợp kim Л62, ЛC59-1, Д16T, AlMg2, SUS201, SUS304

- Đối tượng gia công: Tiện mặt ngoài

- Thiết bị đo độ nhám ký hiệu: POCKETSURF của Mỹ

- Xác lập mối quan hệ của độ nhám bề mặt chi tiết máy Ra với các thông số công nghệ chế độ cắt, đối với từng mác vật liệu trên, ảnh hưởng của thông số công nghệ nào là nhiều nhất, ít nhất

4 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả:

- Nghiên cứu khái quát về chất lượng bề mặt gia công, các yếu tố ảnh hưởng

đến các thông số đặc trưng của chất lượng bề mặt gia công

- Nghiên cứu khái quát về công nghệ CNC

- Nghiên cứu khái quát về hợp kim nhôm, đồng và thép không gỉ

- Đánh gia chất lượng bề mặt khi tiện trên máy tiện CNC

- Thí nghiệm với điều kiện thực tế, kiểm tra kết quả, sử lý số liệu, xây dựng mô hình thực nghiệm về quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số chế độ cắt

- ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn

đưa ra được hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt với các thông số chế độ cắt Dùng làm tài liệu tham khảo cho các nhà công nghệ, điều khiển chế độ cắt của mình đạt độ nhám bề mặt chi tiết theo yêu cầu Làm cơ sở cho các quá trình nghiên cứu khác, hỗ trợ thiết kế, lập trình các phần mềm điều khiển chế độ cắt

- ý nghĩa thực tiến: Kết quả nghiên cứu của tác giả sẽ đóng góp thêm vào

ngân hàng tra cứu cho các nhà công nghệ trong và ngoài quân sự, trong quá trình khai thác và sử dụng máy tiện CNC, để đảm bảo chất lượng theo yêu cầu và hiệu quả cao nhất Đới với thực tế tại đơn vị, kết quả nghiên cứu được áp dụng trong quá trình sản xuất, qua đó đạt được chất lượng bề mặt theo yêu cầu và năng xuất cao Làm cơ sở cho quá trình nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt Làm tài liệu tham khảo trong quá trình đào tạo tại nhà trường

Đề tài chỉ có thể giải quyết một phần rất nhỏ trong yêu cầu cấp thiết của ngành công nghệ chế tạo máy nước nhà Luận văn này đối với tôi là một cơ hội lớn

để áp dụng những kiến thức mình đã học, rèn luyện khả năng thực hiện một đề tài phục vụ thực tiễn sản xuất Luận văn này hoàn thành với sự giúp đỡ, hưỡng dẫn của

nhiều tập thể, cá nhân Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Đắc Lộc;

TS Nguyễn Thành Nhân luôn chỉ bảo và định hướng giứp tôi trong quá trình thực

hiện đề tài, lời cảm ơn đến các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Viện Cơ khí, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giứp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Phú Thọ, ngày 20 tháng 3 năm 2012

Nguyễn Chí Công

Chương 1 TổNG QUAN CáC CÔNG TRìNH NGHIÊN CứU Về QUAN Hệ GIữA CHấT LƯợNG Bề MặT CHI TIếT GIA CÔNG VớI THÔNG Số CÔNG

NGHệ TRONG QUá TRìNH GIA CÔNG

Quá trình gia công cơ khí thường phải đáp ứng đồng các yêu cầu về: Chỉ tiêu chất lượng, chỉ tiêu năng suất và chỉ tiêu kinh tế Quá trình gia công cơ khí là quá trình cơ lý phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và điều kiện cắt gọt, liên quan

đến nhiều thiết bị và tính chất sản xuất Tuy nhiên, tùy theo tính chất sản phẩm và yêu cầu cụ thể người ta tính toán cân đối các chỉ tiêu trên cho phù hợp Trong đó, chất lượng bề mặt chi tiết gia công là chỉ tiêu quan trọng có ảnh hưởng quyết định

đến khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết máy

Trong nền sản xuất tự động hóa, gia công cơ khí thực hiện trên các máy CNC, khi toàn bộ thiết kế và chế tạo được thực hiện nhờ sự trợ giúp của máy tính

điện tử, chất lượng chi tiết gia công không còn phụ thuộc vào tay nghề và tình trạng sức khỏe người công nhân mà chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các yếu tố như: Vật liệu gia công, thiết bị, dụng cụ, đồ gá, hệ thống đo lường tự động và một yếu tố rất quan trọng đó là việc thiết đặt các thông số công nghệ cho quá trình gia công Các yếu tố thiết bị gia công, dụng cụ, đồ gá, hệ thống đo lường tự động là những yếu tố thường

được tiêu chuẩn hóa, ít thay đổi, chỉ có vật liệu gia công và thông số công nghệ gia công là các yếu tố có tính thay đổi thường xuyên, chúng có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau Để khẳng định vấn đề này chúng ta phải tìm được mối quan hệ giữa các thông số của chất lượng bề mặt như Ra, Rz với các thông số công nghệ như: chế

độ cắt.v.v

Xác lập mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt (đầu ra) với thông số công nghệ (đầu vào) trên thế giới đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các kết quả thực sự của các công trình này ít khi được phổ biến rộng rãi, các công bố báo cáo khoa học được

đăng tải chỉ đưa ra các kết quả nghiên cứu mang tính chất định hướng Mục đích chính của các công trình nghiên cứu này là tìm ra công thức tổng quát mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt Ra và các thông số công nghệ thông qua thực nghiệm

Hầu hết các công trình nghiên cứu đều đi đến kết luận:

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào tính chất hình học dụng cụ cắt và chế độ cắt.

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt vật liệu

- Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào độ cứng vững hệ thống công nghệ

Trên cùng một hệ thống công nghệ, để gia công các vật liệu khác nhau đạt chất lượng như mong muốn ta phải điều khiển các thông số công nghệ gia công cho phù hợp Một công trình nghiên cứu mới đây mà tác giả được tiếp cận, là luận văn tốt nghiệp cao học của Hà Quang Sáng (15) Trong luận văn này Hà Quang Sáng đã

đi sâu nghiên cứu, xác lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ khi tiện, đến độ nhám bề mặt trên vật liệu có tính dẻo cao Tuy nhiên, công trình này còn giới hạn về

số lượng vật liệu thực nghiệm Một công trình nghiên cứu khác của Nguyễn Quốc Tuấn (16), cũng đi sâu nghiên cứu, điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề mặt, khi gia công nhôm và hợp kim nhôm Tuy nhiên, công trình này nghiên cứu về phay

Các kết quả nghiên cứu của các đề tài trên phù hợp với thực tế Điều này thể hiện tính đúng đắn hướng nghiên cứu mà Hà Quang Sáng, Nguyễn Quốc Tuấn đã thực hiện Kế thừa và phát huy các thành quả nghiên cứu trên tác giả đã lựa chọn

nghiên cứu đề tài "Điều khiển các thông số công nghệ để đảm bảo chất lượng bề

mặt khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao trên máy tiện CNC" Từ những phân

tích, đánh giá trên dự định nội dung đề tài sẽ giải quyết những vấn đề sau:

- Nghiên cứu về lý thuyết cắt gọt bằng phương pháp tiện, khái niệm độ nhám

bề mặt, cách xác định và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

- Nghiên cứu công nghệ gia công CNC

- Nghiên cứu tính dẻo của vật liệu chế tạo máy

- Tiến hành thí nghiệm, quy hoạch thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt

Do phạm vi của một đề tài luận văn tốt nghiệp cao học, không đủ để thực hiện một công trình nghiên cứu mang tính toàn diện, đối với tất cả các vật liệu của ngành chế tạo máy, cũng như mọi yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám, nên đề tài sẽ tập trung vào 3 nhóm vật liệu dẻo là hợp kim Latông (Đồng thau) Л62, ЛC59-1; Thép không gỉ Austenit SUS201, SUS304 và hợp kim nhôm AlMg2, Д16T

Hình 2.1 Các bề mặt gia công

điển hình trên máy tiện

Chương 2 Khái quát về lý thuyết cắt gọt bằng phương pháp tiện, chất lượng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến

chất lượng bề mặt 2.1 Một số khái niệm cơ bản có liên quan đến phương pháp tiện

- Tiện là phương pháp gia công cắt gọt kim loại thông dụng nhất Trong các nhà máy cơ khí, máy tiện chiếm số lượng lớn nhất khoảng 30% đến 40%

- Tiện chủ yếu để gia công

- Độ chính xác về vị trí tương quan như độ đồng tâm giữa các bậc của trục, giữa mặt trong và mặt ngoài có thể đạt tới 0,01 (mm) tuỳ thuộc vào phương pháp gá

đặt phôi

- Năng suất gia công tiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ chính xác về hình dạng, kích thước và vị trí tương quan của các chi tiết, phương pháp gá đặt, vật liệu làm dao, kết cấu dao, vật liệu gia công, dung dịch trơn nguội.v.v Nhìn chung năng suất của tiện là thấp Muốn nâng cao năng suất khi tiện phải có những giải pháp công nghệ thích hợp cụ thể

2.1.1 Các chuyển động chính trong quá trình cắt

Chuyển động chính khi tiện là chuyển động quay tròn của phôi, chuyển động chạy dao là chuyển động thẳng của dao tiện theo phương dọc trục hoặc hướng kính phôi

Nếu bỏ qua không xét đến các chuyển động phụ của dao thì ta có các chuyển

động sau đây

- Chuyển động cắt: Là chuyển động giữa lưỡi cắt và chi tiết được gia công khi

ta coi không có chuyển động chạy dao (lượng tiến dao bằng 0), khi đó lưỡi cắt sẽ cắt

ra duy nhất 1 phoi trong một vòng quay hay một lần dịch dao

- Chuyển động tiến dao: Là chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết, chuyển động tiến dao sẽ cùng với chuyển động cắt liên tục tạo ra phoi trong nhiều vòng quay hoặc nhiều lần tiến dao

- Chuyển động tác động: Là tổng hợp của chuyển động cắt và chuyển động tiến dao

Trên cơ sở các chuyển động chính nêu trên, người ta định nghĩa hướng cắt và vận tốc cắt Vc là hướng trùng với chuyển động cắt và vận tốc của dụng cụ với chi tiết theo phương của chuyển động cắt Các khái niệm hướng tiến dao và vận tốc tiến dao

Vs cũng như hướng tác động và vận tốc tác động Vt cũng được định nghĩa như vậy

Hình 2.2 Các hướng chuyển động và các vận tốc trong quá trình tiện

2.1.2 Các đại lượng thuộc chế độ cắt

Hình 2.3 Các đại lượng thuộc chế độ cắt

- Vận tốc cắt V c: Là vận tốc của dao theo hướng cắt, xác định theo công thức:

1000

c

(m/ph) Trong đó: D- đường kính trung bình của bề mặt cần gia công và bề mặt đã gia công (mm)

n- số vòng quay của phôi trong một phút (vg/ph)

- Lượng chạy dao (bước tiến) s: Là khoảng cách dao dịch chuyển theo hướng

chuyển động tiến dao trong một vòng quay, được biểu thị bằng quãng đường của mũi dao di chuyển sau một vòng quay của phôi, có đơn vị tính là: mm/vòng

- Chiều sâu cắt t: Là khoảng cách giữa bề mặt đã gia công và bề mặt chưa gia

công, được tính theo công thức: t D d ( )mm

2

ư

=

Trong đó: D - đường kính của bề mặt cần gia công (mm)

d- đường kính của bề mặt đã được gia công (mm)

2.1.3 Thông số hình học của dao ở trạng thái tĩnh

Các thông số hình học của dao có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng cắt của dao, đặc biệt là các góc của dao Các góc của dao được định nghĩa trên các mặt phẳng và tiết diện là mặt phẳng cắt, mặt phẳng đáy, các tiết diện chính và phụ:

H×nh 2.4 Th«ng sè h×nh häc cña dao tiÖn thÐp giã

H×nh 2.5 Th«ng sè h×nh häc cña dao tiÖn cã g¾n m¶nh hîp kim

Hình 2.6 Các bộ phận của dao tiện có gắn mảnh hợp kim

2.1.4 Thông số hình học của lớp kim loại bị cắt

Kích thước của lớp kim loại bị cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và kích thước hình học của dao Đặc trưng cho lớp kim loại bị cắt là diện tích cắt với diện tích cắt danh nghĩa và diện tích cắt còn dư

Hình 2.7 Diện tích cắt khi tiện và tthông số hình học lớp cắt khi tiện

Diện tích cắt danh nghĩa fdn là diện tích cắt mà phần cắt của lưỡi cắt chính tạo

ra khi dao dịch chuyển theo hướng tiến dao một quãng đường bằng lượng tiến dao s khi ta coi như chi tiết không quay

Trong thực tế, dao không cắt hết diện tích danh nghĩa mà chừa lại trên bề mặt

đã gia công một đường răng cưa đều Diện tích của một răng cưa (phần dao chừa lại, không cắt trong một vòng quay nằm trong phạm vi chiều sâu lớp cắt) gọi là diện tích cắt còn dư fd

2.2 Quá trình cắt

Hình 2.8 Sự hình thành các bề mặt trên chi tiết trong quá trình cắt

Quá trình cắt được xem là quá trình biến dạng dẻo Quá trình tạo phoi ảnh hưởng rất lớn đến độ mòn của dao và chất lượng bề mặt gia công Để tạo ra phoi, lực tác dụng vào dao phải đủ lớn để tạo ra trong lớp kim loại một ứng suất lớn hơn độ bền của vật liệu được gia công

là vùng tạo phoi, các mặt OA, OB, OC, OD, OE nơi có ứng suất tiếp lớn nhất vật liệu gia công trượt theo mặt đó gọi là mặt trượt

Trong quá trình cắt, miền tạo phoi AOE di chuyển cùng với dao, khi vận tốc cắt tăng sẽ có sự xê dịch của miền tạo phoi theo chiều hướng thu hẹp miền tạo phoi tạo ra miền A'OE' Khi vận tốc cắt đủ lớn, miền tạo phoi sẽ thu hẹp đến mức chỉ còn rộng vài phần trăm mm, do vậy người ta coi sự trượt xảy ra ngay trên mặt phẳng OF

đi qua lưỡi cắt và làm với phương chuyển động một góc Φ

Hình 2.10 Miền tạo phoi ứng với các vận tốc cắt khác nhau

Về giá trị của Φ hiện nay tồn tại 3 giả thuyết

- Theo Hucks: Φ = 45o - arctan 2àưγ

- Theo Ernst và Marchant góc Φ có giá trị:

được tạo ra khi gia công vật liệu dẻo (như thép, đồng đỏ, nhôm ), còn phoi vụ sinh

ra khi cắt vật liệu giòn như gang

Hình 2.11 Thay đổi chiều sâu lát cắt khi đỉnh dao có bán kính cong

Trong thực tế, lưỡi cắt của dao bao giờ cũng có một bán kính cong nhất định, bởi vậy, dao không bao giờ cắt hết được toàn bộ chiều sâu lớp cắt t mà chỉ cắt hết một phần t', phần vật liệu còn lại ∆t bị nén xuống chứ không cắt, khi dao đi qua đó phần vật liệu này sẽ đàn hồi trở lại một khoảng ∆h, đó chính là nguyên nhân gây ra một lực đẩy dao lên và tạo ra lực ma sát mài mòn mặt sau của dao, đây cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng cứng nguội bề mặt gia công

2.3 Khái niệm chất lượng bề mặt và các phương pháp xác định

2.3.1 Các yếu tố đặc trưng cho chất lượng bề mặt:

Khả năng làm việc của chi tiết máy phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của lớp bề mặt Chất lượng bề mặt là chỉ tiêu tập hợp nhiều tính chất quan trọng của lớp

1.Đo độ nhám bề mặt:

- Dùng mũi dò: Để đo các bề mặt có độ nhám lớn

- Dùng máy đo quang học: Dùng khi độ nhám nhỏ

- Dùng chất dẻo đắp lên chi tiết, đo độ nhám thông qua bề mặt chất dẻo đó: Dùng khi đo độ nhám các bề mặt lỗ

- Xác định độ nhám bằng cách so sánh (bằng mắt) vật cần đo với mẫu có sẵn

Trong phạm vi đề tài tác giả tập trung nghiên cứu độ nhám bề mặt

2.4 Khái niệm độ nhám bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

2.4.1 Khái niệm độ nhám bề mặt:

Trong quá trình cắt, lưỡi cắt của dụng cụ cắt và sự hình thành phoi tạo ra những vết xước cực nhỏ trên bề mặt gia công được đặc trưng bằng khái niệm độ nhám hay độ nhấp nhô tế vi

Nhám bề mặt là tập hợp các nhấp nhô của prôphin bề mặt với bước tương đối nhỏ được xét trong một chiều dài giới hạn được gọi là chiều dài chuẩn

Hình 2.12 Độ nhám bề mặt chi tiết

Để đánh giá nhám bề mặt người ta thường dùng các thông số chiều cao nhám, theo TCVN 2511-95 quy định các thông số đánh giá độ nhám như sau:

- Sai lệch số học trung bình prôfin, R a: Là trị số số học trung bình của các

giá trị tuyệt đối của sai lệch prôfin trong khoảng chiều dài chuẩn l

Ra = y dx

l

l x

∫

0 ) (

1

hoặc gần đúng: Ra = ∑

=

n i i

- Chiều cao lớn nhất mấp mô prôfin, R max : Là khoảng cách giữa đường đỉnh

và đường đáy của prôfin trong khoảng chiều dài chuẩn:

Rmax = y pmax + y vmax

Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc của chi tiết máy

Ví dụ: Đối với những chi tiết trong mối ghép động (ổ trượt, sống dẫn, con trượt ),

bề mặt làm việc trượt tương đối với nhau nên khi nhám càng lớn càng khó đảm bảo hình thành màng dầu bôi trơn bề mặt trượt Dưới tác dụng của tải trọng, các đỉnh nhám tiếp xúc với nhau gây ra hiện tượng ma sát nửa ướt, thậm chí cả ma sát khô,

do đó giảm thấp hiệu suất làm vịêc, tăng nhiệt độ làm việc của mối ghép Mặt khác, tại các đỉnh tiếp xúc, lực tập trung lớn, ứng suất lớn vượt quá ứng suất cho phép phát sinh biến dạng dẽo phá hỏng bề mặt tiếp xúc, làm bề mặt bị mòn nhanh, nhất là thời

kỳ mòn ban đầu Thời kỳ mòn ban đầu càng ngắn thì thời gian phục vụ của chi tiết càng giảm

Đối với các mối ghép có độ dôi lớn, khi ép hai chi tiết vào nhau để tạo mối ghép thì các nhấp nhô bị san phẳng, nhám càng lớn thì lượng san phẳng càng lớn, độ dôi của mối ghép càng giảm nhiều, làm giảm độ bền chắc của mối ghép

Nhám càng nhỏ thì bề mặt càng nhẵn, khả năng chống lại sự ăn mòn càng tốt: bề mặt càng nhẵn bóng thì càng lâu bị gỉ

Độ nhám bề mặt là cơ sở để đánh giá độ nhẵn bề mặt trong phạm vi chiều dài chuẩn rất ngắn l Theo tiêu chuẩn Nhà nước thì độ nhẵn bề mặt được chia làm 14 cấp ứng với giá trị của Ra, Rz (cấp 14 là cấp nhẵn nhất, cấp 1 là cấp nhám nhất)

Trong thực tế sản xuất, người ta đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết máy theo các mức độ: thô (cấp 1 ữ 4), bán tinh (cấp 5 ữ 7), tinh (cấp 8 ữ 11), siêu tinh (cấp 12

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt

Trạng thái và tính chất của lớp bề mặt chi tiết máy trong quá trình gia công

do nhiều yếu tố công nghệ quyết định như tính chất vật liệu, thông số công nghệ, vật liệu dao, sự rung động trong quá trình gia công, dung dịch trơn nguội

Người ta chia các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt thành 3 nhóm:

- Các yếu tố ảnh hưởng mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và của thông số công nghệ lên bề mặt gia công

- Các yếu tố ảnh hưởng phụ thuộc vào biến dạng dẻo của lớp bề mặt

- Các yếu tố ảnh hưởng do rung động máy, dụng cụ, chi tiết gia công

a) Các yếu tố mang tính in dập hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt

Để nghiên cứu, ta xét phương pháp tiện, qua thực ngiệm, người ta đã xác định mối quan hệ giữa các thông số: độ nhấp nhô tế vi Rz, lượng tiến dao S, bán kính mũi dao r, chiều dày phoi nhỏ nhất có thể cắt được hmin Tùy theo giá trị thực tế của lượng chạy dao S mà ta có thể xác định mối quan hệ trên như sau:

- Khi S > 0.15 mm/vg thì:

- Khi S < 0.1 mm/vg thì:

ở đây, hmin phụ thuộc bán kính r của mũi dao:

+ Nếu mài lưỡi cắt bằng đá kim cương mịn, lúc đó r = 10 àm thì hmin = 4 àm + Mài dao hợp kim cứng bằng đá thường nếu r = 40 àm thì hmin > 20 àm

- Khi S quá nhỏ thì trị số của Rz lại tăng, tức là khi gia công tinh với S quá nhỏ

sẽ không có ý nghĩa đối với việc cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết vì xẩy ra hiện tượng trượt mà không tạo thành phoi

Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao đối với

chiều cao nhấp nhô tế vi nếu bỏ qua độ đảo của trục chính máy

Các thông số hình học của lưỡi cắt, đặc biệt là góc trước γ và độ mòn có

ảnh hưởng đến Rz Khi góc γ tăng thì Rz giảm, độ mòn dụng cụ tăng thì Rz tăng Ngoài ảnh hưởng đến nhám bề mặt, hình dáng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt cũng ảnh hưởng đến lớp biến cứng bề mặt và được tính đến qua hệ số hiệu chỉnh

Ví dụ: Xét sự ảnh hưởng của hình dạng hình học của dụng cụ cắt và chế độ cắt đến chất lượng bề mặt chi tiết khi tiện

Hình 2.13 ảnh hưởng của hình dáng hình học của dụng cụ cắt

đến độ nhám bề mặt khi tiện

b) Các yếu tố phụ thuộc biến dạng dẻo của lớp bề mặt

- Tốc độ cắt V là yếu tố cơ bản nhất, ảnh hưởng tới sự phát triển của biến

dạng dẻo khi tiện:

+ Khi cắt gia công vật liệu dẻo (như đồng, nhôm nguyên chất) ở vận tốc nhỏ, nhiệt cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp bề mặt không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp Khi tăng vận tốc cắt thì nhiệt cắt, lực cắt đều tăng và có giá trị lớn, gây ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau dao kim loại bị chảy dẻo Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao Lẹo dao làm tăng độ nhám bề mặt gia công Nếu tiếp tục tăng vận tốc cắt, lẹo dao bị nung nóng nhanh hơn, lực dính của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát của dòng phoi và lẹo dao bị cuốn đi nên độ nhám bề mặt gia công giảm, độ nhẵn tăng

+ Khi gia công kim loại giòn (gang), các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không có thứ tự làm tăng độ nhấp nhô tế vi bề mặt Tăng vận tốc cắt sẽ giảm được hiện tượng vỡ vụn của kim loại, làm tăng độ nhẵn bóng của bề mặt gia công

- Lượng chạy dao S là thành phần thứ hai của chế độ cắt ảnh hưởng nhiều

đến chiều cao nhấp nhô Rz Điều đó không những do liên quan về hình học của dao

mà còn do biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi của lớp bề mặt Khi gia công thép Cacbon, với giá trị lượng chạy dao S = 0,02 ữ 0,15 mm/vg thì bề mặt gia công có độ nhấp nhô tế vi thấp nhất Nếu giảm S < 0,02 mm/vg thì độ nhấp nhô tế vi sẽ tăng lên, độ nhẵn bóng bề mặt giảm vì ảnh hưởng của biến dạng dẻo lớn hơn ảnh hưởng của các yếu tố hình học Nếu lượng chạy dao S > 0,15 mm/vg thì biến dạng đàn hồi

sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các nhấp nhô tế vi, kết hợp với ảnh hưởng của các yếu tố hình học làm cho độ nhám bề mặt tăng lên nhiều

Hình 2.14 ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhấp nhô tế vi R z

Như vậy, để đảm bảo đạt độ nhẵn bóng bề mặt và năng suất cao nên chọn giá trị lượng chạy dao S = 0,05 ữ 0,12 mm/vg đối với thép Cacbon

- Chiều sâu cắt t cũng có ảnh hưởng tương tự như lượng chạy dao S đến độ

nhám bề mặt gia công, nhưng trong thực tế, người ta thường bỏ qua ảnh hưởng này

Vì vậy, trong quá trình gia công người ta chọn trước chiều sâu cắt t

Nói chung, không nên chọn giá trị chiều sâu cắt quá nhỏ vì khi đó lưỡi cắt sẽ

bị trượt và cắt không liên tục Giá trị chiều sâu cắt t ≥ 0,02 (mm)

- Tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt chủ yếu là do

khả năng biến dạng dẻo Vật liệu dẻo và dai (thép ít Cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ cho độ nhám bề mặt lớn hơn vật liệu cứng và giòn

c) ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ đến chất lượng bề mặt

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối

có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công

Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định,

hệ thống công nghệ sẽ có dao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau

Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao

Tình trạng máy có ảnh hưởng quyết định đến độ nhám của bề mặt gia công Muốn đạt độ nhám bề mặt gia công thấp, trước hết phải đảm bảo đủ cứng vững, phải

điều chỉnh máy tốt và giảm ảnh hưởng của các máy khác xung quanh

Chương 3 Giới thiệu đặc điểm của công nghệ CNC

Ra đời vào khoảng những năm 70 của thế kỷ XX, công nghệ gia công cơ khí trên máy công cụ điều khiển theo chương trình số NC, CNC (Computerised Numerical Control), đến nay đã thu được những thành tựu vô cùng to lớn Sử dụng máy công cụ, trung tâm điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật vi xử lý NC, CNC trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hóa và

tự động hóa dây chuyền gia công, nâng cao chất lượng và năng suất gia công, đồng thời làm thay đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị công nghệ cho sản xuất Máy CNC có những ưu điểm so với các máy thường như sau:

- Gia công được các chi tiết phức tạp hơn

- Quy hoạch thời hạn sản xuất tốt hơn

- Tập trung nguyên công cao và giảm thời gian phụ

- Tính linh hoạt cao hơn

- Độ chính xác gia công ổn định, đồng đều

- Chi phí kiểm tra giảm

- Chi phí do phế phẩm giảm

- Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất

- Một công nhân có thể vận hành nhiều máy đồng thời

- Hiệu suất cao hơn

- Tăng năng lực sản xuất

- Có khả năng tích hợp trong hệ thống gia công linh hoạt

3.1 Độ chính xác đạt được

Độ chính xác đạt được phụ thuộc vào 3 yếu tố chính như sau: Vật liệu, thiết

bị và người thao tác Vật liệu giả thiết là không thay đổi trong quá trình gia công So sánh về thiết bị thì máy CNC đảm bảo độ chính xác cao và đồng đều nhờ hệ thống

điều khiển - đo lượng chính xác đến àm, hệ thống cơ khí cứng vững và ổn định, quá

trình cắt được điều khiển hoàn toàn nhờ chương trình nên loại trừ được các sai số do chế tạo và hao mòn Các máy CNC hiện đại đều có khả năng bù kích thước và mòn

dao, bù khe hở và biến dạng nhiệt khi gia công, do vậy đạt độ chính xác cao và ổn

định trong sản xuất loạt

Bảng 3.1 So sánh mức tự động hóa các thế hệ máy công cụ, NC, CNC

Điều khiển thứ tự (tiến trình) gia công Người Người Máy Chuẩn bị công nghệ: - Sáng tạo

- Diễn đạt

Người Người

Người Người

Người Máy tính

Tỷ lệ thao tác: Người/tổng số 4/5 3/5 1/5

Khi gia công trên máy CNC, công nhân chỉ có nhiệm vụ nạp chương trình, giám sát việc gá phôi, thay dao và tình trạng làm việc của máy Vì vậy tâm sinh lý, tay nghề của người công nhân hoàn toàn không ảnh hưởng đến chất lượng gia công

3.2 Các hệ điều khiển số

3.2.1 Hệ điều khiển NC (Numerical Control)

Đây là hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế kênh thông tin Trong hệ

điều khiển NC các thông số hình học của chi tiết gia công và các lệch điều khiển

được cho dưới dạng dãy các con số Hệ điều khiển NC làm việc theo nguyên tắc sau: Sau khi mở máy các lệch thứ nhất và thứ hai được đọc Chỉ sau khi quá trình đọc kết thúc máy mới bắt đầu thực hiện lệnh thứ nhất Trong thời gian này thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ điều khiển Sau khi thực hiện xong lệnh thứ nhất máy tiếp tục thực hiện lệnh thứ hai lấy từ bộ nhớ máy ra, các lệnh tiếp theo thực hiện tương tự

Nhược điểm: Khi gia công chi tiết tiếp theo trong loạt, hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các lệnh từ đầu và như vậy không tránh khỏi những sai xót của bộ tính toán trong hệ điều khiển Do đó chi tiết gia công có thể bị phế phẩm Mặt khác do cần chứa rất nhiều lệnh trong băng đục lỗ, băng từ nên khả năng dừng chương trình dễ xảy ra, băng đục lỗ, băng từ dễ bị bẩn, mòn

3.2.2 Hệ điều khiển CNC (Computer Numerical Control)

Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là có sự tham gia của máy vi tính Các nhà chế tạo máy CNC cài đặt vào máy tính chương trình điều khiển cho từng loại máy Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia công chi tiết và cả chương trình hoạt động của bản thân nó Các chương trình gia công có thể được nhớ lại Các chương trình có thể được nạp toàn bộ hoặc từng lệnh một từ bàn điều khiển

Ưu điểm: Khi lập chương trình gia công hoặc sửa chữa thực hiện ngay trên máy tính (không mất nhiều chi phí, thời gian làm băng lỗ, băng từ.) Khả năng tính toán nhanh, chính xác của máy tính cho phép xây dựng các chương trình con riêng

lẻ khi cần thực hiện được gọi vào chương trình chính nên giảm bớt số câu lệnh và thời gian cần lập trình Hầu hết các máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC hiện đại còn có màn hình đồ họa cho phép mô phỏng quỹ đạo dịch chuyển dao khi gia công vì thế giúp cho người lập trình tránh được sai xót

3.2.3 Hệ điều khiển DNC (Direct Numerical Control)

Hệ điều khiển DNC để biểu thị một hệ thống trong đó có nhiều máy CNC

được kết nối với máy tính qua đường truyền dữ liệu

Máy tính trung tâm có thể nhận được thông tin từ các bộ điều khiển để hiệu chỉnh chương trình hoặc có thể đọc dữ liệu từ máy công cụ

Trong một số trường hợp máy tính đóng vai trò chỉ đạo trong việc lựa chọn các chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để phân chia đi các máy khác nhau

Hệ DNC có ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thông tin của chương trình gia công chi tiết trên tất cả các máy công cụ

Có khả năng truyền dữ liệu nhanh, tin cậy Có khả năng nối ghép vào hệ thống gia công linh hoạt FMS

3.2.4 Hệ điều khiển thích nghi

Các hệ thống điều khiển trên tuy có khả năng tự động hóa cao nhưng vẫn mang tính áp đặt, các chế độ công nghệ được định ra ngay khi lập trình (trước khi gia công) nên đã không phát huy được tối đa hiệu quả hoặc không tránh khỏi sự cố phát sinh trong quá trình gia công

Điều khiển thích nghi (AC-Adaptive Control) là điều khiển tự động quá trình gia công Mục tiêu của điều khiển này là tự động thay đổi công nghệ theo các ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công Tùy theo mục tiêu sử dụng

mà chia hệ thống điều khiển thích nghi thành các loại sau:

- Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Constrain): Dùng chủ yếu để điều khiển giới hạn thông số công nghệ (chế độ cắt)

- Điều khiển thích nghi tối ưu ACO (Adaptive Control Optimation): Dùng cho việc tối ưu hóa các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm giá thành

3.3 Kết cấu và khả năng công nghệ

Về kết cấu chung máy thông thường, máy NC, máy CNC đều có phần cơ sở thân máy, bàn máy, hệ thống truyền động trục chính, hệ thống chạy dao, hệ thống

điều khiển, hệ thống gá kẹp và các thiết bị phụ trợ (làm mát, bôi trơn, chiếu sáng )

Tuy nhiên, kết cấu chung cũng như kết cấu của từng hệ thống của máy CNC

có nhiều điểm khác so với máy thông thường

Hình 3.1 Cấu trúc máy CNC

3.3.1 Đặc điểm kết cấu chung

Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt của bộ

điều khiển Một số đặc điểm dễ nhận thấy như sau:

- Hệ truyền động cơ khí được chế tạo có độ cứng vững cao, giảm chấn động, các ổ đỡ, trục vít me không có khe hở, các động cơ, bộ truyền và các trục vít me cân bằng rất cao, các sống trượt cứng vững, có độ chính xác cao, giảm thiểu ma sát để tránh hiệu ứng quay trượt khi máy hoạt động Ngày nay, kết cấu trục vít me có chuỗi viên bi cầu chạy tuần hoàn trên trục ren ít ma sát và có thể coi là không có khe hở, kết cấu vít me + đai ốc + bi này có hiệu suất đạt tới 98%, nhờ có ít nhiệt, độ chính xác cao về bước ren và có khả năng truyền lực dịch chuyển lớn hơn so với kết cấu thông thường có cùng kích thước

- Vùng làm việc của máy CNC thường được bao kín để đảm bảo an toàn tối

đa cho người sử dụng Hệ thống thay dao, kẹp phôi, tải phoi thường được thực hiện

tự động

- Máy CNC hầu như không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều được thực hiện tự

động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử

- Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung sườn của máy CNC thường có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối lượng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững và ổn

định

- Các máy và các trung tâm gia công CNC thường được trang bị các hệ thống thay dao, cấp phôi, tải phoi tự động Vị trí của đài dao thường được chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và thuận lợi cho việc quan sát của công nhân Băng máy tiện thường được đặt nghiêng để tăng độ ổn định, giảm kích thươc chiều ngang và dễ thoát phoi

- Hệ thống điều khiển giám sát quá trình gia công: Để đảm bảo sự hoạt động

được duy trì trong thời gian dài mà không có sự giám sát của con người, phải có những thiết bị giám sát tự động Trước hết đó là giám sát dụng cụ; nhưng cũng phải nhận biết kịp thời dung sai gá kẹp, kích thước phôi khác nhau và sai lệch giữa máy công cụ và hệ điều khiển, để tránh hậu quả tốn kém Các phần tử nhạy (sensor) đặc biệt giám sát các dao động của máy, những sai lệch kích thước, nhiệt độ và tải trọng không cho phép, thông báo tác động của nhiễu cho con người biết hoặc hiệu chỉnh sai lệch tự động bằng hệ CNC Khi có lỗi hoặc gặp sự cố ngẫu nhiên nào đó, một

thông báo và thời gian dừng máy được hệ CNC nhớ trong phạm vi bộ nhớ thích hợp

đã định sẵn nhằm nhận biết nhanh những lỗi thường xuyên và nhanh chóng loại bỏ chúng Những thiết bị giám sát này được sử dụng để giảm thời gian dừng máy như vậy tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất

3.3.2 Hệ thống điều khiển trục chính

Cũng như trên các máy thông thường trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính Trên máy tiện là trục mang phôi Trục chính tiêu tốn công suất lớn nhất trên máy Vì vậy công suất trục chính thường được dùng làm chỉ tiêu

đánh giá công suất gia công trên máy

Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với mômen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao Trên máy CNC, tốc độ trục chính

được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình, trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đường kính dao hoặc phôi mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi

Từ các yêu cầu trên người ta sử dụng các loại động cơ trên dễ điều khiển tự

động tốc độ như động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ Gần đây nhờ tiến bộ kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính người ta gắn Encoder lên trục động cơ

So với trục chính của máy thông thường, trục chính của máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), thường xuyên có gia tốc lớn Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao hơn ở các máy CNC Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động cơ cấu kẹp dao, phôi trên máy CNC thường được điều khiển tư động bằng khí nén hoặc thủy lực

3.3.3 Hệ thống điều khiển chạy dao

Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả năng công nghệ của máy (kích thước, hình đạng, độ chính xác của bề mặt gia công)

So với các hệ thống khác, hệ thống chạy dao của máy CNC có nhiều thay đổi nhất

so với máy thông thường Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao được điều khiển bằng một động cơ riêng Sự phối hợp giữa các chuyển động tạo hình theo các phương là do bộ điều khiển đảm nhiệm Hệ thống truyền động cơ khí liên kết động

học giữa các trục, kể cả tay quay là không cần thiết Trên máy tiện số trục điều khiển thường là 2 - trục X và Z, các máy hiện đại và các trung tâm gia công thường

có 4, 5 trục điều khiển hoặc hơn, chúng có thể là trục quay hoặc tịnh tiến Theo tiêu chuẩn quốc tế, người ta đặt tên 3 trục quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C Nếu

có các trục tịnh tiến song song với X, Y, Z thì người ta gọi chúng là U, V, W

Một đầu của vít me có lắp động cơ truyền động, động cơ thường được lắp trực tiếp hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống trượt Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo vị trí

Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí,

ví dụ sai số bước vít me hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia công Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và sai số cơ khí nói trên

Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng động cơ bước Hệ

điều khiển dùng động cơ bước gọi là hệ điều khiển hở vì không có mạch phản hồi vị trí Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển

Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ bước là đơn giản và rẻ tiền Nhược điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ Công suất truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ bước kết hợp với hệ thống thủy lực, nhưng độ chính xác không thể tăng được Trên các máy CNC công nghiệp thường dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí

Có hai phương pháp đo là đo trực tiếp và đo gián tiếp Thước quang được gắn trực tiếp lên bàn máy và chuyển động theo bàn máy Khi bàn máy chuyển động thước thường xuyên phát ra tín hiệu về tọa độ thực của bàn máy dưới dạng xung

Đầu thu tiếp nhận tín hiệu và chuyển về vị trí bộ điều khiển để so sánh với giá trị vào Bộ điều khiển sẽ đưa ra lệnh điều khiển cơ cấu chạy dao theo su hướng giảm sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt, cho đến khi giá trị sai lệch nằm trong giới hạn cho phép Phương pháp đo trực tiếp đạt độ chính xác cao vì khử được sai số của xích truyền động cơ khí

trên thước đo theo gia số

Nếu thiết bị đo không gắn trực tiếp lên đối tượng mà qua một khâu truyền

động trung gian nào đó thì chúng ta có hệ thống đo gián tiếp Tùy theo phương pháp khắc vạch trên đĩa quang, chúng ta phân biệt phương pháp đo tuyệt đối và phương pháp đo theo gia số Thước đo tuyệt đối được khắc theo mã nhị phân Mỗi điểm trên thước mang một mã riêng tương ứng với khoảng cách từ điểm đó đến gốc M, Sensor chỉ cần nhận được mã tại vị trí của bàn máy là biết ngay tọa độ thực của nó Trên thước đo theo gia số chỉ khắc các vạch đơn giản, tạo thành các vùng sáng và tối xen kẽ nhau Khoảng dịch chuyển của bàn máy từ điểm xuất phát 2 đến

điểm đích 3 được đánh giá bằng số khoảng sáng - tối trong đó Vị trí của điểm 2 lại

được xác định bằng khoảng cách đến một điểm do nhà chế tạo máy công cụ quy

định, gọi là điểm gốc (Reference Point) Như vậy, trong trường hợp đo tuyệt đối bộ

điều khiển luôn luôn nhận được số xung phát ra khi bàn máy dịch chuyển khỏi điểm xuất phát Điểm Reference đóng vai trò như cột cây số trên đường, nếu không có nó thì bộ điều khiển không thể biết được bàn máy đang ở đâu Chính vì vậy mà trước khi điều khiển máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc người dùng chạy bàn máy về

điểm Reference, đó cũng là động tác bắt buộc sau khi bộ điều khiển bị tắt do mất