Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC

Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ thì một số doanh nghiệp cũng gặp khó khăn về hiệu quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bị này bởi vì các nguyên nhân sau: - Việc chuy

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Hoàng Văn Gợt GS.TS Trần Văn Địch

LỜI CÁM ƠN

Nghiên cứu khoa học phục vụ cho công cuộc “ Công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nước” là việc làm vô cùng quan trọng đối với nước ta hiện nay Đề tài

“Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC” để xác định chế độ

công nghệ khi gia công trên máy tiện CNC nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy được hoàn thành với sự giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và tổ chức Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới TS Hoàng Văn Gợt (Viện Nghiên cứu Cơ khí) và GS.TS Trần Văn Địch (Viện Cơ khí - ĐHBK Hà Nội)

là Thầy hướng dẫn khoa học đã định hướng và chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu từ tháng 3 năm 2010 đến nay;

nghệ chế tạo máy và Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội;

Công nghệ, phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Hàn và sử lý bề mặt thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin được cám ơn Ban lãnh đạo, cán bộ nhân viên Viện đào tạo sau đại học – Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình nghiên cứu

trường Cao đẳng Nghề Công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Ngày 20 tháng 9 năm2011

Học viên

Lê Ngọc Kính

LỜI CAM ĐOAN

Nội dung của luận văn là các nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết đến thực nghiệm

để xây dựng mô hình toán học xác định chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy tiện CNC nhằm mục đích giúp cho việc khai thác sử dụng máy tiện CNC hiệu quả hơn Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi

Tác giả

Lê Ngọc Kính

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 9

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CNC VÀ TIỆN CNC 13 1.1 Lịch sử phát triển vè công nghệ CAD/CAM – CNC 13

1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC 18

1.3.4 Hệ toạ độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng 25 1.3.5 Cách ghi kích thước trên bản vẽ 28

1.3.6 Lập trình gia công trên máy tiện CNC 29

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 35

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 36

2.1 Quá trình cắt và tạo phoi 36

2.2 Các dạng phoi và sự biến dạng của phoi 38

2.2.1 Các dạng phoi 38

2.3 Hiện tượng nhiệt phát sinh trong quá trình cắt 43

2.3.1 Nguồn sinh nhiệt và sự phân bố nhiệt 43

2.3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phát sinh nhiệt cắt 44

2.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt cắt đến độ chính xác gia công 49

2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt cắt tới sự mòn và tuổi bền của dao 50

2.4 Hiện tượng biến cứng bề mặt 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 52

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ VÁ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 53

3.1 Sơ đồ thí nghiệm 53

3.2 Thiết bị thí nghiệm 53

3.2.1 Máy gia công: Máy tiện CNC có các thông số cơ bản sau 53

3.2.2 Dụng cụ cắt và phôi dùng trong thực nghiệm 54

3.2.3 Dụng cụ và thiết bị kiểm tra 54

3.2.4 Mô tả thí nghiệm 56

3.3 Phương pháp thí nghiệm 56

3.3.1 Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 56

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 61

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THƯC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 62

4.1 Quy trình công nghệ chế tạo mẫu 62

4.2 Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học xác định độ nhám bề mặt phụ thuộc vào thông số công nghệ (v, t, s) 63

4.2.1 Khái quát về chất lượng bề mặt 63

4.2.2 Lực cắt phụ thuộc vào thông số công nghệ v, t, s khi tiện mặt trụ ngoài trên máy tiện CNC 64

4.2.3 Sự ảnh hưởng của vận tốc cắt v đến độ nhám bề mặt 67

4.2.4 Sự ảnh hưởng của lượng tiến dao s đến độ nhám bề mặt 68

4.2.5 Sự ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến độ nhám bề mặt 70

4.2.6 Kết quả thí nghiệm và sử lý số liệu thí nghiệm 70

4.3.1 Hàm mục tiêu về thời gian 77

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4: 84

KẾT LUẬN CHUNG 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC ……… 90

PHỤ LỤC 1: Biên bản xác nhận thí nghiệm ……… …………91

PHỤ LỤC 2: Giấy xác nhận bài báo ……… ….93

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNC (Computer Numerical Control) - Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính

CAD (Computer Aided Design)- Thiết kế có trợ giúp của máy tính

CAM (Computer Aided Manufacturing)- Sản xuất có trợ giúp của máy tính

AC (Adaptive Control)- Điều khiển thích nghi

ACC (Adaptive Control Constrain)- Điều khiển thích nghi cưỡng bức

ACO (Adaptive Control Optimation) – Điều khiển thích nghi tối ưu

NC (Numerical Control) - Điều khiển số

MCU (Machine Control Unit) - Hệ điều khiển máy

Ra - Độ nhấp nhô tế vi bề mặt

τ - Thời gian gia công

α- Góc sau chính của dao

γ- Góc trước của dao

S- Lượng tiến dao

V- Vận tốc cắt

t- Chiều sâu cắt

[X]- ma trận X

[Y] – ma trận Y

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Giới hạn thông số max, min ……….……….… 59

Bảng 4.1 : Kết quả thí nghiệm ………73 Bảng 4.2 : Ma trận theo quả thí nghiệm ……….…………74 Bảng 4.3 : Kết quả thí nghiệm giữa độ nhám với thời gian cắt mẫu…… ………81

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ CAD/CAM – CNC

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy CNC 2D với các trục NC

là X và Z

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong điều khiển theo điểm

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong điều khiển theo đường

Hình 1.5: Điều khiển theo 3D

Hình 1.6: Hệ trục toạ độ theo qui ước bàn tay phải

Hình 1.7: Điểm không của máy tiện, phay CNC

Hình 1.8: Điểm gốc và điểm cắt của dao

Hình 1.9: Ghi kích thước trên bản vẽ

Hình 1.10: Sơ đồ lập trình trên máy tiện CNC………

Hình 1.11: Hệ thống lập trình tự động

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình cắt và tạo phoi………

Hình 2.2: Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt

Hình 2.3: Các loại phoi

Hình 2.4: Hiện tượng lẹo dao

Hình 2.5: Lực pháp tuyến trên mặt dao

Hình 2.6: Hiện tượng co phoi

Hình 2.7: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến nhiệt cắt

Hình 2.8: Hiện tượng biến cứng bề mặt

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.2: Máy tiện CNC AC – 1840

Hình 3.3: Máy đo độ nhám

Hình 3.4: Sơ đồ đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt

Hình 3.5: Sơ đồ đo đường kính chi tiết gia công

Hình 4.1: Ảnh hưởng của vận tốc tới độ nhám

Hình 4.2: Ảnh hưởng của bán kính lưỡi dao đến quá trình cắt

12

17

20

21

22

23

25

26

27

28

31

35

36

37

39

39

40

45

52

53

53

54

55

55

69

71

Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với s,v

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với s,t

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ra với v,t

Hình 4.6: Bản vẽ chi tiết trục côn

Hình 4.7: Tiện chi tiết trục côn trên máy tiện AC – 1840

Hình 4.8: Sản phẩm chi tiết trục côn

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Sự nghiệp đổi mới nền kinh tế đất nước nhằm đưa nước ta ra khỏi tình trạng nghèo nàn, chậm phát triển đã được Đảng khởi xướng và lãnh đạo thực hiện trong suốt hơn 20 năm qua Để thực hiện được mục tiêu “Công nghiệp hoá, hiện đại hoá Đất nước” thì việc phát triển khoa học công nghệ nói chung và khoa học công nghệ trong cơ khí nói riêng càng trở nên quan trọng và cấp thiết hơn bao giờ hết Từ cuối thập niên 80 của thế kỷ XX đến nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã trang bị nhiều loại máy, thiết bị sử dụng kỹ thuật CNC nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Bên cạnh những kết quả đạt được về mặt công nghệ thì một số doanh nghiệp cũng gặp khó khăn về hiệu quả kinh tế khi sử dụng các máy và thiết bị này bởi vì các nguyên nhân sau:

- Việc chuyển giao công nghệ chưa đầy đủ;

- Đầu tư thiếu đồng bộ, nhập nhiều chủng loại và thế hệ máy;

- Mức khấu hao cao do giá thành đầu tư lớn;

- Số lượng sản xuất trên máy thường theo loạt vừa và nhỏ;

- Khai thỏc chưa hiệu quả;

- Chưa chủ động được về bảo dưỡng, bảo trì máy

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy này?

Qua tìm hiểu các doanh nghiệp sản xuất cơ khí có sử dụng các máy và thiết

bị NC, CNC, xét về mặt xác định chế độ cắt thì thấy có một số vấn đề sau:

- Các doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài hoặc liên doanh thì các máy gia công

sử dụng kỹ thuật CNC chủ yếu để sản xuất các mặt hàng truyền thống, ổn định Chương trình gia công trên máy được chuyên gia nước ngoài xỏc định nên chế độ công nghệ thiết lập trong chương trình đã được hoàn chỉnh

- Các doanh nghiệp trong nước sử dụng máy CNC thì việc lập trình gia công do người lập trình thực hiện Chế độ công nghệ (v, s, t) được xác định bằng cách tra sổ tay công nghệ như khi thực hiện gia công trên máy truyền thống hoặc bằng cách lấy theo kinh nghiệm

Chính vì lẽ đó, chế độ công nghệ gia công trên máy chưa thể khẳng định là hợp

lý Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy còn hạn chế

Đề tài “Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết trên máy tiện CNC” là đề tài

nghiên cứu chế độ công nghệ như (v, s, t) khi gia công trên máy tiện CNC cho một

số loại vật liệu được hợp lý Chính bởi lẽ đó đề tài đó nghiên cứu chế độ cắt tối ưu

cho một loại vật liệu cụ thể đó là: “ Nghiên cứu công nghệ và xác định chế độ cắt

hợp lý khi gia công chi tiết trục thép 40X mặt trụ ngoài trên máy tiện CNC” để đạt

được chất lượng bề mặt tốt, năng suất cao Được tác giả lựa chọn để nghiên cứu nhằm mục đích xác định chế độ cắt hợp lý và tiến tới tìm ra chế độ công nghệ cho quá trình tiện trên máy CNC Đây một vấn đề khoa học có ý nghĩa thực tiễn, cần thiết, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện CNC trong sản xuất cơ khí nói riêng và là cơ sở để nghiên cứu cho các vật liệu khác nhau khác

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, luận văn gồm có 4 chương sau:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ gia công CNC và tiện CNC;

Chương 2 Cở lý thuyết;

Chương 3 Thiết bị và phương pháp thí nghiệm;

Chương 4 Kết quả thực nghiệm và ứng dụng kết quả của đề tài

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ công nghệ như (v, s, t) đối với quá trình cắt Việc nghiên cứu được tiến hành với các điều kiện sau:

- Máy thực nghiệm: Máy tiện CNC, ký hiệu AC - 1840;

- Vật liệu gia công là thép 40X;

- Vật liệu làm dao là mảnh hợp kim cứng: DNMG 110408E-M

- Đối tượng gia công là mặt trụ ngoài

- Thiết bị đo độ nhấp nhô tế vi bề mặt: Máy chuyên dùng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt (v,

s, t) với độ nhám bề mặt gia công Còn một số yếu tố khác như tuổi bền dụng cụ cắt, lực cắt coi như nằm trong giới hạn cho phép

- Thực nghiệm cắt thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ cắt với yếu tố độ nhám bề mặt gia công

- Thực nghiệm trên máy để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan

hệ giữa chế độ cắt với yếu tố độ nhám bề mặt

Ngoài ra, trong quá trình nghiên cứu còn trao đổi với Giáo viên hướng dẫn

bề mặt của quá trình cắt Tiến tới xây dựng giải bài toán tối ưu và thiết kế phần mềm trợ giúp lựa chọn chế độ cắt khi gia công trên máy tiện CNC

* Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Kết quả nghiên cứu xây dựng chế độ cắt hợp lý khi gia công trên máy tiện CNC có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất như sau:

- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt;

- Giúp cho việc lựa chọn chế độ công nghệ khi viết chương trình gia công NC trong quá trình chuẩn bị sản xuất được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy tiện CNC tốt hơn Góp phần vào việc nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm Đây là một yếu tố có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển của doanh nghiệp trong môi trường sản xuất kinh doanh luôn phải đối mặt với sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trường cũng như trong quá trình hội nhập;

- Đạt được khả năng cho năng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt theo yêu cầu trong sản xuất ngay cả khi số lượng sản phẩm không nhiều;

- Tạo ra phần mềm lựa chọn với các ràng buộc mở, cho phép doanh nghiệp lựa chọn điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tiễn sản xuất, chẳng hạn như khi phải sử dụng dao đặc biệt, giá thành cao thì đưa vào yêu cầu về tuổi bền dao cao, phần mềm tính toán sẽ lựa chọn được chế độ cắt phù hợp với yêu cầu đó

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CNC

VÀ TIỆN CNC 1.1 Lịch sử phát triển vè công nghệ CAD/CAM – CNC

Hình 1.1 Sơ đồ lịch sử phát triển công nghệ

CAD/CAM-CNC

Năm 1952 máy điều khiển số NC (Numerical Control) đầu tiên ra đời và chương trinh gia công được lập trình theo ngôn ngữ APT (Automatically Programmed Toolls) do viện nghiên cứu Masschusetts tạo ra Không lâu sau

đã bắt đầu xuất hiện khái niệm CAD (Computer Aided Design)

Vào những năm 70 các hệ điều khiển CNC (Computer Numerical Control), ngoài các chức năng riêng của hệ NC thì hệ CNC còn có thể thực hiện được nhiều chức năng khác nhau, nó có bộ phận lưu giữ chương trình và

có thể thay đổi được chương trình gia công

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học với sự xuất hiện của các máy vi tính hiện đại cho khả năng ghép nối quá trình thiết kế với quá trình gia công thành một dự án tổng thể với sự trợ giúp của máy vi tính đã tạo ra công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Manufacturing) và không lâu sau đó

là các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

Hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing)

bắt đầu xuất hiện từ những năm 80 Mục tiêu của CIM là gia công tự động linh hoạt, nó cho khả năng gia công đạt hiệu quả kinh tế cao ngay cả khi số lượng gia công không lớn

1.2 Tình hình khai thác, sử dụng máy gia công CNC tại Việt Nam hiện nay

Ở Việt Nam chúng ta, trước đây hệ thống sản xuất cơ khí quá lạc hậu, năng suất thấp, chất lượng kém nhưng giá thành lại cao, sản xuất chưa đáp ứng được thị trường trong nước chứ đừng nói gì đến vươn ra thị trường ngoài nước Nhận thức rõ vấn đề đó, sau Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI ( 1986) với chủ trương đổi mới, nhiều chính sách ra đời đã tạo cho doanh nghiệp sự chủ động, sáng tạo…Rất nhiều doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài đã đưa máy gia công có mức độ tự động hoá cao vào sản xuất Ngành cơ khí nước ta nói riêng và tất cả các ngành khác nói chung đã có bước phát triển mới Sản phẩm chế tạo ra đã có chất lượng cao hơn, thời gian chế tạo nhanh hơn Tuy nhiên, tìm hiểu một số doanh nghiệp sử dụng kỹ thuật CNC thì thấy có một số ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm:

Cỏc mỏy tiện CNC này cú những ưu điểm của điều khiển số so với các máy tiện truyền thống như: Khi gia công trên máy tiện CNC các chi tiết sẽ có độ chính xác cao, gia công được chi tiết phức tạp, quá trỡnh điều khiển dễ dàng, các máy tiện CNC khi được ứng dụng ở trỡnh độ cao sẽ là bộ phận của hệ thống sản xuất FMS hay CIM Cỏc mỏy tiện CNC làm cho quỏ trỡnh sản xuất thờm linh hoạt, mọi thao tỏc đều được tự động hóa

Nhược điểm:

- Chủng loại máy, nguồn gốc máy đa dạng nhưng chủ yếu là các máy của : Đức, Nhật, Trung quốc, Đài loan Đáng chú ý là có một số máy không rõ nguồn gốc vì việc mua bán máy qua nhiều trung gian, tài liệu thất lạc

- Hệ điều khiển của máy chủ yếu là FANUC, HEIDENHAIN, MITSUBISHI ;

- Việc chuyển giao kỹ thuật từ các chuyên gia nước ngoài cho đối tác tại Việt Nam không đầy đủ Chủ yếu chỉ hướng dẫn lập trình cơ bản và thao tác vận hành máy;

- Ngoại trừ một số doanh nghiệp liên doanh, doanh nghiệp 100% vốn nước ngoài trong sản xuất có mặt hàng truyền thống thì chương trình gia công CNC được chuẩn bị trước từ nước ngoài đưa vào còn lại chủ yếu do người vận hành máy lập trình trực tiếp trên máy;

- Một số doanh nghiệp chưa thực sự chú ý đến khai thác máy một cách hiệu quả, thời gian máy hoạt động không nhiều;

- Việc sử dụng chế độ cắt chủ yếu là theo kinh nghiệm như khi thực hiện gia công trên máy vạn năng nên chưa thể nói là đã hợp lý hay chưa?

Các máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC thường được nhập ngoại với giá thành rất cao, chính vì lẽ đó, hiệu quả khai thác sử dụng máy còn hạn chế, giá thành sản phẩm cao vì mức khấu hao lớn

Thực tế đó cho thấy việc nghiên cứu xây dựng chế độ cắt tối ưu cho các máy CNC nói chung và máy tiện CNC nói riêng là việc làm cần thiết

1.3 Nguyên lý gia công điều khiển số CNC

1.3.1 Khái niệm và đặc trưng cơ bản của các máy gia công CNC

Máy gia công CNC (CNC machine tool) là những thiết bị cơ điện tử phức tạp, đắt tiền, hoạt động theo các nguyên lý cơ khí và vật lý kỹ thuật (gia công tiện, phay, khoan, mài, laser, tia lửa điện, ; đo lường; gá đặt; điều chỉnh, v.v ) và được điều khiển bằng chương trình số (NC Program) với hệ CNC (Computerized Numerical Control)

Gia công chi tiết cơ khí trên các máy điều khiển theo chương trình số CNC có những đặc điểm sau:

- Mức độ tự động hoá cao, toàn bộ quá trình hoạt động của máy để gia công chi tiết do máy tính điều khiển;

- Tốc độ dịch chuyển của bàn máy cao;

- Tốc độ quay của trục chính cao và có thể điều chỉnh vô cấp;

- Độ chính xác gia công cao (sai lệch kích thước có thể nhỏ hơn 0,001 mm);

- Năng suất gia công cao ( có thể gấp 3 lần máy thông thường);

- Tính linh hoạt cao, thích nghi nhanh với sự thay đổi về kết cấu sản phẩm;

- Mức độ tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt trong một lần gá đặt);

- Có thể gia công được những bề mặt phức tạp mà các máy khác khó hoặc không thực hiện được (các bề mặt dạng 3D);

- Khả năng thực hiện lặp lại các công việc gia công (chương trình được sử dụng nhiều lần);

- Chuẩn bị công nghệ để gia công trên máy CNC khác với máy thường là phải lập trình NC để điều khiển máy gia công theo ngôn ngữ phù hợp với máy và tuỳ thuộc vào hệ điều khiển máy (FANUC, HEIDENHAIN, MITSUBISHI, v.v );

- Mức độ tự động hoá cao nên vận hành đơn giản nhưng bảo dưỡng và sửa chữa phức tạp

- Không thích hợp với trình độ sản xuất thấp

- Giá thành cao nên mức khấu hao lớn

Một máy gia công CNC ( hay còn gọi là một hệ thống gia công ) theo nguyên

lý điều khiển số có sáu thành phần cơ bản sau:

1/ Chương trình gia công NC ( NC program) :

Được viết theo ngôn ngữ lập trình của máy thể hiện dưới dạng các số và chữ cái qui ước Hệ CNC có chức năng tạo lập các tín hiệu điều khiển cần thiết cho quá trình gia công như điều khiển trục chính quay, điều khiển cho dao dịch chuyển trong quá trình cắt theo đường thẳng, cung tròn, chu trình phù hợp với biên dạng gia công Ngoài ra hệ CNC còn phải tạo lập các lệnh NC để thực hiện các chức năng khác như thay dụng cụ cắt, đóng mở chất làm mát

2/ Thiết bị nạp chương trình (Program Input Device)

Thiết bị nạp chương trình vào máy thông thường là bàn phím gắn theo máy Các máy gia công hiện đại có thể cho phép nạp chương trình có sẵn vào máy theo đường cáp truyền dữ liệu hoặc đĩa mềm

3/ Hệ điều khiển máy (MCU = Machine Control Unit)

Hệ điều khiển máy hoạt động trên cơ sở phần cứng (hardware) và phần mềm (software) Phần cứng ở đây là hệ điều khiển và lập trình gia công CNC do các hãng

cung cấp như hệ FANUC, MITSUBISHI, HEIDENHAIN Phần mềm điều khiển

và lập trình CNC gồm có ba khối chính, đó là : Phần mềm vận hành, phần mềm giao diện, phần mềm ứng dụng

Phần mềm vận hành bao gồm 4 chương trình sau:

+ Chương trình giám sát, còn gọi là chương trình vận hành hoặc dẫn dắt để quản trị khâu vận hành, khởi động các phần mềm khác và tạo điều kiện truyền thông (communication) tới các thiết bị nhập – xuất

+ Chương trình logic (logic program) thường được coi là chương trình điều khiển, để giải mã (decods) và nội suy (interpolates) các chỉ dẫn NC nhằm tạo lập các tín hiệu điều khiển dịch chuyển cho từng trục điều khiển

+ Chương trình biên tập (editor program), còn gọi là chương trình dịch vụ hoặc vận hành Nó cho phép người vận hành nhập, xuất, sửa đổi hay xoá chương trình gia công chi tiết và hiển thị trên màn hình

+ Chương trình chuẩn đoán (diagnostic program), bao gồm nhiều chương trình con chuẩn đoán khác nhau để phát hiện các lỗi có trong hệ CNC, số hiệu của lỗi và thông báo lỗi được hiển thị trên màn hình

4/ Hệ khởi động ( Drive System)

5/ Máy gia công (Machine Tool), còn gọi là máy công tác như máy tiện, máy phay, máy khoan Đây là các máy gia công thực hiện điều khiển theo chương trình

số Ở máy CNC, phần lớn các nội dung chuẩn bị công nghệ có thể thực hiện tách rời máy gia công, ví dụ : chuẩn bị công nghệ và lập trình NC ở văn phòng với sự trợ giúp của máy tính, sau đó truyền tải chương trình NC đã lập và kiểm định tới máy CNC tại xưởng để thực hiện

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC 2D-SL-253 với các trục NC là

X và Z (Hình 1.2)

6/ Hệ phản hồi (Feedback System) Việc dịch chuyển theo trục X, trục Z của dao hay chuyển động quay của trục chính liên tục được xác định Các thông tin đó được hệ phản hồi, phản ánh cho hệ điều khiển trung tâm để bộ xử lý trung tâm xử lý

số liệu và tiếp tục điều khiển đến khi nào đạt giá trị cần thiết theo chương trình thì kết thúc tín hiệu điều khiển đó

1.3.2 Hệ điều khiển máy gia công CNC

3 Phôi tiện 8 Động cơ trục chính

4 Mũi tâm ( ụ động) 9 Băng dẫn hướng

dọc trục Z

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC

2D

Hệ thống điều khiển NC (Numerical Control) là mạch điện tử Thông tin vào chứa trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng khối, khi khối trước kết thúc, máy đọc tiếp các khối lệnh tiếp theo để thực hiện các dịch chuyển cần thiết Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng như: Nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, chức năng đọc theo băng Các máy NC không có chức năng lưu trữ chương trình Hệ điều khiển NC có một số nhược điểm là tính linh hoạt kém Khi cần thay đổi cấu hình chi tiết thì phải thay đổi chương trình gia công Việc thay đổi chương trình gia công bằng cách làm mới hoặc sửa lại băng đục lỗ, điều này gây mất thời gian và tốn kém

b Điều khiển CNC

Đặc điểm của điều khiển CNC (Computer Numerical Control) là có sự can thiệp, hỗ trợ của máy tính Với hệ thống điều khiển này thì trên máy đã có một chương trình hệ thống CNC do nơi sản xuất máy chế tạo, cài đặt vào máy tính kèm theo máy và được bảo vệ dưới một mã nguồn bí mật khiến cho người sử dụng máy không thể can thiệp được

Trong hệ thống này, việc đưa các dữ liệu vào hệ thống được tiến hành trên bảng điều khiển của máy hoặc truyền dữ liệu có sẵn qua đường cáp vào Các dữ liệu (chương trình gia công) được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính và có thể gọi ra bất

kỳ lúc nào

Ưu điểm của hệ điều khiển này là khi cần lập chương trình gia công mới hay sửa chữa chương trình gia công cho phù hợp với sự thay đổi cấu hình sản phẩm được tiến hành ngay trên máy nên rút ngắn thời gian chuẩn bị, giảm bớt chi phí do không phải làm mới hay sửa chữa băng đục lỗ Một số máy được trang bị hệ điều khiển mạnh, khả năng tính toán nhanh và chính xác của máy tính cho phép xây dựng các chương trình con riêng lẻ, khi cần sử dụng sẽ được gọi vào thực hiện trong chương trình chính nên giảm bớt số câu lệnh và thời gian cần thiết cho việc lập trình Khi chương trình gia công biên soạn theo đúng cấu trúc và qui ước được đưa vào, bộ phận giải mã sẽ đọc và tách ra thành các dữ liệu hình học, dữ liệu công

nghệ Khi sử dụng chương trình để gia công chi tiết, các dữ liệu này được chuyển qua bộ điều khiển đến các động cơ chấp hành trên máy gia công

Hầu hết máy gia công sử dụng kỹ thuật CNC hiện đại còn có màn hình đồ hoạ cho phép mô phỏng quỹ đạo dịch chuyển dao khi gia công vì thế giúp cho người lập trình tránh được sai sót khi lập trình

d Điều khiển thích nghi

Các hệ thống điều khiển trên tuy có khả năng tự động hoá cao nhưng vẫn có những mặt 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 được sự cố phát sinh trong quá trình gia công, chẳng hạn như khi gặp vùng vật liệu

có độ cứng cao hay khi dao mòn, lực cắt tăng lên gây gẫy dao hoặc dừng máy do vượt quá công suất động cơ

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 các thông số công nghệ theo các ảnh hưởng không thể dự kiến trước trong quá trình gia công như nếu lực cắt tăng lên máy sẽ tự động giảm lượng chạy dao cho phù hợp Tuỳ 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 hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công hoặc giảm giá thành [19]

Hệ điều khiển này có những ưu điểm nổi bật nhưng việc ứng dụng nó ở nước

ta hãy còn quá khiêm tốn

1.3.2.2 Các dạng điều khiển

a Điều khiển điểm - điểm

Là phương thức điều khiển nhanh đồng thời theo các trục nhằm xác định một

vị trí nào đó theo yêu cầu Đây là cách điều khiển đơn giản nhất, được áp dụng cho các máy gia công điều khiển số mà khi dịch chuyển nhanh để xác định vị trí thì không cắt gọt Việc cắt gọt chỉ thực hiện sau khi vị trí điểm cắt đã được xác định Tuỳ theo dạng điều khiển, các trục có thể chuyển động kế tiếp nhau (thực hiện từng trục một – hình 1.3a) hoặc tất cả các trục có chuyển động đồng thời, khi đó giữa các trục có thể có hoặc không có quan hệ hàm số Thông thường khi các trục có chuyển động đồng thời thì hướng của hai trục tạo thành góc 450, trục nào hoàn thành trước thì kết thúc dịch chuyển trước, còn trục kia sẽ tiếp tục thực hiện dịch chuyển dao đến vị trí yêu cầu ( hình 1.3b) [14]

Dạng điều khiển này thường được ứng dụng trong các máy khoan toạ độ, máy đột

lỗ, máy hàn điểm tự động

a b

Hình 1.3: Các đường chạy dao trong điều khiển theo điểm

b Điều khiển theo đường thẳng (tuyến tính)

Dạng điều khiển này tạo ra các đường song song với với các trục của máy, trong quá trình dịch chuyển đó, dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công Như vậy với dạng điều khiển này ta chỉ có thể tạo ra mặt phẳng song song với từng trục (hình 1.4) Trong trường hợp mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau thì có thể gia công được bề mặt nghiêng góc 45° trong một mặt phẳng cố định

nào đó ( thường là mặt xoy trên máy phay, mặt xoz trên máy tiện)

c Điều khiển theo biên dạng (contour)

Dạng điều khiển theo điểm, theo đường có rất nhiều hạn chế khi gia công các

bề mặt phức tạp như mặt cong, mặt nghiêng Dạng điều khiển theo contour cho phép khắc phục được các hạn chế này Bằng hình thức điều khiển này, ta có thể tạo

ra các contour hoặc đường thẳng hay đường cong tuỳ ý trong mặt phẳng nào đó hoặc trong không gian [12] Như thế có nghĩa là sẽ có nhiều trục chuyển động đồng thời và các trục đó có mối quan hệ với nhau về mặt toán học (hàm số) Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển theo contour được chia ra làm các loại sau:

* Điều khiển 2D

Điều khiển này cho phép thực hiện dịch chuyển dụng cụ cắt (hoặc bàn máy mang phôi) theo một công tua nào đó ( thẳng hoặc cung cong) trong mặt phẳng gia

công Đối với máy phay thì thường là mặt xoy, đối với máy tiện là mặt xoz Còn

trục thứ ba được điều khiển độc lập với hai trục kia Như vậy, trên máy tiện có thể gia công được mặt cong, mặt cầu, trên máy phay gia công được cung tròn

Hình 1.4: Các đường chạy dao trong chuyển động theo đường

Khả năng của máy gia công CNC đã được mở rộng hơn

2

1 2

Dạng điều khiển này cho máy có khả năng thực hiện các chuyển động nào đó của dụng cụ cắt Thông qua chức năng G nào đó của hệ điều khiển trong chương trình gia công NC ta có thể chuyển đổi từ bề mặt gia công X-Y sang bề mặt X-Z Như vậy, với dạng điều khiển này phạm vi gia công bề mặt chi tiết được mở rộng hơn Hai trục của máy chuyển động đồng thời và có quan hệ hàm số với nhau, còn trục kia chuyển động độc lập như trong dạng điều khiển 2D nhưng có sự khác biệt

là bề mặt gia công không còn bó hẹp trong mặt X-Y nữa mà có khả năng chuyển sang mặt X-Z

* Điều khiển 3D

Đây là dạng điều khiển mà cả ba trục của máy có chuyển động đồng thời và giữa chúng có mối quan hệ hàm số Khả năng gia công của máy được mở rộng Có thể gia công được mặt nghiêng, rãnh vát, rãnh vừa cong vừa vát và đặc biệt khi gia công trên máy phay có thể gia công được ren Cần chú ý rằng, đối với dạng điều khiển 3D, khi thực hiện lệnh cắt theo cung tròn mà trong câu lệnh có cả ba thành phần X, Y, Z thì phải khai báo rõ mặt chính là mặt nào (mặt chứa cung tròn) trước khi thực hiện câu lệnh, nếu không chương trình sẽ bị lỗi và không thực hiện được

Ví dụ: Khi cắt rãnh vừa cong vừa vát

như hình 1.5

Mặt gia công chính là mặt xoy

Câu lệnh dịch chuyển dao từ điểm A

đến điểm B là :

G02 XB YB ZB I J ;

Trước câu lệnh này phải khai báo mặt

gia công chính là X-Y bằng chức năng G17

Hình 1.5: Điều khiển theo 3 D

* Điều khiển 4D và 5D

Với dạng điều khiển này, ngoài các trục tịnh tiến X, Y, Z còn có các trục quay Nhờ có điều khiển này ta có thể gia công được các bề mặt phức tạp như khuôn rèn, dập, đúc áp lực hay các bề mặt không gian như cánh tuốc bin

1.3.3 Các trục điều khiển NC (NC axises)

Khái niệm “Trục” trong kỹ thuật gia công NC là hướng chuyển dịch chính

(thẳng hoặc quay) mà theo hướng đó, chuyển động tương đối của dụng cụ (dao) và phôi gia công được thực hiện và được điều khiển bằng số (điều khiển NC)

Các khái niệm trục toạ độ, chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số

được qui định trên phạm vi quốc tế (tiêu chuẩn ISO – Recommendation R 841) Dựa trên cơ sở định lý 3 ngón tay của bàn tay phải mà định nghĩa chiều của 3 chuyển động cơ bản vuông góc với nhau là X, Y và Z như sau:

- Ngón cái là trục X, ngón trỏ là trục Y, ngón giữa là trục Z các trục này

vuông góc với nhau

- Chiều từ cổ tay đến ngón tay là chiều dương, ngược lại là âm

- Trục Z luôn luôn trùng với trục chính của máy (hình 1.7)

Hình 1.6 : Hệ trục toạ độ theo qui ước bàn tay phải

Hệ thống toạ độ có quan hệ mật thiết với chi tiết gia công và máy Vì vậy đối với bất kể máy nào khi lập trình cũng phải thống nhất coi vật là đứng yên còn dụng

cụ cắt chuyển động trong quá trình cắt

Đối với máy tiện CNC, trục Z chính là đường tâm của trục chính, chiều dương là chiều hướng từ chi tiết gia công ra phía ụ động Trục X là trục vuông góc với tâm máy, chiều dương của trục tuỳ thuộc vào vị trí đặt bàn xe dao ở bên nào

Đối với các máy gia công CNC nói chung, ngoài các trục trên còn có thể

có các trục sau:

- Các chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C

- Các chuyển động thẳng song song với 3 trục X,Y,Z là U, V, W

- Các chuyển động không bắt buộc phải song song với X,Y,Z là P, Q, R Trục R chủ yếu dùng ở các chu trình khoan ( drilling cycles) ở dạng địa chỉ ứng với mặt phẳng gốc chuẩn (reference surface) của phôi gia công, nghĩa là trục Z được chuyển từ chế độ chạy nhanh không cắt gọt sang chế độ tiến dao để cắt. [19]

Ngoài các trục NC kể trên, có những máy gia công còn có thể có thêm hai trục quay thứ hai là D và E Hai trục quay này là trục quay song song với trục quay thứ nhất A, B hoặc C

Cần chú ý rằng, khi xác định chiều dương của trục phải theo giả định là dụng

cụ cắt luôn luôn chuyển động và phôi gia công luôn luôn đứng im Chiều dương của các trục trong trường hợp này được xác nhận như chiều dương của các chuyển động: +X, +Y, +Z, +A, +B, +C

1.3.4 Hệ toạ độ và các điểm gốc lập trình gia công CNC quan trọng

Các điểm chuẩn cần được xác định trong vùng làm việc của máy:

a Điểm chuẩn của máy M (điểm gốc O của máy)

Điểm gốc O của máy là điểm gốc của hệ thống toạ độ máy Điểm này do nơi chế tạo ra máy đó xác định theo kết cấu động học của máy, người sử dụng máy phải chấp nhận Ví dụ trên máy tiện CNC có điểm M là giao của tâm trục chính với mặt đầu

của trục chính (hình 1.7 a), máy phay CNC có điểm M là đỉnh góc trái phía ngoài của bàn máy( hình 1.7b)

b Điểm O của chi tiết (W)

Điểm không của chi tiết là gốc của hệ thống toạ độ gắn lên chi tiết Vị trí của điểm W do người lập trình tự do lựa chọn và xác định Song người lập trình cần phải xác định điểm đó sao cho khi tính toán các vị trí điểm trên đường bao chi tiết dễ ràng nhất Đối với máy tiện thường chọn là điểm giao của tâm trục chính với mặt đầu trước hoặc sau của phôi (hình 1.7a) Đối với máy phay thường chọn là góc trên bên trái của phôi(hình 1.7b) hoặc điểm đặc biệt là tâm đối xứng của nhiều bề mặt gia công để cho việc tính toán vị trí toạ độ các điểm trên đường biên dạng gia công được dễ ràng và thuận lợi cho việc sử dụng chu trình (thường là các lệnh lặp hay chương trình con) khi viết chương trình gia công

c Điểm gốc tham chiếu của máy (R)

Điểm gốc tham chiếu của máy còn được gọi là điểm chuẩn của máy hay

điểm gốc quay về (reference point return) Trong quá trình vận hành máy, không

thể chạy về điểm M của máy vì: việc chạy về bị vướng phôi hay cơ cấu kẹp, không thể chạy theo một trục, hay trường hợp ở các máy rất dài, nếu phải thường xuyên chạy về điểm M thì rất tốn thời gian v.v Để thuận tiện và an toàn hơn, đối với các trường hợp này phải có một điểm xác định khác tương đương gọi là điểm gốc Điểm

Hình 1.7: Điểm không của máy tiện, phay CNC

gốc này có một vị trí xác định trước so với điểm M mà hệ điều khiển nhận biết được Đây là điểm rất quan trọng trong việc vận hành máy Trước khi cho máy chạy phải thực hiện lệnh cho dao về điểm gốc R Đồng thời trong quá trình gia công phải lưu ý vấn đề sau:

- Khi bắt đầu sử dụng máy, gá dao xong phải cho máy trở về điểm R trước khi thực hiện đo kích thước dao

- Khi đang sử dụng máy mà bị sự cố mất điện thì các giá trị thực tế về vị trí dao, bàn trượt bị mất, do vậy khi tiếp tục vận hành phải chạy dao về điểm R

d Điểm gốc chương trình (Po)

Điểm gốc của chương trình là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó trước khi gia công và sau khi kết thúc gia công một chi tiết trong sản xuất loạt Điểm này do

người lập trình tự do lựa chọn, nhưng cần chú ý đảm bảo:

- Khi tháo, gá lắp phôi không bị vướng

- Khi thay dao (đối với máy tiện) không bị va dao vào máy hay chi tiết gia công

e Điểm không của dao(E), điểm cắt của dao (P)

Để điều khiển lưỡi cắt của dao dịch chuyển theo quỹ đạo gia công đảm bảo chính xác cần phải có điểm gốc đó là điểm không của dao hay còn gọi là điểm kiểm tra dụng cụ E (hình 1.8) Kích thước của dao được đo kiểm chính xác trên thiết bị đo của máy Trị số đo ( X, Z - đối với máy tiện; R,Z- đối với máy phay hay trung tâm gia công) được nạp vào bộ nhớ của hệ điều khiển, dữ liệu đó được dùng trong suốt quá trình gia công

Điểm cắt của dao P (hình 1.8) là điểm đỉnh dao thực hay lý thuyết

1.3.5 Cách ghi kích thước trên bản vẽ

1/ Ghi kích thước tuyệt đối (absolute)

Theo cách ghi này, các kích thước có chung một gốc (hình 1.9a) Gốc này thường là điểm không của phôi (điểm W) Lập trình theo kích thước tuyệt đối được

ấn định bằng từ lệnh là G90 theo ISO 6983 trong chương trình gia công NC cho máy phay/khoan CNC [19]

Cách ghi kích thước và lập trình theo kích thước tuyệt đối có đặc điểm là sai

số của một kích thước sẽ không ảnh hưởng đến các kích thước khác, không có sai

số tích luỹ nên chi tiết có kích thước ổn định và khi thay đổi một kích thước sẽ không làm thay đổi các kích thước khác

2/ Ghi kích thước gia tăng (increment)

Theo cách ghi này, các kích thước nối tiếp nhau (hình 1.9b) Kích thước tổng được tính bằng tổng các kích thước thành phần Lập trình theo kích thước gia tăng được ấn định bằng từ lệnh là G91 theo ISO 6983 trong chương trình gia công NC cho máy phay/khoan CNC

Cách ghi kích thước gia tăng có đặc điểm là ; khi cần lặp lại các phần tử hình học riêng biệt trên một chi tiết gia công thì các đoạn chương trình NC tương ứng có thể được lặp lại có hiệu quả mà không phải dịch chuyển toạ độ Tuy nhiên cách ghi này cũng có nhược điểm là khi có kích thước sai sẽ gây ảnh hưởng đến kích thước khác

a b

Hình 1.9: Cách ghi kích thước trên bản vẽ

Khi ghi kích thước hay lập trình theo kích thước tuyệt đối hay gia tăng cần lưu ý một số vấn đề sau:

- Các bản vẽ chi tiết cơ khí không nhất thiết chỉ dùng duy nhất một kiểu ghi mà tuỳ theo kết cấu chi tiết và yêu cầu kỹ thuật để ghi

- Khi soạn thảo chương trình NC gia công trên máy phay/khoan, nếu không dùng từ lệnh G90 hay G91 thì hệ điều khiển của một số máy sẽ mặc định là lập trình theo kích thước tuyệt đối (G90)

- Khi lập trình NC theo kích thước gia tăng thì thay đổi từ lệnh X = U, Y = V, Z

= W và giá trị toạ độ điểm đến được tính từ điểm xuất phát

Ghi theo kích thước tuyệt đối: G90 X30 Z-50 ;

Ghi theo kích thước gia tăng: G91 U20 W-20

1.3.6 Lập trình gia công trên máy tiện CNC

Trong quá trình sử dụng các máy gia công CNC, việc tổ chức lập trình đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác máy có hiệu quả Tuỳ theo qui mô sản xuất , theo phương tiện sử dụng khi lập trình mà có có các hình thức lập trình sau:

Hình 1.10 Sơ đồ lập trình gia công trên máy tiện CNC

Lập trình có trợ giúp của máy tính

Lập trình bằng tay

* Lập trình trong chuẩn bị sản xuất:

Với hình thức lập trình này, các chương trình gia công được lập ngay khi chuẩn bị sản xuất sau đó khi sử dụng thì đưa chương trình đó vào máy gia công

cụ thể bằng đường truyền cáp hoặc từ các đĩa mềm Vì vậy hình thức lập trình này còn gọi là lập trình từ xa hoặc lập trình ngoại tuyến Công việc lập trình do một kỹ thuật viên chuyên trách thuộc phòng công nghệ đảm nhiệm Chương trình sau khi lập xong được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi đưa đến các máy gia công Hình thức lập trình này có một số đặc điểm sau:

- Người lập trình phải am hiểu về công nghệ gia công và kiến thức, kỹ năng lập trình

- Chương trình gia công chính xác và hợp lý về chế độ công nghệ

- Chương trình được chuẩn bị trước nên không mất thời gian dừng máy

- Đòi hỏi qui mô sản xuất với nhiều máy gia công, số sản phẩm sản xuất tương đối nhiều mới hiệu quả vì cơ cấu và bộ máy cồng kềnh

Vì vậy, hình thức lập trình này chỉ thích ứng với các doanh nghiệp sử dụng nhiều máy gia công CNC

* Lập trình phân xưởng:

Hình thức lập trình này còn gọi là lập trình thủ công (tại máy) Khi lập trình phân xưởng, người vận hành máy gia công sẽ lập trình trực tiếp trên máy bằng cách nạp trực tiếp dữ liệu NC thông qua việc nhấn trực tiếp các nút con số, chữ cái, biểu tượng trên bàn phím của bảng điều khiển Sau khi lập trình , kiểm tra, sửa lỗi thì tiến hành sử dụng chương trình đó vào gia công Hình thức này có đặc điểm:

- Người sử dụng máy phải có kiến thức, kỹ năng về lập trình

- Dễ lỗi vì thường vội hoặc thiếu công cụ, chức năng kiểm tra chương trình

- Mất thời gian vì phải ngừng máy

Hình thức lập trình này rất phù hợp với sản xuất đơn chiếc nên nó được

sử

dụng rộng rãi ở Việt Nam hiện nay Tuy nhiên để tránh sai sót khi lập trình thì cần phải trang bị cho máy các chức năng kiểm tra và sửa lỗi chương trình như chức năng mô phỏng quĩ đạo chuyển động của dao bằng đồ hoạ trên màn hình điều khiển

* Lập trìnhcó trợ giúp của máy tính:

Còn gọi là lập trình bằng máy Chi tiết gia công được vẽ trên phần mềm CAD/CAM chuyên dụng sau đó chuyển sang thành chương trình gia công một cách tự động Với hình thức lập trình này có đặc điểm sau:

- Người lập trình cần có kiến thức, kỹ năng sử dụng phần mềm về CAD/CAM mà

có thể không cần am hiểu về công nghệ

- Lập trình được các bề mặt gia công phức tạp

- Các chế độ công nghệ như vận tốc cắt, bước tiến dao, chiều sâu cắt thường

rất khó hợp lý

Việc lập trình tự động có sự trợ giúp rất đắc lực của máy tính Khi lập trình

thường dùng ngôn ngữ lập trình và xử lý NC bậc cao ( NC processor languages)

như APT, FAPT, LANC, kết hợp với phần mềm CAD/CAM như MasterCAM, CIMATRON, MTS, CATIA –Pro/ENGINEER

Việc lập trình tự động hiện nay đã phát triển ở mức độ cao Hệ thống lập trình tự động với ngôn ngữ bậc cao cho phép tạo lập tự động một chương trình gia công

NC bằng cách tính toán các giá trị toạ độ cần thiết và quỹ đạo dao (tool paths)

một cách tự động Nhìn chung , một hệ thống lập trình tự động để gia công trên máy NC tiến hành theo như sơ đồ hình 1.11.[19]

Khi một chương trình gia công NC được tạo lập theo ngôn ngữ lập trình

tự động xong có thể được đưa vào máy gia công theo các đường truyền dữ liệu.Một phần mềm thuộc hệ thống lập trình tự động thường có cấu hình thông dụng như sau:

- Chương trình tiện ích (Utility) có chức năng đọc và xuất các băng lỗ NC, các chương trình gia công, mô phỏng quỹ đạo dao , soạn thảo chương trình (editing

program)

- Chương trình xử lý kích thước 2 chiều,

2

1

chương trình kiểm nghiệm hình học của mô hình bề mặt, mô hình khối

- Chương trình quản lý tệp ( File managing program) là chương trình để quản trị

các tệp như chương trình NC, chương trình máy

Chuyển đổi

và tính toán toạ độ các điểm

Tạo lập chương trình gia công

NC

Bộ hậu xử lý:

Chuyển đổi

về quy cách băng

lỗ NC

Chươn

g trình gia công

Ngôn ngữ lập trình

Dữ liệu

vị trí dao

ĐẦU

ĐẦU RA

Hình 1.11: Hệ thống lập trình tự động

* Lập trình bằng tay:

Với hình thức lập trình này, chương trình gia công được lập bằng cách đánh từng câu lệnh từ bàn phím của máy tính hay bảng điều khiển theo ngôn ngữ lập trình sử dụng trên máy Với hình thức lập trình này có đặc điểm sau:

- Đòi hỏi người lập trình có kiến thức, kỹ năng về lập trình và am hiểu về công nghệ

- Những chi tiết phức tạp sẽ gây khó khăn cho người lập trình vì phải tính toán tìm các điểm đích trên từng biên dạng chi tiết (các điểm giao nhau của các contour) Mặt khác chương trình thường dài do đó dễ mắc lỗi

- Thời gian lập trình lâu

Tuy nhiên hình thức lập trình này phù hợp với sản xuất nhỏ nên đang được sử dụng nhiều ở nước ta

1.3.7 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng máy gia công CNC

Quyết định đầu tư mua sắm và sử dụng máy NC, CNC trong sản xuất dựa trên giá trị hiệu quả kinh tế do loại máy này mang lại so với máy thường như sau:

Q = [(C1 + EK1) – ( C2 + EK2)] N [đ/năm] [19] Trong đó:

Q – Hiệu quả kinh tế (lãi, lợi nhuận, giá trị tiết kiệm được trong sản xuất)

C1 – Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy thường (đ/chi tiết) C2 – Giá thành công nghệ gia công chi tiết cơ khí trên máy NC, CNC (đ/chi tiết)

E - Đại lượng nghịch đảo của thời hạn hoàn thành vốn mua máy ( ví dụ nếu thời hạn hoàn vốn là 5 năm thì E = 1/5)

K1 – Chi phí đầu tư cho máy thường (đ/chi tiết)

K2 – Chi phí đầu tư cho máy NC, CNC (đ/chi tiết)

N – sản lượng của chi tiết cần gia công (chi tiết/năm)

Chi phí về công nghệ (C1, C2) để gia công chi tiết cơ khí thường được xác định theo các chi phí thành phần như sau:

- Lương cho thợ vận hành máy

- Chi phí về điện năng

- Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa

- Chi phí khấu hao nhà xưởng

- Chi phí dụng cụ cắt, dụng cụ kiểm tra

- Chi phí về lập trình và chuẩn bị công nghệ

Như vậy, phương án đầu tư sử dụng máy gia công NC, CNC trong sản xuất chỉ thật sự có ý nghĩa khi giá trị Q lớn hơn 0

Hiện nay, rất nhiều doanh nghiệp trong nước đã mua máy NC, CNC để sản xuất

mà chưa có sự tính toán hiệu quả một cách khoa học nên hiệu quả còn hạn chế Một vấn đề đặt ra là muốn nâng cao hiệu quả sử dụng máy thì có rất nhiều phương án, trong đó việc giảm chi phí về công nghệ là một trong những phương án quan trọng Muốn vậy thì việc lựa chọn được chế độ cắt hợp lý để đi đến tối ưu hoá quá trình cắt gọt phải được quan tâm bởi vì nó sẽ giảm được rất nhiều chi phí như tiền lương , điện, khấu hao, chi phí dụng cụ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

Từ phân tích của chương 1 có thể kết luận như sau:

1 Đã hệ thống được quá trình sử dụng công nghệ CAD/CAM – CNC trong công tác thiết kế và chế tạo sản phẩm;

2 Hệ thống được chương trình gia công CNC theo ngôn ngữ lập trình;

3 Đã giới thiệu một số chu trình gia công, ý nghĩa và những vấn đề cần lưu ý khi lập trình

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình cắt trên máy có ảnh hưởng rất lớn đến năng suất, chất lượng sản phẩm và tuổi bền dụng cụ Vì vậy muốn xác định chế độ cắt tối ưu cần phải được nghiên cứu về quá trình cắt gọt

2.1 Quá trình cắt và tạo phoi

Quá trình cắt là quá trình dao tác dụng vào vật gia công một lực làm cho kim loại biến dạng và tách ra khỏi phôi tạo thành phoi Quá trình đó có thể tổng quát hoá theo sơ đồ sau:

NGUYÊN NHÂN QUÁ TRÌNH KẾT QUẢ

Hình 2.1 Sơ đồ quá trình cắt và tạo phoi

Lực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi Đối với phương pháp tiện thì sự tương tác đó là chuyển động quay của vật gia công và sự cản trở lại chuyển động quay đó của dụng cụ cắt Như vậy , lực tác dụng phải đủ lớn để tạo ra trong kim loại bị cắt một ứng suất lớn hơn sức bền của vật liệu gia công (khả năng liên kết giữa các tinh thể kim loại), đồng thời phải thắng được lực cản do ma sát trong quá trình gia công bao gồm:

- Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau

- Ma sát giữa phoi và dao trong quá trình ra phoi

- Ma sát giữa dao và vật gia công

Nghiên cứu về quá trình cắt nói chung và quá trình biến dạng trong vùng cắt nói riêng đã được nhiều tác giả như K.A Zơvôruwkin (1861-1928); Usachep (1873-1941); Ivan Avgustovich (1838-1920) nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận trong điều kiện nghiên cứu khác nhau và phân tích bản chất vùng cắt thuần tuý về

Tác dụng lực

Kim loại biến dạng, (các hiện tượng cơ, lý, hoá xảy ra)

Tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi Tạo ra bề mặt cần gia công

mặt cơ học, vật lý Các nghiên cứu đó đã được giới thiệu trong rất nhiều giáo trình

về cắt gọt kim loại Nhưng cũng có tác giả như Turkovich Von; Kronenberg M đã phân tích vùng cắt và coi đó như bài toán trong lý thuyết cơ học các môi trường liên tục [14]

Tất cả các nghiên cứu đó đều nhằm mục đích

tìm hiểu diễn biến xảy ra tạivùng cắt trong quá

trình cắt Xem xét diễn biến xảy ra trong vùng

cắt thì thấy rằng khi có lực tác dụng vào vật,

kim loại trải qua một quá trình biến dạng là

biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, biến dạng

phá huỷ Trước tiên là các tinh thể kim loại

bị dồn ép (nén), khi lực tác dụng vượt quá giới hạn bền của vật liệu thì các tinh thể kim loại bị trượt lên nhau và tách ra khỏi vật gia công tạo thành phoi Quá trình biến dạng đó xảy ra trong một vùng mà ta có thể gọi là vùng tạo phoi

(giới hạn bởi đường cong OA, OE – hình 2.2) [15]

Trong vùng này có những mặt trượt OA, OB, OC, OD, OE Vật liệu gia công trượt theo những mặt đó, các tinh thể kim loại bị xếp chồng lên nhau Tuỳ theo cấu trúc của vật liệu gia công, chế độ cắt mà các tinh thể khi tạo thành phoi có thể ở dạng hạt, xếp hay dây (vấn đề này sẽ được đề cập cụ thể ở phần các dạng phoi)

Như vậy, kết quả của biến dạng kim loại là tách ra khỏi phôi một phần vật liệu, phần còn lại chính là chi tiết gia công Tuy nhiên, do vùng biến dạng của kim loại xảy ra ở cả phần vật liệu giữ lại (phía dưới điểm O) nên bề mặt chi tiết sau khi gia công có tính chất khác hẳn trước khi gia công và thường có độ cứng cao hơn Hiện tượng đó chính là hiện tượng biến cứng lớp bề mặt Ngoài ra trong vùng cắt còn có rất nhiều hiện tượng vật lý khác xảy ra mà ta sẽ nghiên cứu cụ thể ở các phần sau

Hình 2.2 : Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt

2.2 Các dạng phoi và sự biến dạng của phoi

thường không cao, tính chất lớp bề mặt ít thay đổi, lực cắt không ổn định, không hình thành phoi bám, ít gây mất an toàn [26]

- Phoi xếp (hình 2.3.b):

trứơc của dao) nhẵn, mặt trên xù xì như răng cưa Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu dẻo như thép có lượng các bon thấp, được gia công với chiều dày cắt lớn, vận tốc cắt không cao

cao lắm vì dễ hình thành phoi bám, bề mặt chi tiết gia công bị biến dạng dẻo nên có tính chất cơ lý khác một ít so với tính chất của vật liệu gia công

Hình 2.3 : Các loại phoi

- Phoi dây (hình 2.3c)

hình dáng hình học đầu dao và chế độ công nghệ mà phoi tồn tại ở dạng dây dài hay xoắn lò xo Dạng phoi này thường có khi gia công vật liệu có tính dẻo với tốc độ cắt cao

lực cắt đơn vị nhỏ và ít thay đổi Tuy nhiên cần chú ý tìm biện pháp bẻ phoi vì phoi dây đặc biệt là dây dài rất dễ gây mất an toàn [26]

người ta gọi là phoi bám Khi gia công các vật liệu có tính dẻo cao như thép, nhôm thì trên mặt trước của dao ngay gần mũi dao thường xuất hiện những lớp kim loại

có cấu trúc khác hẳn với phoi và vật liệu gia công Lớp kim loại này bám rất chắc vào dao và tham gia cắt gọt như một mũi dao vì nó có độ cứng rất cao Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng lẹo dao

Cơ chế hình thành phoi này được phân tích xem xét dưới nhiều góc độ khác nhau nhưng đều có điểm thống nhất chung về sự hình thành là khi cắt , do nhiệt phát sinh nên một lớp mỏng kim loại nằm giữa mặt trước của dao và mặt dưới của phoi bị nóng chảy Lớp kim loại này hầu hết chuyển động theo phoi ra ngoài, tuy nhiên, do mặt dao không tuyệt đối nhẵn nên có lực ma sát cản trở chuyển động đó làm cho nó di chuyển chậm lại và trong một điều kiện nhất định, khi lực cản lớn hơn lực liên kết giữa lớp kim loại đó với phoi thì nó bị giữ lại bám rất chắc vào mũi dao gây ra hiện tượng lẹo dao[15] Chiều cao của lớp phoi bám này càng ngày càng lớn nhưng nó không tồn tại mãi mà đến một lúc nào đó nó lại bị cuốn theo phoi ra ngoài, tiếp tục hình thành lớp phoi bám tiếp theo

trước của dao tăng lên một lượng ∆γ = γ t - γ nên phoi dễ thoát, tuy nhiên nó cũng gây ra rung động, làm cho vị trí điểm cắt của dao so với tâm chi tiết bị thay đổi gây nên sai số gia công một lượng là ∆R (hình 2.4 )