Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao

ề tài “ ghiên cứu xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay tốc độ cao” để xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác, tìm các th n

I

uận v n " Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay

CNC tốc độ cao " được hoàn thành bởi tác giả Hồ Văn Thái học viên khóa học

2013B Trường ại học Bách Khoa Hà ội

T i xin cam đoan bản luận v n là đề tài nghiên cứu của riêng t i Phần cơ sở

lý thuyết được tham khảo các tài liệu mới nhất và có chọn lọc ác th ng số thí

nghiệm, sản phẩm được thực hiện trên máy phay Super MC 500 của Trung

tâm thực hành c ng nghệ trường ại học ng nghiệp Hà ội ác kết quả

nêu trong luận v n này là hoàn toàn trung thực và chưa được ai c ng bố trong bất

I Ả Ơ

ghiên cứu khoa học phục vụ cho c ng cuộc “ ng nghiệp hoá, hiện đại hoá ất

nước” là việc làm v cùng quan trọng đối với nước ta hiện nay ề tài “ ghiên cứu

xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay tốc độ cao” để xác định

miền ổn định khi gia c ng trên máy phay nhằm mục đích nâng cao hiệu quả

khai thác, tìm các th ng số tối ưu để nâng cao chất lượng và tính n ng sử dụng của

máy với sự giúp đỡ của rất nhiều cá nhân và tổ chức

ời đầu tiên t i xin được cám ơn TS Phan V n Hiếu, Viện cơ khí Trường ại

học Bách Khoa Hà ội, thầy Hướng dẫn khoa học thứ nhất của t i về sự định

hướng đề tài và những hướng dẫn cụ thể của Thầy trong quá trình t i làm luân v n,

viết và đã giúp t i hoàn chỉnh luận v n này

T i muốn bày tỏ lòng biết ơn đến hà giáo nhân dân GS.TSKH Bành Tiến

Long, - Viện cơ khí Trường ại học Bách Khoa Hà ội, thầy Hướng dẫn Khoa học

thứ hai của t i về sự tận tình dành cho t i trong nghiên cứu, những đóng góp quý

báu của Thầy trong nghiên cứu và viết luận v n

T i xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo hà trường, Viện đào tạo sau đại học và

Viện cơ khí của Trường ại học Bách Khoa Hà ội, Trường ại học ng nghiệp

Hà ội, đã tạo điều kiện để t i hoàn thành luận v n này

Do những hạn chế về thời gian và n ng lực bản thân và tài liệu nghiên cứu, trang

thiết bị nên luận v n kh ng tránh khỏi sai sót, t i rất mong được sự đóng góp ý kiến

của các Thầy, giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để luận v n được

hoàn thiện hơn T i xin cảm ơn!

gày 15 tháng 09 n m2015 Học viên

Hồ V n Thái

MỤC LỤC

- ời cam đoan ……… ……1

- ời cảm ơn ……… …… 2

- ục lục……… … 3

- Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt……… 6

- Danh mục các bảng biểu………8

- Danh mục các hình vẽ và đồ thị……….… 9

Ở ẦU……… ………12

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO……… …… …… 16

1.1.Giới thiệu về gia c ng phay tốc độ cao……… ……… 16

1.1.1 Khái niệm……… 16

1.1.2 So sánh phay tốc độ cao với phay truyền thống ……… …17

1.1.3 Ứng dụng……….………… 19

1.2.Khái niệm ổn định……… …19

1.2.1 Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt……… 19

1.2.2 Biểu đồ ổn định……… …… 20

1.2.3 Nguyên nhân gây mất ổn định……… …… 21

1.2.4 ác dạng mất ổn định của quá trình cắt……… ….23

1.2.5 ác yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá trình cắt……… 26

1.2.6 ác biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt……….…… 28

1.3 hững thành tựu và hạn chế của các c ng trình nghiên cứu trong, ngoài nước về ổn định trong gia c ng phay ……… 29

1.4 ục tiêu của luận v n……….… 32

1.5 Kết luận chương 1……… …32

Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO……….… 34

2.1 Máy và kết cấu máy phay CNC tốc độ cao……… …34

2.1.1 Yêu cầu chung ……… ……… 34

2.1.2 Các kết cấu máy phay CNC tốc độ cao………… ……….… 34

2.1.3 Máy máy phay CNC tốc độ cao thường dùng……… …… 38

2.2 Dụng cụ cắt ……….39

2.3 Quá trình tạo phoi ……… ………….… 40

2.4 Mô hình lực cắt khi phay CNC tốc độ cao ……….… 43

2.4.1 Các thông số quỹ đạo cắt 43

2.4.2 Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay CNC tốc độ cao ………….…… 45

2.5 Rung động khi phay CNC tốc độ cao……… …49

2.5.1 Khái niệm về rung động khi phay……… … 49

2.5.2 Quá trình phát triển rung động……… …50

2.6 Âm thanh khi phay CNC tốc độ cao………53

2.6.1 ịnh nghĩa về âm thanh ……… ……….… 53

2.6.2 Phân loại âm thanh……… ……….…… …53

2.6.3 ác đặc tính vật lý của âm thanh……… … …53

2.6.4 Âm thanh khi phay CNC tốc độ cao ……… ……54

2.7 ác phương pháp nghiên cứu ổn định trong quá trình phay tốc độ cao……….59

2.6.1 2.7.1 Phương pháp phân tích……… 59

2.7.2 Phương pháp số……… …62

2.8 Các thông số ảnh hưởng đến tính ổn định……… ….64

2.8.1 Ảnh hưởng của hệ số giảm chấn……….…64

2.8.2 Ảnh hưởng của tần số dao động tự nhiên……….…… 66

2.8.3 Ảnh hưởng của số r ng cắt……… ………67

2.8.4 Ảnh hưởng của chiều rộng n dao……… …68

2.9 ác tiêu chí đánh giá ổn định……….… 69

210 Kết luận… ……….…69

Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO ……… 79

3.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu tính ổn định quá trình phay……… …70

3.1.1 Mô hình bài toán nghiên cứu ổn định quá trình phay………70

3.1.2 Các thông số của hệ thống ảnh hưởng tới biểu độ ổn định………70

3.2 Xây dựng phương pháp đo và đo độ cứng k, hệ số giảm chấn c của hệ thống máy phay CNC tốc độ cao… ……… …….…….71

3.2.1 Kết quả tác dụng xung lực theo hai phương ox và oy……… … 72

3.2.2 Kết quả của quá trình đa rung động……… … 73

3.3 Xử lý số liệu thực nghiệm……… 74

3.3.1 Tính toán độ cứng……… 74

3.3.2 Tính toán khối lượng quy đổi……… … …75

3.3.3 Tính toán hệ số giảm chấn ……… …75

3.4 Chỉ tiêu đánh giá các th ng số đầu ra……… … 77

3.4.1 Nhận biết rung động bằng âm thanh……… …78

3.4.2.Nhận biết rung động bằng đo dao động đầu trục trục chính………….… 80

3.4.3 Nhận biết rung động khi phay bằng sai số hình dáng………81

3.4.4.Lực cắt……….…85

3.5 Ứng dụng phần mềm T B xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao……….88

3.5.1 Các thông số đầu vào chính……… ……….88

3.5.2 Tiêu chí đánh giá ổn định dựa trên phần mềm……… 89

3.5.3 Xây dựng biểu đồ ổn định bằng phần mềm matlab……… 93

3.5.4 Kết quả tính biểu đồ ổn định……… 93

3.5.5 ánh giá độ tin cậy của phần mềm bằng phương pháp so sánh…………94

3.6 Kết luận: ……….…96

Chương 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MIỀN ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG TIÊU CHÍ ÂM THANH……97

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm………97

4.1.1 Phân tích và thiết kế mô hình thực nghiệm……… ….97

4.1.2 Thiết bị và thông số kỹ thuật của thực nghiệm……… 98

4.1.3.Thiết lập, cài đặt các thiết bị đo………101

4.2 Nội dung thực nghiệm………110

4.3 Kết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm………112

4.4 So sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm……… …114

4.5 Kết luận……… 116

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ… ……… …… … 117

TÀI LIỆU THAM KHẢ ……… … 120 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

x dịch chuyển của dụng cụ cắt theo phương chạy dao x(m)

y dịch chuyển của dụng cụ cắt theo vu ng góc phương chạy dao y(m)

z dịch chuyển của dụng cụ cắt theo phương dọc trục chính (m)

vị trí góc của r ng thứ j (deg)

vị trí góc bắt đầu cắt (deg)

vị trí góc kết thúc cắt (deg)

 thời gian lặp lại vị trí của r ng kế tiếp (s)

hệ số giảm chấn tương đối

T - Tuổi bền dụng cụ

U - ƣợng mòn dao

 - Thời gian gia c ng

R - Sai số gia c ng theo bán kính

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh gia c ng tốc độ cao và gia c ng thường 18

Bảng 4.2 Số liệu thực nghiệm giữa chiều sâu cắt và tốc độ quay trục chính 111

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

hương 1

Hình 1.2 Vùng tốc độ gia c ng tốc cao một số loại vật liệu 17 Hình 1.3 ồ thị quá trình phay ổn định và mất ổn định 20 Hình 1.4 Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quá trình phay 21

Hình 2.10 Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt 41

Hình 2.15 Góc dao vào, góc dao ra trong phay nghịch (a) và phay thuận (b) 45 Hình 2.16 ực cắt khi phay tốc độ cao : a) phay nghịch ;b) Khi phay thuận 46

Hình 2.18 Bề mặt gia công ứng với chế độ cắt ổn định và không ổn định 50 Hình 2.19 Tần số rung động của dụng cụ cắt khi ở chế độ ổn định 51 Hình 2.20 Tần số rung động của dụng cụ cắt ở biên giới ổn định 51 Hình 2.21 Tần số rung động của dụng cụ cắt ở chế độ mất ổn định 52

Hình 2.23 Biểu đồ ổn định về mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và tốc độ cắt 55 Hình2.24 Biểu đồ miền dao động cưỡng bức và dao động tự kích thích 56 Hình 2.25 ồ thị ổn định bằng tiêu chí âm thanh 58 Hình 2.26 hình đơn giản của quá trình cắt giữa dụng cụ cắt và ph i 59

Hình 2.29 Biểu diễn hàm truyền trên hệ tọa độ ảo 60

Hình 2.30 Biểu diễn cắt 61 Hình 2.31 ồ thị ổn định được xây dựng từ các đường biên ổn định 62 Hình 2.32 Biểu đồ ổn định khi hệ số giảm chấn theo phương x và y thay đổi

Hình 3.2 Phương pháp gõ thử để đo các th ng số động học của hệ 72

Hình 3.8 Phương pháp tính độ giảm chấn Bandwidth 75 Hình 3.9 áp ứng tần số của dao động theo phương x 76

Hình 3.12 Sơ đồ thiết lập microphone, accelerometers 78 Hình 3.13 Biểu đồ PSD của tín hiệu microphone ở tốc độ 24000 v/p hiều sâu

Hình 3.19 ồ thị sóng bề mặt khi chế độ gia c ng mất ổn định 84 Hình 3.20 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công ổn định 84 Hình 3.21 Thuật giải bài toán xây dựng biểu đồ lực cắt 85 Hình 3.22 ồ thị lực cắt Fx(N) theo thời gian lần cắt 1 86

Hình 3.23 ồ thị lực cắt Fx( ) theo thời gian lần cắt 7 86 Hình 3.24 ồ thị lực cắt Fy( ) theo thời gian lần cắt 27 87 Hình 3.25 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công ổn định 89 Hình 3.26 Biểu đồ sóng bề mặt ứng với chế độ gia công mất ổn định 89

Hình 3.27 Rung động theo phương x và y và lực cắt tác dụng lên dao cắt trong

Hình 3.30 hương trình tính toán biểu đồ ổn định 93 Hình 3.31 hương tình tính biểu đồ ổn định bằng phương pháp số 93 Hình 3.32 Biểu đồ ổn định xây dựng bằng phần mềm matlab 94 Hình 3.33 Kết quả mô phỏng của Faassen’s m hình phi tuyến 94 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng matlab mô hình tuyến tính 95

Hình 4.12 Biều đồ ổn định qua mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và biên độ âm

Ở ẦU

1 Lý do chọn đề tài:

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

NC, CNC, xét về mặt ổn định quá trình gia công trên máy phay CNC tốc độ cao 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 hương trình điều khiển gia c ng trên máy được hãng chế tạo máy mặc 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 c ng trên máy chưa thể khẳng định là hợp

lý Vì vậy hiệu quả khai thác, sử dụng máy còn hạn chế cần được nghiên cứu và hoàn chỉnh dần như:

- Thiết kế máy tối ưu

- ánh giá độ ổn định của máy

- Nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng loại máy này?

Trong đó, nâng cao n ng suất gia công trên máy CNC hiện nay (đặc biệt là máy phay ) đang là vấn đề cấp thiết Việc này được thực hiện bằng cách lựa chọn chế độ gia công hợp lý (tối ưu) hế độ cắt tối ưu là chế độ cắt cho n ng suất cao (vận tốc cắt lớn, chiều sâu cắt lớn) nhưng chất lượng bề mặt vẫn đảm bảo (rung động ít, âm thanh đều– chế độ gia công ổn định)

ề tài “Nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao” ây là lĩnh vực đã được các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm và

cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu đề cập đến Ở Việt am cũng đã có một số bài báo khoa học, luận án tiến sĩ nghiên cứu đến tính ổn định trong quá trình gia

c ng cơ khí tuy nhiên nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay

CNC tốc độ cao bằng tiêu chí âm thanh là chưa có Do đó có thể thấy đây là đề tài

có tính cấp thiết rất cao Kết quả của công trình này có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất để nâng cao n ng suất mà vẫn đảm bảo được chất lượng của sản phẩm

2 Mục đích nghiên cứu:

Mục đích chính của luận v n là nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao, tìm mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với tốc độ trục chính và cường độ âm thanh, thông số đầu ra dùng để đánh giá độ ổn định như: Rung động, âm thanh, đề ra một số biện pháp nâng cao n ng suất, chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công phay CNC tốc độ cao

3 Nội dung nghiên cứu:

ội dung nghiên cứu gồm 4 chương

hương 1: Tổng quan về ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao hương này là góc nhìn tổng quan về gia công phay CNC tốc độ cao, những thành tựu nghiên cứu đã đạt ở trên thế giới cũng như trong nước Những tồn tại cần giải quyết, Kết luận

hương 2: ơ sở lý thuyết của quá trình phay CNC tốc độ cao

hương này trình bày các nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cắt và các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt, cơ sở khoa học, các giả thiết, các đặc điểm công nghệ của phương pháp phay tốc độ cao Kết luận

hương 3: Xây dựng mô hình nghiên cứu và Ứng dụng phần mềm matlab xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao

hương này trình bày các vấn đề về xây dựng mô hình biểu đồ ổn định, xác định các thông số đầu vào của hệ thống công nghệ, các chỉ tiêu đánh giá các th ng số đầu

ra của m hình và để xây dựng m hình toán xác định âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố chế độ cắt khi phay trên máy CNC tốc độ cao

Sử dụng các phương pháp số và phương pháp phân tích để xây dựng biểu đồ ổn định

Xây dựng phần mềm matlab vẽ biểu đồ ổn định khi gia công phay CNC tốc độ cao Kết luận

hương 4: Thực nghiệm xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao bằng tiêu chí âm thanh

hương này nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hàm toán học biểu diễn mối quan

hệ giữa chế độ cắt với âm thanh khi phay trên máy phay CNC tốc độ cao

Thực nghiệm kiểm chứng độ tin cậy của biểu đồ ổn định đã xây dựng Kết luận

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Âm thanh có quan hệ với độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thông số hình học của dụng cụ cắt, điều kiện cắt, chế độ cắt và những yếu tố khác Tuy nhiên đối tượng nghiên cứu của đề tài được chọn là: Mối quan hệ của các yếu tố chế độ cắt với ổn định của quá trình phay CNC tốc độ cao khi những điều kiện biên khác đã xác định như sau: áy thực nghiệm: máy phay “Super 500”.- Vật liệu gia công là thép 50C -Vật liệu làm dụng cụ cắt là Dao phay hợp kim cứng (NACHI GS MILL 4 GS 10-LIST9384), 4 r ng cắt của Nhật Bản; ối tượng gia công là mặt phẳng- Thiết bị đo độ cứng, đo hệ số giảm chấn, đo âm thanh

- Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu cắt, tốc độ quay trục chính, tìm miền ổn định dựa vào tiêu chí âm thanh, cụ thể: + Tốc độ phay từ

2000 vg/ph đến 20000 vg/ph ;+ Chiều sâu cắt từ 0.15 mm đến 1.5 mm

uận v n tập trung nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia công trên máy phay CNC tốc độ cao

5 Phương pháp nghiên cứu:

- ghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm; Sử dụng kỹ thuật m phỏng số

- ghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu mối quan hệ giữa các yếu tố chế độ cắt với mức

độ ổn định của hệ thống c ng nghệ

- Thực nghiệm cắt thử để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về ổn định của hệ thống c ng nghệ

của hệ thống c ng nghệ

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa khoa học: - Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận v n đã đưa ra được các hàm toán học m tả mối quan hệ giữa lực cắt, cường độ

âm thanh với chế độ cắt làm cơ sở cho việc xác định miền ổn định quá trình cắt cũng như cho các nghiên cứu khác của quá trình cắt ồng thời trên cơ sở đó luận

v n đã xây dựng được bài toán tìm miền ổn định của quá trình gia c ng phay tốc độ cao với điều kiện biên là cường độ âm thanh, lực cắt và các ràng buộc là các điều kiện về máy, về dụng cụ cắt, về chất lượng bề mặt của quá trình cắt và thiết

kế chương trình trợ giúp lựa chọn chế độ cắt hợp lý khi gia c ng trên máy phay tốc độ cao

Ý nghĩa thực tiễn : - Kết quả nghiên cứu nhằm xác định miền ổn định của quá trình gia c ng phay tốc độ cao có ý nghĩa thực tiễn trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất

- àm cơ sở cho việc nghiên cứu các khía cạnh khác của quá trình cắt gọt

- Kết quả nghiên cứu nhằm giúp cho việc lựa chọn chế độ c ng nghệ khi viết chương trình gia c ng trong quá trình chuẩn bị sản xuất được hợp lý hơn, hiệu quả khai thác, sử dụng máy phay tốt hơn Góp phần vào việc nâng cao n ng suất và hạ giá thành sản phẩm ây là một yếu tố có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của doanh nghiệp trong m i trường sản xuất kinh doanh lu n phải đối mặt với

sự cạnh tranh khốc liệt hiện nay trên thị trường cũng như trong quá trình hội nhập

- ạt được khả n ng cho n ng suất cao nhưng vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt theo yêu cầu trong sản xuất ngay cả khi số lượng sản phẩm kh ng 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 phay đặc biệt, giá thành cao thì đưa vào yêu cầu về tuổi bền dao phay cao, phần mềm tính toán sẽ lựa chọn được chế độ cắt phù hợp với yêu cầu đó

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO

1.1 Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao

độ cao ngày càng được quan tâm hơn ác ứng dụng chủ yếu thúc đẩy c ng nghệ theo hướng gia c ng tốc độ cao là: chế tạo khu n mẫu, chế tạo các chi tiết ngành

t và gia c ng các chi tiết ngành hàng kh ng

Hình 1.1 Máy phay cao tốc Super MC 500

Hình 1.1 là máy gia c ng tốc độ cao Super MC 500 với tốc độ trục chính là 20.000vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 300m/ph Trong một số trường hợp

người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia c ng tốc độ cao

Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia c ng tốc độ cao Tốc độ gia

c ng thì rất cụ thể cho từng ứng dụng Ví dụ gia c ng tốc độ cao, khi gia c ng thép vào khoảng 800m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia c ng khi gia c ng tốc độ cao gang ói chung, để định nghĩa gia c ng tốc độ cao cần dựa vào các yếu tố sau: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng chay dao cao

và n ng suất cao Tốt nhất là nói rằng gia c ng tốc độ cao có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những c ng đoạn cụ thể

goài ra các yếu tố khác như chế độ gia c ng, vật liệu dụng cụ cắt cũng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình gia c ng tốc độ cao Dải tốc độ cắt trong gia c ng tốc

độ cao cho các vật liệu khác nhau được trình bày ở hình 1.2 dưới đây:

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

1.1.2 So sánh phay tốc độ cao với phay truyền thống

Gia c ng tốc độ cao vật liệu cứng có những khác biệt đáng kể so với các phương pháp gia c ng truyền thống vật liệu mềm Bởi vì vật liệu trong gia c ng tốc độ cao

có độ cứng cao hơn nên lực cắt sinh ra khi gia c ng tốc độ cao cũng lớn hơn Vì thế lượng n dao khi gia c ng tốc độ cao phải được giới hạn Trong hầu hết các trường hợp, mảnh hợp kim dùng trong gia c ng tốc độ cao phải có góc trước âm Góc trước

âm tạo điều kiện cắt gọt tốt cho lưỡi cắt vì tốc độ càng cao, chiều sâu cắt tương đối nhỏ và lực cắt tập trung ở đó Tuy nhiên, đ i khi doa lỗ thì góc trước dương là tốt nhất Tương tự như vậy, để bảo vệ lưỡi cắt kh ng bị mẻ, trên mảnh hợp kim người

ta vát mép các lưỡi cắt hoặc bo tròn

Gia c ng th ng thường bị giới hạn bởi độ cứng của vật liệu Trong khi đó dải vật liệu được gia c ng bằng gia c ng tốc độ cao kh ng hạn chế, ngay cả đối với thép rèn đã t i, thép gió, và hợp kim cứng bề mặt stellites Việc hợp kim bề mặt stellites

có thể được gia c ng bằng gia c ng tốc độ cao đã mở rộng khả n ng của gia c ng tốc độ cao kể cả c ng việc sửa chữa

hiệt sinh ra trong vùng cắt gọt khi gia c ng tốc độ cao khá cao, có thể lên đến khoảng 930o và vì th ng thường người ta gia c ng tốc độ cao mà kh ng dùng dung dịch trơn nguội nên bề mặt đã gia c ng tốc độ cao có thể bị hư hại do nhiệt

ấu trúc vi m của lớp bề mặt bị thay đổi và tồn tại ứng suất dư trên lớp bề mặt

Bảng 1.1 So sánh gia công tốc độ cao và gia công thường

ác th ng số Gia c ng thường Gia c ng tốc độ cao Tốc độ trục chính (vg/ph) 4.000 8.000 - 50.000

Tốc độ chạy dao trên các trục

c ng được nhiều chi tiết có hình dáng khác nhau bằng cách thay đổi đường chạy dao goài những ưu điểm đã nêu ở các phần trên, việc áp dụng c ng nghệ gia c ng tốc độ cao để gia c ng lần cuối các chi tiết còn mang lại những lợi ích sau:

- Giảm thời gian chu kì gia c ng một sản phẩm

- Giảm chi phí đầu tư thiết bị

- T ng độ chính xác

- ạt độ bóng bề mặt cao

- Cho phép nâng cao tốc độ bóc vật liệu (từ 2 – 4 lần), nâng cao n ng suất gia công

1.1.3 Ứng dụng

Phay tốc độ cao hợp kim nh m nổi tiếng nhất và được ứng dụng rộng rãi trong ngành c ng nghiệp hàng kh ng vũ trụ trong những thập kỷ qua Gần đây, gia c ng tốc độ cao còn ứng dụng trong việc gia c ng các vật liệu cứng, gia c ng sản xuất khu n mẫu, khu n đúc Vật liệu gia c ng cho phay tốc độ cao thường là Gang, D2 (59 HR ), thép P20 (30HR ) và H13 (46 HR ) … ác gang hợp kim với mác G đặc biệt là G 241 (ở độ cứng của 210 HB) chủ yếu sử dụng cho sản xuất khu n dập Thép P20 dùng phổ biến nhất cho khu n đúc thổi Do có thành phần các-bon thấp, nó thường được gia c ng tại trước trạng thái t i (30 HR ) rồi sau đó mới t i cứng đến 50 ÷ 55 HR Trong khu n đúc làm việc ở nhiệt độ cao, thường dùng thép khu n H13 được gia c ng ở độ cứng đến 46 HR

1.2 Khái niệm ổn định

1.2.1 Khái niệm về ổn định và mất ổn định của quá trình cắt

Trong quá trình gia c ng kim loại, muốn đạt được độ chính xác và độ bóng bề mặt cao đồng thời nâng cao được tuổi bền của dụng cụ thì điều quan trọng là hệ thống c ng nghệ máy - dụng cụ - chi tiết gia c ng – hệ thống đo kh ng được rung động hoặc rung động ở mức độ nhỏ cho phép- [1-tr225] Trong thực tế kh ng có quá trình cắt nào mà hệ thống c ng nghệ kh ng rung động Rung động là hiện tượng kèm theo trong quá trình cắt trên máy c ng cụ Trong những điều kiện nhất định rung dộng này có thể t ng trưởng gây mất ổn định của quá trình gia c ng, làm xấu các chỉ tiêu kinh tế và chất lượng bề mặt sản phẩm

Sau đây là định nghĩa về ổn định đã được khái quát bởi David A Stephenson và John Agapiou- [14-tr732]

ột quá trình cắt gọi là mất ổn định khi xuất hiện rung động ngày càng t ng, khi

đó dụng cụ cắt rung động với biên độ ngày càng t ng hoặc dần dần xa vị trí cân bằng cho đến giới hạn xác định

ột quá trình cắt gọi là ổn định khi dụng cụ cắt bị kích thích sẽ tiến đến một vị trí cân bằng dưới dạng một dao động tắt dần hoặc tiến đến một mức dao động nào

n ng suất lên được nữa, còn bây giờ nhờ việc chọn chế độ cắt phù hợp n ng suất có thể t ng lên đáng kể

Hình 1.4 Hình dạng cơ bản của một biểu đồ ổn định của quá trình phay

Có thể nhận thấy biểu đồ ổn định phụ thuộc vào độ cứng vững và khả n ng giảm chấn của hệ thống máy- dụng cụ - ph i (gồm cả đồ gá) Do đó, với mỗi một máy

c ng cụ cụ thể, khi chọn vận tốc cắt, chiều sâu cắt khác nhau thì sẽ cho ra các biểu

đồ ổn định khác nhau áy phay tốc độ cao ở Trung tâm kỹ thuật Hồng Hải được lấy làm đối tượng xây dựng biểu đồ ổn định Phương pháp được sử dụng là m phỏng bằng lý thuyết

Ở trong phần “Tính ổn định của quá trình phay tốc độ cao” ta sẽ sử dụng hai phương pháp phân tích và tính toán số học để vẽ được đồ thị ổn định Phương pháp phân tích thường sử dụng các phép biến đổi nên việc tính toán nhanh hơn, và qua đó

ta nắm rõ được bản chất quá trình òn phương pháp số học sử dụng các c ng thức toán tính ra trạng thái dao động của hệ từ đó rút ra được miền ổn định Vì vậy thời gian tính toán rõ ràng lâu hơn tuy nhiên kết quả chính xác hơn

1.2.3 Nguyên nhân gây mất ổn định

Rung động là nguyên nhân gây mất ổn định của quá trình cắt Rung động trong quá trình cắt thường bao gồm rung động cưỡng bức, rung động riêng và tự rung a/ Rung động cưỡng bức xuất hiện khi một ngoại lực kích thích động lực học tác động vào cấu trúc của hệ mà nguyên nhân có thể là:

- hiễu bên ngoài truyền qua móng máy

- hiễu bên trong của hệ thống c ng nghệ do các chi tiết quay kh ng cân bằng, các bộ truyền động n khớp được chế tạo kh ng chính xác hoặc đã bị mòn, ổ trục chính và sống trượt bị mòn, do tải trọng động phát sinh khi t ng tốc độ hay khi hãm các bộ phận có khối lượng lớn, do lực cắt biến đổi khi cắt các bề mặt gián đoạn hoặc do va đập của r ng dao khi vào cắt trong quá trình phay

ặc điểm của rung động cưỡng bức là hệ thống c ng nghệ sẽ rung động với tần

số của lực kích thích và rung động sẽ xuất hiện với biên độ rất lớn khi tần số kích thích xấp xỉ hoặc bằng tần số dao động riêng của hệ

ác rung động cưỡng bức trong phần lớn các trường hợp có thể làm giảm thiểu hoặc khử bỏ bằng cách khử nguồn gây kích thích hoặc làm thay đổi tần số kích thích đối với những kích thích có tính chu kỳ sao cho tần số của nó kh ng gần với tần số riêng của hệ và khi đó kh ng còn là nguyên nhân gây mất ổn định

b/ Rung động riêng của hệ thống c ng nghệ là rung động tự phát sinh do sự va đập, chẳng hạn như khi đóng li hợp, khi dụng cụ bắt đầu vào cắt…Rung động riêng thực chất là rung động cưỡng bức khi lực kích thích có dạng xung Ảnh hưởng của

nó nói chung là kh ng đáng kể bởi vì rung động riêng là một rung động tắt dần rất nhanh

c/ Tự rung là rung động phát sinh và tồn tại cùng với quá trình cắt Tự rung phát sinh không phải do ngoại lực kích thích gây ra mà là do n ng lượng của tự thân quá trình cắt khi quá trình cắt dừng lại thì tự rung cũng biến mất [14-tr731] Trong những điều kiện nhất định, dạng rung động này được coi là nguyên nhân chủ yếu gây mất ổn định guyên nhân của tự rung đã có nhiều c ng trình đề cập đến và có thể tóm tắt như sau:

- Do biến động của lực cắt mà sự biến động đó là do sự biến động của tốc độ cắt hoặc của tiết diện lớp cắt [14-tr728]

- Do sự thay đổi của lực ma sát ở mặt trước và mặt sau của dao[2-tr68], [1-tr233], [4-tr49]

- Do hệ số ma sát trên sống trượt của máy thay đổi theo vận tốc chuyển động của bàn máy [1-tr233]

- Sự biến động trong thành phần của vật liệu làm phôi [1-tr233], [4-tr68]

- Do hiệu ứng tái sinh [1-tr233]

- Do liên kết vị trí (tự rung kh ng tái sinh)

ặc điểm của tự rung:

Biên độ rung động t ng theo thời gian cho đến một giá trị xác định

Tần số của rung động bằng tần số tự nhiên của hệ [14-tr731] hoặc gần với tần số

tự nhiên của một số yếu tố điều khiển của hệ [1-tr230]

ng lượng rung động này là n ng lượng của bản thân quá trình cắt chứ kh ng phải do ngoại lực kích thích cung cấp

1.2.4 Các dạng mất ổn định của quá trình cắt

1.2.4.1 Mất ổn định do hiệu ứng tái sinh

Trong những điều kiện bất ổn định do sai lệch của ph i, đồ gá, dụng cụ cắt hoặc của trục chính… sẽ dẫn đến biến động của lực cắt

Sự biến động của lực cắt có thể dẫn đến rung động của máy Rung động của máy này lại gây ra sự biến động phụ thêm của lực cắt Sự biến động của lực cắt dù rất nhỏ cũng tạo nên sóng trên mặt gia c ng và do đó gây ra sự biến động của chiều dày cắt Sự kh ng đồng đều của chiều dày cắt do lần cắt trước để lại (khi cắt bằng dao một r ng) hoặc do r ng cắt trước để lại (khi cắt bằng dao nhiều r ng) lại gây ra những biến động khác về lực và do đó gây ra rung động

Khi lực cắt lệch pha với chuyển động tương đối tức thời giữa lưỡi cắt và ph i sẽ dẫn đến sự t ng trưởng của tự rung gây mất ổn định Sự mất ổn định như thế gọi là mất ổn định tái sinh bởi vì rung động tự nó tái xuất hiện trong những quá trình tiếp sau theo các hệ sóng bề mặt ây là dạng tự rung liên quan nhiều nhất đến thực tiễn

Sự biến động của lực cắt động lực học và sự biến đổi vị trị tương đối giữa dao và

ph i xảy ra ở tất cả các quá trình cắt vì hệ thống c ng nghệ kh ng tuyệt đối cứng vững Sự dịch chuyển tương đối này để lại một đường cong có biên độ Yi-1 trên bề

mặt gia c ng hững sóng nhấp nh của bề mặt gia c ng do lần cắt trước để lại sẽ

bị xoá bỏ bởi r ng cắt hay lần cắt tiếp sau và một thế hệ sóng mới hình thành với biên độ Yi

Hình 1.5 Hiệu ứng tái sinh

ưỡi cắt đang cắt trên bề mặt lượn sóng chịu tác động của lực biến đổi mà sự biến đổi đó lại gây ra rung động bổ sung cho dụng cụ cắt ếu lực cắt và những sóng bề mặt kh ng cùng pha thì dẫn đến rung động với biên độ ngày càng t ng Hình 1.5 là sơ đồ rung động tái sinh do cắt bề mặt kh ng đồng đều

Bất cứ một sự dịch chuyển nào của dụng cụ và ph i sẽ dẫn đến sự thay đổi của chiều rộng cắt db và chiều dày cắt da Sự thay đổi trong tiết diện ngang của lớp cắt

sẽ dẫn đến những biến đổi tương ứng lực của lực cắt dF dF=f(da)

ể xác định điều kiện giới hạn ổn định của hệ thống cấu trúc máy c ng cụ và quá trình cắt, người ta đưa ra một số giả thiết [14-tr734]:

- Quá trình cắt tiến hành trên mặt phẳng

- ấu trúc của cụm dụng cụ cắt - máy được biểu diễn bằng hệ một bậc tự do

cắt là B Sự biến đổi chiều dày cắt do sóng trên mặt Yi-1 gây ra cho những lần cắt tiếp theo phụ thuộc vào độ lệch pha  với sóng bề mặt Yi, do đó số sóng giữa những lần cắt sẽ là:

N

f n

số riêng của chúng có ảnh hưởng lẫn nhau Hệ thống c ng nghệ được m hình hoá bằng hai hệ lò xo – khối lượng hai bậc tự do với hai trục X1 và X2 biểu thị độ mềm dẻo và khối lượng tổng cộng vu ng góc

Hình 1.6 Mô tả sự rung không tái sinh

ặc trưng của dao động: Dụng cụ cắt đi theo một đường elíp đóng kín theo chiều mũi tên trên hình 1.6a Trong suốt chu kỳ chuyển động của dụng cụ từ phần I sang phần II dọc theo đường elíp, lực cắt sinh ra theo hướng ngược lại với hướng chuyển động của dụng cụ và n ng lượng được lấy từ hệ ra Trong nửa kia của chu kỳ, dụng

cụ cắt đi từ phần II sang phần I, khi đó lực cắt và chuyển động của dụng cụ cắt cùng hướng với n ng lượng lại được bổ sung cho hệ hính phần n ng lượng đó làm t ng

n ng lượng rung động của dụng cụ

ực cắt trên phần II của elíp có xu hướng lớn hơn so với phần I bởi vì khi đó dao cắt vào sâu hơn và do đó n ng lượng đầu vào lớn hơn so với n ng lượng tiêu hao cho một vòng Hình 1.6b chỉ rõ sự thay đổi của lực cắt P theo sự dịch chuyển của mũi dao trên phương X2 song song với lực cắt P Diện tích bị chắn bởi nửa trên của elíp với trục hoành và các đoạn thẳng 1-1, 4-4 diễn tả c ng của lực cắt khi mũi dao

đi từ điểm 1 đến điểm 4 Diện tích bị chặn bởi nửa dưới của elíp với trục hoành và các đoạn 1-1, 4-4 diễn tả c ng của lực khi cắt mũi dao đi từ điểm 4 đến điểm 1 Hiệu của hai diện tích đó (diện tích của elíp có màu sẫm) là n ng lượng để hoành thành một chu kỳ dao động, để duy trì dao động của dao và các chi tiết liên hệ với dao ng lượng này được cung cấp từ hệ thống truyền động của máy Kiểu mất ổn định này được gọi là mất ổn định ghép vị trí do tự rung kh ng tái sinh

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá trình cắt

1.2.5.1 Ảnh hưởng của máy

Ảnh hưởng của máy đến ổn định đều quy về độ mềm dẻo động lực học ộ mềm dẻo động lực học kh ng phải là hằng số mà là một đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác:

- Ảnh hưởng của móng máy và điều khiển lắp đặt

- Ảnh hưởng của vị trí các chi tiết cấu thành máy

- Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc của máy

1.2.5.2 Ảnh hưởng của vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi

Vị trí tương đối giữa dụng cụ và ph i quyết định hướng của lực cắt nên tuỳ thuộc vào từng vị trí tương đối cụ thể mà ảnh hưởng của nó đến tự rung và ổn định có thể lớn hay nhỏ

ộ mềm dẻo động lực học của hệ thống gia c ng phụ thuộc vào tần số là kết quả của các dao động riêng được kích thích ở một số tần số thích hợp Với các máy mà thân có dạng dầm ngang hoặc dạng trụ đứng thì các dao động riêng này gắn liền với một hướng cụ thể Hướng cụ thể đó được xác định bởi cấu trúc hình học và phân bố khối lượng của toàn hệ ộ cứng vững của máy theo các hướng của hệ toạ độ máy

là khác nhau, có những hướng độ cứng vững rất cao và có những hướng độ cứng vững thấp nên điều kiện phát triển của tự rung theo các hướng cũng khác nhau hư vậy có thể cải thiện được ảnh hưởng của tự rung, hạn chế được tình trạng mất ổn định nếu lực cắt có hướng vu ng góc với hướng dao động

1.2.5.3 Ảnh hưởng của phôi và dụng cụ cắt

- Ảnh hưởng của độ mềm dẻo của ph i và kẹp chặt ph i

ộ mềm dẻo của ph i có ảnh hưởng lớn đến tự rung và ổn định của quá trình cắt bởi vì biến dạng của ph i gây chuyển vị tương đối giữa dụng cụ và ph i và đó là một nguyên nhân dẫn đến rung động

- Ảnh hưởng của độ mềm dẻo của dụng cụ và kẹp chặt dụng cụ

ộ mềm dẻo của dao có ảnh hưởng lớn đến đặc trưng động lực học của quá trình cắt

1.2.5.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Ảnh hưởng của vật liệu đến tự rung và ổn định chính là do tính kh ng đồng đều của vật liệu

Tính kh ng đồng đều là yếu tố ngẫu nhiên nên rất khó xác định Do tổ chức của kim loại kh ng đồng đều nên độ cứng của kim loại cũng kh ng đồng đều Sự kh ng đồng đều của độ cứng sẽ làm cho lực cắt biến động, tạo điều kiện cho sự tự rung phát triển, dẫn đến mất ổn định của quá trình gia c ng

Ảnh hưởng của vật liệu đến tự rung và ổn định được thể hiện trong c ng thức tính chiều sâu cắt tới hạn

 

G

R k T

e d k

2 1





Trong đó, Re {G()}là phần thực của hàm truyền đạt trong miền tần số

ộ cứng cắt kd tỷ lệ nghịch với chiều sâu cắt tới hạn Tk, do đó vật liệu có độ cứng càng cao thì tự rung và xu thế mất ổn định càng lớn và chiều sâu cắt tới hạn đạt được càng bé Ảnh hưởng của vật liệu đến tự rung còn biểu hiện ở tính dẻo của vật liệu Vật liệu càng dẻo, càng dai thì xu hướng xuất hiện rung động nhiều hơn so với vật liệu giòn iều đó có thể giải thích bằng lý do: Khi gia c ng vật liệu giòn thì

ma sát của phoi trên mặt trước của dao ít hơn so với khi gia c ng vật liệu dẻo và lẹo dao cũng kh ng hình thành

1.2.6 Các biện pháp nâng cao ổn định của quá trình cắt

Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tự rung và ổn định là cơ sở của các biện pháp để hạn chế ảnh hưởng của tự rung nhằm nâng cao tính ổn định của quá trình cắt ác biện pháp đó có thể quy về ba nhóm sau:

1.2.6.1 Nhóm các biện pháp liên quan đến cấu trúc máy

- Nâng cao độ cứng vững tính của máy

- ảm bảo độ cứng vững của móng máy bao gồm cả các giải pháp lắp đặt máy có tác dụng giảm chấn

- ựa chọn vị trí làm việc tối ưu của các bộ phận máy quan trọng như bàn trượt, cầu ngang, bàn dao

- Thay đổi số vòng quay trục chính để giảm thiểu hiệu ứng tái sinh

- âng cao khả n ng giảm chấn của máy

- Dùng biện pháp định hướng sao cho lực cắt vu ng góc với hướng của máy có

độ mềm dẻo động lực học lớn nhất

1.2.6.2 Nhóm các biện pháp liên quan đến phôi và dụng cụ gia công

- Dùng các bộ phận đỡ làm t ng độ cứng vững của chi tiết gia c ng chẳng hạn như dùng uy – nét trên máy tiện…

- Giảm nhỏ trọng lượng của ph i

- Sử dụng những dao có tác dụng giảm chấn

- Giảm trọng lượng của dụng cụ cắt

1.2.6.3 Nhóm các biện pháp liên quan đến quá trình cắt

- ựa chọn những vật liệu gia c ng có lực cắt riêng nhỏ

- Giảm góc sau  của dao

- ố gắng sử dụng dao có góc trước  <0

- Hạn chế chiều dài tham gia cắt của lưỡi cắt

- T ng giá trị của bước tiến dao

- Sử dụng tốc độ cắt rất thấp hoặc rất cao để tránh cực tiểu ổn định

- Với những dụng cụ có nhiều lưỡi cắt thì nên sử dụng những dao có bước r ng phân chia kh ng đồng đều

1.3 Kết luận về những thành tựu và hạn chế của các công trình nghiên cứu trong, ngoài nước về ổn định trong gia công phay CNC

Từ khi các máy gia c ng sử dụng kỹ thuật ra đời và đưa vào sử dụng trong sản xuất thì việc nghiên cứu về xác định miền ổn định của hệ thống c ng nghệ gia

c ng nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng máy bắt đầu từng bước được nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế sản xuất ác nghiên cứu được c ng bố gần đây để tìm hiểu về ổn định quá trình phay

* Nghiên cứu của tác giả nước ngoài:

Tác giả GS.Tony Schmitz của trung tâm nghiên cứu máy c ng cụ - ại học FLORIDA [24] Nhiên cứu về ổn định quá trình phay và đưa ra một số kết luận sau:

- Rung động chủ yếu gây ra do dao động tái sinh

+ ực cắt phụ thuộc vào chiều dày phoi

+ hiều dày phoi phụ thuộc vào dao động trước đó và dao động hiện tại

+ Dao động hiện thời phụ thuộc vào lực cắt

Hình 1.7 Mô tả động lực học của một lưỡi cắt

Tại sao giá trị tốc độ cắt kh ng tra được trong sổ tay ?

• Vật liệu làm dụng cụ cắt và vật liệu phủ thường xuyên thay đổi

• Sự khác biệt về động học giữa dụng cụ và máy

Vậy làm thế nào để ta xây dựng được biểu đồ ổn định?

Hình 1.9 Đặc tính vật lý của máy

hu kỳ sóng đƣợc quyết định bởi sự thay đổi chiều dày phoi → sự dao động của

lực cắt → rung động trong quá trình cắt

- iều kiện đầu vào

Hình 1.10 Mô hình điều kiện đầu vào

Ví dụ: Gia c ng nh m, kt = 710 N/mm2, kn = 250 N/mm2 lƣợng tiến daoh0 = 0.1

mm/r ng,  = 30 deg, 4 r ng cắt, 12.7 mm, hiều dài dao (phần c ng x n) 70 mm

(5.5:1), 25% RI down milling

Ví dụ: Gia c ng nh m, kt = 710 N/mm2, kn = 250 N/mm2h0= 0.1 mm/r ng,  =

30 deg, dao phay 4 rằng cắt , 12.7 mm, chiều dài phần c ng x n 45 mm (3.5:1),

25% RI down milling

MRR = 9(3.2)0.1(4)20000 = 230400 mm 3/min = 14.1 in 3/min

*Nghiên cứu của tác giả trong nước:

Trong nước đã có một số bài báo nghiên cứu về ổn định quá trình phay, nhưng chỉ có c ng trình nghiên cứu của tác giả PGS.TS Dương Phúc Tý -Trường H

ng nghiệp Thái guyên làm luận án tiến sỹ là tương đối bài bản Tác giả PGS.TS Dương Phúc Tý đã giải quyết vấn đề ổn định dựa trên khía cạnh mối quan

hệ chiều sâu cắt và lượng tiến dao, cụ thể là « ở một cấp tốc độ xác định, quá trình cắt vẫn ổn định nếu diện tích cắt chưa vượt quá giá trị tối hạn »; ngoài ra có tác giả

TS Phan V n Hiếu đã xây dựng biểu đồ ổn định dựa trên khía cạnh mối quan hệ chiều sâu cắt và tốc độ quay trục chính với tiêu chí độ sóng bề mặt trên máy phay CNC DNM400,

1.4 ục tiêu của luận v n

ục tiêu chính của luận v n là nghiên cứu xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay tốc độ cao, tìm mối quan hệ giữa chiều sâu cắt với tốc độ trục chính, các yếu tố của quá trình cắt như: ực cắt, âm thanh đề ra một số biện pháp nâng cao n ng suất, chất lượng bề mặt chi tiết khi gia c ng phay tốc độ cao uận v n thành c ng là cơ sở tốt để có thể tiến tới xác định miền ổn định cho hệ thống máy – dụng cụ cắt tương tự ở nước ta

cắt và lượng tiến dao,màchưa nghiên cứu về mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và tốc

độ trục chính goài ra có tác giả TS Phan V n Hiếu đã xây dựng biểu đồ ổn định dựa trên khía cạnh mối quan hệ chiều sâu cắt và tốc độ quay trục chính với tiêu chí

độ sóng bề mặt

Do đó, từ những nhận định trên đã th i thúc tác giả nghiên cứu đề tài " ghiên cứu xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay tốc độ cao" dựa vào tiêu chí âm thanh, tìm ra biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu cắt và tốc độ trục chính (miền ổn định khi phay) để hoàn thiện các nghiên cứu trong nước về ổn định quá trình phay

- ác c ng trình trong nước chưa nghiên cứu về mối quan hệ giữa chiều sâu cắt

và tốc độ trục chính Hai yếu tố này quyết định trực tiếp tới n ng suất cắt gọt nên tìm mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và chiều sâu cắt là cần thiết để có được một chế độ gia c ng đạt n ng suất cao và chất lượng bề mặt gia c ng vẫn đảm bảo yêu cầu Trong nghiên cứu này tác giả tập trung nghiên cứu biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu cắt và tốc độ trục chính

Trong điều kiện có nhiều hạn chế về thiết bị thí nghiệm, thiết bị đo, cần hoàn thiện nghiên cứu tổng thể về gia c ng phay tốc độ cao, đề tài tiến hành nghiên cứu theo các mục tiêu sau đây:

- ghiên cứu cơ sở lý thuyết và c ng nghệ quá trình phay CNC tốc độ cao

- ghiên cứu về máy phay tốc độ cao “Super 500”

- Xây dựng m hình nghiên cứu tính ổn định khi gia c ng trên máy phay CNC tốc độ cao

- Ứng dụng phần mềm matlab xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay CNC tốc độ cao

- Thực nghiệm xác định miền ổn định khi gia c ng trên máy phay CNC tốc độ cao

Với điều kiện trang thiết bị đo kiểm trong nước còn hạn chế nên tác giả đã xây dựng bài toán xác định miền ổn định của máy đó với điều kiện biên là chỉ tiêu Âm thanh trên máy phay CNC Super MC 500

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO

2.1 Máy và kết cấu máy gia công tốc độ cao

2.1.1 Những yêu cầu chung

- Phải có độ cứng vững cao, chống rung động

- ng suất của động cơ trục chính phải đủ

- ộ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao

- ộng cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao

- Bộ điều khiển có khả n ng đáp ứng được cho gia c ng tốc độ cao

- Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt

- Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao

2.1.2 Các kết cấu máy gia công tốc độ cao

2.1.2.1 Động cơ dẫn động trục chính

- ng suất của động cơ trục chính phải đủ lớn vì cần có một lượng c ng suất đáng kể để quay trục chính ở tốc độ cao ối với máy gia c ng cao tốc người ta sử

dụng các động cơ servo điều khiển v cấp có c ng suất cao

- Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vũng lặp kín, bằng c ng nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác

và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng

- Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để t ng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể t ng tốc độ của trục chính lớn rất nhanh

- Khả n ng t ng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao n ng suất ột máy c ng cụ với tốc độ t ng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao kh ng đổi trên hầu hết hành trình cắt

Hình 2.1 Kết cấu máy gia công tốc độ cao

ác dạng điều khiển trục chính:

Hình 2.2 Các loại truyền động trục chính

Điều khiển Đai

Truyền động từ động cơ tới trục chính th ng qua dây đai

Sự kết hợp tốt giữa momen và tốc độ tạo ra nhiều sự lựa chọn cho chế độ làm việc của máy

Điều khiển trực tiếp

Ưu điểm chính là nó có thể cải thiện được tốc độ trục chính lên đến 60.000v/ph Tạo ra quá trình làm việc êm

Điều khiển Bánh răng

ó có khả n ng duy trì tốc độ 10000v/ph ở chế độ tải nặng

2.1.2.2 Trục chính

- ộ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao ác ổ đỡ phải có tần số vòng quay cao Kích thước ổ, kiểu ổ, số ổ, tải, kiểu b i trơn ổ và vật liệu làm ổ yêu cầu phải được kiểm tra chặt chẽ cho máy c ng cụ gia c ng tốc độ cao Kiểu ổ đỡ hoặc hoàn toàn bằng ceramic cũng có thể cần thiết cho gia c ng tốc độ cao

Hình 2.3 Trục chính của máy gia công tốc độ cao

Hình 2.4 Ổ với bi làm bằng ceramic

- Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt Khi số vòng quay t ng thì lực ly tâm sẽ t ng tỷ lệ với bình phương với vận tốc quay Sự mất cân bằng trong hệ thống cũng như sự kh ng đồng tâm sẽ làm gia t ng lực ly tâm, gây rung động máy Do đó hệ thống gá dao phải kẹp chặt dao, trục chính phải

có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt

Hình 2.5 Vít me- đai ốc bi

Ưu điểm của Vít me đai ốc bi:

- ất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9

- ảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như kh ng phụ thuộc vào tốc độ

- ó thể loại trừ khe hở và tạo sức c ng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

- ảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

2.1.2.5 Bàn máy và đồ gá

ể t ng độ chính xác, n ng suất và tính vạn n ng người ta thường sử dụng các

bàn máy xoay ( đối với các máy 4 trục hoặc 5 trục)

Hình 2.6 Bàn xoay trên máy CNC

- Ứng dụng của bàn xoay

Bàn xoay có tác dụng làm t ng thêm tính vạn n ng cho máy ối với các bàn xoay 2 trục, nhờ khả n ng nghiêng bàn xoay đi một góc nào đó, nên cho phép máy 3 trục gia c ng được các bề mặt phức tạp như cánh tua bin, cánh chân vịt tàu thủy ói chung chúng có phạm vi sử dụng rất rộng, nhưng chủ yếu là dùng để gia c ng các chi tiết có các dạng bề mặt sau:

+ ặt phẳng

+ ác bề mặt định hình (như bề mặt cam, cối dập, khu n ép …)

+ ắt ren vít trong và ngoài

+ Gia công bánh r ng và dao cắt nhiều lưỡi có r ng thẳng hoặc xoắn

+ Giảm thời tháo lắp và điều khiển dụng cụ

+ Giảm thời gian gia c ng cơ bản

2.1.2.6 Hệ thống thân máy và đế máy

- Khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che b ng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt phải có độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia c ng cao tốc Thiết bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia c ng cao tốc

- ác máy phay cao tốc thường có khối lượng nặng hơn 1.5 lần và có đế máy

rộng hơn so với máy th ng thường cùng kích cỡ Thân máy được làm từ gang đúc kh ng có khuyết tật để t ng độ cứng vững cho máy

2.1.2.7 Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội

- Gia c ng tốc độ cao yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả Ở tốc độ quay cao, xung quanh dao cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống kh ng thể làm nguội hiệu quả Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch hơn so với th ng thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả

n ng lọc tốt

- Khi gia c ng ở tốc độ cao, nhiệt sinh ra rất lớn nên việc làm nguội bằng dung dịch trơn nguội kh ng có hiệu quả hưng đến 70-80% nhiệt được phoi và một phần là dụng cụ đưa ra ngoài vì vậy vấn đề ở đây là t ng khả n ng thoát phoi khỏi

bề mặt gia c ng để thoát nhiệt và tránh cào xước bề mặt gia c ng Vì vậy, ở HS người ta sử dụng khí nén để thổi bay phoi Trong một số trường hợp người ta còn sử dụng phun sương (dung dịch làm mát ở dạng sương mù) với áp suất cao dể t ng hiệu quả làm mát

2.1.3 Máy gia công tốc độ cao thường dùng

Trong gia c ng tốc độ cao, các cấu hình khác nhau của máy c ng cụ đang được dùng Tuy nhiên, phổ biến nhất là các trung tâm phay ngang và phay đứng 3 trục (H / V ) ặc dù các trung tâm gia c ng đứng có những khó kh n liên quan

đến việc thoát phoi, nhưng chúng là sự lựa chọn ít tốn kém Hiện nay, người ta sử dụng rộng rãi các trung tâm gia c ng ngang trong gia c ng tốc độ cao Tuy nhiên, với việc thực hiện đầu tư mới trong HS , khuynh hướng chắc chắn là dần tiến tới

sử dụng các trung tâm H trong HS áy phay 4 trục đưa ra giải pháp làm nghiêng dao phay để cải thiện chế độ cắt hững máy 5 trục với những đơn vị trục có thể thay thế cho phép gia c ng th , bán tinh và gia c ng tinh với một chế độ thiết lập

Với nhiều tính n ng vận hành cao (1000050000 vòng/phút, c ng suất trục 7.540 kW và tốc độ cắt 10 60 m/ph) ác trung tâm gia c ng sẵn có trên thị trường và đang được sử dụng rộng rãi cho HS trong thời gian gần đây Gia c ng tốc độ cao yêu cầu độ cứng vững cao, những trục chính cứng vững với những đặc trưng rung động rất thấp và đồ gá dụng cụ được cân bằng với sự ráp co (lắp ghép co) hững hệ động cơ servo và bộ điều khiển phải đủ tiên tiến để hỗ trợ "look- ahead" ( ựa chọn HS cung cấp một c ng cụ mạnh để giảm thời gian gia c ng và nâng cao độ chính xác Sử dụng một thuật toán được gọi là “t ng tốc sau nội suy”, được kết hợp với bộ phận “look-ahead” lên đến 80 khối lệnh đơn, HS cung cấp một lượng chạy dao nhanh mà kh ng làm biến dạng đường chạy đã lập trình HS chấp nhận lựa chọn sử dụng mã G, đó cũng là một ưu điểm khác nữa của HS ) xử

lý nhanh, và một khả n ng truyền dữ liệu tốc độ cao để xử lý chương trình với khối kích thước lớn và tránh nạn "đói dữ liệu" Hệ thống và hệ thống "look-ahead" phải cho phép máy c ng cụ dễ dàng t ng tốc và giảm tốc một cách hiệu quả nhất cho hiệu chỉnh dụng cụ ng nghệ máy c ng cụ hiện tại cho phép sử dụng động cơ tuyến tính vận tốc cao điều khiển, những đường n dao 3D với vận tốc trên 12 m/p,

t ng tốc và giảm tốc độ đến gần 1,0g (gia tốc trọng trường g)

2.2 Dụng cụ cắt

Trong số những dụng cụ cắt được dùng để gia c ng cắt gọt như hợp kim cứng, cacbit là loại vật liệu dụng cụ cắt phổ biến nhất hững dụng cụ cacbit có một độ dẻo dai cao nhưng độ cứng kém hơn so với những vật liệu cao cấp khác như nitril

bo ( B ) và gốm sứ ể cải thiện độ cứng và khả n ng chiu mài mòn, dụng cụ

cacbit được phủ lên lớp bề mặt với lớp mỏng các hợp chất hóa học như Ti , Ti l

và TiCN ói chung, những dụng cụ có đường kính nhỏ, khoảng từ 1.5 đến 0.5 in, những dụng cụ gắn cacbit với lớp phủ Ti có thể được dùng để gia c ng vật liệu

có độ cứng nhỏ hơn 42 HR , trong khi phủ lTi được sử dụng cho việc gia công vật liệu có độ cứng 42 HR và lớn hơn Tuy nhiên, phụ thuộc vào từng ứng dụng, từng loại vật liệu kết hợp với lớp phủ cho các hiệu quả khác nhau

Hình 2.7.CBN, PCBN, PCD, TiTN Hình2.8 Dao phay hợp kim cứng

Dao hợp kim ( HI GS I 4 GS 10-LIST9384), 4 r ng

2.3 Quá trình tạo phoi

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

Nguyên nhân Quá trình Kết quả

Hình 2.9 Sơ đồ quá trình hình thành phoi

ực tác dụng sinh ra do sự tương tác giữa dụng cụ cắt và ph i ối với phương pháp phay thì sự tương tác đó là chuyển động quay của dụng cụ cắt và sự cản trở lại chuyển động quay đó của dụng cụ cắt do chi tiết thực hiện (chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay do chi tiết thực hiện) hư 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 c ng (khả

Tác dụng lực

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

Tách ra khỏi vật gia c ng tạo thành phoi

Tạo ra bề mặt cần gia công