Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt khi gia công trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600

Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt khi gia công trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600 Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt khi gia công trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC

VÀ QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ CẮT VỚI LỰC CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG CAO TỐC 5 TRỤC

UCP600

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

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

-

Đỗ Ngọc Minh

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH PHAY CAO TỐC VÀ QUAN HỆ GIỮA TỐC ĐỘ CẮT VỚI LỰC CẮT KHI GIA CÔNG TRÊN

TRUNG TÂM GIA CÔNG CAO TỐC 5 TRỤC UCP600

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là do bản thân Tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS NGUYỄN HUY NINH Ngoài các phần tài liệu tham khảo đã được liệt kê và nêu rõ trong Luận văn, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Huy Ninh, người đã hướng dẫn

và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo và Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn Trung tâm CAD/CAM/CNC BK và các giáo viên thuộc trung tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sự dụng thiết bị để thực hiện luận văn

Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo thuộc Viện Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong

Đỗ Ngọc Minh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 9

PHẦN MỞ ĐẦU 11

1 Lý do chọn đề tài 11

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 11

3 Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả 12

4 Phương pháp nghiên cứu 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 13

1.1 Lịch sử của gia công cao tốc 13

1.2 Định nghĩa về gia công cao tốc 14

1.3 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 16

1.4 Dụng cụ cắt 18

1.5 Đầu gá dụng cụ cắt 19

1.6 Ưu điểm của gia công cao tốc 20

1.7 Nhược điểm của gia công cao tốc 21

1.8 Phạm vi ứng dụng của gia công cao tốc 22

1.9 Kết luận 24

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC CẮT 25

2.1 Tổng quan về lực cắt trong gia công cơ 25

2.1.1 Đặt vấn đề 25

2.1.2 Phân tích các thành phần lực cắt 26

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt 27

2.2.1 Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt 27

2.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt 28

2.3 Ảnh hưởng của dụng cụ cắt đến lực cắt 29

2.4 Các phương pháp xác định lực cắt 29

2.4.1 Phương pháp đo trực tiếp lực cắt 29

2.4.2 Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất 29

2.4.3 Xác định lực cắt bằng phương pháp tính 30

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ LẬP TRÌNH HEIDENHAIN – CODE SỬ DỤNG TRONG CÁC MÁY CNC 31

3.1 Hệ thống tọa độ trên máy iTNC 530 31

3.2 Dao cắt và chuyển động lập trình của dao cắt 34

3.3 Cấu trúc một chương trình NC 36

3.4 Lập trình gia công HEIDENHAIN – CODE 38

3.4.1 Các hàm nội suy 38

3.4.2 Một số chức năng gia công góc 47

3.4.3 Điều khiển các đường vào ra của đường chạy dao 49

3.5 Các chu trình gia công 53

3.5.1 Gọi chu trình gia công 54

3.5.2 Các chu trình phay mặt phẳng, mặt đầu 54

3.5.3 Các hàm chức năng phụ : M – code 55

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 57

4.1 Mục đính của thí nghiệm 57

4.2 Mô hình thực nghiệm 57

4.2.1 Sơ đồ thí nghiệm 57

4.2.2 Mô hình thí nghiệm 58

4.2.3 Các đại lượng đầu vào 59

4.2.4 Các đại lượng đầu ra 60

4.2.5 Các đại lượng cố định 60

4.2.6 Các đại lượng nhiễu 60

4.3.Điều kiện thí nghiệm 60

4.3.1 Máy phay CNC cao tốc 60

4.3.2 Phôi thí nghiệm 62

4.3.3.Dụng cụ cắt 64

4.3.4.Đồ gá chi tiết(kèm lực kế) 64

4.3.5.Các thông số cố định khác 65

4.4 Các thiết bị đo 65

4.5 Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả thực nghiệm 67

4.5.1 Xác định miền thực nghiệm 67

4.5.2 Kết quả đo thực nghiệm và xử lý kết quả 68

KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG CỦA ĐỀ TÀI 73

I Kết luận 73

II Hướng nghiên cứu tiếp theo 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

HSM (High Speed Machining ): Máy phay cao tốc

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính MCU (Machine Control Unit) – Hệ điều khiển máy

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

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

RP (rapid prototyping) – Tạo mẫu nhanh

EDM(Electric Discharge Machining)- Gia công tia lửa điện

PTW (Production engineering and Machine tools) – Kỹ thật sản xuất và Máy công

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Vật liệu sử dụng chế tạo dụng cụ cắt 18

Bảng 1.2.Đặc điểm và phạm vi áp dụng của gia công cao tốc 23

Bảng 4.1.Đặc tính kỹ thuật của máy phay MIKRON UCP 600 60

Bảng 4.2.Thành phần hóa học và cơ tính của thép SKD11 63

Bảng 4.3.Các thông số của dao phay mặt đầu 64

Bảng 4.4.Giá trị các yếu tố đầu vào của thí nghiệm khi phay mặt đầu 67

Bảng 4.5.Quy hoạch thực nghiệm các thông số đầu vào khi phay bằng dao phay mặt đầu 67

Bảng 4.6 Kết quả đo lực cắt thành phần Fx 68

Bảng 4.7 Kết quả đo lực cắt thành phần Fy 69

Bảng 4.8.Kết quả đo lực cắt thành phần Fz 69

Bảng 4.9.Các giá trị b j tại tốc độ 400 m/p 70

Bảng 4.10.Các giá trị b j tại tốc độ 300 m/p 70

Bảng 4.11.Các giá trị b j tại tốc độ 400 m/p 72

Bảng 4.12.So sánh lực cắt khi phay thường và phay cao tốc 73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nhiệt độ gia công khi phay cao tốc (theo dự đoán của Salomon) 13

Hình 1.2 Tổng quan của gia công cao tốc 16

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

Hình 1.4 Máy phay cao tốc của hãng Datron 17

Hình 1.5 Hình dạng dao phay HSM 19

Hình 1.6 Một số dạng dao phay HSM 19

Hình 1.7 Đầu gá BT 20

Hình 1.8 Đầu gá HSK 20

Hình 1.9 Sản phẩm được gia công bằng phương pháp gia công cao tốc 21

Hình 1.10 Vỏ iphone 5 23

Hình 1.11 Chi tiết trên máy bay boeing 23

Hình 2.1 Sơ đồ nguồn gốc lực cắt 25

Hình 2.2 Hệ thống lực cắt khi phay 26

Hình 2.3 Vòng tròn xác định lực trên các mặt chịu tải 27

Hình 2.4 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b 28

Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến lực cắt Pv 28

Hình 3.1 Xác định tọa độ các trục của máy theo quy tắc bàn tay phải 58

Hình 3.2 Các trục tọa độ trên máy phay 31

Hình 3.3 Các loại tọa độ của phôi 31

Hình 3.4 Tọa độ cực ……… 32

Hình 3.5 Các góc quét của tọa độ cực ……… 32

Hình 3.6 Gia công sử dụng hàm bù chiều dài dao…… 34

Hình 3.7 Bù Bán kính khi gia công tại các góc … 35

Hình 3.8 Nội suy tuyến tính L…… 37

Hình 3.9 Thực hiện cả chuyển động theo tuyệt đối và tương đối … 38

Hình 3.10 Nội suy cung tròn ………… 39

Hình 3.11 Tạo cung tròn tiếp tuyến CT ……… 42

Hình 3.12 Nội suy theo đường Helix trong tọa độ cực…… 43

Hình 3.13 Gia công ren ………… ……… 44

Hình 3.14 Nội suy cung tròn tiếp tuyến trong tọa độ cực CTP 45

Hình 3.15 Gia công vát cạnh góc ………… …46

Hình 3.16 Chức năng vê góc ……… ……47

Hình 3.17 Lệnh APPR LT ………… … 47

Hình 3.18 Lệnh DEP LT… … 48

Hình 3.19 Lệnh APPR LN… 49

Hình 3.20 Lệnh APPR CT… 49

Hình 3.21 Lệnh DEP CT … …50

Hình 3.22 Lệnh DEP LCT 51

Hình 4.1 Sơ đồ nghiên cứu quá trình phay bằng thực nghiệm 58

Hình 4.2 Mô hình phay 5 trục 59

Hình 4.3 Mô hình thực nghiệm 59

Hình 4.4 Hình ảnh máy UCP 600 62

Hình 4.5 Phôi thí nghiệm 64

Hình 4.6 Dao phay mặt đầu 64

Hình 4.7Mô hình phay phẳng 65

Hình 4.8 Thiết bị đo lực cắt và biểu đồ đo lực 66

Hình 4.9 Ảnh hưởng của v,s,t đến F x 71

Hình 4.10 Ảnh hưởng của v, s, t đến F y 72

Hình 4.11 Ảnh hưởng của v,s,t đến F z 73

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

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

vụ cấp bách

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

thực tiễn sản xuất Vì thế có rất ít công trình nghiên cứu về gia công cao tốc Việc

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

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của các trung tâm gia công vào chương trình đào tạo Đai học, Sau đại học, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác trong quá trình sản xuất và gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia công cao

Vì vậy tác giả chọn đề tài:

“Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc và quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt khi gia công cao tốc trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600”

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu là: Nghiên cứu bản chất của quá trình phay cao tốc, mối quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt, so sánh các thông số công nghệ khi cắt cao tốc

và khi cắt ở tốc độ thường

- Đóng góp một phần nghiên cứu quá trình cắt gọt trên các trung tâm gia công cao tốc vào thực tiễn sản xuất

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho sản xuất, giảng dạy và học tập

2.2 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mối quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt F khi phay cao tốc trên trung tâm gia công cao tốc 5 trục UCP600

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

Nội dung nghiên cứu gồm:

- Tìm hiểu hệ điều hành Heidenhain (iTNC 530) cho các máy CNC

- Làm rõ cơ sở lý thuyết và bản chất của quá trình gia công cao tốc

- Gia công mẫu trên trung tâm gia công 5 trục UCP600 và đo các thông số công

nghệ để so sánh giữa phương pháp cắt cao tốc và cắt bình thường

Ý nghĩa đề tài:

- Những nghiên cứu về gia công cao tốc được công bố gần đây tập trung vào việc nghiên cứu mối quan hệ giữa tốc độ cắt với lực cắt Đề tài đã đóng góp một số kết quả vào hướng nghiên cứu này

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

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

4 Phương pháp nghiên cứu

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

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC

1.1 Lịch sử của gia công cao tốc (HSM)

Định nghĩa đầu tiên về HSM được đưa ra bởi Carl Salomon vào năm 1931 Dựa

m/phút (thép), 1600 m/phút (đồng), 16.500 m/phút (nhôm) Và ông đã dự đoán rằng

từ một tốc độ cắt xác định thì nhiệt độ gia công sẽ giảm trở lại (hình 1.1)

Tốc độ cắt (m/phút)

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

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

0 C

vi nhất định cắt tốc độ, nơi không thể gia công thực hiện do quá mức nhiệt độ cao

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

Vào năm 1977, lần đầu tiên tốc độ cắt cho máy phay có tốc độ lên tới 1.980 m/phút Các xét nghiệm cũng cho thấy chất lượng bề mặt được cải thiện, tăng đáng

kể với việc tăng tốc độ cắt Một kết quả quan trọng của các xét nghiệm này là ở tốc

độ cao cắt nhiệt sinh ra trong quá trình gia công phần lớn sẽ truyền vào phoi Năm

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

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

1.2 Định nghĩa về gia công cao tốc

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

có thể giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công Ngoài thuật ngữ HSM nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc: High-Velocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining, High Agile Machining

và High Productivity Machining Theo cách hiểu thông thường thì HSM gia công với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì có tốc độ chạy dao cao nhưng tốc độ cắt trung bình

Thật ra có nhiều cách khác nhau để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu

tố sau:

 Gia công với tốc độ cắt cao

 Gia công với tốc độ quay của trục chính cao

 Gia công với lượng ăn dao cao

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

 Gia công với năng suất cao

Thực tế thì gia công cao tốc không đơn giản là cắt với tốc độ cao Nó phải được xem như là một quá trình gia công mà ở đó các bước gia công được thực hiện bằng những phương pháp và thiết bị gia công rất cụ thể

Gia công cao tốc cũng không phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc được thực hiện với máy có tốc độ bình thường Gia công cao tốc thường được sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử cả hai yếu tố là tốc độ cao và lượng ăn dao cao Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau (hình 1.3)

Về cơ bản, gia công cao tốc là một sự kết hợp của tốc độ trục chính của máy cao (high spindle speed), lượng ăn dao lớn (high feed), hệ điều khiển CNC cao cấp và hơn thế nữa Tốc độ trục chính khoảng 8000 vg/ph có thể là điểm khởi đầu cho gia công cao tốc Trong thực tế, tốc độ cao nhất cho gia công cao tốc trên các máy công

cụ ngày càng tăng, lên đến 40.000 vg/ph và hơn thế nữa Tốc độ ăn dao trung bình ít nhất là 10m/s trong khi tốc độ di chuyển nhanh lên đến 40m/ph và cao hơn, công suất động cơ trục chính ít nhất là 15 kW

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

cụ dùng trong cắt cao tốc

Hình 1.2 Tổng quan của gia công cao tốc

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

1.3 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Gia công cao tốc đã được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy chọn tốc độ trục chính cao

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

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

 Công suất động cơ trục chính cao

khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng “look ahead”, …

Hình 1.4 là máy phay cao tốc VelociRaptors của hãng DATRON Dynamics (Mỹ) Tốc độ trục chính của máy là 7000-60,000 vg/ph

Hình 1.4 Máy phay cao tốc của hãng Datron

1.4 Dụng cụ cắt

Theo thống kê của hãng dụng cụ cắt Sandvik, có đến 80% – 90% khối lượng gia công HSM được tiến hành bằng dao phay ngón hoặc dao phay cầu đường kính từ 1mm đến 20mm Hai loại dụng cụ cắt này cũng ở dạng nguyên khối hoặc ghép mảnh (insert) nhưng đặc tính hình học và vật liệu làm ra chúng có sự khác biệt để phù hợp với công nghệ phay HSM

Bảng 1.1 Vật liệu sử dụng chế tạo dụng cụ cắt

Về hình học, dụng cụ cắt HSM thường được thiết kế để gia công với chiều sâu cắt nhỏ (hình 1.5) Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện gia công (cắt vật liệu nào, thô hay tinh, phay phẳng hay hay phay rãnh như hình 1.6 ) nhưng quan trọng là kích thước các lưỡi cắt phải chính xác để bảo đảm tính cân bằng, hạn chế rung động trong quá trình cắt Một số loại còn được thiết kế

lỗ thông để thổi khí hoặc dung dịch làm nguội

Về vật liệu, hai tính chất cơ bản của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt là độ bền

và độ cứng ở nhiệt độ cao Thép gió không thỏa mãn được hai yêu cầu này nên hầu như không còn được sử dụng trong gia công HSM, thay vào đó là những loại vật liệu carbide, gốm (ceramic), gốm kim loại (cermet) và đặc biệt là vật liệu siêu cứng như CBN (cubic boron nitride), PCD (polycrystalline diamond) Đặc điểm của những loại vật liệu này là độ cứng càng cao thì càng giòn chính vì vậy, công nghệ phủ bề mặt được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo dụng cụ cắt cho HSM Sự kết hợp giữa vật liệu nền và lớp phủ đã cho ra đời rất nhiều loại dụng cụ cắt với những đặc tính riêng đáp ứng tối đa yêu cầu cắt gọt Các hợp chất thường được dùng làm

lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống dính lưỡi cắt), TiAlN (chịu nhiệt cao, cách nhiệt tốt)… Hai phương pháp phủ được sử dụng là lắng đọng vật chất bay hơi (Physical Vapor Deposition – PVD) với chiều dày lớp phủ 2 – 5 µm và lắng đọng hóa học (Chemical Vapor Deposition – CVD) với chiều dày lớp phủ 5 – 10 µm Nhìn chung, giá của dụng cụ cắt dành cho HSM khá cao, tuy nhiên nếu so sánh về khả năng cắt gọt và độ bền, nó rất đáng để đầu tư để khai thác triệt để

những ưu điểm của HSM

Hình 1 5 Hình dạng dao phay HSM Hình 1 6 Một số dạng dao phay HSM

1.5 Đầu gá dụng cụ cắt

Đầu gá dụng cụ cắt có nhiệm vụ giữ chặt dụng cụ cắt và truyền momen xoắn cho nó trong quá trình cắt gọt Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của đầu gá là sự cân bằng và nó càng quan trọng hơn trong công nghệ HSM vì khi quay ở tốc độ cao (trên 8000 rpm), sự rung động sẽ ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt gia công và gây hại cho trục chính của máy

Hiện nay phổ biến hai loại đầu gá là đầu gá côn (CAT, SK, BT) và đầu gá HSK trong đó loại HSK E/F Series được dùng nhiều trong các máy HSM vì những ưu điểm sau:

– Kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ

– Tiếp xúc với trục chính theo cả bề mặt côn và mặt vai nên cứng vững hơn loại CAT & BT chỉ tiếp xúc bằng mặt côn

– Có kết cấu rỗng ôm lấy trục chính nên lực ly tâm sinh ra trong lúc trục chính quay sẽ càng giữ chặt trục chính trong thân của nó và hạn chế tác động xấu đến trục chính trong trường hợp dụng cụ cắt bị gãy

Hình 1.7 Đầu gá BT Hình 1.8 Đầu gá HSK

1.6 Ưu điểm của gia công cao tốc

So với gia công truyền thống thì gia công cao tốc có những ưu điểm nổi bật Nó

có thể làm giảm thời gian gia công đến 90% và giảm đến 50% chi phí gia công, tùy trường hợp

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

Hình 1.9 Sản phẩm được gia công bằng phương pháp gia công cao tốc

1.7 Nhược điểm của gia công cao tốc

Những sự bất lợi chung của sự gia công bằng máy cao tốc là: sự mòn dụng cụ cắt quá mức, nhu cầu sử dụng các máy công cụ đặc biệt và những máy công cụ đắt với những trục chính và những bộ điều khiển cao cấp, đồ gá, sự cân bằng giá đỡ dụng cụ, và cuối cùng nhưng quan trọng nhất: yêu cầu vật liệu và lớp phủ cao cấp của dụng cụ cắt

Song song với việc tăng cường ứng dụng gia công cao tốc, đó là nghiên cứu cho

sự phát triển vật liệu mới của dụng cụ cắt, cải thiện thiết kế của những chi tiết chèn (đệm) dụng cụ cắt, những chiến lược mới trong việc hình thành đường dao cắt CNC

và sự cải tiến những điều kiện quá trình cắt Hơn nữa, sự mô phỏng có máy tính hỗ trợ của những quá trình cắt làm xuất hiện những kỹ thuật hữu ích để dự đoán nhiệt

độ và ứng suất dụng cụ cắt và để nâng cao tuổi bền dụng cụ cắt

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

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

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

 Yêu cầu người điều khiển phải có kiến thức về HSM

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

1.8 Phạm vi ứng dụng của gia công cao tốc

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

máy tính nhỏ và các thiết bị y tế, vỏ điện thoại di động với kết cấu thành mỏng và sản lượng cao lên đến vài chục triệu chiếc ( vỏ điện thoại iphone hình 1.10)

mỏng như các chi tiết trong máy bay boeing (hình 1.11)

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

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

không

nói chung đặc biệt là chế tạo khuôn mẫu

Chất lượng bề

mặt cao

biệt

thành, vách mỏng

Tần số rung

cao

vật liệu khó gia công

yêu cầu biến dạng nhiệt nhỏ

1.9 Kết luận

HSM là một phương pháp gia công tiên tiến, có nhiều ưu điểm về năng suất

và chất lượng Tất nhiên, để đạt được những ưu điểm nói trên, HSM cũng có những yêu cầu cần được đáp ứng về máy móc, thiết bị, dụng cụ cắt và chiến lược chạy dao Những yếu tố này đã và đang không ngừng được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của phương pháp gia công tốc độ cao và tiếp tục làm cho khái niệm “tốc độ cao” chỉ mang tính tương đối

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC CẮT

2.1 Tổng quan về lực cắt trong gia công cơ

2.1.1 Đặt vấn đề

Trong quá trình cắt kim loại, để tách được phoi và thắng được ma sát cần phải có lực Lực sinh ra trong quá trình cắt là động lực cần thiết nhằm thực hiện quá trình biến dạng và ma sát Việc nghiên cứu lực cắt trong quá trình cắt kim loại có ý nghĩa cả lý thuyết lẫn thực tiễn Trong thực tế, những hiểu biết về lực cắt rất quan trọng để thiết kế dụng cụ cắt, đồ gá, tính toán thiết kế máy móc thiết bị Dưới tác dụng của lực và nhiệt, dụng cụ sẽ bị mòn, bị phá huỷ Muốn hiểu được quy luật mài mòn và phá huỷ dao thì phải hiểu được quy luật tác động của lực cắt Muốn tính công tiêu hao khi cắt cần phải biết lực cắt Những hiểu biết lý thuyết về lực cắt tạo khả năng chính xác hoá lý thuyết quá trình cắt

Hình 2.1 Sơ đồ nguồn gốc lực cắt

Trên hình 2.1, trong trường hợp cắt tự do, ta có:

2.1.2.1 Phân tích lực cắt theo các phương chuyển động

Hệ thống lực cắt khi phay được mô tả trên hình 1.2 Lực cắt tổng P được phân tích thành 3 thành phần theo 3 phương chuyển động v, s và t của chuyển động cắt: tiếp tuyến, ngược với chuyển động chạy dao và hướng kính

2.1.2.2 Phân tích lực cắt và ứng suất cắt theo các mặt chịu tải

Khi nghiên cứu bản chất động lực học của quá trình cắt kim loại, lực cắt còn

được phân tích thành các thành phần theo các mặt chịu tải Khảo sát quá trình bào tự do, ta có sơ đồ trên hình 2.3

2.2.1 Ảnh hưởng của chi tiết gia công đến lực cắt

Thực nghiệm ghi nhận chi tiết gia công ảnh hưởng đến lực cắt bởi các yếu tố sau:

Độ bền, độ cứng của vật liệu, thành phần hoá học, cấu trúc kim loại của vật liệu, phương pháp chế tạo phôi…

2.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện cắt đến lực cắt

2.2.2.1 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt t đến lực cắt

Vì chiều rộng cắt b = t/sinϕ có ý nghĩa vật lý trong quá trình cắt nên ta sẽ

Hình 2.4 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt b

2.2.2.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao s đến lực cắt

Bằng cách xử lý các số liệu đo ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa lực cắt

và lượng chạy dao như sau:

Hình 2.5Ảnh hưởng của chiều dày cắt a đến lực cắt Pv

Kết hợp cho thay đổi đồng thời chiều rộng cắt b và chiều dày cắt a, mối quan

hệ giữa lực cắt Pv và b, a được viết như sau:

(2.5) Hoặc có thể viết theo s,t:

(2.6)

2.2.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ cắt v đến lực cắt

Qua thực nghiệm ta thấy rằng: ở tốc độ cắt thấp mối quan hệ giữa tốc độ cắt

v với lực cắt P rất phức tạp và khó xác định qui luật

2.3 Ảnh hưởng của dụng cụ cắt đến lực cắt

Thực tế cho thấy vật liệu chế tạo dao và thông số hình học của dao có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt Tổng hợp ta có thể lập được phương trình kinh nghiệm tính lực cắt như sau:

(2.7) Tương tự ta cũng nhận được phương trình tính các thành

điều chỉnh K được cho trong các sổ tay tra cứu về cắt gọt

2.4 Các phương pháp xác định lực cắt

Để xác định lực cắt ta có thể dùng nhiều phương pháp sau:

2.4.1 Phương pháp đo trực tiếp lực cắt

Thiết bị đo lực cắt được chế tạo trên cơ sở nhiều nguyên lý khác nhau, đó là: Theo nguyên lý cơ học, theo nguyên lý thuỷ khí, theo hiệu ứng về điện, theo nguyên lý kiểu áp điện, theo nguyên lý biến dạng dẻo

2.4.2 Phương pháp đo lực cắt thông qua đo công suất

Khi thực hiện việc cắt gọt thì công suất đo được từ động cơ sẽ bao gồm công

Nđc = Nc + Nck suy ra: Nc = Nck - Nđc = Pv.v.K

Do vậy từ việc đo công suất ta có:

(2.8)

2.4.3 Xác định lực cắt bằng phương pháp tính

Việc tính toán lực cắt nói chung được tiến hành theo 2 hướng:

2.3.3.1 Tính toán lực cắt bằng nghiên cứu lý thuyết

2.3.3.2 Tính toán lực cắt bằng công thức thực nghiệm

Dựa vào các kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về cắt gọt, ta xây dựng nên các công thức tính toán lực cắt Công thức thực nghiệm tính toán lực cắt cũng được thiết lập theo 2 phương pháp

a Phương pháp dựa vào lực cắt đơn vị và diện tích tiết diện phoi cắt

b Phương pháp thiết lập công thức thực nghiệm dạng hàm mũ

Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất công thức tính toán lực cắt dưới dạng hàm

mũ đối với các yếu tố cắt gọt chính:

(2.9)

được xác định từ thực nghiệm cắt gọt

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ LẬP TRÌNH HEIDENHAIN – CODE SỬ DỤNG

TRONG CÁC MÁY CNC 3.1 Hệ thống tọa độ trên máy iTNC 530

Trên máy phay, tọa độ các trục của máy được xác định theo quy tắc bàn tay phải: Ngón cái chỉ theo trục +X, ngón trỏ chỉ theo trục +Y và ngón giữa chỉ theo trục +Z

Dù chuyển động của bàn máy có theo các hướng khác nhau nhưng quy định khi xác định chiều chuyển động của trục cũng là: Dao chuyển động, còn phôi đứng yên (tức là bàn máy đứng yên) Dựa vào đó ta xác định chiều chuyển động của bàn máy sao cho phù hợp và không bị lẫn

Hình 3.1 Xác định tọa độ các trục của máy theo quy tắc bàn tay phải

Trục chính mang dao cắt quay tròn và dụng cụ cắt thực hiện chuyển động tịnh tiến theo các hướng hướng X, Y và hướng Z Ngoài ra, còn có thể có các chuyển động quay theo các trục tọa độ, tùy theo kết cấu máy Đối với iTNC 530, có thể điều khiển đến 5 trục tọa độ : 3 chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay (trục A, B hoặc C)

Hình 3.2 Các trục tọa độ trên máy phay

 Tọa độ máy: Reference system: Gốc tọa độ máy được thiết lập khi thực hiện thao tác về 0 của tất cả các trục của máy

 Tọa độ phôi: Workpiece coordinate system: Tọa độ thiết lập bởi người lập trình và được gắn liền với tọa độ gốc trên bản vẽ kích thước của chi tiết Tọa

độ lập trình (so với gốc phôi) có thể tính theo đơn vị tuyệt đối (Absolute) hoặc tương đối (Relative)

Tọa độ tuyệt đối là tọa độ phát triển từ gốc thiết lập ban đầu (cũng là gốc phôi trên máy) Ngược lại tọa độ tương đối thì được tính từ điểm lập trình cuối cùng trước nó (điểm thứ nhất lúc đó sẽ là gốc tính toán của điểm thứ hai ).Để

lập trình tương đối, nhấn phím mềm I trên bảng điều khiển

Hình 3.3 Các loại tọa độ của phôi Đơn vị tuyệt đối (Absolute) Đơn vị tương đối (Relative)

 Tọa độ cực (Polar Coordinate)

Là tọa độ được tính theo giá trị bán kính quét và góc quét (ví dụ : lệnh CC của lập trình để định tâm đường tròn gia công )

Hình 3.4 Tọa độ cực

Góc quét của tọa độ cực đối với mỗi mặt phẳng gia công lại tính theo các hướng khác nhau Cụ thể :

XY: Hướng góc + là quay từ trục +X đến +Y

YZ: Hướng góc + là quay từ trục +Y đến +Z

+X

Hình 3.5 Các góc quét của tọa độ cực

3.2 Dao cắt và chuyển động lập trình của dao cắt

* Gia công sử dụng hàm bù chiều dài dao

Thông thường mỗi dao được sử dụng cho một nguyên công Các dao khác nhau (về chiều dài dao) sẽ cho ra các đường chạy dao khác nhau sinh ra bởi chương trình NC của người thiết kế Do đó chiều dài các dao sẽ được đo và thiết lập để lưu vào bộ nhớ máy khi sử dụng; bằng cách thiết lập sự khác nhau giữa chiều dài dao tiêu chuẩn với chiều dài mỗi dao trong CNC

Xác định hướng bù dao bằng lệnh RL hoặc RR (bù bên trái đường viền gia công hay bên phải đường viền gia công , tính theo hướng chuyển động của dao cắt)

Hủy bỏ hoặc không sử dụng bù dao bằng lệnh R0 kèm theo, khi thực hiện một

lệnh gia công cắt gọt

Biên dạng chi tiết

Hành trình được lập trình

Hành trình dịch chuyển của dụng cụ

Hướng gia công

1 2

Hành trình được lập trình

Hành trình dịch chuyển của dụng cụ

* Bù Bán kính khi gia công tại các góc

Khi sử dụng hàm bù bán kính dao tại các góc gấp, máy TNC sẽ tự động tạo ra một chuyển động cong bằng bán kính bù (đối với gia công ngoài đường biên) hoặc chuyển động gấp khúc (đối với gia công trong đường biên) Tại đó , tốc

độ tiến dao sẽ được tính toán để giảm cho phù hợp

Hình 3.7 Bù Bán kính khi gia công tại các góc

Chú ý khi thực hiện bù dao tại các điểm bắt đầu hoặc kết thúc của đường biên gia công vì có thể gây ra các sai lệch hoặc cắt quá vào đường biên dạng

3.3 Cấu trúc một chương trình NC

Mỗi câu chương trình bao gồm các từ có chứa đựng các thông tin hình học và công nghệ hoặc thông tin kỹ thuật của chương trình Có thể viết các từ chương trình như thế nào và viết bao nhiêu từ chương trình trong một câu chương trình phụ thuộc vào nơi sản suất hệ điều khiển

Một chương tình NC hoàn chỉnh có cấu trúc như dưới đây

khối hộp chữ nhật

Cấu trúc một khối lệnh :