Nghiên cứu ảnh của chế độ cắt đến đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công: - Ảnh hưởng của vận tốc cắt v.. Qua thực nghiệm quá trình

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS THÁI THỊ THU HÀ Cán bộ chấm nhận xét 1: TS ĐỖ ĐỨC TÚY

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH,

ngày …18…tháng…01…năm…2006…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc - -

Tp Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 01 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Viết Hiển Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15 - 05 -1976 Nơi sinh : Quảng Nam

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ CẮT ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

2 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phay để tìm ra phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số gia công và độ nhám bề mặt

3 Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt

4 Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu chi phí sản xuất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (ngày ký quyết định giao đề tài): 17 - 01 - 2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 10 tháng 09 năm 2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS THÁI THỊ THU HÀ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS THÁI THỊ THU HÀ

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 01 năm 2006 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với cô TS.Thái Thị Thu Hà đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ

Nhân đây tôi cũng xin gởi lời cám ơn đến:

- Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh

- Quý thầy, cô Khoa Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh

- Quý thầy, cô phòng quản lý khoa học - sau đại học trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh

Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Nguyễn Viết Hiển

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan tài liệu 4

1.2 Nhận xét 8

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 9

1.4 Nội dung nghiên cứu 9

1.5 Cách tiếp cận 9

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG 11

2.1 Lý thuyết quá trình phay 11

2.1.1 Nguyên lý cắt kim loại khi phay 11

2.1.2 Khái niệm quá trình cắt gọt 12

2.1.3 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay 13

2.1.4 Các phương pháp phay 14

2.1.5 Khả năng công nghệ của phay 14

2.2 Tính chất hình học của lớp bề mặt gia công 15

2.2.1 Sai lệch hình học đại quan 15

2.2.2 Độ sóng 16

2.2.3 Độ nhám bề mặt 16

2.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công 19

2.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt 20

2.3.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao 21

2.3.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt 22

2.3.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công 22

2.3.5 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ 23

2.3.6 Ảnh hưởng của bước dịch dao ngang và bán kính dao 23

2.3.7 Ảnh hưởng của hình dáng dao 29

3.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm .32

3.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 34

3.2.1 Giới thiệu sơ lược về máy phay CNC SUNLY 850 34

3.2.2 Thiết bị đo độ nhám 36

3.2.3 Vật liệu gia công và kích thước mẫu 37

3.2.4 Xác định các thông số cho quá trình thực nghiệm 39

3.3 Kết quả thực nghiệm 43

3.4 Xử lý kết quả thực nghiệm 46

3.5 Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt 48

3.5.1 Những lợi ích của việc tối ưu các thông số gia công 48

3.5.2 Các chỉ tiêu tối ưu 49

3.5.3 Hàm mục tiêu độ nhám bề mặt và các ràng buộc 49

3.5.4 Giải bài toán tối ưu hóa độ nhám bề mặt 50

3.6 Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu chi phí sản xuất 53

3.6.1 Hàm mục tiêu chi phí sản xuất 53

3.6.2 Các hàm ràng buộc khi phay 56

3.6.3 Mô hình tổng quát của bài toán 59

3.6.4 Phương pháp giải bài toán 60

3.6.5 Ví dụ ứng dụng cho mô hình 1 63

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 70

4.1 Kết luận 70

4.2 Hướng nghiên cứu tương lai 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 74

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong ngành cơ khí chế tạo, cho đến ngày nay người ta vẫn sử dụng chủ yếu các máy công cụ như máy phay, tiện, khoan, bào, mài, tia lửa điện, CNC…dùng làm trang thiết bị để sản xuất Thông thường khi sản xuất các sản phẩm cơ khí thì quá trình phay chiếm tỷ trọng khá lớn Trong đó, máy phay CNC là một trong những phương tiện công nghệ quan trọng để giúp chúng ta tạo ra được các sản phẩm có hình dáng phức tạp và độ chính xác cao Vì vậy việc nghiên cứu các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình phay là rất cần thiết, đặt biệt là trên máy phay CNC

Ngày nay khi nền kinh tế của thế giới càng ngày càng phát triển, nhu cầu của con người về hình dáng sản phẩm lại đòi hỏi phức tạp, đa dạng và cầu kỳ hơn Nói chung là nếu mỗi doanh nghiệp muốn tồn tại thì họ phải cải tiến mẫu mã sản phẩm liên tục theo nhu cầu của khách hàng và thời gian đáp ứng khách hàng là ngắn nhất Ngoài khả năng đáp ứng nhu cầu của khách hàng nhanh về thời gian và thỏa mãn nhu cầu về hình dáng còn phải luôn coi trọng chất lượng của sản phẩm làm ra và giá thành phải cạnh tranh được

Trong những năm gần đây việc triển khai và ứng dụng công nghệ CNC (Computer Numerical Control) để gia công các sản phẩm có bề mặt phức tạp ngày càng trở nên phổ biến trong các nhà máy cơ khí chế tạo ở nước ta Đặc biệt là trong các nhà máy chế tạo khuôn mẫu, do các chi tiết khuôn mẫu có hình dáng phức tạp và các nguyên công chủ yếu được thực hiện trên máy phay Tuy nhiên, hầu hết họ chưa có một đội ngũ nhân lực chuyên nghiệp và có kinh nghiệm để khai thác năng suất và chất lượng của các máy phay CNC một cách hiệu quả Để tồn tại và theo kịp tốc độ phát triển của nền kinh tế thế giới thì mỗi doanh nghiệp phải tự đầu tư trang thiết bị công nghệ phù hợp với điều kiện phát triển của mình Ngoài việc đầu tư đúng, các doanh nghiệp còn phải biết khai thác và vận dụng các qui trình công nghệ của máy móc, thiết bị một cách hợp lý thì mới đạt được năng suất và chất lượng cao

Để thực hiện được các điều này thì nhà quản lý sản xuất phải nghiên cứu và lựa chọn các biện pháp công nghệ hợp lý, các kỹ sư phải hiểu rõ các qui trình công nghệ gia công, đặc biệt là trên máy phay CNC và có khả năng lập được quy trình công nghệ tiên tiến để có thể tồn tại được trong thế giới cạnh tranh cao Mặt khác nếu chúng ta biết chú trọng vào việc nâng cao chất lượng của sản phẩm thì chúng ta sẽ ít bị tái chế, sản xuất ít bị lãng phí, năng suất tăng, giá thành giảm,

khả năng cạnh tranh cao hơn, công ty có nhiều hợp đồng hơn và cuối cùng lợi nhuận sẽ tăng lên

Nói đến công nghệ CNC thì không thể không nói đến công nghệ CAD/CAM

Vì nếu như không có phần mềm để thiết kế một mô hình 3D và sau đó lập trình tự động để tạo ra chương trình điều khiển gia công máy CNC thì quá trình sản xuất sẽ rất hạn chế Như chúng ta đã biết nếu lập trình bằng tay thì mất rất nhiều thời gian và dẫn đến nhiều tốn kém và lỗi lập trình có khi không kiểm soát được

Vì vậy trong quá trình nghiên cứu công nghệ gia công trên máy CNC thì phải nghiên cứu cả phần cứng lẫn phần mềm

Các nước phát triển trên thế giới thì ngày nay hầu như họ đã đạt đến đỉnh cao về công nghệ CNC nói riêng và công nghệ CAD/CAM/CNC nói chung Tuy vậy, trong quá trình tiếp nhận công nghệ thì chúng ta vẫn chưa khai thác được hết các chức năng vì có nhiều lý do Thứ nhất có thể là họ không chuyển giao một cách đầy đủ, thứ hai là do chúng ta không đủ năng lực để tiếp nhận Ngoài ra các nước phát triển họ còn có một bề dày lịch sử về công nghệ CNC, còn chúng ta đi sau hơn ba mươi năm nên bị hạn chế về nhiều mặt Vì vậy việc nghiên cứu công nghệ này là điều cần thiết trong nghành cơ khí chế tạo ở Việt Nam

Nói tóm lại, nhu cầu của khách hàng đối với các nhà cung cấp là sản phẩm phải đáp ứng được các điều kiện sau:

- Hình dáng, mẫu mã phải phù hợp với yêu cầu chức năng

- Sản phẩm phải đạt chất lượng cao

- Thời gian đặt hàng nhanh

- Giá thành sản phẩm rẻ

Vì vậy các công ty cần phải thay đổi giải pháp sản xuất để phù hợp với xu hướng phát triển chung đó là:

- Đầu tư công nghệ phù hợp nhu cầu sản xuất

- Có đội ngũ nhân lực chuyên sâu nhằm mục đích khai thác năng suất của máy móc

- Nâng cao năng lực quản lý và cải thiện môi trường làm việc

Hơn nữa như đã đề cập ở trên là máy phay CNC rất phù hợp cho việc gia công các chi tiết phức tạp, đặc biệt là các chi tiết khuôn mẫu Yêu cầu của các chi tiết khuôn mẫu là độ nhám bề mặt sau khi gia công tinh phải nhỏ (độ bóng cao) nên việc nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khuôn mẫu là rất cần thiết

Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn nên chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu

ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC

“ dùng làm đề tài luận văn tốt nghiệp

Nội dung của luận văn được trình bày trong bốn chương sau đây:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Trong chương này trình bày các vấn đề sau đây:

- Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài

- Nhận xét và nêu ra những vấn đề cần quan tâm

- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Phạm vi nghiên cứu

- Cách tiếp cận

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công:

- Ảnh hưởng của vận tốc cắt (v)

- Ảnh hưởng của lượng chạy dao (s)

- Ảnh hưởng của chiều sâu cắt (t)

- Ảnh hưởng của bán kính dụng cụ (R)

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phay Bao gồm các phần sau:

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Kết quả thực nghiệm

- Xử lý kết quả thực nghiệm

- Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt

- Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu chi phí sản xuất

Chương 4: Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tài liệu

Quá trình phay là một trong những hoạt động gia công cắt gọt kim loại được sử dụng phổ biến với những ứng dụng rộng rãi trong cả gia công thô lẫn gia công tinh Trong quá trình gia công kim loại, quá trình gia công tinh là một trong những quá trình quan trọng nhất Bởi vì nó quyết định độ nhám bề mặt của chi tiết gia công, mà độ nhám bề mặt là yếu tố được sử dụng để quyết định và đánh giá chất lượng của sản phẩm làm ra Vì vậy việc nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt khi gia công tinh là rất cần thiết

Để đạt được độ nhám bề mặt sản phẩm tốt hơn, thì việc lựa chọn các thông số chế độ cắt phải phù hợp trước khi gia công là một điều cốt yếu Người kỹ sư công nghệ có thể sử dụng những thông số tra cứu trong sổ tay công nghệ chế tạo máy Tuy nhiên khi tra cứu như vậy thì nó phụ thuộc vào kinh nghiệm của người kỹ sư công nghệ và khó xác định chính xác được các thông số tối ưu vì trong sổ tay thường thì người ta cho trong một khoảng chứ không phải một giá trị cụ thể Vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra được các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công, sau đó nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và yếu tố bị ảnh hưởng Khi tìm ra mối quan hệ giữa chúng thì chúng ta có thể điều khiển được độ nhám bề mặt theo mong muốn nhờ các kỹ thuật toán tối ưu

Mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt với độ nhám bề mặt gia công đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập đến

Một số công trình nghiên cứu liên quan [22]:

Abdou và Tereshkovich đã xây dựng mô hình đánh giá thông qua thực

nghiệm để xác định các thông số tối ưu trong chế độ gia công cao tốc Nghiên cứu môùi quan hệ giữa tốc độ trục chính, lượng ăn dao và lực cắt tới độ nhám bề mặt, để xác định khả năng thực tế trong gia công tốc độ cao sử dụng động cơ tuyến tính

Jang và Seireg mô tả mô hình dự đoán độ nhám bề mặt, nhiệt độ tại vùng

gia công và phân bố ứng suất dư bề mặt dựïa vào các thông số dụng cụ gia công và chế độ cắt

Những nghiên cứu của Pien và Tomizuka liên quan đến kiểm soát lực cắt

trong nguyên công gia công 2D mà lượng ăn dao được sử dụng để kiểm soát giá trị lực cắt mong muốn Nhiều phương pháp mô tả hiện tượng lực cắt bị “va đập” khi chuyển hướng đột ngột

Kolarits và Devries đã nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi cho việc điều

chỉnh tốc độ ăn dao để đạt được lực cắt không đổi trong quá trình gia công Hệ thống có thể kiểm soát việc tăng năng suất cắt trong quá trình gia công Mô hình động học của lực cắt trong nguyên công tinh tương ứng với việc thay đổi tốc độ ăn dao hay tốc độ trục chính

Những phương pháp luận khác nhau được phân loại thành những mô hình toán học, mô phỏng bằng máy tính và thu nhận dữ liệu phân tích trực tuyến Một số nhà nghiên cứu đã xây dựng những mô hình toán học về các thông số gia công cho phay nhờ đó có thể dự đoán trước lực cắt hay độ nhám bề mặt trong quá trình gia công

Những hỗ trợ của máy tính và những thuật toán tối ưu, những mô hình toán học đã cung cấp các dữ liệu vào máy tính để tính toán và dự đoán trước các giá trị lực cắt Những thảo luận của các bài tiểu luận trên những quan điểm phương pháp luận toán học khác nhau mà những nhà toán học đã sử dụng để biểu diễn những hiện tượng phức tạp của lực cắt và độ nhám bề mặt

Các công trình nghiên cứu và những báo cáo được cho trong bảng 1

Bảng1.1 Tóm tắt các nghiên cứu

ACC: Ràøng buộc điều khiển thích nghi

ACO: Tối ưu điều khiển thích nghi

EBC : Kiểm soát dựa vào thực nghiệm

Qua thực nghiệm quá trình phay người ta cũng đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố riêng biệt như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt Các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thông số chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công [23]

Hình 1.1 Ảnh hưởng của tốc độ cắt đến độ nhám bề mặt

Hình 1.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao đến độ nhám bề mặt

Hình 1.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt gia công bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như vận tốc cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt, bán kính dao, vật liệu gia công, máy gia công, Việc nghiên cứu ảnh hưởng của tổ hợp các yếu tố này đến độ nhám bề mặt có ý nghĩa rất quan trọng trong các hoạt động gia công cơ khí

1.2 Nhận xét

a Đánh giá về những kết quả đã nghiên cứu

Một số công trình nghiên cứu đã được thực hiện cho nguyên công phay và những ý nghĩa khác nhau đã được phát minh để đạt được mong muốn là lực cắt không đổi và độ nhám bề mặt đạt yêu cầu

Các công trình liên quan đến đề tài được thể hiện qua các tài liệu [22], [23], [24],… nó cũng là cơ sở giúp cho chúng ta định hướng được mục tiêu nghiên cứu Trong tài liệu [22] thì nghiên cứu cho trường hợp dao phẳng (chưa thấy dao cầu), có xét đến lực cắt

Trong tài liệu [23] khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt thì nghiên cứu từng yếu tố riêng biệt và các yếu tố còn lại xem như không đổi vì vậy nó không thể hiện được sự tương tác giữa các yếu tố với nhau

b Tình hình nghiên cứu trong nước

Cho đến nay, đã có một số tổ chức, đơn vị thực hiện những đề tài có liên quan đến việc nâng cấp các máy phay vạn năng thành máy phay CNC như: Khoa

Cơ khí Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, công ty chế tạo máy SINCO…

Khoa cơ khí Đại học Bách Khoa TP.HCM đã cùng phối hợp với các chuyên gia liên ngành dệt may, công nghệ thông tin, quản trị sản xuất thực hiện các đề tài, công trình có liên quan như :

- Xây dựng hệ CAD/CAM cắt vật liệu cho một số ngành công nghiệp quan trọng

- Hệ thống CAD/CAM thiết kế mẫu và đục bìa tự động cho các máy Jacquard dệt vải, khăn lông và mền len

c Những vấn đề quan tâm

Vấn đề quan tâm ở đây là khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt thì phải xét thay đổi đồng thời các yếu tố thì nó mới phản ảnh được sự tương tác giữa các yếu tố với nhau

Ngoài việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra thì cũng phải nghiên cứu để làm sao chi phí cho quá trình sản xuất là nhỏ nhất

Tóm lại, nhiệm vụ đặt ra là làm sao phải xác định được chế độ gia công tối ưu để chi phí sản xuất cho quá trình gia công là nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo độ nhám bề mặt yêu cầu

d Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt

vì vậy giới hạn phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu cho quá trình gia công tinh trên máy phay CNC

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là xác định hàm biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt khi gia công trên máy phay CNC Qua đó nhằm giúp cho các nhà sản xuất nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng và giảm giá thành sản phẩm, dẫn đến tăng khả năng cạnh tranh và cuối cùng là lợi nhuận sẽ tăng lên

Giúp doanh nghiệp giảm chi phí đầu tư, chi phí chu kỳ sống của máy móc và dễ dàng cải thiện được các vấn đề liên quan đến chất lượng để hòa nhập với nền kinh tế thế giới

Thêm vào đó nó cũng giúp cho những người đang làm việc trong lĩnh vực CAD/CAM/CNC có cơ sở lý thuyết để từ đó có thể xác định chế độ gia công tối

ưu sao cho độ nhám bề mặt là nhỏ nhất

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Tổng quan các tài liệu liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình phay để tìm ra mức độ ảnh hưởng của các thông số gia công đến độ nhám bề mặt

- Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu độ nhám bề mặt

- Tối ưu hóa quá trình phay CNC theo chỉ tiêu chi phí sản xuất

1.5 Cách tiếp cận

a Nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

- Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước bằng tiếng Việt và tiếng Anh

- Tham khảo các kết quả và công trình đã nghiên cứu ở thư viện cao học Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh

- Nghiên cứu các hệ thống CAD/CAM chuyên nghiệp như Cimatron,

Pro-engineer, Cadkey, MasterCAM…

b Các kỹ thuật áp dụng

- Qui hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần

- Tối ưu hóa

c Các công cụ áp dụng

- Máy phay CNC tại công ty khuôn mẫu Đất Việt

- Máy đo độ nhám tại Phòng Thí Nghiệm Và Đo Lường Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh

- Các phần mềm tối ưu hóa như chương trình tuyến tính bội MLINEAR.EXE, POWELL.EXE

- Phần mềm MATLAB 7.0

Kết luận:

Trong chương 1 chúng tôi đã nghiên cứu tổng quan các tài liệu liên quan đến đề tài, nhận xét tình hình nghiên cứu hiện nay và đưa ra các vấn đề cần quan tâm, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài Trong chương 2 và chương 3 chúng tôi sẽ nghiên cứu cụ thể các nội dung của đề tài đã được đề cập ở trên

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ NHÁM BỀ MẶT GIA CÔNG

2.1 Lý thuyết quá trình phay 2.1.1 Nguyên lý cắt kim loại khi phay

Trong cắt kim loại, để thực hiện một quá trình cắt nào đó cần thiết phải có các chuyển động đó là chuyển động cắt chính, chuyển động chạy dao và chuyển động phụ

- Chuyển động cắt chính là chuyển động cơ bản để tạo ra phoi cắt

- Chuyển động chạy dao là chuyển động cần thiết để tiếp tục tạo ra phoi cắt

- Chuyển động phụ: Bao gồm các chuyển động khác như đưa dao vào, lùi dao ra, chạy dao về cắt lần hai

Chuyển động chính trong quá trình phay là chuyển động quay (v) của dao phay và chuyển động chạy dao là chuyển động tịnh tiến (s) của chi tiết Hình 2.1 sau đây biểu diễn chuyển động chính và chuyển động chạy dao khi phay

Hình 2.1 Chuyển động chính và chuyển động chạy dao khi phay 2.1.2 Khái niệm quá trình cắt gọt

Quá trình cắt gọt là quá trình hớt đi lớp kim loại trên bề mặt cần gia công để có chi tiết đạt hình dạng, kích thước và độ bóng bề mặt theo yêu cầu Các dạng

gia công cơ chủ yếu là tiện, bào, phay, mài…

a Quá trình tạo phoi

Để có thể cắt được kim loại, lực tác dụng vào dao phải lớn hơn sức bền của vật liệu gia công Trị số của công cắt, độ mòn của dụng cụ cắt và chất lượng bề mặt gia công phụ thuộc rõ rệt vào quá trình tạo phoi Do đó việc nghiên cứu quá trình tạo phoi có một ý nghĩa quan trọng

Cơ chế của quá trình tạo phoi như sau:

Khi cắt do tác dụng của lực cắt dao bắt đầu nén vật liệu gia công theo mặt trước Khi dao tiếp tục chuyển động trong vật liệu gia công phát sinh biến dạng đàn hồi, biến dạng này nhanh chóng chuyển sang biến dạng dẻo và một lớp phoi được hình thành di chuyển dọc theo mặt trước của dao Việc nguyên cứu kim tương khu vực tạo phoi chứng tỏ rằng trước khi biến thành phoi, lớp kim loại bị cắt đã trải qua một giai đoạn biến dạng nhất định, nghĩa là lớp kim loại bị cắt và phoi có một khu vực biến dạng nhất định Khu vực này gọi là miền tạo phoi Trong quá trình cắt, miền tạo phoi di chuyển cùng với dao Ngoài ra lớp kim loại bị cắt, sau khi đã bị biến dạng trong miền tạo phoi, khi chuyển thành phoi còn chịu thêm biến dạng phụ do ma sát với mặt trước của dao, mà lớp kim loại kề với mặt trước của dao chịu biến dạng phụ lớn hơn các lớp phía trên Vì vậy biến dạng dẻo của phoi có tính lan truyền

Chiều rộng của miền tạo phoi phụ thuộc tính chất vật liệu gia công và điều kiện cắt (thông số hình học của dao, chế độ cắt…) Trong đó tốc độ cắt có ảnh

hưởng lớn nhất đến chiều rộng của miền tạo phoi Tăng tốc độ cắt thì miền tạo phoi sẽ thu hẹp lại

b Các dạng phoi

Nghiên cứu các dạng phoi cắt có ý nghĩa rất thực tế vì tùy từng loại vật liệu gia công, hình dáng hình học của dao, chế độ cắt, ta sẽ thu được hình dáng phoi cắt khác nhau Do đó căn cứ vào phoi cắt ta có thể đánh giá dụng cụ tốt hay xấu, sự tiêu hao năng lượng nhiều hay ít, bề mặt gia công có bóng hay không Phoi cắt có thể được chia làm các loại như sau

- Phoi vụn : Khi gia công các vật liệu giòn (gang, đồng thau cứng), Các phần

tử của phoi rời nhau

- Phoi xếp: Khi gia công vật liệu dẻo như thép, đồng thau với tốc độ cắt thấp

Mặt phoi tiếp xúc với mặt trước của dao

- Phoi dây: Khi gia công vật liệu dẻo (đồng, thép, nhôm) với tốc độ cắt lớn

Nhiệt sinh ra lớn làm giảm tuổi thọ dụng cụ

2.1.3 Các yếu tố của chế độ cắt khi phay

Vận tốc cắt v (m/phút) là khoảng dịch chuyển tương đối giữa lưỡi cắt đối với bề mặt chi tiết gia công theo hướng chuyển động chính trong một đơn vị thời gian

1000

πD.n

Trong đó: v là vận tốc cắt (m/phút)

n là số vòng quay trục chính (vòng/phút)

D là đường kính dao (mm)

Lượng chạy dao răng s (mm/răng) là lượng dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết khi dao quay được một răng

Lượng chạy dao một vòng quay svòng (mm/vòng) là lượng dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết khi dao quay được một vòng quay

Trong đó: z là số răng của dao phay

Lượng chạy dao phút sphút (mm/phút) là lượng dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết trong một phút

sphút = svòng.n = s.z.n (2.3) Chiều sâu cắt t (mm) là chiều sâu lớp kim loại cắt đi sau một lần chạy dao,

đo theo phương thẳng góc với bề mặt đã gia công

2.1.4 Các phương pháp phay

Khi gia công bằng dao phay trụ hay dao phay đĩa thì có hai phương pháp gia công là phay thuận và phay nghịch Thông thường kiểu gia công thuận hay gia công nghịch chỉ ảnh hưởng trong gia công thô còn trong gia công tinh thì khái niệm gia công thuận nghịch không còn ý nghĩa

a Phay thuận b Phay nghịch Hình 2.2 Biểu diễn phay thuận và phay nghịch Phay thuận : là quá trình phay khi chiều chuyển động của dao phay và chi

tiết trùng nhau (Vận tốc cắt và chiều tiến bàn máy cùng chiều)

Phay nghịch: là quá trình phay mà chiều chuyển động của dao phay và của

chi tiết ngược nhau (Vận tốc cắt và chiều tiến bàn máy ngược chiều)

Khi gia công thuận chiều dày của phôi từ cực đại đến cực tiểu, khi gia công nghịch thì ngược lại

Phương pháp phay nghịch được sử dụng phổ biến vì quá trình cắt ít bị va đập nên việc bảo quản máy và dụng cụ dễ dàng Tuy vậy phay thuận có ưu điểm là không gây nên hiện tượng trượt trên bề mặt khi ăn dao vào do đó độ nhám bề mặt gia công nhỏ đi đồng thời lại có thể nâng cao được năng suất Với cùng một điều kiện gia công, chế độ cắt như nhau thì năng suất phay thuận có thể cao hơn phay nghịch 50% Trong gia công thô với bề mặt phôi có lớp cứng bề mặt thì nên sử dụng gia công nghịch, khi gia công vật liệu mềm hay trong nguyên công gia công tinh thì nên sử dụng gia công thuận như vậy sẽ hiệu quả hơn

2.1.5 Khả năng công nghệ của phay

Tùy theo kết cấu của máy phay, dao chúng ta có thể gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như sau:

Phay mặt phẳng: Để gia công phay mặt phẳng có thể sử dụng dao phay hình

trụ, dao phay mặt đầu, dao phay ngón hoặc dao phay đĩa Tuy vậy, dao phay mặt đầu được sử dụng rộng rãi nhất khi phay mặt phẳng vì năng suất cao, độ cứng vững cao, có thể gia công nhiều bề mặt cùng một lúc, dao dễ chế tạo…

Phay rãnh then: Sử dụng dao phay ngón, phay đĩa

Phay ren : Sử dụng dao phay đĩa hay dao phay răng lược Năng suất cao hơn

so với tiện nhưng độ chính xác thì thấp hơn

Phay định hình: Có thể sử dụng dao định hình để gia công các bề mặt định

hình hay gia công theo các mẫu chép hình trong công nghệ gia công truyền thống Đối với gia công trong điều khiển số thì sử dụng các chương trình

2.2 Tính chất hình học của lớp bề mặt gia công

Khi nghiên cứu tính chất hình học của bề mặt gia công ta cần phân biệt 3 loại

sai lệch là sai lệch hình học đại quan, độ sóng và độ nhám bề mặt Tùy thuộc

vào tỉ lệ giữa chiều dài bước S và chiều cao nhấp nhô H mà phân biệt loại sai lệch

Hình 2.3 Biểu diễn hình học của lớp bề mặt gia công 2.2.1 Sai lệch hình học đại quan

Sai lệch hình học đại quan 

S là chu kỳ không bằng phẳng của bề mặt quan sát trong phạm vi từ 1 đến 10mm

Có 9 cấp độ sóng với các giá trị chiều cao lớn nhất như sau:

Bảng 2.1 Cấp độ sóng bề măt

Cấp độ

Chiều cao sóng lớn nhất (µm)

Bước trung bình của sóng S W là giá trị trung bình số học của các khoảng cách

Wi

S giữa các sóng kế tiếp nhau, cùng đo theo đường trung bình trong giới hạn chiều dài chuẩn

2.2.3 Độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt 

a Khái niệm độ nhám bề mặt

Độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) là tập hợp tất cả những bề lồi, lõm với bước cực nhỏ và được quan sát trên một khoảng ngắn tiêu chuẩn

Hình 2.4 là độ nhám bề mặt gia công được phóng đại lên nhiều lần

Hình 2.4 Biểu diễn độ nhám bề mặt

Để đánh giá độ nhám, trước hết ta phải vẽ được đường thẳng chuẩn Đường thẳng chuẩn là đường trung bình được vẽ sao cho trong phạm vi chiều dài chuẩn l tổng diện tích (phần gạch đứng) từ hai phía (của đường chuẩn) bằng nhau

Chiều dài chuẩn l là chiều dài dùng để đánh giá các thông số của độ nhám (l=0.01 đến 25mm)

• Sai lệch trung bình số học R a là trị số trung bình số học tuyệt đối của profin trong giới hạn chiều dài chuẩn

Ra được xác định theo công thức sau:

Ra = ∫ h dl ≈

l l

0

1

n

h n i

∑

Ở đây: l là chiều dài chuẩn

h là tung độ của profin được đo từ đường thẳng chuẩn

• Chiều cao nhấp nhô trung bình theo 10 điểm R z là tổng trung bình số học

tuyệt đối khoảng cách từ năm đỉnh cao nhất và năm đáy thấp nhất trong giới hạn chiều dài chuẩn

5

HHHHHHHHH

H1 + 3 + 5 + 7 + 9 − 2 + 4 + 6 + 8 + 10 (2.6)

• S m - Bước nhấp nhô theo đường trung bình bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô ( theo đường trung bình) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:

∑

(2.7)

Ở đây: n là bước nhấp nhô (theo đường trung bình) trong phạm vi chiều dài chuẩn

• S - Bước nhấp nhô theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô

(theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:

S =n

S

n

l i

∑

(2.8)

Ở đây: n là bước nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn

Ngoài các thông số trên đây người ta còn đánh giá độ nhám theo chiều cao nhấp nhô lớn nhất Rmax Chiều cao nhấp nhô Rmax là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám (xem hình 2.4)

b Cấp độ nhám bề mặt

Theo tiêu chuẩn nhà nước thì độ nhám bề mặt được chia làm 14 cấp ứng với các giá trị Ra và Rz Độ nhám bề mặt thấp nhất (hay độ nhẵn bóng bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14 (Ra =0.01µm; Rz=0.05µm) Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được cho theo giá trị của Ra hoặc Rz

Trị số Ra được cho khi yêu cầu độ nhám bề mặt cần đạt từ cấp 6 đến cấp 12 (Ra= 2.5÷0.04 µm)

Trị số Rz được ghi trên bản vẽ nếu yêu cầu độ nhám bề mặt cần đạt trong phạm vi từ cấp 1 đến cấp 5 (Rz =320÷20µm) hoặc từ cấp 13 đến cấp 14 (Rz=0.08÷0.05µm)

Bảng 2.2 biểu thị cấp độ nhám và các giá trị chiều dài chuẩn tương ứng

Bảng 2.2 Cấp độ nhám và các giá trị l tương ứng

Ra (µm) Rz (µm) Cấp độ nhám

Không lớn hơn

Chiều dài chuẩn l ( mm)

10 6.3 3.2

1.6 0.8 0.4 0.2

0.25

13

14

0.02 0.01

01

0.05

0.08

2.3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt gia công

Trong quá trình gia công các chi tiết cơ khí nói chung và các chi tiết khuôn nói riêng có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Các yếu tố này có thể ảnh hưởng độc lập và cũng có thể ảnh hưởng đồng thời, mỗi yếu tố ảnh hưởng

ít, nhiều khác nhau đến độ nhám tùy thuộc vào mối quan hệ của nó Sau đây sẽ trình bày ảnh hưởng của mỗi yếu tố riêng biệt đến độ nhám bề mặt để qua đó tùy theo yêu cầu làm việc của mỗi chi tiết mà chúng ta chọn chế độ gia công một cách hợp lý và kinh tế

Các yếu tố ảnh hưởng đến đến độ nhám bề mặt gia công:

- Vận tốc cắt

- Lượng chạy dao

- Chiều sâu cắt

- Vật liệu gia công

- Rung động của hệ thống công nghệ

- Bước dịch dao ngang (side step)

- Kích thước dao

2.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt

Có thể nói rằng vận tốc cắt là yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt của chi tiết, có nghĩa là nó ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết trong quá trình gia công Tốc độ cắt cũng là yếu tố quan trọng quyết định năng suất gia công, tăng tốc độ cắt làm tăng năng suất gia công nhưng đồng thời làm dao chóng

bị mài mòn, hao phí thời gian để thay dao và mài lại, khi đó có thể làm giảm năng suất và tăng giá thành sản phẩm Do đó chúng ta phải chọn chế độ cắt sao cho hợp lý và tối ưu về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế Ở đây tốc độ cắt hợp lý là tốc độ vừa đảm bảo năng suất cao nhất, vừa đảm bảo giá thành hạ nhất Khi cắt thép cacbon ở tốc độ cắt thấp, nhiệt độ cắt không cao, phoi kim loại tách dễ, biến dạng của lớp kim loại không nhiều, vì vậy độ nhám bề mặt thấp Khi tăng tốc độ cắt lên khoảng 15÷20m/phút thì nhiệt cắt và lực cắt đều tăng, gây

ra biến dạng dẻo mạnh, ở mặt trước và mặt sau của dao kim loại bị chảy dẻo Khi lớp kim loại bị nén chặt ở mặt trước dao và nhiệt độ cao làm tăng hệ số ma sát ở vùng cắt sẽ hình thành lẹo dao Đó là một ít kim loại bị chảy và bám vào mặt trước và một phần mặt sau của dao

Khi gia công thép cacbon nếu tốc độ cắt nhỏ (v=1m/phút) thì nhiệt tỏa ra ít và tạo thành phoi vụn Phoi tách ra rất dễ dàng và biến dạng trên bề mặt gia công là không đáng kể Chiều cao nhấp nhô của bề mặt nhỏ

Khi tăng tốc độ 40m/phút trong quá trình tạo phoi sẽ tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn Dưới tác dụng của lực, lớp kim loại bị ép vào mặt trước của dao và với nhiệt độ cao như vậy nó sẽ làm tăng hệ số ma sát và làm cho lớp kim loại dính vào mặt trước của dao tạo thành lẹo dao Trong khoảng tốc độ v = 20 – 40 m/ph lẹo dao có giá trị lớn nhất và bền vững nhất

Nếu tiếp tục tăng tốc độ cắt, nhiệt tỏa ra sẽ nhiều hơn Khi đó phần lẹo dao được đốt nóng nhanh hơn các phần còn lại và nó lại bị mềm ra, lực dính kết của lẹo dao không thắng nổi lực ma sát do phoi tạo ra do đó nó bị cuốn đi và lẹo dao mất Vì vậy lẹo dao giảm dần và trong khoảng tốc độ cắt v = 60 – 70 m/ph thì sẽ triệt tiêu

Độ nhám của bề mặt gia công phụ thuộc chủ yếu vào quá trình tạo phoi và hiện tượng lẹo dao, vì vậy nếu như có thể thì chúng ta nên chọn vận tốc ở những vùng lẹo dao càng ít càng tốt

Sau đây là đồ thị biển diễn sự quan hệ giữa vận tốc cắt và độ nhám bề mặt (tài liệu [2] )

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa vận tốc cắt và độ nhám bề mặt

Khi gia công kim loại giòn (gang) các mảnh kim loại bị trượt và vỡ ra không theo thứ tự do đó làm tăng độ nhám bề mặt Tăng tốc độ cắt sẽ giảm được hiện tượng vỡ vụn của kim loại và như vậy giảm độ nhám bề mặt

2.3.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao

Lượng chạy dao là thành phần thứ hai ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt Khi cắt với lượng chạy dao nhỏ (s < 0.05 mm/vòng) thì độ nhám không những không được giảm mà lại tăng lên vì nó làm giảm chiều sâu cắt của phoi và làm tăng chiều dày của đoạn kim loại biến dạng

Trong trường hợp giảm lượng chạy dao s thì áp lực sẽ tăng, mức độ biến dạng dẻo của bề mặt gia công và của phoi cũng tăng dẫn đến làm tăng độ nhám bề mặt

Khi tiện với lượng chạy dao s < 0.12 mm/vòng thì độ nhám không giảm theo đường cong parabol mà giảm theo đường cong 2 hoặc tăng theo đường cong 1

[2]

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa lượng chạy dao và độ nhám bề mặt

Như vậy, ngay cả khi gia công với lượng chạy dao nhỏ nhất vẫn không loại trừ hoàn toàn độ nhấp nhô bề mặt mà trong trường hợp đó chiều cao nhấp nhô xác định bởi chiều dày nhỏ nhất và biến dạng dẻo của vật liệu gia công Như trên hình vẽ 2.6, khi lượng chạy dao thay đổi trong khoảng (0.02 – 0.1) mm/vòng rất ít ảnh hưởng đến chiều cao nhấp nhô

Để đảm bảo độ cao nhấp nhô nhỏ nhất và năng suất cao khi gia công tinh thép cacbon cần chọn lượng chạy dao trong khoảng s = (0.05 – 0.12) mm/vòng Khi gia công hợp kim màu bằng dao tiện kim cương thì giá trị f có thể giảm và chọn lượng chạy dao trong khoảng s = (0,01 – 0.03) mm/vòng

2.3.3 Ảnh hưởng của chiều sâu cắt

Chiều sâu cắt nhìn chung không có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bề mặt Tuy nhiên nếu chiều sâu cắt quá lớn thì rung động trong quá trình cắt tăng, do đó độ nhám có thể tăng Ngược lại, chiều sâu cắt quá nhỏ sẽ làm cho dao bị trượt trên bề mặt gia công và xảy ra hiện tượng cắt không liên tục, do đó độ nhám bề mặt lại tăng Hiện tượng gây trượt dao thường ứng với giá trị của chiều sâu cắt trong khoảng 0.02÷0.03mm Vì vậy không nên chọn chiều sâu cắt quá bé

2.3.4 Ảnh hưởng của vật liệu gia công

Vật liệu gia công ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt (độ nhấp nhô tế vi) chủ yếu là do khả năng biến dạng dẻo Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo làm cho độ nhám bề mặt tăng hơn so với vật liệu cứng và giòn

Để đạt độ nhám bề mặt thấp (độ nhẵn bóng bề mặt cao) người ta thường tiến hành thường hóa thép cacbon ở nhiệt độ 850÷870oC trước khi cắt gọt

Độ cứng của vật liệu gia công tăng thì chiều cao nhấp nhô tế vi giảm và hạn chế ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi Khi độ cứng của vật vật liệu gia công đạt tới giá trị HB=5000N/mm2 thì ảnh hưởng của tốc độ cắt tới chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) hầu như không còn Mặt khác, giảm tính dẻo của vật liệu gia công bằng biến cứng bề mặt cũng làm giảm chiều cao nhấp nhô tế vi

2.3.5 Ảnh hưởng do rung động của hệ thống công nghệ

Quá trình rung động trong hệ thống công nghệ tạo ra chuyển động tương đối có chu kỳ giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, làm thay đổi điều kiện ma sát, gây nên độ sóng và nhấp nhô tế vi trên bề mặt gia công Sai lệch của các bộ phận máy làm cho chuyển động của máy không ổn định, hệ thống công nghệ sẽ có giao động cưỡng bức, nghĩa là các bộ phận máy khi làm việc sẽ có rung động với những tần số khác nhau, gây ra sóng dọc và sóng ngang trên bề mặt gia công với bước sóng khác nhau Khi hệ thống công nghệ có rung động, độ sóng và độ nhấp nhô tế vi dọc sẽ tăng nếu lực cắt tăng, chiều sâu cắt lớn và tốc độ cắt cao, ví dụ khi mài

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

Độ nhám của bề mặt gia công còn phụ thuộc vào độ cứng vững của chi tiết khi kẹp chặt Ví dụ, khi kẹp chi tiết gia công dạng trục một đầu (kẹp côngxôn), độ nhám bề mặt tăng dần từ đầu được kẹp chặt sang đầu không được kẹp chặt Khi chi tiết gia công được chống tâm hai đầu thì độ nhám bề mặt tăng dần từ hai

đầu tới tâm của chi tiết

2.3.6 Ảnh hưởng của bước dịch dao ngang và bán kính dao

Khi gia công tinh các bề mặt ngoài ảnh hưởng của bán kính dao, độ cong của bề mặt tại vị trí gia công thì bước dịch dao ngang cũng ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt Đối với dao phẳng thì bước dịch dao ngang được chọn phải nhỏ hơn đường kính dao Vì nếu chọn bước dịch dao ngang lớn hơn đường kính thì dao sẽ không cắt hết được lượng dư gia công

Hình vẽ sau đây biểu diễn bước dịch dao ngang (l) của dao phẳng

Hình 2.7 Bước dịch dao ngang của dao phẳng

l

Còn đối với dao cầu thì ta phải chọn bước dịch dao ngang phụ thuộc vào độ nhám bề mặt gia công (h)

Hình 2.8 Bước dịch dao ngang của dao cầu

Khi gia công tinh các bề mặt cong thì chúng ta chỉ dùng dao cầu còn dao phẳng thì dùng để gia công các mặt phẳng Thực tế các chi tiết khi gia công trên máy phay CNC có dạng mặt cong hoặc là các bề mặt phức tạp nên bắt buộc phải sử dụng dao cầu Vì vậy ở mục này chúng tôi sẽ nghiên cứu về dao cầu là chủ yếu

Các dạng bề mặt gia công trong thực tế thường là một trong bốn dạng sau:

- Mặt phẳng

- Mặt phẳng nghiêng

- Mặt cong lồi

- Mặt cong lõm

Sau đây chúng tôi sẽ trình bày sự ảnh hưởng của bước dịch dao ngang, bán kính dao và bán kính cong của bề mặt gia công đến độ nhám bề mặt ứng với các dạng bề mặt khác nhau

l

h

a Mặt gia công là mặt phẳng

Trường hợp bề mặt gia công là mặt phẳng, các thông số liên quan đến việc tính toán độ nhám được cho trên hình 2.9

Hình 2.9 Độ nhám trên mặt phẳng

Từ hình vẽ trên ta tính được độ nhám bề mặt:

Trong đó: AC = R

1 2

l là bước dịch dao ngang (sidestep)

h là độ nhám bề mặt

R là bán kính dụng cụ

Thay vào biểu thức (2.9) ta có được công thức tính độ nhám bề mặt:

h = R -

4

lR

b Mặt gia công là mặt phẳng nghiêng

Trường hợp bề mặt gia công là mặt phẳng nghiêng, các thông số liên quan

đến việc tính toán độ nhám được cho trên hình 2.10

Hình 2.10 Độ nhám trên mặt phẳng nghiêng

Từ hình vẽ trên ta tính được độ nhám bề mặt:

Trong đó: AC = R

1 2

α là góc nghiêng của bề mặt gia công với mặt ngang

Thay vào biểu thức (2.12) ta có được công thức tính độ nhám bề mặt:

h = R

-α4cos

c Mặt gia công là mặt cong lồi

Trường hợp bề mặt gia công là mặt cong lồi, các thông số liên quan đến việc

tính toán độ nhám được cho trên hình 2.11

Hình 2.11Độ nhám trên mặt cong lồi Từ hình vẽ trên ta tính được độ nhám bề mặt:

Trong đó: OA = ρ

1 2

1 2

Rρ

OO1 = +

α là góc hợp bởi trục dao và phương tính nhấp nhô

ρ là bán kính cong của bề mặt gia công

Thay vào biểu thức (2.15) ta có được công thức tính độ nhám bề mặt:

α4cos

lR

l

2

Từ biểu thức (2.16) ta tính được bước dịch dao ngang theo bán kính dao R, độ nhám bề mặt h, bán kính cong bề mặt ρ và góc nghiêng α như sau:

l =

hρ

hh4h4ρh4Rρh8RRh4Rh8ρ

+

d Mặt gia công là mặt cong lõm

Trường hợp bề mặt gia công là mặt cong lõm, các thông số liên quan đến việc tính toán độ nhám được cho trên hình 2.12

Hình 2.12 Độ nhám trên mặt cong lõm

Từ hình vẽ trên ta tính được độ nhám bề mặt:

Trong đó: OA = ρ

1 2

1 2

Rρ

OO1 = −

α là góc hợp bởi trục dao và phương tính nhấp nhô

ρ là bán kính cong của bề mặt gia công

Thay vào biểu thức (2.18) ta có được công thức tính độ nhám bề mặt:

h = ρ - ( )

α4cos

lR

hh4h4Rh4ρρh8RRh4Rh8ρ

−

−+

2

Mặt gia công là mặt phẳng nghiêng: h = R

-α4cos

lR

2 2

−+ - ρ -

α4cos

lR

2 2

−

α4cos

l

2

2.3.7 Ảnh hưởng của hình dáng dao

Việc lựa chọn kích thước dao có ảnh hưởng rất nhiều đến độ nhám bề mặt của chi tiết gia công Nếu kích thước dao quá lớn thì sẽ gia công không hết lượng

dư hoặc là gia công phạm vào chi tiết Ngược lại nếu cho kích thước dao quá nhỏ thì dẫn đến thời gian gia công quá lâu làm ảnh hưởng đến năng suất và không có hiệu quả kinh tế Trong một số trường hợp nếu chọn dao không hợp lý thì có khả năng không gia công được Vì vậy khi chọn dao cho một quá trình cắt gọt nào đó thì người lập trình phải xem xét hình dáng cụ thể của bề mặt mà chọn dao cho hợp lý

Có thể nói rằng dao là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của chi tiết trong quá trình gia công trên máy CNC, việc lựa chọn dao cắt cho phù hợp với yêu cầu là một trong những vấn hết sức cần thiết và quan trọng, vì vậy chúng ta phải lưu ý trong khi chọn dao để gia công một bề mặt nào đó của chi tiết Việc chọn loại (dạng) dao, đường kính, kích thước, các góc cắt… thì nó phụ thuộc vào bề mặt chi tiết cần gia công cụ thể đồng thời nó cũng phụ thuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người lập trình gia công Sau đây là một số yếu tố của dao mà thường gây ảnh hưởng đến chất lượng của chi tiết

Khi gia công các mặt cong nếu chọn dao không phù hợp thì dẫn đến bề mặt gia công sẽ bị cắt lẹm và làm cho chi tiết trở thành phế phẩm

Khi gia công các bề mặt nghiêng hoặc cong nếu chọn dao phẳng thì bề mặt được tạo thành sẽ có các đường bậc Còn nếu chọn dao cầu mà đường kính dao không phù hợp thì có thể nó sẽ không cắt hết hoặc là nó sẽ cắt lẹm vào chi tiết Sau đây là vài ví dụ cụ thể để minh họa cho các trường hợp này

- Trường hợp gia công mặt cong bằng dao phẳng

Hình 2.13 Gia công mặt cong bằng dao phẳng

- Trường hợp trên có thể khắc phục bằng cách chọn dao cầu (khi gia công mặt cong bằng dao cầu nếu bán kính cong của bề mặt nhỏ hơn bán kính của dao thì vẫn bị cắt lẹm hoặc cắt không hết)

Hình 2.14 Gia công mặt cong bằng dao cầu

- Trường hợp gia công mặt nghiêng bằng dao phẳng

Hình 2.15 Gia công mặt nghiêng bằng dao phẳng

Nói chung trên đây là một vài hình ảnh ví dụ để minh họa cho thấy sự ảnh hưởng của hình dáng, bán kính dao đến độ nhám bề mặt gia công Tuy nhiên, chúng ta không thể nào nói hết được các trường hợp phức tạp khác mà trong thực tế khi gia công thì người lập trình gia công cần dựa vào từng điều kiện cụ thể để chọn dao một cách hợp lý

Một số gợi ý khi chọn dao:

- Chọn dao đường kính lớn ứng với gia công phá, có thể gia công phá bằng nhiều dao khác nhau

- Bán kính dao phải nhỏ hơn bán kính cong của bề mặt tại vị trí gia công ứng với gia công tinh

- Không nên chọn dao quá nhỏ vì nếu như vậy thì sẽ không đủ độ vững (trừ

trường hợp bắt buộc)

Bài toán ở đây là tìm ra ảnh hưởng của yếu tố đầu vào (một hay nhiều yếu tố) đối với yếu tố đầu ra (một hay nhiều yếu tố) ứng với một điều kiện gia công được biết trước Các yếu tố đầu vào được giới hạn trong phạm vi nào đó (do người nghiên cứu đưa ra), sau đó xét ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố này đến kết quả của yếu tố đầu ra

Sau đây phương pháp nghiên cứu sẽ được trình bày cụ thể

3.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm

Để xác định ảnh hưởng của các thông số vận tốc cắt (v), lượng chạy dao (s), chiều sâu cắt (t), bán kính dao (R) đến độ nhám bề mặt thì chúng ta tiến hành nghiên cứu bằng con đường thực nghiệm, vì nó không những cho ta kết quả chính xác mà nó còn phản ảnh tính thực tiễn của vấn đề nghiên cứu

Theo mức độ phát triển của khoa học, việc thực nghiệm có thể tiến hành bằng hai cách:

Cách 1: Tổ chức thí nghiệm theo phương pháp hồi qui cổ điển (phương pháp

cộng tác dụng)

Với phương pháp hồi qui cổ điển, chúng ta cho thay đổi lần lượt các yếu tố, còn các yếu tố khác không đổi

Ví dụ khảo sát đại lượng y theo các yếu tố ảnh hưởng x1, x2, x3 chẳng hạn Việc tiến hành thí nghiệm lần lượt theo ba bước:

Bước 1: khảo sát quan hệ y- x1 với x2, x3 không đổi

Bước 2: khảo sát quan hệ y- x với x , x không đổi

Bước 3: khảo sát quan hệ y- x3 với x1, x2 không đổi

Phương pháp này có ưu điểm là công việc chuẩn bị thí nghiệm đơn giản, tính toán xử lý kết quả thuận tiện, còn nhược điểm là số thí nghiệm rất nhiều và chi phí thực nghiệm cũng tăng theo và không làm rõ được tương tác giữa các yếu tố

Cách 2: Tổ chức thí nghiệm theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm yếu tố

toàn phần

Với phương pháp này khi thực nghiệm cho phép đồng thời thay đổi nhiều yếu tố, nhờ vậy mà hiệu ứng tương tác giữa các yếu tố được đưa vào kết quả thí nghiệm Nhờ thay đổi đồng thời nhiều yếu tố nên số lượng thí nghiệm sẽ giảm đi rất nhiều

Đối với phương pháp này thì bài toán trở nên phức tạp hơn và đòi hỏi phải có trình độ cần thiết nào đó mới giải được Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin nên việc giải bài toán trở nên đơn giản

Tổ chức thí nghiệm theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm yếu tố toàn

phần sẽ giảm bớt số lượng thí nghiệm, có xét đến sự tương tác giữa các yếu tố và

có thể giải bài toán nhờ phần mềm nên chúng tôi chọn phương pháp này để tiến

hành nghiên cứu thực nghiệm Sau đây nội dung của phương pháp sẽ được trình bày

Những thực nghiệm mà mọi tổ hợp của các mức thuộc các yếu tố điều được thực hiện để nghiên cứu gọi là thực nghiệm yếu tố toàn phần

Gọi k là số các yếu tố độc lập và mỗi yếu tố có n mức thay đổi thì số thí nghiệm phải thực hiện là:

∆ là khoảng biến đổi của Xj

Sau đây là ma trận hoạch định yếu tố toàn phần 2 mức 3 thông số

Bảng 3.1 Ma trận hoạch định yếu tố toàn phần

X0 là biến ảo, đưa vào để tiện cho việc nghiên cứu

Ma trận qui hoạch trên có tính chất trực giao Có nghĩa là tích của hai cột bất kỳ của ma trận qui hoạch luôn bằng không

Giả sử phương trình hồi qui tuyến tính có dạng:

y∗ = b0 + b1x1 + b2x2 +b3x3 + b4x4 (3.4) Theo phương pháp bình phương nhỏ nhất, các tham số trong phương trình hồi qui được xác định như sau:

bbb

b = (XTX)-1 XTX =

08/100

008/10

0008/1

N

1 i 2i

N

1 i 1i

N

1 i 0i

yx

yx

yx

yx

ty Giày Thái Bình,… Sau đây là hình ảnh và một số đặc tính của máy CNC SUNLY 850

Hình 3.1 Mô hình của máy CNC SUNLY 850

Hình 3.2 Bảng điều khiển của máy CNC SUNLY 850 Một số đặc tính kỹ thuật của máy phay CNC SUNLY 850:

- Độ dài các trục :

Trục x: 800 mm