ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI: NGHIÊN CỨU MIỀN ỔN ĐỊNH TRONG QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG VÀ TIÊU CHÍ RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH . Tài liệu gồm 135 trang.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI: NGHIÊN CỨU MIỀN ỔN ĐỊNH TRONG QUÁ TRÌNH PHAY CNC TỐC ĐỘ CAO BẰNG VÀ TIÊU CHÍ RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH . Tài liệu gồm 135 trang.
Giới thiệu chung về gia công phay CNC tốc độ cao
Khái niệm ổn định
1.2.1.Khái niệm về ổn định và mất ổn định trong quá trình phay
Để đạt được độ chính xác, độ bóng bề mặt cao và tuổi thọ của dụng cụ cắt trong gia công cắt gọt, hệ thống công nghệ cần phải hạn chế rung động hoặc duy trì trong giới hạn cho phép Rung động là hiện tượng không thể tránh khỏi trong quá trình gia công, và nó có thể gây ra sự mất ổn định, ảnh hưởng tiêu cực đến độ chính xác, chất lượng bề mặt và tuổi thọ của dụng cụ cắt.
Quá trình cắt với các chuyển động cắt đều có thể được xem như có động học quán tính, trong đó trạng thái quán tính chỉ có thể bị phá vỡ khi có tác động của một lực tuần hoàn nhất định Lực này gây ra sự dao động của hệ thống công nghệ đàn hồi và dần dần tắt David A Stephenson và John Agapiu đã định nghĩa sự ổn định trong quá trình cắt như một yếu tố quan trọng trong việc duy trì hiệu suất cắt.
Quá trình cắt được xem là mất ổn định khi xuất hiện sự gia tăng rung động, dẫn đến việc dụng cụ cắt rung với biên độ ngày càng lớn hoặc di chuyển xa khỏi vị trí cân bằng cho đến một giới hạn nhất định.
Quá trình cắt được coi là ổn định khi dụng cụ cắt chịu tác động sẽ đạt được vị trí cân bằng thông qua dao động tắt dần hoặc duy trì ở mức dao động thấp hơn.
Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vị trí
- Một hệ thống được gọi là mất ổn định tĩnh học nếu nguyên nhân gây ra rung động là những lực kích thích phụ thuộc vào vận tốc.
Rung động của hệ thống là hiện tượng phổ biến trong hoạt động của máy công nghiệp, có thể dẫn đến giảm chi phí và chất lượng trong gia công Hậu quả của rung động bao gồm sự giảm hiệu suất làm việc, tăng hao mòn thiết bị và giảm độ chính xác trong sản phẩm.
- Không cho phép sử dụng hết công suất của máy hoặc khả năng căt của dụng cụ.
Phá hủy cơ học dụng cụ, đặc biệt là khi gãy răng dụng cụ có nhiều lưỡi cắt, có thể gây ra các lực động học làm tăng ứng suất cho các chi tiết máy Sự dao động của hệ thống góp phần làm gia tăng tải trọng lên các bộ phận của dụng cụ và máy móc, dẫn đến nguy cơ hư hỏng.
- Tăng độ nguy hiểm phá hủy cơ học của lưỡi cắt dụng cụ, đặc biệt với các dụng cụ kém giòn(hợp kim cứng, gốm…)
Giảm độ chính xác hình học và độ nhấp nhô bề mặt của chi tiết gia công là vấn đề quan trọng, đặc biệt trong các nguyên công gia công tinh Điều này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn gây ra tiếng ồn trong môi trường làm việc.
Hình 1.3.a Biểu diễn chế độ gia công ổn định , vì biểu đồ theo phương Z là hội tụ
Hình 1.3.b Biểu diễn chế độ gia công không ổn định , vì biểu đồ theo phương Z là phân kỳ. a Quá trình phay ồn định b Quá trình phay mất ồn định
Hình 1.3: Quá trình phay ổn định và mất ổn định 1.2.2 Biểu đồ ổn định
Người ta sử dụng nhiều cách để loại bỏ chatter như:
- Xác định chế độ cắt tối ưu.
- Xác định thông số dao cắt tối ưu.
- Tăng độ cứng vững và giảm chấn của hệ thống dao cắt.
- Triệt tiêu hoạc giảm bớt dao động
- Sử dụng các biện pháp tản nhiệt khác.
Biểu đồ ổn định Tlusty và Tobias là công cụ phổ biến để xác định thông số cắt tối ưu, giúp xác định vùng làm việc ổn định không có hiện tượng chatter Biểu đồ này dựa vào hai thông số chính là tốc độ cắt và chiều sâu cắt để phân tích tính ổn định của quá trình cắt Nhờ vào biểu đồ ổn định, người dùng có thể xác định chế độ cắt tối ưu cho năng suất cao nhất mà vẫn đảm bảo tính ổn định Trước đây, khi sử dụng tốc độ cắt thấp, vùng ổn định rất hẹp, không thể nâng cao năng suất, nhưng hiện nay, việc chọn chế độ cắt phù hợp đã giúp tăng năng suất đáng kể.
Hình 1.4 Biểu đồ ổn định 1.2.3.Nguyên nhân gây mất ổn định.
Rung động là nguyên nhân chính gây mất ổn định trong quá trình cắt, bao gồm các loại rung động như rung động cứng bức, rung động riêng và tự rung Trong đó, rung động riêng đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả của quá trình cắt.
Rung động riêng trong hệ thống máy, đồ gá và dụng cụ chi tiết gia công có thể xảy ra do va đập tại các nút như khi đóng li hợp răng hoặc vào khớp của dụng cụ Mặc dù ảnh hưởng của rung động này trong quá trình cắt thường không đáng kể do tốc độ dao động nhanh, nhưng nó vẫn có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định đặc tính của quá trình gia công.
Rung động riêng tự duy trì nhờ vào lực đàn hồi, với chu kỳ và tần số không bị ảnh hưởng bởi độ lệch ban đầu cũng như vận tốc ban đầu của phần tử dao động.
Phương trình vi phân chuyển động của dao động riêng có dạng.
(1.1) Trong đó : là lực quán tính là lực cản tỉ lệ vận tốc chuyển động lắc là lực đàn hồi tỉ lệ độ lắc b) Rung động cững bức.
Nguyên nhân gây ra rung động trong hệ thống dao động của máy móc, đồ gá, dụng cụ và chi tiết gia công là do các lực tuần hoàn biến đổi theo thời gian Những lực này có thể xuất hiện bên ngoài bộ phận máy hoặc trong cơ cấu chuyển động, như phụ thuộc vào chuyển động của chi tiết hoặc dụng cụ Theo cách phân loại, lực kích động gây rung động được chia thành hai nhóm chính.
- Lực kích động không liên quan đến quá trình cắt
- Lực kích động có liên quan đến quá trình cắt.
• Lực kích động không liên quan đến quá trình cắt.
Dao động cưỡng bức là hiện tượng phổ biến trong thực tế, ảnh hưởng lớn đến chất lượng quá trình cắt hơn là yếu tố kinh tế Những dao động này có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau.
Dao động trong hệ thống máy móc thường do lực chu kỳ gây ra, bắt nguồn từ các va đập chu kỳ xung quanh Những dao động này có thể xuất hiện do các chi tiết quay không cân bằng, bộ phận chuyển động chế tạo không chính xác hoặc bị mòn, cũng như ổ trục chính và sống trượt bị hư hỏng Thêm vào đó, tải trọng phát sinh trong quá trình tăng tốc hoặc hãm các bộ phận nặng cũng góp phần làm gia tăng dao động.
- Rung động được truyền bởi nền nhà và chuyền qua móng máy
• Lực kích động có liên quan đến quá trình cắt.
Loại hình dao động cưỡng bức này có hai dạng
Dao động do lượng dư gia công không đều thường xảy ra khi gia công các chi tiết như đục, rèn hoặc các bán thành phẩm khác có biến dạng không đồng nhất Loại dao động này ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm và quá trình gia công.
Kết luận
Xây dựng biểu đồ ổn định cho máy CNC trên thế giới đã có và đa dạng nhưng có những hạn chế theo từng khan giả
PGS.TS Dương Phúc Tý đã tiến hành nghiên cứu máy phay 6P13B, tập trung vào việc xác định chế độ cắt hợp lý nhằm ổn định quá trình phay Nghiên cứu này dựa trên mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và lượng tiến dao, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí.
TS Phan Văn Hiếu tiến hành nghiên cứu để xác định miền ổn định trong quá trình gia công trên máy phay CNC ba trục tốc độ cao Nghiên cứu này dựa trên mối quan hệ giữa chiều sâu cắt và tốc độ trục chính, nhằm cải thiện hiệu suất gia công và đảm bảo độ chính xác trong sản xuất.
Chúng em nghiên cứu miền ổn định dựa vào tiêu chí rung động và âm thanh
Cơ sở lý thuyết của quá trình phay CNC tốc độ cao
Máy và kết cấu máy phay CNC tốc độ cao
Phải có độ cứng vững cao, chống rung động.
Công suất của động cơ trục chính phải đủ.
Độ cứng vững tĩnh và động của trục chính phải cao.
Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao.
Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công 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 phay CNC tốc độ cao. a Động cơ dẫn động trục chính
Động cơ trục chính cần có công suất lớn để duy trì tốc độ quay cao, đặc biệt là trong máy gia công cao tốc Để đáp ứng yêu cầu này, người ta thường sử dụng các động cơ servo điều khiển vô cấp với công suất cao.
Trục chính được điều khiển bởi động cơ servo trong chế độ vòng lặp kín, sử dụng công nghệ số để đảm bảo tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao, ngay cả khi chịu tải nặng.
Hệ thống điều khiển chính xác giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính giúp tăng momen xoắn và gia tốc nhanh chóng, cho phép người sử dụng đạt được tốc độ cao cho trục chính một cách hiệu quả.
Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh là yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất trong gia công Máy công cụ có tốc độ tăng tốc và giảm tốc cao giúp duy trì vùng tốc độ chạy dao ổn định trong suốt quá trình cắt, từ đó cải thiện hiệu quả làm việc.
Hình 2.1 Kết cấu máy gia công tốc độ cao
- Các dạng điều khiển trục chính :
Hình 2.2 Các loại truyền động trục chính.
- Truyền động từ động cơ đến trục chính thông qua dây đai.
- Sự kết hợp giữa momen và tốc độ tạo ra nhiều sự lựa chọn cho chế độ làm việc.
- Ưu điểm chính là nó có thể cải thiện được tốc độ trục chính lên đến 60.000 v/ph
- Tạo ra quá trình làm việc êm.
Máy công cụ tốc độ cao có khả năng duy trì tốc độ 10.000 vg/ph ngay cả trong chế độ tải nặng Để đạt được hiệu suất tối ưu, trục chính cần có độ cứng vững tĩnh và động cao, cùng với độ ổn định nhiệt tốt Các ổ đỡ phải được thiết kế để chịu được tần số vòng quay cao, và cần kiểm tra kỹ lưỡng về kích thước, kiểu dáng, số lượng, phương pháp bôi trơn và vật liệu làm ổ Đặc biệt, kiểu ổ đỡ hoàn toàn bằng ceramic có thể là một yêu cầu cần thiết cho quá trình gia công 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 dao cần đảm bảo đồng tâm cao và cân bằng tốt để giảm thiểu rung động máy Khi số vòng quay tăng, lực ly tâm cũng tăng theo bình phương vận tốc, dẫn đến sự mất cân bằng nếu hệ thống không đạt yêu cầu Do đó, việc kẹp chặt dao và duy trì độ đồng tâm cao cho trục chính là rất quan trọng Bộ điều khiển CNC cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Bộ điều khiển CNC cần xử lý nhanh chóng và hiệu quả, với xu hướng phát triển tập trung vào việc giảm thời gian xử lý các khối lệnh và nâng cao khả năng dự đoán trước (look ahead) Ngoài ra, bộ điều khiển cũng phải có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS để tối ưu hóa quá trình gia công Hệ thống dẫn động bàn máy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của máy CNC.
Hệ thống dẫn động bàn máy trong HSM (High-Speed Machine) cần đảm bảo độ chính xác cao trong việc dịch chuyển, đồng thời hoạt động êm ái với khả năng tăng tốc và tự hãm hiệu quả Để đạt được điều này, hệ thống truyền động vít me-đai ốc bi được sử dụng và được dẫn động trực tiếp bởi các động cơ servo.
Hình 2.5 Vít me- đai ốc bi Ưu điểm của Vít me- đai ốc bi :
- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9.
- Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ.
- Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Để đảm bảo độ chính xác trong công việc lâu dài, việc sử dụng bàn máy xoay là rất quan trọng, đặc biệt cho các máy 4 trục hoặc 5 trục Bàn máy và đồ gá không chỉ giúp tăng cường độ chính xác mà còn nâng cao năng suất và tính vạn năng trong quá trình sản xuất.
Hình 2.6 Bàn xoay trên máy CNC
- Ứng dụng của bàn xoay
Bàn xoay CNC tăng cường tính vạn năng cho máy CNC, đặc biệt là các bàn xoay 2 trục, cho phép nghiêng bàn để gia công các bề mặt phức tạp như cánh tua bin và cánh chân vịt tàu thủy Phạm vi sử dụng của chúng rất rộng, chủ yếu phục vụ cho việc gia công các chi tiết với nhiều dạng bề mặt khác nhau.
Các bề mặt định hình (như bề mặt cam, khuôn ép…).
Cắt ren vít trong và ngoài.
Gia công bánh rang và dao cắt nhiều lưỡi có rang thẳng hoặc rang xoắn.
Cắt rãnh thẳng và xoắn….
Các bề mặt nghiêng. Đối với bàn xoay nhiều trục, có thể tiến hành gia công cùng một lúc nhiều chi tiết Điều này làm :
Tăng khả năng công nghệ máy.
Tăng năng suất gia công.
Giảm thời gian tháo lắp và điều khiển dụng cụ.
Giảm thời gian gia công cơ bản. f Hệ thống than máy và đế máy
Khung máy và các hệ thống hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát và hệ thống kẹp chặt cần có độ cứng vững cao để chịu được ứng suất tĩnh trong gia công cao tốc Thiết bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền để đảm bảo an toàn khi có sự cố về dao An toàn là ưu tiên hàng đầu trong gia công cao tốc.
Máy phay cao tốc thường nặng hơn 1.5 lần và có đế rộng hơn so với máy CNC cùng kích cỡ, giúp tăng cường độ ổn định Thân máy được chế tạo từ gang đúc không có khuyết tật, đảm bảo độ cứng vững tối ưu Hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế của máy.
Gia công tốc độ cao đòi hỏi hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất cao để làm mát dao hiệu quả Ở tốc độ quay cao, sự xuất hiện của xung quay dao cắt tạo ra vùng gió xoáy, khiến phương pháp làm nguội truyền thống không còn hiệu quả Để đáp ứng yêu cầu thay dao nhanh, dung dịch trơn nguội cần phải sạch hơn so với thông thường, do đó hệ thống cấp dung dịch phải có khả năng lọc tốt.
Khi gia công ở tốc độ cao, nhiệt độ sinh ra rất lớn, khiến dung dịch trơn nguội không còn hiệu quả Khoảng 70-80% nhiệt được thoát ra qua phoi, vì vậy cần tăng khả năng thoát phoi khỏi bề mặt gia công để giảm nhiệt và tránh cào xước Do đó, trong gia công tốc độ cao (HSM), khí nén được sử dụng để thổi bay phoi, và trong một số trường hợp, phun sương với áp suất cao cũng được áp dụng để nâng cao hiệu quả làm mát.
2.1.3 Máy phay tốc độ cao thường dùng.
Trong gia công cao tốc, các máy công cụ như trung tâm gia công phay ngang và phay đứng 3 trục (HMC, VMC) đang được sử dụng phổ biến Mặc dù trung tâm gia công đứng gặp khó khăn trong việc thoát phoi, nhưng chúng lại là lựa chọn tiết kiệm chi phí Hiện nay, trung tâm gia công ngang đang trở nên phổ biến trong gia công cao tốc Tuy nhiên, với sự đầu tư mới vào HSM, xu hướng sẽ chuyển dần sang việc sử dụng các trung tâm HMC Máy phay CNC 4 trục cung cấp giải pháp nghiêng dao phay nhằm cải thiện hiệu suất cắt.
5 trục với những đơn vị trục có thể thay thế cho phép gia công thô, bán tinh và gia công tinh với một chế độ thiết lập.
Dụng cụ cắt
Trong số các dụng cụ cắt phổ biến, cacbit nổi bật nhờ độ dẻo dai cao, mặc dù độ cứng kém hơn so với nitrilbo (CBN) và gốm sứ Để nâng cao độ cứng và khả năng chịu mài mòn, cacbit thường được phủ lớp hóa chất như TiN, TIAIN và TiCN Gần đây, lớp phủ kép MOVIC, chứa molydisulfide (MOS2) và 14 chất phụ gia khác, đã được phát triển bởi Guhring và Vilad, được sử dụng trong gia công các vật liệu như nhôm, gang và thép Ngoài cacbit, một số vật liệu dụng cụ cắt khác như gốm, sứ (AlO, SiN), gốm kim loại và gốm kim cương đa tinh thể (PCD) cũng được sử dụng rộng rãi.
Các dụng cụ có đường kính nhỏ từ 1.5 đến 0.5 inch, với lớp phủ TiCN, phù hợp để gia công vật liệu có độ cứng dưới 42 HRC, trong khi lớp phủ AlTiN thích hợp cho vật liệu cứng hơn Tùy thuộc vào ứng dụng và loại vật liệu, sự kết hợp giữa lớp phủ và dụng cụ cắt sẽ mang lại hiệu quả khác nhau Bảng 2.1 cung cấp thông tin về thuộc tính của vật liệu dụng cụ và lớp phủ Đối với ứng dụng cắt cao tốc, có thể lựa chọn CBN và SiN cho gang, TiN và TiCN phủ cacbit cho hợp kim tới 42 HRC, cùng với TiAlN và AlTiN phủ cacbit cho hợp kim thép có độ cứng 42 HRC và hơn.
Vật liệu dụng cụ cắt
- CBN (cubic boron nitride- Nitrit bo lập phương )
Nitrir bo lập phương (CBN) là một vật liệu hạt mài tiên tiến, được tổng hợp từ nitrit bo sáu cạnh với sự hỗ trợ của chất xúc tác kim loại, ở nhiệt độ khoảng 1.500 °C và áp suất 10.000 MPa Vật liệu này có cấu trúc tinh thể bền, cứng với các góc sắc bén, cứng gần gấp đôi so với Al2O3 và khả năng chịu nhiệt lên tới 1.371 °C CBN cho phép cắt thép gió một cách dễ dàng và chính xác, vượt trội hơn kim cương trong nhiều ứng dụng Ngoài ra, CBN cũng có khả năng cắt nguội và chịu được hóa chất với tất cả các muối vô cơ và hợp chất hữu cơ.
Các mảnh hợp kim CBN phổ biến cho gia công cao tốc bao gồm CNGA, DNGA, VNGA, CNMP, và TNG, trong khi các mảnh hợp kim cương như CCMT, CPGM, và DCMT cũng được sử dụng Thông thường, các mảnh hợp kim cho gia công cao tốc chứa khoảng 50% CBN, tùy thuộc vào nhà chế tạo Đối với các phương pháp tiện truyền thống, loại mảnh có hàm lượng CBN cao hơn thường được sử dụng cho gia công các vật liệu mềm hơn như kim loại bột, gang và một số hợp kim đặc biệt.
Mặc dù mảnh CBN có giá cao hơn từ 4-5 lần so với mảnh carbide, nhưng dao CBN có khả năng chế tạo nhiều sản phẩm hơn Khi xem xét việc loại bỏ nguyên công mài tinh, chi phí dao cụ trở nên không đáng kể Nhiều xưởng sản xuất cũng nhận thấy rằng việc giảm chi phí dung dịch trơn nguội nhờ cắt khô có thể bù đắp cho chi phí cao hơn của dao CBN.
Hình 2.8 Mảnh hợp kim có CBN ở mũi và mảnh CBN nguyên khối
PCBN được hình thành bằng cách thấm các hạt CBN vào nền carbide ở nhiệt độ cao từ 1700-1800 độ C và áp suất 6.900MPa Nền carbide bao gồm các hạt wolfram nhỏ được liên kết chặt chẽ bởi cobalt Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, cobalt chảy lỏng và bao quanh các hạt CBN, tạo thành liên kết giữa chúng Quá trình này dẫn đến sự hình thành một khối đa tinh thể với cấu trúc ổn định, có khả năng chống mẻ và rạn nứt, đồng thời sở hữu độ cứng đồng nhất và tính chống mòn cao trong mọi hướng.
Các mảnh dao PCBN nổi bật với khả năng cắt gọt hiệu quả, cho phép cắt ở tốc độ cao và chiều sâu lớn Chúng có khả năng gia công thép đã tôi cứng và các hợp kim chịu nhiệt bền như inconel 600, rene, stellite, và colmonoy với độ cứng trên 35 HRC.
PCD được sản xuất tương tự như PCBN và có những tính chất tương tự, nhưng chúng phục vụ cho các ứng dụng khác nhau Điểm khác biệt chính là các dụng cụ kim cương không phù hợp cho gia công thép và các vật liệu chứa sắt Điều này xảy ra do kim cương là cacbon tinh khiết, trong khi thép có ái lực cao với cacbon Khi tốc độ cắt tăng, nhiệt độ sinh ra cũng lớn, dẫn đến sự tăng cường ái lực giữa thép và cacbon, khiến các phần tử cacbon bị hút vào thép và làm cho lưỡi cắt của dụng cụ nhanh chóng bị hỏng.
- Dụng cụ phủ TiCN (Titanium carbonitride)
Lớp phủ TiCN có cấu trúc bề mặt hình kim, kết hợp với lớp oxit nhôm bên ngoài, mang lại khả năng bám dính xuất sắc lên vật liệu nền TiCN nổi bật với tính năng chống mài mòn cao, trong khi lớp oxit nhôm cung cấp giải pháp hoàn thiện hiệu quả để chống lại nhiệt cắt.
Titanium carbonnitride (TiCN) là lớp phủ phổ biến cho dụng cụ cắt và mảnh dao, với hơn 90% mảnh dao được bảo vệ bởi lớp áo ngoài TiCN từ quá trình kết tủa pha hơi (CVD) Lớp phủ TiCN chứa một lượng nhỏ cacbon và các hạt Nito có kích cỡ từ 50 đến 300 nanomet, mang lại khả năng chống mài mòn vượt trội Bên cạnh đó, lớp phủ TiCN sử dụng hạt có kích thước nhỏ đến 25 nanomet, kết hợp với khả năng chống nhiệt cao của công nghệ CVD.
Lớp phủ tinh thể nano tạo ra bề mặt hành kim với khả năng phủ vật liệu hiệu quả, được gọi là “khóa nano”, kết hợp với lớp oxit nhôm Sự liên kết chặt chẽ giữa hai lớp này mang lại khả năng chống mòn và chịu nhiệt tốt, cung cấp giải pháp toàn diện cho gia công cao tốc mà không lo giảm tuổi thọ của dụng cụ.
Công nghệ "khóa nano" đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong gia công, cho phép duy trì tốc độ cắt lên tới 300m/ph, cao hơn đáng kể so với lớp phủ truyền thống Đồng thời, tuổi thọ của lớp phủ này cũng được nâng cao hơn 50%, mang lại lợi ích rõ rệt cho quá trình sản xuất.
Hình 2.9 Dụng cụ có lớp phủ TiCN
Titan Nitride (TiN) là vật liệu phổ biến nhất với lớp phủ màu vàng, thường được sử dụng cho thép gió và dụng cụ carbide TiN nổi bật với độ cứng cao và hệ số ma sát thấp, giúp giảm xói mòn, mài mòn và hiện tượng dính trong quá trình gia công Lớp phủ màu vàng dễ dàng nhận diện giúp người dùng nhanh chóng phát hiện lưỡi cắt bị mài mòn.
Lớp phủ có màu xanh xám, cứng hơn TiN Nó cái thiện sự mài mòn của bề mặt khi cắt thép cacbon, gang, thép hợp kim dụng cụ
Lớp phủ TiN giúp cải thiện độ bền nóng và khả năng chống oxi hóa Với màu tía xám, lớp phủ này có tính dẫn nhiệt kém nhưng lại rất cứng, mang lại hiệu suất vượt trội cho các ứng dụng công nghiệp.
Quá trình tạo phoi
Quá trình cắt là quá trình mà dao tác động lên vật liệu, tạo ra lực làm biến dạng kim loại và tách nó khỏi phôi, từ đó hình thành phoi Sơ đồ tổng quát của quá trình này có thể được mô tả như sau:
Hình 2.10 Sơ đồ quá trình hình thành phoi
Lực tác dụng trong quá trình phay được sinh ra từ sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi, bao gồm chuyển động quay của dụng cụ cắt và sự cản trở từ chi tiết thực hiện Để đạt hiệu quả gia công, lực tác dụng cần đủ lớn để tạo ra ứng suất vượt quá sức bền của vật liệu, đồng thời phải vượt qua lực cản do ma sát trong quá trình gia công.
- Ma sát giữa các tinh thể kim loại khi trượt lên nhau
- Ma sát giữa phoi và dao trong quá trình rap hoi
- Ma sát giữa phoi và vật gia công
Nghiên cứu về quá trình cắt và biến dạng trong vùng cắt đã thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả như K.A Zovoruwkin, Usachep và Ivan Avgustovich, với các phương pháp tiếp cận khác nhau và phân tích bản chất vùng cắt từ góc độ cơ học và vật lý Những nghiên cứu này đã được trình bày trong nhiều giáo trình về cắt gọt kim loại Đồng thời, một số tác giả như Turkovich Von và Kronnenberg M đã xem vùng cắt như một bài toán lý thuyết trong cơ học các môi trường liên tục.
Hình 2.11 Sự biến dạng kim loại trong vùng cắt
Tất cả các nghiên cứu đều nhằm mục đích tìm hiểu diễn biến tại vùng cắt trong quá trình cắt Khi lực cắt tác dụng lên vật liệu, kim loại trải qua ba giai đoạn biến dạng: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy Đầu tiên, các tinh thể kim loại bị nén, và khi lực vượt qua giới hạn bền của vật liệu, chúng trượt lên nhau và tách ra, tạo thành phoi Quá trình này diễn ra trong vùng được gọi là vùng tạo phoi, được giới hạn bởi đường cong OA và OE.
Trong khu vực này có các mặt trượt OA, OB, OC, OD và OE, nơi mà vật liệu gia công trượt theo những mặt này, dẫn đến việc các tinh thể kim loại xếp chồng lên nhau Hình dạng của các tinh thể khi tạo thành phoi phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu gia công và chế độ cắt, có thể xuất hiện dưới dạng hạt, dạng xếp hoặc dạng dây.
Kết quả của biến dạng kim loại là tách rời một phần vật liệu khỏi phôi, trong khi phần còn lại hình thành chi tiết gia công Vùng biến dạng xảy ra cả ở phần vật liệu giữ lại, dẫn đến bề mặt chi tiết sau gia công có tính chất khác biệt và thường có độ cứng cao hơn, hiện tượng này được gọi là biến cứng lớp bề mặt Ngoài ra, trong vùng cắt còn diễn ra nhiều hiện tượng vật lý khác mà sẽ được nghiên cứu cụ thể trong các phần sau.
Khi cắt lưỡi cắt của dao (Lực cắt), nó gây ra một sự thay đổi cơ lý tại vùng cắt của vật liệu.
- Đầu tiên dưới tác dụng của lực kim loại bị nén và biến dạng đàn hồi.
Khi lực P tác động mạnh vào kim loại, ứng suất bên trong sẽ vượt quá giới hạn đàn hồi, dẫn đến hiện tượng biến dạng dẻo Trong quá trình này, các phần tử bên trong kim loại bắt đầu trượt theo mặt trượt và phương trượt.
- Do biến dạng các tinh thể trên phương này bị kéo dài thành hình elip (góc của mặt trượt so với phương của lực cắt là
Khi dao tiếp xúc với vật liệu, áp lực gia tăng sẽ dẫn đến ứng suất vượt quá giới hạn bền của kim loại, gây ra hiện tượng biến dạng lớn và cuối cùng là sự phá hủy của vật liệu.
Trên phần kim loại của phôi ở mặt trước dao xuất hiện các vết nứt theo góc hủy ().
Khi dao tiếp tục tiến, phoi bị cắt sẽ trượt lên mặt trước của dao, còn dao tiếp tục ép lên các phần tử kim loại tiếp theo.
Sự hình thành phoi cắt giúp đánh giá thông số của dụng cụ cắt, xác định tính hợp lý của chế độ cắt, mức tiêu hao năng lượng và chất lượng bề mặt gia công.
Có các dạng phoi cắt sau đây :
Phôi vụn là những hạt nhỏ rời rạc có hình dạng và kích thước khác nhau, thường xuất hiện trong quá trình gia công vật liệu giòn hoặc khi cắt với vận tốc thấp Ngoài ra, phôi vụn cũng thường gặp khi gia công các vật liệu cứng ở tốc độ lớn thích hợp.
Sự hình thành phoi không liên tục (phoi vụn) dẫn đến sự thay đổi lực cắt, gây ra va đập và rung động, từ đó làm giảm chất lượng bề mặt Nhiệt độ và lực tác động chủ yếu tập trung ở mũi dao.
Khi cắt vật liệu dẻo vừa, phoi xếp được hình thành với mặt phoi tiếp xúc với dao nhẵn bóng, trong khi mặt đối diện có những nếp gợn và phoi bị đứt thành từng mảnh ngắn Dạng phoi này thường xuất hiện khi vận tốc cắt, lượng chạy dao trung bình và góc trước của dao lớn, giúp bề mặt gia công trở nên nhẵn bóng hơn.
Hình 2.13 Các dạng phoi cắt
Khi cắt vật liệu dẻo hoặc thực hiện cắt với tốc độ cao và góc độ mài mòn hợp lý, phoi dây thường xuất hiện, có dạng dài và xoắn Phoi dây tiếp xúc với mặt trước của dao sẽ nhẵn bóng, trong khi mặt còn lại có thể gợn nứt, nhưng vẫn giữ khả năng biến dạng dẻo Sự hiện diện của phoi dây giúp lực cắt thay đổi ít, giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện chất lượng bề mặt gia công Tuy nhiên, cần lưu ý rằng loại phoi (phoi vụn, phoi xếp, phoi dây) có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện cắt, thông số hình học của dao và chế độ cắt Do đó, người thợ có thể dựa vào quan sát phoi khi cắt để phán đoán nguyên nhân và thực hiện điều chỉnh kịp thời.
Mô hình lực cắt khi phay CNC tốc độ cao
2.4.1 Các thông số quỹ đạo cắt.
Khi dao phay thực hiện đồng thời quay và di chuyển tịnh tiến, quỹ đạo cắt của dao tạo thành các đường xicloit, dẫn đến việc hình thành các lớp cắt với chiều dài khác nhau Tuy nhiên, do chuyển động tịnh tiến nhỏ hơn nhiều so với chuyển động quay, ta có thể coi dao cắt đang di chuyển theo các cung tròn.
Hình 13 : Phương trình đường xicloit và phương đường tròn.
Gọi Φ là vị trí dao cắt so với phương đứng thì khi đó chiều dày phoi sẽ được sấp xỉ bằng :
(2.1) ở đây gọi là lượng chạy dao răng có đơn vị mm/răng chỉ lượng tiến dao khi quay được một răng và được tính bằng công thức :
(2.2) f : lượng tiến dao (mm/phút)
Ω :vận tốc vòng quay của dao (vòng/phút)
Trong công thức tính chiều dày phoi, dao cắt cần phải cắt vào phôi, và vị trí của dao phải nằm trong khoảng giới hạn được xác định bởi công thức cho phay nghịch (2.3) và phay thuận (2.4).
Trong đó là góc ăn dao vào ; là góc dao ra; a là chiều sâu cắt; D là đường kính dao phay.
Trong gia công phay, kim loại được cắt gọt từ phôi thông qua sự kết hợp giữa chuyển động quay của dao và chuyển động ngang của dụng cụ Có hai hình thức phay chính là phay thuận và phay nghịch.
Hình 2.16 Góc dao vào , góc dao ra trong phay thuận và phay nghịch
2.4.2 Nghiên cứu hệ thống lực cắt khi phay CNC tốc độ cao
Quy luật phân bố lực cắt trong phay tốc độ cao rất phức tạp, với sự thay đổi diện tích cắt dẫn đến sự biến đổi của lực cắt Độ lớn của lực này phụ thuộc vào số răng dao tham gia vào quá trình cắt gọt cũng như diện tích cắt tức thời Tổng lực phay được xác định là tổng hợp của tất cả các lực tác động lên các răng dao phay.
Hình 2.17 Lực cắt khi phay cao tốc : a) phay nghịch b) phay thuận
Ft : lực tiếp tuyến ( Lực cắt chính ) hay còn gọi là lực vòng tạo ra moomem.
Xoắn cản lại chuyển động chính gây tiêu hao công suất máy Trong quá trình thiết kế, động lực học của máy được tính toán dựa trên lực phản lực Ft, lực này không chỉ tạo ra xoắn mà còn làm cong trục dao.
Lực hướng kính tác động vuông góc với phương trục chính trong máy phay có xu hướng đẩy chi tiết ra khỏi dao phay theo hướng kính, dẫn đến hiện tượng phay nghịch Lực này không chỉ làm võng lực dao mà còn tạo áp lực lên các ổ trục chính, gây ra mô men ma sát trên ổ Khi tính toán sức bền cho trục gá dao và trục chính, lực máy là yếu tố quan trọng để xác định tải trọng phức tạp, bao gồm độ cong của lực hướng kính và độ xoắn của lực tiếp tuyến, từ đó ảnh hưởng đến xu hướng làm võng trục dao và gây rung động khi đẩy dao ra khỏi bề mặt gia công.
Fz : lực chiều trục làm xê dịch chi tiết ra thepo trục dao phay và phản lực của nó có chiều hướng dịch dao phay theo ổ trục.
Các lực Ft, Fr, và Fz không đồng nhất và phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể, biến đổi theo các yếu tố như hình học của dao, vật liệu gia công, chiều dày cắt và số răng dao tham gia cắt đồng thời.
Mô hình hóa lực cắt khi phay được thực hiện như sau.
Mô hình 2 bậc tự do theo trục x và y được gắn vào dụng cụ cắt, như minh họa trong hình 2.18 Trong quá trình phay, lực cắt dọc trục không đáng kể, nên có thể bỏ qua yếu tố này Để đơn giản hóa mô hình, chúng ta cũng không xem xét bậc tự do gắn với phôi, vì phôi có độ cứng vững tương đối cao so với dao phay.
Hình 2.18 : Mô hình quá trình phay cao tốc
Lực cắt tiếp tuyến và lực cắt hướng tâm tính cho dao thứ j được tính theo công thức
Hệ số cắt tiếp tuyến (Kt) và hướng tâm (Kr) là các yếu tố quan trọng trong quá trình gia công, trong đó ap là chiều sâu cắt và là chiều dày của phoi cắt Tr là tổng hợp của chiều dày tĩnh do dao chuyển động và hàm tác động giữa dao và phôi Chuyển vị theo phương hướng kính và tiếp tuyến được ký hiệu là uj và vj.
(2.6) trong công thức trên thì uj và uj-1 là độ lệch của răng thứ j và j-1 nên ta sẽ có (2.7)
T là chu kỳ chuyển động của răng
Giả thiết rằng : số răng dao phay là N, vận tốc góc quay của trục chính là thì chu kỳ chuyển động của răng T được xác định bằng công thức :
Và theo hình trên góc vị trí tức thời của răng thứ j được xác định bằng công thức sau
Hàm logic gj(t) xác định vị trí của răng thứ j tại thời điểm t Khi dao cắt tham gia vào phôi, tức là góc vị trí của dao nằm trong khoảng giữa góc ăn dao và góc thoát dao, thì gj có giá trị khác 0 Trong các trường hợp khác, gj sẽ bằng 0.
Từ phương trình (2.5) ta chuyển lực tiếp tuyến và lực hướng tâmsang lực theo các phương x và y qua một ma trận xoay hệ tọa độ
Thay biểu thức từ phương trình 2.5 và 2.7 vào 2.10 hệ lực tính cho răng thứ j sẽ được tính theo công thức:
(2.11) Để đơn giản hóa biểu thức trên ta đặt ra các hệ số lực cắt chiếu theo các phương là hxxhyy,hxy,hyx
Khi đó biểu thức (2.11)sẽ rút gọn thành
Hệ lực được tính toán sẽ xác định vế trái của ma trận lực theo các phương x và y, trong khi vế phải là tích số giữa chiều sâu cắt và hệ số lực cắt chiếu theo các phương tại vị trí tương ứng.
2.5 Hiện tượng rung động khi phay CNC tốc độ cao
Rung động trong quá trình gia công, bao gồm rung động cưỡng bức, rung động riêng và tự rung động, là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Hiện tượng này rất phổ biến và có thể làm tăng độ nhám bề mặt Để tối ưu hóa chất lượng gia công, việc kiểm soát các thông số chế độ cắt là cần thiết Nghiên cứu tác động của chế độ cắt đến rung động trong gia công phay cao tốc sẽ giúp đánh giá chính xác chất lượng bề mặt và tình trạng mòn dao trong quá trình gia công.
Hình 2.19 minh họa bề mặt gia công trong chế độ cắt ổn định và không ổn định Khi tần số cắt của dao trùng với tần số của hệ thống, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, dẫn đến sự mất ổn định và xuất hiện hiện tượng chatter.
Khi hiện tượng mất ổn định xảy ra, tần số dao động của dao cắt gần bằng tần số dao động riêng của hệ thống Nhờ đó, chúng ta có thể xác định gần đúng tần số riêng của hệ thông qua việc phân tích âm thanh cắt khi dao cắt bị rung động do hiện tượng chatter.
2.6 Hiện tượng âm thanh trong quá trình phay CNC tốc độ cao
Trong quá trình gia công cơ khí âm thanh được phát ra từ nhiều nguồn khác nhau bao gồm:
Gây ra bởi sự làm việc của máy móc do sự chuyển động của các cơ cấu phát ra tiếng ồn không khí trực tiếp.
Gây ra bởi bề mặt các cơ cấu hoặc các bộ phận kết cấu liên quan với chúng.
Gây ra bởi sự va chạm giữa các vật thể trong trong qua trình gia công như sự tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và phôi.
Âm thanh trong quá trình phay có thể dự đoán khả năng gãy, vỡ của dụng cụ gia công và chất lượng bề mặt sản phẩm Do đó, việc thu thập, phân tích và xử lý tín hiệu âm thanh là cần thiết để xác định chế độ cắt tối ưu và miền ổn định trong gia công, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
2.7 Các phương pháp nghiên cứu ổn định trong quá trình phay CNC tốc độ cao
Xét hệ giao động một bậc tự do
Hình 2.20 mô hình đơn giản của quá trình cắt giữa giao và phôi
Như vậy dao động của hệ có dạng
Ta có thể biểu diễn hệ dưới dạng sơ đồ điều khiển số phản hồi như sau
Hình 2.21 : Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thống
Các phương pháp nghiên cứu ổn định trong quá trình phay CN tốc độ cao
Xét hệ giao động một bậc tự do
Hình 2.20 mô hình đơn giản của quá trình cắt giữa giao và phôi
Như vậy dao động của hệ có dạng
Ta có thể biểu diễn hệ dưới dạng sơ đồ điều khiển số phản hồi như sau
Hình 2.21 : Sơ đồ hàm truyền lực của hệ thống
Có thể loại bỏ thành phần fz vì nó không ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống Như vậy, hệ thống có thể được rút gọn thành Y = G()k.w.Y(e je -1) và được thể hiện qua sơ đồ dưới đây.
Hình 2.22 : Sơ đồ hàm truyền lực rút gọn
Trong đó hàm phẩn hồi H() k.w.Y(e je -1)
Theo tiêu chuẩn ổn định của Nyquist, hệ kín sẽ ổn định khi đường quỹ đạo G.H không cắt hoặc đi qua điểm -1+0j Điều này có nghĩa là biên giới ổn định của hệ xảy ra khi quỹ đạo G.H đi qua điểm -1+0j.
Hình 2.23 : Biểu diễn hàm truyền trên hệ tọa độ ảo
Do w là một số thực – nằm trên trục thực lên vectơ phải nằm trên trục thực Dựa vào hình ta có giá trị giới hạn
Tlusty đã mở rộng khái niệm về số rang cắt trung bình Nt* và hàm truyền chiếu phương Gorient(w) để phản ánh đặc điểm của quá trình phay, trong đó dao cắt liên tục tác động lên phôi và phương của dao cắt thay đổi liên tục.
N* đại diện cho số lượng dao tham gia vào quá trình cắt, ảnh hưởng đến dao động của dao Các giá trị này là tỷ số giữa lực cắt theo phương x và y chiếu lên phân giác góc cắt, so với lực cắt tổng, được tính bằng công thức cụ thể.
Chúng ta sẽ tạo ra một biểu đồ ổn định bằng cách vẽ các đường biên giới ổn định Biểu đồ ổn định này được xây dựng dựa trên 5 đường biên định từ bậc 0 đến bậc 4, tương ứng với các giá trị N từ 0 đến 4.
Hình 2.24 : đồ thị ổn định được xây dựng từ các đường biên ổn định
Tại vị trí 1, khi tần số cắt bằng tần số của hệ, hàm truyền gần bằng 0, dẫn đến đường biên ổn định bậc 0 tiến tới vô cùng, nhưng bị giới hạn bởi đường biên ổn định bậc 1 Đường cong đạt giá trị nhỏ nhất tại điểm 2, nơi hàm truyền nhỏ nhất, sau đó tăng lên tại điểm 3.
Qua việc phân tích, chúng ta có thể xác định các điểm làm việc tại các đỉnh đồ thị chính để giảm thiểu hiện tượng chatter, đồng thời đảm bảo năng suất tối ưu nhất.
Phương trình động học Newton cho hệ 2 bậc tự do được cho dưới dạng
Trong đó tần số tự nhiên được tính bởi công thức =2và hệ số giảm chấn tương đối
Phương trình 13 có thể viết dưới dạng phương trình vi phân có trễ như sau
Trong đó các ma trận được xác định như sau :
Chúng tôi áp dụng phương pháp bán rời rạc để giải phương trình (2.24) được trình bày trong phụ lục A Phương trình này sẽ được xấp xỉ thành một dạng khác để thuận tiện cho việc tính toán.
Với tham số dời dạc và thời gian trễ một chu kì của răng
Dựa vào điều kiện đầu cho trước u(ti)nghiệm tiếp tục theo u(ti+1) xác định bằng công thức
Ta nhận thấy cột thứ 3 và 4 của ma trận Bivà Ribằng 0 nên yi+1chỉ phụ thuộc vào thông số xi,yi,,có (2m+4) phần tử zi=[ xi yi ] T (2.29)
Như vậy trạng thái tiếp theo sẽ được xác định bởi trạng thái trước
Trong đó ma trận Dilà ma trận (2m+4).(2m+4) có công thức
Công thức Di = (2.31) liên quan đến giá trị phần tử Ri,hj trong ma trận Ri, trong đó Zero mxn là ma trận không m.n và I nxn là ma trận đơn vị n.n Ma trận chuyển trạng thái có kích thước (2m+4) x (2m+4) được xác định bởi các yếu tố này.
Số điểm rời rạc k trong khoảng trễ ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống, được xác định bởi ma trận chuyển tiếp Nếu giá trị riêng của ma trận này nằm trong vòng đơn vị của mặt phẳng ảo, hệ thống sẽ ổn định do các rung động giảm dần Ngược lại, nếu giá trị riêng nằm ngoài vòng tròn đơn vị, các rung động sẽ gia tăng, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống.
Các thông số ảnh hưởng đến tính ổn định trong quá trình phay cao tốc
Kết luận
Việc xây dựng biểu đồ ổn định trong quá trình phay là một thách thức phức tạp, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố đầu vào như chiều dài dụng cụ cắt, số răng tham gia, và các thông số của máy Để tạo ra biểu đồ ổn định một cách chính xác, cần xác định các thông số đầu vào một cách chính xác nhất.
Cải thiện năng suất có thể đạt được bằng cách điều chỉnh các tham số trong quá trình phay, giúp thay đổi miền ổn định và từ đó lựa chọn chế độ làm việc tối ưu hơn.