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

Chính vì vậy, hiện nay ở nước ta và nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiến số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo để chế tạo các chỉ tiết cơ khí, đặc biệt là cá

BO GIAO DUC VA DAO TAO DAI HOC DA NANG

TRUONG THI NGOC THU

NGHIEN CUU ANH HUONG CUA CHE DO CAT DEN

DO NHAM BE MAT KHI GIA CONG TREN MAY PHAY

CNC

Chuyên ngành : Công nghệ chế tao may

Mã ngành : 60.52.04

TOM TAT LUAN VAN THAC Si KY THUAT

Da Nang - Nam 2011

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa hoc: TS Dinh Minh Diém

Phan bién 1: PGS TS: Nguyén Van Yén

Phan bién 2: PGS TS: Lé Viét Ngưu

Luận văn sẽ được bao vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Viện Công nghệ Cơ khí và Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa - Đại học

Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 08 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

MO DAU

1 TINH CAP THIET CUA DE TAI

Một trong những thành tựu quan trọng nhất của tiến bộ khoa học

kỹ thuật là tự động hóa sản xuat Phương thức cao của tự động hóa

sản xuất là sản xuất linh hoạt Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt

thì máy điều khiển số CNC đóng một vai trò rất quan trọng Sử dụng

máy công cụ điều khiển số CNC cho phép giảm khối lượng gia công

chỉ tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng

thời cũng rút ngắn được chu kì sản xuất Chính vì vậy, hiện nay ở

nước ta và nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi các

máy điều khiến số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo để chế tạo các chỉ tiết

cơ khí, đặc biệt là các chỉ tiết yêu cầu độ chính xác cao và đảm bảo

được chất lượng bề mặt

Thực tế cho thấy chất lượng của bề mặt gia công của chỉ tiết

không chỉ phụ thuộc vào tính chất cơ lý của vật liệu, mà còn phụ

thuộc vào trạng thái của lớp bề mặt, các chỉ tiết được chế tạo từ một

loại vật liệu như nhau nhưng theo các phương pháp công nghệ và chế

độ cắt khác nhau sẽ có tính chất của lớp bề mặt khác nhau Và độ

nhám bề mặt là một trong các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng bề mặt

đặc trưng cho tính chất hình học của bề mặt gia công Tính đến nay,

ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt chỉ tiết ø1a công trên

các máy vạn năng đã có nhiều công trình nghiên cứu và đã được đúc

kết thành sách, giáo trình, các số tay tra cứu Nhưng dưới sự phát

triển không ngừng của khoa học kỹ thuật vé tu động hóa trong sản

xuất, để giải quyết vấn đề về công nghệ, khi gia công trên máy CNC,

một trong những yêu cầu quan trọng được đặt ra là chế độ cắt cần được chú trọng, tính toán và lựa chọn một cách hợp lý khi gia công

để đảm bảo tăng năng suất, nâng cao chất lượng bề mặt, độ chính xác của chỉ tiết Vấn đề này hiện nay vẫn còn ít công trình nghiên cứu

và chưa được phổ biến rộng nên việc khảo sát nó là hết sức cần thiết,

giúp cho việc sử dụng máy CNC đạt hiệu quả hơn

Xuất phát từ những nhu cầu như vậy, người nghiên cứu chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hướng của chế độ cắt đến độ nhám bê mặt khi gia công trên máy phay CNC”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu thực nghiệm xác định quy luật ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt gia công khi phay tỉnh trên máy CNC

3 PHAM VI VA NOI DUNG NGHIEN CUU

+ Pham vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 2

yếu tố (S, t) của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt khi gia công nhôm

6061 trên máy phay CNC MILL 155 tại Viện công nghệ Cơ khí và

Tự động hóa - trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, bằng dao phay ngón thép gió, trong điều kiện không có bôi trơn làm nguội

+ Nội dung nghiên cứu:

- Tim hiểu về máy phay CNC MILL 155 tai vién CNCK&TDH

- Nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại và lý thuyết

nhám bề mặt

- Nghiên cứu cơ sở công nghệ gia công trên máy CNC

- Xây dựng phương trình mô tả ảnh hưởng của chế độ cắt đến

độ nhám bề mặt khi phay

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU

Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp giữa

lý thuyết và thực nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết cơ sở cắt gọt kim loại, cơ sở kỹ thuật

CNC và lý thuyết nhám bề mặt

- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cắt đến độ nhám bề mặt

khi phay băng dao phay ngón trên máy phay CNC thông qua đo đạc

và xử lý số liệu thực nghiệm

5 Ý NGHĨA THỰC TIỀN

Ứng dụng công nghệ tự động gia công sản phẩm cơ khí đạt các

cấp độ bóng theo yêu cầu, góp phần nâng cao chất lượng bề mặt sản

phẩm

6 CAU TRÚC LUẬN VAN

- Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3

chương :

- CHUONG 1: CO SO CAT GOT KIM LOAI VÀ CHAT

LUONG BE MAT GIA CONG

- CHUONG 2: CO SO CONG NGHE GIA CONG TREN

MAY CNC

- CHUONG 3: NGHIEN CUU THUC NGHIEM VE ANH

HUONG CHE BO CAT DEN DO NHAM BE MAT KHI

PHAY

CHUONG 1 - CO SO CAT GOT KIM LOAI

VA CHAT LUONG BE MAT GIA CONG

1.1 CO SO LY THUYET CAT GOT

1.1.1 Chuyén dong cơ bản khi cắt gọt Những chuyên động tương đối nhăm hình thành bề mặt gia công gọi là chuyển động cắt gọt, bao gồm 2 loại:

- Chuyên động chính: n (vg/ph) , v (m/ph)

- Các chuyển động phụ: s (mm/vong hoặc mm/răng), t (mm) 1.1.2.Bề mặt được hình thành trên chỉ tiết trong quá trình

cắt Bất kỳ phương pháp gia công nào, quá trình hớt bỏ dần lớp lượng dư gia công cơ (quá trình cắt) đều hình thành trên chỉ tiết ba bề mặt có đặc điểm khác nhau: Mặt sẽ gia công, mặt đang gia công, mặt

đã gia công Mặt sẽ gia công

Mặt đã gia công Mặt đang gia công

Hình 1.1: Bê mặt được hình thành trên chỉ tiết frong

„ quá trình căt 1.1.3 Dụng cụ cắt gọt

1.1.3.1 Kết cầu của dụng cụ cất kừn loại

Hình 1.2 Kết cấu của dao

1.1.3.2 Thông số hình học dao khi thiết kế

Để xác định vị trí các bề mặt và lưỡi cắt của dao, người ta

dùng các thông số hình học: góc trước y, góc sau œ, góc sắc , góc

cắt ö, góc trước phụ *¡ góc sau phụ oj, góc nghiêng chính @, góc

nghiêng phụ @, và góc nâng A (xem hình 1.3)

-

Ni ⁄ ‘y t8 š

—— Vết tiếp diện phụ

vết tiếp diện chính

Hình 1.3: Các góc dao biểu diễn trên các mặt tiếp xúc

1.1.4 Sự hình thành phoi và các loại phoi

1.1.4.1 Sự hình thành phoi

- Sự tạo thành phoi chỉ phát sinh khi lực P đủ lớn để tạo ra

trong lớp cắt một ứng suất vượt quá giới hạn bền của vật liệu gia

Hình 1.4: Miễn tạo phoi

1.1.4.2 Các loạt phoi Tùy theo vật liệu gia công, thông số hình học của dao và thông

số cắt, phoi cắt ra có thể có nhiều dạng khác nhau: Phoi xếp, phơi day, phoi vun

1.1.5 Vật liệu chế tạo dao cắt gọt

1.2 CHÁT LƯỢNG BÈ MẶT GIA CÔNG

1.2.1 Khái niệm về chất lượng bề mặt gia công

Các yếu tố đặc trưng của chất lượng bể mặt gia công

- Trạng thái của lớp bê mặt:

- Tính chất cơ lý của lớp bề mặt (độ cứng, biến cứng, ứng suất

dư, phản ứng hoá học lớp bề mặt )

1.2.2 Nhám bề mặt

1.2.2.1 Khái niệm

Như ta đã biết, bề mặt chỉ tiết sau khi gia công không bằng

phăng một cách lí tưởng mà có những nhấp nhô Tuy vậy, không phải toàn bộ những nhấp nhô trên bề mặt đều thuộc nhám bề mặt Nhám

bề mặt là tập hợp những nhấp nhô có bước tương đôi nhỏ và được xét

trong giới hạn chiều dài chuẩn L (hình 1.5)

1.2.2.2 Chỉ tiêu đánh giá độ nhám bê mặt

Độ nhám bề mặt gia công được đo bang sai lệch profin trung bình cộng R, và chiều cao nhấp nhô R„ của lớp 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 nhăn bóng bề mặt cao nhất) ứng với cấp 14

1.2.2.3 Ảnh hưởng của độ nhám đến khả năng làm việc

của chỉ Hết

1) Ảnh hưởng đến tính chống mài mòn

Rỗ vật liệu Mặt phẳng áp

Mat phang cat

` =u sxs“a Đô sóng bề mặt

OPP IPAS APA) Đô nhám bề mặt

Hình 1.5: Projin khuếch đại của bê mặt chỉ tiết

2) Ảnh hướng đến độ bên mỏi của chỉ tiết

3) Ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn hoá học của lớp bê mặt

chỉ tiết

4) Ảnh hưởng đến độ chính xác mối lắp ghép

1.2.2.4 Các yếu tô ảnh hưởng đến độ bóng bê mặt

1) Các yếu tô ảnh hưởng mang tính chất hình học của chế độ

cắt và dao cắt

2) Các yếu tô ảnh hưởng phụ thuộc vào biến dạng dẻo của kim

loại

a) Su anh hưởng của tốc độ cất

Khi cắt thép cacbon ở tốc độ cắt thấp độ nhám bẻ mặt thấp Khi

tăng tốc độ cắt lên khoảng 1520 m/phút làm tăng độ nhám bề mặt

gia công do lẹo dao Khi tốc độ cắt trong khoảng 30+60 m/phút hoặc

lớn hơn, lẹo dao không hình thành nhám bề mặt gia công giảm

10

b) Ảnh hưởng của lượng chạy đao: Dé đảm bảo độ nhẫn bóng

bề mặt và năng suất gia công nên chọn giá trị lượng chạy dao S trong khoảng từ 0,05+0,12 mm/vòng đối với thép cacbon

c) Anh hưởng của chiếu sâu cắt: Chiều sâu cắt nhìn chung không có ảnh hưởng đáng kể đến độ nhám bẻ mặt

d) Anh hưởng của vật liệu gia công: Vật liệu dẻo và dai (thép ít cacbon) dễ biến dạng dẻo sẽ làm cho độ nhám bề mặt tăng hơn so với

vật liệu cứng và giòn

3 Ảnh hưởng của rung động của hệ thống công nghệ

1.2.2.5 Phương pháp đạt độ bóng bê mặt

Có thể chọn phương pháp gia công khác nhau với chế độ cắt S,

V, t hợp lý để tạo ra độ bóng bề mặt theo yêu cầu

1.2.2.6 Phương pháp đánh giá độ nhám bê mặt 1) Phương pháp quang học

2) Phương pháp đo độ nhám Ra, Rz, Rmax v.v bang máy do profin

3) Phương pháp so sánh

11

CHUONG 2 - CƠ SỞ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

TREN MAY CNC

2.1 LICH SU PHAT TRIEN Ki THUAT CNC

2.2 BAC DIEM CAU TRUC MAY CONG CU CNC VA TU

DONG HOA CUA MAY CNC

2.2.1 Đặc điểm của máy công cu CNC hiện đại

2.2.1.1 Các máy tiện CNC

2.2.1.2 Các máy phay CNC

* Để đạt độ chính xác trong quá trình dịch chuyển, các cơ cấu

truyền động thường dùng vit me bi

2.2.1.3 Thiết bị kẹp chỉ tiết

2.2.1.4 Thiết bị gá và thay dao

Bao gồm revolve (dùng trên máy tiện) và ô chứa dao (dùng trên

máy phay) Trong ô chứa dao, việc thay đổi dao diễn ra do một hệ

thống cần gạt gọi là cần thay dao thực hiện

2.2.2 Đặc điểm tự động hóa của máy NC - CNC

2.2.2.1 Tính tự động hóa cao

2.2.2.2 Tính linh hoạt

2.2.2.3 Tính tập trung nguyén cong cao

2.2.2.4 Tính chính xác đảm bảo chất lượng cao

2.2.2.5 Hiệu quả kinh tế — kỹ thuật cao

2.3 SO SÁNH MÁY CÔNG CỤ THÔNG THƯỜNG VỚI MÁY

CÔNG CỤ CNC

2.3.1 Câu trúc

Máy công cụ CNC được thiết kế cơ bản giống như máy công cụ

thông thường Sự khác nhau thật sự là ở chỗ các bộ phận liên quan

đến tiến trình gia công của máy công cụ CNC được điều khiển bởi

máy tính

12

2.3.2 Chức năng

So sánh những chức năng cơ bản giữa máy công cụ thông thường, máy công cụ NC và may céng cu CNC

2.3.3 Tính kinh tế

2.4 PHƯƠNG THỨC LẬP TRÌNH VÀ CÁC LỆNH CƠ BẢN

CUA CHUONG TRINH NC:

2.4.1 Phương thức lập trình NC 2.4.1.1 Lập trình trực tiếp 2.4.1.2 Lập trình tự động 2.4.2 Các lệnh cơ bản của chương trình 2.5 GIỚI THIỆU MÁY PHAY CNC MILL 155 2.5.1 Kết cầu chung của máy

1 2 3 4 5 6

Hình 2.1: Kết câu chung của máy

13

1 Sóng trượt bàn máy theo X/⁄Z — 9 Bê chứa chất làm mát

2 Vùng làm việc 10 Bơm chất làm mát

3 Đèn làm việc 11 Công tắc nguồn

4 Hệ thông cura bao vé 12 Tu dién

5 Ô tích dao 13 Phim diéu khén

6 Nút tắt khẩn cấp 14 Ngăn kéo phín máy tính

7 Khay hệ thông 15 Bệ máy

8 Hệ thống lặp

2.5.2 Các thông số kỹ thuật và khả năng công nghệ

2.5.2.1 Thông số kỹ thuật

2.5.2.2 Khả năng công nghệ của máy: Máy có khả năng

thực hiện gia công theo đường thăng, cung tròn, theo ba chiều,

khoan, doa, cắt ren, nhờ 3 trục X, Y, Z trong hộp chạy dao được điều

khiến độc lập

2.5.3 Hệ tọa độ và các điểm chuẩn

2.5.3.1 Hệ toạ độ máy (hình 2.2)

Hình 2.2: Hệ toạ độ của máy phay PC MILLI5S

14

2.5.3.2 Điểm chuẩn của máy 2.5.4 Giới hạn không gian làm việc của máy Theo các phương X/Y/Z=300/200/200 (mm) 2.5.5 Cơ cầu cấp và thay thế dụng cụ cắt gọt 2.5.5.1 Các loại dụng cụ cắt

2.5.5.2 Bộ gá dụng cụ cắt

Bộ cán dao của máy có 5 loại khác nhau: collet holder, shell end

mill arbor, miller support, tap holder and holder MT2

2.5.5.3 Hé théng chita dao (hinh 2.3)

—¬.m:

Hình 2.3 : Trồng dao cho 10 dao

2.5.6 Cơ cầu gá và kẹp phôi (hình 2.4)

15

CHƯƠNG 3- NGHIÊN CUU THUC NGHIEM VE

ANH HUONG CHE DO CAT DEN DO NHAM BE

MAT KHI PHAY

3.1 CO SO LY THUYET VE QUI HOACH THUC NGHIEM

3.2.1.Khái niệm về qui hoạch thực nghiệm

Qui hoạch nghiệm là cách tổ chức sắp xếp và xử lý các thí

nghiệm và số liệu thực nghiệm sao cho người nghiên cứu nhanh

chóng thu được kết quả với độ tin cậy đặt ra, với số lượng thí nghiệm

ít nhất trong điều kiện cho phép

3.2.2 Thiết lập mô hình thí nghiệm

Trong luận văn, người nghiên cứu chọn mô hình quy hoạch thực

nghiệm là mô hình quy hoạch quay Box — Hunter

Trình tự các bước để xác lập mô hình thống kê thực nghiệm như

sau:

1) X4c dinh ham toán học mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố

đầu vào và đầu ra

2) Xác định các thông số mô hình theo số liệu thực nghiệm

3) Kiểm tra sự tương thích của mô hình

3.1.3 Quy hoạch quay cấp II (Quy hoạch Box - Hunter)

Trình tự xác định mối quan hệ thực nghiệm giữa các yếu tố theo

quy hoạch Box — Hunter như sau:

@® Xây dựng mô tả toán học

- — Mô tả toán học của phương án quay cấp lI có dạng như sau:

Y=ba+bi.Xi+ +by.XV+bịa.XiX; + +bị.X+

+ Dg XK,"

trong đó, X, là các biên mã hóa từ các biên thuc x,

16

- _ Tiến hành các thí nghiệm:

Các thí nghiệm được bố trí theo ma trận thực nghiệm với SỐ

lượng các thí nghiệm phụ thuộc vào k yếu tố ảnh hưởng đầu vào Số thí nghiệm cần thực hiện N = 2* + 2.k + nạ, trong đó :

2*: Số thí nghiệm ở nhân 2*k : Số thí nghiệm ở các điểm (*)

nạ: Số thí nghiệm ở nhân phương án, nạ phụ thuộc vào k

Ung với k= 2, no = 5, N=13

Gia tri cac muc cua bién thuc nhu sau:

Với, xx xe :giá tri 4X,

thực một khoảng băng cánh tay — Ge *% :

Dưới đây là sơ đồ mô tả “Í:

phương án cấu trúc có tâm 2 yếu 4 He 3

Hình 3.1-Sơ đô cấu trúc có tâm cấp Hk=2

Khoảng biến thiên của các biến thực:

x _ xin

A = J =1,2, ,k J

17

Mã hóa các biến thực hành các biến không thứ nguyên:

0

ym xe =X,

J

i 0 min xj —#*,

J Aj

0 xX? _ `/ xj

J

Bang 3.1- Ma tran thi nghiém voi k = 2

18

bạ =a 3 Xu,Y,—a, 3 3X,

u=l j=l u=l

b, =a.SX

u=l

N

b, =a,.9,X,,-X 4,

u=l

b, =a;.),X7¥, +a, > » Xi, —d; S Xu,

G#j=1,2, ,k; u=1, 2, , N)

trong đó, N: tổng số thí nghiệm của phương án

No: số thí nghiệm ở nhân phương án, nọ € k

a, + a7: Cac hang SỐ, phụ thuộc vào k,N, nọ,

Bảng 3.2- Giá trị các hằng số a

Œ

ay 8a a3 ay as q6 ay 2/13) 5 | 1,414] 0,2 0,1 | 0,125 | 0,25 |0,1251/0,0187} 0,1

3 | 20] 6 | 1,682 |0,1663|0,0568 |0,0732| 0,125 |0,0625 | 0,0069 |0,0568

4 131 7 | 2,000 |0,1428|0,0357|0,0417|0,0625 |0,03 12 | 0,0037 |0,0357

5 | 52] 10] 2,378 |0,0988 |0,0191 |0,0231]0,0312]0,0156 |0,0015 |0,0191

6 | 91] 15 | 2,828 |0,0725 |0,0098 |0,0125 | 0,0156]0,0078 | 0,0005 |0,0098

7 1163} 21 | 3,363 |0,0396|0,0052 |0,0066 |0,0078 | 0,0030 | 0,0002 |0,0052

TT] Xo Xi X, |X,X,| X° x, | Y

5 5 7 + 0 +Π0 0 a | Y;

“113; + | o | 0 0 | 0 | 0 | Y¥,

@ Xác định các hệ số trong phương trình mô tả toán học:

- _ Công thức tính toán các hệ số b:

- Kiêm nghiệm sự có nghĩa của các hệ sô b:

Sau khi tính được giá trị của các hệ sô b, cân phải kiêm

nghiệm ý nghĩa của chúng và loại bỏ những hệ số không có nghĩa Nếu hệ số bạ bị loại ta tính lại hệ số còn lại bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất

19

Phuong sai của các hệ sô b:

1

Sy, = (a, + d,).S;

trong do, S,, 14 phương sai tái sinh tính theo các thí nghiệm ở tâm

phương án

fọ

3 (%—)

S=

n,—1

Chuẩn Student được tính như sau:

-bị

in S,

J Néu xay ra bat dang thie: tin > t) = tp, » thi hé số b¡ có nghĩa ứng

với mức ý nghĩa P và bậc tự do f= nọ - Ì

@ Kiểm nghiệm sự hồi quy của phương trình thực

nghiệm

- Tính phương sai tương thích theo công thức sau:

tt

Fig

Trong đó, ` : tổng bình phương độ dư, tức là tổng bình phương

giữa hai hiệu của giá trị thực nghiệm và giá trị tính theo phương trình

hồi quy

20

* NV ~ \2 u=l

S : tổng bình phương độ lệch của các thí nghiệm ở tâm so VỚI giá trỊ trung bình ở tâm

Sis = V (yo, — Mị)

i=l

f„: độ tự do ứng với phương saI tương thích

f¿ạ=N—L- (nạ— 1)

với L: số hệ số b có nghĩa trong phương trình hồi quy

- Tính chuẩn Fisher theo công thức sau:

Ss?

tt

in S?

Tra bang gia tri Fisher: F, = Fe, 1 ro)

Với, P: mức ý nghĩa

f¡: độ tự do tương thích, f¡ = f, tính bằng công thức f;: độ tự do tai sinh, f = no— 1

- So sánh giá tri F,, va F;:

Néu F,, < Fy: két ludn phuong trinh thyc nghiệm hồi quy và

được sử dung để tìm tối ưu Nếu ngược lại, phương trình thực

nghiệm không hồi quy, cần phải thu hẹp khoảng biến thiên, thay đổi mức của các yếu tố

Đến đây, nếu phương trình thực nghiệm hồi quy thì tiến hành trả về biến thực theo công thức:

để có được phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ

giữa các yêu tô đâu vào và đâu ra