TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về máy tiện CNC
Máy tiện CNC có cấu tạo tương tự như máy tiện thông thường nhưng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Trong khi máy tiện truyền thống yêu cầu người điều khiển phải theo dõi vị trí dao cắt và thực hiện thao tác thủ công, máy tiện CNC tự động hóa quá trình này, giúp nâng cao độ chính xác và năng suất Sự phụ thuộc vào trình độ tay nghề của người điều khiển được giảm thiểu, tạo ra các chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật một cách hiệu quả hơn.
Máy CNC hoạt động dựa trên một chương trình được lập trình theo quy tắc nghiêm ngặt, phù hợp với quy trình công nghệ đã được thiết kế và cài đặt phần mềm trong máy.
Kết quả của máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển, mà chủ yếu nằm ở việc theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
Những nét đặc trưng cơ bản của máy tiện CNC:
- Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay lớn (> 1000vòng /phút);
- Độ chính xác cao (sai lệch kích thước < 0,001 mm);
- Năng xuất gia công cao gấp 3 lần máy tiện thường;
- Tính linh hoạt cao thích nghi nhanh với các đối tượng gia công phù hợp với sản xuất loạt nhỏ
Hình dáng kết cấu của máy tiện NC cũng tương tự máy tiện thông thường, ngoài ra máy tiện CNC còn có một số đặc điểm riêng sau (Hình 1.1)
Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của máy tiện CNC
Bộ phận chính của máy tiện CNC là trục chính, nơi lắp đặt động cơ bước cho phép điều chỉnh tốc độ và chiều quay Trục chính được trang bị mâm cặp để gá và kẹp chặt chi tiết gia công, đồng thời có hệ thống thủy lực hoặc khí nén phía sau để thao tác đóng, mở và kẹp chặt Động cơ của trục chính có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho quá trình gia công.
Động cơ một chiều được điều chỉnh vô cấp tốc độ thông qua kích từ, trong khi động cơ xoay chiều sử dụng bộ biến đổi tần để điều chỉnh tốc độ với số vòng quay đơn giản và mô men truyền tải cao Đối với truyền động chạy dao, động cơ (cả một chiều và xoay chiều) truyền chuyển động đến bộ vít me đai ốc bi, cho phép từng trục chạy dao (trục X và Z) hoạt động độc lập Các loại động cơ này có đặc tính động học vượt trội, mang lại hiệu suất cao trong quá trình cắt và phanh hãm nhờ vào mô men quán tính nhỏ, từ đó nâng cao độ chính xác trong điều chỉnh.
Bộ vít me, đai ốc và bi có khả năng tối ưu hóa quá trình truyền dẫn với ít ma sát, cho phép điều chỉnh khe hở một cách hợp lý khi hoạt động ở tốc độ cao.
Trong đó : Đường nối giữa bảng điều khiển và CPU Đường nối giữa CPU với hệ thống động cơ chạy dao
3,4 Đường phản hồi từ động cơ đến CPU
5 Đường nối giữa CPU đến đầu ụ đứng
6 Đường phản hồi từ ụ đứng về CPU
( CPU- Bộ xử lý trung tâm của hệ điều khiển)
Hình 1.2: Hệ thống truyền động chạy dao của máy tiện CNC
,,,,,- Các đường truyền liên hệ giữa các động cơ bộ sử lý trung tâm (CPU) của hệ điều khiển
Quá trình đóng mở và hãm mâm cặp bằng hệ thống thuỷ lực hoặc khí nén diễn ra nhanh chóng, với lực phát động nhỏ và đảm bảo an toàn Máy tiện CNC thường gia công ở tốc độ cao, với số vòng quay của trục chính có thể đạt tới 8000 v/ph khi gia công kim loại màu Do lực ly tâm lớn, các mâm cặp cần được kẹp chặt bằng hệ thống thuỷ lực hoặc khí nén tự động để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình gia công.
Bộ phận này bao gồm nhiều chi tiết dùng để định tâm và gá lắp chi tiết, điều chỉnh, kẹp chặt nhờ hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén)
4 Hệ thống bàn xe dao:
Bao gồm hai bộ phận chính sau: a Giá đỡ ổ tích dao: (Bàn xe dao)
Bộ phận đỡ ổ chứa dao của máy tiện CNC thực hiện các chuyển động tịnh tiến ra vào, song song và vuông góc với trục chính nhờ vào các động cơ bước đã được lập trình sẵn Máy tiện CNC thường sử dụng hai loại ổ tích dao, trong đó có đầu Rơvonve.
- Đầu Rơ von ve có thể lắp từ 10 đến 12 dao các loại;
- Các ổ chứa dao trong tổ hợp gia công với các bộ phận khác (đồ gá thay đổi dụng cụ)
Đầu Rơvonve cho phép thay đổi dao nhanh chóng trong thời gian ngắn, trong khi ổ chứa dao có khả năng chứa nhiều dao mà không gây nguy hiểm hay va chạm trong khu vực làm việc của máy tiện.
Chuôi của dao được kẹp chắc chắn trong khối mang dao tại các vị trí xác định trên bàn xe dao Các khối mang dao này được thiết kế phù hợp với giá đỡ dao trên máy tiện và được tiêu chuẩn hóa để đảm bảo hiệu quả sử dụng.
Các kết cấu của đầu Rơvonve tùy thuộc vào công dụng và yêu cầu công nghệ của từng loại máy
Bao gồm các đầu Rơvônve (kiểu chữ thập, các đầu Rơvônve kiểu chữ thập kiểu đĩa kiểu hình trống)
Phổ biến đầu Rơvonve của các loại máy tiện CNC có kết cấu như hình1.3
Đầu rơ-von-ve HUTECH được thiết kế để lắp đặt nhiều loại dao như tiện, phay, khoan, khoét và cắt ren Phần chuôi của đầu rơ-von-ve được tiêu chuẩn hoá, cho phép lắp lẫn và lắp ghép dễ dàng với các đồ gá khác.
Ổ chứa dụng cụ cho máy tiện CNC thường ít được sử dụng hơn so với đầu rơ-vôn-ve do việc thay đổi dụng cụ khó khăn hơn Tuy nhiên, ổ chứa có ưu điểm nổi bật về độ an toàn, giảm thiểu va chạm trong khu vực gia công và cho phép ghép nối tự động một số lượng lớn dụng cụ mà không cần can thiệp thủ công.
Hình 1.3 Hệ thống gá đặt dụng cụ
Bảng điều khiển là giao diện quan trọng giữa người sử dụng và máy CNC, với cấu trúc có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất Thông thường, bảng điều khiển của máy tiện CNC được thiết kế với các thành phần chính để tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
Máy NC bao gồm màn hình CRT tương tự như màn hình máy tính và một bàn phím với các nút chức năng để nhập dữ liệu và bản vẽ Dữ liệu này được chuyển vào máy để mở các thực đơn điều khiển các chức năng vận hành Các bảng điều khiển của máy NC được thiết kế riêng và lắp đặt trên máy, cho phép người điều khiển làm việc từ một vị trí cố định.
- Màn hình CRT (CRT DISPLAY) màn hình máy tính, để biểu diễn tín hiệu điều khiển số
Nút điều khiển RESET, nút khởi động START và nút chọn chức năng được hiển thị ở cuối màn hình CRT-SOFT KEY Nút ADDRESS dùng để khai báo các thực đơn, trong khi nút NUMERIC cho phép nhập dấu và các giá trị số Ngoài ra, nút SHIFT được sử dụng để thay đổi chức năng của các địa chỉ.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của các yếu tố chính trong chế độ cắt đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật trong quá trình gia công ren trên máy tiện CNC – NEF 400 Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để thiết lập chế độ cắt tối ưu, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng máy tiện CNC trong gia công.
2.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài luận văn giới hạn ở các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể sau:
Máy tiện CNC - NEF 400, sản xuất tại Đức, đang được sử dụng phổ biến trong các xưởng gia công cơ khí, cũng như tại các trường đào tạo kỹ thuật và nghề cơ khí ở Việt Nam Khả năng công nghệ của máy tiện CNC – NEF 400 mang lại hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình gia công.
Máy tiện CNC – NEF 400 (hình 2.1) là máy tiện điều khiển theo chương trình số và được sản xuất tại Đức
Máy tiện CNC NEF 400 có khả năng gia công đa dạng, bao gồm tiện mặt trụ ngoài và trong, mặt côn, mặt định hình, mặt đầu mút và gờ Ngoài ra, máy còn có thể cắt rãnh ngang, tiện ren trong và ngoài, khoan, khoét, doa, và sử dụng ta-rô cùng bàn ren để cắt đường ren.
Hình 2.1 Máy tiện CNC – NEF 400
Tài liệu HUTECH b) Thông số kỹ thuật của máy tiện CNC – NEF 400
Khoảng làm việc Đường kính gia công mm (in) 350 (13.8)
Chiều dài gia công mm (in) 650 (25.6)
Trục chính Đường kính trục chính mm (in) 90 (3.5)
Lỗ trục chính mm (in) 65 (2.6) Đường kính mâm cặp mm (in) 200/250 (7.9/9.8)
Công suất truyền động 100% ED kW (HP) 12 (16.1)
Số vòng quay trục chính tối đa min -1
Mô men xoắn S1 100% ED Nm (ft.lb.) 320 (237)
Hành trình bàn dao ngang X mm (in) 220 (8.7)
Hành trình bàn dao dọc Z mm (in) 700 (27.6)
Vận tốc cắt lớn nhất X / Z m/min 15 (49.2)
Lực cắt X / Z kN (lb.) 3/6 (674/1348) Ổ dao
Số lượng dụng cụ cắt 8
Ký hiệu máy NEF 400 Ụ động
Lực đẩy của ụ động kN (lb.) 6,8 (1528)
Mũi tâm MK 4 Đường kính mũi chống tâm mm (in) 65 (2.6)
Hành trình mũi chống tâm mm (in) 40 (1.6)
Dung tích l (gal) 40 (10.6) Áp lực tối đa bar (psi) 50 (726) Áp lực của chấu kẹp, ụ động bar (psi) 50 (726)
Công suất máy bơm kW (HP) 0,37 (0.5) Điện năng Điện áp làm việc V 400
Kích thước, khối lượng máy
Khối lượng kg (lb.) ca 2800
2.2.2 Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt: Đề tài không nghiên cứu tất cả các loại vật liệu kim loại, cũng không nghiên cứu ở nhiều loại dao cắt của các hãng khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí là thép C45, sản phẩm là chi tiết ren Dao tiện được lựa chọn là dao gắn mảnh hợp kim
2.2.3 Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu:
Các chỉ tiêu quan trọng trong kinh tế và kỹ thuật bao gồm độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng Để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số chế độ cắt đến chất lượng gia công, cần lựa chọn các yếu tố như vận tốc cắt V, bước ren P và chiều sâu cắt t.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:
Nghiên cứu lý thuyết về quá trình gia công cắt gọt vật liệu, đặc biệt là quá trình tiện và thiết bị công nghệ, nhằm tổng hợp các cơ sở khoa học liên quan Bài viết xác lập cơ sở lý thuyết và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt cũng như chi phí điện năng riêng trên máy tiện CNC.
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác lập mục tiêu và nội dung thí nghiệm, tổ chức thu nhận kết quả, đồng thời xây dựng mô hình toán học cho các hàm mục tiêu liên quan đến các tham số điều khiển Mục tiêu chính là xác định chế độ làm việc hợp lý trong quá trình gia công chi tiết trên máy tiện CNC – NEF 400.
- Xác định giá trị tối ưu của các thông số thuộc chế độ cắt
- Thử nghiệm gia công với chế độ cắt tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Dựa trên lý thuyết "Nguyên lý và dụng cụ cắt", việc tính toán lực tác dụng của phôi lên các phần tử cắt là rất quan trọng Công thức tính lực cắt được lập ra nhằm xác định chính xác lực cần thiết trong quá trình cắt, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Tài liệu HUTECH quá trình tiện, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt và chất lượng chế độ gia công hợp lý trên máy tiện
2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phương pháp nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm được áp dụng để xác định hàm mục tiêu, từ đó thiết lập mối tương quan giữa hàm mục tiêu và các tham số ảnh hưởng.
- Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ sử dụng hợp lý của máy tiện
2.4.2.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là nền tảng lý luận cho nghiên cứu thực nghiệm hiện đại, với nhiều ưu điểm và vai trò quan trọng của toán học Cơ sở toán học của lý thuyết này chủ yếu dựa vào toán học thống kê, đặc biệt là phân tích phương sai và phân tích hồi quy Nội dung phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã được trình bày trong nhiều tài liệu, và trong bài viết này, chúng tôi sẽ áp dụng phương pháp vào một bài toán cụ thể để xác định mô hình toán học.
Hàm mục tiêu được biểu thị bằng mô hình toán học là phương trình hồi qui bậc 2 dạng tổng quát như sau [9], 14 y =b0 +
Trong nghiên cứu này, K đại diện cho số yếu tố ảnh hưởng, trong khi các hệ số hồi quy được ký hiệu là b0, bi, bij, và bii, với j = i + 1 N là số thí nghiệm thực hiện, và i là chỉ số của từng yếu tố Một phần quan trọng của phân tích là kiểm tra tính đồng nhất của phương sai để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kokhren
Trong đó: S 2 m - phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm;
S 2 u - phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại mu
Trong đó: mu - số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm;
Y ui - giá trị của thông số ra ở điểm u;
Y ui - giá trị trung bình thông số ra tại điểm u
Thay công thức (2.3); (2.4) vào (2.2), xác định được giá trị Kokhren theo tính toán Gtt, so sánh với giá trị Kokhren tra bảng Gtb
Nếu Gtt < Gtb, giả thuyết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm Phương sai giữa các thí nghiệm được coi là đồng nhất, cho thấy cường độ nhiễu ổn định khi thay đổi các thông số thí nghiệm Cần kiểm tra giá trị có nghĩa của hệ số hồi quy.
Các hệ số hồi qui b0; bi; bij; bii của phương trình (2.1) được kiểm tra mức ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student: ti = bi / Sbi
Trong đó: Sbi - Phương sai của hệ số hồi qui, các hệ số chỉ có nghĩa khi ti > tb
,trong đó tb giá trị tra bảng theo tiêu chuẩn Student d) Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui
Sau khi đánh giá giá trị có ý nghĩa của hệ số hồi quy, chúng ta có thể xác định phương trình hồi quy thực nghiệm Phương trình này cần được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.
Trong đó: S 2 - phương sai tuyển chọn được tính theo công thức sau:
S e - phương sai do nhiễu tạo nên và xác định theo công thức:
Sau khi xác định tiêu chuẩn Fisher bằng công thức (2.5) và so sánh giá trị với bảng Fb, nếu Ftt < Fb, mô hình sẽ được coi là tương thích; ngược lại, nếu Ftt ≥ Fb, mô hình sẽ không tương thích Điều này giúp kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi quy.
Mô hình hồi quy được xây dựng nhằm dự báo giá trị hàm Y tại các tọa độ quan sát, đồng thời kiểm tra tính chính xác của mô hình trong việc phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm mục tiêu Mô hình này có khả năng hoạt động hiệu quả khi giá trị dự báo Y tại các tọa độ cụ thể có sai số nhỏ hơn ít nhất hai lần so với giá trị trung bình Y tính theo toàn bộ thí nghiệm.
1 1 Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình dùng hệ số đơn định (R 2 ) và được tính theo công thức:
Mô hình chỉ hoạt động hiệu quả khi R² ≥ 0,75 Để thể hiện tác động của các tham số đầu vào đến chỉ tiêu nghiên cứu, cần chuyển đổi phương trình hồi quy sang dạng thực với các biến là các thông số tự nhiên có đơn vị đo lường rõ ràng.
Các hệ số hồi qui a0; ai; ạji được xác định theo hệ số hồi qui dạng mã a0 = b0-
Xi là giá trị thực của tham số đầu vào
2.4.2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu
Từ mục tiêu của đề tài đặt ra ta có bài toán tối ưu đa mục tiêu như sau:
Nr= f2(v;t) min vmin v vmax ; tmin t tmax (2.8)
Với: v; t - Vận tốc cắt và chiều sâu cắt của máy tiện, đây là thông số tối ưu cần tìm
Trong quá trình gia công, độ nhám bề mặt (Ra) và chi phí điện năng riêng (Nr) là hai yếu tố quan trọng cần tối ưu hóa Bài toán đặt ra là tìm kiếm giải pháp tối ưu với hai mục tiêu chính: cải thiện độ nhám bề mặt và giảm thiểu chi phí điện năng.
Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu đã được tổng kết trong tài liệu khoa học kỹ thuật Lâm nghiệp số 6 năm 1997 Để chọn phương pháp phù hợp cho bài toán, cần phân tích nội dung và cách giải đã nêu Bài toán tối ưu đa mục tiêu được chuyển thành bài toán một mục tiêu thông qua một phiếm hàm mục tiêu F(xi) min, kèm theo các ràng buộc và điều kiện biên Có hai phương pháp chuyển đổi chính: thứ nhất, phương pháp thứ tự ưu tiên, trong đó chỉ chọn một chỉ tiêu quan trọng nhất và coi các chỉ tiêu khác là điều kiện giới hạn, dẫn đến việc tìm cực trị của chỉ tiêu chính trong khi đảm bảo các giá trị giới hạn của các chỉ tiêu còn lại Thứ hai, phương pháp hàm trọng lượng.
Nếu các tiêu chuẩn tối ưu có cùng số đo, có thể thành lập tiêu chuẩn tối ưu kiểu tổng như sau:
Trọng lượng ưu tiên (αj) đánh giá mức độ quan trọng tương đối của tiêu chuẩn thứ j, với điều kiện 0 < αj < 1 và tổng αj = 1 Phương pháp trao đổi giá trị phụ, hay còn gọi là phương pháp nhân tử Lagrangi, được áp dụng để tối ưu hóa các tiêu chuẩn này.
Phương pháp trao đổi giá trị phụ, do Haimes đề xuất vào năm 1955, được áp dụng để giải quyết các bài toán tối ưu đa mục tiêu Theo Haimes, bài toán tối ưu đa mục tiêu có thể được chuyển đổi thành bài toán một mục tiêu.
Và hàm mục tiêu được biểu diễn qua phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:
j 1 (2.10) Trong đó ji - Gọi là nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi
Tại điểm tối ưu thì: Y1(x * ) = F(x * , * ) và F x i ; F ji
Do đó giải hệ (n+m) phương trình:
Đối với các ẩn xi và ij, chúng ta sẽ xác định các giá trị x1*, x2*, , xn* để tìm cực trị của hàm mục tiêu F Dựa vào giá trị của *ij, người ta sẽ thiết kế và chọn các giá trị j nhằm tìm ra lời giải phù hợp Phương pháp hàm tổng quát sẽ được áp dụng trong quá trình này.
Sau khi xác định các hàm mục tiêu với thứ nguyên khác nhau nhưng cùng tính chất cực tiểu, chúng tôi áp dụng phương pháp tối ưu tổng quát cho nhiều hàm mục tiêu Phương pháp này cho phép tìm ra lời giải tối ưu hiệu quả trong bối cảnh có nhiều hàm mục tiêu cần xem xét.
- Xác định giá trị cực tiểu của từng hàm mục tiêu: Ramin; Nrmin
- Lập hàm tỷ lệ tối ưu bằng cách chia các số hạng trong phương trình tương quan Nr= f ( v;t) cho giá trị Nrmin và phương trình Ra= f(v;t) cho giá trị
Ramin để hai hàm mục tiêu không thứ nguyên, sau đó ta mới cộng hai hàm lại
Tài liệu HUTECH với nhau được, ta có: min
- Lập hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát: =1 1+2 2 (2.12) Trong đó 1;2- trọng số, trong bài toán này ta coi 1=2=0,5
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Động học và động lực học quá trình cắt
3.1.1 Động học của quá trình cắt 3.1.1.1 Các chuyển động của quá trình cắt
Khi gia công trên máy tiện CNC, phôi được quay quanh trục máy, trong khi dụng cụ (dao tiện) được kẹp trên ổ dao và di chuyển song song hoặc vuông góc với trục máy Điều này cho phép dụng cụ thực hiện các chuyển động cần thiết để gia công chi tiết một cách chính xác.
Chuyển động cắt là quá trình quay tròn của chi tiết quanh trục của nó, trong khi chuyển động phụ (chạy dao) là sự di chuyển của dao kết hợp với bàn dao.
Dao cắt có thể dịch chuyển như sau:
Trong quá trình tiện, có hai loại chuyển động chính là chạy dao dọc và chạy dao ngang Chạy dao dọc xảy ra khi chuyển động song song với đường tâm máy, tạo ra bề mặt trụ Ngược lại, khi chạy dao ngang, chuyển động diễn ra thẳng góc với đường tâm, dẫn đến việc tạo ra bề mặt phẳng thẳng góc với đường tâm, đặc biệt khi tiện mặt đầu.
Chuyển động chính Chuyển động chính
Tài liệu HUTECH mô tả quy trình gia công với dao tiện định hình, trong đó lưỡi cắt phải song song với đường tâm để tạo ra bề mặt tròn xoay Khi dao chạy ngang, ta có thể tạo ra mặt côn ngoài hoặc trong bằng cách điều chỉnh góc của dao so với đường tâm máy Ngoài ra, nếu thực hiện theo đường cong, bề mặt thu được sẽ là một bề mặt tròn xoay với đường sinh cong Cuối cùng, khi lưỡi cắt có profin của ren và dao di chuyển song song với đường tâm, sẽ tạo ra mặt ren.
Ren được hình thành thông qua sự kết hợp đồng thời của hai chuyển động: chuyển động quay của vật gia công và chuyển động tịnh tiến của dụng cụ cắt.
Hình 3.1.b Chuyển động tạo ren
Khi vật gia công quay một vòng thì dao dịch chuyển được một khoảng
Khoảng dịch chuyển của dao chính là bước xoắn Pn của ren
Hình 3.2 minh họa các loại dao cắt và sự dịch chuyển của chúng, bao gồm: a - xén mặt đầu, b - cắt đứt và tiện rãnh, c - tiện mặt định hình bằng dao tiện định hình, d - tiện mặt côn, đ - tiện mặt định hình bằng dao tiện ngoài, và e - tiện ren.
Khi tiện, chuyển động cắt diễn ra thông qua chuyển động quay tròn của chi tiết, giúp hình thành phoi Đồng thời, chuyển động di chuyển của dao cắt là yếu tố cần thiết để tiếp tục tạo ra phoi trong quá trình gia công.
Trong phạm vi nghiên cứu luận văn sử dụng dao tiện ngoài đầu thẳng
(hình 3.3,a) vì góc độ của dao tiện ren cơ bản giống với dao tiện ngoài đầu thẳng chỉ khác ở góc profil ren , vật liệu dao là hợp kim
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Chuyển động chính Chuyển động chính Chuyển động chính
Hình 3.3.b Dao tiện mặt ngoài a- đầu thẳng; b- đầu cong b a
3.1.1.2 Chế độ cắt khi tiện
Chế độ cắt khi tiện được đặc trưng bằng 3 thông số cơ bản: vận tốc cắt, lượng chạy dao và chiều sâu cắt
Vận tốc cắt khi tiện V được định nghĩa là khoảng dịch chuyển của lưỡi cắt đối với bề mặt chi tiết gia công trong một đơn vị thời gian Để tính toán chính xác, vận tốc cắt là tổng hợp của vận tốc vòng của chi tiết gia công và vận tốc của chuyển động chạy dao Vận tốc vòng của chuyển động quay của chi tiết đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiện.
Vận tốc vòng của chi tiết được tính:
𝜋.𝐷 vòng/phút (3.1) trong đó: D- đường kính của phôi (mm); n - số vòng quay của phôi trong một phút (v/ph)
Trong thực tế vận tốc vòng thường được tính theo đường kính phôi
Khi không có bản vẽ phôi, vận tốc vòng được xác định dựa trên đường kính sản phẩm cộng với lượng dư Kích thước phôi và sản phẩm thường chênh lệch không quá 5 – 10% đường kính phôi, do đó, vận tốc vòng được tính theo đường kính lớn nhất Vận tốc chạy dao cũng cần được lưu ý trong quá trình này.
Vận tốc chạy dao được xác định bằng lượng dịch chuyển của dao theo phương chạy dao trong một phút, tính bằng mm Nếu khoảng dịch chuyển của dao sau một vòng quay của chi tiết là S, thì vận tốc chạy dao sẽ được tính dựa trên giá trị này.
Vs = S.n mm/ph, ở đây n - số vòng quay của chi tiết trong một phút (v/ph)
Véc tơ vận tốc chạy dao cần được chọn theo hướng ngược lại với hướng dịch chuyển của dao Đối với quá trình tiện mặt trụ, véc tơ vận tốc vòng của chi tiết Vc sẽ vuông góc với véc tơ vận tốc chạy dao Vs.
Như vậy vận tốc cắt V là tổng hình học của vận tốc vòng Vc và vận tốc chạy dao Vs :
Trong hầu hết các trường hợp gia công, lượng chạy dao thường nhỏ so với vận tốc vòng của chi tiết Vì vậy, giá trị của vận tốc cắt thường được xác định bằng giá trị vận tốc vòng của chi tiết.
Lượng chạy dao S là khoảng dịch chuyển của dao theo hướng chuyển động sau mỗi vòng quay của chi tiết gia công, được tính bằng mm/vòng Đối với tiện ren, lượng chạy dao S đặc trưng cho bước ren P.
Lượng chạy dao được phân ra:
- Lượng chạy dao dọc: khi phương chuyển động của dao dọc theo đường tâm của chi tiết gia công
- Lượng chạy dao ngang: khi phương chuyển động của dao vuông góc với đường tâm của chi tiết gia công
- Lượng chạy dao nghiêng: khi phương chuyển động của dao làm một góc với đường tâm của chi tiết gia công
Hình 3.4 Các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc a- các yếu tố của chế độ cắt; b- lượng chạy dao dọc
Tổ hợp các yếu tố của chế độ cắt và lượng chạy dao dọc như giới thiệu trên hình 3.4
3.1.2 Động lực học của quá trình tiện ren Động lực học quá trình cắt ren nghiên cứu nhiều vấn đề ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng, hiệu quả của công nghệ cắt gọt như: sự tiêu hao năng lượng trong quá trình cắt, lực cắt, độ ổn định quá trình cắt,v.v…Trong luận văn chỉ đề cập đến lực cắt khi tiện ren và ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ cắt đến lực cắt để làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm
Hệ thống lực cắt khi tiện được mô tả như trên hình 3.5 Lực tổng hợp
P được phân tích thành 3 thành phần tiếp tuyến, hướng kính và ngược với hướng chuyển động chạy dao
Lực P z là thành phần lực theo hướng chuyển động chính, được gọi là lực tiếp tuyến hoặc lực cắt chính Giá trị của lực này rất quan trọng trong việc tính toán công suất chuyển động chính, độ bền của dao và các chi tiết khác của máy.
Hình 3.5 Hệ thống lực cắt khi tiện ren
Chất lượng gia công
3.2.1 Chất lượng bề mặt gia công
Chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai yếu tố đặc trưng:
- Tính chất cơ lý của lớp kim loại bề mặt
Chất lượng lớp kim loại bề mặt phụ thuộc vào tính chất của kim loại và phương pháp gia công cơ học Trong quá trình gia công, lưỡi cắt tạo ra các vết lồi, lõm trên bề mặt kim loại, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt Kết quả là lớp bề mặt trở nên cứng hơn và xuất hiện ứng suất dư do quá trình biến cứng dẻo.
Bề mặt gia công có thể có độ sóng và độ nhám khác nhau, từ cao đến thấp, bao gồm các tình trạng như độ sóng và độ nhám cao, độ sóng và độ nhám vừa phải, hoặc bề mặt phẳng với độ nhám thấp Độ sóng bề mặt thường xuất hiện do rung động trong hệ thống công nghệ, bao gồm máy móc, dao cắt, đồ gá và chi tiết gia công, cũng như quá trình cắt không liên tục và độ đảo của dụng cụ cắt Thông thường, hiện tượng này xảy ra khi gia công các chi tiết có kích thước vừa và lớn.
Bề mặt chi tiết được gia công bằng các dụng cụ cắt như dao tiện, dao phay và dao bào, với độ nhám và các đặc tính khác nhau.
- Độ nhám dọc (trùng với phương véc tơ vận tốc cắt,hình 3.8,b )
- Độ nhám ngang (vuông góc với phương véc tơ vận tốc cắt, (hình 3.8,c)
Hình 3.7 trình bày các dạng bề mặt gia công, bao gồm: 1- bề mặt có độ sóng và nhám cao; 2- bề mặt với độ sóng và nhám vừa phải; 3- bề mặt tương đối bằng phẳng nhưng có độ nhám cao; 4- bề mặt phẳng với độ nhám thấp Độ nhám dọc xuất hiện do sự biến đổi lực cắt gây rung động, và cũng có thể do hiện tượng lẹo dao, khi lớp kim loại bám chặt vào mũi dao.
Độ nhám ngang thường cao hơn độ nhám dọc, tuy nhiên, khi sử dụng dụng cụ hạt mài để gia công tinh bề mặt, độ nhám bề mặt theo hai phương ngang và dọc sẽ gần như tương đương.
Chất lượng bề mặt gia công chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố quan trọng, bao gồm tính chất của vật liệu gia công, phương pháp gia công như tiện, bào, phay, chế độ cắt, độ cứng vững của hệ thống công nghệ, thông số hình học của dao, và dung dịch trơn nguội.
Chất lượng bề mặt gia công là một vấn đề quan trọng, và trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu độ nhám bề mặt cùng với các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ nhám này.
3.2.2 Độ nhám bề mặt gia công 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 3.8 Độ nhám bề mặt gia công
Độ nhám bề mặt gia công, như thể hiện trong hình 3.8, có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất sử dụng của chi tiết máy Việc hiểu rõ độ nhám bề mặt là rất quan trọng trong quá trình thiết kế và sản xuất.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ma sát và độ mòn của chi tiết máy phụ thuộc vào chiều cao, hình dáng độ nhám bề mặt và phương vết gia công Độ nhám bề mặt tăng có thể làm giảm độ bền của mối ghép căng, do khi ép, độ nhám bề mặt bị chèn xuống Ví dụ, độ bền của mối ghép giữa trục chính và bánh xe tàu hoả với độ nhám 36,5 giảm 40% so với độ nhám 18 Ngược lại, độ nhám bề mặt giảm, tức là độ nhẵn bóng bề mặt tăng, có thể nâng cao độ bền mỏi của các chi tiết; cụ thể, bề mặt vật liệu thép được đánh bóng có độ bền mỏi cao hơn 40% so với bề mặt không được đánh bóng Ngoài ra, độ nhám bề mặt còn ảnh hưởng lớn đến tính chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt chi tiết.
Tài liệu HUTECH chỉ ra rằng các tạp chất như axit và muối có khả năng gây ăn mòn hóa học cho kim loại Để giảm thiểu sự ăn mòn, bề mặt chi tiết máy cần có độ nhám thấp, tức là độ nhẵn bóng cao Hơn nữa, bán kính đáy các nhấp nhô lớn cũng góp phần nâng cao khả năng chống ăn mòn hóa học của lớp bề mặt.
3.2.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt gia công 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 trên hình 3.8) 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 25 mm
Theo TCVN 2511-95 cũng như các tiêu chuẩn: ISO, DIN, ANSI và JIS, độ nhám bề mặt được đánh giá theo một (hoặc một số) trong các thông số sau:
Ra là sai lệch profin trung bình cộng, được tính bằng giá trị trung bình cộng của các chiều cao h so với đường trung bình trong phạm vi chiều dài chuẩn l Công thức xác định Ra được sử dụng để đo lường độ nhám bề mặt.
(3.5) ở đây: l - chiều dài chuẩn; h - tung độ của profin được đo từ đường thẳng chuẩn; n - số lượng tung độ của profin được đo
Chiều cao nhấp mô Rz của profin được xác định bằng giá trị trung bình của năm đỉnh cao nhất và năm đỉnh thấp nhất trong phạm vi chiều dài chuẩn l.
Sm - bước trung bình các nhấp nhô của profin:
S - bước trung bình nhấp nhô của profin theo đỉnh bằng giá trị trung bình của các bước nhấp nhô (theo đỉnh) trong phạm vi chiều dài chuẩn l:
Rmax - chiều cao lớn nhất các nhấp nhô của profin, là khoảng cách giữa hai đỉnh cao nhất và thấp nhất của độ nhám (xem hình 3.9)
Theo TCVN 2511-95, độ nhám bề mặt được phân loại thành 14 cấp dựa trên các chỉ số Ra và Rz, như được trình bày trong phụ biểu 02 Cấp độ nhẵn bề mặt thấp nhất, tương ứng với cấp 14, có giá trị Ra = 0,01 µm và Rz = 0,05 µm Trên bản vẽ chi tiết máy, yêu cầu về độ nhám bề mặt được thể hiện thông qua giá trị Ra hoặc Rz.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Thiết bị đo và phương pháp điều khiển các yếu tố ảnh hưởng
+ Đo độ nhám bề mặt gia công: Dùng thiết bị chuyên dùng của hãng
Thời gian Trung Quốc, độ chính xác Ra 0.005 âm (hình 1.1, phụ lục 01) Phương pháp đo lường được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO Đánh giá độ nhám bề mặt của chi tiết gia công dựa trên TCVN 2511-95.
Để đo chi phí điện năng, sử dụng thiết bị đo điện vạn năng Fluke, kết nối với máy tính để ghi lại các số liệu cần thiết Trong thực nghiệm, ba yếu tố này được điều khiển trực tiếp thông qua các chương trình gia công cụ thể.
Sau khi chuẩn bị đầy đủ các điều kiện cho thí nghiệm chúng tôi tiến hành các thí nghiệm Kết quả thu được như sau.
Kết quả thí nghiệm đơn yếu tố
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố là phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố đến hàm mục tiêu, nhằm xác định miền biến.
Tài liệu HUTECH cung cấp tham số đầu vào cho thí nghiệm đa yếu tố Sau khi hoàn tất công tác chuẩn bị, chúng tôi đã thực hiện 30 thí nghiệm thăm dò thay số vào công thức (2.11) và xác định số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm là m = 2,52, với m được điều chỉnh thành 3.
4.3.1 Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của vận tốc cắt đến các hàm mục tiêu
Thí nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi vận tốc cắt (số vòng quay trục chính n) với các giá trị n1= 300 vòng/phút, n2= 400 vòng/phút, n3= 500 vòng/phút, n4= 600 vòng/phút và n5= 700 vòng/phút, trong khi giữ cố định chiều sâu cắt ở t= 1mm và bước ren P= 3mm Kết quả thí nghiệm được ghi lại trong phụ lục 02 và bảng 2.2, đồng thời quá trình thí nghiệm được thể hiện trong hình 2.1, cho thấy ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí điện năng riêng.
Dựa trên kết quả thí nghiệm tại bảng 4.1, việc sử dụng phần mềm lập tương quan hàm số bằng thực nghiệm OPT đã cho ra những kết quả đáng chú ý sau khi được xử lý.
- Mô hình hồi qui: Nr 1 = 78.910+-0.315v+ 0.0003v 2 (4.8) Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (2.2), Gtt = 0,3373, giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher theo ( 2.5) là Ftt = 2,4372
- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai: giá trị Kokhren tra bảng VIII 14, với = 0,05; Gb =0,7885, so sánh với giá trị Kokhren theo tính toán ta có:
Gtt = 0,3373 < Gb =0,7885, phương sai của thí nghiệm coi là đồng nhất
Để kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi quy, giá trị tiêu chuẩn Fisher được tra bảng VI với mức độ chính xác 0,05 Kết quả cho thấy Fb = 3,25 và giá trị Fisher tính toán là Ftt = 2,4372 So sánh hai giá trị này, ta thấy Ftt < Fb, điều này chứng tỏ mô hình hồi quy là tương thích.
- Từ kết quả thu được ta vẽ đồ thị tương quan giữa chi phí điện năng riêng và vận tốc cắt hình 4.6
Hình 4.6 Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí điện năng riêng b) Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt
Dựa trên kết quả thí nghiệm từ bảng 4.1, phần mềm lập tương quan hàm số bằng thực nghiệm OPT đã được sử dụng, và sau khi xử lý, chúng tôi thu được những kết quả như sau:
- Mô hình hồi qui: Ra 1 009+ -0.036v+ 0.0001v 2 (4.9) Giá trị tính toán tiêu chuẩn Kokhren theo (2.2): Gtt = 0,2813
Giá trị tính toán tiêu chuẩn Fisher theo (2.5): Ftt = 2,2602
- Tương tự như phần trên kiểm tra tính đồng nhất của phương sai trong thí nghiệm Gtt=0,2813