nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy phay cnc

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công như: Độ chính xác của thiết bị công nghệ, kiến thức công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, các thông số cắt, công

NGÔ ĐĂNG HUỲNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI PHAY CAO TỐC ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC

GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Ngô Đăng Huỳnh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới các thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đào Quang Kế; TS Tống Ngọc Tuấn - vì những gợi ý và giúp đỡ lựa chọn đề tài bảo vệ luận văn tốt nghiệp, sự hướng dẫn tận tình, ủng hộ thường xuyên cũng như sự động viên của thầy trong quá trình thực hiện luận văn Bên cạnh đó thầy cũng đưa ra những đánh giá tổng kết sâu sắc và gợi mở hướng phát triển của đề tài nghiên cứu trong tương lai

Luận văn của tôi sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự cộng tác hỗ trợ từ đội ngũ cán bộ và công nhân nhà máy Sumitomo Nacco Handling Material, Khu công nghiệp Thăng Long, Đông Anh, Hà nội

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp - vì sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình của họ đối với tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả luận văn

Ngô Đăng Huỳnh

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

Trích yếu luận văn viii

Thesis abstract x

Phần 1 Mở đầu i

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 3

Phần 2 Tổng quan về các nghiên cứu 4

2.1 Tổng quan gia công cao tốc 4

2.1.1 Định nghĩa về gia công cao tốc 4

2.1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc 5

2.1.3 Ưu điểm của gia công cao tốc 9

2.2 Tổng quan về các nghiên cứu 10

2.2.1 Phay cao tốc với vật liệu cần gia công là Titan sử dụng dụng cụ cắt Carbide có phủ (Bài báo cáo này được đăng trên - Tạp chí nghiên cứu khoa học Châu Âu, Nagi Elmagrabi, Che Hassan C.H – Đại học Quốc gia Malaysia) 10

2.2.2 Phay cao tốc với vật liệu là hợp kim nhẹ 10

2.2.3 Trong phay cao tốc đặc biệt khi phay vật liệu sau nhiệt luyên thì yếu tố dụng cụ cắt vô cùng quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm 11

2.3 Kết luận 19

Phần 3 Độ chính xác gia công và các yếu tố ảnh hưởng 20

3.1 Độ chính xác gia công 20

3.1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công 20

3.1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công 21

3.1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công 22

3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công 22

3.1.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt 26

3.1.6 Thông số vật lý của bề mặt gia công 28

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám khi gia công cao tốc 30

3.2.1 Lực cắt 30

3.2.2 Mức độ biến dạng dẻo 34

3.2.3 Nhiệt cắt và độ mòn dao 37

3.2.4 Rung động 39

3.3 Một số kết quả đạt được trong nghiên cứu độ nhám bề mặt 40

3.3.1 Các kết quả đối với công cụ truyền thống 40

3.3.2 Các kết quả đã có được đối với máy CNC 43

3.4 Kết luận 44

Phần 4 Kết quả và thảo luận 46

4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 46

4.1.1 Mô hình thí nghiệm 46

4.1.2 Thông số đầu vào của thí nghiệm 46

4.2 Các thông số thí nghiệm 55

4.2.1 Với vận tốc cắt (Vc) thay đổi được thực hiện trên 10 mẫu với Sr không đổi chọn Sr =0,05 (mm/răng) ta được bảng các số liệu thí nghiệm như sau: 55

4.2.2 Với vận tốc cắt (Vc) không đổi chọn Vc =550 (m/phut) được thực hiện trên 10 mẫu với Sr thay đổi ta được bảng các số liệu thí nghiệm như sau: 56

4.3 Thực hiện các thí nghiệm và thu thập số liệu 56

4.3.1 Thí nghiệm về sự ảnh hưởng của vận tốc tới độ nhám 56

4.3.2 Thí nghiệm về sự ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám 57

4.4 Kết quả thí nghiệm 58

4.4.1 Ảnh hưởng của vận tốc cắt tới độ nhám bề mặt 58

4.4.2 Ảnh hưởng của lượng chạy dao tới độ nhám bề mặt 61

4.5 Kết luận 64

Phần 5 Kết luận và kiến nghị 66

5.1 Kết luận 66

5.2 Kiến nghị 66

Tài liệu tham khảo 67

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Vận tốc cắt khi gia công thường và gia công cao tốc của một số vật liệu 5

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của máy gia công cao tốc đang sử dụng 7

Bảng 2.3 Thông số chế độ cắt 13

Bảng 2.4 Hệ số lực cắt trung bình 13

Bảng 2.5 Thông số về vật liệu 90MnCrV8: 14

Bảng 2.6 Thông số dao phay mặt Ø63 14

Bảng 2.7 Chuẩn đo insert phay mặt theo ISO 8688 15

Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm khi phay sử dụng 2 loại insert theo Type C và Type B 15

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của máy phay CNC NH6300 47

Bảng 4.2 Thành phần hóa học của vật liệu gang xám FCD450 51

Bảng 4.3 thông số công nghệ thí nghiệm khi Vc thay đổi và lượng chạy dao cố định Sr=0.05 mm/răng 55

Bảng 4.4 Thông số công nghệ thí nghiệm khi lương chạy dao răng Sr thay đổi và vận tốc cắt cố định Vc=550 m/phút 56

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm khi cho vận tốc cắt Vc thay đổi và cố định lượng chạy dao răng Sr=0.05 mm/răng 57

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm khi cho lượng chạy dao răng Sr thay đổi và cố định vận tốc cắt Vc=550 m/phút 58

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các phương pháp tăng năng suất, chất lượng và giảm giá thành sản phẩm 2

Hình 2.1 Trung tâm gia công ngang 4 trục NH6300 Moriseiki với tốc độ trục chính là 15.000vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 50m/ph 6

Hình 2.2 Quá tình phân tích ổn định khi phay mặt 12

Hình 2.3 Thiết bị đo dụng cụ động 12

Hình 2.4 Biểu đồ lực cắt trung bình khi phay vật liệu cứng 14

Hình 2.5 Nhiệt cắt của phoi trong quá trình gia công, Vc= 278.1 m/phút 15

Hình 2.6 Chiều sâu mòn và chiều dài mòn insert khi phay với sự thay đổi của F [mm/răng] và Vc [m/phút]; 16

Hình 2.7 Hình ảnh của mòn dao 17

Hình 2.8 Lực cắt trung bình theo hướng trục x với vận tốc cắt Vc và tốc độ tiến dao f thay đổi 18

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm 21

Hình 3.3 Sự phân bố lớp ứng suất dư và lớp biến cứng trên bề mặt chi tiết 29

Hình 3.4 Ảnh hưởng của chiều rộng cắt đến lực cắt 32

Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều dày cắt đến lực cắt 32

Hình 3.6 Quá trình ảnh hưởng của dao cắt đến bề mặt chi tiết 34

Hình 3.7 Sự biến dạng dẻo trong cắt gọt 35

Hình 3.8 Nhiệt phát sinh trong vùng cắt 36

Hình 3.9 Các vùng biến dạng trong quá trình cắt 36

Hình 3.10 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa θ và V 37

Hình 3.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến độ mòn của dao 39

Hình 3.12 Quan hệ giữa chiều cao nhấp nhô tế vi Rz và lượng tiến dao S khi tiện với r=0, r=0.01mm, r=0.04mm 41

Hình 3.13 Ảnh hưởng của tốc độ cắt (V) đến chiều cao nhấp nhô tế vi (Rz) 42

Hình 3.14 Ảnh hưởng của lượng tiến dao S đối với nhám bề mặt Rz 42

Hình 4.1 Hình ảnh cụm lái và xe nâng hàng điện, loại đứng lái FBR-E0.9t-3.0t 46

Hình 4.2 Trung tâm gia công NH6300 47

Hình 4.3 Thông số kỹ thuật của dụng cụ cắt 48

Hình 4.4 Thông số mảnh cắt 48

Hình 4.5 Bản vẽ chi tiết gia công 49

Hình 4.6 Kích thước của phôi thí nghiệm 50

Hình 4.7 Sơ đồ định vị và kẹp chặt chi tiết 52

Hình 4.8 Máy đo độ nhám bề mặt POCKETSURF của Mỹ 54

Hình 4.9 Sơ đồ đo độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công 55

Hình 4.10 Ảnh hưởng của vận tốc cắt (Vc) tới độ nhám bề mặt (t=0.2mm) 59

Hình 4.11 Ảnh hưởng của vận tốc cắt (Vc) tới độ nhám bề mặt (t=0.5mm) 60

Hình 4.12 Ảnh hưởng của lượng chạy dao (Sr) tới độ nhám bề mặt (t=0.2mm) 62

Hình 4.13 Ảnh hưởng của lượng chạy dao (Sr) tới độ nhám bề mặt (t=0.5mm) 63

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến

độ chính xác gia công trên máy phay CNC

Tác giả luận văn: NGÔ ĐĂNG HUỲNH Mã số: 60.52.01.03

Người hướng dẫn: PGS.TS ĐÀO QUANG KẾ - TS.TỐNG NGỌC TUẤN

Nội dung tóm tắt:

a Lý do chọn đề tài

Ngành cơ khí nói chung và cơ khí chế tạo máy nói riêng ngày càng khẳng định thế mạnh của mình trong sự nghiệp phát triển nền kinh tế của đất nước với vai trò chủ đạo và không ngừng đáp ứng việc tạo ra những sản phẩm chất lượng tốt, độ tin cậy cao và đủ sức cạnh tranh

Những chỉ tiêu tạo ra các sản phẩm đó được quyết định bởi độ chính xác gia công

Độ chính xác gia công là đặc tính chủ yếu của chi tiết máy Trong thực tế không thể chế tạo chi tiết có độ chính xác tuyệt đối bởi vì khi gia công xuất hiện sai số Có rất nhiều yếu

tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công như: Độ chính xác của thiết bị công nghệ, kiến thức công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, các thông số cắt, công nghệ bôi trơn … Thách thức của ngành công nghiệp hiện đại là tập trung chủ yếu vào việc đạt được chất lượng cao, không chỉ trong việc đạt đến độ chính xác gia công mà là tăng tốc độ sản xuất tăng hiệu suất của sản phẩm, tiết kiệm chi phí giảm những tác động đến môi trường Một trong những phương pháp đang và đã nghiên cứu ứng dụng ở các nước phát triển đó là phương pháp gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công cắt gọt hiện đại hiện nay Gia công cao tốc đã được thực hiên cách đây hơn

30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn

Tuy nhiên, tại Việt Nam công nghệ này vẫn chưa được ứng dụng phổ biến rộng rãi Do vậy, nhằm tìm hiểu và nghiên cứu phương pháp gia công mới này, tôi chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công trên máy phay CNC ” làm nội dung nghiên cứu luận văn

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

Mục đích nghiên cứu:

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của chế độ cắt (vận tốc cắt, lượng chạy dao) đến độ nhám

bề mặt gia công trên trung tâm gia công ngang 4 trục NH6300 của hãng MORI SEIKI của

Nhật tại nhà máy Sumitomo NACCO Forklift ( Vietnam ) Co;Ltd thuộc tập đoàn Sumitomo của Nhật tại khu công nghiệp Thăng Long1, Hà nội

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ (tốc độ cắt V(m/ph), lượng chạy dao S (mm/răng)) khi phay cao tốc đến độ chính xác gia công khi phay mặt (độ nhám

bề mặt chi tiết máy (Ra))trên máy phay CNC đối với Gang xám FCD450 sử dụng dao Carbide có phủ Titan, bằng phương pháp thực nghiệm

c Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Luận văn được trình bày trong 5 phần với nội dung chính như sau :

Phần 1 Mở đầu

Phần 2 Tổng quan về các nghiên cứu

Phần 3 Độ chính xác gia công và các yếu tố ảnh hưởng

Phần 4 Kết quả nghiên cứu

Phần 5 Kết luận và kiến nghị

d Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

e Kết luận: Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, tác giả có một số kết luận sau:

1 Qua thí nghiệm và xử lý số liệu đã xác định được lượng tiến dao S và vận tốc cắt

V để đạt độ bóng cao nhất đó là Sr= 0,01(mm/răng), Vc = 550(m/phút) với chiều sâu cắt t

= 0,5mm Độ bóng có thể đạt được là cấp 11 , đảm bảo độ kín khít giữa nửa của hộp số

mà không cần dùng các loại gioăng cao su

2 Tuổi bền của dụng cụ cắt ở vận tốc cắt Vc = 550(m/phút), Sr= 0,01 (mm/răng) giảm đáng kể so với với vần tốc cắt mà cơ sở đang áp dụng Vc=180 m/phút và Sr=0.05 mm/răng

3 Tiết kiệm chi phí được cho nhà máy một tháng 465.35 USD/một máy làm việc 2 ca

THESIS ABSTRACT

The subject: Study of the influence of the technological parameters henmilling high speed to the accuracy of machining on CNC milling machine

Thesis’s Author: HUYNH NGO DANG Code: 60.52.01.03

The instructor: ASS Pf Dr KE DAO QUANG -Dr.TUAN TONG NGOC

Content summary:

a Reason for choosing the subject:

The mechanics in general and engineering mechanics in particular increasingly affirm their strengths in the career development of the country's economy with a dominant role and constantly satisfy the creation of good quality products, reliability and competitive enough

The only goal is to create products that are decided by the precision machining The precision machining is mainly characteristic of the machine details In fact it can not be built there details absolute accuracy because when offshoring will be appeared error There are many factors affecting the machining precision: the precision of technology equipment, knowledge technology, machining, material cutting tool materials, the cutting, lubrication technology The challenge of modern industry is focused primarily on achieving high quality, not only in achieving the precision machining that is increasing the production rate increase the performance of your product, saving the cost of reducing the impact on the environment One of the methods are studied and applied in developed countries it is high speed machining methods (High Speed Machining-HSM) is one of the technologies of modern grinding machining available today High speed machining have been conducted more than 30 years ago Recently, with the boom of the current engineering industry with the related technology such as computers, machines, cutters, CNC controls, CAM system, the high speed machining increasingly more attention

However, in Vietnam, this technology has not been widely popular applications Therefore, in order to explore and study this new machining methods, I choose the subject: "Study the influence of the technological parameters when milling high speed to the precision machining on CNC milling machine " made the content of research papers

b Purpose of study by dissertation, the subject, the scope of the study

The purpose of the study:

- Research the effects of cutting mode (cutting speed, density the knife) to surface machining on the center of the 4th -axis horizontal NH6300 tool of MORI SEIKI Japan at the Sumitomo NACCO Forklift (Vietnam) co.; Ltd., belong to Sumitomo Corporation of Japan in The 1st Thang long Industrial area, Hanoi

The object and scope of the study:

- Study of the influence of the technological parameters (cutting speed V (m per minute), the speed of knife running (mm per wheel)) when high speed milling up to speed when machining precision milling (surface detail (Ra)) on CNC milling machine for FCD450 cast iron which using a Carbide knife covered in titanium C by empirical methods

c Concise summary of the main content and new contributions

The thesis is presented in five parts with the main content as belows:

Part 1: The beginning

Part 2: Overview of the research

Part 3: Machining accuracy and the factors of influence

Part 4: The result of researching

Part 5: The conclusion and recommendations

d Researching methods: Researching theory combined with experiment

e Conclusion: In the process of implementation and completion of the thesis, I got some the following conclusions:

1 Find out the influence of cutting velocity of gloss up details in the process on the CNC milling machine with Carbide steel knife

2 Through experiments and data processing have identified progress energy knife

S and velocity V-cut to reach the highest gloss that is Sr = 0.01 (mm per wheel), Vc = 550 (m/minute) cutting depth with t = 0, 5 mm Polished can reach is level Ñ11, ensure snugly between the second half of the gearbox without using the kind of rubber washers

3 Age durability of cutting tool in cutting speed of Vc = 550 (m/min), Sr = 0.01 (mm/wheel) which significantly reduced compared with that cutter base speed spell applying Vc = 180 m/min and Sr = 0.05 mm/wheel

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngành cơ khí nói chung và cơ khí chế tạo máy nói riêng ngày càng khẳng định thế mạnh của mình trong sự nghiệp phát triển nền kinh tế của đất nước với vai trò chủ đạo và không ngừng đáp ứng việc tạo ra những sản phẩm chất lượng tốt, độ tin cậy cao và đủ sức cạnh tranh

Những chỉ tiêu tạo ra các sản phẩm đó được quyết định bởi độ chính xác gia công Độ chính xác gia công là đặc tính chủ yếu của chi tiết máy Trong thực tế không thể chế tạo chi tiết có độ chính xác tuyệt đối bởi vì khi gia công xuất hiện sai

số Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công như: Độ chính xác của thiết bị công nghệ, kiến thức công nghệ, vật liệu gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, các thông số cắt, công nghệ bôi trơn …Với sự phát triển không ngừng của khoa học

kỹ thuật thì độ chính xác gia công ngày càng được cải thiện hơn Thách thức của ngành công nghiệp hiện đại là tập trung chủ yếu vào việc đạt được chất lượng cao, không chỉ trong việc đạt đến độ chính xác gia công mà là tăng tốc độ sản xuất tăng hiệu suất của sản phẩm, tiết kiệm chi phí giảm những tác động đến môi trường

Một trong những phương pháp đang và đã nghiên cứu ứng dụng ở các nước phát triển đó là phương pháp gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) là một trong những công nghệ gia công cắt gọt hiện đại hiện nay Gia công cao tốc đã được thực hiên cách đây hơn 30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công

cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Bởi vậy việc tiếp cận phương pháp gia công cao tốc là một yêu cầu cấp thiết để có thể đáp ứng được thực tiễn của của nhu cầu sản xuất Nó là công nghệ gia công hiện đại hơn hẳn các dạng gia công thường và đạt được các hiệu quả quan trọng trong cắt gọt Những lợi thế của gia công cao tốc là đạt được những năng suất cao hơn các dạng gia công khác… tiết kiệm được thời gian gia công, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ… Nó cũng là phương pháp gia công giúp cho việc gia công các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp trở nên đơn giản hơn, đạt độ chính xác cao hơn và năng suất tăng nhanh hơn Những phát hiện mới của gia công cao tốc luôn được phát triển liên tục và được ứng dụng trong các ngành:

+ Công nghiệp gia công nhôm: để sản xuất ra các bộ phận của ô tô, các chi tiết máy tính nhỏ và các thiết bị y tế

+ Công nghiệp hàng không: để gia công các chi tiết làm bằng nhôm với thành mỏng

+ Công nghiệp khuôn mẫu: để gia công tinh với độ chính xác các chi tiết làm bằng vật liệu cứng như khuôn dập, khuôn rèn, khuôn nhựa

Nhờ sự phát triển của gia công cao tốc dẫn đến sự phát triển của các máy công

cụ có tốc độ cắt cao góp phần vào sự phát triển của gia công cắt gọt

Hiện nay việc áp dụng phương pháp gia công cao tốc này trong các ngành công nghiệp Việt Nam còn rất hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu cũng như ứng dụng những thành quả trong gia công cao tốc trên các máy cao tốc CNC nhằm nâng cao

độ chính xác của chi tiết gia công, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao động đạt hiểu quả cao góp phần vào sự phát triển của toàn xã hội là một yêu cầu cấp thiết

Trong nội dung luận văn cao học tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phay cao tốc trên máy CNC đến độ chính xác gia công bề mặt ”

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Hiện nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và khắt khe của đời sống xã hội thì việc tăng năng suất gia công, chất lượng sản phẩm và giảm giá thành đang trở thành một nhu cầu tất yếu và có chọn lọc của xã hội trong mọi lĩnh vực sản suất công nghiệp nói chung và trong ngành công nghiệp cơ khí nói riêng

Đối với nghành công nghiệp gia công cơ khí, để thực hiện điều đó thì quá trình cắt gọt đóng vai trò vô cùng quan trọng, điều đó được thể hiện trong hình 1.1:

Hình 1.1 Các phương pháp tăng năng suất, chất lượng

và giảm giá thành sản phẩm

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phương pháp gia công cao tốc, các yếu tố ảnh hưởng trong gia công cao tốc tới năng suất, chất lượng và giá thành của sản phẩm trong lĩnh vực gia công cơ khí

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài - “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phay cao tốc trên máy CNC đến độ chính xác gia công bề mặt ” đối với gang xám (FCD450) bằng dao Carbide có phủ - đối với gang xám có độ cứng 174 HB Ở đây độ chính xác gia công là một thông số mang tính tổng hợp Tuy nhiên, hai yếu

tố rất quan trọng trong độ chính xác gia công là độ chính xác về kích thước và độ nhám bề mặt thì lại có quan hệ mật thiết với nhau, trong đó độ nhám bề mặt Ra bằng khoảng 5-20% dung sai kích thước Bề mặt có độ nhám bề mặt nhỏ thì độ chính xác về kích thước hình học mới cao và ngược lại

Do vậy phạm vi luận văn này chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ: tốc độ cắt V(m/ph), lượng chạy dao S(mm/răng) tới độ nhám bề mặt chi tiết máy (Ra) khi gia công cao tốc trên máy CNC được thực hiện với các loại gang xám có độ cứng từ 140-210 HB bằng phương pháp thực nghiệm

Lý do Tác giả chọn đối tượng nghiên cứu là Gang xám mà không phải các loại vật liệu truyền thống ứng dụng gia công cao tốc như Nhôm, thép sau nhiệt luyện, hay các vật liệu phi kim khác vì đối với Gang xám ở một số công đoạn yêu cầu độ bóng rất cao mà Gang thì gần như không thể ứng dụng được phương pháp mài Do vậy tôi chọn đối tương nghiên cứu là Gang xám để ngoài việc tăng năng xuất gia công, giảm chi phí sản xuất ra còn là để tăng chất lượng bề mặt thay thế cho công đoạn mài ở một số nguyên công yêu cầu độ nhám bề mặt cao

PHẦN 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU

2.1 TỔNG QUAN GIA CÔNG CAO TỐC

2.1.1 Định nghĩa về gia công cao tốc

Trong những năm gần đây gia công với tốc độ cao đang phát triển với sự tiến

bộ vượt bậc nhờ sự phát triển của máy công cụ và hệ điều khiển So với phương pháp cắt gọt truyền thống thì gia công cao tốc không chỉ thể hiện cắt bỏ kim loại với tốc độ cao tăng khả năng nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng chi tiết gia công và cũng có thể giảm chi phí sản xuất và thời gian gia công Nhờ có chế độ cắt cao nhưng lực cắt thấp làm giảm quá trình mòn của dụng cụ tăng tuổi thọ của dao tốt hơn Bề mặt chi tiết qua gia công cao tốc đạt độ bóng cao có thể so sánh với các phương pháp gia công khác như: Mài, gia công bằng tia lửa điện …Ngoài thuật ngữ (High Speed Machining-HSM) nói trên còn có các thuật ngữ sau cũng ám chỉ gia công cao tốc: High-Velocity Machining, High Performance Machining, High Efficiency Machining, High Agile Machining và High Productivity Machining Theo cách hiểu thông thường thì gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) gia công với tốc độ trục chính rất cao nhưng tốc độ chạy dao thấp còn High Efficiency Machining thì có tốc độ chạy dao cao nhưng tốc độ cắt trung bình

Gia công với tốc độ cắt cao

Gia công với tốc độ quay của trục chính cao

Gia công với lượng ăn dao cao

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

Gia công với năng suất cao

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

Theo bài báo cáo khoa học : Gia công cao tốc – Phương pháp gia công hiện đại của nhóm tác giả: Giáo sư Lucjan Przybylski và Tiến sĩ Bogdan Slodki - Đại học Công nghệ, Viện Kỹ thuật sản xuất

Nội dung của bài báo cáo các tác giả muốn làm rõ hơn các định nghĩa về gia công cao tốc và đưa ra giới hạn chế độ cắt khi gia công cao tốc đối với các vật liệu khác nhau tương ứng với dụng cụ cắt Tùy theo loại vật liệu mà dải (vùng) tốc độ gia công cao tốc khác nhau theo bảng 2.1

Bảng 2.1 Vận tốc cắt khi gia công thường và gia công cao tốc

của một số vật liệu Vật liệu

Dao phủ WC, PCV, PCD Dao phủ, CBN, Ceramic Gia công

thường Vc(m/ph)

Gia công cao tốc Vc(m/ph)

Gia công thường Vc(m/ph)

Gia công cao tốc

46

183 (eramic, CBN)

Gia công cao tốc cũng không phải là gia công với tốc độ trục chính cao bởi

vì có nhiều ứng dụng gia công cao tốc được thực hiện với máy có tốc độ bình thường Gia công cao tốc thường được sử dụng khi gia công tinh thép đã tôi với việc sử dụng cả hai yếu tố là tốc độ cao và lượng ăn dao cao

2.1.2 Yêu cầu về thiết bị cho gia công cao tốc

Những phát hiện mới của gia công cao tốc luôn được phát triển liên tục và được ứng dụng trong các ngành: Công nghệ ôtô, các bộ phận máy bay, ngành công nghiệp điện tử và trong sản xuất các sản phẩm cơ khí Nhờ sự phát triển của gia công cao tốc dẫn đến sự phát triển của các máy công cụ có tốc độ cắt cao góp phần vào sự phát triển của gia công cắt gọt Gia công cao tốc đã và đang được áp dụng trên các trung tâm gia công truyền thống với tùy chọn tốc độ trục chính cao

Hiện nay gia công cao tốc (High Speed Machining-HSM) được xem là một trong những lĩnh vực chính của ngành chế tạo máy Thực ra gia công cao tốc không mới, nó đã được thực hiện cách đây hơn 30 năm Gần đây, với sự phát triển vượt bậc của ngành chế tạo máy hiện nay với những công nghệ liên quan như máy tính, dao cắt, máy công cụ, bộ điều khiển CNC, hệ thống CAM, thì gia công cao tốc ngày càng được quan tâm hơn Các ứng dụng chủ yếu thúc đẩy công nghệ theo hướng gia công cao tốc là: chế tạo khuôn mẫu, chế tạo các chi tiết ngành ôtô và gia công các chi tiết ngành hàng không

Rất khó để nêu lên một định nghĩa chung về gia công cao tốc Tốc độ gia công thì rất cụ thể cho từng ứng dụng Ví dụ khi tốc độ gia công cao tốc khi gia công thép vào khoảng 400m/ph nhưng giá trị này vẫn chưa phải là giá trị tốc độ gia công cao tốc khi gia công gang

Nói chung, để định nghĩa gia công cao tốc dựa vào các yếu tố sau: tốc độ cắt cao, tốc độ quay của trục chính cao, lượng ăn dao cao, tốc độ cắt cao và lượng ăn dao cao và năng suất cao Tốt nhất là nói rằng gia công cao tốc có nghĩa là cắt gọt vật liệu nhanh hơn bình thường cho những công đoạn cụ thể Trong một số trường hợp người ta cũng có thể sử dụng máy truyền thống để gia công cao tốc Tuy nhiên, nói chung, để thực hiện được gia công cao tốc thì máy cũng có những yêu cầu đặc biệt

Hình 2.1 Trung tâm gia công ngang 4 trục NH6300 Moriseiki với tốc độ trục

chính là 15.000vg/ph, tốc độ chạy dao nhanh lên đến 50m/ph

Sau đây là một số yêu cầu cụ thể:

 Động cơ dẫn động chạy dao tốc độ cao

Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh rất quan trọng cho việc nâng cao năng suất Một máy công cụ với tốc độ tăng tốc/giảm tốc cao có thể duy trì vùng tốc độ chạy dao không đổi trên hầu hết hành trình cắt Gia công cao tốc yêu cầu các động

cơ dẫn động các trục có công suất cao

 Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc

Bộ điều khiển CNC phải có khả năng xử lý đủ nhanh Xu hướng phát triển các bộ điều khiển CNC là chúng phải giảm được thời gian xử lý các khối lệnh và tăng khả năng “look ahead”, có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS

Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật của máy gia công cao tốc đang sử dụng Thông số kỹ thuật HSM -700 Mikron FJV-25N Mazak NH- 6300 Moriseiki

Hệ thống máy phải chắc chắn và độ cứng vững cao khung máy và các hệ thống

hỗ trợ như hệ thống che băng máy, hệ thống nước làm mát, hệ thống kẹp chặt,…

phải có độ cững vững cao để chịu được ứng suất sinh ra khi gia công cao tốc Thiết

bị che chắn máy và các cửa sổ phải được làm bền nhằm đảm bảo an toàn khi có sự

cố về dao Vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu khi gia công cao tốc

 Trục chính và thiết bị kẹp chặt dao có đồng tâm cao và cân bằng tốt

Khi số vòng quay tăng thì lực li tâm sẽ tăng bình phương với vận tốc quay (|F| = mw2r

làm gia tăng lực li tâm, gây rung động máy Do đó hệ thống gá dao và kẹp chặt dao, trục chính phải có độ đồng tâm cao và cân bằng tốt trong gia công cao tốc

 Hệ thống cấp dung dịch trơn nguội

Gia công cao tốc yêu cầu phải có hệ thống cung cấp dung dịch trơn nguội áp suất cao để có thể làm mát dao một cách hiệu quả ở tốc độ quay cao, ở xung quanh dao cắt xuất hiện vùng gió xoáy nên phương pháp làm nguội truyền thống không thể làm nguội hiệu quả Việc thay dao nhanh yêu cầu dung dịch trơn nguội phải sạch hơn so với thông thường nên hệ thống cấp dung dịch trơn nguội phải có khả năng lọc tốt Trong nhiều trường hợp người ta thích sử dụng gia công cao tốc khô

để loại trừ các rắc rối do hệ thống cấp dung dịch trơn nguội không đạt yêu cầu Nhu cầu về gia công cao tốc rất rộng lớn và đa dạng do đó hiện nay có nhiều kiểu máy khác nhau cho công nghệ này

Tóm lại để thực hiện được gia công cao tốc thì hệ thống dao và máy cũng có những yêu cầu đặc biệt, cụ thể như sau:

Sử dụng ổ đỡ có tần số quay vòng cao cho trục chính

Công suất động cơ trục chính cao

Trục chính phải có độ cứng vững và độ ổn định nhiệt cao

Truyền động chạy dao động

Điều khiển động truyền động

Cấu trúc máy có độ cứng vững cao

Hệ thống làm lạnh áp suất cao

Thiết bị kẹp chặt dao đạt độ đồng tâm cao và cân bằng tốt

Dao được làm bằng vật liệu có tính chống mòn cao

Bộ điều khiển CNC có khả năng đáp ứng được cho gia công cao tốc như

có khả năng nội suy cung tròn thông qua đường cong NURBS, có chức năng

“look ahead”, …

2.1.3 Ưu điểm của gia công cao tốc

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

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

Hiệu quả kinh tế của máy gia công cao tốc CNC thể hiện qua các khía cạnh sau:

- Khi chi tiết có độ phức tạp cao, lựa chọn phương pháp gia công phù hợp nhất là gia công trên máy gia công cao tốc CNC Bởi vì gia công trên máy gia công cao tốc CNC rút ngắn thời gian gia công, đạt độ chính xác yêu cầu và giá thành rẻ hơn so với khi gia công trên máy công cụ vạn năng và máy tự động cứng

- Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo nhanh vì chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm đồ gá chuyên dùng Máy điều khiển số đáp ứng được tính linh hoạt của sản xuất

- Chi phí cho sản xuất dụng cụ cắt cho máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn

so với dạng máy khác vì máy gia công cao tốc CNC được trang bị tính năng đánh giá lượng mòn dụng cụ và tự động điều chỉnh máy để bù lượng mòn

- Máy gia công cao tốc CNC có tính năng tự động kiểm tra chất lượng ngay trong quá trình gia công mà các máy thông thường không có khả năng này Do vậy giảm đáng kể tổn phí cho kiểm tra chất lượng chi tiết gia công

- Thời gian gia công chi tiết trên máy gia công cao tốc CNC nhỏ hơn so với máy vạn năng do tập trung nguyên công cao

- Máy gia công cao tốc CNC không cần dùng các đồ gá chuyên dùng để gá kẹp phôi

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

Tốc độ bóc vật liệu cao

Chất lượng bề mặt gia công tốt

Độ chính xác hình dáng cao

Có khả năng gia công được các gân mỏng

Giảm việc tạo bavia

Không gây hư hại bề mặt gia công

2.2 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU

Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng gia công cao tốc nói chung và phay cao tốc nói riêng đã có từ 30 năm nay các thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực này như sau:

2.2.1 Phay cao tốc với vật liệu cần gia công là Titan sử dụng dụng cụ cắt Carbide

có phủ (Bài báo cáo này được đăng trên - Tạp chí nghiên cứu khoa học Châu Âu, Nagi Elmagrabi, Che Hassan C.H – Đại học Quốc gia Malaysia)

Nội dung của bài báo cáo:

Tìm những ứng dụng mới trong gia công cao tốc làm tăng năng suất trong sản xuất Gia công cao tốc là lý do mà theo báo cáo cho rằng nó là nguyên nhân dẫn đến sự mòn nhanh của dụng cụ cắt Trong thực tế sản xuất với vật liệu Titan và hợp kim của nó khi gia công luôn hạn chế tốc độ cắt nhỏ hơn 60(m/phút) Để tìm ra được chế độ cắt hợp lý khi gia công cao tốc đối với vật liệu này, trong bài báo cáo

đã nói lên quá trình thử nghiệm phay cao tốc đối với vật liệu Titan(Ti-6AL-4V) với dụng cụ cắt phủ và không phủ Carbide

độ chống mài mòn cao, chịu va đập tốt có tỷ khối nhỏ và khả năng chịu nhiệt cao 2.2.2 Phay cao tốc với vật liệu là hợp kim nhẹ

(Bài báo cáo đăng trên Tạp chí các thành tựu trong Vật liệu, Kỹ thuật và Sản xuất, tác giả: F.Cus a co-perating, U Zuperl và V Gecevska b, Đại học Maribor Slovenia)

Nội dung của bài báo cáo

Mục đích của bài này được tác giả giới thiệu những ứng dụng của gia công cao tốc đối với kim loại nhẹ Cho thấy gia công cao tốc là kết quả của sự tiến bộ khoa học kỹ thuật Nó là công nghệ phay hiện đại hơn hẳn các dạng phay thường và đạt được các hiệu quả quan trọng trong cắt gọt Những lợi thế của gia công cao tốc trong gia công vật liệu nhẹ đã đạt được những năng suất cao hơn các dạng gia công khác.: tiết kiệm được thời gian gia công, kéo dài tuổi thọ của dụng cụ…

Kết quả và ý nghĩa: bề mặt gia công cao tốc đối với vật liệu nhẹ có chất lượng cao, chất lượng khi gia công cao tốc ở một số vị trí có thể sánh với mài

Ý nghĩa thiết thực: Phay cao tốc với kim loại nhẹ Al và Magiê là hai loại vật liệu được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, có đến 95% được ứng dụng trong máy bay

và công nghệ ôtô Kết quả đạt được chất lượng bề mặt cao và thời gian gia công ngắn 2.2.3 Trong phay cao tốc đặc biệt khi phay vật liệu sau nhiệt luyên thì yếu tố dụng cụ cắt vô cùng quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm

Cũng nghiên cứu về các loại dụng cụ gia công vật liêu sau nhiệt luyện nhưng các nhà nghiên cứu: Fatih Taylan1 – Oğuz Çolak 1,* – Mehmet Cengiz Kayacan

2, đăng trên tạp chí kyc thuật cơ khí(2011) Đã đánh giá được sự khác biệt của các loại dao phay bằng vật liệu CBN có phủ và không phủ ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của dụng cắt, tốc độ cắt, khả năng chống mài mòn và ảnh hưởng của lực cắt trong quá trình gia công phay vật liệu cứng

Trước nghiên cứu của các nhà khoa học này đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng vật liệu của dụng cụ cắt là CBN: Raghavan [8] đã sử dụng PCBN cho phay mặt gia công vật liệu AISI HI3 (48 đến 50 HRC), với vận tốc cắt là nằm trong khoảng 100-200m/phút, F=0.1mm/răng, chiều sâu cắt t=1mm, Heath et al [9] khuyến cáo sử dụng PCBN ở tốc độ cắt 180m/phút, f=0.2mm/răng, t=1mm với độ cứng của thép là 60HRC Nagakawa [10] có báo cáo nghiên cứu về sự khác biệt giữa phay khô và phay có sử dụng dầu làm mát khi sử dụng dao phay ngón, dao cầu với vật liệu là PCBN cắt vật liệu AISI D2 (57HRC) Kết quả nghiên cứu cho thấy khi phay với F=0.05mm/răng, Vc=222m/phút và chiều sâu cắt hướng kính là 0.2mm, khi cắt trên tổng chiều dài cắt 400m thì độ òn của daophay cầu có suwrdungj dầu làm mát là sấp xỉ 0.1mm thấp hơn nhiều khi cắt khô Với độ cứng của vật liệu AISI D2 là

58 HRC, Kohsy [11] đã làm thí nghiêm phay mặt sử dụng CBN insert, kết quả thí nghiệm cho thấy tuổi thọ của dụng cụ cắt khi bóc tách được 43 cm3 vật liệu thì chất

lượng bề mặt của chi tiết là Ra=0.1-0.2µm Như vậy muốn tăng được hiệu suất sử dụng máy thì việc làm cần thiết là tăng tuổi bền của dụng cụ cắt

Trong nghiên của các nhà khoa học thuộc trường đại học Suleyman Demirel University, so sánh hiệu suất sử dụng hai loại mảnh cắt SNMN090308 với là CBN phủ TIN và CBN không phủ, khi phay mặt chi tiết có vật liệu là 90MnCrV8 (61 HRC) Thông số về mòn dao và lực cắt được phân tích và đánh giá đưa ra kết quả

Phương pháp thí nghiệm được đưa ra ở đây theo sơ đồ hình 2.2&2.3 bên dưới:

Hình 2.2 Quá tình phân tích ổn định khi phay mặt Hình 2.3 Thiết bị đo dụng

cụ động Thiết bị được sử dụng là máy Harford VMC 1020

Step1: Xây dựng mô hình thí nghiệm, xây dựng thiết bị đo dụng cụ như trong hình bên dưới: sử dụng phương phápTap Test hướng trục X và Y được gắn thiết bị đo: 2000N Kistler 9722A Hammer and 100 g/V sensitivity accelerometer Tần xuất

đo được thực hiên theo cả hai hướng sử dụng phần mềm CutPRO MALTF

Step2: Định nghĩa thông số chế độ cắt theo bảng 2.3:

Bảng 2.3 Thông số chế độ cắt STT test Bước tiến dao [mm/tooth] Tốc độ trục chính [rpm] Vận tốc cắt [m/phút] Chiều sâu cắt [mm]

Sau khi sử dụng dao phay ngón CBN để phay vật liệu 90MnCrV8 (62HRC) thì thông số về hệ số lực cắt trung bình đo được như bảng 2.4:

Bảng 2.4 Hệ số lực cắt trung bình

Step3: Mô phỏng sự ổn định được tính toán theo công thức (2):

Với các thông số được xác định trong Step1 và Step2 ta xây dựng được biểu đồ lực cắt khi phay với chiều sâu cắt là 0.6 như hình 2.4:

Hình 2.4 Biểu đồ lực cắt trung bình khi phay vật liệu cứng

Step4: Phân tích mòn dao trong điều kiện test như bảng 3 được xác định sau khi ổn định Ở chiều sâu cắt 0.6mm liên quan đến sự ổn định thể hiện trên hình 3

a) Tiến hành thực nghiệm:

Bảng 2.5 Thông số về vật liệu 90MnCrV8:

Phôi gia công là thép cán nguội, nhiệt luyện đạt độ cứng 63-65HRC

Dụng cụ dùng để tiến hành thí nghiệm là dao phay mặt Ø63, số lưỡi cắt Z=5

Sử dụng 2 loại mảnh cắt với các thông số thể hiện trong bảng 2.6:

Bảng 2.6 Thông số dao phay mặt Ø63

Mô hình thực nghiệm như trong hình 2.5:

Hình 2.5 Nhiệt cắt của phoi trong quá trình gia công, Vc= 278.1 m/phút b) Đánh giá mòn dao:

Việc đánh giá mòn dụng cụ được phân tích theo chuẩn ISO 8688 cho dao phay mặt được đưa ra theo bảng số 2.7:

Bảng 2.7 Chuẩn đo insert phay mặt theo ISO 8688

Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm khi phay sử dụng 2 loại insert

theo Type C và Type B

Vỡ dao ISO

TiN Composite Coated CBN 9 tools 23 tools (2Small, 10 Normal, 11 Large)

Thông số về chiều sâu mòn trên 1 cạnh cắt đo được bằng các thiết bị đo được biểu diễn trên biểu đồ thể hiện trên hình 6 và phân tích độ mòn bằng hình ảnh ở một

số chế độ cắt được thể hiện trong hình 1.7:

Hình 2.6 Chiều sâu mòn và chiều dài mòn insert khi phay với sự thay đổi của

F [mm/răng] và Vc [m/phút];

a) CBN tools, b) Tin CBN tools

Hình 2.7 Hình ảnh của mòn dao; a) mòn dao lớn nhất của 6 insert CBN (vc=154.4 m/phút, f=0.15 mm/răng), b) mòn dao lớn nhất ở 6 insert CBN phủ TiN (vc=154.4 m/phút, f=0.1 mm/răng); c) Mòn dao nhỏ nhất

ở 6 insert CBN (vc=524.5 m/phút, f=0.05 mm/răng), d) Mòn dao nhỏ nhất ở 6 insert CBN phủ TiN(vc=524.5 m/phút, f=0.05 mm/răng).

Nhìn vào biểu đồ mòn dao trên hình 1.7 ta thấy khi phay với tốc độ cắt thấp

và bước tiến cao thì độ mòn của insert tăng lên đáng kể, còn khi phay với vận tốc cao và bước tiến dao chậm thị tốc độ mòn dao giảm đi nhiều Theo biểu đồ thông số trên hình 4, khi gia công cùng chiều sâu và độ dài gia công thì mảnh dao cắt CBN phủ TiN bị hỏng do vỡ dao nhiều hơn là mòn Mảnh cắt mòn ít nhất ở vận tốc cắt từ 300-500 m/phút ở cả hai loại form mảnh cắt Trên hình 7 là hình ảnh mòn dao lơn nhất cho từng loại mảnh cắt, mòn dao lớn nhất khi chạy ở tốc độ thấp khoảng 154.4 m/phút Và mòn dao nhỏ nhất khi chạy với tốc độ 524.5 m/phút và f=0.05mm/vòng cho cả hai loại mảnh cắt

Lực cắt trong quá trình gia công

Các số liệu lực cắt đo đạc được trong quá trình thí nghiệm khi cắt bằng mảnh cắt CBN không phủ và CBN phủ TiN thể hiện trên biểu đồ lực hình 2.8a và 2.8b

Hình 2.8 Lực cắt trung bình theo hướng trục x với vận tốc cắt Vc và tốc độ

tiến dao f thay đổi

là 28,13% Tốc độ cắt và bước tiến dao cho phép sau thí nghiệm được khuyến cáo ở Vc= 450-550 m/phút (hight speed) và bước tiên sao 0,05-0,1 mm/răng mang lại hiệu quả cao nhất Lực cắt tăng lên đáng kể khi phay với tốc độ cao và bước tiến dao cao Đối với mảnh dao CBN phủ TiN thì lực cắt nhỏ hơn mảnh CBN không phủ khi phay ở tốc độ cao và bươc tiến cao

Và còn nhiều các nghiên cứu khác trong lĩnh vực gia công cao tốc

2.3 KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu tổng quan về quá trình gia công cao tốc, tìm hiểu các công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới Kết hợp với việc nghiên cứu sự ảnh hưởng các thông số công nghệ khi gia công cao tốc đến độ chính xác gia công, chúng ta thấy:

- Gia công cao tốc đã và sẽ có một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chính xác do khả năng gia công tốc độ cao những vật liệu có độ cứng, độ bền cao, cho độ chính xác và độ bóng bề mặt cao

- Gia công cao tốc thường được chọn là nguyên công gia công tinh lần cuối vì vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng làm việc sau này của chi tiết máy Chất lượng bề mặt thường được chọn làm chỉ tiêu để tối ưu hóa quá trình gia công tinh

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình gia công phay cao tốc tới độ chính xác gia công là cơ sở để tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công phay cao tốc

- Các thông số công nghệ: tốc độ cắt V(m/phút), tốc độ chạy dao S(mm/răng)

có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công cao tốc Khi đã nghiên cứu, xác định được sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình phay cao tốc đến độ chính xác gia công chúng ta có thể lựa chọn cho các thông số các giá trị tối ưu Và chất lượng bề mặt chi tiết sẽ được nâng cao

- Việc nâng cao chất lượng chi tiết khi gia công phay cao tốc sẽ dẫn đến một

hệ quả là các máy móc, thiết bị gia công cao tốc đó sẽ đạt độ chính xác cao hơn, quá trình hoạt động tốt hơn

Công nghiệp phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao

Do đó, việc nghiên cứu làm sao để sản phẩm làm ra đạt chất lượng tốt nhất, hiệu quả kinh tế cao nhất là một việc làm không thể thiếu Một trong số những nghiên cứu quan trọng đó chính là xem xét sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi gia công trên máy cao tốc đến chất lượng bề mặt chi tiết Với kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho quá trình tối ưu hóa các thông số công nghệ khi gia công trên máy phay cao tốc CNC

PHẦN 3 ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.1 ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG

3.1.1 Khái niệm về độ chính xác gia công

Các chi tiết máy (CTM) khi được thiết kế đều phải có các yêu cầu kỹ thuật nhất định để đảm bảo tính năng làm việc của chúng Đó có thể là độ chính xác về kích thước, chất lượng bề mặt hay vị trí tương quan Tuy nhiên, đó mới chỉ là trên bản vẽ thiết kế Khi gia công, việc đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết được ghi trên bản vẽ là rất cần thiết Thực tế là giữa chi tiết được gia công với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ có những sai lệch khác nhau và các sai số đó được gọi là sai số gia công Do vậy, độ chính xác gia công đã được định nghĩa như sau:

“Độ chính xác gia công của chi tiêt máy là mức độ giống nhau về kích thước, hình dáng và vị trí tương quan giữa chi tiết gia công trên máy và chi tiết lý tưởng trên bản vẽ thiết kế”

Độ chính xác của chi tiết máy được đánh giá theo các yếu tố sau đây:

a) Độ chính xác kích thước

Đó là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước góc Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số của kích thước thực so với kích thước lý tưởng được ghi trên bản vẽ

b) Độ chính xác hình dáng hình học

Đó là mức độ phù hợp giữa hình dáng hình học và hình dáng hình học lý tưởng của chi tiết Ví dụ, khi gia công chi tiết là mặt phẳng, độ chính xác hình dáng hình học được đáng giá qua độ phẳng của nó so với độ phẳng lý tưởng

c) Độ chính xác vị trí tương quan

Độ chính xác này thực chất là sự xoay đi một góc nào đó của bề mặt này so với bề mặt kia ( dùng làm chuẩn) Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều điện kỹ thuật trên bản vẽ thiết kê Ví dụ, độ song song, độ vuông góc, độ đồng tâm,v.v…

Nói chung, độ chính xác gia công là chỉ tiêu khó đạt nhất và gây tốn kém nhất kể cả trong quá trình xác lập cũng như trong quá trình chế tạo Độ chính xác gia công là một yếu tố rất quan trọng trong gia công cơ khí, nó phản ánh trình độ gia công của một nền sản xuất cơ khí

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa độ chính xác gia công và giá thành sản phẩm Tuy nhiên, việc nâng cao độ chính xác gia công là điều rất cần thiết vì điều

đó sẽ làm nâng cao chất lượng sử dụng của chi tiết máy, làm giảm thời gian lắp ráp sản phẩm v.v Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, việc nâng cao độ chính xác gia công đồng nghĩa với việc giá thành chi tiết sẽ bị nâng cao như đựơc chỉ ra trong hình 2.1

Độ chính xác gia công trong điều kiện sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố, do đó người ta thường gia công chi tiết với “độ chính xác kinh tế” chứ không phải “ độ chính xác có thể đạt tới"

3.1.2 Các nguyên nhân gây ra sai số gia công

Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhân gây ra từng sai số của mỗi chi tiết là giống nhau nhưng sai số tổng cộng trên từng chi tiết lại khác nhau Sở dĩ có hiện tượng như vậy là do tính chất khác nhau của các sai số thành phần Một số sai số xuất hiện trên từng chi tiết của cả loạt đều có giá trị không đổi theo một qui luật nào đó Những sai số này gọi

là sai số hệ thống cố định hoặc hệ thống thay đổi Có một số sai số khác mà giá trị của chúng xuất hiện trên mỗi chi tiết không theo một qui luật nào cả và những sai số này gọi là sai số ngẫu nhiên

a) Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống cố định :

- Sai số lý thuyết của phương pháp cắt

- Sai số chế tạo của máy, dao, đồ gá

- Biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

b) Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thay đổi (theo thời gian gia công)

- Dụng cụ bị hao mòn theo thời gian gia công

Dung sai chÕ t¹oGi¸ thµnh

- Biến dạng nhiệt của máy, dao và đồ gá

c) Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên :

- Độ cứng của vật liệu không đồng đều

- Lượng dư gia công không đồng đều

- Vị trí của phôi trong đồ gá thay đổi (dẫn đến sai số gá đặt)

- Thay đổi của ứng suất dư

- Gá dao nhiều lần

- Mài dao nhiều lần

- Thay đổi nhiều máy để gia công một lọat chi tiết

- Dao động nhiệt của quá trình cắt

- Các lọai rung động trong quá trình cắt

3.1.3 Các phương pháp đạt độ chính xác gia công

Để đạt độ chính xác gia công người ta thường dùng 3 phương pháp sau đây :

- Phương pháp cắt thử từng chi tiết riêng biệt

- Phương pháp tự động đạt kích thước

- Phương pháp điều khiển thích nghi

3.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác gia công

a) Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ

Hệ thống công nghệ (Máy-Dao-Đồ gá-Chi tiết gia công) là một hệ thống đàn hồi Sự thay đổi các giá trị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực cắt sẽ gây ra sai

số kích thước và sai số hình dáng hình học của chi tiết gia công

Lực cắt thay đổi là do lượng dư gia công không cố định, tính chất cơ lý của vật liệu gia công không cố định và do mòn dao Biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ phụ thuộc vào lực cắt và độ cứng vững của bản thân hệ thống đó

b) Biến dạng tiếp xúc và biến dạng của chi tiết gia công

Lượng biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ (hoặc của các phần tử trong hệ thống) phụ thuộc vào biến dạng của bản thân các chi tiết và biến dạng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép Biến dạng của bản thân chi tiết (biến dạng kéo, biến dạng nén, biến dạng uốn, biến dạng xoắn hoặc tổng hợp các biến dạng đó) được tính theo các công thức của sức bền vật liệu hoặc theo lý thuyết đàn hồi

c) Ảnh hưởng do sai số của phôi

Khi gia công, dao bị mòn làm cho lực cắt Py và biến dạng đàn hồi của hệ thống công nghệ tăng lên, do đó kích thước của chi tiết máy cũng bị biến động Còn

sự biến động của độ cứng vật liệu và lượng dư gia công sẽ gây ra sai số hình dáng hình học của chi tiết Hơn nữa, trong thực tế cũng tồn tại hiện tượng in dập (di truyền công nghệ) sai số hình dáng hình học cùng tính chất của phôi và chi tiết gia công như độ ô-van, độ côn, độ đảo,v.v…

a) Ảnh hưởng do độ chính xác của máy công cụ

Thông thường máy công cụ có những sai số hình học như sau:

- Độ đảo hướng kính của trục chính

- Độ đảo của lỗ côn trục chính

- Độ đảo mặt đầu của trục chính

- Các sai số của các bộ phận khác như sống trượt, bàn máy,v.v…

Các sai số trên đây sẽ phản ánh một phần hoặc toàn bộ lên chi tiết gia công dưới dạng sai số hệ thống Việc hình thành các bề mặt gia công là do chuyển động cưỡng bức của các bộ phận chính như trục chính, bàn máy hoặc bàn giao v.v… nếu các chuyển động này có sai số chúng sẽ phản ánh lên bề mặt của chi tiết gia công

e) Ảnh hưởng của sai số của đồ gá

Sai số chế tạo và lắp ráp của đồ gá cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết gia công Các chi tiết quan trọng của đồ gá như các chi tiết định vị, dẫn hướng,

so dao,v.v Nếu có sai số do chế tạo hoặc mòn sẽ làm thay đổi vị trí tương đối giữa Máy- Dao- Chi tiết, do đó cũng gây ra sai số gia công Sai số này có thể xác định được bằng tính toán dựa vào dung sai của các chi tiết chủ yếu của đồ gá hoặc có thể dựa vào kích thước thực tế của các chi tiết đó khi chế tạo

Nhìn chung, tốc độ mòn của đồ gá cũng như của máy công cụ rất chậm, vì vậy sai số về hình học của đồ gá sẽ phản ảnh lên các chi tiết được gia công là như nhau và mang tính hệ thống Ngoài ra, sai số do lắp ráp đồ gá lên máy cũng gây ra sai số gia công vì nó làm mất vị trí chính xác của đồ gá so với dụng cụ cắt

f) Ảnh hưởng của sai số của dụng cụ cắt

Độ chính xác chế tạo dụng cụ cắt, mức độ mài mòn của nó và sai số gá đặt trên máy đều ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Khi gia công bằng các dụng cụ định kích thước (ví dụ như mũi khoan, mũi khoét, dao doa, dao chuốt v.v.) thì sai số

của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công Khi gia công rãnh then bằng dao phay ngón, dao phay đĩa thì sai số đường kính và bề rộng của dao cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chiều rộng của rãnh then

Sai số bước ren, góc nâng của ren, góc đỉnh ren, đường kính trung bình của các loại tarô và bàn ren đều phản ánh trực tiếp lên ren gia công

Khi gia công các mặt định hình bằng các dao định hình (như dao tiện định hình, dao phay răng môđun) thì sai số profin của dao sẽ gây ra sai số hình dạng bề mặt

Ngoài sai số chế tạo, trong quá trình cắt dao sẽ bị mòn và ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác gia công

g) Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của máy

Khi máy làm việc, các bộ phận khác nhau của nó bị nung nóng chủ yếu là do nhiệt ma sát, nhiệt phát ra từ động cơ và từ hệ thống thủy lực Nhiệt độ của các bộ phận khác nhau có thể chênh lệch trong khoảng (10÷ 50)0C , trong đó nhiệt độ ở hai ổ trục chính có giá trị lớn nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác gia công Nhiệt độ tăng lên làm cho tâm trục chính xê dịch theo cả hai phương ngang và đứng Do đó các chi tiết gia công ở đầu và cuối ca làm việc sẽ có các kích thước khác nhau

h) Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của dụng cụ cắt

Khi cắt, nhiệt cắt truyền vào dao với tỷ lệ không lớn (10÷ 20%) Tuy nhiên,

tỷ lệ nhiệt này cũng gây ra biến dạng đáng kể của dao cắt Sự giãn nở chiều dài dao

sẽ làm thay đổi vị trí dao đã được điều chỉnh và gây ra sai số gia công

i) Ảnh hưởng của biến dạng nhiệt của chi tiết

Một phần nhiệt ở vùng cắt được truyền vào chi tiết gia công, làm cho nó biến dạng và gây ra sai số gia công Nếu chi tiết nung nóng đều thì chỉ gây ra sai số kích thước, còn nếu nó bị nung nóng cục bộ, không đều thì ngoài sai số kích thước còn gây ra sai số hình dáng Nhiệt độ được truyền vào chi tiết phụ thuộc vào chế độ cắt

Ví dụ, khi tiện với tốc độ cắt và lượng chạy dao cao, có nghĩa là rút ngắn thời gian tác động nhiệt tới chi tiết gia công thì nhiệt độ giảm Chẳng hạn, khi tăng tốc độ cắt

từ 30 m/phút đến 150m/phút với chiều sâu cắt không đổi (3mm) và lượng chạy dao 0.44mm/vòng thì nhiệt độ của chi tiết giảm

k) Ảnh hưởng của rung động trong quá trình cắt

Rung động của hệ thống công nghệ trong quá trình cắt làm cho vị trí tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công thay đổi theo chu kỳ, do đó ghi lại trên bề mặt

chi tiết hình dáng không bằng phẳng Nếu sai số rung động thấp, biên độ lớn sẽ sinh

ra độ nhám bề mặt Ngoài ra, do rung động chiều sâu cắt, tiết diện phoi và lực cắt sẽ tăng, giảm theo chu kỳ làm ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Rung động có hai loại: rung động cưỡng bức và tự rung động

 Rung động cưỡng bức:

Nguyên nhân gây ra rung động cưỡng bức là do các lực kích thích từ bên ngoài truyền vào Rung động cưỡng bức có thể có hoặc không có chu kỳ tùy theo lực kích thích có hoặc không có chu kỳ Nguồn gốc sinh ra rung động cưỡng bức là:

- Các chi tiết máy, dao hoặc chi tiết gia công quay nhanh nhưng không được cân bằng tốt

- Các chi tiết truyền động trong máy có sai số lớn

- Lượng dư gia công không đều

- Bề mặt gia công không liên tục

- Các bề mặt tiếp xúc có khe hở lớn

Để giảm rung động người ta thường sử dụng các biện pháp sau đây:

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Giảm lực truyền động cần phải được gia công với độ chính xác cao

- Các chi tiết quay nhanh cần phải được cân bằng tốt

- Tính cắt không liên tục

- Khi gia công các chi tiết có độ chính xác cao cần phải có cơ cấu giảm rung

và có nền giảm rung cách ly với bên ngoài

 Rung động tự phát (Tự rung)

Tự rung động hay là rung động sinh ra bởi quá trình cắt và nó được duy trì bởi lực cắt Khi ngừng cắt thì hiện tượng tự rung cũng kết thúc

Để giảm tự rung người ta dùng các biện pháp sau đây:

- Không nên cắt lớp phoi quá rộng và quá mỏng

- Chọn chế độ cắt hợp lý sao cho không nằm trong vùng có xuất hiện lẹo dao

- Thay đổi hình dáng hình học của dao sao cho giảm lực cắt ở phương có rung động

- Dùng dung dịch bôi trơn nguội để giảm bớt mòn dao

- Nâng cao độ cứng của hệ thống công nghệ

- Sử dụng các cơ cấu giảm rung

l) Ảnh hưởng của phương pháp gá đặt

Để gia công được trên máy, chi tiết phải được định vị và kẹp chặt Hai quá trình này (định vị và kẹp chặt) được gọi là gá đặt Bản thân gá đặt này cũng sai số

và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công

m) Ảnh hưởng của dụng cụ đo và phương pháp đo

Dụng cụ đo và phương pháp đo cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Bản thân dụng cụ đo khi chế tạo cũng có sai số, do đó khi dùng nó để xác định độ chính xác của chi tiết sẽ cho ta kết quả không chính xác

Ngoài ra phương pháp đo (gá chi tiết gia công lên dụng cụ đo hoặc đồ gá, sau

đó điều chỉnh chuỗi kích thước rồi thực hiện phép đo) cũng gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công

Để giảm bớt ảnh hưởng của đo lường đến độ chính xác gia công cần phải chọn dụng cụ đo và phương pháp đo hợp lý

3.1.5 Khả năng đạt độ chính xác của các phương pháp gia công cắt gọt

a) Các phương pháp cắt gọt sử dụng dụng cụ cắt có thông số hình học cố định Hiện nay, việc gia công bằng phương pháp cắt gọt bằng dụng cụ cắt có lưỡi cắt cố định vẫn chiếm một tỷ lệ lớn trong quá trình gia công chế tạo các sản phẩm

cơ khí Đó là các phương pháp gia công như Tiện, Phay, Bào, Khoan, Khoét, Doa

v.v Mỗi phương pháp gia công cho một độ chính xác khác nhau nhưng nói chung là

độ chính xác gia công của các phương pháp này vẫn thấp, đạt độ chính xác cao nhất khoảng cấp 7, do các yếu tố sau:

- Tốc độ gia công thấp nên chất lượng bề mặt chi tiết chưa cao

- Do chiều sâu cắt tới hạn lớn (Lớn hơn 0,02mm)

- Thường gia công các vật liệu chưa qua nhiệt luyện nên chất lượng bề mặt gia công thấp

Do đó, trong các quá trình gia công đòi hỏi độ chính xác cao thì các quá trình trên vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra mà chỉ đóng vai trò

là các nguyên công gia công thô hoặc gia công trước nhiệt luyện, chuẩn bị cho quá trình gia công có độ chính xác cao hơn như Mài, Nghiền, Khôn v.v

b) Mài và các phương pháp gia công sử dụng hạt mài

Mài và các phương pháp gia công bằng vật liệu hạt mài như Nghiền, Khôn, Mài siêu tinh xác là các phương pháp gia công tinh cho độ chính xác gia công cao Bằng phương pháp mài, có thể gia công được chi tiết đạt độ chính xác cấp 6-7, độ bóng 8-

10, do đó có thể sử dụng cho gia công lần cuối Với các phương pháp gia công khác còn có thể đạt độ chính xác cao hơn nữa Do vậy đây là các phương pháp được sử dụng chủ yếu để gia công các chi tiết đạt độ chính xác cao và rất cao Sở dĩ các phương pháp gia công này đạt độ chính xác gia công cao vì một số nguyên nhân sau:

Chiều sâu cắt trong các nguyên công này rất nhỏ Chiều sâu cắt khi mài từ

2-20 m, khi nghiền và khôn còn nhỏ hơn nữa

-Tốc độ cắt rất lớn (khi mài) hoặc rất bé (khi nghiền, khôn)

c) Các phương pháp gia công truyền thống có sử dụng máy CNC và dụng cụ cắt tiên tiến

Độ chính xác gia công phụ thuộc nhiều vào máy công cụ được sử dụng để gia công chi tiết Ngày nay, với sự ra đời của các máy CNC, độ chính xác gia công

cơ khí đã được tăng lên đáng kể, đặc biệt khi gia công bằng các dụng cụ cắt vật liệu mới có tính năng sử dụng tốt hơn Đó là do:

- Máy CNC có độ chính xác rất cao Độ chính xác của các máy CNC cao hơn rất nhiều so với các máy công cụ truyền thống Sai số dịch chuyển chạy dao trong máy CNC là 1m với các máy Trung tâm gia công (Machinning Center) và 0,1m cho các Trung tâm mài (Grinding Center)

- Có thể cắt với tốc độ cắt cao hơn nhiều so với máy truyền thống Hiện nay, các máy CNC đã có tốc độ trục chính lên tới 120.000v/ph Với tốc độ trục chính cao như vậy, có thể gia công cắt gọt kim loại với tốc độ cao, điều này làm cho chất lượng bề mặt cao hơn, qua đó góp phần làm tăng độ chính xác gia công

d) Các phương pháp gia công tiên tiến: Công nghệ Na-nô

Với các phương pháp gia công truyền thống đã nêu trên, việc nâng cao độ chính xác gia công đã được nghiên cứu và đã đạt được nhiều kết quả đáng kể Tuy nhiên, các phương pháp công nghệ trên chỉ mới dừng lại ở giới hạn kích thước là Micromet (10-6mm) Hiện nay, để nâng cao độ chính xác gia công và thu gọn kích thước của sản phẩm, công nghệ Na-no đã và đang được nghiên cứu và phát triển Với việc giới hạn kích thước nghiên cứu đạt tới 10-9mm, chiều sâu cắt đạt tới

10-9mm, công nghệ Na-no đã và đang là hướng nghiên cứu mới để nâng cao độ chính xác gia công trong tương lai

3.1.6 Thông số vật lý của bề mặt gia công

Tính chất cơ lý của bề mặt gia công bao gồm sự biến cứng bề mặt và ứng suất dư: a) Sự biến cứng bề mặt

Trong quá trình gia công dưới tác dụng của lực cắt, trên bề mặt của kim loại sinh ra biến dạng dẻo Các hạt tinh thể bị kéo lệch mạng gây nên ứng suất giữa các tinh thể Tác dụng này làm giảm mật độ kim loại, nâng cao giới hạn bền, nâng cao

độ cứng và độ giòn, làm giảm tính dẻo và tính dai hiện tượng này gọi là sự biến cứng và chiều sâu biến cứng của bề mặt kim loại Mức độ biến cứng H có thể xác định theo công thức sau:

Sh = (HS - Ht/Ht) 100% s t 100%

h

t

H H S